TSV以及博世工艺介绍-电子发烧友网

作者|北湾南巷

在现代半导体封装技术不断迈向高性能、小型化与多功能异构集成的背景下，硅通孔（TSV, Through-Silicon Via）工艺作为实现芯片垂直互连与三维集成（3D IC）的核心技术，正日益成为先进封装领域的关键工艺之一。相较于传统的封装互连方式，TSV能够显著缩短互连路径、降低功耗、提升带宽，并为逻辑芯片与存储器、MEMS器件、图像传感器等多种异构器件提供高密度垂直连接解决方案。

而在TSV工艺流程中，“硅通孔的刻蚀”环节是实现高深宽比通孔结构的关键步骤，对刻蚀深度、垂直度、侧壁形貌以及工艺一致性要求极高。为满足这一要求，工业界普遍采用的刻蚀技术便是博世工艺（Bosch Process）——一种基于等离子体深反应离子刻蚀（DRIE）的循环式刻蚀技术。该技术最早由德国博世公司开发，因其具备高纵向各向异性、深宽比大、刻蚀速率高等优势，已成为深硅刻蚀领域的主流工艺，特别适用于TSV、MEMS和微流控器件等领域的大规模制造。

#01

TSV工艺

通过硅通孔Through Silicon Via（TSV）技术是在制造三维集成电路（3D IC）中出现的，作为克服传统二维集成电路（2D IC）限制的解决方案。通过硅通孔（TSV）是一种在IC封装技术中使用的VIA（垂直互连接入）连接类型，它在硅晶圆或晶圆之间创建垂直的电气连接。这些垂直连接可以用来互连多个芯片、存储器、传感器和其他模块，以创建更小、更快、更节能的设备。

这项技术被用作替代引线键合和倒装芯片（在2D IC封装技术中基本使用）以创建2.5D和3D封装以及3D集成电路。TSV技术的主要优点之一是其能够提高芯片的数据传输速率。在2D IC的传统互连中，数据信号通过硅衬底横向传输，导致较长的信号传播延迟。

1.1TSV工艺流程

TSV工艺一般包含孔的形成、绝缘层沉积、种子层沉积、金属填充、回蚀与研磨等步骤，典型工艺流程如下：

TSV孔形成（Etching）

使用深反应离子刻蚀（DRIE，Deep Reac tive Ion Etching），通常采用博世工艺（Bosch process），在硅片中刻蚀出高深宽比（高Aspect Ratio）的通孔。

通孔尺寸从几微米到几十微米，深度可达几十到几百微米。

绝缘层沉积（Liner Deposition）

为避免金属与硅之间的电化学反应，需要在孔壁沉积绝缘材料，常用材料有SiO₂、Si₃N₄等，采用LPCVD、PECVD等方式沉积。

堵孔种子层（Barrier & Seed Layer）

在绝缘层表面沉积金属阻挡层（如Ti/TiN）防止金属扩散。

再沉积金属种子层（如铜Cu），为后续的电镀提供基础层。

金属填充（Via Filling）

采用铜电镀（Cu Electroplating）或化学气相沉积（CVD）等方式将TSV孔填满。

要求金属填充过程中无空洞、无缝隙，避免电迁移问题。

去除多余金属与表面处理

通过化学机械抛光（CMP）将表面多余金属去除，恢复平坦化。

若为“via-middle”或“via-last”工艺，还需进一步封装与键合处理。

使用TSV，数据信号可以通过较薄的硅衬底垂直传输，将信号传播延迟降低几个数量级。使用TSV，通过较薄的硅晶圆的短垂直连接减少互连长度，有助于减少芯片的整体面积和功耗。这些优点使其非常适合用于数据中心、服务器、图形处理单元（GPU）、基于人工智能（AI）的处理器的不同高速应用以及许多无线通信设备。

TSV技术的另一个显著优点是其能够实现异构集成。异构集成涉及将来自不同技术和制造商的多个芯片组合到单个封装中，使它们能够提供更好的功能性和性能。TSV通过为相应的芯片提供可靠的互连技术，使这些特性成为可能。

#02

博世工艺

1993年，Robert Bosch提出了一种ICP（电感耦合等离子体）刻蚀工艺技术，被称作“Bosch 工艺”。

2.1 Bosch工艺介绍

Bosch工艺，也称为交替侧壁钝化深层硅蚀刻工艺，是一种用于制造高深宽比微结构的先进技术，广泛应用于微机电系统（MEMS）和深硅刻蚀领域。Bosch工艺的影响可以从多个方面进行考虑：

