基于甲酸预处理的铜-铜低温直接键合的研究
发布时间：2020-07-29 18:37
【摘要】：目前,二维集成封装技术在半导体领域的应用比现在的三维集成封装技术更加成熟。在过去的几十年里,集成电路的发展几乎完全遵循着摩尔定律的发展。不断提高的封装密度,缩短互连长度和降低功耗等,使得封装工艺在原来的二维封装工艺的基础上向三维封装的方向上发展。而随着封装工艺技术的不断发展,铜已经逐渐成为了主要的互连材料。铜与之前封装工艺中使用的金相比具有较好的导电性,在较高的延伸率的情况下,能够保证较高的强度,键合过程能减少金属间化合物的形成等。在三维系统封装技术中,金属热压键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。但是高温会使得芯片的性能发生改变,为了解决热压键合产生的高温带来的不利影响,我们研发了一种低温键合技术。本论文中,我们主要研究基于甲酸预处理的Cu-Cu低温直接键合技术。该技术主要分为两个部分:一是键合前的铜薄膜的表面处理,二是表面处理后的键合过程。同时,为了实现甲酸对铜表面的在线预处理处理及铜-铜直接键合,我们根据甲酸在铜表面的和氧化物的反应原理设计了并研制了基于甲酸预处理的铜-铜低温直接键合设备。表面处理部分,首先分别使用甲酸气体和溶液对铜薄膜表面进行处理,然后使用X射线光电子能谱仪(XPS)和原子力显微镜(AFM)对处理前后的铜薄膜进行测试。研究分析处理前后铜薄膜表面的还原情况及表面形貌的变化。使用甲酸气体处理铜薄膜表面时改变处理时间,XPS分析得到,在一定时间范围内(0min~30min),随着反应时间的增加,铜薄膜表面还原都越充分;AFM分析得到,在一定时间范围内(0min~30min),随着甲酸气体处理时间的增加,铜薄膜表面粗糙度逐渐增加。而使用甲酸溶液处理时,分别改变处理时间和甲酸溶液的浓度,XPS分析得到,在一定时间范围内,随着反应时间的增加,铜薄膜表面还原都越充分,且在溶液浓度为50%时,铜薄膜表面的还原反应最为充分。AFM分析得到,利用甲酸液体处理后,铜薄膜表面粗糙度明显增加。由于甲酸溶液对铜薄膜的表面有一定的腐蚀作用,甲酸气体处理的铜薄膜表面粗糙度要小于甲酸溶液处理的铜薄膜。直接键合部分,首先将经过甲酸气体处理30min后的铜薄膜样品在N_2的气氛下加热至200℃,再给铜薄膜样品加压至1200N,使得上下铜薄膜接触并直接键合。然后对键合的界面进行拉力测试,测得的拉力大约10MPa。最后通过扫描电子显微镜(SEM)以及透射电子显微镜(TEM)对甲酸预处理后的Cu-Cu直接键合的界面进行测试观察,键合界面处铜原子之间结合紧密。因此,通过甲酸预处理的铜-铜键合技术可以获得高质量的铜-铜键合,为高性能的电子器件封装提供了一种有效的键合技术。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405
【图文】：
图 1. 2 埋置型 3D 封装结构示意图Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出现，让人们看到了将大量的电子元器件甚至是整个电子的晶圆片上的可行性。如今的超大规模集成电路(VLSI)、专分实现了圆片规模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一个型 3D 封装型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（单晶硅）作为基板，然后在顶层贴装 SMC/SMD 或贴装多个 LSI，形成有源基而获得圆片规模集成(WSI)所能实现的功能。有源基板型 3D首先，3D-MCM 的制作封装可以利用一般的半导体 IC 的工可以进行工业化生产，而且生产的规模还会随着半导体工艺；其次，这种结构的封装，让安装在基板上的 IC 芯片与基全匹配，从而使电子产品达到更高的可靠性。这类有源基板
