CN103066040B - 一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构及制造方法,其特征在于设计了一种使用与高频可替代同轴线结构的穿硅通孔传输线结构,此结构使用多个TSV环绕一个传输信号的TSV芯的结构,环绕在周围的TSV接地,构成一个形成类似同轴线的共轴屏蔽层,接地TSV和TSV芯之间的硅片正反两面均使用填充有低介电常数聚合物的隔离槽;接地通孔的数量、尺寸和距离根据实际的应用频段通过仿真确定,以此结构实现微波频段硅片两面互连。使用穿硅传输结构降低了高密度三维封装中信号在通过硅片时微波性能受到的影响,避免损耗过大。该工艺步骤简单,与其他工艺相兼容。
Description
技术领域
本发明涉及一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构及制造方法,属于高密度封装领域。
背景技术
人们对于电子器件更强功能,更高性能,更小体积和更低成本的需求促使各种三维集成及相关封装技术的蓬勃发展,如MCM(多芯片组件),SiP(系统级封装),CSP(芯片尺寸封装),WLP(圆片级封装)等。目前的主流芯片制造和集成技术都是在晶圆的一面进行加工而芯片另一面则制作相应的保护层。如果能将晶圆的两面都利用起来,那么将大大提高集成和封装密度。穿硅通孔技术以其能实现体积最小化和更优良性能的高密度互连成为一项最有发展前景的技术。它能够获得最短的使互连距离,并且能够排除叠层数量的限制。该类型的直接互连也能够对实现更高的装置速度做出贡献。这种制造方法是一项正在获得三维集成电路制造商们更广泛采用的使能技术。故而,当前在国际上,穿硅通孔(TSV)技术是非常热门的研究对象,因为它是实现双面布线集成的基础。如果将双面集成技术与SiP和MCM等高密度封装技术结合起来,会使集成密度提高一倍,实现真正的三维系统集成。
然而,TSV在硅片内的长度通常达到几十微米,甚至几百微米,而普通硅的介电常数较大,在微波频段应用中,信号在硅中损耗很大,极大地影响了微波系统的性能。而如果将硅中的传输线改成同轴线形式,利用同轴线外圈与芯共轴的金属层的屏蔽作用,将有效降低信号在硅中的损耗,还能有效降低衬底噪声。与TSV的研究一片火热不同,由于穿硅同轴线的制造有很大难度,国内对于穿硅同轴线的研究几近空白,而国外也鲜有报道。根据目前的资料,穿硅同轴线一般采用2种方法:其一,在一片已经刻蚀出TSV(TSV侧壁已沉积一层金属屏蔽层)的硅片和一片完整硅片表面分别溅射金种子层,并在高温下实现金/金键合和再电镀的方法来制备穿硅同轴线。但是金/金直接键合温度较高(>260℃),可能会影响某些半导体器件的性能,而且这种键合方法对硅片表面的平整度要求较高。其二,是在已刻出的TSV(TSV侧壁已沉积一层金属屏蔽层)中填充可光刻的厚膜材料,光刻出同轴线信号线图形再电镀的方法。但是这种方法受厚膜材料的光刻能力和光刻精度限制,制备高深宽比的同轴线比较困难。而本发明正是基于对这些问题的研究设计出了代替穿硅同轴线的适用于微波频段的穿硅传输结构。
发明内容
为了降低高密度三维集成中信号在通过硅片时微波性能所受影响,避免穿硅传输的损耗过大,同时简化工艺步骤和难度,本发明的目的在于提供了一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构及制造方法。该所述的方法能在硅中利用MEMS工艺制造通孔,利用信号和接地通孔的分布和低介电常数材料(如苯并环丁烯BCB,聚酰亚胺PI,聚二甲基硅氧烷PDMS等)隔离槽结构起到类似同轴线的效果,不仅能实现穿硅片的互连,而且能有效降低微波信号从微波传输线穿过硅片时产生的损耗,从而保证系统的性能。通孔的尺寸和通孔间的间距可根据实际应用频段进行仿真设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:设计了一种使用与高频可替代同轴线结构的穿硅通孔传输线结构。此结构使用多个TSV环绕一个传输信号的TSV芯的结构,环绕在周围的TSV接地,构成一个形成类似同轴线的共轴屏蔽层,接地TSV和TSV芯之间的硅片正反两面均使用填充有有低介电常数材料填充的隔离槽;接地通孔的数量、尺寸和距离根据实际的应用频段通过仿真确定。其制造方法是在硅圆片的两面氧化层上分别光刻出通孔和隔离槽图形,使用深反应离子体刻蚀工艺(DRIE)刻蚀出通孔和隔离槽,但是不把隔离槽刻穿;电镀形成通孔,在隔离槽内沉积低介电常数聚合物,如BCB;在通孔分布上,以一圈接地通孔环绕信号传输通孔的形式,最终形成类似同轴线的传输形式。
