TSV，英文缩写 “Through-Silicon Via”，即是穿过硅基板（Wafer或芯片）的垂直电互连。

TSV技术通过铜、钨、多晶硅等导电物质的填充，实现硅通孔的垂直电气互联，这项技术是目前唯一的垂直电互联技术，是实现3D先进封装的关键技术之一。TSV可以替代WB和FC技术。

TSV可以在没有WB情况下制作更薄的封装，因为引线键合在Z方向上是需要一定的空间的；FC没有引线，不能将多个芯粒进行堆叠， 而TSV可以做到即薄又可以堆叠多个芯粒（能够使芯片在三维方向堆叠的密度最大、外形尺寸最小）。TSV还具有更短的电传导通路和更小的信号延迟，因此TSV的功耗比传统的引线键合及倒装焊要小；互连密度更高，这意味着它可以处理更多数据。

根据TSV被制作的时间顺序有3种类型的TSV，分别指在晶圆制作工艺中的前，中或后段。

Via First工艺流程：TSV刻蚀-TSV填充-FEOL-BEOL-Thinning+后道晶圆切割；

Via Middle工艺流程：FEOL- TSV刻蚀-TSV填充-BEOL-Thinning+后道晶圆切割（当前最普遍采用的方法）；

Via Last工艺流程：FEOL-BEOL-Thinning-TSV刻蚀-TSV填充+后道晶圆切割。

注：FEOL：Front end of line，前道工序。简单理解就是在Si衬底上制备N型和P型场效应晶体管（源极、漏极、栅极）

BEOL：Back end of line，后道工序。简单理解就是建立若干层的Cu导电金属线，把衬底上的晶体管按设计的要求连接起来，实现特定的功能。目前大多选用Cu作为导电金属，因此后道又被称为Cu互联。

TSV制备的核心关键步骤从通孔的形成开始（孔刻蚀），然后沉积绝缘层或阻挡层，接着生成铜晶种沉积，最后进行电镀。

蚀刻工艺常用于制作TSV的称作DRIE，Deep Reactive Ion Etching也叫深度反应离子刻蚀，也被称为博世工艺（由德国公司Robert Bosch提出）。在形成PR Patterning图案（定义我们想要刻蚀的区域）上，第一步是各向同性蚀刻，在这个过程中，使用六氟化硫气体，它腐蚀硅衬底以制造TSV。第二步是钝化，在该工艺中，使用八氟环丁烷并制作钝化层以保护硅衬底免受蚀刻。第三步是钝化蚀刻（各向异性），在此过程中等离子体仅刻蚀底部区域。第四步与第一步一样是各向同性蚀刻，但不同的是，此时有钝化层保护所以只蚀刻底部区域，最终制备出通孔。实际上，整个过程是不断重复步骤1，2和3。

硅晶圆孔刻蚀工艺发展历程：硅硬度大且脆，而需要加工的孔径小且量大，用传统的机械加工方式（钻孔）根本不可行。在1958年肖特基的专利中，他提出了用晶料界面的化学腐蚀速率的差异来实现微孔的刻蚀 。反向溅射（即等离子物理轰击刻蚀），但是速率太慢，于是人们不得不又回到化学腐蚀的老路上。化学腐蚀属于各向异性腐蚀，无法实现最合适TSV的圆柱孔。80年代开始，日本用激光打孔的方式来解决硅片上微孔刻蚀的问题，也存在不少问题，一方面孔只能一个个加工比较耗时，另外加工的孔存在表面粗糙以及崩边等问题。直到90年代，DRIE深硅刻蚀技术横空出世。

绝缘层沉积目的是对硅衬底进行完全的电气隔离，防止硅基体与通孔内金属之间短接而漏电。为保证深孔侧壁和底部所沉积的绝缘层厚度（纳米与微米量级），也需要和硅基体有足够强的结合力，同时还要保证和硅衬底之间热膨胀系数匹配，材料通常以硅基氧化物或硅基氮化物为主，常采用等离子体增强化学气相沉积PECVD的方法沉积二氧化硅或氮化硅薄膜。