1.高深宽比微结构的制造：Bosch工艺能够制造具有高深宽比的微结构，这对于许多MEMS器件至关重要。这种能力扩展了MEMS设计的可能性，使得可以制造更复杂、更精细的器件。

2.各向异性蚀刻：Bosch工艺以其出色的各向异性蚀刻能力而闻名，这意味着它可以精确地垂直蚀刻，而不仅仅是沿着晶圆的表面。这为制造具有精确几何形状的微结构提供了可能。

3.蚀刻均匀性和控制性：通过精细调整工艺参数，Bosch工艺可以实现高蚀刻均匀性和控制性，这对于批量生产高质量MEMS器件至关重要。

4.微负载效应：Bosch工艺在处理高深宽比结构时可能会遇到微负载效应，即蚀刻速率随着蚀刻深度的增加而减慢。这需要通过优化工艺参数和设计策略来管理。

5.设备成本和复杂性：Bosch工艺需要专门的设备和技术，这可能会增加制造过程的成本和复杂性。

6.环境影响：Bosch工艺使用多种化学品和气体，这可能对环境造成影响。因此，需要适当的废物处理和环境保护措施。

7.工艺发展和创新：Bosch工艺的广泛应用促进了相关工艺技术的发展和创新，为MEMS和半导体行业带来了新的制造技术和解决方案。

总体而言，Bosch工艺对MEMS和深硅刻蚀领域产生了深远的影响，为制造先进微结构提供了关键的技术支持。然而，它也带来了挑战，需要持续的技术创新和优化来克服。

2.2 工艺原理

博世工艺的基本循环包括两个阶段：

刻蚀步骤（Etching Step）

通常使用SF₆等气体，在等离子体中产生氟离子对硅进行各向异性刻蚀。

钝化步骤（Passivation Step）

通常采用C₄F₈等气体，在侧壁形成聚合物钝化层，防止横向刻蚀，保持垂直侧壁。

这种工艺首先采用氟基活性基团进行硅的刻蚀，然后进行侧壁钝化，刻蚀和保护两步工艺交替进行。如下图说明了其工艺过程。它是通过交替转换刻蚀气体与钝化气体实现刻蚀与边壁钝化。其中刻蚀气体为SF6，钝化气体为C4F8。C4F8在等离子体中能够形成氟化碳类高分子聚合物。它沉积在硅表面能够阻止氟离子与硅的反应。刻蚀与钝化每5~10s 转换一个周期。在短时间的各向同性刻蚀之后即将刚刚刻蚀过的硅表面钝化。在深度方向由于有离子的物理溅射轰击，钝化膜可以保留下来，这样下一个周期的刻蚀就不会发生侧向刻蚀。通过这种周期性“刻蚀-钝化-刻蚀”，刻蚀只沿着深度方向进行。

工艺循环方式：

1.刻蚀→ 硅被向下蚀刻；

2.钝化→ 形成侧壁保护层；

3.重复交替多次实现“阶梯状”深刻蚀。

Bosch工艺并不是简单地重复这三个步骤就能轻易实现的。实际上，这个过程是困难的，存在一些特定于Bosch工艺的问题。因为Bosch工艺的第三步（硅蚀刻过程）是与氟自由基的化学反应，蚀刻速率高度依赖于暴露硅的开口面积。这通常被称为负载效应。此外，随着深宽比的增加，氟自由基被输运到沟槽或孔底部的概率降低。这导致与图案相关的蚀刻效应，通常称为微负载，这会不利地影响深度均匀性。微负载是由于晶圆局部高密度区域反应物的耗尽而发生的。此外，特定于DRIE的问题包括在蚀刻SOI（绝缘体上硅）晶圆时的倒角和非均匀等离子体分布引起的倾斜。这些问题通过调整系统硬件、工艺参数和器件结构来解决。

#03

TSV和Bosch工艺的关系

TSV（Through-Silicon Via）中的第一关键步骤即为“硅通孔的形成”，其核心工艺是对硅基材料进行高深宽比的垂直刻蚀，而这正是博世工艺的核心能力。

因此，博世工艺在TSV制造中扮演的是“核心刻蚀技术提供者”的角色，可视为TSV工艺链中的基础支撑技术之一。

项目

TSV工艺

博世工艺

工艺属性

互连技术

刻蚀技术（DRIE）

关键环节

通孔形成、金属填充、研磨