微电子产业在过去几十年遵循摩尔定律持续不断发展,然而,随着电子器件尺寸的减小及芯片集成度的提高,芯片特征尺寸趋近物理极限,传统封装技术已不能解决互连延时和功耗增加等导致的性能和成本问题。三维集成技术具有高性能、低功耗、低制造成本等优势,有望成为最有发展前景的系统级集成方案。本文围绕面向三维集成的硅通孔(TSV)及低温键合技术,研究小孔径TSV的刻蚀形貌控制和无孔隙高效镀铜填充、以及铜纳米结构低温键合技术,具体内容包括:一、研究实现小孔径TSV阵列的刻蚀工艺优化和高效镀铜填充。利用深反应离子刻蚀技术对TSV阵列进行刻蚀,研究刻蚀工艺参数对侧壁粗糙度的影响,分析侧壁大尺度粗糙结构的形成及生长规律,并通过工艺参数的优化成功改善侧壁粗糙度,得到小孔径、高深宽比的TSV阵列。利用电镀工艺对TSV阵列进行镀铜填充,研究了不同填充工艺条件包括镀前预湿、种子层覆盖、镀液流动性、以及电流密度等对填充质量的影响,并采用分段式电镀方法有效减少了电镀时间和硅片表面过镀层厚度,实现了 TSV高效无缺陷镀铜填充。二、研究实现了基于铜纳米结构(铜纳米棒、铜纳米线)的Cu/Cu及Cu/Sn低温键合新方法:(1)利用倾斜法制备了铜纳米棒,分析引入纳米棒后的金属间化合物生长差异性,揭示其作为键合中介层降低键合温度的理论依据,进而提出基于铜纳米棒的低温Cu/Cu及Cu/Sn键合新方法,在250～350 ℃实现了 Cu/Cu有效连接,最高键合强度超过20MPa;在150～300 ℃C实现了Cu/Sn可靠连接,并且将键合环境从保护气氛成功扩展到空气环境,最高键合强度超过44.4 MPa。(2)提出一种低温、无模板直接合成铜纳米线新工艺,采用水热法在铜基底合成Cu(OH)2纳米线,再低温下热分解、氢热还原最终得到铜纳米线。研究了铜纳米线在不同气氛下的低温熔化行为,揭示其应用于低温Cu/Cu键合的理论依据,并应用于Cu/Cu键合,从而降低了互连熔点及对键合共面性的要求,成功地在150～400 ℃实现了基于铜纳米线的Cu/Cu键合,最高键合强度超过44.4 MPa。三、综合上述工艺,实现了 TSV和微凸点结构的片间互连。将铜纳米棒的Cu/Sn键合应用于小尺寸微凸点,在250 ℃成功实现了基于铜纳米棒的Cu/Sn微凸点键合。在此基础上将TSV镀铜填充和微凸点制备相结合,采用一步电镀法制备出TSV和微凸点复合结构,有效简化了传统工艺流程,降低制备成本,最终实现了 TSV和微凸点结构的片间互连。上述研究成果有助于推动高密度三维微互连技术的进一步发展。