TSV簡史

在2000年的第一個(gè)月，Santa Clara University的Sergey Savastiou教授在Solid State Technology期刊上發(fā)表了一篇名叫《Moore’s Law – the Z dimension》的文章。這篇文章最后一章的標(biāo)題是Through-Silicon Vias，這是 Through-Silicon Via 這個(gè)名詞首次在世界上亮相。這篇文章發(fā)表的時(shí)間點(diǎn)似乎也預(yù)示著在新的千禧年里，TSV注定將迎來它不凡的表演。

TSV示意圖

TSV，是英文Through-Silicon Via的縮寫，即是穿過硅基板的垂直電互連。

如果說Wire bonding（引線鍵合）和Flip-Chip（倒裝焊）的Bumping（凸點(diǎn)）提供了芯片對(duì)外部的電互連，RDL(再布線)提供了芯片內(nèi)部水平方向的電互連，那么TSV則提供了硅片內(nèi)部垂直方向的電互連。 作為唯一的垂直電互連技術(shù)，TSV是半導(dǎo)體先進(jìn)封裝最核心的技術(shù)之一。

與集成電路一起誕生的垂直互聯(lián)

1958年的秋天，肖特基(William Shockley)坐在辦公室思考著如何設(shè)計(jì)晶體管可以實(shí)現(xiàn)高頻的應(yīng)用。早在1947年，他便與巴丁、布拉頓一起研制出了第一個(gè)晶體管，并在1956年一起獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

“為什么不能在晶圓上打些孔？” Shockley喃喃自語。

不久Shockley申請(qǐng)了一項(xiàng)專利 -（SEMICONDUCTIVE WAFER AND METHOD OF MAKING THE SAME），這是歷史上第一項(xiàng)在晶圓上刻蝕通孔的專利。雖然這項(xiàng)專利的初衷是只為了晶體管在在高頻率領(lǐng)域的應(yīng)用，但在這項(xiàng)專利中，肖老也提到了如果需要可以在通孔中填充導(dǎo)電金屬。就這樣，發(fā)明晶體管的人也成了第一個(gè)想到在晶圓做導(dǎo)電孔的人。同一年還發(fā)生一件大事，將多個(gè)晶體管制造在一起的集成電路（芯片）也被發(fā)明出來了。

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肖特基的硅片上制作孔專利

此后， IBM開始在集成電路領(lǐng)域發(fā)力，并在垂直電互連方面取得了突破。

6年之后的1964年，IBM申請(qǐng)了一項(xiàng)專利（METHODS OF MAKING THRU- CONNECTIONS IN SEMICONDUCFOR WAFERS），提出了利用在通孔中做簡并摻雜降低電阻的方式實(shí)現(xiàn)硅片的垂直互連，即用低阻硅為導(dǎo)電材料。但是這項(xiàng)專利還只是停留在硅片自身上下表面器件的，并沒有用于多芯片的堆疊。直到5年后的1969年，IBM才在另一項(xiàng)專利 (HOURGLASS-SHAPED CONDUCTIVE CONNECTIONTHROUGH SEMCONDUCTOR STRUCTURES) 中首次提出了基于垂直互連的多層芯片的堆疊，如下圖：

第一個(gè)芯片堆疊專利

似乎只用了11年，甚至在TSV這個(gè)名詞被正式發(fā)明前，垂直互連的概念和工藝都已經(jīng)發(fā)展好了。只是IBM的這項(xiàng)專利并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。原因在于這個(gè)專利中導(dǎo)通孔的形狀，如其專利名字 “HourGlass” 所示，是沙漏形的，它占用太多的面積。這種形狀的通孔涉及到2年前(1967年)Bell Telephone Laboratories的H.A. Waggener的一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)：KOH對(duì)于單晶硅的不同晶面的腐蝕速率有巨大的差異【1】。

例如對(duì)<100>晶面的腐蝕率要比<111>晶面大幾百倍。利用這個(gè)特點(diǎn)可以在常用的<100>硅晶圓很方便的刻蝕的通孔，但是孔形是倒金字塔形狀的（或者說是沙漏形的）。隨著摩爾定律的不斷發(fā)展，單位面積上晶體管越來越密集，這種占用大量表面積的垂直互連顯然失去了其存在的意義。

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KOH刻蝕示意圖

但或許是受IBM提出的這個(gè)堆疊芯片概念的影響，三維集成芯片這個(gè)理念在半導(dǎo)體行業(yè)像星星之火燎原一樣傳播開來。此后共計(jì)有40多家研究機(jī)構(gòu)和公司參與了相關(guān)技術(shù)的研究【2】，而 作為三維堆疊芯片中最核心的垂直電互連技術(shù) 自然也倍受關(guān)注。在接下來的70到90年代，半導(dǎo)體微加工技術(shù)的多項(xiàng)突破將為現(xiàn)代TSV的誕生打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