PECVD的原理：在低气压下，借助微波或射频等使含有薄膜成分原子的气体发生电离，在局部形成等离子体，等离子体化学活性很强，很容易发生反应，在基体表面沉积形成薄膜。

另外，在使用铜作为电导通材料时，考虑到铜在硅和氧化硅中都有较高的扩散率，为了抑制铜的扩散，一般要在铜和氧化硅之间增加一层阻挡扩散用的金属薄膜，为保持上下材料间较好的黏接性，能满足的常见金属及化合物有Ta、TiW、Ti及TiN，多采用物理气相沉积PVD的方法。

PVD是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源材转移到基材表面。常见的PVD方法包括真空蒸发、溅射、离子镀等。

采用溅射的方式沉积种子黏附层，但孔内厚度不足1um，因此需要进一步填充TSV。用于TSV填充以实现信号导通的材料一般是金属，如钨或铜，钨的电阻率较大，在大尺寸TSV工艺中，逐步被电阻率小的铜取代。而电镀铜工艺灵活、成本低、沉积速率快，现已成为TSV制备过程中通孔填充的主要方式。

硅作为一种半导体材料，既没有很好的导电性也没有很好的绝缘性。要在硅片上实现垂直的电互连，除了微孔批量刻蚀之外，其导电化也颇具挑战性。为保证电镀沉积主要发生在TSV孔内而不是硅片表面，可在电镀液中添加抑制剂和加速剂，分别抑制硅片表面的金属沉积并加速TSV孔内的沉积。为了获得完美的填充效果和足够高的良率，各大Foundry和OSTA公司都做了大量研究以获得最佳的电镀的参数，例如电流，温度，硅片的与电极的相对位置，添加剂的浓度等。各大半导体设备公司也开始针对TSV的电镀推出专用的半导体设备。21世纪，基于深硅刻蚀和铜电镀工艺的TSV技术日渐成熟，并开始正式走向商用。

虽然TSV在CIS和HBM中实现了大规模应用，但是其中用到的TSV都是孔径只有10um左右的小孔径TSV，而基于电镀的TSV却一直没能攻下大孔径TSV（直径50um以上）的实心填充（电镀填充满需要几个小时，不仅成本非常高而且良率也难以保证）。对于大孔径TSV，瑞典有家MEMS公司独立开发出了一项基于低阻硅的Sil-Via的TSV技术。Sil-Via与电镀TSV有两大不同：首先，它用的硅基板材料本身就是低阻硅（类似掺杂硅）；其次，在制造过程中，Sil-Via刻蚀的不是孔而是环槽，通过在环槽填充绝缘材料的方式实现中心低阻硅圆柱作为导电介质。Sil-Via主要用于MEMS器件的封装中，正是因为Sil-Via的巨大成功，Silex也成为世界最大的MEMS代工厂。

制备好TSV后，其结构看起来像下图这样。首先有二氧化硅制备的绝缘层，然后由氮化硅、氮化钽或其它物质组成的是阻挡层（避免铜原子穿透到绝缘层），接着是导电金属层（铜晶种层，最后由铜填充），这是最常见的结构。但有的TSV没有铜填充，只是保持孔洞，或者对孔洞进行绝缘干膜填充。

TSV广泛用于CMOS图像传感器（CMOS Image Sensor，CIS）。如右图，因为存在感光面的缘故，CIS芯片的电信号必须从背部引出，TSV因此成为其必不可少的电互连结构。通过使用TSV技术，它可以以更快的速度生成更多的数据，从而制作高质量的视频。

其次是存储。如HBM高带宽存储器，是基于多层堆叠（如今HBM已经可以实现12层的堆叠）的存储芯片，键合方式有直接Cu-Cu键合、粘接、直接熔合、焊接。另外在2.5D封装中使用带有TSV技术的Silicon interposer，可以将多种芯片，像CPU, memory, ASIC等集成到一个封装模块的关键组件，它的垂直互连同样需要TSV。

比较常见的还有MEMS（Microelectro Mechanical Systems，微机电系统），在MEMS封装中，电信号的引出方式有横向和纵向互连，由于横向互连时，在键合界面处有金属电极的存在，导致键合界面存在一定高度差，直接影响封装的密封性能，因此，纵向互连的方式更适合MEMS真空封装。