铜柱凸块(CopperPillarBump)因其优异的性能,逐步取代焊球凸块和引线键合技术,应用于集成电路封装电互连;是国际先进封装技术研究的热点。铜柱凸块技术研究和应用主要集中在美国、日本、韩国、中国台湾等集成电路发展先进的地区。中国大陆在此领域还处于起步阶段。当今晶圆级铜柱凸块先进封装技术中,集成电路芯片低介电常数(简称Low-k)层易受应力破坏、铜柱凸块晶圆翘曲和溅射钛/铝焊盘界面电阻过大,是亟待解决的重要问题。本论文对上述三个重要问题进行了深入研究。创造性地提出了带有铜垫的铜柱凸块新结构,显著降低了Low-k层应力;形成了聚酰亚胺(Polyimide,PI)图形设计新规则,并优化了电镀电流密度和退火工艺,有效降低了晶圆翘曲;揭示了溅射前晶圆表面水汽残留是钛/铝焊盘界面电阻过大的主要原因,避免了对控制CO浓度的低温工艺设备的依赖;成果在产品中得到了成功验证。具体如下:在倒装芯片回流焊接过程中,通过数值模拟与实验相结合,研究了铜柱凸块尺寸对Low-k层应力的影响。模拟结果表明,增大铜柱凸块芯片端的尺寸,或减小铜柱凸块基板端的尺寸,Low-k层面内拉应力可降低35%,面外拉应力可降低57%;铜柱凸块溅射阻挡层多余部分去除过程中的钻蚀对Low-k层应力有重要影响,5μm深度的钻蚀会使Low-k层面外拉应力增加89%。结合生产实际,提出了引入铜垫等增大铜柱凸块芯片端尺寸的新结构;产品验证结果表明,新结构提升了封装可靠性,解决了芯片端结构受应力影响失效的实际问题。研究了PI薄膜图形设计和工艺对铜柱凸块晶圆翘曲的影响。实验测量了改变PI薄膜尺寸、图形、在晶圆表面的覆盖率和曝光能量等条件下的晶圆翘曲。结果表明,PI薄膜的厚度和覆盖率是影响晶圆翘曲的两个主要因素。5μm厚的PI薄膜,在晶圆表面的覆盖率从100%逐步减少为20.66%时,晶圆的曲率从0.013m~(-1)降低到0.006m~(-1)。基于研究结果,提出了降低翘曲的PI薄膜设计新规则,即只在铜柱凸块区域设置PI薄膜“孤岛”以减少覆盖率。结果还表明,PI薄膜“孤岛”新设计有助于铜柱凸块溅射阻挡层多余部分的去除,进一步降低铜柱凸块之间的漏电流,避免了过多的钻蚀尺寸。研究了铜薄膜的电镀和退火条件对铜柱凸块晶圆翘曲及应力的影响。采用在室温下存放和烘烤两种方式对电镀铜薄膜进行退火,并测量晶圆翘曲,再通过聚焦离子束和扫描电镜进行表征。结果表明,使用大电流密度所制备的铜薄膜,在电镀完成初期表现为拉应力且应力快速增加,重结晶速度快,室温存放过程中拉应力逐渐得到释放;使用小电流密度所制备的铜薄膜,电镀完成初期表现为压应力,重结晶速度慢,室温存放过程中压应力缓慢减小;烘烤可以加快铜的重结晶,但是因热失配加剧了晶圆翘曲;优化电镀的电流密度和退火条件,可减小铜薄膜应力,进而改善晶圆翘曲。将研究成果运用于工程实践,解决了电镀铜退火应力过大造成芯片钝化层开裂的问题。研究了铜柱凸块制备过程中影响钛/铝焊盘界面电阻的因素。使用残余气体分析仪等对溅射过程中设备腔体内的环境变量进行了实时测量,采用开尔文法测量了铜柱凸块电阻,并运用多变量相关性分析方法,分析了腔体内的环境变量和溅射工艺参数对铜柱凸块电阻的影响。结果表明,溅射前晶圆表面水汽残留过多,易导致在铝焊盘表面形成过量不导电的氧化物,从而显著增加界面电阻;该条件下,不需要使用额外的低温设备来降低CO气体浓度以降低界面电阻。通过减少溅射前晶圆表面水汽残留浓度,铜柱凸块总电阻降低了45%,避免了对低温工艺设备的依赖。