CN103633045B - 基于soi的tsv高频立体集成互连结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于SOI的TSV高频立体集成互连结构，内部圆柱形TSV通孔与外部环形TSV通孔同轴，且两者之间填充苯并环丁烯树脂绝缘胶；外部环形TSV通孔由外向内依次为二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN、铜种子层和中空铜柱，内部圆柱形TSV通孔由外向内也依次由二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN、铜种子层和圆柱形铜柱组成；所述的二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN、种子层、中空铜柱和铜柱都纵向贯穿SOI衬底的顶层硅、二氧化硅埋氧层和底层硅。本发明极大的节约芯片面积，且信号彼此间绝缘隔离，降低漏电损耗和噪声耦合串扰，提高信号传输质量，增加立体集成器件可靠性，可满足高频立体集成器件抗辐射加固的应用需求。

Description

基于SOI的TSV高频立体集成互连结构

技术领域

本发明涉及微电子技术领域。

背景技术

为满足TSV立体集成器件高频信号传输的应用需求，通常需要设计具有信号回流路径的TSV通孔互连结构。目前，TSV立体集成器件中广泛使用文献“High-FrequencyScalable Electrical Model and Analysis of a Through Silicon Via(TSV)”中提出的的S-G（信号-地）双TSV通孔互连结构（参见图1）来传输高频信号。此互连结构由两根TSV通孔组成，一根用于信号传输，另外一根当作“地”用于信号回流，两根TSV通孔各自被二氧化硅绝缘层和硅包裹，形成铜/Ta/TaN-二氧化硅-硅夹层结构。在高频信号传输时，由于硅具有一定导电性，所以此夹层结构表现出明显的电容充放电特性，导致一部分信号会透过绝缘层在硅中损耗。随着信号频率上升，漏电损耗会愈发严重，信号幅值大幅降低，严重影响立体集成器件的性能。当存在多组S-G双TSV通孔互连结构时（参见图2），用于信号传输的TSV通孔间极易发生噪声耦合串扰现象，信号畸变可能会导致立体集成器件无法正常工作，降低器件可靠性。此外，由于需要额外布置TSV通孔用于信号回流，所以会占用较多的芯片面积，无疑增加了开发成本，降低了经济效率。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于SOI的TSV高频立体集成互连结构，通过单根TSV通孔即可完成高频信号传输与回流，极大的节约芯片面积，且信号彼此间绝缘隔离，降低漏电损耗和噪声耦合串扰，提高信号传输质量，增加立体集成器件可靠性。此外，该TSV互连结构基于SOI衬底，可满足高频立体集成器件抗辐射加固的应用需求。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括内部圆柱型TSV通孔和外部环形TSV通孔；

所述的内部圆柱形TSV通孔与外部环形TSV通孔同轴，且两者之间填充厚度为W3的苯并环丁烯树脂绝缘胶；所述的外部环形TSV通孔由外向内依次为厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2的阻挡层TaN、厚度D3的铜种子层和宽度W2的中空铜柱，D2：D3=1:1～1:1.5；所述的内部圆柱形TSV通孔由外向内也依次由厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2的阻挡层TaN、厚度D3的铜种子层和直径为W1的圆柱形铜柱组成；所述的二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN、种子层、中空铜柱和铜柱都纵向贯穿SOI衬底的顶层硅、二氧化硅埋氧层和底层硅；

所述的厚度 $W3=\sqrt{{\left(\frac{w_1}{2}\right)}^2+{(2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})}^2}-(w2+2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2}).$

本发明的有益效果是：本发明可用于SOI衬底上的高频器件立体集成，满足SOI立体集成器件高速数字信号传输及抗辐射加固的应用需求。与常规的S-G双TSV通孔互连结构相比，本结构通过单根TSV实现信号传输与信号回流，其中内侧圆柱TSV通孔用于高频信号传输，外部环形TSV通孔当作地用于高频信号回流，内部圆柱与外部环形间填充BCB（苯并环丁烯）绝缘胶进行电隔离。在传输高频信号时，由于信号与地之间存在BCB介质隔离，所以电磁信号被限制在内部TSV通孔与外部环形TSV通孔间，信号-地之间不存在漏电路径，进而可极大的降低漏电损耗，提高信号的传输质量。与此同时，由于内部TSV通孔外围包裹BCB绝缘胶及环形TSV通孔，所以当使用多组该结构传输高频信号时，BCB层和环形TSV通孔可充当屏蔽层，从而可大幅减弱信号间的噪声耦合串扰问题，避免传输信号发生畸变影响立体集成器件的工作性能，提高立体集成器件可靠性。此外，由于该结构无需布置额外TSV通孔用于信号回流并且基于SOI衬底，所以可极大的降低成本，提高经济效率并且满足立体集成器件抗辐射加固的应用需求。