在圆片级工艺的基础上设计并实现了一种可用于微波频段的穿硅传输结构及其制造方法。采用了深反应离子体刻蚀(DRIE)工艺,实现了纵深比高(>10)的垂直硅通孔,其制作的通孔内壁较平滑,对硅片的机械及物理损伤小;利用接地和信号通孔的分布和低温BCB工艺(200℃)填埋隔离槽所实现的传输结构,实现普通硅中低损耗信号传输;采用光刻等与微电子工艺相兼容的圆片级工艺,保证了传输线的精度,能实现大批量制造。该穿硅传输结构降低了高密度三维封装中信号在通过硅片时微波性能受到的影响,避免损耗过大。该工艺步骤简单,与其他工艺相兼容。
由此可见,所述的传输结构中,中心的通孔传输信号,环绕周围的通孔接地,接地通孔的数量、尺寸和距离根据实际的应用频段通过仿真确定,用此结构实现微波频段硅片两面互连。本发明利用信号和接地通孔的分布和低介电常熟聚合物材料隔离槽结构作为信号传输结构。此例中,穿硅传输结构单元为6个接地通孔和1个信号通孔,但本发明不局限于此;
所述的传输结构中,其特征在于在正反两面均使用填充有低介电常数聚合物材料的隔离槽。
所述的穿硅通孔和隔离制作过程中,①先使用刻蚀工艺形成盲孔,再同时进行硅刻蚀工艺,形成正面隔离槽并将盲孔刻穿形成通孔,最后形成背面隔离槽;②穿硅金属通孔是由电镀形成;③使用化学机械抛光(CMP)工艺将多余的低介电常数材料抛去,直至暴露同轴线。
所述的TSV制作过程中,使用深反应离子刻蚀工艺形成深度和硅片厚度(450μm)相等的高纵深比(>10)垂直硅线通孔。
所述的隔离槽制造过程中,①背面隔离槽制造前需将硅片贴到陪片上,再在硅片背面刻蚀出隔离槽图形;②正反两面的隔离槽之间竖直方向上有20μm的硅间隔。
附图说明
图1是穿硅传输结构单元图形的俯视图。
图2是圆片级穿硅传输结构的工艺流程图。
图2-1硅片101预处理后再正反两面生长氧化层。
图2-2在正面腐蚀出通孔刻蚀窗口。
图2-3刻蚀出一半深度的盲孔图形。
图2-4腐蚀氧化层形成隔离槽刻蚀窗口,刻蚀硅,在形成隔离槽同时,将通孔刻穿。
图2-5将硅片1正面朝下,贴在一块陪片2上,在硅片1反面刻蚀出隔离槽腐蚀窗口。
图2-6将硅片1从反面刻蚀硅形成隔离槽,直至正反两面隔离槽之间间隔20μm左右,并去除氧化层。
图2-7整个硅片重新生长一层氧化层。
图2-8电镀铜通孔。
图2-9分别在正反两面隔离槽内填充低介电常数材料,如BCB。
图2-10利用CMP抛去多余的聚合物层露出传输结构金属部分。
具体实施方式
下面将结合附图通过实施例进一步具体描述,以充分体现本发明的实质性特点、显著的进步以及积极效果。本发明的范围决非仅局限于下面的实施例。
在图1中,在硅片上制造了穿硅传输结构,包括信号和接地通孔401,隔离槽低介电常数填充物402和其他硅表面生长的氧化层205,通孔401中,中心的通孔传输信号,环绕周围的通孔接地,接地通孔的数量、尺寸和距离根据实际的应用频段通过仿真确定,用此结构实现微波频段硅片两面互连。此穿硅传输结构单元为6个接地通孔和1个信号通孔,不局限于此例。其中介质层均为大厚度BCB,厚度大于15μm,一般为20-25μm。TSV通过干刻,溅射,光刻和电镀等方法制备。
实施例1
在图2-1-图2-10中,具体介绍应用于微波频段的圆片级穿硅传输结构工艺流程。
1.硅片101表面预处理,生长氧化层102,如图2-1所示。
a)对硅片101的正反两面,进行表面预处理;
b)生长一层氧化层102作为掩模。
2.形成通孔刻蚀窗口103,如图2-2所示。
a)通过光刻显影腐蚀,在硅片101正面形成通孔刻蚀窗口103。
3.形成盲孔(未打穿的孔)104,如图2-3所示。
a)通过深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在硅片101的正面形成深度为硅片一半厚度(例如约225μm)的垂直硅盲孔104。
4.形成正面隔离槽202,并形成通孔201,如图2-4所示。
a)通过光刻显影腐蚀,在硅片101正面刻蚀出隔离槽刻蚀窗口;
b)并通过深反应离子刻蚀(DRIE)工艺在硅片101的正面形成深度略小于为硅片一半厚度(<215μm)的隔离槽202;
