TSV是2.5D/3D封裝的核心技術，被認為是目前延續半導體器件摩爾定律最有效的封裝方法，TSV工藝能夠實現，主要包括通孔刻蝕、通孔薄膜澱積(SiO2鈍化層、阻擋層、種子層沉積)、通孔填充、化學機械拋光(CMP)等關鍵技術，
其工藝流程依次為：首先使用光刻膠對待刻蝕區域進行標記，然後使用深反應離子刻蝕（DRIE）法在硅片的一面刻蝕出盲孔；依次使用化學沉積形成二氧化硅（SiO2）絕緣層、使用物理氣相沉積形成阻擋層、種子層，避免TSVs與襯底之間形成通路；運用化學電鍍在盲孔中填充金屬導體，其導體種類通常為多晶硅、鎢、銅等；最後通過化學機械拋光工藝（CMP）和背面磨削法對硅片（盲孔中電鍍金屬柱）進行減薄露出硅通孔的另一端完成製作。
TSV 刻蝕
TSV刻蝕主要是採用深反應離子腐蝕技術（DRIE，Deep Reactive Ion Etching）又稱為Bosch（博氏）工藝來進行選擇性刻蝕。該技術是在真空系統中利用了分子氣體等離子的誘導化學反應來實現各向異性刻蝕，也就是說利用離子能量來使被刻蝕層的表面形成容易刻蝕的損傷層及促進化學反應。典型的（平行板）RIE系統包括圓柱形真空室，晶片盤位於室的底部。晶片盤與腔室的其餘部分電隔離。氣體通過腔室頂部的小入口進入，並通過底部離開真空泵系統。
圖1 典型的（平行板）RIE系統
對於刻蝕硅襯底，腐蝕氣體可以採用SF6來進行，然後運用C4F8氣體形成鈍化膜沉積在硅襯底上，從而保護刻蝕出的側壁通孔，交替進行刻蝕與鈍化。經過刻蝕和鈍化數次循環交替，可以得到具有高深寬比的硅孔，同時會在側壁上留下扇貝結構。同時加入O2等離子體可以有效控制刻蝕的速率與選擇性。
不過反應離子腐蝕技術不能獲得較高的選擇比，會造成硅側壁表面缺口粗糙，側壁粗糙會增大TSV的空隙，進而影響到絕緣層、阻擋層和種子層的覆蓋範圍，同時還有一定的汙染，發生可靠性及產品失效等隱患。因此，硅側壁的粗糙度需要控制在最小範圍內。
TSV 絕緣層
硅通孔形成後，需要製作絕緣層（鈍化）對硅襯底進行電氣隔離。一個合格的絕緣層要有良好的覆蓋率，不能有空洞或缺損。一般是採用二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4），通過TSV絕緣層主流工藝技術之一的等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）在溫度100℃~400℃範圍內，對硅孔內表面沉積一層絕緣材料。
另外，採用ICP-PECVD技術（相比傳統的PECVD技術可以提高反應離子的方向性）可以使沉積SiO2的溫度低至20℃～100℃，有利於降低應力，同時反應離子的濃度較高，有助於提高填充效率。
當TSV的直徑小於3μm時，可以採用原子層沉積技術（ALD）。ALD技術的優勢在於無需再進行表面處理，比較適用於較薄的絕緣層，還可以有效降低化學機械拋光（CMP）的加工時間。
TSV 阻擋層及種子層
製作金屬擴散阻擋層的目的是為了防止銅原子在高溫（400℃）下進行擴散。主流工藝有物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）及原子層沉積（ALD）法三種，需要根據不同TSV通孔的大小進行選擇。金屬擴散阻擋層位於絕緣層及銅層之間，其中Ti、Ta、TaN及TiN等可以用來製作金屬擴散阻擋層的材料。
Ti及Ta金屬擴散阻擋層可以採用物理氣相沉積（PVD）進行，雖然該工藝的溫度要求較低，產生的溫度應力也較低，但臺階覆蓋率卻較差，容易產生較高縱橫比的TSV通孔，倘若沉積較厚的金屬擴散阻擋層，雖然可以增加臺階覆蓋率，但生產成本將會提高，效率會降低。
TiN及TaN 金屬擴散阻擋層則可以用化學氣相沉積法沉積進行，該工藝雖然均勻性較好，但製作時需要較高的溫度，容易產生殘餘應力。
