西 安 电 子 科 技 大 学
硕 士 研 究 生 课 程 考 试 试 卷
科 目 集成电路封装与测试 题 目 硅通孔（TSV）工艺技术
学 号 1511122657 班级 111504
姓 名 马会会 任 课 教 师 包军林
数 评卷人
分 签 名
注 意 事 项
1.考试舞弊者做勒令退学或开除学籍 2.用铅笔答题一律无效（作图除外） 3.试题随试卷一起交回
硅通孔TSV工艺技术
1511122657 马会会
摘要:本文主要介绍近几年封装技术的快速发展及发展趋势。简单介绍了TSV技术的发展前景及其优势。详细介绍了硅通孔工艺以及其关键技术。并针对TSV中通孔的形成，综述了国内外研究进展，提出了干法刻蚀、湿法刻蚀、激光钻孔和光辅助电化学刻蚀法（PAECE）等四种TSV通孔的加工方法、并对各种方法进行了比较，提出了各种方法的适用范围。
关键词：后摩尔时代；封装技术；TSV；硅通孔
Abstract:This paper mainly introduces the rapid development and development trend of packaging technology in recent years.In the brief introduction of several vertical packaging technology, the paper focuses on the development of TSV technology and its advantages. The technology of Si - through hole and its key technologies are introduced in detail. In this paper, the research progress of TSV was summarized, and the method of dry etching, wet etching, laser drilling and photo assisted electrochemical etching (PAECE) was proposed, and four kinds of TSV through hole were compared.
Keywords:Post Moore era; packaging technology; TSV; silicon through hole
引 言
集成电路技术在过去的几十年里的到了迅速的发展。集成电路的速度和集成 度得到了很大的提高并且一直遵循摩尔定律不断发展，即单位集成电路面积上可 容纳的晶体管数目大约每隔 18 个月可以增加一倍。然而，当晶体管尺寸减小到几十纳米级后，想再通过减小晶体管尺寸来提升集成电路的性能已经变得非常困难，要想推动集成电路行业继续遵循摩尔定律发展就不得不寻求新的方法。 自从集成电路发明以来，芯片已无可辩驳地成为电子电路集成的最终形式。从那以后，集成度增加的速度就按照摩尔定律的预测稳步前进。摩尔定律的预测在未来若干年依然有效的观点目前仍然被普遍接受，然而，一个同样被广泛认同的观点是，物理定律将使摩尔定律最初描述的发展趋势停止。在这种情况下，电子电路技术和点路设计的概念将进入一个新的发展阶段，互连线将在重要性和价值方面得到提升。在被称作“超越摩尔定律”的新兴范式下，无论是物理上还是使用上，在z轴方向组装都变得越来越重要。目前在电子封装业中第三维正在被广泛关注，成为封装技术的主导。
图1 封装的技术演变与长期发展图
Fig 1Technical evolution and long term development of packaging
3D(three-dimensional)集成电路被认为是未来集成电路的发展方向，它通
过使集成芯片在垂直方向堆叠来提高单位面积上晶体管数量，使得在相同工艺下芯片的集成度可以大大的提高。以前实现三维集成电路堆叠的主要方法是丝焊工艺和倒装芯片工艺，它们都是将分立集成电路进行简单的垂直方向上的堆叠，芯片间的互连是通过芯片管脚片外简单对接实现的，虽然这也实现了芯片的三维堆叠，如图 1.1 中左图所示，但是该互连方式使得芯片间连线依然较长，并不是真正意义上的三维集成电路，而“穿透硅通道(Through-Silicon Vias)”技术的出现才使实现真正紧密集成多块芯片的三维集成电路成为了可能，如图 1.1 右图所示，TSV 使得各芯片间互连线更短了，而且互连线都在芯片的内部，这样受到的干扰也比互连线在外部小得多[1]。
图2 运用引线键合（左）和TSV（右）的3D集成电路 Fig 2 3D integrated circuits with wire bonding (left) and TSV (right).