c)同时刻穿盲孔104,形成通孔201。
5.形成隔离槽腐蚀窗口203,如图2-5所示。
a)准备与硅片101参数相同的硅陪片301,将硅片101正面朝下,贴在硅陪片301上;
b)在硅片101反面刻蚀出隔离槽腐蚀窗口203。
6.形成背面隔离槽204,如图2-6所示。
a)通过光刻显影腐蚀,在硅片101反面通过深反应离子刻蚀(DRIE)工艺形成深度略小于为硅片一半厚度(<215μm)的隔离槽204;
b)去除氧化层102。
7.重新生长氧化层205,如图2-7所示。
8.电镀通孔201形成金属通孔401,如图2-8所示。
9.分别在硅片101正反两面用低介电常数材料402填充隔离槽202和204,如图2-9所示。
a)硅片101正面隔离槽202内填充低介电常数材料402,如BCB,PI,PDMS等;
b)固化。
c)硅片101反面隔离槽204内填充低介电常数材料402,如BCB,PI,PDMS等;
d)固化。
10.利用CMP抛去多余的聚合物层402,露出传输结构金属通孔部分401,如图2-10所示。
Claims (8)
1.一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构的制作的方法,其特征在于在硅圆片的两面氧化层上分别光刻出通孔和隔离槽图形,使用深反应离子体刻蚀工艺刻蚀出通孔和隔离槽,但是不将隔离槽刻穿;电镀形成通孔,在隔离槽内沉积低介电常数聚合物;在通孔分布上,以一圈接地通孔环绕信号传输通孔的形式,最终形成类似同轴线的传输形式。
2.按权利要求1所述的制作方法,其特征在于具体步骤是:
1)硅片表面预处理,生长氧化层;
a)对硅片的正反两面,进行表面预处理;
b)生长一层氧化层作为掩模;
2)形成通孔刻蚀窗口
通过光刻显影腐蚀,在硅片正面形成通孔刻蚀窗口;
3)形成未打穿的盲孔
通过深反应离子刻蚀工艺在硅片的正面形成深度为硅片一半厚度的垂直硅盲孔;
4)形成正面隔离槽,并形成通孔
a)通过光刻显影腐蚀,在硅片正面刻蚀出隔离槽刻蚀窗口;
b)并通过深反应离子刻蚀工艺在硅片的正面形成深度略小于为硅片一半厚度的隔离槽;
c)同时刻穿盲孔,形成通孔;
5)形成隔离槽腐蚀窗口
a)准备与硅片参数相同的硅陪片,将步骤4所述的硅片正面朝下,贴在硅陪片上;
b)在硅片反面刻蚀出隔离槽腐蚀窗口;
6)形成背面隔离槽
a)通过光刻显影腐蚀,在硅片反面通过深反应离子刻蚀工艺形成深度略小于为硅片一半厚度的隔离槽;
b)去除作为掩模的氧化层;
7)重新生长氧化层;
8)电镀步骤4形成的通孔,形成金属通孔;
9)分别在硅片正反两面用低介电常数聚合物材料填充隔离槽
a)硅片正面的隔离槽内填充低介电常数聚合物材料;
b)固化;
c)硅片反面的隔离槽内填充低介电常数聚合物材料;
d)固化;
10)利用CMP抛去多余的低介电常数聚合物层,露出传输结构金属通孔部分。
3.按权利要求2所述的方法,其特征在于步骤6所形成的正反两面的隔离槽之间垂直方向上有20μm的硅间隔。
4.按权利要求2所述的方法,其特征在于使用深反应离子刻蚀工艺形成深度和硅片厚度相等的纵深比>10的垂直硅线通孔。
5.由权利要求1~4任一项方法制作的一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构,其特征在于设计了一种使用与高频可替代同轴线结构的穿硅通孔传输线结构,此结构使用多个TSV环绕一个传输信号的TSV芯的结构,环绕在周围的TSV接地,构成一个形成类似同轴线的共轴屏蔽层,接地TSV和TSV芯之间的硅片正反两面均使用填充有低介电常数聚合物的隔离槽;接地通孔的数量、尺寸和距离根据实际的应用频段通过仿真确定,以此结构实现微波频段硅片两面互连。
6.按权利要求5所述的结构,其特征在于所述的低介电常数聚合物为苯并环丁烯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
7.按权利要求5所述的结构,其特征在于利用信号和接地通孔的分布和低介电聚合物的隔离槽结构作为信号传输结构。
8.按权利要求5所述的结构,其特征在于所述的穿硅传输TSV结构单元为6个接地通孔和1个信号通孔。
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20150729 Termination date: 20201021 |