TSV关键工艺设备及特点

摘要

TSV 是目前半导体制造业中最为先进的技术之一，已经应用于很多产品生产。实现其制程的关键设备选择与工艺选择息息相关， 在某种程度上直接决定了 TSV 的性能优劣。本文笔者在综述 TSV 的工艺流程和关键技术基础上 , 对其中深孔刻蚀、气相沉积、通孔填充、 化学机械抛光(CMP)等几种关键工艺设备进行了详细介绍，对在确保满足生产工艺要求的前提下不同设备的选型应用及对设备安装的厂 务需求提出了相关建议，同时对 TSV 设备做出国产化展望。

硅通孔(TSV)是目前半导体制造业中最为先进的技 术之一，因其具有更好的电性能、更低的功耗、更宽的 带宽、更高的密度、更小的外形尺寸、更轻的质量等优势， 已逐步成为未来发展的热点与方向，是实现电路小型化、 高密度、多功能化的首选解决方案，其在国内应用正方 兴未艾。具备该技术生产能力，对国内微电子加工制造 发展具有重大意义。

TSV 技术主要涉及以下几个关键工艺：深反应离子刻蚀(DRIE)制作 TSV 孔，等离子增强化学气相沉积(PECVD) 制作介电层，物理气相沉积(PVD)制作阻挡层和种子层， 电镀铜(Cu)填孔，化学机械抛光(CMP)去除多余的金属;另外由于芯片堆叠集成的需要，对于 3D IC/Si 集成而言， 还有晶圆的减薄和薄晶键合等关键工艺。每一步工艺都 有相当的技术难度。而这些关键工艺涉及的设备选择与 工艺选择息息相关，在整个生产环节中起着关键的作用， 在某种程度上直接决定了 TSV 的性能优劣。

1 TSV制造关键工艺流程

TSV 制造的主要工艺流程依次为：深反应离子刻蚀 (DRIE)法行成通孔;使用化学沉积的方法沉积制作绝 缘层、使用物理气相沉积的方法沉积制作阻挡层和种子 层;选择一种电镀方法在盲孔中进行铜填充;使用化学 和机械抛光(CMP)法去除多余的铜。而一旦完成了铜填充， 则需要对晶圆进行减薄;最后是进行晶圆键合。整体工 艺路线会根据特定需求对典型工艺进行变动。

2 TSV关键工艺设备及特点

对应 TSV 生 产 流 程， 会 涉 及 到 深 孔 刻 蚀、PVD、 CVD、铜填充、微凸点及电镀、清洗、减薄、键合等二十 余种设备，其中深孔刻蚀、气相沉积、铜填充、CMP 去除 多余的金属、晶圆减薄、晶圆键合等工序涉及的设备最 为关键。

2.1 深孔刻蚀设备

深孔刻蚀是 TSV 的关键工艺，目前首选技术是基于 Bosch 工艺的干法刻蚀。深反应等离子刻蚀设备就是感应 耦合高密度等离子体干法刻蚀机(Inductively Coupled Plasma Etcher)，它采用半导体刻蚀机的成熟技术，独 特设计的双等离子体源，实现了对腔室内等离子体密度 的均匀控制，满足硅高深宽比刻蚀工艺的要求。具有稳 定可靠的工艺性能、宽阔的工艺窗口和良好的工艺兼容 性，用于晶片的高深宽比刻蚀。

2.2 气相沉积设备

气相沉积设备主要用于薄膜电路表面的高低频低应 力氧化硅等薄膜淀积。设备具有低温 TEOS 工艺沉积氧化 硅薄膜，应力易调控，适用于薄膜电路制造中保护膜层 的沉积。设备应具有预真空室、基片传送模块以及工艺 模块等，传片及工艺过程自动化。

绝缘层做好后，通过物理气相沉积法(PVD)沉积金 属扩散阻挡层和种子层，为后续的铜填充做好准备。后 续的电镀铜填充要求 TSV 侧壁和底部具有连续的阻挡层 和种子层。种子层的连续性和均匀性被认为是 TSV 铜填 充最重要的影响因素。根据硅通孔的形状、深宽比及沉 积方法不同，种子层的特点也各有不同，种子层沉积的 厚度、均匀性和粘合强度是很重要的指标。

2.3 铜填充设备

深孔金属化电镀设备用于新一代高频组件高深宽比 通孔填孔电镀铜工艺，解决高深宽比微孔内的金属化问 题，提高互联孔的可靠性。TSV 填孔镀铜工序是整个 TSV 工艺里最核心、难度最大的工艺，对设备的要求比较高， 成熟的用于 TSV 填孔镀铜的设备价格昂贵。

2.4 减薄抛光设备

一旦完成了铜填充，则需要对晶圆进行减薄抛光。TSV 要求晶圆减薄至 50μm 甚至更薄，要使硅孔底部的铜 暴露出来，为下一步的互连做准备。目前晶圆减薄可以 通过机械研磨、化学机械抛光、湿法及干法化学处理等 不同的加工工序来实现。但晶圆很难容忍减薄过程中的 磨削对晶圆的损伤及内在应力，其刚性也难以使晶圆保 持原有的平整状态，同时后续工艺的晶圆传递、搬送也遇到了很大的问题。目前业界的多采用一体机的思路， 将晶圆的磨削、抛光、贴片等工序集合在一台设备内。

