硅通孔(TSV)工艺学习报告
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
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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
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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
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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
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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。
硅通孔_TSV_转接板微组装技术研究进展_刘晓阳
- 1 -硅通孔（TSV ）转接板微组装技术研究进展*刘晓阳1，刘海燕2，于大全3，吴小龙1，陈文录1（1. 江南计算技术研究所，江苏 无锡 214083；2. 华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，江苏 无锡 214135；3. 中国科学院微电子研究所，北京 100029）摘 要：以硅通孔（TSV ）为核心的三维集成技术是半导体工业界近几年的研发热点，特别是2.5D TSV 转接板技术的出现，为实现低成本小尺寸芯片系统封装替代高成本系统芯片（SoC ）提供了解决方案。
转接板作为中介层，实现芯片和芯片、芯片与基板之间的三维互连，降低了系统芯片制作成本和功耗。
在基于TSV 转接板的三维封装结构中，新型封装结构及封装材料的引入，大尺寸、高功率芯片和小尺寸、细节距微凸点的应用，都为转接板的微组装工艺及其可靠性带来了巨大挑战。
综述了TSV 转接板微组装的研究现状，及在转接板翘曲、芯片与转接板的精确对准、微组装相关材料、工艺选择等方面面临的关键问题和研究进展。
关键词：硅通孔（TSV ）；转接板；微组装技术；基板；2.5D/3D 集成中图分类号：TN305.94 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2015）08-0001-08Development of Micropackage Technology for Through SiliconVia (TSV) InterposerLIU Xiaoyang 1, LIU Haiyan 2, YU Daquan 3, WU Xiaolong 1, CHEN Wenlu 1（1. Jiangnan Institute of Computing Technology , Wuxi 214083, China ;2. National Center for Advanced Packaging , Wuxi 214135, China ;3. Institute of Microelectronics of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100029, China ）Abstract: In recent years, 3D integration technology with the key technology of through silicon via (TSV) has been a research and development hotspot of semiconductor industry. Especially, 2.5D TSV interposer technology has been provided a solution for substituting low cost small size die system package for high cost system on chip (SOC). As the medilayer, interposer achieves 3D interconnection between die to die and die to substrate, and has reduced the cost of system on chip and power consumption. In the structure of 3D package based on TSV interposer, there have been very huge challenges for micropackage technology and reliability of interposer, with new type package structuresand materials introduced, and with large size high power die and small size fine pitch microbumps applied. In the paper, the currently research of TSV interposer micropackage was summarized, including the key questions and development of warpage of interposer, pinpoint between die and interposer, materials of micropackage, and technics choice, etc.Key words: through Silicon via (TSV); interposer; micropackage; substrate; 2.5D/3D integration收稿日期：2015-5-4*基金项目：国家科技重大专项（2011ZX02709-2）；国家自然科学基金（61176098）DOI:10.16257/ki.1681-1070.2015.0080电 子 与 封 装第15卷第8期- 2 -1 引言随着电子产品向小型化、高性能、高可靠等方向发展，系统集成度也日益提高。
