CN108832245A - 一种基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构及其制备工艺，利用TSV三维封装技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在体积较小的三维芯片系统之中，在该结构中，由于刻蚀掉了TSV金属导体柱周围的硅衬底，使得TSV金属导体柱之间的介质由低阻硅衬底变成了介电常数较低的高分子聚合物苯并环丁烯(BCB)绝缘材料，从而消除了硅衬底在高频电路中的涡流效应，相应的硅衬底的高频损耗也不复存在，进而显著的降低了本发明的基片集成波导(SIW)结构的功耗，提高了其品质因数；由于引入了低耗的高分子聚合物苯并环丁烯(BCB)(填充于BCB介质腔内)，所以使得本发明的基片集成波导(SIW)结构的谐振提取得以显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种基片集成波导结构及其制备工艺，具体涉及一种基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构及其制备工艺，属于集成电路制造、集成电路封装和微系统封装技术领域。
背景技术
近年来，由于商业应用的驱动，毫米波无线通信得以迅猛的发展，例如短程的点对点高数据速率无线通信、无源成像系统以及车载雷达等。这些应用无不需要毫米波无线通信系统具有较高的性能、小型化体积、高度集成化以及低廉的生产成本(最重要)。为了达到高度的集成化与最小的整体设备体积，片上系统(SoC)成为了人们的研究重点，SoC能够将射频(RF)前端、模拟和数字电路模块等集成在一个芯片系统之上。然而，一方面，不同模块之间通过常规半导体硅衬底的信号传输会极大的衰减系统的性能；另一方面，芯片上具有较低品质因数的无源器件也会衰减高速高度集成化系统的性能。系统封装(SoP)则提供了另一种更为实际的集成技术，即两块或多块异构芯片被集成在同一个封装上，其中占据较大面积的无源器件，例如电感、电容、滤波器、天线等，可以集成封装平台上，而无需小号生产成本较高的有源芯片电路。因此，总的系统生产成本会显著降低。
当系统的工作频率上升到毫米波范围之后，封装会面临很多挑战。通常，绝大部分毫米波互连与无源器件都是波导形式，且其损耗都较低。然而，波导结构的体积一般都较大，生产成本较高，并且与单片微波集成电路(MMICs)难于集成在一个系统上。后来出现的低温共烧陶瓷(LTCC)虽然在微波与毫米波频段内具有稳定的介电常数与较低的损耗，并在几十年中都作为封装的主要技术之一，但其较厚的衬底与较大的体积也极大的限制了它的广泛应用。
三维集成技术将传统的二维集成电路垂直堆叠起来，硅通孔作为三维集成电路中关键结构，用于实现三维集成电路上下层芯片间的信号传输，通过硅通孔实现层间垂直互连与封装，从而显著提高了集成度，同时减小了功耗，提高了系统性能，因此被业界公认为延续摩尔定律最有效的途径之一，成为近年来的研究热点。
基片集成波导(SIW)结构的一个重要特性是：其性能受金属通孔的直径和通孔之间的间距影响较大，而衬底厚度对其影响较小。基于基片集成波导(SIW)结构的这个特性，我们可以利用TSV三维集成技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在三维系统中的芯片之上，使其能够与其他异构芯片实现三维集成，从而显著减小整个微波电路系统的体积。但由于半导体硅衬底在高频条件下具有较大的损耗，所以阻碍了基片集成波导(SIW)结构在三维集成中的广泛应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高品质因数、低功耗、高谐振频率、小体积的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导(SIW)结构，以及该基片集成波导(SIW)结构的制备工艺。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，从上至下依次包括：顶层金属互连介质层(2)、顶层接地板(3)、中间层金属互连介质层(5)、低阻硅衬底(6)、底层金属互连介质层(9)和底层接地板(10)，其中，