技術(shù)的突破

硅作為一種半導(dǎo)體材料，既沒有很好的導(dǎo)電性也沒有很好的絕緣性。 要在硅片上實(shí)現(xiàn)垂直的電互連，一般需要在上面制作微孔 （取決于具體的應(yīng)用，一般孔徑在幾個(gè)微米到幾百微米，頭發(fā)絲約為50微米，而且單片硅片上需要的孔數(shù)量可達(dá)數(shù)十萬）；在孔的側(cè)壁沉積絕緣材料；在微孔中填充導(dǎo)電材料等制造步驟。其中最具挑戰(zhàn)的是微孔的批量刻蝕和導(dǎo)電化。
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首先，在硅晶圓上加工微孔不是件容易的事。硅硬度大且脆，而需要加工的孔徑小且量大，用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式根本不可行。在1958年肖特基的專利中，他提出了用晶料界面的化學(xué)腐蝕速率的差異來實(shí)現(xiàn)微孔的刻蝕 (因?yàn)闅v史久遠(yuǎn)加上缺少足夠資料，未能完全理解肖老的這種腐蝕方法*_*)。

反向?yàn)R射(即等離子物理轟擊刻蝕)也曾被嘗試做刻蝕，但是速率太慢，于是人們不得不又回到化學(xué)腐蝕的老路上。上文提到的KOH刻蝕是化學(xué)腐蝕的一種，屬于各向異性腐蝕，只是無法實(shí)現(xiàn)最合適TSV的圓柱孔。80年代開始，日本開始在三維集成方面發(fā)力，成立了“Three-Dimensional Circuit Element R&D Project”。1983年和1984年Hitachi的兩項(xiàng)專利中都提到了用激光打孔的方式來解決硅片上微孔刻蝕的問題【3】。不同于KOH刻蝕的“沙漏孔”，這些專利都使用了圓柱孔。但是激光加工也存在不少問題，一方面孔只能一個(gè)個(gè)加工比較耗時(shí)，另外加工的孔存在表面粗糙以及崩邊等問題。 直到90年代，硅刻蝕才迎來了突破，DRIE深硅刻蝕技術(shù)橫空出世。

DRIE，Deep Reactive Ion Etching的首字母縮寫。

這項(xiàng)技術(shù)是1994年德國Robert Bosch公司在此前一項(xiàng)低溫離子硅刻蝕技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一項(xiàng)高深寬比硅刻蝕技術(shù)【4】。這項(xiàng)技術(shù)用了一種很巧妙的方法實(shí)現(xiàn)了 各向同性腐蝕來刻蝕圓柱孔。各向同性腐蝕與上面講的KOH這種各向異性腐蝕不同，它在腐蝕硅片時(shí)各個(gè)方向是均勻的，所以正常情況下它只能在硅片上刻蝕出球狀的孔。使各向同性腐蝕實(shí)現(xiàn)圓柱孔刻蝕的核心思想是將腐蝕分割成無數(shù)的小步。

它的具體方法是：先在硅片把需要刻蝕微孔的位置的硅裸露出來，用各向同性的腐蝕氣體在硅片上刻蝕下去一薄層，然后在刻蝕出來的坑的表面沉積保護(hù)層，再用等離子打掉坑底的保護(hù)層打掉，再用各向同性的腐蝕氣體刻蝕一薄層，通過這樣多次微小的各向同性腐蝕循環(huán)就可以在硅片上實(shí)現(xiàn)批量的高深寬比微孔的刻蝕。事實(shí)上這項(xiàng)技術(shù)如此重要，后來也成為MEMS的核心制造技術(shù)。

DRIE的示意圖

微孔的導(dǎo)電化也同樣富有挑戰(zhàn)。在1958年肖老的專利中只是提及在孔中填充金屬的想法，但并未提供任何具體的實(shí)施方法；1964年IBM的專利中是利用簡并摻雜來降低硅的電阻從而將硅自身轉(zhuǎn)化導(dǎo)電介質(zhì)，這種方法無法用于微孔的導(dǎo)電化；而在1969年IBM申請(qǐng)的專利中，金屬層是通過濺射的方式實(shí)現(xiàn)的。雖然濺射在當(dāng)時(shí)是半導(dǎo)體主流的金屬沉積方法，但是濺射一般只能用于厚度在1um以下的薄金屬沉積，并且包覆性差，只能用于沙漏形孔的金屬化。

