硅通孔发展现状讲解

硅通孔（TSV）技术的发展现状
激光刻蚀是选择一种单频率或多频率的光波，利用高能量的激光束进行刻蚀 钻孔，是近年来发展起来的一项新技术。 如下图所示。该芯片由8张晶圆叠层而成，芯片厚度仅为560um。 三星公司宣称TSV的制作是由激光钻孔完成。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
2010 年12月，应用材料公司发布了基于 Applied Centura Silvia 刻蚀系 2012年3月，中微半导体设备公司 2012年10月，新设备Primo SSC 统的 最新硅通孔刻蚀技术。新的等离子源可将硅刻蚀速率提高 40%，快速 生产的 8英寸硅通孔（TSV）刻蚀设备 AD-RIE（“单反应器甚高频去耦合反 形成平滑、垂直且具有高深宽比的通孔结构。新系统首次将每片硅片的通 Primo TSV200E具有极高的生产率，它 应离子介质刻蚀机”）是中微公司用 孔刻蚀成本降低到 10美元以下，同时保持系统标志性的精确轮廓控制和平 拥有双反应台的反应器，最多可以同时 于流程前端（FEOL）及后端（BEOL） 加工两个晶圆片。此刻蚀设备的单位投 关键刻蚀应用的第二代电介质刻蚀设备， 滑垂直的通孔侧壁。
带来的应力进行了解析法分析，得出随着镀铜层的减薄，硅中径向正应力和环向正应
力均减小，铜中径向正应力减小，而环向正应力始终大于完全填充铜情况，因此应综 合各方面因素谨慎选择合理的镀铜厚度。（安 彤，秦 飞，武 伟，于大全，万里兮， 王 珺，《TSV 转接板硅通孔的热应力分析》，2013 年 7 月。）
TSV成为目前电子封装技术中 最引人注目的一种技术。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
TSV互连尚待解决的关键 技术难题和挑战： •通孔的刻蚀 •通孔的填充 •通孔的工艺流程（先通孔和 后通孔） •晶圆减薄 •堆叠形式 •键合方式 •通孔热应力 减薄（thinning）、键合（bonding）、孔的形
硅通孔技术中孔的形成通常是由刻蚀工艺来完成。孔质量的好坏直接决 定了封装的效果。 半导体行业中大量使用刻蚀技术来制作集成电路，目前己经发展了诸多 刻蚀技术，比如：湿法刻蚀，干法刻蚀，深反应离子刻蚀，激光刻蚀。
反应离子刻蚀(RIE, Reactive Ion Etching) 工艺，是通过活性离子对衬底的物理轰击和化 学反应双重作用的一种刻蚀方式，同时兼有各 向异性和选择性好的优点。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔填充材料的应力分析
完全填充 Cu的可能出现失效区域 均集中在 Cu 材料与其它材料端部界面 处，热应力将超过铜的屈服强度，出现 屈服变形 . 而在填充聚合物 TSV 结构中，Cu 层在 Polymer/Cu 界面中间区域也将出 现塑性变形 . 综合考虑，完全填充Cu的TSV可靠 性更好。
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 术以及静电保护等。
和通孔结构整体缩小的条件下，铜互连中心和顶部界面处均出现显著的尺寸效应，
即在互连尺寸接近亚微米时，热应力随着半径减小而急剧增加的现象。 (徐 成,《硅 通孔互连热应力的数值模拟及仿真试验设计》， 2012 年 5 月)
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔技术在各公司发展现状：
2010年半导体龙头大厂联华电子，尔必达，力成科技宣布共同开发硅 通孔（TSV）3D IC制造。 2011年三星电子宣布推出一款全新的单条8GB容量DDR3 RDIMM 服务 器专用内存，这款产品率先采用三维芯片堆叠技术TSV，而且这款产品已经 成功通过客户的测试。通过三维TSV封装技术，这类8GB RDIMM内存可以 比传统产品节省40％的能耗，而且利用这种技术，可以大幅度提升内存芯片 的容量密度，正如这次采用的Green DDR3 DRAM芯片一样，它的密度提升 有望突破50％。TSV是解决服务器既需要大容量内存。 2011高通已经设计出一款28nmTSV元件的原型.
