[發明專利]一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結構及制造方法

有效

• 申請號: 201110324618.X
• 申請日: 2011-10-21
• 公開（公告）號: CN103066040A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 湯佳杰;羅樂;丁曉云;徐高衛;陳驍
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: H01L23/48
• 分類號: H01L23/48;H01L21/768
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 潘振甦

技術領域

本發明涉及一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結構及制造方法，屬于高密度封裝領域。

背景技術

人們對于電子器件更強功能，更高性能，更小體積和更低成本的需求促使各種三維集成及相關封裝技術的蓬勃發展，如MCM(多芯片組件)，SiP(系統級封裝)，CSP(芯片尺寸封裝)，WLP(圓片級封裝)等。目前的主流芯片制造和集成技術都是在晶圓的一面進行加工而芯片另一面則制作相應的保護層。如果能將晶圓的兩面都利用起來，那么將大大提高集成和封裝密度。穿硅通孔技術以其能實現體積最小化和更優良性能的高密度互連成為一項最有發展前景的技術。它能夠獲得最短的使互連距離，并且能夠排除疊層數量的限制。該類型的直接互連也能夠對實現更高的裝置速度做出貢獻。這種制造方法是一項正在獲得三維集成電路制造商們更廣泛采用的使能技術。故而，當前在國際上，穿硅通孔(TSV)技術是非常熱門的研究對象，因為它是實現雙面布線集成的基礎。如果將雙面集成技術與SiP和MCM等高密度封裝技術結合起來，會使集成密度提高一倍，實現真正的三維系統集成。

然而，TSV在硅片內的長度通常達到幾十微米，甚至幾百微米，而普通硅的介電常數較大，在微波頻段應用中，信號在硅中損耗很大，極大地影響了微波系統的性能。而如果將硅中的傳輸線改成同軸線形式，利用同軸線外圈與芯共軸的金屬層的屏蔽作用，將有效降低信號在硅中的損耗，還能有效降低襯底噪聲。與TSV的研究一片火熱不同，由于穿硅同軸線的制造有很大難度，國內對于穿硅同軸線的研究幾近空白，而國外也鮮有報道。根據目前的資料，穿硅同軸線一般采用2種方法：其一，在一片已經刻蝕出TSV(TSV側壁已沉積一層金屬屏蔽層)的硅片和一片完整硅片表面分別濺射金種子層，并在高溫下實現金/金鍵合和再電鍍的方法來制備穿硅同軸線。但是金/金直接鍵合溫度較高(＞260℃)，可能會影響某些半導體器件的性能，而且這種鍵合方法對硅片表面的平整度要求較高。其二，是在已刻出的TSV(TSV側壁已沉積一層金屬屏蔽層)中填充可光刻的厚膜材料，光刻出同軸線信號線圖形再電鍍的方法。但是這種方法受厚膜材料的光刻能力和光刻精度限制，制備高深寬比的同軸線比較困難。而本發明正是基于對這些問題的研究設計出了代替穿硅同軸線的適用于微波頻段的穿硅傳輸結構。

發明內容

為了降低高密度三維集成中信號在通過硅片時微波性能所受影響，避免穿硅傳輸的損耗過大，同時簡化工藝步驟和難度，本發明的目的在于提供了一種可用于微波頻段的圓片級穿硅傳輸結構及制造方法。該所述的方法能在硅中利用MEMS工藝制造通孔，利用信號和接地通孔的分布和低介電常數材料(如苯并環丁烯BCB，聚酰亞胺PI，聚二甲基硅氧烷PDMS等)隔離槽結構起到類似同軸線的效果，不僅能實現穿硅片的互連，而且能有效降低微波信號從微波傳輸線穿過硅片時產生的損耗，從而保證系統的性能。通孔的尺寸和通孔間的間距可根據實際應用頻段進行仿真設計。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：設計了一種使用與高頻可替代同軸線結構的穿硅通孔傳輸線結構。此結構使用多個TSV環繞一個傳輸信號的TSV芯的結構，環繞在周圍的TSV接地，構成一個形成類似同軸線的共軸屏蔽層，接地TSV和TSV芯之間的硅片正反兩面均使用填充有有低介電常數材料填充的隔離槽；接地通孔的數量、尺寸和距離根據實際的應用頻段通過仿真確定。其制造方法是在硅圓片的兩面氧化層上分別光刻出通孔和隔離槽圖形，使用深反應離子體刻蝕工藝(DRIE)刻蝕出通孔和隔離槽，但是不把隔離槽刻穿；電鍍形成通孔，在隔離槽內沉積低介電常數聚合物，如BCB；在通孔分布上，以一圈接地通孔環繞信號傳輸通孔的形式，最終形成類似同軸線的傳輸形式。

在圓片級工藝的基礎上設計并實現了一種可用于微波頻段的穿硅傳輸結構及其制造方法。采用了深反應離子體刻蝕(DRIE)工藝，實現了縱深比高(＞10)的垂直硅通孔，其制作的通孔內壁較平滑，對硅片的機械及物理損傷?。焕媒拥睾托盘柾椎姆植己偷蜏谺CB工藝(200℃)填埋隔離槽所實現的傳輸結構，實現普通硅中低損耗信號傳輸；采用光刻等與微電子工藝相兼容的圓片級工藝，保證了傳輸線的精度，能實現大批量制造。該穿硅傳輸結構降低了高密度三維封裝中信號在通過硅片時微波性能受到的影響，避免損耗過大。該工藝步驟簡單，與其他工藝相兼容。