TSV硅通孔技术的研究解析
3D IC-TSV技术与可靠性研究
3D IC-TSV技术与可靠性研究摘要：对三维（3 Dimension，3D）堆叠集成电路的硅通孔(Through Silicon Via，TSV)互连技术进行了详细的介绍，阐述了TSV的关键技术与工艺，比如对准、键合、晶圆减薄、通孔刻蚀、铜大马士革工艺等。
着重对TSV可靠性分析的重要性、研究现状和热应力分析方面进行了介绍。
以传热分析为例，实现简单TSV模型的热仿真分析和理论计算。
最后介绍了TSV技术市场化动态和未来展望。
关键词： 3D-TSV；通孔；晶圆减薄；键合；热可靠性0 引言随着半导体制作工艺尺寸缩小到深亚微米量级，摩尔定律受到越来越多的挑战。
首先，互连线(尤其是全局互连线)延迟已经远超过门延迟，,这标志着半导体产业已经从“晶体管时代”进入到“互连线时代”。
为此，国际半导体技术路线图组织(ITRS)在 2005 年的技术路线图中提出了“后摩尔定律”的概念。
“后摩尔定律”将发展转向综合创新，而不是耗费巨资追求技术节点的推进。
尤其是基于TSV(Through Silicon Via)互连的三维集成技术，引发了集成电路发展的根本性改变。
三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit，3D IC)可以将微机电系统(MEMS)、射频模块(RF module)、内存(Memory)及处理器(Processor)等模块集成在一个系统内[1]，，大大提高了系统的集成度，减小了功耗，提高了性能，因此被业界公认为延续摩尔定律最有效的途径之一，成为近年来研究的热点。
目前3D集成技术主要有如下三种：焊线连接(Wire-Bonding)、单片集成(Monolithic Integration)和TSV技术[2]。
焊线连接是一种直接而经济的集成技术，但仅限于不需要太多层间互连的低功率、低频的集成电路。
单片集成是在同一个衬底上制作多层器件的新技术，它的应用受到工艺温度要求很高和晶体管质量较差等约束。
硅通孔技术TSV研究ppt课件
TSV技术面临的难题：
➢在价格与成本之间的极大障碍
➢新技术的不确定性所隐含的风险
➢实际的量产需求
1
概述
发展 状况
TSV 的 应用
GaAs 基TSV 20/03/2020
TSV的研究动态
TSV参数 最小TSV直
径 最小TSV间
3
TSV封装剖面图
概述
发展 状况
TSV 的 应用
TSV的研究动态
TSV的关键技术之一——通孔刻蚀
➢ 前通孔(via first)：
在 IC 制 造 过 程 中 制 作 通 孔，分为前道互连和后 道互连
➢ 后通孔(via last) :
制造完成之后制作通孔
GaAs
基TSV 20/03/2020
4
概述
台积电有在28nm以下工艺量产三维LSI的意向。
TSV的 应用
GaAs 基TSV 20/03/2020
以多种尺寸和配置而形成的TSV 和再布线层
12
连接300mm晶圆和半导体芯片的微凸点
TSV的研究动态
概述
2010年12月三星公司采用TSV技术，成功开发出基于该 公司先进的绿色DDR3芯片的8GB RDIMM内存。
感测器
OsmiumTM from Aptina 9
TSV的研究动态
概述
发展 状况
应用TSV的影像感测器实例
2009年3月， 意法半导体推出市场上首款集成扩展景深 （EDoF）功能的1/4英寸光学格式3百万像素Raw Bayer传感器。 意法半导体最新的影像传感器可实现最小6.5 x 6.5mm的相机 模块，而且图像锐利度和使用体验非常出色，同时还兼有尺 寸和成本优势，是一款智能型自动对焦相机解决方案。
tsv工艺原理
tsv工艺原理
TSV（ThroughSiliconVia，穿透硅孔）是一种在硅片上制造立体互联的新型工艺。
它是将硅片加工成一系列孔洞的过程，然后通过这些孔洞将不同层间的电路进行连接。
TSV工艺可以大大提高芯片的集成度和性能，同时也可以降低功耗和成本。
TSV工艺的原理主要包括四个步骤：孔洞加工、内涂层、填充和平整化。
首先，需要在硅片上进行孔洞加工，通常采用的是激光钻孔或等离子体刻蚀等技术。
其次，在孔洞内部涂覆一层金属或聚合物材料，以提高连接的可靠性和稳定性。
然后，将孔洞填充上金属材料，以实现不同层间的电路连接。
最后，进行平整化处理，以便后续的芯片封装。