成（TSV Formation）、填孔材料（via filing） 和工艺都是目前工艺研究的主要热点。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
通孔的刻蚀技术
目 录
通孔的材料填充技术
通孔热应力分析
硅通孔（TSV）技术的发展现状
通孔制造技术——刻蚀
2011东电电子(TEL)一举投产了5款用于三维封装的TSV(硅通孔，through siliconvia)制造装置，投产的5款三维TSV装置分别是硅深刻蚀装置、聚酰亚胺 成膜装置以及3款晶圆键合关联装置。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔热应力分析
微系统封装中，封装后产品的可靠性是其关键考核因素。而对于三 维封装硅通孔技术，工艺过程中应力直接影响产品寿命，硅通孔的填充
材料以及硅通孔相邻材料的热不匹配性等都会造成通孔上的热应力，导
致通孔界面的开裂、分层现象、失效等情况。因此，对硅通孔应力的分 析，可以有效的提高产品的可靠性。
资产出率比市场上其他同类设备提高了 主要用于22纳米及以下的芯片刻蚀加工。 30%。（如下图） （如下图）
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔 填充技术
填充材料
填充方法
•硅通孔填充材料：铜，多晶硅，钨。主要是铜。 •目前影响铜填充的主要问题包括：硅通孔内侧壁种子层的覆盖、硅通孔内 主要的填充方法：电镀 气泡的排除、电镀液质量以及电镀电流密度等. 化学气相沉积 高分子涂布 2010诺发系统宣布开发出一套全新先进的铜阻障底层物理气相沉积（ PVD）制程， 其将用于新兴的贯穿硅晶硅通孔（TSV）封装市场，该制程使用诺发INOVA平台，并 搭配特有的中空阴极电磁管（HCM）技术制造出高贴附性的铜底层，该HCMTSV制程 提供卓越的侧壁及底部覆盖，能使后续的TSV电镀达成无洞填铜。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔相邻材料界面的力学分析 完全粘接界面模型有限元分析 完全粘接界面：理想界面 ，面上的面力和位移都连续 。
可以看到通孔边界上应力明显大于通孔内部应力，每个扇贝形小弧段 边界的下部分应力较大，在每个扇贝形状的末端部位会发生塑性应变。 刻蚀后的扇贝形通孔界面 单个孔分析
Cu电镀填充工艺流程
硅通孔（TSV）技术的发展现状
2011年,飞利浦公司研发人员利用自制电镀药水实现了三维互连中宽5 um, 深宽比为8的TSV铜柱无空洞填充,效果良好。 2012年, 电化学协会D.Josell等人针对其实验室研究人员在仅含抑制剂的 条件下实现TSV‘U’型自底向上的电镀铜填充情况,建立了 TSV电镀铜仿真模型 。
硅通孔技术（TSV）的发展现状
汇报人：张恒 组员：杨祖华，韦启钦，韦华宏 赵必鑫，吴天宇，徐宇丰，肖瑶 。
TSV专利技术的发展态势
2007 年至2012年，TSV 专利数量持 续稳步增长，TSV 越来越受到关注。
注：美国（US） 、中国（CN）、中国 台湾（TW） 、韩国（KR）、日本（JP） 、欧洲联盟（EP） 、新加坡（SG）、德 国（DE）、英国（GB）。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
上海交通大学学者用常用材料的组合进行了仿真分析, 发现以二氧化硅为隔离层， 钨为填充金属，锡为键合层的模型具有最理想的热应力特性，铜、ＡＢＦ以及锡的组 合也表现出良好的热应力特性。( 袁琰红，高立明，吴昊,李明《硅通孔尺寸与材料对 热应力的影响》２０１３年４月) 中国科学院微电子研究所学者，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院 及复旦大学材料系学者共同对硅通孔全部填充Cu（圆柱）和部分填充Cu（圆柱环）
硅通孔（TSV）技术的发展趋势
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将由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，将由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，将由2007年的4.0um缩小至2015年的1.6um。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
2011年台积电(TSMC)该年度在VL—SISymposium上报告已建构出 一种更好的TSV介电质衬底(dielectricliner)。工程师展示了高度深宽比 (aspectratios)为10：l的试制过孔，并减轻了外部铜材料挤压过孔的问题。 2012年联华电子与新加坡科技研究局旗下的微电子研究院宣布，合 作进行应用在背面照度式CMOS影像感测器的TSV技术开发。通过这项 技术，包括智能手机、数码相机与个人平板电脑等移动电子产品，里面 所采用的数百万像素影像感测器，都可大幅提升产品效能、降低成本、 减少体积。 2012年东芝的TSV相机模块已用在诺基亚的一些最新款手机当中。 图像传感器和微机电系统(MEMS)等应用已率先导入TSV工艺技术。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
硅通孔技术(Through- Silicon Via)：通过在芯片之间、晶圆之 间制作垂直导通，实现芯片之间互连的技术。 优点： 使芯片在z轴方向堆叠的密度最大； 芯片之间的互连线最短； 外形尺寸最小； 并具有缩小封装尺寸； 高频特性出色； 降低芯片功耗； 热膨胀可靠性高等。
硅通孔（TSV）技术的发展现状
上海交通大学学者采用有限元分析单个圆柱型硅通孔和单个圆台型硅通孔应力， 在通孔深度逐渐变大的过程中，圆柱型与圆台型硅通孔的应力变化趋势相反，圆台 型硅通孔更适用于高深宽比，且上下直径差较大的模型中。（袁琰红，《硅通孔三
维封装的热力学分析》，2013年1月）
南昌航空大学学者建立了热力耦合的塑性应变梯度的本构关系，并通过用户子 程序 UMAT嵌入到 ABAQUS 中进行互连结构的热应力分析。得出在不同通孔半径