TSV 互连具有缩短路径和更薄的封装尺⼨等优点，被认为是三维集成的核
术。 TSV 结构如下图所示，在硅板上面有加⼯完成的通孔;在通孔内由内到外
依次为电镀铜柱、绝缘层和阻挡层。绝缘层的作用是将硅板和填充的导电 材料
之间进⾏隔离绝缘，材料通常选用⼆氧化硅。由于铜原⼦在 TSV 制 造⼯艺流
程中可能会穿透⼆氧化硅绝缘层，导致封装器件产品性能的下降 甚⾄失效，⼀
般用化学稳定性较⾼的⾦属材料在电镀铜和绝缘层之间加⼯ 阻挡层。后是用
于信号导通的电镀铜。
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
在电沉积⼯艺之前，对 TSV 芯片进⾏预处理以排除通孔中的
空⽓并润湿种⼦层。，将 TSV 芯片放⼊吸瓶中并浸⼊去
离⼦⽔中。然后，使用⽔循环泵将抽吸瓶抽空⾄负⽓氛。在
负压下，通孔中的空⽓被推⼊样品片表面。此外，应用间歇
性超声振动去除表面⽓泡，直⾄⽆⽓泡出现，表明预处理完
成。因此，TSV芯片迅速移动到电镀槽中并保持静⽌⾜够长
的时间以确保电镀溶液在通孔内充分扩散。
电沉积程序
预处理后，在不同的电流密度（4 mA/cm 2、5 mA/cm 2、7
mA/cm 2、10 mA/cm 2和15 mA/cm 2 ）下进⾏电化学沉积
（ECD）⼯艺) 在的时间段内。低电流密度条件（4 mA/cm 2）
和中等电流密度条件（7 mA/cm 2 ）的电沉积间隔分别为30
min和10 min。
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。
国内外研究现状
2011年，瑞⼠的微纳系统研究部提出了如下图所示的基于TSV技术圆片级 真空
封装⽅案。该⽅案由TSV封帽与器件层两部分构成，TSV封帽垂直导 通柱是填
充在硅通孔中的铜柱。器件层上制作有⾦锡电极与铜柱相连，从 ⽽把电信号从
空腔内部的引到空腔外部，后通过硅-硅直接键合实现密 封。该⽅案⽓密性
很好，但是TSV封帽制作⼯艺复杂，热应⼒⼤(铜柱与 硅热失配⼤)，且硅硅键
合对键合表面要求质量很⾼，⼀般加⼯过的硅片 很难达到此要求。
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