TSV工艺具有许多优点，例如可以减少芯片大小和功耗，提高性能和可靠性，同时也可以降低成本。
但是，由于其制造过程比传统工艺复杂，因此需要更高的技术水平和设备投入。
未来，随着芯片集成度的不断提高和应用领域的扩大，TSV工艺将会得到更广泛的应用。
- 1 -。
瞬时大电流下微机电引信硅通孔封装的失效机理与实验研究
瞬时大电流下微机电引信硅通孔封装的失效机理与实验研究刘芳怡;娄文忠;丁旭冉;王辅辅;王瑛【摘要】随着引信向微型化、智能化、灵巧化发展,对引信采用三维封装是实现其小型化最为前景的技术.硅通孔(TSV)是三维封装的关键技术,广泛应用在微机电系统(MEMS)的集成中,具有封装尺寸小和能量消耗低的优点.研究了一种应用于MEMS 引信的TSV三维封装技术,该MEMS引信的工作模式要求TSV在引信起爆控制时的瞬时大电流冲击下,电阻改变量在规定允许的范围内.利用有限元分析软件计算TSV在瞬时大电流下的升温曲线,并进行分组实验,对TSV分别施加40 V、330 μF 电容放电条件,10V、330 μF电容放电条件和4V、100 μF电容放电条件.通过对比仿真结果与实验结果,得到TSV的潜在的失效模式和其承载瞬时大电流的能力.通过上述结论分析得出在10 V、330 μF电容放电条件和4V、100 μF电容放电条件下,TSV封装技术可以满足MEMS引信的正常工作.【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2014(035)009【总页数】7页(P1356-1362)【关键词】兵器科学与技术;引信;瞬时大电流;硅通孔;有限元仿真;电容放电【作者】刘芳怡;娄文忠;丁旭冉;王辅辅;王瑛【作者单位】北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081;北京理工大学机电学院,北京100081【正文语种】中文【中图分类】TJ43;TN605在引信中应用微机电系统(MEMS)技术可以降低成本、减轻质量,实现小型化发展[1-3]。
法国创新研制了一种MEMS安全、解除保险与发火器件,该MEMS发火件可以提高MEMS起爆器的性能,在大电流激发下会产生电爆炸作用,实现引信的发火功能[4-6]。
利用这种电爆炸过程,Zhao等[7-8]制备了一种新型MEMS引信,该引信需要在瞬时大电流的作用下正常作用,所以激发源采用电容放电的形式。
TSV 通孔技术研究
TSV 通孔技术研究作者：黄铂来源：《中小企业管理与科技·上旬刊》 2013年第8期黄铂（武汉船舶职业技术学院）摘要：介绍了TSV 技术及其优势，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：TSV 干法刻蚀湿法刻蚀激光钻孔光辅助电化学刻蚀0 引言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。
图1所示是4 层芯片采用载带封装方法(见图1(a))和采用TSV 方法(见图1(b))封装的外形比较。
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[1-2]。
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。
1 TSV 的主要技术环节硅通孔技术主要有通孔的形成、晶片减薄及TSV 键合三大技术环节。
1.1 通孔的形成TSV 技术的核心是在晶片上加工通孔，目前，通孔加工技术主要包括干法刻蚀、湿法腐蚀、激光钻孔以及光辅助电化学刻蚀四种。
1.2 晶片减薄为了保证通孔形成的孔径和厚度比例在一个合理的范围内，采用3D 封装的晶片必须要进行减薄。
目前，比较先进的多层封装技术能够将芯片的厚度控制在100μm以下，未来的芯片厚度需要减薄到25μm-1μm 近乎极限的厚度。
目前多采用磨削加工技术进行晶片减薄，为了解决减薄后晶片不发生翘曲、下垂以及表面损伤扩大以及晶片破裂等问题，在磨削过程中必须保持晶片始终保持平整状态，这也是晶片减薄技术中急需解决的问题。
1.3 TSV 键合TSV 键合技术是指完成通孔金属化和连接端子晶片之间的互连。
基于TSV技术的CMP工艺优化研究
2 （总第 277 期）A ug援 2019
电 子 工 业 专 用 设备
Equipment for Electronic Products Manufacturing
先进封装技术与设备
