三维集成系统中堆叠芯片Cu-Cu键合研究

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三维集成是当前微电子领域的研究热点之一,2.5D/3D Si P技术已在诸多集成电路细分领域得到推广应用,基于Chiplet的异构集成技术近年来也开始受到广泛关注。但是,目前的三维集成技术还未实现晶圆级(或芯片级)的3D IC集成。本论文基于电镀铜工艺探索新型的室温条件下的芯片堆叠“铜-铜无界面键合”工艺技术,解决在室温条件下实现“金属-金属”键合这一关键难点,形成一体化的三维金属互连结构,具有重要的科学意义和应用价值,研究成果将为高质量3D IC的制作提供技术指引。论文首先调研了三维集成中绝缘层-绝缘层键合、金属-绝缘层键合、金属-金属键合等各种键合工艺,以及X射线检测、SAM检测、SEM检测、剪切力检测、疲劳检测等常见的可靠性检测方法。其次,基于多物理场分析软件COMSOL Multiphysics仿真了Cu-Cu热压键合、聚合物粘胶键合、Cu-Sn共晶键合以及CuCu无界面键合的热特性和热疲劳特性,对比研究不同键合工艺对键合界面可靠性的影响,从理论上验证了Cu-Cu无界面键合工艺能够提高键合界面的可靠性。然后,设计了基于电镀铜的含均匀铜种子层的两层芯片Cu-Cu无界面键合工艺,充分评估了电镀电极布置对电镀电流密度分布的影响,开展了实验研究,基于X射线扫描、SAM、SEM和剪切强度测试等方法对键合样品进行了测试表征分析,结果说明了均匀铜种子层的Cu-Cu无界面键合工艺的可行性。最后,设计了基于电镀铜的含图形化铜种子层的两层芯片Cu-Cu无界面键合工艺,深入分析了铜种子层的图形对键合工艺的影响,开展了实验研究,基于X射线扫描、SAM和剪切强度测试等方法对键合样品进行了测试表征分析,结果说明了图形化铜种子层的Cu-Cu无界面键合工艺的可行性。本论文的理论和实验研究结果验证了论文所提出的新型Cu-Cu无界面键合技术的可行性。
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