2.3　Via-middle技术

Via-middle技术集成方案所涉及的TSV在互连线（BEOL）加工之前加工，是目前主流集成电路工厂加工TSV选用的集成方案，主要应用包括TSV中介层封装和预埋TSV的集成电路芯片。

对于无源TSV中介层来说，衬底上不涉及电路器件，TSV中介层典型工艺流程如图 2-3所示。首先，在硅衬底上通过刻蚀、薄膜沉积、金属填充、平坦化等步骤实现盲孔（Blind Pore）TSV的制造；其次，进行正面多层金属互连，并加工用于正面贴装芯片的焊盘或凸点；再次，借助承载圆片的键合保护，对TSV衬底进行减薄，并实现TSV的背面引出；最后，去除承载圆片，即完成全流程加工。由于不涉及有源器件的加工，该方案可以由圆片厂，如台积电、联电、中芯国际等制造代工厂独立完成，也可以由封测工厂独立完成。但由于圆片厂可以使用大马士革（Damascene）工艺加工更加细密的互连，具备封测工厂不可比拟的优势，所以目前的主要业务均由圆片厂主导，封测工厂仅在减薄露孔、组装等工序存在加工机会。

图2-3　TSV中介层典型工艺流程

图2-3　TSV中介层典型工艺流程（续）

利用TSV中介层进行2.5D集成已经在多款高端产品中得到应用，典型的包括Xilinx的FPGA产品（见图2-4［42］）、AMD集成GPU及堆叠DRAM的显卡产品［43， 44］、Nvidia集成GPU及HBM2存储器的人工智能芯片产品等。这些典型产品中使用的TSV中介层均来自TSMC、MMC等圆片厂，相关组装服务可以来自圆片厂的封装技术扩展，如TSMC的CoWoS技术［27］；也可以来自合作的封测工厂［44］，如Amkor、ASE等。

图2-4　使用TSV中介层进行2.5D集成的FPGA产品

预埋TSV的集成电路圆片加工流程如图2-5所示。在衬底上首先完成前道器件和互连结构制造，接着进行TSV加工，之后再进行后道互连的加工，典型应用是DRAM堆叠产品，如美国美光科技有限公司的混合存储立方（Hybrid Memory Cube，HMC）产品［45］、韩国SK海力士公司的高带宽存储器（High Band Width Memory，HBM）产品［46］等。

图2-5　预埋TSV的集成电路圆片加工流程

图2-6所示为美国美光科技有限公司的HMC产品示例，4层或8层DRAM芯片堆叠在1层逻辑芯片之上，每层DRAM和底层逻辑芯片均加工有Via-middle型TSV，通过芯片间的微凸点互连，实现多层芯片的堆叠和通信。

图2-6　美国美光科技有限公司的HMC产品示例

用于3DIC的TSV开口直径通常为5μm，深度为50μm。进一步减少TSV直径可以显著减小铜填充TSV附近的应力，避免影响器件性能。2015年，校际微电子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）报道了基于Via-middle技术的、开口直径为3μm、深度为50μm的TSV制造工艺［37］。其中，TSV采用了高保型原子层沉积（ALD）氧化层绝缘，厚度为125nm、覆盖率为100%。采用ALD方法，在单纯热工艺下，按顺序驱动多种前驱体和反应体沉积WN作为扩散阻挡层，沉积温度为375℃，覆盖率大于90%。利用Lam Research公司开发的镀液和机台（Lam ELD2300）化学镀NiB作为电镀种子层，采用快速深孔电镀工艺完成TSV填充。基于高保型工艺的WN扩散阻挡层和化学镀NiB作为电镀种子层保证了阻挡层和种子层在深孔底部和侧壁的连续性。图2-7为3μm×50μm TSV无空洞填充FIB-SEM图。对基于上述工艺制备的TSV进行了电性能测试，结果表明，这种先进的高深宽比TSV结构具有良好的可靠性。

图2-7　3μm×50μm TSV无空洞填充FIB-SEM图