【摘要】：目前,二維集成封裝技術(shù)在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用比現(xiàn)在的三維集成封裝技術(shù)更加成熟。在過去的幾十年里,集成電路的發(fā)展幾乎完全遵循著摩爾定律的發(fā)展。不斷提高的封裝密度,縮短互連長度和降低功耗等,使得封裝工藝在原來的二維封裝工藝的基礎(chǔ)上向三維封裝的方向上發(fā)展。而隨著封裝工藝技術(shù)的不斷發(fā)展,銅已經(jīng)逐漸成為了主要的互連材料。銅與之前封裝工藝中使用的金相比具有較好的導(dǎo)電性,在較高的延伸率的情況下,能夠保證較高的強(qiáng)度,鍵合過程能減少金屬間化合物的形成等。在三維系統(tǒng)封裝技術(shù)中,金屬熱壓鍵合是實現(xiàn)多層芯片堆疊和垂直互連的關(guān)鍵技術(shù)。但是高溫會使得芯片的性能發(fā)生改變,為了解決熱壓鍵合產(chǎn)生的高溫帶來的不利影響,我們研發(fā)了一種低溫鍵合技術(shù)。本論文中,我們主要研究基于甲酸預(yù)處理的Cu-Cu低溫直接鍵合技術(shù)。該技術(shù)主要分為兩個部分:一是鍵合前的銅薄膜的表面處理,二是表面處理后的鍵合過程。同時,為了實現(xiàn)甲酸對銅表面的在線預(yù)處理處理及銅-銅直接鍵合,我們根據(jù)甲酸在銅表面的和氧化物的反應(yīng)原理設(shè)計了并研制了基于甲酸預(yù)處理的銅-銅低溫直接鍵合設(shè)備。表面處理部分,首先分別使用甲酸氣體和溶液對銅薄膜表面進(jìn)行處理,然后使用X射線光電子能譜儀(XPS)和原子力顯微鏡(AFM)對處理前后的銅薄膜進(jìn)行測試。研究分析處理前后銅薄膜表面的還原情況及表面形貌的變化。使用甲酸氣體處理銅薄膜表面時改變處理時間,XPS分析得到,在一定時間范圍內(nèi)(0min~30min),隨著反應(yīng)時間的增加,銅薄膜表面還原都越充分;AFM分析得到,在一定時間范圍內(nèi)(0min~30min),隨著甲酸氣體處理時間的增加,銅薄膜表面粗糙度逐漸增加。而使用甲酸溶液處理時,分別改變處理時間和甲酸溶液的濃度,XPS分析得到,在一定時間范圍內(nèi),隨著反應(yīng)時間的增加,銅薄膜表面還原都越充分,且在溶液濃度為50%時,銅薄膜表面的還原反應(yīng)最為充分。AFM分析得到,利用甲酸液體處理后,銅薄膜表面粗糙度明顯增加。由于甲酸溶液對銅薄膜的表面有一定的腐蝕作用,甲酸氣體處理的銅薄膜表面粗糙度要小于甲酸溶液處理的銅薄膜。直接鍵合部分,首先將經(jīng)過甲酸氣體處理30min后的銅薄膜樣品在N_2的氣氛下加熱至200℃,再給銅薄膜樣品加壓至1200N,使得上下銅薄膜接觸并直接鍵合。然后對鍵合的界面進(jìn)行拉力測試,測得的拉力大約10MPa。最后通過掃描電子顯微鏡(SEM)以及透射電子顯微鏡(TEM)對甲酸預(yù)處理后的Cu-Cu直接鍵合的界面進(jìn)行測試觀察,鍵合界面處銅原子之間結(jié)合緊密。因此,通過甲酸預(yù)處理的銅-銅鍵合技術(shù)可以獲得高質(zhì)量的銅-銅鍵合,為高性能的電子器件封裝提供了一種有效的鍵合技術(shù)。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN405
【圖文】：

圖 1. 2 埋置型 3D 封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出現(xiàn)，讓人們看到了將大量的電子元器件甚至是整個電子的晶圓片上的可行性。如今的超大規(guī)模集成電路(VLSI)、專分實現(xiàn)了圓片規(guī)模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一個型 3D 封裝型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（單晶硅）作為基板，然后在頂層貼裝 SMC/SMD 或貼裝多個 LSI，形成有源基而獲得圓片規(guī)模集成(WSI)所能實現(xiàn)的功能。有源基板型 3D首先，3D-MCM 的制作封裝可以利用一般的半導(dǎo)體 IC 的工可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，而且生產(chǎn)的規(guī)模還會隨著半導(dǎo)體工藝；其次，這種結(jié)構(gòu)的封裝，讓安裝在基板上的 IC 芯片與基全匹配，從而使電子產(chǎn)品達(dá)到更高的可靠性。這類有源基板

圖 1. 2 埋置型 3D 封裝結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出現(xiàn)，讓人們看到了將大量的電子元器件甚至是整個電子小的晶圓片上的可行性。如今的超大規(guī)模集成電路(VLSI)、專部分實現(xiàn)了圓片規(guī)模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一個型 3D 封裝板型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（單晶硅）作為基板，，然后在頂層貼裝 SMC/SMD 或貼裝多個 LSI，形成有源基而獲得圓片規(guī)模集成(WSI)所能實現(xiàn)的功能。有源基板型 3D：首先，3D-MCM 的制作封裝可以利用一般的半導(dǎo)體 IC 的工可以進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，而且生產(chǎn)的規(guī)模還會隨著半導(dǎo)體工藝高；其次，這種結(jié)構(gòu)的封裝，讓安裝在基板上的 IC 芯片與基完全匹配，從而使電子產(chǎn)品達(dá)到更高的可靠性。這類有源基板構(gòu)如下圖 1.3 所示。鍵合區(qū)

有兩種方式：一種是金字塔型的堆疊封裝，即是將序從基板底部開始堆疊，并且使用引線進(jìn)行互連芯片層疊 3D 封裝，即是將大小相同的芯片依次從接進(jìn)行互連連接，如圖 1.5 所示。裝，是將 LSI 、VLSI 芯片[16]、MCM[17]或 WSI[1開發(fā)的非常活躍的 3D 結(jié)構(gòu)。最常見的裸芯片疊片倒扣焊接在薄膜載體上，這種薄膜載體的材質(zhì)布線，內(nèi)部互連焊點，兩側(cè)有外部互連焊點，再把層封裝是在垂直于芯片封裝表面的 Z 方向上實現(xiàn)相比，具有尺寸小和重量輕的特點，3D 疊層封小 5~6 倍，重量可減輕 3~19 倍。導(dǎo)線硅片硅片粘合劑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2774346