三維集成技術(shù)將多層集成電路芯片堆疊鍵合，通過穿透襯底的三維互連實(shí)現(xiàn)多層之間的電信號連接。三維集成技術(shù)可以降低芯片功耗，減小互連延時(shí)，提高數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的SoC提供了可能。作為與工藝節(jié)點(diǎn)無關(guān)的新技術(shù)，三維集成具有極為廣泛的應(yīng)用，近年來受到了微電子領(lǐng)域的高度重視。本書較為全面地介紹了三維集成技術(shù)的重點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，包括三維集成制造技術(shù)、集成方法、集成策略、熱力學(xué)理論、可靠性問題、測試技術(shù)等，并介紹了多種應(yīng)用及一些新技術(shù)的發(fā)展趨勢。
《三維集成技術(shù)》可供高等院校微電子、電子、封裝、微機(jī)電系統(tǒng)、力學(xué)、機(jī)械工程、材料等專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師使用，也可供相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。
從1947年年底美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明晶體管算起，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展迄今已經(jīng)走過了66年。從1958年美國德州儀器公司發(fā)明集成電路，1959年仙童公司發(fā)明平面集成工藝算起，微電子技術(shù)也有超過半個(gè)世紀(jì)的歷史。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的高速發(fā)展，微電子技術(shù)和依托于微電子技術(shù)的信息技術(shù)已經(jīng)對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了革命性的影響。然而，今天我們必須面對的問題是： 傳統(tǒng)晶體管的物理極限不斷逼近，更小特征尺寸的制造技術(shù)越來越困難，集成電路的功耗不斷增大，晶圓廠的投資迅速攀升。在這種情況下，如何繼續(xù)保持微電子技術(shù)以摩爾定律所描述的速度持續(xù)發(fā)展，已經(jīng)成為今天整個(gè)行業(yè)都在努力解決的問題。
三維集成技術(shù)的出現(xiàn)，為半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展提供了一個(gè)新的技術(shù)解決方案。所謂三維集成，廣義上是指將多層集成電路芯片堆疊鍵合，通過穿透襯底的三維互連實(shí)現(xiàn)多層之間的電信號連接。三維集成能夠?qū)崿F(xiàn)更小的芯片面積、更短的芯片間互連、更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，以及不同工藝技術(shù)的異質(zhì)集成，從而大幅度降低芯片功耗，減小延時(shí)，提高性能，擴(kuò)展功能，并為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能的SoC提供可能。三維集成是一種與器件結(jié)構(gòu)和工藝無關(guān)的技術(shù)方向，不但使微電子技術(shù)在當(dāng)今CMOS的體系下，能夠不依賴于特征尺寸的不斷縮小而仍舊保持摩爾定律向前發(fā)展，并極有可能繼續(xù)支持未來的非CMOS技術(shù)。