tsv的主要工艺步骤及方法
tsv的主要工艺步骤及方法一、制造硅通孔硅通孔（TSV）的制造是TSV技术的核心步骤之一。
在这一步，通过物理或化学方法在芯片上制造出穿透硅片的孔洞，这些孔洞将用于实现芯片间的垂直互连。
有多种方法可以用来制造硅通孔，包括但不限于深反应离子刻蚀（DRIE）、激光钻孔等。
二、填充硅通孔在硅通孔制造完成后，需要对其进行填充，以实现电信号的传输。
填充材料一般选用导电金属，如铜、钨等。
填充硅通孔的方法有化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）和电镀等。
选择合适的填充方法需要根据实际应用需求和工艺条件来决定。
三、连接硅通孔填充完硅通孔后，需要进行硅通孔间的连接，以实现芯片间的互连。
连接方法可以采用焊接、导电胶等。
在连接过程中，需要确保连接稳定可靠，以防止在后续使用中出现脱落或接触不良等问题。
四、测试与验证在完成硅通孔的制造、填充和连接后，需要进行测试与验证，以确保TSV 技术能够满足实际应用需求。
测试内容包括但不限于：导通性能测试、机械性能测试和可靠性测试等。
通过测试与验证，可以及时发现并解决潜在的问题，提高TSV技术的可靠性和稳定性。
五、封装与集成在TSV技术应用中，封装与集成是关键步骤之一。
通过封装与集成，可以将多个芯片垂直堆叠在一起，实现更小体积、更高性能的电子系统。
在封装与集成过程中，需要考虑到散热、信号传输、电源分配等问题，以确保整个系统的稳定运行。
六、可靠性评估TSV技术的可靠性是评估其性能的重要指标之一。
可靠性评估可以通过多种方法来实现，如加速老化试验、环境适应性试验等。
通过可靠性评估，可以了解TSV技术在不同环境和工作条件下的性能表现，为后续改进和优化提供依据。
七、失效分析失效分析是TSV技术中重要的一环，通过对失效样品的检测和分析，可以了解失效的原因和机制，从而提出相应的改进措施。
失效分析方法包括扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）等。
通过失效分析，可以提高TSV技术的可靠性和稳定性，为实际应用提供更加可靠的解决方案。
3D封装与硅通孔TSV工艺技术
TSV技术简介
TSV技术
TSV (through silicon via)穿透硅通孔技术，简称硅通孔技术。TSV是利 用垂直硅通孔完成芯片间互连的方法, 由于连接距离更短、强度更高, 它能 实现更小更薄而性能更好、密度更高、尺寸和重量明显减小的封装, 同时还 能用于异种芯片之间的互连。
图1所示是4层芯片采用载带封装方法 (图 1(a))和采用TSV方法(图1(b)) 封装的外形比较。
一体机示意图(东京精密PG200／300)
芯片减薄
存在的问题：
•机械研磨和化学机械抛光还可能会在硅晶圆表面产生严重的内应力，这些应力 会引发弯曲和翘曲。同时，由于是先用铜将 TSV填满后进行 CMP工艺这样在过 程中铜和硅容易发生扩散而且破坏绝缘层，从而破坏 TSV互连。
•针对以上问题，袁娇娇等人研究通过对硅晶圆进行局部减薄来实现的局部减薄， 即将硅晶圆的大部分减薄 利用没有减薄的部分支撑硅晶圆完成表面微加工工艺 局部减薄是通过对硅晶圆局部刻蚀一定深度以达到局部减薄的目的。
TSV技术简介
1.填埋型3D封装
——在各类基板内或多层布线介质层中“埋置”R、C或IC等元器件，最上 层再贴装SMC/SMD来实现立体封装。
TSV技术简介
2.有源基板型3D封装
——Si圆片规模集成(WLS)后的有源基板上再实行多层布线,最上层再贴装 SMC/SMD。
TSV技术简介
3.叠层型3D封装
芯片减薄
减薄技术面临的首要挑战就是超薄化工艺所要求的<50μm的减薄能力。传
统上，减薄工艺仅仅需要将硅片从晶圆加工完成时的原始厚度减薄到300～ 400μm。在这个厚度上，硅片仍然具有相当的厚度来容忍减薄工程中的磨削 对硅片的损伤及内在应力，同时其刚性也足以使硅片保持原有的平整状态。 另外，随着微电子工业的迅猛发展，圆片直径越来越大，当150mm、 200mm甚至300mm圆片被减薄到150μm以下时，圆片翘曲和边缘损伤问 题变得尤为严重。
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。
半导体tsv工艺
半导体tsv工艺
半导体TSV工艺是一种新型的三维封装技术，它是通过在晶圆上开孔，将芯片内部的电路通过垂直连接器连接到晶圆的另一侧，从而实现芯片内部电路的三维堆叠。
TSV是Through Silicon Via的缩写，意为通过硅通孔。
半导体TSV工艺是一种先进的封装技术，它可以将多个芯片进行堆叠，从而实现更高的性能和更小的封装尺寸。
相比传统的封装技术，半导体TSV工艺具有以下优点：
1.更高的性能：半导体TSV工艺可以将多个芯片堆叠在一起，从而实现更高的性能。
由于芯片之间的距离更近，信号传输速度更快，同时也减少了信号传输的损失。
2.更小的封装尺寸：半导体TSV工艺可以将多个芯片堆叠在一起，从而实现更小的封装尺寸。
这对于移动设备等小型电子产品来说非常有利，可以实现更小巧的设计。
3.更低的功耗：半导体TSV工艺可以实现更短的信号传输路径，从而减少功耗。
这对于需要长时间使用的电子产品来说非常有利。
半导体TSV工艺的制造过程包括以下步骤：
1.晶圆准备：首先需要准备好晶圆，并在晶圆上进行刻蚀和清洗等处理，以便后续的工艺步骤。
2.TSV开孔：在晶圆上开孔，通过硅通孔将芯片内部的电路连接到晶圆的另一侧。
3.金属填充：将金属填充到开孔中，以便后续的连接。
4.封装：将多个芯片堆叠在一起，并进行封装，以保护芯片并提高性能。
