TSV(Through-Silicon Via) 구조와 원리 – 반도체 3D 패키징의 핵심 기술

1. 서론 – TSV의 필요성

반도체의 집적도와 성능 향상은 공정 미세화와 함께 패키징 기술의 혁신에 의해 가능해졌습니다. 기존 와이어 본딩(Wire Bonding) 방식은 I/O 밀도와 신호 전송 속도에 한계가 있으며, 플립칩(Flip-Chip) 역시 범프 높이와 패키지 두께, 전기적 특성에서 제한이 있습니다. 이를 극복하기 위해 등장한 기술이 TSV(Through-Silicon Via) 입니다. TSV는 실리콘 기판을 관통하는 수직 금속 배선 구조를 통해 다이와 다이를 직접 연결하여 초고속·고밀도·저전력 패키징을 구현합니다.

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2. TSV 구조

TSV(Through-Silicon Via) 개념도 – 실리콘 웨이퍼를 관통하는 금속 비아 구조

TSV는 실리콘 웨이퍼를 관통하는 미세한 구멍에 절연층과 금속을 채워 만든 수직 전기 경로입니다.
기본 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 실리콘 기판 (Substrate) – TSV가 형성되는 기반
• 절연층 (Dielectric Liner) – 전기 절연 역할, 일반적으로 SiO₂
• 금속 라이너 (Barrier/Seed Layer) – 금속 확산 방지 및 도금 기반층
• 금속 충전 (Metal Fill) – 구리(Cu) 또는 텅스텐(W) 사용
• 패드(Metal Pad) – 상·하부 연결 인터페이스

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3. TSV 제조 공정

TSV 제조 공정 단계 – 식각부터 본딩까지

TSV는 첨단 가공기술과 박막 증착·도금 기술이 결합된 복합 공정입니다.

1. Deep Reactive Ion Etching (DRIE)
   실리콘을 깊이 식각하여 고종횡비(Aspect Ratio)의 비아 홀 형성
2. 절연층 증착 (Dielectric Liner Deposition)
   CVD 또는 ALD로 SiO₂ 절연층 형성
3. 금속 라이너 및 시드층 증착
   Ti/TiN 등의 배리어층 + 구리 시드층 형성
4. 금속 충진 (Electroplating)
   구리 전해도금으로 비아 홀 채움
5. 웨이퍼 후면 연마 (Back Grinding)
   TSV 하부 노출
6. 본딩 및 패키징
   다이와 다이, 또는 다이와 인터포저 연결

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4. TSV의 전기·열 특성

TSV 전기·열 경로 – 신호 전송과 열전도 경로 시각화

TSV는 기존 패키징 대비 신호 경로가 매우 짧아 전기적 성능이 우수합니다.

• 저저항·저인덕턴스 → 고속 신호 전송 가능
• 짧은 신호 지연 (Low Latency)
• 열전도 경로 제공 → 패키지 열 방출에 기여

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5. TSV vs 기존 기술 비교

TSV는 와이어 본딩, 플립칩과 비교해 구조적·전기적 이점이 큽니다.

TSV vs Flip-Chip vs Wire Bonding – 구조와 성능 비교

항목	와이어 본딩	플립칩	TSV
신호 경로 길이	김	중간	매우 짧음
I/O 밀도	낮음	중간	매우 높음
패키지 두께	두꺼움	중간	얇음
전송 속도	낮음	중간	매우 높음

 

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6. TSV 실제 단면

실제 TSV 단면은 아래 SEM(주사전자현미경) 이미지처럼 절연층과 금속 충전이 명확히 구분됩니다.

TSV 단면 SEM 이미지 – 금속 패드, 실리콘, 절연층이 구분된 구조

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7. TSV의 실제 응용 – HBM 패키징

SV + HBM Stacked Package Structure – Showing the connection between HBM memory stack and TSV

TSV는 HBM(High Bandwidth Memory) 적층에서 핵심적 역할을 합니다.
HBM은 다층 메모리 다이를 TSV로 수직 연결하여 대역폭과 전송 속도를 극대화합니다.

TSV + HBM Stacked Package Structure – Showing the connection between HBM memory stack and TSV

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8. 실무 설계·제조 시 고려사항

• TSV 직경·깊이 최적화 → 종횡비 관리
• 절연층 품질 관리 → 누설 전류 최소화
• 금속 충전 결함 방지 → Void-Free 도금 기술
• 열·응력 관리 → 패키지 신뢰성 유지
• 공정 수율 관리 → 식각·도금·연마 불량 최소화

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9. 결론 및 전망

TSV는 3D 반도체 패키징의 핵심 기술로, HBM·AI·서버용 프로세서·이미지 센서 등 고성능 반도체에서 필수적입니다. 향후 2.5D 인터포저와 하이브리드 본딩 기술과 결합하여 더욱 고집적·고성능의 패키징 구현이 가능할 것입니다.

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