三維集成技術

圖書簡介

三維集成技術將多層積體電路晶片堆疊鍵合，通過穿透襯底的三維互連實現多層之間的電信號連線。三維集成技術可以降低晶片功耗，減小互連延時，提高數據傳輸頻寬，並為實現複雜功能的SoC提供了可能。作為與工藝節點無關的新技術，三維集成具有極為廣泛的套用，近年來受到了微電子領域的高度重視。本書較為全面地介紹了三維集成技術的重點和前沿領域，包括三維集成製造技術、集成方法、集成策略、熱力學理論、可靠性問題、測試技術等，並介紹了多種套用及一些新技術的發展趨勢。
本書可供高等院校微電子、電子、封裝、微機電系統、力學、機械工程、材料等專業的高年級本科生、研究生和教師使用，也可供相關領域的工程技術人員參考。

前言

從1947年年底美國貝爾實驗室發明電晶體算起，半導體技術的發展迄今已經走過了66年。從1958年美國德州儀器公司發明積體電路，1959年仙童公司發明平面集成工藝算起，微電子技術也有超過半個世紀的歷史。經過半個世紀的高速發展，微電子技術和依託於微電子技術的信息技術已經對人類社會的發展產生了革命性的影響。然而，今天我們必須面對的問題是：傳統電晶體的物理極限不斷逼近，更小特徵尺寸的製造技術越來越困難，積體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，如何繼續保持微電子技術以摩爾定律所描述的速度持續發展，已經成為今天整個行業都在努力解決的問題。

三維集成技術的出現，為半導體和微電子技術的持續發展提供了一個新的技術解決方案。所謂三維集成，廣義上是指將多層積體電路晶片堆疊鍵合，通過穿透襯底的三維互連實現多層之間的電信號連線。三維集成能夠實現更小的晶片面積、更短的晶片間互連、更高的數據傳輸頻寬，以及不同工藝技術的異質集成，從而大幅度降低晶片功耗，減小延時，提高性能，擴展功能，並為實現複雜功能的SoC提供可能。三維集成是一種與器件結構和工藝無關的技術方向，不但使微電子技術在當今CMOS的體系下，能夠不依賴於特徵尺寸的不斷縮小而仍舊保持摩爾定律向前發展，並極有可能繼續支持未來的非CMOS技術。

三維集成技術的研究開始於20世紀70年代末期。由於當時解決集成度問題所依賴的光刻技術在縮小特徵尺寸方面仍舊十分有效，加上當時所採用的串列三維集成製造的技術問題難以突破，三維集成技術的發展較為緩慢。直到90年代末期特別是21世紀初，微電子領域的互連瓶頸問題越來越突出，減小特徵尺寸的技術難度越來越大，投資越來越高，三維集成技術作為解決這些問題的可行技術，才引起業界的廣泛重視。在工業界，目前幾乎所有的半導體公司都把三維集成技術作為一個重要的發展方向，並在設備、材料、設計軟體等供應鏈的支持下，推動三維集成製造技術快速發展和套用領域不斷拓寬。2008年，東芝公司第一次採用三維集成技術批量生產CMOS圖像感測器。在學術界，以日本東北大學，德國Fraunhofer研究所，比利時IMEC，美國MIT、RPI、GIT等為代表的大學和研究所，在三維集成製造技術、測量測試、設計方法學、可靠性、熱力學特性等方面都作出了重要貢獻。

我國三維集成技術的發展相對落後。作者所參加的2006年啟動的973計畫項目“納米尺度矽積體電路器件與工藝基礎研究”，在“新型互連及其基礎問題研究”課題下首次列入了三維互連和三維集成的研究內容。在該項目的支持下，作者開發了包括TSV深刻蝕、高深寬比通孔電鍍銅、圓片減薄、銅CMP、CuBCB混合鍵合等三維集成關鍵技術，於2009年在IEEE International Interconnect Conference會議上報導了三維集成晶片，並於2010年培養了國內第一個從事三維集成製造技術研究的博士。從2009年起，國家科技重大專項的啟動，支持了國內多個研究機構和企業在三維集成方向的研究和產業化。經過幾年的努力，在條件建設、工藝開發和人才儲備方面取得了長足的進步。然而必須看到，我國在三維集成相關的核心技術、專利、產業鏈、產品套用等方面與已開發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。

三維集成技術

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