半导体TSV工艺是一种非常先进的封装技术，它可以实现更高的性能和更小的封装尺寸。
随着电子产品的不断发展，半导体TSV工艺将会越来越广泛地应用于各种领域。
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。
应用于TGV的ICP玻璃刻蚀工艺研究
书山有路勤为径，学海无涯苦作舟应用于TGV 的ICP 玻璃刻蚀工艺研究玻璃通孔( TGV) 技术被认为是下一代三维集成的关键技术，该技术的核心为深孔形成工艺。
感应耦合等离子体(随着半导体制造工艺向深亚微米及纳米级发展，传统的光刻技术逐渐接近极限，集成电路晶体管数目的增加和特征尺寸的缩小越发缓慢和困难，摩尔定律的延续面临巨大挑战。
同时，传统封装中信号传输距离长带来的互连延迟问题日益严重，难以满足芯片高速和低功耗的要求。
为克服集成电路和传统封装面临的难题，三维集成技术应运而生。
其中硅通孔( Through Silicon Via，TSV) 技术被认为是实现三维集成最有前景的技术。
TSV 技术通过在芯片与芯片、晶圆与晶圆之间制作垂直通孔，实现芯片之间的直接互连。
它能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、芯片间的互连线最短、外形尺寸最小，显著提高芯片速度，降低芯片功耗，因此成为目前电子封装技术中最引人注目的一种技术。
然而，硅是一种半导体材料，TSV 周围的载流子在电场或磁场作用下可以自由移动，对邻近的电路或信号产生影响，影响芯片性能。
玻璃材料没有自由移动的电荷，介电性能优良，热膨胀系数( CTE) 与硅接近，以玻璃替代硅材料的玻璃通孔( Through Glass Via，TGV) 技术可以避免TSV 的问题，是理想的三维集成解决方案。
此外，TGV 技术无需制作绝缘层，降低了工艺复杂度和加工成本。
TGV 及相关技术在光通信、射频、微波、微机电系统、微流体器件和三维集成领域有广泛的应用前景。
TGV 技术面临的关键问题是没有类似硅的Bosch 深刻蚀工艺，难以快速制作高深宽比的玻璃深孔或沟槽。
传统的喷砂法、湿法刻蚀法和激光钻孔法等均存在一定的局限性。
感应耦合等离子体(。
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制作硅通孔需要六个关键的步骤： 1) 通孔的形成（通过深层等离子刻蚀或激光开孔）； 2) 介电层沉积（通过热氧化钝化转接板或等离子体增强化学汽化沉积）； 3) 阻挡层和种子层沉积（通过物理气相沉积）；
页3Biblioteka 4) 通孔填充（电镀铜来填充通孔或化学蒸汽沉积来填充每个小通孔）； 5) 电镀铜残留物的化学机械抛光； 6) 硅通孔显现。
与传统的引线键合互联相比，硅通孔技术有如下优点： 1) 导电好； 2) 功耗低； 3) 带宽广； 4) 密度高；
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5) 外形小； 6) 重量轻； 7) 成本低。
4. 硅通孔的发展历程
硅通孔是50多年前由1956年物理学若贝尔奖得主、晶体管的发明者威廉·肖克利 发 明 。 1958 年 10 月 23 日 ， 威 廉 · 肖 克 利 申 请 了 “ 半 导 体 晶 片 和 制 作 方 法 ” 的 专 利 ， 1962年7月17日，他被授予美国专利（专利号3044909）。
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
目录
1. 引言............................................................................................................................ 2 2. 分类............................................................................................................................ 2 3. 优点............................................................................................................................ 2 4. 硅通孔的发展历程.................................................................................................... 3 5. 工艺流程.................................................................................................................... 3
5.2. 通孔侧壁绝缘层的淀积 .................................................................................... 6 5.3. 粘附层、扩散阻挡层、种子层的淀积 ............................................................ 7 5.4. 电镀铜通孔填充技术 ........................................................................................ 8 5.5. 铜化学机械研磨技术 ........................................................................................ 8 5.6. 