前述顶层金属互连介质层(2)用于电学隔离顶层接地板(3)与其他层金属互连，其上制备有输入与输出端口(1)；
前述顶层接地板(3)用于将顶层的电荷及时移入大地，其上刻蚀有辐射窗口(4)，前述辐射窗口(4)用于传输输入波导和输出波导；
前述中间层金属互连介质层(5)用于电学隔离顶层接地板(3)和低阻硅衬底(6)，其上刻蚀有若干柱孔，前述柱孔的位置与低阻硅衬底(6)上的TSV金属导体柱(8)的位置一一对应；
前述低阻硅衬底(6)用作介质腔滤波器的基底，其中部形成有BCB介质腔(7)，前述BCB介质腔(7)被高分子聚合物苯并环丁烯BCB填充，填充后的BCB介质腔(7)内制备有若干TSV金属导体柱(8)，前述TSV金属导体柱(8)在BCB介质腔(7)内形成内外两圈，并且交错排列，构成接地栅结构，TSV金属导体柱(8)的上下两端分别与顶层接地板(3)和底层接地板(10)连接；
前述底层金属互连介质层(9)用于电学隔离低阻硅衬底(6)和底层接地板(10)，其上刻蚀有若干柱孔，前述柱孔的位置与低阻硅衬底(6)上的TSV金属导体柱(8)的位置一一对应；
前述底层接地板(10)用于将底层的电荷及时移入大地。
前述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，前述顶层金属互连介质层(2)、中间层金属互连介质层(5)和底层金属互连介质层(9)采用SiO2或BCB。
前述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，前述中间层金属互连介质层(5)和底层金属互连介质层(9)的厚度为1μm-3μm。
前述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，前述输入与输出端口(1)采用铜互连线。
前述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，前述输入与输出端口(1)采用共面波导模式。
前述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，前述顶层接地板(3)和底层接地板(10)采用铜。
一种制备前述的介质腔基片集成波导结构的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：在低阻硅衬底(6)的正面淀积顶层金属互连介质层(5)；
Step2：在顶层金属互连介质层(5)的上面淀积顶层接地板(3)，并在顶层接地板(3)上刻蚀辐射窗口(4)；
Step3：在顶层接地板(3)的上面淀积顶层金属互连介质层(2)，并在顶层金属互连介质层(2)上淀积输入与输出端口(1)；
Step4：对低阻硅衬底(6)的背面进行减薄与平整化，然后将低阻硅衬底(6)的正面临时键合在载晶圆上；
Step5：在低阻硅衬底(6)的背面涂覆介质腔光刻胶，利用DRIE刻蚀掉部分低阻硅衬底(6)，形成BCB介质腔(7)，用高分子聚合物苯并环丁烯将BCB介质腔(7)填充满；
Step6：对低阻硅衬底(6)的背面进行平整化，并淀积底层金属互连介质层(9)；
Step7：在底层金属互连介质层(9)的表面涂覆深孔TSV光刻胶，利用DRIE技术刻蚀圆柱形TSV深孔阵列，直到露出顶层接地板(3)；
Step8：在TSV深孔内溅射金属种子层，然后采用盲孔电镀的方式形成TSV金属导体柱(8)，直至将深孔填充满；
Step9：去除底层金属互连介质层(9)表面的深孔TSV光刻胶和外露的TSV金属导体柱(8)，然后淀积底层接地板(10)，使得底层接地板(10)与TSV金属导体柱(8)相连接；
