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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 HD3007225

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TSV419

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TSV575

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TSV585

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/SRAM642

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+CPU651

9.3.3 DRAM+CPU653

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 FPGA661

9.5.1 三维集成FPGA661

9.5.2 硅插入层FPGA662

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 SoC668

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