三维集成技术PDF电子书下载

第1章 三维集成电路概述 1

1.1 集成电路发展的瓶颈 2

1.1.1 互连延迟与数据传输带宽 3

1.1.2 功耗 4

1.1.3 异质芯片的SoC集成 5

1.2 三维集成电路 6

1.2.1 三维集成的优点 7

1.2.2 三维集成的分类 10

1.2.3 三维集成制造技术概述 13

1.2.4 三维集成的应用 16

1.3 三维集成的历史、现状及发展前景 18

1.3.1 三维集成的历史 18

1.3.2 三维集成的现状 21

1.3.3 发展前景和趋势 30

1.4 三维集成面临的挑战 36

1.4.1 制造技术 36

1.4.2 散热与热管理 38

1.4.3 可靠性 39

1.4.4 成品率及成本 39

1.4.5 模型、模拟、设计方法和设计规则 40

1.4.6 测量测试 40

参考文献 40

第2章 三维互连制造技术 45

2.1 三维互连制造概述 46

2.1.1 TSV深孔刻蚀 47

2.1.2 深孔侧壁绝缘和扩散阻挡层 47

2.1.3 TSV深孔导电填充 48

2.1.4 圆片减薄 48

2.1.5 圆片键合 49

2.2 高深宽比深孔刻蚀 49

2.2.1 等离子体刻蚀 50

2.2.2 时分复用法 54

2.2.3 低温刻蚀法 60

2.2.4 磁中性环路放电刻蚀 64

2.2.5 TSV深孔刻蚀 68

2.2.6 激光刻蚀加工 72

2.3 介质层材料与工艺 77

2.3.1 介质层沉积 78

2.3.2 介质层材料 83

2.3.3 低介电常数介质层 86

2.4 粘附层扩散阻挡层种子层材料与工艺 87

2.4.1 扩散阻挡层和种子层的制造方法 89

2.4.2 扩散阻挡层 110

2.4.3 种子层 117

2.5 导电填充与电镀 122

2.5.1 铜电镀原理 123

2.5.2 TSV盲孔电镀 131

2.5.3 TSV通孔电镀 144

2.5.4 电镀的理论模型与模拟 147

2.5.5 其他导体材料 154

参考文献 158

第3章 键合集成技术 173

3.1 键合技术概述 173

3.1.1 键合基本原理 173

3.1.2 键合方法 175

3.1.3 键合对象 177

3.1.4 键合强度测量 179

3.2 键合对准方法 180

3.2.1 红外对准 181

3.2.2 光学对准 184

3.2.3 倒装芯片 188

3.2.4 芯片自组装对准 189

3.2.5 模板对准 192

3.3 金属键合 196

3.3.1 微凸点技术 197

3.3.2 铜热压键合 201

3.3.3 金属共晶键合 208

3.4 二氧化硅融合键合 216

3.4.1 键合原理 216

3.4.2 键合过程和特点 217

3.5 高分子临时键合 220

3.5.1 临时键合 221

3.5.2 WaferBOND？ 223

3.5.3 HD3007 225

3.5.4 其他临时键合材料 227

3.5.5 拆键合方法 228

3.6 高分子永久键合 233

3.6.1 苯并环丁烯（BCB）键合 234

3.6.2 聚酰亚胺（PI）键合 244

3.7 金属-高分子材料混合键合 250

3.7.1 Cu-BCB混合键合 250

3.7.2 铜-聚酰亚胺混合键合 253

3.7.3 铜锡共晶混合键合 254

3.8 化学机械抛光（CMP） 255

3.8.1 化学机械抛光基本原理 256

3.8.2 单晶硅和二氧化硅化学机械抛光 259

3.8.3 铜化学机械抛光 261

3.8.4 高分子材料化学机械抛光 268

3.9 硅圆片减薄 272

3.9.1 硅圆片减薄 274

3.9.2 回刻 282

参考文献 286

第4章 三维集成策略 294

4.1 TSV的工艺顺序 295

4.1.1 TSV工艺顺序的分类及特点 295

4.1.2 Via First工艺 297

4.1.3 Via Middle工艺 299

4.1.4 Via Last工艺 301

4.1.5 基于通孔的三维集成 303

4.1.6 SOI圆片三维集成 305

4.2 键合方式的选择 306

4.2.1 芯片圆片的选择 306

4.2.2 芯片方向的选择 309

4.2.3 键合方法的选择 311

4.3 典型集成方法和策略 312

4.3.1 Via First工艺方法 312

4.3.2 Via Middle工艺方法 318

4.3.3 Via Last工艺方法 322

4.3.4 SOI三维集成的工艺方法 332

4.3.5 通孔电镀Via Last方案 342

4.4 插入层技术 347

4.4.1 插入层的功能与特点 347

4.4.2 插入层典型结构及制造流程 351

4.4.3 玻璃插入层 354

