应用于三维集成中多芯片堆叠的快速常温铜锡键合新技术： 结构、工艺和机理研究

Three-dimensional (3D) integration is one of the main technologies for integration circuit development in the future because it significantly decreases interconnection delay, reduces interconnection power and increases integration density and functionality. However, studies on multi-chip stacking as one of the key technologies for 3D application are slow. Currently, widely applied stacking technology for 3D is Cu/Sn solid liquid inter-diffusion bonding but bonding temperature is high and bonding time is long. To solve these problems, this proposal proposes a fast （＜1 s） room-temperature （25℃）bonding technique. The bonding process includes the mechanical and electrical interconnection. The mechanical interconnection of multi-chip is achieved by repeating the bonding process of protrusion-groove mechanical interlock, which saves the diffusion time of multiple-time traditional CuSn bonding. The electrical interconnection of all the bonding connecting all the chips is accomplished by final one-time annealing. Novelty in this proposal include: (1) Propose a structure of protrusion-groove mechanical interlock and separates the mechanical and electrical interconnections of traditional bonding methods, which breaks through the traditional bonding mode. (2) Set up the optimization and scientific characterization strategy of bump size and surface roughness. (3) Establish a sealed structure after bonding to solve the problem of Sn “overflow” so that comprehensive diffusion theory can be built. This proposed technique brings a novel idea for chip interconnection and will enrich the technology of multi-chip stacking, which can accelerate the application of 3D integration.

三维集成极大地减小互连延迟、降低互连功耗，提高集成密度及性能，是未来集成电路发展的主要方向之一。但影响三维集成实现的关键技术—多芯片堆叠却发展缓慢。目前广泛应用的多芯片堆叠技术是铜锡固液扩散键合，但其存在键合温度高、时间长的问题。为了解决以上问题，本项目提出了一种快速（＜1s）常温（25℃）多芯片铜锡固液扩散键合方法。键合过程包括：通过多次重复连接凸起-凹陷机械互锁结构实现多芯片机械连接，节省了多次传统铜锡键合的扩散时间；最后，一次退火处理实现多芯片所有键合点的电学连接。主要创新点包括：（1）突破固有键合模式，提出了凸起-凹陷机械互锁结构，分开实现铜锡键合的机械和电学连接；（2）建立关键设计参数—凸点尺寸及表面粗糙度的优化及系统表征方案；（3）创建封闭的键合结构解决Sn“外溢”问题，从而全面地建立铜锡扩散理论。本项目以全新的思路实现芯片键合，必将丰富多芯片堆叠方法，加快三维集成的应用。

3D集成作为未来集成电路发展的主要方向之一，其键合技术是非常重要的，特别是多层芯片堆叠的时间和温度，直接影响了3D集成在高端芯片和温敏器件的应用及其成品率。因此，本项目主要研究应用于多层芯片堆叠的快速低温键合的方法，即基于机械互锁原理预键合和退火实现最终键合的键合技术（MIB）。MIB技术的关键是快速和低温的实现方法。实现快速键合的关键是采用机械互锁结构进行预键合，因此机械互锁结构的设计至关重要。因此，本项目针对机械互锁结构采用仿真和实验协同优化的方法进行，首先采用有限元方法进行仿真，从凹槽宽度、凸点宽度、缝隙宽度等尺寸设计对热应力的影响，键合时施加的外力对热应力的影响，承受不同水平剪切力时凸点所受的机械应力三方面优化机械互锁结构和键合参数，最终为第一次掩模版设计提供设计基础。而实现多层芯片低温键合的关键是预键合和退火共同决定，因此本项目对凸点的制备工艺、预键合的工艺和退火的工艺分别进行了研究，并进行了系统的表征，最终得到优化的键合条件，和在此条件下的键合机理。即分别在150℃和200℃下1min内进行多层芯片的堆叠，并在260℃下进行退火处理，最终实现最小剪切强度在45MPa以上。键合时间、温度和剪切强度综合都比文献中报道的其他快速低温键合方法的性能好。此外，键合界面出现了尺寸非常大的金属间化合物Cu6Sn5，在整个界面只存在1-2晶粒，这非常有利于抗电迁移。本项目的实施不仅对不同性能和技术节点制备的芯片的多层堆叠有很大意义，而且对传感器等温度敏感的器件的低温快速集成也有很大意义，这能极大地促进三维集成的快速发展，也能为我国高性能芯片的三维集成、多功能芯片的系统集成提供可行的键合方案。