
一、核心概念与作用
1、2.5D集成中的定位
在CoWoS为代表的2.5D集成方案中,逻辑芯片与HBM并排安装在硅转接板上,硅通孔(TSV)是将信号与电源从转接板引向封装基板的垂直导电通道。
2、硅转接板本质
不含晶体管的无源硅片,可理解为用晶圆工艺制造的“超高密度电路板”:
(1)正面:通过再布线层(RDL)实现芯片间细线宽互连,经微凸点与上方芯片连接。
(2)背面:通过C4凸点焊接到封装基板。
(3)垂直连接:由成千上万个TSV贯通正反两面。
3、TSV典型参数
直径10–20µm,深度约100µm,深宽比约10:1。
二、工艺流程总览
TSV制作先于正面RDL开展,初始为硅体内的盲孔结构,最终通过背面减薄工序实现通孔贯通。全流程包含8个核心步骤,各环节的方法与控制要点如下:
1、深孔刻蚀:采用深反应离子刻蚀(DRIE)中的Bosch工艺,以SF₆/C₄F₈为刻蚀气体,核心控制点为深宽比控制与侧壁扇贝纹形貌控制。
2、绝缘衬层沉积:通过PECVD或SACVD工艺沉积二氧化硅绝缘层,核心控制点为孔底覆盖完整性与绝缘耐压性能。
3、阻挡层与种子层沉积:采用物理气相沉积(PVD)制备Ta/TaN(或Ti/TiN)阻挡层,以及铜种子层,核心控制点为高深宽比结构下的台阶覆盖率。
4、电镀铜填充:采用电化学沉积(ECD)工艺,使用含添加剂的硫酸铜镀液进行填充,核心控制点为实现无空洞的自底向上填充。
5、退火与平坦化:通过退火炉完成铜晶粒退火,再经化学机械抛光(CMP)实现表面平整,核心控制点为控制铜凸出与碟形凹陷缺陷。
6、正面互连:完成再布线层(RDL)制作与微凸点制备,核心控制点为线宽/线距精度、凸点高度一致性。
7、背面减薄与TSV露头:通过研磨、抛光与硅选择性刻蚀完成背面减薄,核心控制点为厚度均匀性、铜柱露出高度一致性。
8、背面钝化与凸点制备:完成钝化层沉积、背面布线与C4凸点制作,核心控制点为凸点共面性。
三、关键工序详解
(一)深孔刻蚀:Bosch工艺
采用“刻蚀 - 钝化交替循环”的策略,实现高深宽比刻蚀:
1、用SF₆等离子体刻蚀硅材料。
2、通入C₄F₈,在孔壁沉积聚四氟乙烯类钝化膜。
3、下一轮刻蚀中,定向离子轰击优先去除孔底钝化膜,侧壁受保护保留。
4、单循环仅数秒,循环数百次可实现深宽比30:1以上的深孔。
副作用与权衡:侧壁会形成周期性扇贝纹(起伏幅度100–500nm),会削弱后续膜层的连续性;缩短循环时间可减小起伏,但刻蚀速率会同步下降。
(二)孔壁三层薄膜沉积
刻蚀完成后,孔壁需依次沉积三层功能膜,核心难点是高深宽比下的台阶覆盖率:
1、绝缘衬层:SiO₂材质,实现铜填充柱与硅衬底的电学隔离。
2、阻挡层:Ta/TaN或Ti/TiN材质,阻止铜原子扩散进入硅基体。
3、铜种子层:PVD沉积铜薄膜,为后续电镀提供导电起始层。
种子层若不连续,电镀过程中会在孔内形成空洞缺陷。
(三)电镀铜填充:自底向上填充
1、原理:电化学沉积(ECD),晶圆作为阴极浸入硫酸铜镀液,Cu²⁺在种子层表面得到电子还原为金属铜。
2、核心风险:孔口沉积速率快于孔底时,孔口提前闭合,内部形成空洞或缝隙。
3、工业解决方案:通过镀液添加剂体系协同实现自底向上填充:
(1)抑制剂:吸附在孔口与晶圆表面,抑制表层沉积速率。
(2)加速剂:在孔底富集,提升孔底沉积速率。
(3)整平剂:抑制局部过快生长,保证表面平整。
(4)氯离子辅助调控各添加剂作用。
4、效果对比:无添加剂时填充率仅46.8%,配方优化后可实现100%无空洞填充。
(四)退火与化学机械抛光(CMP)
1、流程:先退火处理,再通过CMP依次去除表面铜覆盖层与阻挡层,得到平整表面。
2、退火前置的核心原因:铜与硅热膨胀系数(CTE)差异极大(铜约16.5ppm/°C,硅约2.6ppm/°C);后续高温工序中,孔内铜受热膨胀会被挤出孔口形成铜凸出,可能顶裂上方介质层;预先退火可在平坦化前释放大部分不可逆变形。
3、衍生影响:热应力会改变周边硅中晶体管的性能,因此有源芯片需在TSV周围设置禁布区(KOZ);无源硅转接板对该效应相对不敏感。
(五)背面减薄与TSV露头
1、背景:正面工艺全部完成后,TSV仍是埋在硅体内的盲孔。
2、典型实现路径:
(1)CoWoS-S流程:先将测试合格的芯片键合到转接板晶圆正面,以芯片为支撑进行背面减薄。
(2)通用方案:通过临时键合将晶圆固定在载片上完成减薄。
3、工艺目标:减薄至约100µm厚度,使TSV底部露出(即TSV露头);后续依次完成背面钝化、布线、C4凸点制备,最终切割成单颗封装。
4、关键控制指标:减薄厚度均匀性,直接决定所有TSV露出高度的一致性。
四、核心总结
TSV工艺可概括为五步核心动作:挖深井(深孔刻蚀)、穿衣服(三层膜沉积)、灌铜水(电镀填充)、磨平面(退火 + CMP)、开井底(背面减薄露头)。
全流程的核心矛盾源于高深宽比要求:刻蚀需保证侧壁垂直度,镀膜需保证连续性,填充需杜绝空洞;同时铜与硅的热膨胀系数差异贯穿全流程,是影响TSV良率与长期可靠性的核心因素。














