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。
