【摘 要】
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在微电子器件微小化、多功能化及高集成化的持续驱动下,IC集成封装的微互连密度需要大幅度的提高,这要求微互连点的尺度快速地减小,特别是代表着最高集成度的三维IC集成封装。微互连点尺度的急剧缩减将导致其可靠性问题:3D IC集成键合过程下层芯片钎料微互连点的重熔坍塌,导致微互连点的性能失效;界面金属间化合物（Intermetallic Compounds,IMC）在微互连点中所占体积比增加,致使其早期
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在微电子器件微小化、多功能化及高集成化的持续驱动下,IC集成封装的微互连密度需要大幅度的提高,这要求微互连点的尺度快速地减小,特别是代表着最高集成度的三维IC集成封装。微互连点尺度的急剧缩减将导致其可靠性问题:3D IC集成键合过程下层芯片钎料微互连点的重熔坍塌,导致微互连点的性能失效;界面金属间化合物（Intermetallic Compounds,IMC）在微互连点中所占体积比增加,致使其早期脆断及热疲劳失效;微互连点中仅能形成一个或几个晶粒,且取向随机,致使封装体中每个微互连点的性能各异,易导致部分微互连点的早期失效和信号传输问题。本课题研究了Ni取向对界面IMC微观组织结构的调控影响,提出了单晶取向Ni/Sn/多晶Ni互连新结构和相应的温度梯度辅助键合法。通过Ni取向调控IMC微观组织结构和温度梯度驱动IMC生长,快速制备出微观结构可控的IMC微互连点,阐明了其微观结构可控和快速化形成的物理机制。主要研究结果如下:（1）研究了（（100）、（110）、（111））单晶Ni/Sn和多晶Ni/Sn界面Ni3Sn4的微观组织结构。研究结果表明:Ni取向对界面Ni3Sn4的微观组织结构具有十分显著的调控影响,界面Ni3Sn4呈现出规则形貌,且其晶粒尺度均匀,具有一定的生长排列方向。而多晶Ni界面Ni3Sn4表现为不规则形貌,且其晶粒尺度不均匀。这与Ni3Sn4晶粒优先在与单晶Ni具有低错配度的晶面上形核有关。相较于其他两种取向Ni形成的界面Ni3Sn4,单晶（110）Ni界面Ni3Sn4具有更规则的形貌。（2）研究了在固液反应过程中单晶（110）Ni/Sn界面Ni3Sn4的微观组织结构演变。随着反应时间的增加,单晶（110）Ni/Sn界面Ni3Sn4的形貌变化显著,由初生的尖顶棱柱状逐渐地转变成大平面棱柱状。在反应过程中界面Ni3Sn4始终保持规则棱柱状主体形貌,界面Ni3Sn4形貌规则,晶粒尺度均匀且具有规则排列方向。多晶Ni/Sn界面Ni3Sn4的形貌由棒状逐渐地演变成回形镖状和块状,仍呈现出形貌的不规则性,且其晶粒尺度不均匀,晶粒生长方向随机。这主要与初生界面Ni3Sn4微观组织结构和界面原子通过界面Ni3Sn4扩散能力有关。（3）制备出单晶（110）Ni/（10μm）Sn/多晶Ni的键合结构,通过Ni取向调控界面Ni3Sn4微观结构和温度梯度驱动界面Ni3Sn4生长,快速制备出微观结构可控的全Ni3Sn4微互连点,研究了其快速化和微观结构可控的形成机制。在温度梯度的影响下,冷热两端界面Ni3Sn4出现了非均匀化生长现象,冷端界面为规则棱柱状的Ni3Sn4晶粒,热端界面为细小棒状的Ni3Sn4晶粒;随着反应时间的增加,热端界面细小棒状的Ni3Sn4尺度几乎保持不变,冷端界面规则棱柱状的Ni3Sn4持续增大,直至贯通整个互连层,形成微观组织结构可控的全Ni3Sn4的互连。其快速化生长与温度梯度驱动热端界面Ni原子的定向扩散有关,其规则形貌和取向主要受Ni取向调控的初始Ni3Sn4微观组织结构影响。研究结果为高性能微电子器件的三维IC集成提供一种新键合结构和对应的键合方法,形成的全Ni3Sn4微互连点有望解决三维IC集成互连点即将面临的可靠性问题。
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