三維集成技術(shù)的研究開始于20世紀(jì)70年代末期。由于當(dāng)時(shí)解決集成度問題所依賴的光刻技術(shù)在縮小特征尺寸方面仍舊十分有效，加上當(dāng)時(shí)所采用的串行三維集成制造的技術(shù)問題難以突破，三維集成技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。直到90年代末期特別是21世紀(jì)初，微電子領(lǐng)域的互連瓶頸問題越來越突出，減小特征尺寸的技術(shù)難度越來越大，投資越來越高，三維集成技術(shù)作為解決這些問題的可行技術(shù)，才引起業(yè)界的廣泛重視。在工業(yè)界，目前幾乎所有的半導(dǎo)體公司都把三維集成技術(shù)作為一個(gè)重要的發(fā)展方向，并在設(shè)備、材料、設(shè)計(jì)軟件等供應(yīng)鏈的支持下，推動三維集成制造技術(shù)快速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。2008年，東芝公司第一次采用三維集成技術(shù)批量生產(chǎn)CMOS圖像傳感器。在學(xué)術(shù)界，以日本東北大學(xué)，德國Fraunhofer研究所，比利時(shí)IMEC，美國MIT、RPI、GIT等為代表的大學(xué)和研究所，在三維集成制造技術(shù)、測量測試、設(shè)計(jì)方法學(xué)、可靠性、熱力學(xué)特性等方面都作出了重要貢獻(xiàn)。
我國三維集成技術(shù)的發(fā)展相對落后。作者所參加的2006年啟動的973計(jì)劃項(xiàng)目“納米尺度硅集成電路器件與工藝基礎(chǔ)研究”，在“新型互連及其基礎(chǔ)問題研究”課題下首次列入了三維互連和三維集成的研究內(nèi)容。在該項(xiàng)目的支持下，作者開發(fā)了包括TSV深刻蝕、高深寬比通孔電鍍銅、圓片減薄、銅CMP、CuBCB混合鍵合等三維集成關(guān)鍵技術(shù)，于2009年在IEEE International Interconnect Conference會議上報(bào)道了三維集成芯片，并于2010年培養(yǎng)了國內(nèi)第一個(gè)從事三維集成制造技術(shù)研究的博士。從2009年起，國家科技重大專項(xiàng)的啟動，支持了國內(nèi)多個(gè)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)在三維集成方向的研究和產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過幾年的努力，在條件建設(shè)、工藝開發(fā)和人才儲備方面取得了長足的進(jìn)步。然而必須看到，我國在三維集成相關(guān)的核心技術(shù)、專利、產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品應(yīng)用等方面與發(fā)達(dá)國家仍舊存在著一定的差距，特別是在三維集成人才方面，差距十分巨大。
本書的目的是提供一本具有一定深度和廣度的三維集成領(lǐng)域的技術(shù)書籍，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)和技術(shù)進(jìn)步。與傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)相比，三維集成技術(shù)引入了更多的材料、工藝、設(shè)備、設(shè)計(jì)方法和分析測試技術(shù)。目前廣泛采用的深孔刻蝕方法和芯片鍵合技術(shù)，最早都來源于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，并由三維集成推動而進(jìn)一步發(fā)展； 高深寬比的深孔側(cè)壁沉積介質(zhì)層、粘附層/擴(kuò)散阻擋層和銅籽晶層技術(shù)，以及無空洞電鍍?nèi)S互連導(dǎo)體技術(shù)，都需要以已有的技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行較大程度的改進(jìn)； 在設(shè)計(jì)方法學(xué)和設(shè)計(jì)規(guī)則等方面，需要根據(jù)三維集成的特點(diǎn)發(fā)展新的適用技術(shù)； 而三維集成相關(guān)的可靠性、測試、散熱、成品率控制等方面，基本都需要建立新的分析和測試技術(shù)。因此，三維集成將大量的新材料、設(shè)備、工藝和設(shè)計(jì)方法引入了半導(dǎo)體領(lǐng)域，充分融合了半導(dǎo)體制造技術(shù)和MEMS制造技術(shù)，但又與這二者有著很大的差異。