3 TSV关键设备具体应用

TSV 关键工艺设备精密复杂，价格昂贵，不同设备供 应商所采用不同的工艺方法，对附属设备选择、厂务条 件配套、安全环境管理等都有很大的影响。现根据实际 的工艺需求、技术条件，以一套成熟 TSV 生产线设备为 案例，推荐适宜的 TSV 设备。国内外设备价格差距较大， 由于此类同时考虑到国外禁运风险，在遇到国内有可提 供工艺设备生产商时，我们应该对国内设备的工艺方法、 可靠性、服务保障、用户评价等方面进行特别考察，在 确保满足生产工艺要求的前提下优先推荐选择国产设备。

3.1 深反应等离子刻蚀设备选型应用

本案例实际生产应用中的深孔刻蚀设备是用于新一 代高密度封装基板的微纳加工，目的是解决现有湿法刻 蚀的精度和成品率问题，使用深反应等离子刻蚀设备完 成精细深槽、高深宽比微纳通孔的高精度干法刻蚀。具 体要求支持晶圆尺寸最大 8 英寸向下兼容，在一般指标 基础上要求刻蚀孔径≤ 20μm，精度优于 ±5%，刻蚀深 度≥ 200μm。

目前国外主流深硅刻蚀设备主要由美国应用材料、 泛林半导体等设备厂商控制。但近年来，国内微电子设 备厂家进步惊人，中微半导体设备有限公司、北方华创 微电子装备有限公司等推出的等离子刻蚀机，均可实现 高深宽比刻蚀，满足绝大多数生产工艺需求，具有实现 优良的侧壁形貌控制、稳定的均匀性、极高的刻蚀选择 比。在后续的设备采购调研中，通过试片验证，北方华 创生产的深反应等离子刻蚀设备可以满足产品加工需求。它采用模块化设计，整机包括工艺模块(PM:Process Module)和传输模块(TM:Transfer Module)。传输模 块装有机械手，实现晶片在其和工艺模块之间的传输。设备具备智能化的软件操作系统，实现单片晶圆的自动 刻蚀工艺。

3.2 PECVD 气相沉积设备选型应用

国内外有诸多公司均有各类成熟产品。比如英国的 SPTS 公司，为国内 MEMS、先进封装、LED 等产业提供晶 圆刻蚀、PVD、CVD 等设备，目前综合技术实力处于行业 领先地位。其 PECVD 设备主要用于低温单面淀积低应力 氮化硅、氧化硅薄膜。传送手臂会自动把基片转送到工 艺腔模块。传片及工艺过程自动化;国内的沈阳拓荆科 技有限公司，具有 100% 自主知识产权的化学气相沉积设 备，可搭配高低频电源可快速沉积低应力、高均匀性的 氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等多种膜层，支持低温 TEOS 工艺应用于 TSV 等领域。设备配备 EFEM、loadlock、传 送模块、工艺模块等。英国 SPTS 对要求较高的膜层需要 使用 H2 做后处理去除膜层中的水分，提高膜层长期稳定 性，如膜层应力、击穿电压、漏电流等指标;沈阳拓荆 在沉积时采用很高的能量，针对不同的状态把过程中的 水进行电离成活性基团，消除膜层吸水的影响，保证膜 层的连续性和稳定性，不需要 H2。

本案例实际生产应用中的主要需求是用于薄膜电路 表面的高低频低应力氧化硅等薄膜淀积。设备需要具有 低温 TEOS 工艺沉积氧化硅薄膜，应力易调控，适用于薄 膜电路制造中保护膜层的沉积。设备具有预真空室、基 片传送模块以及工艺模块等，传片及工艺过程自动化。故采购的设备具有适用于氧化硅膜层沉积;具备高均匀 性和低应力沉积能力;菜单式沉积工艺;具备腔体清洗 功能;工艺过程温度可控;软件可对工艺和模块状态实 时跟踪监控;具备保存历史工艺和状态等主要功能。

3.3 PVD 设备选型应用

沉积设备领域，传统的英国 SPTS 设备全球市场占有 率较高，其前身为深反应等离子刻蚀设备的两家领导企业 Aviza 和 STS 合并而成，目前综合技术实力处于行业领先 地位，全球 MEMS 领域市场占有率达 90%，公司的 Sigma fxP 磁控溅射设备用于 8 英寸基片物理气相沉积。配置手 动上片盒，传片及工艺过程自动化。配置 1 个预热模块 用于除气功能，1 个表面刻蚀模块用于基片表面预清洗。另外还有 2 个沉积不同金属材料沉积模块(Ti&Cu)，沉 积速率快、均匀性好、应力调控佳。设备应用于制造不 同 TSV 和 MEMS 器件。