晶片减薄 ............................................................................................................ 9 5.7. TSV 键合 ........................................................................................................... 11 6. 最新技术介绍.......................................................................................................... 11 6.1. AquiVia（硅通孔阻挡层湿法沉积技术）...................................................... 11 6.2. 铜芯焊球快速填充硅通孔 .............................................................................. 12 7. 技术难关.................................................................................................................. 14 7.1. TSV 设计应力问题 ........................................................................................... 14 7.2. 堆叠晶片散热问题 .......................................................................................... 15 7.3. 结合 EDA 软件进行 3D IC 设计效率升级 ....................................................... 15 7.4. 可靠度成量产关键 .......................................................................................... 15 8. 应用实例.................................................................................................................. 16 8.1. CMOS 影像感测器 ........................................................................................... 16 8.2. 3D 堆叠记忆体晶片（内存）......................................................................... 16 8.3. 高效能处理器 .................................................................................................. 18 9. 参考文献.................................................................................................................. 19
3. 优点
TSV 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等不同部件连 在一起，并通过数千个微小的连线传输数据，比如在硅锗芯片中，通过钻出许多细微 的孔洞并以钨材料填充，就能得到 TSV。相比之下，目前的芯片大多使用总线通道传输 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 可将硅锗 芯片的功耗降低大约 40％。另外，由于改用垂直方式堆叠成“3D”芯片，TSV 还能大 大节约主板空间。尽管目前也有垂直堆叠芯片，但都是通过总线互连，因此不具备 TSV 的高带宽优势，因为 TSV 是直接连接项部芯片和底部芯片的。
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。
在 80 年代早期，TSV 有两种主要技术。一种是通过 TSV 技术的连接棒将电路板堆 叠起来，即 3D IC 集成；另一种是仅仅用 TSV 技术将晶片堆叠起来，即 3D 硅集成。3D 硅集成技术相较于 3D IC 集成技术，有以下优点： 1) 更好的电气性能； 2) 更低的功耗； 3) 更小的体积； 4) 更轻的质量； 5) 更高的产能。
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1. 引言
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1。
5.1. 通孔的形成 ........................................................................................................ 4 5.1.1. 深反应离子刻蚀......................................................................................... 4 5.1.2. 激光钻孔..................................................................................................... 5