采用金属热压键合和共晶键合工艺，通过以上工 艺步骤可实现完整的 3D TSV 封装。
前通孔工艺是指在器件前道工艺前进行通孔 制作，该工艺的 TSV 填充 材料 必须耐 高温 ，一 般 只有重掺杂多晶硅可适用，但重掺杂多晶硅电阻 系数远高于金属铜，有一定的工艺局限性。中通孔 工 艺 是 指 TSV 通 孔 结 构 在 CMOS 电 路 （或 FEOL）与后端制程（BEOL）之间形成，该工艺可选择
9
门延迟
8
7
6
5
4
3
2
1
0
互连延迟
2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200
/nm
时间轴 / 技术节点 图 1 晶体管门延迟及互连 RC 延迟的变化趋势
/ 年份
集成电路制造和封装行业根据自身优势对 TSV 技术不断加大研发投入，促使 TSV 技术开发 了几种不同的可行方案，从工艺次序角度可分为 前通孔、中通孔、后通孔和键合后通孔等几种形 式，如图 2 所示。其关键工艺主要有通孔形成、多 层薄膜淀积、通孔内的金属填充、铜的化学机械抛 光、超薄晶圆的抛光减薄，芯片级或晶圆级的叠层 键合等。
A ug援 圆019（总第 277 期） 3
先进封装技术与设备
电 子 工 业 专 用 设备
Equipment for Electronic Products Manufacturing
为基于中通孔 TSV 的两步 CMP 工艺应用示意图。 由于 TSV 技术的自身特点，硅通孔深宽比大，在结 构尺寸上是普通 CMP 工艺加工对象的 10~100 倍， 通孔深度通常为 50~100 滋m，硅通孔大马士革铜工 艺淀积厚度一般为 10~40 滋m，CMP 去除到 TEOS 氧化层终止，铜的去除率大于 1 000 nm/min。碟型凹 陷需控制在 1 000 nm±20%，当厚度为 45 滋m 时， 铜 层 去 除 率 需 大 于 4 滋m/min，10~12 min 可 去 除 43 滋m 以上的铜层，通孔结构在抛光过程中会产 生一定的凹陷或凸起，过大的凹陷会造成接触点 开路，而过大的凸起会产生器件接触不良，因此需 选择高去除速率且低选择比的抛光液。TSV CMP 比金属互连工艺中的 CMP 敏感性要低一些，但去 除厚度和抛光时间更长，抛光工艺带来的碎片风 险更大。此外，封装厂更倾向于价格低廉的 CMP 设备，可能会对 TSV 技术中的 CMP 工艺性能带 来一定限制，需要进一步优化抛光工艺。
硅通孔(TSV)工艺学习报告
硅通孔（TSV）工艺
学习报告
高旺（13307130154）|电子封装材料与工艺|2016 年 6 月 11 日
2. 分类
3D IC 最常使用的分类方法是以硅通孔技术的制程、工序为依据，硅通孔技术按照 制程可分为前通孔(Via First)、中通孔(Via Middle)与后通孔(Via Last)等三种制程。其中前 通孔是指在晶圆元件制作前进行硅通孔制程；中通孔则在元件制程后、后段导线制作 前，进行硅通孔制程；后通孔是指在晶圆后段导线制作(Back End of the Line, BEOL)后， 才进行硅通孔的制作。以上只是大致上之区分，实际制程根据不同公司、组织以及研 究单位之发展，仍有些微变化。
总的来说，目前行业内普遍看好 3D 硅集成技术。 推动 3D 集成技术的行业发展的最有影响力的当属 1965 年的诺贝尔物理学奖获得 者——Richard Feynman（理查德.费曼）。在 1985 年 8 月 9 日 Gakushuin 大学（东京） 的 Yoshio Nishina 的追悼会上，费曼做了题目为《未来的计算机器（Computing Machines in the Future）》的演讲，说“另一方面的改进是物理器械方面的而不是让所有集成在 一块电路板上。这样使可以在每一层上来制造而不是一次性做完，你可以先制造几层， 随着时间的推移还可以加入更多层电路。”费曼不仅告诉我们要往 3D 方向发展，还教 我们今后如何制作它。即使是在今天，许多致力于 3D 集成研究的学者依然喜欢引用他 在 1985 年东京的演讲。
新型硅通孔(TSV)的电磁特性研究
新型硅通孔（TSV）的电磁特性研究新型硅通孔（TSV）的电磁特性研究引言在现代电子器件中，芯片内部不同层次的互连是实现器件功能的重要组成部分。
随着半导体技术的不断发展，为了满足更高的处理速度和更大的集成度需求，三维集成电路（3D-IC）技术逐渐崭露头角。