種子層沉積的厚度、連續性、均勻性及粘接強度均是非常重要的技術指標，也是後續TSV填充工藝最重要的關鍵因素（側壁和底部的阻擋層和種子層必須連續）。另外，根據TSV硅通孔的形狀、深寬比及沉積方法不同，種子層的特點也各不一樣。如果填充材料為多晶Si或者W，則不需要種子層。
TSV 填充
TSV的填充主要有電鍍、濺射及金屬有機物化學氣相沉積等方法，目前行業內應用較廣泛的是通過電鍍技術來進行填充。填充的材料主要採用銅，雖然許多的TSV填充材料（鎢和摻雜多晶硅）相繼被開發出來，但應用得最多的還是銅。銅材料具有優良的電性能、阻抗低、導電率高以及低的電遷移率，即使與硅片的CTE匹配性要比鎢和摻雜多晶硅低一些，但電導率和熱傳導率的優勢較為明顯。
在電鍍過程中，TSV填充時產生的空洞或者縫隙等缺陷，均會導致嚴重的可靠性問題，所以如何實現TSV的無孔洞填充是TSV技術的關鍵和首要解決的問題。目前TSV電鍍填充從填充原理及電鍍模式來主要分為Conformal填充、Sup-conformal填充和Bottom-up填充三種。Conformal填充是在TSV的孔內和表面進行均勻沉積的電鍍方式；Bottom-Up填充則優先在TSV孔的底部進行沉積，孔壁和表面幾乎不被電鍍；而Sup-conformal填充則是兩者結合的一種電鍍模式。
電鍍方式決定了電鍍的時間。Bottom-up填充能夠有效抑制表面的電鍍，同時使電鍍電流最大限度的作用與孔內，從而使孔內的沉積速度增加，所以電鍍的時間較少。而對於Conformal填充，由於沒有對錶面進行有效的抑制，而且孔內處於低電流密區，導致孔內銅沉積較慢，所以電鍍時間較長。
為了避免填孔空洞的產生，TSV孔內沉積速率就必須大於等於表面沉積速率。Conformal填充需要添加促進劑，使得TSV孔內銅的沉積速率與晶圓表面銅的沉積速率相當，從而實現通孔電鍍銅的完全填充，沉積過程如表2所示。
圖2 TSV通孔Conformal填充過程
Bottom-up 是在TSV孔口及側壁添加抑制劑，從而抑制晶圓表面及 TSV孔口及側壁上的銅沉積，同時在孔底添加加速劑，使通孔電鍍銅實現“孔底加速、孔口抑制”向上生產的沉積方式，從而實現硅通孔電鍍銅的完全填充，填充過程示意如圖3所示。Bottom-up填充方式不僅能避免TSV填充空洞和縫隙產生的可能性，同時還減少了電鍍後銅層的過厚和電鍍時間。
圖3 TSV通孔Bottom-up填充過程
影響TSV填充的因素繁多，歸納起來主要分為內部因素和外部因素。內部因素主要包括：電解質的類型，銅離子的濃度，添加劑的類型和濃度，電流密度或電勢的大小，直流或脈衝電鍍，溶液中的含氧量，種子層的類型及厚度分佈。外部因素主要包括：環境溫度，外部對流強度，陽極的形狀和種類，孔的類別（通孔或者盲孔）、孔尺寸、孔間距及孔密度。
TSV 背面銅露出
要使TSV背面的銅層充分暴露露出來，一般是通過化學機械拋光技術來實現。化學機械拋光（Chemical Mechanical Polishing），簡單來說就是在機械拋光的基礎上根據所要拋光的表面加入相應的化學試劑從而達到增強拋光和選擇性拋光的效果。
TSV晶圓片被粘附夾持裝置上，採用機械研磨把晶圓減薄至幾十微米的厚度，然後通過CMP技術繼續磨削並露出通孔中的銅柱，整個過程如圖4所示。
圖4 TSV背面研磨和拋光過程
在研磨過程中，需要對Si、SiO2、Si3N4及Cu等多種材料同時進行磨削，如何控制這些材料的速率選擇性的將成為磨削過程的重點。所以，為了使銅柱快速露出，必須使Si、SiO2、Si3N4等材料的去除速率大於Cu的去除速率。如何有效保證TSV硅通孔較少的缺陷和低表面粗糙度，這就對拋光液和工藝參數的優化提出了更高的要求。
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[6] RIE百度百科
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