第1章 3D集成概述

1.1 引言

1.2 晶圆堆叠技术的发展

1.3 3D封装与3D集成

1.4 非TSV的3D叠层技术

1.4.1 Irvine传感器

1.4.2 超薄芯片叠层（UTCS）（IMEC，CNRS，U.Barcelona）

1.4.3 富士通公司

1.4.4 Fraunhofer/IZM研究所

1.4.5 3D Plus公司与Leti公司

1.4.6 东芝公司系统封装模块

参考文献

第2章 3D集成的驱动力

2.1 引言

2.2 电性能

2.2.1 信号传输速度

2.2.2 存储器的延迟

2.3 功耗与噪声

2.3.1 噪声

2.4 外形尺寸

2.4.1 非易失性存储器技术：闪存

2.4.2 易失性存储器技术：静态随机存取存储器（SRAM）与动态随机存取存储器（DRAM）

2.4.3 CMOS图形传感器

2.5 低成本

2.6 应用驱动

2.6.1 微处理器

2.6.2 存储器

2.6.3 传感器

2.6.4 现场可编程逻辑门阵列（FPGA）

参考文献

第3章 3D集成工艺技术概述

3.1 3D集成技术概述

3.1.1 硅通孔技术（TSVs）

3.1.2 晶圆减薄

3.1.3 晶圆／IC对准键合

3.2 工艺流程

3.3 3D集成技术

3.3.1 TSV制作

3.3.2 载体晶圆的临时键合

3.3.3 减薄工艺

3.3.4 对准与键合

参考文献

第一篇 硅通孔制作

第4章 硅通孔的深反应离子刻蚀（DRIE）

4.1 引言

4.1.1 实现硅片贯穿互连技术的深反应离子刻蚀

4.1.2 DRIE的技术状态与基本原理

4.1.3 Bosch工艺

4.1.4 通孔制备方法的选择

4.2 DRIE设备及特征

4.2.1 高密度等离子体反应器

4.2.2 等离子体化学

4.2.3 等离子体诊断和表面分析

4.3 DRIE工艺

4.3.1 掩模问题

4.3.2 高深宽比形貌

4.3.3 侧壁钝化、去钝化及剖面控制

4.4 通孔刻蚀实用方案

4.4.1 钻蚀和凸凹环纹减少

4.4.2 侧壁粗糙度优化

4.4.3 负载效应

4.4.4 介电层开槽

4.4.5 通孔结构检测

4.4.6 槽深原位测量

4.5 小结

附录A：缩写词术语表

附录B：DRIE菜单示例

参考文献

第5章 激光熔蚀

5.1 引言

5.2 激光技术在3D封装中的应用

5.2.1 优点

5.2.2 缺点

5.3 激光技术在硅衬底中的应用

5.3.1 难点

5.3.2 应用效果

5.4 3D芯片叠层成果

5.5 可靠性

5.6 展望

参考文献

第6章 二氧化硅

6.1 引言

6.2 介质CVD

6.2.1 SACVD

6.2.2 臭氧激活SACVD沉积的工艺顺序

6.2.3 3D集成用保形性SACVD O3TEOS膜

6.3 介质膜性质

6.4 3D集成工艺中SiO2介质相关工艺

6.4.1 晶圆预处理

6.4.2 TSV中二氧化硅膜保形性的晶圆背面处理要求

6.4.3 薄硅衬底上SiO2膜沉积工艺

6.5 小结

参考文献

第7章 有机介质

7.1 帕利灵（Parylene）

7.1.1 TSV中的帕利灵

7.1.2 帕利灵的限制

7.2 等离子聚合化苯并环丁烯（BCB）

7.3 有机绝缘物的喷涂

7.4 有机物激光钻孔

7.5 小结

参考文献

第8章 铜电镀

8.1 引言

8.2 铜电镀设备

8.3 铜电镀工艺

8.3.1 铜衬里

8.3.2 钉头与无钉头的铜全填充

8.4 影响铜电镀的因素

8.4.1 通孔剖面和平滑度

8.4.2 绝缘、阻挡、种子层覆盖

8.4.3 形貌润湿

8.5 电镀化学物

8.5.1 酸性硫酸铜化学物

8.5.2 甲磺酸化学物

8.5.3 氰化物

8.5.4 其他铜电镀化学物

8.6 电镀工艺需求

8.6.1 超保形沉积机理