而新型硅通孔（TSV）是实现3D-IC技术的核心部件之一。
本文将就TSV的电磁特性进行研究，探讨其在电磁波传输方面的影响。
1. TSV的定义和结构TSV即新型硅通孔（Through Silicon Via），是一种在硅晶片上实现垂直电连接的微细孔洞。
其基本结构包括上下两个金属壳，即上层金属（UM1）和下层金属（LM1），以及填充间隔层（IS1）。
TSV的孔洞通过硅基底，将上下两层金属电极连接在一起。
这种结构使得芯片内部层间互连更加紧凑，并可在芯片的不同层次之间进行电信号的高速传输。
2. TSV的电磁特性研究方法为了准确研究TSV的电磁特性，我们首先采用有限差分时域（FDTD）方法对TSV进行数值模拟，分析其在电磁波传输中的响应。
同时，为了验证数值模拟结果的准确性，我们还进行了实验测试，对TSV进行了电磁特性的测量。
通过比较实验结果和数值模拟结果，我们可以得出准确的结论。
3. TSV的电磁波传输特性在电磁波传输中，TSV会对信号的频率、传输损耗和信号延迟等产生影响。
通过对TSV的电磁特性进行研究，我们可以得到以下结论：3.1 TSV的分布电容对频率响应的影响TSV作为一种电连接通道，具有一定的分布电容。
这种分布电容导致了TSV的电磁响应在高频段产生明显的衰减。
因此，在高频信号传输中，TSV会引起传输信号的衰减和失真现象。
为了解决这个问题，可以采取优化设计方法，如增加TSV的直径或改变其结构以降低分布电容。
3.2 TSV的传输损耗TSV的传输损耗是指信号经过TSV传输时所产生的能量损耗。
传输损耗主要有两个因素：金属电极导线的电阻和附近材料的电磁耗散。
硅通孔(TSV)电学传输特性分析与优化
硅通孔（TSV）电学传输特性分析与优化硅通孔（TSV）电学传输特性分析与优化摘要：硅通孔（TSV）是一种用于芯片内部互联的三维封装技术。
本文通过对TSV电学传输特性的分析与优化，探讨了TSV的制备工艺对其性能的影响，并提出了一些优化措施。
1. 引言随着芯片尺寸的不断减小和集成度的不断提高，二维封装方式逐渐不能满足芯片内部大规模互联的需求。
硅通孔（TSV）作为一种三维封装技术，能够实现芯片内部的垂直互联，为芯片的高集成度提供可能。
TSV的电学传输特性的分析与优化对于实现高性能的三维封装至关重要。
2. TSV的制备工艺TSV的制备通常包括刻蚀、填充和研磨等步骤。
刻蚀是将硅衬底上的孔洞形成的过程，可以采用干法或湿法刻蚀。
填充是将导电材料填充到TSV中，常用的填充材料有铜、银等。
研磨是将填充材料的余量删减至需要的高度，以便与芯片的上下层相连接。
制备工艺的参数设置和优化对于TSV的电学传输特性具有重要影响。
3. TSV的电学传输特性分析TSV的电学传输特性可以通过测试TSV的电阻和电容来进行分析。
电阻是TSV的主要电学性能指标之一，影响着信号传输的速度和功耗。
电阻的大小与TSV的尺寸、填充材料和制备工艺等因素有关。
电容是TSV的另一个重要性能指标，反映了TSV 的电荷传输能力。
电容的大小与TSV的尺寸、绝缘层的厚度等因素相关。
4. TSV的电学传输特性优化为了优化TSV的电学传输特性，可以采取以下措施：4.1 优化制备工艺参数制备工艺参数的优化对于TSV的电学性能具有重要影响。
如刻蚀参数的优化可以改善TSV的表面平整度，减小接触电阻。
填充材料的选择和填充参数的优化可以改善TSV的导电性能。
研磨参数的优化可以减小TSV的表面粗糙度，降低剩余电阻。
4.2 优化填充材料填充材料的选择对TSV的电阻有着重要影响。
铜是一种常用的填充材料，具有较低的电阻和较高的导电性能。
然而，铜容易产生应力，导致TSV的可靠性下降。
TSV工艺流程与电学特性研究
TSV工艺流程与电学特性研究目录1.引言 (1)2.先进封装界的冈格尼尔一一TSv究竟是什么？ (1)3.介绍 (6)4.结论 (7)1.引言本文报道了TSV过程的细节。
还显示了可以在8-in上均匀地形成许多小的TSV（直径：6m,深度：22m）o通过这种TSV工艺的晶片。
我们华林科纳研究了TSV的电学特性，结果表明TSV具有低电阻和低电容；小的TSV.硅漏电流和大约83%的高TSV产率。
2.先进封装界的冈格尼尔——TSV究竟是什么？最近这段时间，总是收到有读者在后台留言：想让我讲一下我上篇文章《摩尔定律中的普罗米修斯一一2.5D封装技术》中的TSV究竟是什么？这次，我们就来给大家丰富一下TSV的知识。
