面向3D封装的Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构的制备与表征

摘要

在细间距封装和3D封装中，铜柱（Cupillars)互连作为一种有可能替代焊点互连的技术，以其优异的机械性能和抗电迀移性能，成为当前研宄的热点。目前采用热压键合工艺制备Cu-Sn-Cu互连凸点成为研宄Cu柱互连微结构电迀移性能的主要制备工艺。然而，热压键合工艺对电镀获得的Cu-Sn柱表面平整度要求较高，且键合过程中形成脆性金属间化合物（Intermetallic compound，IMC)，对互连凸点的可靠性存在较大影响。而且，随着互连凸点尺寸的进一步降低，对热压键合的工艺参数选择提出了更高要求。因此，针对Cu柱互连微结构的电迀移性能的研宄，亟需研发新的互连微结构的制备工艺。
　　在本论文中，首先采用光刻和连续电镀工艺制备了直径10-40μm的Cu-Sn-Ni-Cu互连柱，分别研宄Cu柱、Cu-Sn柱、Cu-Sn-Ni柱和Cu-Sn-Ni-Cu柱的几何形貌和表面形貌，分析制备过程中互连柱的生长及表面形貌变化规律，并对电镀获得的Cu-Sn柱和Cu-Sn-Ni-Cu柱的界面进行分析。
　　基于所制备的Cu-Sn-Ni-Cu柱，采用连续电镀和三次光刻工艺设计并制备Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构，包括底层互连线、中间层Cu-Sn-Ni-Cu柱和顶层互连线微结构，并在顶层互连线制备中引入溅射Cu层作为中间层光刻胶的显影阻挡层，从而获得了一种新的具有良好电气性能的互连微结构。
　　结合所制备的Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构的实际几何参数，采用多物理场耦合模拟方法，分析电迀移测试条件下互连微结构的温度梯度、电流密度和应力分布。分别计算互连柱Cu、Sn和Ni组元的原子迀移的电子迀移力、热迀移力和应力迀移力，确定了互连微结构的可能失效位置。最后，深入研宄了环境温度、施加电流载荷和互连柱直径对迀移驱动力的影响。

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1 绪 论

1.1研究背景和研究意义

1.2 Cu-Cu键合与Cu-Sn-Cu键合的应用现状

1.3铜柱互连结构的界面反应机理

1.4铜柱互连结构的电迁移研究现状分析

1.5本论文主要研究内容

2 实验材料和研究方法

2 .1互连微结构制备的实验材料

2 .2互连微结构的样品制备方法

2 .3互连微结构样品制备设备

2 .4互连微结构样品表征方法

2 .5本章小结

3 电镀Cu-Sn-Ni-Cu柱的制备与表征

3 . 1电镀Cu-Sn-Ni-Cu柱的制备方法

3 .2电镀C u柱的生长过程与形貌分析

3 .3电镀Cu-Sn柱的形貌与界面分析

3 . 4电镀Cu-Sn-Ni柱的形貌分析

3 . 5电镀Cu-Sn-Ni-Cu柱的形貌与界面分析

3 .6本章小结

4 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构的制备及表征

4.1 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构设计

4.2 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构制备过程

4.3 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电气性能表征

4.4本章小结

5 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电迁移的数值模拟

5.1 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电迁移数学模型

5.2 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电迁移的数值建模及计算过程

5.3 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电迁移数值模拟结果分析

5.4 Cu-Sn-Ni-Cu互连微结构电迁移数值模拟的影响因素分析

5.5本章小结

6 全文总结与展望

6.1全文总结

6 .2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的论文目录