以下文章來源于漫談大千世界，作者CosmosWanderer

3D-IC通過采用TSV(Through-Silicon Via，硅通孔)技術，實現了不同層芯片之間的垂直互連。這種設計顯著提升了系統集成度，同時有效地縮短了互連線的長度。這樣的改進不僅降低了信號傳輸的延時，還減少了功耗，從而全面提升了系統的整體性能。

根據TSV制作工藝順序的不同，可分為先通孔和后通孔兩種技術。

FE3D: 先通孔是指先刻蝕通孔，再裝配到操作晶圓上，然后減薄，即在CMOS器件或者后道互連之前的設計階段介入。

BE3D: 后通孔是指先將晶圓鍵合到另一個芯片/晶圓上，然后再刻蝕通孔，即在后道互連或者鍵合之后的后期開始。

1. 3D IC的堆疊方式

基于TSV(Through-Silicon Via，硅通孔)技術的3D IC堆疊方式主要有三種類型，每種類型都有其特點和應用場景。

晶圓到晶圓堆疊(Wafer-to-Wafer, W2W)

兩個晶圓均沒有切片;工藝簡單，產出效率最高，成本最低

這個名稱也有稱為Wafer on Wafer，WoW

晶片到晶圓堆疊(Die-to-Wafer, D2W)

將切片后的晶片堆疊到晶圓上。這種方式相比W2W，可能在良率上有所提高，因為可以對單個晶片進行篩選。工藝相對簡單，成本和產出效率介于W2W和D2D之間。

這個名稱也有稱為Chip on Wafer，CoW

晶片到晶片堆疊(Die-to-Die, D2D)

將切片后的兩層晶片堆疊在一起。這種方式可以使用已知良晶片(Known-Good-Die, KGD)，因而良率最高。但是工藝最復雜，產出效率最低，因為需要對每個晶片進行精確的對準和堆疊。

這個名稱也有稱為C2C.

2. 3D IC的堆疊方向

無論晶圓是否切片，3D IC堆疊方向分為三種.

面對面(Face-to-Face, F2F)

面對背(Face-to-Back, F2B)

背對背(Back-to-Back, B2B)

3. 基于TSV的3D IC關鍵集成技術

3D IC集成的關鍵技術主要包括以下幾個方面：

對準(Alignment)

對準(Alignment)是3D IC制造過程中的一個關鍵步驟，它確保了在不同層的芯片或晶圓堆疊時，各個層之間的電路圖案能夠精確地對齊。這種精確對齊對于實現電氣連接的可靠性和功能性至關重要。對準技術的準確性直接影響到3D IC的性能、產量和可靠性。

對準(Alignment)可以采用直接或者間接的方式進行對準。如果兩個硅片中有一個是對可見光或者紅外線透明的，就可以采用直接對準。當兩個硅片都不對可見光或者紅外線透明時，就必須采用間接對準方式。在這種情況下，先將第一個硅片對準到一個參考點上再抬高一定的距離，然后再將第二層硅片對準到同一個參考點上。當然間接對準沒有直接對準的精確度高。

鍵合(Bonding)

鍵合技術是指借助各種化學和物理作用連接兩個或多個芯片或晶圓。目前有四種鍵合技術是最常用的，分別是氧化物鍵合、金屬鍵合、粘合劑鍵合和焊接。

氧化物鍵合：利用上下兩層芯片表面的隔離層(通常是SiO?)進行鍵合。這種技術的優點是可以在低溫下進行，且與半導體工藝兼容。但是，它需要高質量的化學機械拋光和復雜的硅片清潔。

金屬鍵合：可以使用銅或金作為金屬材料。金比銅更容易鍵合，所需溫度和壓力較小。銅鍵合成本低，鍵合強度高，與半導體工藝兼容。金屬鍵合的主要優勢是可以同時實現機械和電連接，且過程中不產生多余氣體。但對工藝溫度和壓力的要求較高，且可能因溫度不一致導致對準誤差。常用的金屬鍵合可控塌陷芯片連接(Controlled Collapse Chip Connect, C4)和薄膜鍵合。

粘合劑鍵合：使用粘合劑來連接襯底或晶圓。典型的粘合劑鍵合是倫斯勒理工學院研發的聚合物鍵合技術。

焊接是一種在印刷電路板上廣泛應用的技術，也可以用于3D IC集成 。它像金屬鍵合一樣，也可以同時實現機械連接和電連接。

晶圓減薄(Wafer Thinning)

在堆疊之前，需要將晶圓減薄到合適的厚度，以減少堆疊后的總厚度，提高封裝的緊湊性和散熱性能。

目前的金屬淀積及等離子體開孔工藝而言，要求上層芯片的TSV高度控制在幾十微米以內，以確保TSV的工藝可靠性。

TSV(Through-Silicon Via)

TSV是實現3D IC垂直互連的關鍵技術，通過在硅片中鉆孔并填充導電材料來實現不同層之間的電氣連接。根據TSV制作工藝順序的不同，可分為先通孔和后通孔兩種技術。

FE3D: 先通孔是指先刻蝕通孔，再裝配到操作晶圓上，然后減薄，即在CMOS器件或者后道互連之前的設計階段介入。

FE3D: 先通孔是指先刻蝕通孔，再裝配到操作晶圓上，然后減薄，即在CMOS器件或者后道互連之前的設計階段介入。

鍵合技術包括直接鍵合、使用中間層(如硅中介層)的鍵合、以及使用微凸點(microbumps)等。

TSV的制造涉及到深反應離子刻蝕(DRIE)、絕緣層沉積、金屬填充等多個步驟。

這些關鍵技術相互配合，共同實現了3D IC的高密度集成、高性能和小型化。隨著技術的發展，3D IC在移動設備、高性能計算、人工智能等領域的應用越來越廣泛。