4.4.4 插入层的应用 357

4.5 三维集成可制造性 361

4.5.1 三维集成的制造 361

4.5.2 三维集成的制造成本 365

参考文献 367

第5章 三维集成的电学和热力学特性 375

5.1 三维互连的电学分析及模型 375

5.1.1 TSV闭式参数模型 376

5.1.2 RLCG集约模型 381

5.1.3 宽频带集约模型 388

5.1.4 TSV的插入损耗与噪声耦合 391

5.1.5 TSV性能的温度影响 399

5.1.6 电容调控 402

5.2 三维集成的热学特性 407

5.2.1 三维集成的温度特性及其影响 408

5.2.2 热传导模型 410

5.2.3 有限元方法 414

5.2.4 三维集成的功耗优化设计 417

5.3 三维集成的散热问题 418

5.3.1 热传导TSV 419

5.3.2 微流体散热 423

5.3.3 键合层热导率增强 429

参考文献 438

第6章 三维集成的可靠性 445

6.1 三维集成的可靠性问题 445

6.2 残余应力 447

6.2.1 残余应力的影响 448

6.2.2 TSV残余应力 450

6.2.3 硅片减薄残余应力 455

6.2.4 键合应力 459

6.3 热应力及热学可靠性 463

6.3.1 TSV铜柱热膨胀 463

6.3.2 铜柱热膨胀对可靠性的影响 468

6.3.3 铜柱热膨胀对衬底器件电学性能的影响 476

6.3.4 热膨胀的影响因素 486

6.3.5 退火热处理 490

6.3.6 温度冲击 499

6.3.7 热膨胀的分析方法 501

6.4 电学可靠性 508

6.4.1 电迁移 509

6.4.2 扩散阻挡层的完整性 512

6.4.3 阈值电压 514

6.4.4 介质层完整性 514

6.5 三维集成成品率 518

6.5.1 三维集成成品率估计 519

6.5.2 成品率提升 521

参考文献 524

第7章 三维集成检测与测试 533

7.1 电学参数测量 534

7.1.1 电阻测量 534

7.1.2 TSV电容测量 536

7.2 电学可靠性测量 537

7.2.1 TSV及金属凸点的电迁移 537

7.2.2 扩散阻挡层完整性 538

7.2.3 介质层完整性 540

7.2.4 TSV电镀缺陷测量 542

7.3 几何参数测量 545

7.3.1 硅片弯曲测量 546

7.3.2 TSV深度的测量 548

7.3.3 TSV热膨胀测量 554

7.4 应力测量方法 555

7.4.1 Stoney公式法 555

7.4.2 集成应力传感器 557

7.4.3 拉曼散射光谱 561

7.4.4 纳米压痕 563

7.4.5 X射线衍射 565

7.4.6 同步辐射X射线衍射 568

7.4.7 TSV铜晶粒 569

参考文献 571

第8章 三维集成新技术 575

8.1 同轴TSV 575

8.1.1 同轴TSV的等效电路模型 576

8.1.2 电学参数提取 578

8.1.3 同轴TSV传输特性 579

8.1.4 同轴TSV的仿真 581

8.2 高分子聚合物介质层TSV 585

8.2.1 BCB介质层TSV制造技术 586

8.2.2 电学及可靠性测试 594

8.2.3 热应力仿真 598

8.3 空气介质层 601

8.3.1 热分解释放牺牲层 602

8.3.2 刻蚀释放牺牲层 607

8.3.3 热应力分析 611

8.4 碳纳米管三维互连 613

8.4.1 碳纳米管TSV结构及制造方法 614

8.4.2 电学特性 615

8.5 三维光互连 616

8.5.1 三维光互连的概念 616

8.5.2 三维光互连的实现 617

参考文献 619

第9章 三维集成的应用 624

9.1 MEMS与传感器 625

9.1.1 图像传感器 626

9.1.2 MEMS及传感器 637

9.2 存储器 642

9.2.1 DRAM/SRAM 642

9.2.2 NAND非挥发存储器 648

9.3 处理器 649

9.3.1 处理器对I/O的需求 650

9.3.2 SRAM+CPU 651

9.3.3 DRAM+CPU 653

9.4 光电集成 657

9.4.1 光电器件集成 657

9.4.2 光互连三维集成 658

9.5 FPGA 661

9.5.1 三维集成FPGA 661

9.5.2 硅插入层FPGA 662

9.6 射频、微波及高功率 663

9.6.1 射频收发器前端 664

9.6.2 无源器件 664

9.6.3 SiGe功率放大器 666

9.6.4 Ⅲ-Ⅴ族化合物 667

9.7 SoC 668

9.7.1 模拟-数字集成 668

9.7.2 复杂功能系统 669

参考文献 673