近年来北方华创公司凭借自身实力，越来越多的占领 国内市场。因此在实际的设备选型调研中，除了在 SPTS 进行样片试验以外，同时在北方华创公司也进行了样片 生产。因为该 PVD 设备在实际高密度封装基板的微纳加 工生产中，是用来解决高深宽比微纳通孔内侧壁难以沉 积阻挡层 / 种子层问题，提高金属化微纳通孔互联可靠性。故在选择 PVD 设备时，除满足 20*200μm、20*100μm 等 高深宽比孔的侧壁金属薄膜沉积的各项技术指标，还关 注设备是否具有基板的除气、预清洗和通孔侧壁磁控溅 射镀膜工艺，智能化操作系统可实现自动生产功能。华 创公司生产的 Polaris T620 设备具备除气(degas)、 预清洗(preclean)、高腔 Ti 溅射沉积、高腔 Cu 溅射 沉积 4 个工艺模块，以及自动传输模块和 Facility 模块， 完成 8 英寸及以下基板的除气、预清洗和通孔侧壁磁控 溅射镀膜工艺，具备智能化操作系统，可实现自动生产， 故而成为最终的选择。

3.4 电镀铜填充设备选型应用

为进一步确认 TSV 填孔镀铜设备的性能和针对特异的 TSV孔型结构需求，建议在选购时，除考虑正常采购原则外， 需在厂家相应设备上进行生产所需的 TSV 孔型结构的样品 打样，根据打样要求需保证孔内填充致密、无孔隙，镀层 厚度均匀性好等基本需求，再确定最终采购的设备。根据 本案例实际生产中的具体需求，要求设备具有高深宽比填 孔电镀功能;基片清洗甩干功能;镀槽具备温度控制、液 位控制、PH 测试、温度过保护、加热器防干烧、氮气保护 等功能;镀槽采用旋转阴极，速度可调;工艺控制系统具 备工艺数据存储备份等主要功能。

3.5 减薄抛光设备选型应用

近年来，国产化超薄晶圆减薄抛光设备已实现了量 产应用，实现了国际同类设备的高性能水平。因本案例实际生产中，主要用于 HTCC 氮化铝基板的贴片减薄抛光 工艺加工，加工幅面 φ305mm。除价格因素以外，考虑到 厂房安装、多工序并行加工、实际生产需求等，希望设 备可以由减薄、抛光、贴片多台相关设备按实现顺序相 近放置，以实现基板贴片、减薄、抛光和厚度测试等功 能。北京特思迪半导体设备有限公司是生产减薄抛光 CMP 专业设备厂家，可以提供的基板减薄抛光系统，由 1 台 减薄设备、1 台抛光设备、1 台贴片设备组成，用于 HTCC 氮化铝基板的减薄抛光贴片工艺加工，其中减薄设备通 过快速减薄及在线厚度测量系统将基板加工至目标厚度;抛光设备通过抛光垫和抛光液的作用对减薄后的表面进 行抛光，以降低基板表面粗糙度;贴片设备适用于将基 板粘接到陶瓷载盘上，以作为减薄抛光的载体。经实际 测试，符合该案例实际生产需求。

3.6 TSV 设备安装厂务需求

TSV 设备对水、风、电、气等厂务配套条件要求较高， 并且不同厂家提供的同类设备由于其采用的工艺方法不 同所需要的厂务条件差别很大，如所购买的等离子刻蚀 设备、气相沉积设备等用到多种特种气体、液体有机物 作为工艺介质，有的供应商提供的设备还需要用到氢气、 硅烷等易燃易爆气体，反应结束后的废气需要经过专门 的燃烧装置进行处理后才可以进入厂房主排风系统，同 时设备对冷却水的压力、流量等均有较高的要求。

由于涉及到特气使用且部分属于易燃易爆危险气体， 所以必须通过对现有厂房条件、各个设备厂务需求的梳 理对比，对整个 TSV 生产进行系统考虑，在充分考虑到 安全环保、运营维护、实施成本的基础上，从附属设备 采购以及放置、工艺布局、界面划分、设备安装等方面 入手，全面进行规划，在确保安全环保的前提下，以最 合理的价格为各个设备正常使用的提供厂务保障。

4 结语

随着 TSV 技术的发展，大量的传统微电子设备即将 淘汰。通过近几年的 TSV 设备的逐步大量使用，国内在 使用深刻蚀、PVD/CVD、铜(Cu)填孔、化学机械抛光(CMP) 等用于 TSV 制程的关键设备领域积累了一定经验。长期 以来，该类设备依赖国外企业，存在成本高、交货周期长、 应对市场变化反应较慢的情况。近年，国内设备厂商设 备有了很大突破，尽管与国外最高水平相比还有一定差 距，但在确保满足生产工艺要求的前提下，国产设备各 项经济技术指标如能达到国外设备同等或更高的水平， 将会被优先采用，市场前景广阔。

来源：中国设备工程 作者：褚晓虹，陈峰，胡旭，沈祥国(南京电子技术研究所)

审核编辑：汤梓红