三维集成电路超细节距微钎料凸点互连研究

三维集成电路技术是近年来发展迅速的新型高密度集成技术之一,能够实现多功能异质集成、降低制造成本，突破集成电路互连和布线瓶颈。其核心技术包括TSV制作、晶圆减薄、薄晶圆拿持以及键合等技术。微钎料凸点互连在芯片-芯片、芯片-晶圆以及晶圆-晶圆键合中具有广泛的应用。三维集成电路的互连密度的持续增加，凸点向超细节距，超高密度方向发展，这给凸点材料、制备、互连工艺和可靠性提出了很多难题。本项目针对微凸点合金化、液固反应扩散控制方法、钎料和金属间化合物焊点可靠性比较以及芯片-晶圆混合键合技术开展研究。通过创新性的思路与方法解决超细节距钎料凸点的互连技术难点；获得微合金化钎料凸点和带有缓冲层凸点材料与制备工艺，实现高可靠性芯片互连；获得利用最小节距为10微米的微凸点芯片/晶圆混合键合方法与材料体系，实现至少三层芯片的高产率、高可靠性堆叠。研究成果为三维集成电路键合提供理论依据和实验结果。

由于摩尔定律走到物理极限，三维集成成为微电子核心技术，来持续实现成未来微电子产品小型化，多功能化,高密度，高速和低成本。本项目针对3D IC集成互连技术，特别是超细微凸点互连技术进行了研究，为三维集成电路堆叠垂直互连提供理论依据和实验结果。.主要的研究内容和重要结果有：（1）完成细节距铜柱钎料凸点的微合金化材料与工艺研究，基于液固润湿反应对Cu/Sn凸点的多元合金化进行了研究。获得了铜柱Sn-x(0.3-2)Ag，Sn-0.5Cu-1Ag，Sn-x(0.03-0.07)Cr, Sn-x(0.03-0.07)Ni微凸点。（2）完成钎料焊点和 IMC 焊点的制备和热循环可靠性研究，结果表明，虽然CuSn IMC本身有所谓的脆性，但热循环可靠性要优于焊料焊点。（3）完成微凸点2.5D硅通孔转接板互连技术研究，开发并获得了孔深宽比为6:1的硅转接板，尺寸为22.6×20.44×0.12mm3。完成芯片／转接板／基板的微组装。（4）完成薄型的3D WLCSP封装技术开发，TSV直径为40μm, 硅厚度100μm，深宽比为2.5:1.铜柱凸点的高度和直径分别为50μm。研发了关键工艺包括临时键合，硅干法刻蚀，低温化学汽相沉积，氧化物绝缘层刻蚀，电镀填孔，再布线，和拆键合。5）开展了液态印刷微凸点的装备设计和搭建，探索制备工艺，对微凸点制备进行了工艺仿真和验证。.本研究具有一定的科学意义和应用价值。证明超细节距微凸点可以通过液固反应来实现合金化；三维互连堆叠焊点如果都转变成IMC，可能得到更好的热应力可靠性；2.5D封装、薄型的3D WLCSP封装的制备和互连都非常复杂，薄圆片拿持和翘曲控制是核心技术；液态印刷为未来制备微细凸点提供了可行的方法。