τsva.Λ*tfiTSV技术示意图开宗明义，定义先行。
首先，我们先来了解一下什么是TSV技术:TSV全称为：Through -SiIicon-Via,中文译为：硅通孔技术。
它是通过在芯片和芯片之间、晶圆和晶圆之间制作垂直导通；TSV技术通过铜、鸨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连，实现芯片之间互连的最新技术。
TSV也是继线键合(WireBOnding)、TAB和倒装芯片(FC)之后的第四代封装技术。
TSV的显著优势：TSV可以通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/电感，实现芯片间的低功耗，高速通讯，增加宽带和实现器件集成的小型化。
先进封装中的TSV技术应用其次，我们来讲一下TSV和先进封装的关系：我们首先要明确的是：TSV实质上并不能说是一种封装技术方案，它只是一种先进封装工艺中的重要一环。
由于TSV的诞生，半导体裸片和晶圆可以实现以较高的密度互连堆叠在一起，这也成为了先进封装技术的标志之一。
TSVconnectionsHybrid Memory Cube那么，TSV对于先进封装到底意味着什么：在此之前，芯片之间的大多数连接都是水平的。
这意味着板上芯片与芯片之间将散布在板上，整体的占用空间将随着具体功能的叠加而指数性增大。
3D封装与硅通孔（TSV）技术
3D封装与硅通孔（TSV）技术周健;周绍华【摘要】随着对芯片集成度以及对电性能要求越来越高，近些年来3D封装发展迅速。
其中硅通孔技术（TSV）被认为是实现3D封装的最好选择之一。
因此TSV 工艺逐渐成为微电子领域的热门话题之一，并且促进着微电子行业进一步向前发展。
本文分析了硅通孔技术的优点以及挑战，同时也简单介绍了硅通孔技术的应用。
【期刊名称】《中国新技术新产品》【年(卷),期】2015(000)024【总页数】1页(P13-13)【关键词】硅通孔;三维封装;TSV技术展望【作者】周健;周绍华【作者单位】合肥工业大学，安徽合肥 230009;合肥工业大学，安徽合肥230009【正文语种】中文【中图分类】TN605随着对具有更小外形的先进电子产品的需求不断增长，对优越性能和更低的总体成本的追求推动着半导体行业发展创新，涌现了一系列先进封装技术。
相对于其他各类封装技术，3D封装技术具有良好的电学性能以及较高的可靠性，同时它能实现较高的封装密度，因此目前3D封装技术被广泛应用于各种高速电路以及小型化系统中。
有很多种方式能实现芯片间的互连，一般来说，通常采用引线键合或者倒装芯片焊接将硅圆片集成在一起，如上图所示。
目前，主流的三维封装一般利用硅通孔技术来实现。
硅通孔技术通过在硅圆片上制作出一定布线排序的垂直互连孔，在孔中淀积通孔材料，实现不同芯片层之间的电互连，从而保证了芯片间具有较短的互连线，因此可以获得更好的电性能以及更小的信号延迟。
1 TSV简介区别于传统的芯片封装技术，硅通孔技术在三维层面实现芯片间的电互连，封装密度大大提高，而垂直的互连线也改善了芯片间的信号传输速度，同时在硅通孔技术保证了对电路板空间的集约化利用，降低了芯片的功耗。
另外，一些大型的IDM制造商如IBM和Intel都预测硅通孔技术是微电子制造行业最有前途的技术之一，并且已经开始着手商业化这一技术。
TSV技术的发现得益于印刷电路板（PCB）多层化这一设计思路，它使得多芯片之间实现短垂直互连，取代在2D封装中的长引线互连，因而可以提高性能和减少时间延迟。
三维集成电路(3D IC)中硅通孔(TSV)链路的多场分析
三维集成电路（3D IC）中硅通孔（TSV）链路的多场分析三维集成电路（3D IC）中硅通孔（TSV）链路的多场分析引言：随着电子技术的不断发展，集成电路的功能越来越复杂，对于电路板的布局和连接的要求也越来越高。
传统的2D集成电路已经面临着功耗、散热和信号传输等问题，为了克服这些问题，人们提出了3D集成电路（3D IC）的概念。
3D IC通过垂直堆叠多层芯片来实现更高的集成度和性能。
而硅通孔（TSV）链路作为3D IC中芯片间的关键连接组件，受到了广泛关注。
本文将对TSV链路进行多场分析，探讨其在3D IC中的性能和优化方法。
1. TSV链路的结构与工作原理TSV链路是一种通过在不同芯片间钻孔并填充导电材料的技术，用于实现芯片间的电信号传输和能量供应。
