3D集成技术由于具有小尺寸、低功耗、高带宽和异质集成等特点,已成为延续“摩尔定律”的重要手段之一。而晶圆间或芯片间的垂直互连则是实现3D集成的关键技术,它可通过各种键合方法加以实现。随着有关可靠性和集成度的要求不断提升,低温、窄节距的键合将是未来3D集成的一大发展趋势。基于成本和兼容性的考虑,Cu和Sn是键合的主要材料体系,而常规的Cu-Sn键合采用固液互扩散（Solid-Liquid-Interiffusion,SLID）技术完成垂直互连,但Cu-Sn SLID键合极易发生Sn的“外溢”并导致相邻凸点的短路。因此,将键合温度降至Sn的熔点（232℃）以下甚至低于Cu-Sn的共晶温度（227℃）是非常必要的,相应的低温（150℃-220℃）Cu-Sn固态扩散（Solid-State-Diffusion,SSD）键合将可有效避免Sn的“外溢”现象并利于凸点节距的缩小,但是低的键合温度却直接降低了原子扩散的驱动力。同时,Cu和Sn表面生成的薄氧化层也阻碍了它们之间的反应,因此,键合前表面预处理对于完成高质量的Cu-Sn SSD互连将变得尤为重要。本文首先利用高效率、低成本的电镀工艺制作了窄节距的微凸点,开发了基于Ar（5%H₂）等离子体的预处理技术,并开展了低温Cu-Sn SSD键合技术研究。同时,通过开发等离子体联合自组装单分子层（Self-Assembled Monolayer,SAM）的复合预处理技术,有效增加了存储时间、缩短了键合时间及提高了键合强度。最后,针对低温Cu-Sn SSD键合相关的理论进行了研究。主要的研究内容及结果如下:1、窄节距微凸点的结构设计、优化与制作技术研究。根据测试目的,设计了布局为四周双排阵列模式的微凸点,结合实验对Cu和Sn的最优厚度、电镀Cu和Sn的电流密度以及厚胶光刻的曝光时间等关键工艺参数进行了优化。制作之后的测量结果表明,凸点的表面比较光亮、平整,凸点的节距约为20μm,Cu和Sn的厚度分别为4.9μm和2.9μm,且顶层晶圆（Cu/Sn）和底层晶圆（Cu）的凸点的一致性偏差仅为2.36%和3.17%。因此,经优化的工艺制作,获得了粗糙度低、一致性好的微凸点,满足了Cu-Sn键合的要求。2、微凸点表面Ar（5%H₂）等离子体预处理研究。首先,采用俄歇电子能谱（AES）、原子力显微镜（AFM）、X射线光电子能谱（XPS）及接触角（Contact Angle,CA）测试仪等表面表征方法对等离子体预处理工艺进行了研究。然后,通过对处理结果的理论分析表明,优化的等离子体预处理可有效移除电镀Cu的表面氧化层、平坦化并激活电镀Cu的表面以及抑制氧的进一步吸附。与此同时,对电镀Sn的表面也产生了近似的效果。最后,优化的等离子体预处理作用于微凸点表面,使低温Cu-Sn键合获得了无空洞的键合界面,同时剪切强度也得到了提高。3、低温Cu-Sn SSD键合技术研究。键合包括预键合和退火两个阶段。结合前述的表面预处理技术,在200℃、6.7MPa、60min、10-5mbar（10-3Pa）的预键合条件下实现了Cu-Sn的SSD键合,并利用配置了 EDS的SEM、剪切测试仪及四探针台对键合界面微观结构、键合强度及通道电阻进行了评估。预键合界面未发生Sn的“外溢”现象,且由Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu五层结构构成;而经200℃、60min的充分退火之后,最终形成了稳定的三层结构—Cu/Cu3Sn/Cu,相应的平均键合强度已达11.4MPa,菊花链电阻的测量值也与理论值在同一数量级。同时,该互连结构也通过了热循环（Thermal Cycling,TC）可靠性测试及电迁移（Electromigration,EM）可靠性测试。这些研究结果表明,依靠SSD技术完成的低温Cu-Sn键合已获得了高质量的互连性能,将有利于未来高密度3D集成的实现。4、改进低温Cu-Sn键合的研究。针对Cu凸点表面易发生二次氧化、二次污染的问题,开发了新型复合预处理技术,即等离子体联合SAM的方法,并采用等离子体预处理中相同的表征方法对复合预处理进行了研究。实验结果表明,优化的复合预处理可将电镀Cu的表面氧含量降至极低的水平,且SAM层可有效保护洁净的电镀Cu的表面,有利于延长存储时间。随之,低温Cu-Sn键合也在较短的时间内（30min）得到了实现,一方面SEM分析显示了良好的键合界面,另一方面剪切分析显示了超高的键合强度（约70MPa）。这些研究结果表明,通过必要的改进措施,低温Cu-Sn键合的性能得到了有效提升。5、低温Cu-Sn键合基本理论的研究。通过SEM分析键合过程中有关金属间化合物（IMC）的形成、生长及演化,并分析了凸点尺寸缩小所产生的效应。室温条件下已可形成Cu6Sn5相,且其成核是一随机过程;Cu6Sn5相的生长以消耗纯Sn相为基础,即6Cu+5Sn→Cu6Sn5,而 Cu3Sn 的生长以消耗 Cu6Sn5 相为基础,即 Cu6Sn5+9Cu→5Cu3Sn,且Cu3Sn的形貌较“扇贝”状的Cu6Sn5更加平整,同时,在200℃的低温情况下,这两种IMC的生长仍主要受晶格扩散机制控制;存在于Cu/Cu3Sn界面的柯肯达尔空洞与Cu6Sn5的不断耗尽密切相关;另外,凸点的尺寸效应也有利于窄节距低温Cu-Sn键合的实现。