Step10：热释放键合胶层，使得介质腔基片集成波导结构从载晶圆上脱离下来。
前述的制备工艺，其特征在于，在Step4中，前述载晶圆上的键合材料为热释放键合胶，它的热释放温度为150℃。
本发明的有益之处在于：
(1)品质因数高、功耗低
由于刻蚀掉了TSV金属导体柱周围的硅衬底，使得TSV金属导体柱之间的介质由低阻硅衬底变成了介电常数较低的绝缘材料苯并环丁烯(BCB)，从而消除了硅衬底在高频电路中的涡流效应，相应的硅衬底的高频损耗也不复存在，进而显著的降低了本发明的基片集成波导(SIW)结构的功耗，提高了其品质因数。
(2)谐振频率提高
由于引入了低耗的BCB，使得本发明的基片集成波导(SIW)结构的谐振提取得以显著提高。
(3)结构体积减小
利用TSV三维封装技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在体积较小的三维芯片系统之中，且利用三维封装的天然优势，将二阶、三阶等高阶耦合基片集成波导(SIW)结构灵活的集成在不同的芯片之上，进一步减小了本发明的基片集成波导(SIW)结构的体积。
附图说明
图1是本发明的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导(SIW)结构的爆炸图。
图中附图标记的含义：1-输入与输出端口、2-顶层金属互连介质层、3-顶层接地板、4-辐射窗口、5-中间层金属互连介质层、6-低阻硅衬底、7-BCB介质腔、8-TSV金属导体柱、9-底层金属互连介质层、10-底层接地板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
首先，介绍本发明的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构。
参照图1，本发明的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导(SIW)结构，其从上至下依次包括：顶层金属互连介质层2、顶层接地板3、中间层金属互连介质层5、低阻硅衬底6、底层金属互连介质层9和底层接地板10。
1、顶层金属互连介质层
顶层金属互连介质层2用于电学隔离顶层接地板3与其他层金属互连，其采用的是绝缘材料，例如：SiO2、BCB。
顶层金属互连介质层2上制备有输入与输出端口1，采用铜作为端口材料。
为满足不同的设计要求，以降低基片集成波导(SIW)结构的损耗，输入与输出端口1可采用共面波导(CPW)等模式。
2、顶层接地板
顶层接地板3用于将顶层的电荷及时移入大地，其采用的是铜板。
顶层接地板3上刻蚀有辐射窗口4，辐射窗口4用于传输输入波导和输出波导。
3、中间层金属互连介质层
中间层金属互连介质层5用于电学隔离顶层接地板3和低阻硅衬底6，其采用的是绝缘材料，例如：SiO2、BCB。
中间层金属互连介质层5的厚度为1μm-3μm。
中间层金属互连介质层5上刻蚀有若干柱孔，柱孔的位置与即将介绍的低阻硅衬底6上的TSV金属导体柱8的位置一一对应，使得TSV金属导体柱8的上端能够与顶层接地板3连接，实现波导传输。
4、低阻硅衬底
低阻硅衬底6用作介质腔滤波器的基底。为了降低整个基片集成波导(SIW)结构的成本，我们可以选用低成本的低阻硅衬底6。
低阻硅衬底6的中部形成有BCB介质腔7，该BCB介质腔7被高分子聚合物苯并环丁烯(BCB)填充满，填充后的BCB介质腔7内制备有若干TSV金属导体柱8，TSV金属导体柱8在BCB介质腔7内形成内外两圈，并且交错排列，构成接地栅结构，TSV金属导体柱8的上端与顶层接地板3连接，下端与即将介绍的底层接地板10连接。
BCB介质腔7内填充的高分子聚合物苯并环丁烯(BCB)使得TSV金属导体柱8能够完全置于BCB介质腔7中，苯并环丁烯(BCB)既实现了TSV金属导体柱8与低阻硅衬底6之间的电学连接，也由于其较低的介电常数而减小了基片集成波导(SIW)结构的高频损耗。