典型的TSV链路结构包括导电填充物、绝缘层以及TSV孔的孔壁。
TSV链路的工作原理是通过导电填充物提供电信号和能量传输的路径，而绝缘层则用于隔离相邻的TSV链路。
2. TSV链路的挑战与问题尽管TSV链路在3D IC中起到了关键的作用，但是它也带来了一些挑战与问题。
首先，TSV孔的填充过程需要解决填充物与孔壁之间的黏附性和填充度的问题。
其次，在高频电信号传输方面，TSV链路可能会引起信号的损耗和噪声，从而影响系统性能。
另外，由于3D IC中芯片的堆叠密度较高，TSV链路的散热问题也不可忽视。
3. TSV链路的多场分析方法为了解决上述问题，人们利用电磁场理论、热传导理论和机械力学理论等多场分析方法对TSV链路进行研究。
在电磁场方面，可以通过研究TSV链路的等效电路模型和传输线理论来分析电信号的传输损失和噪声问题。
在热传导方面，可以通过模拟TSV链路的热传导路径和热源来分析散热性能。
在机械力学方面，可以分析TSV链路在机械应力下的稳定性和可靠性。
4. TSV链路的优化方法为了提高TSV链路的性能，人们提出了一系列的优化方法。
例如，在TSV孔填充过程中可以选择合适的填充材料和填充工艺，以提高填充度和黏附性。
集成电路封装材料-硅通孔相关材料
6.1.3 发展现状及趋势
比如，WLCSP图像传感器封装，要求沉积温度低于200 oC。低温下高 台阶覆盖率绝缘层主要通过TEOS源氧化硅CVD或聚合物材料CVD获得。 使用TEOS源，可以在深宽比达到10:1的孔内，在200 oC以内的温度下， 获得超过15%的台阶覆盖率。 国内TSV-CIS封装，采用聚合物材料作为绝缘层。在高深宽比的TSVCIS封装集成技术中，聚合物绝缘层工艺受到限制，要采用TEOSPECVD方法沉积氧化硅来制造绝缘层，该技术方案处于研发阶段，没 有得到大规模量产。
图6-1 不同元器件在三维方向上基于TSV的堆叠集成
TSV技术涉及的材料：除打孔的硅基体材料和填孔材料等关键主材料外， 在工艺过程中还包含绝缘层、黏附层和种子层材料等相关材料。
图6-2 TSV各层结构示意图
目录
6.1 绝缘层 6.2 黏附层和种子层
6.1 绝缘层
6.1.1 绝缘层在先进封装中的应用 6.1.2 绝缘层材料类别和材料特性 6.1.3 发展现状及趋势 6.1.4 新技术与材料发展ຫໍສະໝຸດ 6.1.4 新技术与材料发展
新型沉积技术 1）高分子聚合气相沉积技术PVPD 将CVD应用于聚合反应是一种新的聚合方法，称为气相沉积聚合。与传统高分子薄膜制 造方法（如湿法工艺）相比优点： （1）不含溶剂、添加剂、引发剂等，纯度高，对衬底不产生损伤。 （2）可以控制薄膜厚度，通过选择适当的沉积速率和时间，可得到所需厚度。 （3）薄膜质量好，膜厚均匀，表面光滑无针孔，且可以沉积在不同形状的表面上，保 形性好。 （4）聚合与成膜工艺合二为一，简化了制造流程。
6.1.3 发展现状及趋势
旋涂工艺相比CVD和喷涂工艺，具有设备成本低等显著优势，但加工超过 5:1深宽比的TSV时具有较大挑战。开发具有旋涂工艺的聚合物材料成为 关键研究方向。 聚合物材料具备低触变性、防流动性和保形涂覆等特点。可围绕材料主体 树脂、功能性纳米填料及关键助剂等展开研究。 中科院深圳先进技术研究所相继推出2:1和3:1适用于旋涂工艺的聚合物材 料，研究5:1。
TSV可靠性综述
0引言三维集成封装技术被公认为是超越摩尔定律的第四代封装技术。
硅通孔(Through Silicon Via ,TSV)技术是三维封装技术的关键[1]。
摩尔定律指出,硅片上的晶体管数量大约每两年翻一番[2]。
然而,由于晶体管的缩放比例和漏电的限制[3],摩尔定律不能永远持续下去。
随着晶体管尺寸越来越小,晶体管数量越来越多,晶体管之间的间距也越来越小。
最终会引起量子隧穿效应,电子会在两根金属线之间隧穿,导致短路[4-5]。
因此,存在一个极限,超过这个极限,摩尔定律将失效。
一种实现突破传统摩尔定律的封装摩尔定律被提出,封装摩尔定律是基于三维集成封装技术提出的[6]。
TSV 技术是指在硅片上进行微通孔加工,在硅片内部填充导电材料,通过TSV 技术实现芯片与芯片之间的垂直互连,是三维封装技术的关键技术[7-8]。
与传统的金丝键合相比,TSV 的优点是节省了外部导体所占的三维空间。
TSV 技术可以使微电子芯片封装实现最紧密的连接和最小的三维结构。
