[发明专利]一种可用于微波频段的圆片级穿硅传输结构及制造方法

说明书

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。