硅通孔(TSV,Through Silicon Via)技术是一项颠覆性的技术,它通过在通孔内填充铜、钨、多晶硅等导电物,以实现硅通孔的垂直电气互连,突破平面集成技术的瓶颈,实现沿Z轴方向的三维集成,成为延续和拓展摩尔定律(More than Moore Law)的重要研究方向和解决方案,为满足器件小型化、高性能的迫切需求提供了可能性。目前TSV技术仍不是很成熟,只有少数高端产品量产化。硅通孔技术仍旧面临着技术和工艺挑战,还需要进一步系统深入地研究。本论文以TSV填充机理研究和应用开发为目标,开展对TSV填充机理、模拟和实验研究;通过对Cu-TSV微结构分析、填充影响因素分析、填充工艺优化,以提高Cu-TSV性能和可靠性;最后围绕新型硅基TSV转接板制备工艺开发等开展基础性研究。本论文主要工作包括以下几个方面:为增强对TSV专用添加剂性能的进一步了解,以便建立TSV填充模型,利用电化学工作站对添加剂性能进行了测试。利用XRD技术对镀层的织构进行了表征,并研究了添加剂种类、电流密度大小、种子层等对镀层织构的影响。利用COMSOL Multiphysics软件平台,通过研究TSV填充过程中各个要素,提出了扩散-吸附-脱附-夹杂理论。将扩散-吸附-脱附-夹杂理论和任意拉格朗日-欧拉法(ALE)结合在一起,并考虑了强制对流和孔内含氧量等因素,建立了TSV填充模型,并对各添加剂浓度下TSV填充模式演变和填充过程中孔内各物质传质过程进行了模拟。针对不同孔结构和孔尺寸的TSV对填充效果的影响也进行了相应的模拟研究。最后将模拟结果与实际填孔实验作对比,验证了模型的合理性。将微区XRD技术应用于Cu-TSV微区织构表征,根据不同区域(111)织构系数的变化,计算出沿孔深方向上添加剂分布规律,阐述了TSV的“V”型填充机理。采用电化学测试、模拟仿真、形貌分析等方法,进一步证实了当局部电流密度大于临界电流密度时,孔底部发生添加剂脱附现象,并对“Bottom-Up”填充模式进行了阐述。针对影响TSV填充最为突出的几个因素(外部强制对流、孔尺寸大小、电场强度分布、镀液温度、种子层厚度、预润湿效果、扇贝结构等),通过模拟仿真和填孔实验进行了深入的研究。采用电子背散射衍射(EBSD)技术,对Cu-TSV微结构进行了表征,并根据测试结果对TSV填充过程中孔内添加剂分布规律进行了分析。针对TSV填充工艺进行了优化,实现了同一晶圆上不同深宽比TSV的同步无孔洞填充。提出了TSV多步填充工艺,在预润湿的电解质溶液中添加过量的加速剂,使加速剂在预润湿阶段提前进入盲孔内并吸附在孔内壁上,然后将预润湿的芯片放入只含有抑制剂的镀液中电镀,既实现了“Bottom-Up”填充模式,又提高了填孔效率。将干膜光刻胶和硅通孔填充工艺结合在一起,开发出了快速高效制备硅基TSV转接板的新方法-干膜光刻胶选择性屏蔽双向填充法,此方法简化了工艺步骤,降低了工艺成本,提高了TSV电气互连的可靠性。通过以上对TSV填充机理研究、盲孔和通孔模拟仿真、影响因素分析、填充工艺优化、Cu-TSV微结构分析、以及硅基转接板应用工艺探索,更加深入地阐明了TSV填充机理,实现了大尺寸、不同深宽比TSV的快速、高效、同步填充,开发出快速高效制备硅基TSV转接板的干膜光刻胶选择性屏蔽双向填充法,有助于推动TSV技术的实际应用。