TSV 技术可以使集成电路的性能从多个方面得到很大的提升。TSV 技术能很
好地提高集成电路的集成度；能大大缩短了集成电路之间连线，进而使延时和功耗都得到了显著地减小；同时，TSV 技术还能把不同工艺材料和不同的功能模块集成到一起，给芯片整体性能优化带来很大方便。这些显著的优势都使得 TSV技术近年来成为热门的研究领域。 1 3D集成中的TSV技术
3D集成并不是一个崭新的概念,早在1967年美国RCA公司就已经提出这种想法,并且有少数电子产品就使用了量身定做的3D封装方式，但可惜3D封装的概念还没有主流技术。随着市场对产品功能与性能需求和挑战的急速增加,传统ZD集成技术的瓶颈问题越来越突出,3D集成技术才被人慢慢从新重视起来。1989年,日本东北大学的Koyanagi等人首次提出一种制造3D集成电路的工艺方法,即将晶圆与另一片厚的晶圆连结起来后,从晶圆的背后将其磨薄[5]。1995年他们又开发了用poly-Si材料制作多层TSV的技术。目前3D集成技术被认为是未来集成技术的发展方向，并可以使摩尔定律继续有效的有力保证。在实现3D集成的技术中,硅通孔(Through Silicon Via,TSV)技术扮演者极其重要的关键角 色,它使得3D互连成为可能。它不仅可以作为3D集成电路中信号的通道,也可以作为3D集成电路中散热的通道。
具体来讲,TSV就是用来连通硅晶圆上下两边的通孔,并在通孔中关注导体形成互连线。具体灌注的导体可以根据其应用目的而定,如Cu,W以及poly-si,并用绝缘层(通常为SiO2)将TSV导体与基底隔离开来.而这层绝缘层也将给TSV
引入主要的寄生电容以及影响TSV的热性能。同时,TSV导体与通孔壁之间还会有一层很薄的阻碍层(如Ta),用来阻止TSV导体的金属原子向硅基底渗透。由3D工艺流程确定TSV的发展路线图。
表1 TSV尺寸发展路线
Table 1 development route of TSV dimensions
TSV（through silicon via）技术是穿透硅通孔技术的缩写，一般简称硅通孔技术。采用硅通孔TSV技术的3D集成方法能提高器件的数据交换速度、减少功耗以及提高输入/输出端密度等方面的性能[6]。采用TSV技术也可以提高器件的良率，因为大尺寸芯片可以分割为几个功能模块的芯片（小尺寸芯片具有更高的器件良率），再将它们进行相互堆叠的垂直集成，或者将它们在同一插入中介层上进行彼此相邻的平面集成。
硅通孔技术（TSV）是通过在芯片和芯片之间、晶圆与晶圆之间制作垂直导通，实现芯片之间互连的最新技术。它将集成电路垂直堆叠，在更小的面积上大幅提升芯片性能并增加芯片功能。与以往的IC封装键合和使用凸点的叠加技术不同。TSV能够使芯片在三维方向上堆叠的密度最大，外形尺寸最小，并且大大改善芯片速度和低功耗的性能。因此，业内人士将TSV称为继引线键合（Wire Bonding）、TAB和倒装芯片FC之后的第四代封装技术。
图3 三代封装技术
Fig 3 Three generation packaging technology
由于TSV工艺的内连接长度可能是最短的，因此可以减小信号传输过程中的寄生损失和缩短时间延迟。TSV的发展将受到很多便携式消费类电子产品的有力推动，这些产品需要更长的电池寿命和更小的波形系统。芯片堆叠是各种不同类型电路互相混合的最佳手段，例如将存储器直接堆叠在逻辑器件上方。 2 TSV 技术的发展趋势
如图1所示，近几年TSV技术的发展迅速，2007 年至2012年，TSV 专利数量持续稳步增长，TSV 越来越受到关注。TSV逐步成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术[7]。
图4 1992~2012年公开的TSV专利 Fig 4 TSV open 1992~2012 patents
TSV技术将在垂直方向堆叠层数、硅片减薄、硅通孔直径、填充材料、通孔刻蚀等方面继续向微细化方向发展。在垂直方向上堆叠层数由2007年的3-7层裸芯片发展到2015年的5～14层裸芯片的堆叠。为使堆叠14层裸芯片的封装仍能符合封装总厚度小于lmm的要求，在硅片减薄上，由2007年的20um~50um的厚度减低至2015年的8um厚度。在硅通孔的直径上，由2007年的4.0um缩小至2015年的1.6um。
TSV技术发展重点还包括工艺开发、三维Ic设计测试、多尺寸通孔技术以及静电保护。
3 硅通孔工艺的分类和流程
在实践中实现硅通孔的过程有很多,大体可以分为三类:①前段制程前先通孔型是指在没有做任何CMOS工艺前在空白硅片上制作通孔；②后段制程后先通孔型是指在CMOS器件即将完成和硅片减薄工艺前先制作通孔；③后段制程后后通孔型是指器件硅片在通孔形成前先减薄到其最终厚度.先通孔技术通孔材料是多晶硅;后通孔技术通孔材料是铜、钨。
TSV是通过铜填充或者铜的均匀性淀积进行制作的。其中，铜从通孔底部和侧壁同时开始生长。为了确保通孔顶部附近能够进行速度较慢的放射状生长以获得无孔洞填充结果，电镀系统还采用了一些有机添加剂，以下是所用的工艺步骤：
（1） 通过刻蚀或者激光熔化在硅晶体中形成通孔 （2） 通过PECVD淀积氧化层 （3） 通过PVD、PECVD或MOCVD工艺淀积金属粘附层/阻挡层/种子层； （4） 通过电化学反应往通孔中淀积铜金属
（5） 通过化学机械抛光或研磨和刻蚀工艺去除平坦表面上的铜金属。 如图3.1所示为制作硅通孔的基本流程图
TSV硅通孔技术的研究
