2.4　Via-last技术

Via-last技术集成方案中的TSV是芯片制造工艺完成之后进行的，可以从圆片背面加工TSV，也可从圆片正面加工TSV。目前产业界量产的主要是从圆片背面加工TSV，与正面焊盘直接形成电互连通道。最典型的产品应用是CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）产品。图2-8所示的是一种典型的从圆片背面加工TSV的Via-last技术集成方案。主要流程：①由制造厂加工CMOS器件及多层互连线之后，做必要正面工艺（根据需要可加工用于钎焊的金属焊盘或者微凸点）；②借助承载圆片的保护，对衬底进行减薄；③在背面刻蚀深孔；④沉积绝缘层并填充导电材料，获得TSV；⑤在背面加工互连层及凸点，形成有效互连；⑥拆掉承载圆片，用于后续操作。针对CIS应用，承载圆片一般使用透光的玻璃衬底，最终不需要拆除，在圆片背面加工TSV、金属再布线层（Redistribution Layer，RDL）、钝化层和焊球，实现3D圆片级封装集成。

图2-8　从圆片背面加工TSV的Via-last技术集成方案

从圆片背面加工的TSV可以完全填充，如图2-9所示。这种完全填充型适合密度较高的TSV加工。TSV也可部分填充，仅在侧壁覆盖一层金属，典型填充效果如图2-10所示。部分填充TSV技术适用于对密度要求不高的场合，如CIS产品等［47］。

图2-9　完全填充型Via-last TSV

图2-10　部分填充型Via-last TSV

采用圆片-圆片异质键合后将键合的上层圆片减薄，再利用Via-last技术，将键合界面的圆片金属层连接到圆片背部引出，是实现超细节距互连的一个重要方案。IMEC在2017年就实现了1.4μm节距的圆片异质键合［48］。为了进一步实现高密度3D互连，2019年，IMEC研究出了1.4μm超细节距的Via-last技术［49］。在该工艺中，圆片-圆片异质键合后，上层圆片要减薄到5μm，然后在涂胶、光刻后进行干法刻蚀，其光刻胶选用厚度为2μm的正性深紫外胶（Fujifilm KrF DUV）。如图2-11所示，刻蚀后，实际TSV在顶部介质硬掩模下是0.85μm，在TSV中部直径减小到0.70μm，在孔底部直径为0.65μm。高保型原子层沉积TiN介质层嵌入氧化介质层中，用来阻挡刻蚀底部金属铜时，铜二次沉积到孔侧壁氧化层后扩散，同时保护底部介质层刻蚀开窗时侧壁氧化层不被攻击。为降低成本，分别采用传统的物理气相沉积钽和铜作为阻挡层和种子层。利用30nm碱性电镀种子层增强剂来修复不连续铜种子层，获得了无孔隙电镀铜填充。通过开尔文和菊花链测试结构对TSV进行测试，良率达100%。采用可控的I-V测试方法研究了TSV介质层的可靠性，结果证实，微缩的0.7μm×5μm TSV具有高击穿电压、高可靠性。

图2-11　铜填充0.7μm×5μm TSV的投射电镜图片

还有一些研究机构采用从正面加工Via-last型TSV，典型工艺流程如图2-12所示［50］。首先在完成正面工艺的衬底正面依次刻蚀钝化层、介质层和硅衬底，获得TSV深孔；然后进行填充和平坦化，获得盲孔TSV；接着刻蚀钝化层并在正面加工一层再布线层，实现TSV正面与电路的连接；再借助承载圆片的支撑，对衬底进行减薄，实现TSV背面露头，并在背面加工再布线层和焊盘；接下来在背面键合第二张承载圆片，将正面的承载圆片去除，并在正面加工微凸点，完成衬底加工；最后该芯片可以进行正面堆叠芯片的焊接。

图2-12　从正面加工Via-last型TSV的典型工艺流程