TSV金属导体柱8采用的是内外两圈交错排列的方式，这样可以有效减小TSV金属导体柱8之间所形成的漏电流。
由于刻蚀掉了TSV金属导体柱8周围的硅衬底，使得TSV金属导体柱8之间的介质由低阻硅衬底变成了介电常数较低的高分子聚合物苯并环丁烯(BCB)绝缘材料，从而消除了硅衬底在高频电路中的涡流效应，相应的硅衬底的高频损耗也不复存在，进而显著的降低了本发明的基片集成波导(SIW)结构的功耗，提高了其品质因数。
由于引入了低耗的高分子聚合物苯并环丁烯BCB(填充于BCB介质腔7内)，所以使得本发明的基片集成波导(SIW)结构的谐振提取得以显著提高。
5、底层金属互连介质层
底层金属互连介质层9用于电学隔离低阻硅衬底6和底层接地板10，其采用的是绝缘材料，例如：SiO2、BCB。
底层金属互连介质层9的厚度为1μm-3μm。
底层金属互连介质层9上刻蚀有若干柱孔，柱孔的位置与低阻硅衬底6上的TSV金属导体柱8的位置一一对应，使得TSV金属导体柱8的下端能够与底层接地板10连接。
6、底层接地板
底层接地板10用于将底层的电荷及时移入大地，其采用的是铜板。
由此可见，本发明利用TSV三维封装技术，将基片集成波导(SIW)结构集成在体积较小的三维芯片系统之中，且利用三维封装的天然优势，将二阶、三阶等高阶耦合基片集成波导(SIW)结构灵活的集成在不同的芯片之上，进一步减小了本发明的基片集成波导(SIW)结构的体积。
本发明的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导(SIW)结构可用于高频、低损耗三维微系统的垂直互连。
接下来，介绍制作本发明的介质腔基片集成波导结构的工艺。
Step1：在低阻硅衬底6的正面淀积一层厚度为1μm-3μm的顶层金属互连介质层5，顶层金属互连介质层5的作用为在低阻硅衬底6与顶层接地板3之间实现电学隔离。
Step2：在顶层金属互连介质层5的上面淀积顶层接地板3，顶层接地板3所用材料为铜，然后在顶层接地板3上刻蚀辐射窗口4，以实现输入波导与输出波导的传输。
Step3：在顶层接地板3的上面淀积顶层金属互连介质层2，用以实现顶层接地板3与其他层金属互连之间的电学隔离，然后在顶层金属互连介质层2上淀积输入与输出端口1，采用铜作为端口材料。
Step4：对低阻硅衬底6的背面进行减薄与平整化，然后将低阻硅衬底6的正面临时键合在载晶圆上，载晶圆上的键合材料为热释放键合胶，它的热释放温度为150℃。
Step5：在低阻硅衬底6的背面涂覆介质腔光刻胶，利用DRIE刻蚀掉部分低阻硅衬底6，形成BCB介质腔7，用高分子聚合物苯并环丁烯将BCB介质腔7填充满。
Step6：对低阻硅衬底6的背面进行平整化，并淀积一层厚度为1μm-3μm的底层金属互连介质层9，用以实现低阻硅衬底6与底层接地板10之间的电学隔离。
Step7：在底层金属互连介质层9的表面涂覆深孔TSV光刻胶，利用DRIE技术刻蚀圆柱形TSV深孔阵列，直到露出顶层接地板3。
Step8：在TSV深孔内溅射金属种子层，然后采用盲孔电镀的方式形成TSV金属导体柱8，直至将深孔填充满，TSV金属导体柱8在BCB介质腔7内形成内外两圈，并且交错排列，构成接地栅结构，内外两圈交错排列有效减小了TSV金属导体柱8之间所形成的漏电流。
Step9：去除底层金属互连介质层9表面的深孔TSV光刻胶和外露的TSV金属导体柱8，然后淀积底层接地板10，使得底层接地板10与TSV金属导体柱8相连接。
Step10：通过加热的方式实现热释放键合胶层，使得介质腔基片集成波导结构从载晶圆上脱离下来，本发明的基片集成波导(SIW)结构即制作完成。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，从上至下依次包括：顶层金属互连介质层(2)、顶层接地板(3)、中间层金属互连介质层(5)、低阻硅衬底(6)、底层金属互连介质层(9)和底层接地板(10)，其中，
所述顶层金属互连介质层(2)用于电学隔离顶层接地板(3)与其他层金属互连，其上制备有输入与输出端口(1)；