图 1. 2 埋置型 3D 封装结构示意图Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出现，让人们看到了将大量的电子元器件甚至是整个电子小的晶圆片上的可行性。如今的超大规模集成电路(VLSI)、专部分实现了圆片规模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一个型 3D 封装板型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（单晶硅）作为基板，，然后在顶层贴装 SMC/SMD 或贴装多个 LSI，形成有源基而获得圆片规模集成(WSI)所能实现的功能。有源基板型 3D：首先，3D-MCM 的制作封装可以利用一般的半导体 IC 的工可以进行工业化生产，而且生产的规模还会随着半导体工艺高；其次，这种结构的封装，让安装在基板上的 IC 芯片与基完全匹配，从而使电子产品达到更高的可靠性。这类有源基板构如下图 1.3 所示。键合区
有两种方式：一种是金字塔型的堆叠封装，即是将序从基板底部开始堆叠，并且使用引线进行互连芯片层叠 3D 封装，即是将大小相同的芯片依次从接进行互连连接，如图 1.5 所示。装，是将 LSI 、VLSI 芯片[16]、MCM[17]或 WSI[1开发的非常活跃的 3D 结构。最常见的裸芯片叠片倒扣焊接在薄膜载体上，这种薄膜载体的材质布线，内部互连焊点，两侧有外部互连焊点，再把层封装是在垂直于芯片封装表面的 Z 方向上实现相比，具有尺寸小和重量轻的特点，3D 叠层封小 5~6 倍，重量可减轻 3~19 倍。导线硅片硅片粘合剂
本文编号：2774346
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN405
【图文】：
图 1. 2 埋置型 3D 封装结构示意图Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出现，让人们看到了将大量的电子元器件甚至是整个电子的晶圆片上的可行性。如今的超大规模集成电路(VLSI)、专分实现了圆片规模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一个型 3D 封装型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（单晶硅）作为基板，然后在顶层贴装 SMC/SMD 或贴装多个 LSI，形成有源基而获得圆片规模集成(WSI)所能实现的功能。有源基板型 3D首先，3D-MCM 的制作封装可以利用一般的半导体 IC 的工可以进行工业化生产，而且生产的规模还会随着半导体工艺；其次，这种结构的封装，让安装在基板上的 IC 芯片与基全匹配，从而使电子产品达到更高的可靠性。这类有源基板
图 1. 2 埋置型 3D 封装结构示意图Fig 1.2 Schematic diagram of embedded 3D package structure的出现，让人们看到了将大量的电子元器件甚至是整个电子小的晶圆片上的可行性。如今的超大规模集成电路(VLSI)、专部分实现了圆片规模芯片(WSI)，如 CPU、DSP 等，就是一个型 3D 封装板型 3D 就是把含有大量有源器件的硅（单晶硅）作为基板，，然后在顶层贴装 SMC/SMD 或贴装多个 LSI，形成有源基而获得圆片规模集成(WSI)所能实现的功能。有源基板型 3D：首先，3D-MCM 的制作封装可以利用一般的半导体 IC 的工可以进行工业化生产，而且生产的规模还会随着半导体工艺高；其次，这种结构的封装，让安装在基板上的 IC 芯片与基完全匹配，从而使电子产品达到更高的可靠性。这类有源基板构如下图 1.3 所示。键合区
有两种方式：一种是金字塔型的堆叠封装，即是将序从基板底部开始堆叠，并且使用引线进行互连芯片层叠 3D 封装，即是将大小相同的芯片依次从接进行互连连接，如图 1.5 所示。装，是将 LSI 、VLSI 芯片[16]、MCM[17]或 WSI[1开发的非常活跃的 3D 结构。最常见的裸芯片叠片倒扣焊接在薄膜载体上，这种薄膜载体的材质布线，内部互连焊点，两侧有外部互连焊点，再把层封装是在垂直于芯片封装表面的 Z 方向上实现相比，具有尺寸小和重量轻的特点，3D 叠层封小 5~6 倍，重量可减轻 3~19 倍。导线硅片硅片粘合剂
【参考文献】
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本文编号：2774346
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