制作硅通孔是必要但極具挑戰(zhàn)的難題。

硅通孔（TSV）為高帶寬內(nèi)存堆棧中的 DRAM 裸片、硅中介層以及新興 3D 芯片堆棧提供關(guān)鍵互聯(lián)。但隨著 TSV 尺寸不斷微縮，其制造成本急劇上升，且更容易出現(xiàn)缺陷。

TSV 是集成 MEMS、射頻、模擬 IC、GPU 等芯片的必備技術(shù)。它能提升單裸片性能，作為高頻電信號的垂直傳輸線，優(yōu)化多裸片系統(tǒng)表現(xiàn)。但隨著器件密度提升，TSV 密度也隨之增加，進而要求通孔間距更小、TSV 尺寸與微凸點更小。這會引發(fā)信號完整性問題，需要全新屏蔽方案，并加速向混合鍵合過渡。

目前，全球僅有少數(shù)企業(yè)具備先進封裝與組裝能力。AI 熱潮導(dǎo)致 HBM（及其他主流存儲）缺貨，可生產(chǎn)搭載 TSV 的 2.5D/3D 系統(tǒng)的先進封裝產(chǎn)能，遠跟不上需求爆發(fā)式增長。

TSV 可在制造流程的先、中、后三個階段制作，這通常決定了由誰整合工藝。例如，日月光、安靠等 OSAT 廠商通常采用TSV 后制程（露孔工藝）；臺積電、三星等晶圓廠則采用TSV 先制程與中制程；英特爾代工服務(wù)則在中介層與嵌入式芯片平臺均支持 TSV 集成。

TSV 的尺寸跨度極大：

• 2nm 及以下工藝使用nanoTSV（＜100nm），為晶體管供電軌提供更高效供電。

• 硅中介層中的 TSV 直徑可達5–20μm，深度80–120μm，貫穿減薄后的硅片，通過焊球連接上方芯片或下方 PCB。

TSV 對機械應(yīng)力敏感，需要設(shè)置禁布區(qū)（keep-out zones） 限制通孔間距。高深寬比結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生空洞、接縫等缺陷，需要優(yōu)化刻蝕與電鍍工藝以保證良率與長期可靠性。

下文將解析 TSV 制造為何如此困難，以及如何降低成本。

TSV：特殊的銅互聯(lián)

TSV 技術(shù)起源于約 20 年前，東芝率先將其用于 CMOS 圖像傳感器，爾必達將其用于手機 DRAM。相比傳統(tǒng)引線鍵合與倒裝凸點，TSV 連接更優(yōu)，且屬于芯片級封裝延伸，不會增大封裝體積。

TSV 逐步應(yīng)用于 CMOS 圖像傳感器、FPGA、HBM 堆棧、傳感器、MEMS / 邏輯、射頻模塊、緩存 / 處理器堆棧，并即將用于光子 IC 與電子 IC 互聯(lián)。

HBM 是最受關(guān)注的 TSV 應(yīng)用場景，美光、SK 海力士、三星均在內(nèi)部完成 TSV 制程。HBM 內(nèi)部 TSV 直徑通常2–5μm，深度30–60μm，采用TSV 中制程（前道器件后制作通孔），在密度、成本、熱約束間取得最佳平衡。TSV 呈規(guī)則陣列排布，避開模擬與高應(yīng)力區(qū)域。

硅中介層同時通過 TSV 實現(xiàn)垂直連接，通過重布線層（RDL）實現(xiàn)水平連接。其中 TSV 尺寸大于 HBM，直徑5–20μm、深度80–120μm，成簇分布在微凸點陣列下方、布線通道、裸片邊緣與供電區(qū)域。晶圓廠負責(zé)硅中介層制造，少數(shù)專業(yè)廠商提供中介層服務(wù)，但具備先進能力的極少。AI 擴張帶來的壓力正沖擊整條供應(yīng)鏈，并將推動未來變革。

TSV 制造流程

TSV 制造每一步都至關(guān)重要，其中幾項挑戰(zhàn)尤為突出：

1. 刻蝕：尺寸微縮使深孔底部殘留物更難清除，同時要保持近乎垂直的輪廓。輪廓決定氧化襯層、阻擋層、銅種子層的附著與共形性，頂部收口會形成空洞，威脅可靠性。

2. 銅電鍍：理想為自下而上填充，需要精準控制藥液。

3. 化學(xué)機械拋光（CMP）：去除頂部多余銅。

4. TSV 露孔：最關(guān)鍵的最后一步。晶圓臨時鍵合在載體上后，經(jīng)粗磨、中磨、精磨，再用 CMP 接近通孔，最終通過等離子刻蝕露出 TSV。

安靠高級 3D 產(chǎn)品總監(jiān)里克?里德表示：干法刻蝕對硅片損傷小，晶圓在刻蝕前已打磨至鏡面，保障表面質(zhì)量。

精準的 TSV 露孔流程包括：

• 標定博世刻蝕形成的 TSV 深度

• 均勻涂布鍵合膠與解離層，烘烤固化后鍵合

• 背面減薄至 TSV 底部數(shù)微米內(nèi)