附图说明

图1是传统的S-G双TSV通孔互连结构图；

图2是多组S-G双TSV通孔互连结构顶视图；

图3是基于SOI的TSV高频立体集成互连结构顶视图；

图4是基于SOI的TSV高频立体集成互连结构横截面图；

图中，1-硅衬底，2-二氧化硅绝缘层，3-阻挡层Ta/TaN及铜种子层，4-TSV铜柱，5-S信号传输TSV通孔，6-G地信号回流TSV通孔，7-发生噪声耦合串扰的两根S信号传输TSV通孔，8-内部圆柱TSV通孔铜柱，9-BCB（苯并环丁烯树脂）填充层，10-外部环形TSV通孔铜柱，11-顶层硅，12-二氧化硅埋氧层，13-底层硅，14-外部环形TSV通孔的二氧化硅绝缘层，15-外部环形TSV通孔的阻挡层TaN及铜种子层，16-内部圆柱形TSV通孔的二氧化硅绝缘层，17-内部圆柱形TSV通孔的阻挡层TaN及铜种子层，18-SOI衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出一种基于SOI的TSV高频立体集成互连结构，该互连结构的技术特征在于：整个TSV通孔互连需要在SOI衬底上制作，其结构主要包含内部圆柱型TSV通孔和外部环形TSV通孔两部分，内部圆柱形TSV通孔与外部环形TSV通孔同轴，且两者之间填充厚度为W3的BCB（苯并环丁烯）树脂绝缘胶进行电隔离（参见图3）。其中外部环形TSV通孔由外向内依次由厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2阻挡层TaN及厚度D3铜种子层（D2：D3=1:1～1:1.5）、宽度W2环形铜柱组成，构成二氧化硅层-阻挡层TaN及铜种子层-铜柱的夹层结构；同理，内部圆柱形TSV通孔由外向内也依次由厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2阻挡层TaN及厚度D3铜种子层（D2：D3=1:1～1:1.5）、直径为W1的圆柱形T铜柱组成。因此内部圆柱形TSV通孔与外部环形TSV通孔的二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN及种子层，铜柱都纵向贯穿SOI衬底的顶层硅、二氧化硅埋氧层和底层硅（参见图4）。

在高频信号传输时，此TSV高频立体集成互连结构中的内部圆柱TSV铜柱用于高频信号传输，外部环形TSV铜柱当作地用于高频信号回流，为避免阻抗突变，内部圆柱形TSV通孔铜柱顶部表面积应等于外部环形TSV铜柱顶部表面积，由此计算出填充BCB的厚度 $W3=\sqrt{{\left(\frac{w_1}{2}\right)}^2+{(2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})}^2}-(w2+2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2}).$

实施例1：

如图3所示，该TSV立体集成互连结构基于SOI衬底18，衬底类型为P型硅，内部TSV通孔呈圆柱形，外部TSV通孔呈环形，两者间填充物为BCB（苯并环丁烯树脂）填充层9。

如图4所示，SOI衬底18顶层硅11厚度为埋氧层12厚度为底层硅13厚度为80μm。内部圆柱形TSV铜柱8直径W1为15μm，内部圆柱形TSV通孔绝缘层16厚度D1为0.5μm，内部圆柱形TSV通孔阻挡层TaN及铜种子层17厚度0.4μm，其中TaN层厚度D2为0.2μm，铜种子层厚度D3为0.2μm。外部环形TSV铜柱10厚度W2为6μm，外部环形TSV通孔绝缘层14厚度D1为0.5μm，外部环形TSV通孔阻挡层TaN及铜种子层15厚度0.4μm，其中TaN层厚度D2为0.2μm，铜种子层D3为0.2μm。

按照公式 $W3=\sqrt{{\left(\frac{w_1}{2}\right)}^2+{(2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})}^2}-(w2+2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})$ 可计算出BCB（苯并环丁烯树脂）填充层9厚度W3为1μm。

实施例2：

如图3所示，该TSV立体集成互连结构基于SOI衬底18，衬底类型为N型硅，内部TSV通孔呈圆柱形，外部TSV通孔呈环形，两者间填充物为BCB（苯并环丁烯树脂）填充层9。

如图4所示，SOI衬底18顶层硅11厚度为埋氧层12厚度为底层硅13厚度为100μm。内部圆柱形TSV铜柱8直径W1为20μm，内部圆柱形TSV通孔绝缘层16厚度D1为0.5μm，内部圆柱形TSV通孔阻挡层TaN及铜种子层17厚度0.4μm，其中TaN层厚度D2为0.2μm，铜种子层厚度D3为0.2μm。外部环形TSV铜柱10厚度W2为7μm，外部环形TSV通孔绝缘层14厚度D1为0.5μm，外部环形TSV通孔阻挡层TaN及铜种子层15厚度0.4μm，其中TaN层厚度D2为0.2μm，铜种子层D3为0.2μm。

按照公式 $W3=\sqrt{{\left(\frac{w_1}{2}\right)}^2+{(2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})}^2}-(w2+2D1+2D2+2D3+\frac{w_1}{2})$ 可计算出BCB（苯并环丁烯树脂）填充层9厚度W3为1.5μm。

Claims (1)

1.一种基于SOI的TSV高频立体集成互连结构，包括内部圆柱型TSV通孔和外部环形TSV通孔，其特征在于：所述的内部圆柱形TSV通孔与外部环形TSV通孔同轴，且两者之间填充厚度为W3的苯并环丁烯树脂绝缘胶；所述的外部环形TSV通孔由外向内依次为厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2的阻挡层TaN、厚度D3的铜种子层、宽度W2的中空铜柱、厚度D3的铜种子层、厚度D2的阻挡层TaN和厚度D1的二氧化硅绝缘层，D2：D3＝1:1～1:1.5；所述的内部圆柱形TSV通孔由外向内也依次由厚度D1的二氧化硅绝缘层、厚度D2的阻挡层TaN、厚度D3的铜种子层和直径为W1的圆柱形铜柱组成；所述的二氧化硅绝缘层、阻挡层TaN、种子层、中空铜柱和铜柱都纵向贯穿SOI衬底的顶层硅、二氧化硅埋氧层和底层硅；所述的厚度