?1970年，Hitachi公司在一個(gè)專利中首次提出將用電鍍在半導(dǎo)體晶圓中實(shí)現(xiàn)金屬沉積【5】，雖然這個(gè)專利中電鍍只是為了實(shí)現(xiàn)金屬與硅的歐姆接觸，但這項(xiàng)研究開啟了電鍍用于半導(dǎo)體加工的序幕。電鍍技術(shù)是19世界上半葉由英國和俄羅斯的科學(xué)發(fā)明的一種全新的金屬成形技術(shù)，與以前人類所有的純物理金屬加工方式，例如鍛造，鑄造，蒸發(fā)沉積，濺射沉積，機(jī)加工等都不同， 電鍍是一種電化學(xué)技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)一開始主要被用于金屬藝術(shù)品的批量制造。因其沉積速度相對(duì)較快并且可以實(shí)現(xiàn)批量的沉積這個(gè)特點(diǎn)，電鍍這項(xiàng)技術(shù)在被發(fā)明100多年后，終于與半導(dǎo)體走到了一起。

5年后的1975年，IBM進(jìn)一步將X射線光刻與電鍍結(jié)合，開始探索電鍍用于晶圓厚金屬的沉積【6】。

1982年，這項(xiàng)技術(shù)在德國被進(jìn)一步發(fā)展成一項(xiàng)重要的 MEMS技術(shù)LIGA。全稱叫Lithographie, Galvanoformung, Abformung (英語：Lithography, Electroplating, and Molding) 【7】。這是一項(xiàng)結(jié)合光刻和電鍍的用于高深寬比金屬結(jié)構(gòu)沉積的技術(shù)。作為MEMS（微電子機(jī)械）的核心技術(shù)，LIGA為MEMS早期的發(fā)展立下不少功勞。如果對(duì)上文還有印象的話，DRIE深硅刻蝕后來也成為MEMS的核心技術(shù)。所以說TSV和MEMS在技術(shù)是孿生兄弟一點(diǎn)都不為過！

90年代中期，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)生一件大事： IBM用銅電鍍大馬士革工藝全面替代的濺射鋁作為集成電路中晶體管互連。這樣電鍍銅在半導(dǎo)體行業(yè)便開始成為標(biāo)準(zhǔn)工藝，這讓電鍍銅用于TSV的微孔金屬化填充更加順理成章。
至此， 現(xiàn)代TSV的兩項(xiàng)核心技術(shù)：深硅刻蝕和電鍍都出現(xiàn)了。

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走向商用

TSV不僅賦予了芯片縱向維度的集成能力，而且它具有最短的電傳輸路徑以及優(yōu)異的抗干擾性能。隨著摩爾定律慢慢走到盡頭，半導(dǎo)體器件的微型化也越來越依賴于集成TSV的先進(jìn)封裝。TSV對(duì)于像CMOS Image Sensor(CIS，CMOS圖像傳感器)，High Bandwidth Memory(HBM)以及Silicon interposer(硅轉(zhuǎn)接板)都極其重要。因?yàn)榇嬖诟泄饷娴木壒剩珻IS芯片的電信號(hào)必須從背部引出，TSV因此成為其必不可少的電互連結(jié)構(gòu)。HBM是基于多層堆疊的存儲(chǔ)芯片，如今HBM已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)12層的堆疊，16層以上更多層的堆疊相信在不久的將來也會(huì)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這一切都離不開TSV的互連。而Silicon interposer可以將多種芯片，像CPU, memory, ASIC等集成到一個(gè)封裝模塊的關(guān)鍵組件，它的垂直互連同樣需要TSV。事實(shí)上，法國的Yole development咨詢公司曾做過一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)TSV幾乎可以應(yīng)用于任何芯片的封裝以及任何類型的先進(jìn)封裝，包括LED, MEMS等。

正是因?yàn)門SV的重要性，各大Foundry和OSTA公司也不斷投入TSV技術(shù)的研發(fā)。這階段的研發(fā)重點(diǎn)是如何保證電鍍沉積主要發(fā)生在TSV孔內(nèi)而不是硅片表面。如果不采取任何措施，電鍍時(shí)硅表面金屬沉積的速度會(huì)遠(yuǎn)快于TSV孔內(nèi)。這個(gè)問題目前的解決方法是在電鍍液中添加抑制劑和加速劑，分別抑制硅片表面的金屬沉積并加速TSV孔內(nèi)的沉積。為了獲得完美的填充效果和足夠高的良率，各大Foundry和OSTA公司都做了大量研究以獲得最佳的電鍍的參數(shù)，例如電流，溫度，硅片的與電極的相對(duì)位置，添加劑的濃度等。各大半導(dǎo)體設(shè)備公司也開始針對(duì)TSV的電鍍推出專用的半導(dǎo)體設(shè)備。