8.6.2 波形和电流密度对填充性能的影响

8.6.3 沉积波形效应对填充性能的影响

8.6.4 特征尺寸对填充时间的影响

8.6.5 形貌尺寸过覆盖层的关系

8.6.6 镀液分析与维护

8.7 小结

参考文献

第9章 W和Cu化学气相沉积金属化

9.1 引言

9.2 商用先驱物

9.2.1 TiN先驱物

9.2.2 铜先驱物

9.2.3 钨先驱物

9.3 沉积工艺流程

9.3.1 阻挡层沉积

9.3.2 黏附层

9.3.3 铜沉积

9.3.4 TSV填充中钨CVD的应用

9.4 包括填充和回刻／CMP的完整TSV金属化

9.4.1 W-CVD金属化

9.4.2 Cu CVD金属化

9.5 小结

参考文献

第二篇 晶圆减薄与键合技术

第10章 薄晶圆的制造、处理及划片技术

10.1 薄芯片的应用

10.2 主要问题：减薄和晶圆翘曲

10.2.1 现象的产生原因

10.3 减薄

10.3.1 研磨参数

10.3.2 研磨参数的相互影响

10.4 稳定性与柔韧性

10.4.1 芯片断裂强度与柔韧性的测试

10.4.2 统计和分析

10.5 芯片厚度、理论模型与宏观特征

10.5.1 芯片厚度

10.5.2 理论模型

10.5.3 芯片宏观特征：芯片强度、柔韧性、粗糙度及硬度

10.5.4 从原始晶圆到处理后的芯片，发生改变了么

10.6 薄晶圆的防护：膜与传递系统

10.6.1 传递晶圆及芯片用的特殊膜

10.6.2 传送系统

10.7 芯片分割：划片影响芯片的强度

10.7.1 传统的机械切割

10.7.2 激光切割

10.7.3 方法对比

10.8 结论

10.9 总结

参考文献

第11章 3D集成的键合技术概述

11.1 引言

11.2 直接键合

11.2.1 直接键合工艺原理

11.2.2 硅硅直接键合

11.2.3 金属表面活化键合

11.3 黏结键合和钎焊键合

11.3.1 聚合物黏结键合

11.3.2 金属钎焊和共晶键合

11.4 不同键合工艺的对比

参考文献

第12章 C2W和W2W集成方案

12.1 3D集成准则

12.1.1 不同的晶圆尺寸

12.1.2 不同的生产厂家

12.1.3 不同的衬底材料

12.1.4 不同的芯片尺寸

12.1.5 叠层数量

12.1.6 模块设计

12.1.7 成品率

12.1.8 生产能力

12.1.9 对准

12.1.10 成本

12.2 使能技术

12.2.1 已对准晶圆的键合

12.2.2 键合工艺

12.2.3 晶圆的临时键合及分离

12.2.4 C2W键合

12.3 3D互连集成方案

12.3.1 芯片面对面堆叠

12.3.2 芯片面对背堆叠

12.4 结论

参考文献

第13章 聚合物黏结键合技术

13.1 聚合物黏结剂键合原理

13.2 聚合物黏结剂键合的工艺要求和材料

13.3 聚合物黏结晶圆键合技术

13.4 键合工艺的特征参数

13.4.1 采用玻璃晶圆键合的光学检查

13.4.2 四点弯曲法表征键合强度

13.4.3 黏结晶圆键合技术的可靠性评估

13.5 结论

参考文献

第14章 金属间化合物键合

14.1 引言

14.2 技术理念

14.2.1 母材的选择

14.2.2 主要工艺方案

14.2.3 应用中的限制条件

14.3 结论

参考文献

第三篇 集成过程

第15章 商业应用

15.1 引言

15.2 片上芯片技术应用

15.2.1 索尼

15.2.2 英飞凌（Infineon）

15.3 TSV图像芯片

15.4 内存

15.4.1 三星（Samsung）

15.4.2 尔必达（Elpida）

15.4.3 Tezzaron和特许（Chartered）

15.4.4 日本电气（NEC）

15.4.5 美光（Micron）

15.5 微处理器和移动信息服务应用（Misc.）

