在不同电流密度下的分阶段电沉积实验展示了动态的硅通孔
(TSV) 填充过程。通过控制外加电流密度，可以获得对应于
TSV填充结果的不同形貌。具体来说，低电流密度 (4 mA/
cm 2 ) 会导致接缝缺陷填充，中等电流密度 (7 mA/cm 2 ) 会导
致⽆缺陷填充，⽽⾼电流密度 (10 mA/cm 2 )) 导致空洞缺陷填
充。填充系数分析表明，电流密度对TSV填充模型的影响是
由添加剂和铜离⼦的消耗和扩散的耦合效应触发的。此外，
镀层的形态演变表明局部沉积速率受镀层⼏何特征的影响。
硅通孔 (TSV) 是⼀种很有前途的三维 (3D) 封装技术，具有
⾼性能、减小封装体积、低功耗和多功能等优点。在 TSV ⼯
艺中，通常使用铜电化学沉积 (ECD) 进⾏的通孔填充步骤占
总成本的近 40% 。作为 TSV 的核⼼和关键技术，以小化⼯
艺时间和成本的⽆缺陷填充备受关注。
目
前30 min顶部沉积速率的异常下降是由于预处理后时间过
长造成的。在电化学反应之前铜离⼦和添加剂分⼦的充分扩
散导致在初始阶段相对较快的沉积。随着反应的进⾏，电解
液中的铜离⼦从阴极接受电⼦并不断转化为铜。随着纵横比
的增加，铜离⼦向底部的扩散速率降低。铜离⼦的传质限制
降低了沉积到底部的速率。同时，铜离⼦在顶部的积累提⾼
了沉积速率。逐渐地，顶部的电沉积速率超过底部的电沉积
速率，终导致接缝缺陷。
TSV制程关键⼯艺设备
TSV制作⼯艺包括以下⼏步:通孔制作;绝缘层、阻挡层和种⼦层的 沉积;铜填充;
通过化学机械抛光去除多余的⾦属;晶圆减薄;晶圆键合 等。 每⼀步⼯艺都有相
当的技术难度，在通孔制作步骤，保持孔的形状和控制 ⻆度非常重要，通过
Bosch⼯艺来实现深孔刻蚀;在沉积绝缘层、阻挡层 和种⼦层时，需要考虑各层
的均匀性和粘附性;铜填充时避免空洞等 缺陷，这样填充的铜可以在叠层
器件较⾼的温度下保持正常的电性能;⼀ 旦完成了铜填充，则需要对晶圆进⾏
减薄;后是进⾏晶圆键合。
TSV制作流程会涉及到深刻蚀、PVD、CVD、铜填充、微凸点及RDL电 镀、清
洗、减薄、键合等⼆⼗余种设备，其中通孔制作、绝缘层/阻挡层/ 种⼦层的沉
积、铜填充、晶圆减薄、晶圆键合等⼯序涉及的设备为关 键，在某种程度上
直接决定了TSV的性能指标。
深硅刻蚀设备
通常情况下，制造硅通孔(经常穿透多层⾦属和绝缘材料)采用深反 应离⼦刻蚀
技术(DRIE)，常用的深硅刻蚀技术又称为“Bosch(博⽒)” ⼯艺，有初发明该项
技术的公司命名。 如下图所示，⼀个标准Bosch⼯艺循环包括选择性刻蚀和钝
化两个步 骤，其中选择性刻蚀过程采用的是SF6和O2两种⽓体，钝化过程采用
的是 C4F8⽓体。在Bosch⼯艺过程中，利用SF6等离⼦体刻蚀硅衬底，接
着利用C4F8等离⼦体作为钝化物沉积在硅衬底上，在这些⽓体中加⼊O2 等离
⼦体，能够有效控制刻蚀速率与选择性。因此，在Bosch刻蚀过程中 很自然地
形成了⻉壳状的刻蚀侧壁。
电镀铜填充设备
很多成本模型显示，TSV填充⼯艺是整个⼯艺流程中昂贵的步骤之⼀。 TSV
的主要成品率损耗之⼀是未填满的空洞。电镀铜⼯艺作为合适的硅 通孔填充
技术受到业内的普遍关注，其关键技术在于TSV⾼深宽比(通常 ⼤于10:1)通孔的
全填充电镀技术。
