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按照摩尔定律,继续通过缩小晶体管的特征尺寸来提升集成电路的性能,已变得越发困难。三维集成电路(Three-dimensional integrated circuit,3D IC)作为超越摩尔定律的重要研究和应用方向,将根本改变集成电路的发展趋势。在IC器件微型化发展趋势下,堆叠芯片之间的间距和微凸点之间的节距不断缩小,使得芯片底部填充以及微连接可靠性成为晶圆级3D IC集成亟需解决的关键问题。晶圆级混合键合技术可以实现金属之间和介质之间的同时键合,不仅解决了晶圆级底部填充问题,还显著地提高了微连接可靠性。目前,如何设计和制作具有高良率、优异可靠性,且易于工业化生产的基于混合键合的3D IC集成器件,已成为工业界所面临的关键难题。本论文研究了基于Cu/钎料微凸点和粘结剂的混合键合技术,以及后硅通孔(Through silicon via,TSV)的8寸晶圆级3D IC堆叠技术,采用简单高效的光刻技术使微凸点由粘结剂中露出,并通过分析键合机制,优化键合工艺流程和参数,实现性能和可靠性均良好的晶圆级混合键合。该方法无需薄晶圆拿持和化学机械抛光表面预处理技术,更易于工业化生产。主要研究结果总结如下:1.研究聚酰亚胺(Polyimide,PI)和干膜(Dry film,DF)两种典型粘结剂材料的晶圆级粘结剂键合性能,分析基于粘结剂堆叠芯片的键合界面的微观结构、力学性能和可靠性。采用PI或DF粘结剂均可得到无缝隙的粘结剂键合界面,但采用DF粘结剂堆叠芯片具有更高的键合强度和更优异的可靠性。进一步研究Cu/SnAg微凸点和PI粘结剂以及Cu/SnAg微凸点和DF粘结剂两种混合键合结构,考察混合键合堆叠的晶圆在切割过程中的可靠性,分析混合键合堆叠芯片的键合界面微观结构、力学性能。虽然两混合键合结构均得到了无缝隙的混合键合界面,但采用PI粘结剂混合键合堆叠的晶圆无法支撑切割制程。切割测试和推力测试表明,采用DF粘结剂混合键合堆叠芯片的键合强度更大,DF粘结剂更加适用于Cu/SnAg钎料和粘结剂低温混合键合结构。2.研究相同直径Cu/SnAg微凸点和DF粘结剂混合键合结构与机制。此混合键合结构中,上下微凸点均高于DF粘结剂。首先,研究DF粘结剂软烤预处理和两种键合参数曲线(常规键合曲线和优化后的阶梯式加力键合曲线)对混合键合过程中上下晶圆之间偏移的影响,采用X-ray检测偏移情况。DF粘结剂经软烤并采用优化后的阶梯式加力键合参数曲线可以显著地控制偏移,偏移值约为5 μm,通过测量8寸晶圆上不同位置的偏移值,阐明了混合键合过程中产生偏移的机制为滑移。其次,研究Cu/SnAg微凸点和DF粘结剂之间总高度差和键合压力对混合键合性能的影响,采用C型超声波扫描(C-mode scanning acoustic microscope,C-SAM)检测未键合区域位置。结果表明,若总高度差过大,DF粘结剂键合界面易形成缝隙;当总高度差为2 μm,并将键合压力提升至13 KN时,得到最优的键合结果,仅在晶圆中心区域存在未键合区域。微凸点高度统计分析结果显示,此未键合区域是由微凸点高度不均导致的。3.通过优化设计,开发出基于插入式微凸点和DF粘结剂的混合键合结构。首先,研究粘结剂先键合和微凸点先键合两种混合键合方式对键合后偏移、键合界面微观结构的影响,发现采用两种混合键合方式的偏移值均小于设计偏移容差(9 μm),同时采用微凸点先键合的混合键合方式,更易于得到无缝隙的混合键合界面。对采用微凸点先键合的混合键合晶圆进行背面减薄并制作深度和直径分别约为93 μm和40 μm的后孔TSV。晶圆级电性能测试表明,整面晶圆均具有优异的电连接性能,即整面晶圆上的微连接和TSV均成功地集成。推力测试结果表明,堆叠芯片的平均键合强度约为28.7MPa。混合键合后,微凸点键合形成Cu/Ni-P/富P的Ni/Ni3Sn4 IMC+钎料/Ni/Cu微连接结构,并较好地解释了 Ni-P侧所形成的Ni3Sn4 IMC层厚度明显的小于Ni侧Ni3Sn4 IMC层厚度的原因。对集成后的芯片进行可靠性分析,揭示微凸点键合界面IMC随可靠性测试时间的组织演变规律。