針對三維集成技術(shù)的這些特點(diǎn)，本書重點(diǎn)介紹了三維互連的制造技術(shù)、三維集成方法、三維集成的工藝策略、熱力學(xué)理論、可靠性問題、測試技術(shù)等，并介紹了目前和潛在的應(yīng)用以及新技術(shù)的發(fā)展趨勢。對于與傳統(tǒng)CMOS相同的制造方法和技術(shù)，本書只做簡單的介紹，而對于非傳統(tǒng)CMOS的技術(shù)，例如深刻蝕、高深寬比電鍍、鍵合、集成策略、測量測試以及可靠性等，書中都深入地介紹了相關(guān)知識。本書較為全面地介紹了三維集成技術(shù)的重點(diǎn)和前沿領(lǐng)域，特別是在三維互連制造、三維集成方法和可靠性等方面，甚至包括許多技術(shù)細(xì)節(jié)，希望這些內(nèi)容對相關(guān)領(lǐng)域的研究能夠提供有益的幫助。然而，由于三維集成技術(shù)仍處于高速發(fā)展階段，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)不斷進(jìn)步，一些技術(shù)仍舊存在不確定性，同時(shí)新應(yīng)用不斷地出現(xiàn)，因此本書的內(nèi)容難免以偏概全。
本書可供高等院校微電子、電子、封裝、微機(jī)電系統(tǒng)、力學(xué)、機(jī)械工程、材料等專業(yè)的高年級本科生、研究生和教師使用，也可供相關(guān)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員參考。
本書的出版得到了很多人的幫助。首先，作者要感謝國家973計(jì)劃項(xiàng)目“納米尺度硅集成電路器件與工藝基礎(chǔ)研究”(2006—2010)和“超低功耗高性能集成電路器件與工藝基礎(chǔ)研究”(2011—2015)的持續(xù)資助，以及項(xiàng)目首席科學(xué)家北京大學(xué)張興教授和課題負(fù)責(zé)人復(fù)旦大學(xué)劉冉教授的長期支持。其次，作者要特別感謝已故中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)微電子學(xué)研究所李志堅(jiān)教授，是他對三維集成發(fā)展前景的遠(yuǎn)見卓識和對年輕人的鼓勵，使作者能夠長期堅(jiān)持從事三維集成的研究，并取得了一些階段性的成果。作者還要感謝荷蘭Delft University of Technology的Lina Sarro教授，使作者于2002年在荷蘭從事博士后研究期間開始從事三維集成的研究工作。作者還要特別感謝清華大學(xué)微納電子學(xué)系領(lǐng)導(dǎo)魏少軍教授、王志華教授、錢鶴教授，以及劉理天教授、蔡堅(jiān)博士、王謙博士，他們?yōu)樽髡唛_展三維集成的研究工作提供了諸多工作上的便利和有益的討論。我的研究生宋崇申、陳倩文、黃翠、薛興君、田闊、張敏等都先后從事三維集成相關(guān)方向的研究，他們的成果也是本書重要的組成部分。作者還要感謝清華大學(xué)出版社的莊紅權(quán)主任為本書出版所作出的努力。
由于作者的專業(yè)水平、知識背景和研究方向的限制，書中難免有錯(cuò)誤和遺漏之處，懇請各位讀者、專家和半導(dǎo)體領(lǐng)域的技術(shù)人員不吝指正。
最后，借用美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者Richard Feynman的一句話表達(dá)作者對三維集成技術(shù)發(fā)展的期待：
There is plenty of room on the TOP!
王喆垚
2014年8月于清華大學(xué)
第1章三維集成電路概述
1.1集成電路發(fā)展的瓶頸
1.1.1互連延遲與數(shù)據(jù)傳輸帶寬
1.1.2功耗
1.1.3異質(zhì)芯片的SoC集成
1.2三維集成電路
1.2.1三維集成的優(yōu)點(diǎn)
