一文解鎖TSV制程工藝及技術

什么是TSV

TSV（Through-Silicon Via）是一種先進的三維集成電路封裝技術。它通過在芯片上穿孔并填充導電材料，實現芯片內、芯片間以及芯片與封裝之間的垂直連接。TSV 技術可以將不同功能的芯片堆疊在一起，從而提高集成度、降低功耗，并縮小芯片封裝的體積。TSV 技術被廣泛應用于各種領域，如微處理器、存儲器、傳感器等，是推動集成電路制造技術向三維方向發展的重要技術之一。

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TSV制造關鍵工藝流程

TSV制造的主要工藝流程依次為：深反應離子刻蝕（DRIE）法行成通孔，使用化學沉積的方法沉積制作絕緣層、使用物理氣相沉積的方法沉積制作阻擋層和種子層。選擇一種電鍍方法在盲孔中進行銅填充，使用化學和機械拋光（CMP）法去除多余的銅。而一旦完成了銅填充，則需要對晶圓進行減薄，最后是進行晶圓鍵合整體工藝路線會根據特定需求對典型工藝進行變動。

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TSV關鍵工藝設備及特點

對應TSV生產流程會涉及到深孔刻蝕，PVD、 CVD、銅填充、微凸點及電鍍、清洗、減薄、鍵合等二十余種設備，其中深孔刻蝕、氣相沉積、銅填充、CMP去除多余的金屬、晶圓減薄、晶圓鍵合等工序涉及的設備最為關鍵。

①深孔刻蝕設備

深孔刻蝕是TSV的關鍵工藝，目前首選技術是基于Bosch工藝的干法刻蝕。深反應等離子刻蝕設備就是感應耦合高密度等離子體干法刻蝕機（Inductively Coupled Plasma Etcher），它采用半導體刻蝕機的成熟技術，獨特設計的雙等離子體源，實現了對腔室內等離子體密度的均勻控制，滿足硅高深寬比刻蝕工藝的要求。具有穩定可靠的工藝性能、寬闊的工藝窗口和良好的工藝兼容性，用于晶片的高深寬比刻蝕。

②氣相沉積設備

氣相沉積設備主要用于薄膜電路表面的高低頻低應力氧化硅等薄膜淀積。設備具有低溫TEOS工藝沉積氧化硅薄膜，應力易調控，適用于薄膜電路制造中保護膜層的沉積。設備應具有預真空室、基片傳送模塊以及工藝模塊等，傳片及工藝過程自動化。

絕緣層做好后，通過物理氣相沉積法（PVD）沉積金屬擴散阻擋層和種子層，為后續的銅填充做好準備。后續的電鍍銅填充要求TSV側壁和底部具有連續的阻擋層和種子層。種子層的連續性和均勻性被認為是TSV銅填充最重要的影響因素。根據硅通孔的形狀、深寬比及沉積方法不同，種子層的特點也各有不同，種子層沉積的厚度、均勻性和粘合強度是很重要的指標。

③銅填充設備

深孔金屬化電鍍設備用于新一代高頻組件高深寬比通孔填孔電鍍銅工藝，解決高深寬比微孔內的金屬化問題，提高互聯孔的可靠性。TSV填孔鍍銅工序是整個TSV工藝里最核心、難度最大的工藝對設備的要求比較高，成熟的用于TSV填孔鍍銅的設備價格昂貴。

④減薄拋光設備

一旦完成了銅填充則需要對晶圓進行減薄拋光。TSV要求晶圓減薄至50μm甚至更薄，要使硅孔底部的銅暴露出來，為下一步的互連做準備。目前晶圓減薄可以通過機械研磨、化學機械拋光、濕法及干法化學處理等不同的加工工序來實現。但晶圓很難容忍減薄過程中的磨削應力，其剛性也難以使晶圓保持原有的平整狀態，同時后續工藝的晶圓傳遞、搬送也遇到了很大的問題。目前業界多采用一體機的思路，將晶圓的磨削、拋光、貼片等工序集合在一臺設備內。

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TSV的應用和優勢

TSV的應用之一是，它允許將由不同部分組成的復雜處理器分離在幾個不同的芯片上，并具有以下附加優點：垂直連接允許更多數量的連接，這有助于實現更大的帶寬，而無需額外的帶寬，很高的時鐘頻率會增加數據傳輸期間的功耗。
例如，在將來我們將看到CPU和GPU的最后一級緩存將不在芯片上，它們具有相同的帶寬，但存儲容量卻是原來的幾倍，這將大大提高性能。我們也有使用FSV來通信Lakefield SoC的兩個部分的Intel Foveros示例，帶有系統I / O所在的基本芯片的計算芯片。

將處理器劃分為不同部分的原因是，隨著芯片的變大，電路中錯誤的可能性越來越大，因此沒有故障的優質芯片的數量會增加。他們可以使用的更少，而那些做得好的人必須支付失敗者的費用。這意味著從理論上減小芯片的尺寸會降低總體成本，盡管稍后我們將看到情況并非完全如此。

第二個應用程序與占用的空間有關，能夠垂直堆疊多個芯片的事實大大減少了它們占用的面積，因為它們不會散布在板上，其中最著名的示例是將HBM內存用作某些圖形處理器的VRAM，但是我們還有其他示例，例如三星的V-NAND存儲器，將多個NAND閃存芯片彼此堆疊。

其他鮮為人知的選擇是邏輯和內存的組合，其中內存位于處理器的頂部，最著名的示例是寬I / O內存，這是幾年前出現在智能手機中的一種內存，包括SoC頂部的存儲器通過硅互連。

2022年3月9號，蘋果公司推出的M1 ULTRA處理器，這款性能爆表的處理器中，多個CPU使用帶TSV的Silicon interposer進行集成的。如今，無論是AI/AR/VR中用到的傳感器，圖像傳感器，堆疊存儲芯片以及高性能處理器，都越來越離不開TSV。

TSV這項并不為人熟知的技術，正在硬件的底層深深的影響著人類的生產生活方式。

審核編輯：劉清