三维集成技术 _王喆垚著_9787302354994

三维集成技术

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　　三维集成技术将多层集成电路芯片堆叠键合，通过穿透衬底的三维互连实现多层之间的电信号连接。三维集成技术可以降低芯片功耗，减小互连延时，提高数据传输带宽，并为实现复杂功能的SoC提供了可能。作为与工艺节点无关的新技术，三维集成具有极为广泛的应用，近年来受到了微电子领域的高度重视。本书较为全面地介绍了三维集成技术的重点和前沿领域，包括三维集成制造技术、集成方法、集成策略、热力学理论、可靠性问题、测试技术等，并介绍了多种应用及一些新技术的发展趋势。

　　从1947年年底美国贝尔实验室发明晶体管算起，半导体技术的发展迄今已经走过了66年。从1958年美国德州仪器公司发明集成电路，1959年仙童公司发明平面集成工艺算起，微电子技术也有超过半个世纪的历史。经过半个世纪的高速发展，微电子技术和依托于微电子技术的信息技术已经对人类社会的发展产生了革命性的影响。然而，今天我们必须面对的问题是：传统晶体管的物理极限不断逼近，更小特征尺寸的制造技术越来越困难，集成电路的功耗不断增大，晶圆厂的投资迅速攀升。在这种情况下，如何继续保持微电子技术以摩尔定律所描述的速度持续发展，已经成为今天整个行业都在努力解决的问题。
　　三维集成技术的出现，为半导体和微电子技术的持续发展提供了一个新的技术解决方案。所谓三维集成，广义上是指将多层集成电路芯片堆叠键合，通过穿透衬底的三维互连实现多层之间的电信号连接。三维集成能够实现更小的芯片面积、更短的芯片间互连、更高的数据传输带宽，以及不同工艺技术的异质集成，从而大幅度降低芯片功耗，减小延时，提高性能，扩展功能，并为实现复杂功能的SoC提供可能。三维集成是一种与器件结构和工艺无关的技术方向，不但使微电子技术在当今CMOS的体系下，能够不依赖于特征尺寸的不断缩小而仍旧保持摩尔定律向前发展，并极有可能继续支持未来的非CMOS技术。
　　三维集成技术的研究开始于20世纪70年代末期。由于当时解决集成度问题所依赖的光刻技术在缩小特征尺寸方面仍旧十分有效，加上当时所采用的串行三维集成制造的技术问题难以突破，三维集成技术的发展较为缓慢。直到90年代末期特别是21世纪初，微电子领域的互连瓶颈问题越来越突出，减小特征尺寸的技术难度越来越大，投资越来越高，三维集成技术作为解决这些问题的可行技术，才引起业界的广泛重视。在工业界，目前几乎所有的半导体公司都把三维集成技术作为一个重要的发展方向，并在设备、材料、设计软件等供应链的支持下，推动三维集成制造技术快速发展和应用领域不断拓宽。2008年，东芝公司第一次采用三维集成技术批量生产CMOS图像传感器。在学术界，以日本东北大学，德国Fraunhofer研究所，比利时IMEC，美国MIT、RPI、GIT等为代表的大学和研究所，在三维集成制造技术、测量测试、设计方法学、可靠性、热力学特性等方面都作出了重要贡献。
　　我国三维集成技术的发展相对落后。作者所参加的2006年启动的973计划项目“纳米尺度硅集成电路器件与工艺基础研究”，在“新型互连及其基础问题研究”课题下首次列入了三维互连和三维集成的研究内容。在该项目的支持下，作者开发了包括TSV深刻蚀、高深宽比通孔电镀铜、圆片减薄、铜CMP、CuBCB混合键合等三维集成关键技术，于2009年在IEEE International Interconnect Conference会议上报道了三维集成芯片，并于2010年培养了国内第一个从事三维集成制造技术研究的博士。从2009年起，国家科技重大专项的启动，支持了国内多个研究机构和企业在三维集成方向的研究和产业化。经过几年的努力，在条件建设、工艺开发和人才储备方面取得了长足的进步。然而必须看到，我国在三维集成相关的核心技术、专利、产业链、产品应用等方面与发达国家仍旧存在着一定的差距，特别是在三维集成人才方面，差距十分巨大。