此外,由于芯片之间的互连线长度的缩短,大大降低了互连延迟,从而提高了运行速度。
并且由于互连电阻的降低,电路的功耗也大大降低[9]。
TSV 不仅广泛地应用于信息技术,而且在飞机、汽车和生物医学等新领域都得到了广泛的应用,因为三维大规模集成电路具有很多优势,如高性能、低功耗、多功能、小体积[10]。
TSV 是一种颠覆性技术,被认为是实现“超越摩尔定律”的有效途径,在未来主流器件的设计和生产中会得到广泛应用。
1TSV 可靠性概述随着三维集成封装技术的发展,TSV 技术已成为三维堆叠封装中最关键的技术之一。
作为芯片与芯片之间重要的物理连接和电气连接,TSV 的可靠性无疑是决定TSV 可靠性综述王硕1,马奎1,2,杨发顺1,2(1.贵州大学大数据与信息工程学院,贵州贵阳550025;2.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心,贵州贵阳550025)摘要:对硅通孔(Through Silicon Via ,TSV)技术的可靠性进行了综述,主要分为三个方面:热应力,工艺和压阻效应。
TSV技术的发展
ＴＳＶ技术的发展、挑战和展望，3D IC 技术的一体化、3D硅技术的一体化摘要：3D集成技术包括3D IC集成，3D IC封装和3D 硅集成技术。
这三者是不同的技术，并且硅通孔技术将3D IC封装技术与3D IC集成技术、3D IC硅集成技术区分开来，因为后二者使用了该技术而3D IC封装没有。
硅通孔技术（TSV）是3D IC集成技术、3D 硅集成技术的核心。
也是研究的热点。
3D集成技术起源于当代，当然，3D IC/硅集成技术的革新、挑战与展望已是讨论的热点，还有它的蓝图。
最后，通用的、更低能耗的、加强热控制的3D IC集成封装系统相继被提出。
关键词：硅通孔技术，3D IC集成技术，3D 硅集成技术，活泼的、消极的互边导电物，C2W和W2W。
说明：电子产业自从1996年以来已成为世界上最大的产业。
截止2011年底已经创造了一万五千亿美元的价值。
其中电子工业最大的发明便是电子管（1947年），这也使得John Bardeen,Walter Brattain 和William赢得了1956年的诺贝尔物理学奖。
1958年Jack Kilby发明了集成电路（也使他获得了诺贝尔奖），六个月后Robert Noyce(他因在1990年去世而未能与Jack kilby分享诺贝尔奖)首创IC集成技术。
由戈登·摩尔在1965年提出的每二年便要在电路板上将晶体管的数量翻一倍的理论（也叫摩尔定律，为了更低的能耗），在过去的46年中已成为发展微电子产业最有力的指导。
这条定律强调可以通过单片集成系统（SOC）将平面技术和所有功能的集成（在2D层面）放到单片芯片中。
另一方面，这里所有功能的集成能通过3D集成技术例如3D IC封装,3D IC 集成［1］，［2］，［4］-［143］，［168］-［201］和3D 硅集成［1］，［2］，［144］－［167］，［168］－［201］得到实现，这些都会在1、2小节中提及。
硅通孔键合硅片预对准边缘信息采集与处理
硅通孔键合硅片预对准边缘信息采集与处理黄春霞;伊锦旺【摘要】研究硅通孔即TSV (through-silicon vias)键合硅片的预对准边缘信息采集与处理方法;TSV硅片与标准硅片相比,有减薄、键合不同心、边缘毛刺多、存在崩边;缺口被填充、内有鼓胶、镀铜等工艺特点,使得传统基于线阵CCD一维图像采集与处理预对准方法失败;针对TSV硅片的特点,把线阵CCD配合扫描运动采集的一维原始图像集拼接获得二维图像,应用二维图像处理技术提取边缘信息,硅片整周边缘数据用最小二乘圆拟合算法识别出圆心位置,缺口边缘数据用Hough直线变换识别出缺口两条斜边,其交点定位为缺口位置,从而实现TSV硅片的自动预对准;实际测量表明,该方法预对准重复性定位精度小于20 μm、预对准时间少于40 s,满足指标需求,为光刻机能够曝光TSV硅片提供有力支持.【期刊名称】《计算机测量与控制》【年(卷),期】2018(026)009【总页数】5页(P205-209)【关键词】硅通孔技术;预对准;最小二乘圆拟合;霍夫直线变换【作者】黄春霞;伊锦旺【作者单位】厦门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室,福建厦门 361024;厦门理工学院福建省光电技术与器件重点实验室,福建厦门 361024【正文语种】中文【中图分类】TP230 引言光刻机，当芯片光刻特征线宽从微米级发展到纳米级时，对各个分系统的要求到了非常苛刻的地步，使原来近乎独立的硅片传输系统直接参与到整机中来，它的传输结果直接影响整机精度和生产效率。