• 多階段 CMP

• 等離子刻蝕露出 TSV

• 沉積氮化硅拋光停止層

• 沉積厚二氧化硅

• CMP 至 TSV 露出

露孔后，TSV 仍由氧化襯層保護，避免金屬接觸空氣。隨后沉積氮化硅鈍化，再覆蓋厚氧化層，經(jīng) CMP 后露出與鈍化層共平面的銅 TSV，形成可加工的平坦表面。

晶圓減薄優(yōu)化中，臨時鍵合材料選擇至關(guān)重要，需考慮熱預(yù)算、解離方式、與薄膜兼容性。前沿技術(shù)傾向機械與激光解離。

減薄的關(guān)鍵指標是總厚度變化（TTV），低于 5% 對堆疊與陣列至關(guān)重要，超標會導(dǎo)致鍵合不均、黏附失效或分層。

詳細制程步驟

1. 圖形化與刻蝕圓柱形深孔

2. 博世深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）形成各向異性溝槽

3. PECVD 沉積氧化硅襯層，防止銅污染硅片

4. PVD/ALD 沉積 TaN/TiN 阻擋層

5. 沉積銅種子層

6. 電化學(xué)沉積（ECD）銅，無空洞填充

7. CMP 拋平頂部多余銅

8. 沉積焊球或重布線層

   缺陷防控

高寬比（＞10:1）TSV 易出現(xiàn)兩類缺陷：

• TSV 頂部損傷

• 側(cè)壁條紋

這會降低金屬填充質(zhì)量與電學(xué)性能。泛林研究表明，縮短預(yù)涂層時間、降低偏壓可消除頂部損傷；低壓、高壓強可抑制側(cè)壁條紋。

電鍍后銅空洞會導(dǎo)致電阻升高、機械強度下降甚至失效。其他常見缺陷：圖形對準偏差、沉積不均、填充不完整，均影響性能與可靠性。

邊緣缺陷是晶圓減薄最受關(guān)注的問題，微小缺陷即可導(dǎo)致晶圓斷裂。

應(yīng)力管理

硅（2.8 ppm/°C）與銅（17 ppm/°C）熱膨脹系數(shù)失配會產(chǎn)生機械應(yīng)力。工程師通過仿真建模、拉曼光譜、X 射線衍射、有限元分析（FEA）評估應(yīng)力分布，設(shè)置禁布區(qū)避免影響有源器件。

設(shè)計軟件需集成應(yīng)力與熱仿真，多芯片模塊需經(jīng)過嚴格應(yīng)力與疲勞測試。

納米 TSV（nanoTSV）

三大晶圓廠（英特爾、臺積電、三星）正為 2nm 及以下工藝研發(fā)背面供電架構(gòu)，將供電與信號線分離，可降低30% 功耗，減少電壓跌落與 RC 延遲，釋放正面布線資源，節(jié)省光刻成本。

背面供電有三種技術(shù)路線，復(fù)雜度逐級提升：

1. 最激進：器件制作前在環(huán)繞柵極間制作 nanoTSV

2. 中等：電源通孔連接背面供電網(wǎng)絡(luò)與正面接觸層

3. 最保守：供電線跨已制成器件

最大挑戰(zhàn)是背面與正面圖形互聯(lián)的套準精度。比利時微電子研究中心（Imec）提出自對準狹縫 nanoTSV 方案，實現(xiàn)約 100nm 套準裕度，可避免高階光刻校正，降低成本。

結(jié)論

HBM 廠商、頭部晶圓廠與 OSAT 均在芯片與模組生產(chǎn)的不同階段提供 TSV 制造能力。隨著 HBM 中 DRAM 晶圓持續(xù)減薄，需要更多、更小的 TSV 支撐存儲單元增長。

硅中介層 TSV 布局更靈活，以連接為目標，可加入虛擬 TSV 平衡應(yīng)力。

nanoTSV 則為背面供電提供前后側(cè)關(guān)鍵互聯(lián)。

無論尺寸與應(yīng)用如何，TSV 將長期存在，工程師正持續(xù)探索更具成本效益的制造方案。