21世紀(jì)，基于深硅刻蝕和銅電鍍工藝的TSV技術(shù)日漸成熟，并開始正式走向商用。 1999年和2000年，日本分別率先研發(fā)出第一款三層堆疊的圖像傳感器和三層堆疊的存儲(chǔ)器件。2004年，出于對(duì)TSV未來應(yīng)用前景的看好，TSV名詞的提出者Sergey Savastiou教授成立了ALLVIA的公司專注于TSV代工制造。2005年，10層堆疊的存儲(chǔ)芯片被研制出來。2007年集成TSV的CIS芯片由Toshiba公司量產(chǎn)商用，同年ST Microelectronics和Toshiba一起推出8層堆疊的NAND閃存芯片。2013年第一款HBM存儲(chǔ)芯片由韓國Hynix推出。2015年，第一款集成HBM的GPU由AMD推出。

不走尋常路的Sil - Via

隨著TSV在CIS和HBM中的大規(guī)模應(yīng)用，似乎TSV技術(shù)已經(jīng)成熟并沒有太多可以創(chuàng)新的空間了。但是無論是CIS還是HBM，其中用到的TSV都是孔徑只有10微米左右的小孔徑TSV， 而基于電鍍的TSV卻一直沒能攻下最后一個(gè)陣地：大孔徑TSV的實(shí)心填充。對(duì)于大孔徑例如直徑50微米以上甚至100多微米的微孔，如果用電鍍填充滿需要幾個(gè)小時(shí)，不僅成本非常高而且良率也難以保證。

對(duì)于大孔徑TSV，瑞典有家MEMS公司卻走出了另外一條“特色”技術(shù)路線。這家叫 Silex的公司不走尋常路， 獨(dú)立開發(fā)出了一項(xiàng)基于低阻硅的Sil-Via的TSV技術(shù)。Sil-Via與電鍍TSV有兩大不同：首先，它用的硅基板材料本身就是低阻硅，類似于1964年IBM專利中的簡并摻雜硅。其次，在制造過程中，Sil-Via刻蝕的不是孔而是環(huán)槽，通過在環(huán)槽是填充絕緣材料的方式實(shí)現(xiàn)中心低阻硅圓柱作為導(dǎo)電介質(zhì)。Sil-Via主要用于MEMS器件的封裝中，正是因?yàn)镾il-Via的巨大成功，Silex也成為世界最大的MEMS代工廠。2015年7月，中國資本收購了Silex，只是Sil-Via這項(xiàng)技術(shù)的核心，在幾十微米的圓槽中飽滿填充可以耐800度以上溫度的絕緣材料，仍然被瑞典人所掌握著。但Sil-Via并不完美，低阻硅只能滿足MEMS器件的導(dǎo)電要求，金屬化的大孔徑TSV孔依舊有著很大的需求，而這又涉及到一條新的技術(shù)路線，以后專門寫一篇細(xì)說。

Sil-Via(from silex website )

結(jié) 語

2022年3月9號(hào)，蘋果公司推出的M1 ULTRA處理器，這款性能爆表的處理器中，多個(gè)CPU使用帶TSV的Silicon interposer進(jìn)行集成的。如今，無論是AI/AR/VR中用到的傳感器，圖像傳感器，堆疊存儲(chǔ)芯片以及高性能處理器，都越來越離不開TSV。

TSV, 這項(xiàng)并不為人熟知的技術(shù)，正在硬件的底層深深的影響著人類的生產(chǎn)生活方式。

半個(gè)多世紀(jì)前的那個(gè)秋天，肖特基那個(gè)在硅片上打孔的想法最終將人類帶入了人工智能的時(shí)代。

作者 Dr. Gu

References

【1】Anisotropic Etching for Forming Isolation Slots in Silicon Beam-Leaded Integrated Circuits, H.A. Waggener, IEEE TRANSACTION OF ELECTRON DEVICES, JUNE 1968.

【2】Three-Dimensional Integrated Circuit (3D IC) Key Technology: Through-Silicon Via (TSV), Wen-Wei Shen and Kuan-Neng Chen, Nanoscale Research Letters (2017) 12:56

【3】JP S59 22954 & JP S63 156348

【4】 High aspect ratio silicon etch: A review, Banqiu Wua), Ajay Kumar, and Sharma Pamarthy, Journal of Applied Physics 108, 051101 (2010); https://doi.org/10.1063/1.3474652.

【5】 METHOD OF MANUFACTURING SEMCONDUCTOR DEVICES, Patent No. 3,661,727.

【6】E.Spiller, R.Feder, J.Topalian, E.Castellani, L.Romankiw and M.Heritage, “X-ray Lithography for Bubble Devices,”Solid State Technol.,April1976,pp62-68.

【7】E.W.Becker, W.Ehrfeld, D.Munchmeyer, H.Betz, A.Heuberger, S.Pongratz, W.Glashauser, H.J.Micheland V.R.Siemens, “Production of Separate Nozzle Systems for Uranium Enrichment by a Combination of X-ray Lithograohy and Galvanoplastics,” Naturwissenschaften,vol.69,pp.520-523,1982.
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