在硅片传输过程中，机械手从片盒取出的硅片存在±2mm范围的随机偏心以及随机缺口方向，在工程中要从毫米级一次对准到纳米的精度是非常困难的，目前普遍采用的方法是硅片在传送到工件台曝光之前要先进行微米级的预对准，来保证纳米级精对准的实现。
硅片预对准平台是保证硅片传输精度的关键部件，其所要做的就是识别出硅片圆心、缺口位置，使硅片圆心移动到指定位置，缺口转动到指定方向［1］。
详解TSV(硅通孔技术)封装技术
详解TSV（硅通孔技术）封装技术硅通孔技术（Through Silicon Via，TSV）技术是一项高密度封装技术，正在逐渐取代目前工艺比较成熟的引线键合技术，被认为是第四代封装技术。
TSV 技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互连。
硅通孔技术可以通过垂直互连减小互联长度，减小信号延迟，降低电容/ 电感，实现芯片间的低功耗，高速通讯，增加宽带和实现器件集成的小型化。
基于TSV 技术的3D 封装主要有以下几个方面优势：1）更好的电气互连性能，2）更宽的带宽，3）更高的互连密度，4）更低的功耗，5）更小的尺寸，6）更轻的质量。
TSV 工艺主要包括深硅刻蚀形成微孔，绝缘层/阻挡层/种子层的沉积，深孔填充，化学机械抛光，减薄、pad 的制备及再分布线制备等工艺技术。
主要工艺包括几个部分：（1）通孔的形成；（2）绝缘层、阻挡层和种子层的淀积；（3）铜的填充（电镀）、去除和再分布引线（RDL）电镀；（4）晶圆减薄；（5）晶圆／芯片对准、键合与切片。
TSV 深孔的填充技术是3D 集成的关键技术，也是难度较大的一个环节，TSV 填充效果直接关系到集成技术的可靠性和良率等问题，而高的可靠性和良率对于3D TSV 堆叠集成实用化是至关重要的。
另外一个方面为在基片减薄过程中保持良好的完整性，避免裂纹扩展是TSV 工艺过程中的另一个难点。
目前主要的技术难点分为几个方面：（1）通孔的刻蚀激光刻蚀、深反应离子刻蚀；（2）通孔的填充材料（多晶硅、铜、钨和高分子导体等）和技术（电镀、化学气相沉积、高分子涂布等）；（3）工艺流程先通孔或后通孔技术；（4）堆叠形式晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片；（5）键合方式直接Cu-Cu 键合、粘接、直接熔合、焊接和混合等；（6）超薄晶圆的处理是否使用载体。
目前，3D-TSV 系统封装技术主要应用于表1 TSV 三维封装应用领域经过数年研发，目前形成具有高良率、不同深宽比结构、高密度微孔、高导通率的3D 封装硅基转接板，可以广泛应用于射频、存储等芯片的三维封装领域。
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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评卷人签名项注意事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2SiO)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 dimensionsTSV（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 patentsTSV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图5 制作硅通孔的基本流程图Fig 5 The basic flow chart of making silicon through holeTSV技术不仅可以连接两块芯片内的不同核心，还能将处理器和内存不同部件连在一起，并通过大户签个微小的连线传输数据，比如在硅锗芯中，通过钻出许多细微的孔洞并以钨材料填充。
就能够得到TSV。
相比之下目前的芯片大多使用总线（BUS）通道传输数据，容易造成堵塞、影响效率。
更加节能也是TSV的特色之一。
据称，TSV可以将硅锗芯片的功耗降低大约40%。