15.5.1 英特尔（Intel）

15.5.2 美国国际商用机器公司（IBM）

参考文献

第16章 晶圆级3D系统集成

16.1 引言

16.1.1 3D系统集成的推动

16.1.2 技术概述

16.2 晶圆级3D系统集成技术

16.2.1 芯片-晶圆堆叠技术

16.2.2 垂直系统集成

16.3 可靠性问题

16.3.1 3D集成系统的失效

16.3.2 纳米压痕（nano-indentation）表征薄层材料

16.3.3 硅通孔的热-机械模拟

16.4 结论

参考文献

第17章 阿肯色大学互连工艺

17.1 引言

17.2 硅通孔（TSV）工艺流程

17.2.1 通孔的形成

17.2.2 通孔衬里

17.2.3 通孔填充

17.2.4 背面工艺

17.2.5 电学测试

17.3 芯片组装

17.4 系统集成

17.5 总结

参考文献

第18章 ASET的垂直互连技术

18.1 引言

18.2 制程工艺综述

18.3 Cu电镀的孔填充工艺

18.3.1 实验方法

18.3.2 结果与讨论

18.4 薄型晶圆的支撑

18.4.1 晶圆剥离方法

18.4.2 拉伸应力评估

18.4.3 薄型芯片的强度

18.4.4 讨论

18.5 3D芯片堆叠

18.5.1 3D芯片堆叠的技术问题

18.5.2 20μm节距互连的可焊性

18.5.3 层间微小缝隙的非导电胶（NCP）预成型工艺

18.5.4 垂直互连的制作

18.5.5 垂直互连的可靠性

18.6 芯片堆叠模块的热性能

18.6.1 热阻测试

18.6.2 钝化层的影响

18.6.3 新型冷却界面的研究

18.7 垂直互连的电性能

18.7.1 多层通孔的直流特性

18.7.2 多层通孔的交流特性

18.8 硅通孔的实际应用

18.9 结论

参考文献

第19章 CEA LETI的3D集成技术

19.1 引言

19.2 3D有效叠层中的电路转移

19.3 叠层的非破坏性特征

19.3.1 叠层界面检查

19.3.2 精对准测量

19.3.3 堆叠的减薄特性

19.4 3D集成应用发展的实例

19.4.1 掺杂多晶硅的硅通孔填充-先进封装

19.4.2 光电子器件的芯片与晶圆集成应用

19.4.3 晶圆到晶圆3D集成的示例

19.5 总结

参考文献

第20章 林肯实验室的3D电路集成技术

20.1 引言

20.2 林肯实验室晶圆级3D电路集成技术

20.2.1 3D制造过程

20.2.2 3D使能技术

20.2.3 3D技术的缩放比例

20.3 FDSOI晶体管与器件性能

20.4 3D电路及器件

20.4.1 3D激光雷达芯片

20.4.2 1024×1024可见光成像器

20.4.3 异质集成

20.5 总结

致谢

参考文献

第21章 IMEC的3D集成技术

21.1 引言

21.2 3D互连技术的关键因素

21.3 比利时微电子研究中心的3D集成技术

21.3.1 系统小型化的3D-SIP

21.3.2 3D-WLP

参考文献

第22章 MIT的铜热压键合制造工艺

22.1 引言

22.2 铜热压键合工艺

22.2.1 键合过程

22.2.2 键合机理

22.3 工艺流程

22.3.1 承载晶圆的黏结

22.3.2 衬底背面刻蚀和背面通孔的形成

22.3.3 晶圆对晶圆的对准和键合

22.3.4 承载晶圆的释放

22.3.5 临时性键合和释放的备选方案

22.4 讨论

22.4.1 金属作为中间介质的键合

22.4.2 铜的选择

22.4.3 背对面键合情况介绍

22.5 结论

参考文献

第23章 伦斯勒理工学院的3D集成工艺

23.1 引言

23.2 采用黏结晶圆键合和铜镶嵌内层互连的后通孔3D平台

23.3 后通孔3D平台的可行性验证：有着对准、键合、减薄以及内层晶圆互连工艺的链式通孔结构