1.2.2三維集成的分類
1.2.3三維集成制造技術(shù)概述
1.2.4三維集成的應(yīng)用
1.3三維集成的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展前景
1.3.1三維集成的歷史
1.3.2三維集成的現(xiàn)狀
1.3.3發(fā)展前景和趨勢
1.4三維集成面臨的挑戰(zhàn)
1.4.1制造技術(shù)
1.4.2散熱與熱管理
1.4.3可靠性
1.4.4成品率及成本
1.4.5模型、模擬、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)規(guī)則
1.4.6測量測試
參考文獻(xiàn)
第2章三維互連制造技術(shù)
2.1三維互連制造概述
2.1.1TSV深孔刻蝕
2.1.2深孔側(cè)壁絕緣和擴(kuò)散阻擋層
2.1.3TSV深孔導(dǎo)電填充
2.1.4圓片減薄
2.1.5圓片鍵合
2.2高深寬比深孔刻蝕
2.2.1等離子體刻蝕
2.2.2時(shí)分復(fù)用法
2.2.3低溫刻蝕法
2.2.4磁中性環(huán)路放電刻蝕
2.2.5TSV深孔刻蝕
2.2.6激光刻蝕加工
2.3介質(zhì)層材料與工藝
2.3.1介質(zhì)層沉積
2.3.2介質(zhì)層材料
2.3.3低介電常數(shù)介質(zhì)層
2.4粘附層/擴(kuò)散阻擋層/種子層材料與工藝
2.4.1擴(kuò)散阻擋層和種子層的制造方法
2.4.2擴(kuò)散阻擋層
2.4.3種子層
2.5導(dǎo)電填充與電鍍
2.5.1銅電鍍原理
2.5.2TSV盲孔電鍍
2.5.3TSV通孔電鍍
2.5.4電鍍的理論模型與模擬
2.5.5其他導(dǎo)體材料
參考文獻(xiàn)
第3章鍵合集成技術(shù)
3.1鍵合技術(shù)概述
3.1.1鍵合基本原理
3.1.2鍵合方法
3.1.3鍵合對象
3.1.4鍵合強(qiáng)度測量
3.2鍵合對準(zhǔn)方法
3.2.1紅外對準(zhǔn)
3.2.2光學(xué)對準(zhǔn)
3.2.3倒裝芯片
3.2.4芯片自組裝對準(zhǔn)
3.2.5模板對準(zhǔn)
3.3金屬鍵合
3.3.1微凸點(diǎn)技術(shù)
3.3.2銅熱壓鍵合
3.3.3金屬共晶鍵合
3.4二氧化硅融合鍵合
3.4.1鍵合原理
3.4.2鍵合過程和特點(diǎn)
3.5高分子臨時(shí)鍵合
3.5.1臨時(shí)鍵合
3.5.2WaferBOND
3.5.3HD3007
3.5.4其他臨時(shí)鍵合材料
3.5.5拆鍵合方法
3.6高分子永久鍵合
3.6.1苯并環(huán)丁烯(BCB)鍵合
3.6.2聚酰亞胺(PI)鍵合
3.7金屬高分子材料混合鍵合
3.7.1CuBCB混合鍵合
3.7.2銅聚酰亞胺混合鍵合
3.7.3銅錫共晶混合鍵合
3.8化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)
3.8.1化學(xué)機(jī)械拋光基本原理
3.8.2單晶硅和二氧化硅化學(xué)機(jī)械拋光
3.8.3銅化學(xué)機(jī)械拋光
3.8.4高分子材料化學(xué)機(jī)械拋光
3.9硅圓片減薄
3.9.1硅圓片減薄
3.9.2回刻
參考文獻(xiàn)
第4章三維集成策略
4.1TSV的工藝順序
4.1.1TSV工藝順序的分類及特點(diǎn)
4.1.2Via First工藝
4.1.3Via Middle工藝
4.1.4Via Last工藝
4.1.5基于通孔的三維集成
4.1.6SOI圓片三維集成
4.2鍵合方式的選擇
4.2.1芯片/圓片的選擇
4.2.2芯片方向的選擇
4.2.3鍵合方法的選擇
4.3典型集成方法和策略
4.3.1Via First工藝方法
4.3.2Via Middle工藝方法
4.3.3Via Last工藝方法
4.3.4SOI三維集成的工藝方法
4.3.5通孔電鍍Via Last方案
4.4插入層技術(shù)
4.4.1插入層的功能與特點(diǎn)
4.4.2插入層典型結(jié)構(gòu)及制造流程
4.4.3玻璃插入層
4.4.4插入層的應(yīng)用
4.5三維集成可制造性