所述顶层接地板(3)用于将顶层的电荷及时移入大地，其上刻蚀有辐射窗口(4)，所述辐射窗口(4)用于传输输入波导和输出波导；
所述中间层金属互连介质层(5)用于电学隔离顶层接地板(3)和低阻硅衬底(6)，其上刻蚀有若干柱孔，所述柱孔的位置与低阻硅衬底(6)上的TSV金属导体柱(8)的位置一一对应；
所述低阻硅衬底(6)用作介质腔滤波器的基底，其中部形成有BCB介质腔(7)，所述BCB介质腔(7)被高分子聚合物苯并环丁烯BCB填充，填充后的BCB介质腔(7)内制备有若干TSV金属导体柱(8)，所述TSV金属导体柱(8)在BCB介质腔(7)内形成内外两圈，并且交错排列，构成接地栅结构，TSV金属导体柱(8)的上下两端分别与顶层接地板(3)和底层接地板(10)连接；
所述底层金属互连介质层(9)用于电学隔离低阻硅衬底(6)和底层接地板(10)，其上刻蚀有若干柱孔，所述柱孔的位置与低阻硅衬底(6)上的TSV金属导体柱(8)的位置一一对应；
所述底层接地板(10)用于将底层的电荷及时移入大地。
2.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，所述顶层金属互连介质层(2)、中间层金属互连介质层(5)和底层金属互连介质层(9)采用SiO2或BCB。
3.根据权利要求2所述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，所述中间层金属互连介质层(5)和底层金属互连介质层(9)的厚度为1μm-3μm。
4.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，所述输入与输出端口(1)采用铜互连线。
5.根据权利要求4所述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，所述输入与输出端口(1)采用共面波导模式。
6.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的介质腔基片集成波导结构，其特征在于，所述顶层接地板(3)和底层接地板(10)采用铜。
7.一种制备权利要求1至6任意一项所述的介质腔基片集成波导结构的工艺，其特征在于，包括以下步骤：
Step1：在低阻硅衬底(6)的正面淀积顶层金属互连介质层(5)；
Step2：在顶层金属互连介质层(5)的上面淀积顶层接地板(3)，并在顶层接地板(3)上刻蚀辐射窗口(4)；
Step3：在顶层接地板(3)的上面淀积顶层金属互连介质层(2)，并在顶层金属互连介质层(2)上淀积输入与输出端口(1)；
Step4：对低阻硅衬底(6)的背面进行减薄与平整化，然后将低阻硅衬底(6)的正面临时键合在载晶圆上；
Step5：在低阻硅衬底(6)的背面涂覆介质腔光刻胶，利用DRIE刻蚀掉部分低阻硅衬底(6)，形成BCB介质腔(7)，用高分子聚合物苯并环丁烯将BCB介质腔(7)填充满；
Step6：对低阻硅衬底(6)的背面进行平整化，并淀积底层金属互连介质层(9)；
Step7：在底层金属互连介质层(9)的表面涂覆深孔TSV光刻胶，利用DRIE技术刻蚀圆柱形TSV深孔阵列，直到露出顶层接地板(3)；
Step8：在TSV深孔内溅射金属种子层，然后采用盲孔电镀的方式形成TSV金属导体柱(8)，直至将深孔填充满；
Step9：去除底层金属互连介质层(9)表面的深孔TSV光刻胶和外露的TSV金属导体柱(8)，然后淀积底层接地板(10)，使得底层接地板(10)与TSV金属导体柱(8)相连接；
Step10：热释放键合胶层，使得介质腔基片集成波导结构从载晶圆上脱离下来。
8.根据权利要求7所述的制备工艺，其特征在于，在Step4中，所述载晶圆上的键合材料为热释放键合胶，它的热释放温度为150℃。
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