23.4 带有镶嵌-图形化的金属／黏结剂再分层的先通孔3D平台

23.5 先通孔3D平台的可行性验证：采用CU/BCB再分布层的链式孔结构

23.6 单元工艺的发展

23.6.1 晶圆对晶圆的对准

23.6.2 黏结剂晶圆键合

23.6.3 氧化物-氧化物键合

23.6.4 铜-铜键合

23.6.5 钛基晶圆键合

23.7 碳纳米管（CNT,Carbon nanotube）互连工艺

23.8 结论

参考文献

第24章 Tezzaron半导体公司3D集成技术

24.1 简介

24.2 铜键合

24.2.1 铜键合的优点

24.2.2 铜键合的缺点

24.3 成品率问题

24.4 互连密度

24.5 3D DRAM的工艺需求

24.6 FaStack工艺综述

24.7 减薄前的键合

24.8 Tezzaron硅通孔技术

24.8.1 先通孔TSV

24.8.2 TSV作为减薄控制

24.8.3 TSVS作为对准标记

24.8.4 后道制程和前道制程

24.8.5 SuperVia TSVs

24.8.6 SuperContact TSV

24.8.7 TSV的特性和尺寸

24.9 叠层工艺流程的细节（采用SuperContacts工艺）

24.10 采用SuperVias技术的堆叠工艺流程

24.11 堆叠带来的额外问题

24.11.1 平坦化

24.11.2 边缘研磨

24.11.3 对准

24.11.4 键合点区域

24.12 工作下的3D器件

24.13 质量鉴定结果

24.13.1 键合晶圆共面测试

24.13.2 分层：大功率造成的（自身造成）

24.13.3 晶体管性能的漂移

24.13.4 寿命测试

24.13.5 高的加速应力测试（HAST）

24.14 FaStack总结

24.15 缩写和定义

第25章 Ziptronix公司3D集成

25.1 引言

25.2 直接键合

25.2.1 晶圆氧化直接键合

25.2.2 低温晶圆氧化直接键合

25.3 直接键合互连

25.3.1 DBI？工艺流程

25.3.2 DBI？物理和电子数据

25.3.3 DBI？靠性数据

25.4 工艺成本和供应链

参考文献

第26章 ZyCube 3D集成技术

26.1 引言

26.2 现今新型3D LSI-CSP传感器器件

26.2.1 新型芯片级封装工艺（ZyCSP）

26.2.2 硅通孔填充工艺

26.2.3 新型芯片级封装（ZyCSP）

26.3 未来的3D-LSI技术

参考文献

第四篇 设计、性能和热管理

第27章 北卡罗来纳州立大学的3D集成设计

27.1 为什么做3D集成

27.2 互连驱动案例研究

27.3 计算机辅助设计

27.4 讨论

参考文献

第28章 3D系统设计建模与设计方法

28.1 简介

28.2 建模和仿真

28.2.1 建模方法

28.2.2 元件级仿真

28.2.3 热压力对微电子机械系统的影响

28.2.4 复杂叠层结构仿真

28.2.5 系统级计算机辅助模型生成的方法

28.2.6 模型确认

28.2.7 设计流程中电路或行为模型的集成

28.3 3D集成的设计方法

28.3.1 低功耗设计

28.3.2 可测性设计

28.4 结论

参考文献

第29章 林肯实验室3D技术多项目电路设计与布局

29.1 介绍

29.2 3D设计与布局实践

29.3 设计与提交程序

参考文献

第30章 明尼苏达大学三维电路计算机辅助设计

30.1 介绍

30.2 3D设计的热分析

30.3 3D设计的热驱动布局与布线

30.3.1 热驱动3D布局

30.3.2 自动插入散热孔

30.3.3 热驱动3D布线

30.4 3D设计中功率网格设计

30.5 结论

参考文献

第31章 3D电路的电性能

31.1 引言