　　本书的目的是提供一本具有一定深度和广度的三维集成领域的技术书籍，促进相关领域的人才培养和技术进步。与传统的CMOS技术相比，三维集成技术引入了更多的材料、工艺、设备、设计方法和分析测试技术。目前广泛采用的深孔刻蚀方法和芯片键合技术，最早都来源于微电子机械系统(MEMS)领域，并由三维集成推动而进一步发展；高深宽比的深孔侧壁沉积介质层、粘附层/扩散阻挡层和铜籽晶层技术，以及无空洞电镀三维互连导体技术，都需要以已有的技术为基础进行较大程度的改进；在设计方法学和设计规则等方面，需要根据三维集成的特点发展新的适用技术；而三维集成相关的可靠性、测试、散热、成品率控制等方面，基本都需要建立新的分析和测试技术。因此，三维集成将大量的新材料、设备、工艺和设计方法引入了半导体领域，充分融合了半导体制造技术和MEMS制造技术，但又与这二者有着很大的差异。
　　针对三维集成技术的这些特点，本书重点介绍了三维互连的制造技术、三维集成方法、三维集成的工艺策略、热力学理论、可靠性问题、测试技术等，并介绍了目前和潜在的应用以及新技术的发展趋势。对于与传统CMOS相同的制造方法和技术，本书只做简单的介绍，而对于非传统CMOS的技术，例如深刻蚀、高深宽比电镀、键合、集成策略、测量测试以及可靠性等，书中都深入地介绍了相关知识。本书较为全面地介绍了三维集成技术的重点和前沿领域，特别是在三维互连制造、三维集成方法和可靠性等方面，甚至包括许多技术细节，希望这些内容对相关领域的研究能够提供有益的帮助。然而，由于三维集成技术仍处于高速发展阶段，新技术不断涌现，现有技术不断进步，一些技术仍旧存在不确定性，同时新应用不断地出现，因此本书的内容难免以偏概全。
　　本书可供高等院校微电子、电子、封装、微机电系统、力学、机械工程、材料等专业的高年级本科生、研究生和教师使用，也可供相关领域的工程技术人员参考。
　　本书的出版得到了很多人的帮助。首先，作者要感谢国家973计划项目“纳米尺度硅集成电路器件与工艺基础研究”(2006—2010)和“超低功耗高性能集成电路器件与工艺基础研究”(2011—2015)的持续资助，以及项目首席科学家北京大学张兴教授和课题负责人复旦大学刘冉教授的长期支持。其次，作者要特别感谢已故中国科学院院士、清华大学微电子学研究所李志坚教授，是他对三维集成发展前景的远见卓识和对年轻人的鼓励，使作者能够长期坚持从事三维集成的研究，并取得了一些阶段性的成果。作者还要感谢荷兰Delft University of Technology的Lina Sarro教授，使作者于2002年在荷兰从事博士后研究期间开始从事三维集成的研究工作。作者还要特别感谢清华大学微纳电子学系领导魏少军教授、王志华教授、钱鹤教授，以及刘理天教授、蔡坚博士、王谦博士，他们为作者开展三维集成的研究工作提供了诸多工作上的便利和有益的讨论。我的研究生宋崇申、陈倩文、黄翠、薛兴君、田阔、张敏等都先后从事三维集成相关方向的研究，他们的成果也是本书重要的组成部分。作者还要感谢清华大学出版社的庄红权主任为本书出版所作出的努力。
　　由于作者的专业水平、知识背景和研究方向的限制，书中难免有错误和遗漏之处，恳请各位读者、专家和半导体领域的技术人员不吝指正。
最后，借用美国著名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman的一句话表达作者对三维集成技术发展的期待：
There is plenty of room on the TOP!

　　王喆垚
　　2014年8月于清华大学

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