4.5.1三維集成的制造
4.5.2三維集成的制造成本
參考文獻(xiàn)
第5章三維集成的電學(xué)和熱力學(xué)特性
5.1三維互連的電學(xué)分析及模型
5.1.1TSV閉式參數(shù)模型
5.1.2RLCG集約模型
5.1.3寬頻帶集約模型
5.1.4TSV的插入損耗與噪聲耦合
5.1.5TSV性能的溫度影響
5.1.6電容調(diào)控
5.2三維集成的熱學(xué)特性
5.2.1三維集成的溫度特性及其影響
5.2.2熱傳導(dǎo)模型
5.2.3有限元方法
5.2.4三維集成的功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)
5.3三維集成的散熱問題
5.3.1熱傳導(dǎo)TSV
5.3.2微流體散熱
5.3.3鍵合層熱導(dǎo)率增強(qiáng)
參考文獻(xiàn)
第6章三維集成的可靠性
6.1三維集成的可靠性問題
6.2殘余應(yīng)力
6.2.1殘余應(yīng)力的影響
6.2.2TSV殘余應(yīng)力
6.2.3硅片減薄殘余應(yīng)力
6.2.4鍵合應(yīng)力
6.3熱應(yīng)力及熱學(xué)可靠性
6.3.1TSV銅柱熱膨脹
6.3.2銅柱熱膨脹對可靠性的影響
6.3.3銅柱熱膨脹對襯底器件電學(xué)性能的影響
6.3.4熱膨脹的影響因素
6.3.5退火熱處理
6.3.6溫度沖擊
6.3.7熱膨脹的分析方法
6.4電學(xué)可靠性
6.4.1電遷移
6.4.2擴(kuò)散阻擋層的完整性
6.4.3閾值電壓
6.4.4介質(zhì)層完整性
6.5三維集成成品率
6.5.1三維集成成品率估計(jì)
6.5.2成品率提升
參考文獻(xiàn)
第7章三維集成檢測與測試
7.1電學(xué)參數(shù)測量
7.1.1電阻測量
7.1.2TSV電容測量
7.2電學(xué)可靠性測量
7.2.1TSV及金屬凸點(diǎn)的電遷移
7.2.2擴(kuò)散阻擋層完整性
7.2.3介質(zhì)層完整性
7.2.4TSV電鍍?nèi)毕轀y量
7.3幾何參數(shù)測量
7.3.1硅片彎曲測量
7.3.2TSV深度的測量
7.3.3TSV熱膨脹測量
7.4應(yīng)力測量方法
7.4.1Stoney公式法
7.4.2集成應(yīng)力傳感器
7.4.3拉曼散射光譜
7.4.4納米壓痕
7.4.5X射線衍射
7.4.6同步輻射X射線衍射
7.4.7TSV銅晶粒
參考文獻(xiàn)
第8章三維集成新技術(shù)
8.1同軸TSV
8.1.1同軸TSV的等效電路模型
8.1.2電學(xué)參數(shù)提取
8.1.3同軸TSV傳輸特性
8.1.4同軸TSV的仿真
8.2高分子聚合物介質(zhì)層TSV
8.2.1BCB介質(zhì)層TSV制造技術(shù)
8.2.2電學(xué)及可靠性測試
8.2.3熱應(yīng)力仿真
8.3空氣介質(zhì)層
8.3.1熱分解釋放犧牲層
8.3.2刻蝕釋放犧牲層
8.3.3熱應(yīng)力分析
8.4碳納米管三維互連
8.4.1碳納米管TSV結(jié)構(gòu)及制造方法
8.4.2電學(xué)特性
8.5三維光互連
8.5.1三維光互連的概念
8.5.2三維光互連的實(shí)現(xiàn)
參考文獻(xiàn)
第9章三維集成的應(yīng)用
9.1MEMS與傳感器
9.1.1圖像傳感器
9.1.2MEMS及傳感器
9.2存儲器
9.2.1DRAM/SRAM
9.2.2NAND非揮發(fā)存儲器
9.3處理器
9.3.1處理器對I/O的需求
9.3.2SRAM+CPU
9.3.3DRAM+CPU
9.4光電集成
9.4.1光電器件集成
9.4.2光互連三維集成
9.5FPGA
9.5.1三維集成FPGA
9.5.2硅插入層FPGA
9.6射頻、微波及高功率
9.6.1射頻收發(fā)器前端
9.6.2無源器件
9.6.3SiGe功率放大器
9.6.4ⅢⅤ族化合物
9.7SoC
9.7.1模擬數(shù)字集成
9.7.2復(fù)雜功能系統(tǒng)
參考文獻(xiàn)
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