31.1.1 例1：移动电话的基带处理器

31.1.2 例2：蜂窝电话先进的人机接口

31.2 3D芯片叠层技术

31.2.1 3D工艺中背板连接的自调整

31.2.2 晶圆准备工作

31.2.3 CMOS工艺与正向金属化

31.2.4 晶圆减薄

31.2.5 通孔刻蚀与侧壁隔离

31.2.6 测试与流焊

31.3 3D连接的电性能

31.3.1 绝缘交叉电阻与孔金属电阻

31.3.2 焊球连接与铜线

31.3.3 孔与焊点

31.3.4 过孔桥

31.3.5 过孔漏电

31.3.6 用于仿真的等效电路

31.4 总结与结论

31.4.1 体视图

参考文献

第32章 3D集成电路测试技术

32.1 引言

32.2 3D集成的成品率

32.3 已知好芯片（KGD）

32.4 晶圆叠层与芯片叠层

32.5 3D叠层的容错控制

参考文献

第33章 垂直集成封装的热管理

33.1 引言

33.1.1 电子元器件的功耗

33.1.2 热管理的缘由

33.2 热传递机理

33.2.1 传导

33.2.2 对流

33.3 热封装模型

33.3.1 IC设计中温度和功耗分布预测

33.3.2 热封装的设计与优化

33.4 热封装测试

33.4.1 热阻件特性

33.4.2 功耗分布测量

33.5 热封装组件

33.5.1 热界面材料

33.5.2 先进空气热沉

33.5.3 强制对流液冷板

33.6 垂直集成封装的散热处理

33.6.1 传统背面散热的主要挑战

33.6.2 利用热通孔（TV）改善热传导

33.6.3 夹层的热管理

33.6.4 结论

参考文献

第五篇 应用

第34章 3D和微处理器

34.1 引言

34.2 3D微处理器系统的设计

34.2.1 概述

34.2.2 “逻辑电路＋存储器”叠层的例子：缓存堆叠

34.2.3 “逻辑电路＋逻辑电路”叠层：将一个微处理器分割到两个叠层中的示例

34.3 3D微处理器系统的制造

34.3.1 概述

34.3.2 铜键合晶圆叠层

34.3.3 使用金属键合的芯片叠层

34.4 结论

参考文献

第35章 3D存储器

35.1 引言

35.2 应用

35.3 再布线层（RDL）

35.4 晶圆穿孔互连（TWI）

35.5 堆叠

35.6 其他问题

35.7 3D存储器的未来

第36章 先进传感器阵列的3D读出集成电路

36.1 引言

36.2 3D ROIC的应用现状

36.2.1 国防高级研究计划局垂直互连传感器阵列（VISA）发展计划

36.2.2 DRS/RTI红外焦平面阵列

36.2.3 麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）的3D成像器

36.2.4 东北大学（Tohoku University）的神经形态可视芯片

36.2.5 高能物理中的3D ROIC

36.3 结论

参考文献

第37章 功率器件

37.1 概述

37.2 半导体分立器件的晶圆级封装

37.3 功率MOSFET器件的封装

37.4 垂直MOSFET的CSP

37.5 垂直MOSFET的金属TWI工艺

37.6 TWI MOSFET CSP的未来预期

37.7 展望

参考文献

第38章 无线传感器系统——电子立方体计划

38.1 概述

38.2 电子立方体概念

38.3 使3D集成技术成为可能的方法

38.4 e-CUBES GHz无线电

38.4.1 针对汽车应用的2.4 GHz无线电

38.4.2 用于无线人体网络的17 GHz超低功率e-CUBES无线电

38.4.3 e-CUBES中射频MEMS的作用

38.5 e-CUBES的应用和发展路线

38.5.1 航空、航天领域的应用

38.5.2 汽车演示器

38.5.3 健康演示器

38.6 小结

参考文献