CN107706173A - 硅通孔互联结构及其制备方法以及硅通孔射频传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅通孔互联结构及其制备方法以及硅通孔射频传输结构，属于集成封装、信号传输领域。硅通孔互联结构包括贯穿于硅衬底的硅通孔、设置于硅通孔的侧壁上的绝缘层、设置于绝缘层表面的金属铜层以及设置于金属铜层表面的钝化层，绝缘层、金属铜层和钝化层形成以硅通孔的中心线为轴线的同轴结构。硅通孔射频传输结构包括：硅衬底以及上述的多个硅通孔互联结构，多个硅通孔互联结构设置于硅衬底上。本发明支持芯片级三维层叠集成与封装的同时，解决传统的全铜填充TSV应力较大、高频传输性能不佳的缺点，实现高可靠性、低损耗的射频垂直互联结构。

Description

硅通孔互联结构及其制备方法以及硅通孔射频传输结构

技术领域

本发明涉及集成封装、信号传输领域，具体涉及一种硅通孔互联结构及其制备方法以及硅通孔射频传输结构。

背景技术

在复杂的战场电磁环境下，如何更好的发挥电子信息装备的作用，达到良好的作战效能变得更加困难，对电子信息装备的智能化、小型化、轻量化提出了更高的要求。

TSV(through silicon via)技术是穿透硅通孔技术的缩写，一般简称硅通孔技术，是三维集成电路中堆叠芯片实现互连的一种技术解决方案。TSV技术具有小体积、高密度、高集成度、互连延时小等优点，可以替代基于金属腔体或者低温共烧陶瓷LTCC(LowTemperature Co-fired Ceramic)的传统混合集成模块，极大地缩小模块的体积，减少重量，是当前射频系统集成化、小型化发展的主流方向。

但是传统的全铜填充硅通孔由于铜本身应力较大，同时传统的垂直互联硅通孔结构基于(地-信号-地)GSG结构，垂直方向的射频性能不佳，特别是高频性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种硅通孔互联结构，实现垂直贯穿微电子芯片体内的电互连通路，支持芯片级三维层叠集成与封装的同时，解决传统的全铜填充TSV应力较大、高频传输性能不佳的缺点，实现高可靠性、低损耗的射频垂直互联结构。

本发明的第二个目的在于提供一种硅通孔射频传输结构，其能够提高基于硅通孔设计的传输结构的射频传输性能，实现高频传输或者在多道射频系统中减少通道间的信号干扰。

本发明的第三个目的在于提供一种硅通孔互联结构的制备方法，其工艺简单，制备出的射频传输结构可靠性高、一致性好。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种硅通孔互联结构，包括贯穿于硅衬底的硅通孔、设置于硅通孔的侧壁上的绝缘层、设置于绝缘层表面的金属铜层以及设置于金属铜层表面的钝化层，绝缘层、金属铜层和钝化层形成以硅通孔的中心线为轴线的同轴结构。

射频信号在传输过程中具有趋肤效应，随着传输信号频率的增加，信号传输越趋向于介质表面传输。本发明的硅通孔互联结构其在硅衬底上形成中空的硅通孔，射频信号在传输的过程中则趋向于孔的内表面传输。根据电磁场原理来看，孔内部的磁场远远小于孔外部的磁场，因此，孔内部传输相对于孔外部传输受磁场干扰因素影响也会明显减小，而更有利于信号传输。同时，本发明硅通孔内部表面传输介质层是空气，而外部表面传输介质面是二氧化硅层，空气介质层相对二氧化硅介质层受工艺以及外部因素影响小的多。因此，本发明内部表面传输相对现有硅通孔技术通过外部表面传输而言，受绝缘介质层因素影响也会明显减小。

而且，由于硅的热膨胀系数为2.5，常用的电镀铜的热膨胀系数是17，两者相差非常大，因此硅与铜的热匹配是很差的，在实际应用中，互联芯片往往都会产生热量，必须考虑硅通孔随温度变化时产生的热应力。本发明的硅通孔互联结构，其金属铜层附着在硅通孔的侧壁，其厚度远远小于实心填充的铜，相应地，产生的热应力变化也远小于实心填充铜的硅通孔，因此，本发明的硅通孔互联结构信号传输性能，尤其是射频传输性能更佳，传输更稳定。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述绝缘层的材质为二氧化硅。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述钝化层的材质为金。

本发明在导电金属铜层的表面设置钝化层，起到保护金属铜层的作用，避免铜被污染，从而影响传输效果。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述金属铜层的厚度为6-15μm。

与实心填充铜的硅通孔相比，本发明的金属铜层仅为6-15μm(一般硅通孔的孔径为40-300μm)，所用的铜含量远小于实心填充铜的硅通孔，因此，在确保正常工作的前提下，本发明的硅通孔互联结构的数量可以明显高于现有实心填充铜的硅通孔的数量，从而具有更好的稳定性、更加优良的传输性能。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述硅通孔为垂直孔或锥形孔。

一种硅通孔射频传输结构，包括：硅衬底以及上述的多个硅通孔互联结构，多个硅通孔互联结构设置于硅衬底上。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，多个硅通孔互联结构在硅衬底上形成以其中一个硅通孔互联结构为圆心、其余硅通孔互联结构分布在圆心周围的类同轴结构。

本发明的多个硅通孔互联结构在硅衬底上形成类同轴结构，以圆心处的硅通孔互联结构作为射频传输结构与以圆心周围的硅通孔互联结构作为接地孔相结合，能够有效改善垂直互联结构的射频性能。承上述，由于中空结构的硅通孔互联结构产生的应力较小，可以进一步提高圆心周围接地孔密度，实现信号的高屏蔽，提升同轴结构的高频传输特性，并且减小损耗。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，多个硅通孔互联结构在硅衬底上呈直线排列。

利用本发明的硅通孔互联结构低应力的特点，本发明通过将多个硅通孔互联结构在硅衬底上呈直线排列，从而构成高密度接地隔离墙的高隔离结构，该结构对多通道射频系统的传输有重要作用，能够减少通道间信号干扰，增加通道间隔离度，提高射频传输性能。

一种硅通孔互联结构的制备方法，包括：

在硅衬底上蚀刻出贯穿硅衬底的硅通孔；

在硅通孔的侧壁上设置绝缘层；

在绝缘层的表面上设置金属铜层；以及

在金属铜层的表面设置钝化层。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，采用深反应离子蚀刻工艺在硅衬底上蚀刻出多个硅通孔；采用氧化工艺在硅通孔的侧壁生长出二氧化硅绝缘层；采用电镀工艺在二氧化硅绝缘层的表面镀铜，形成金属铜层；采用化学镀工艺在金属铜层的表面镀金，形成钝化层。

本发明具有以下有益效果：

本发明可提供垂直贯穿微电子芯片体内的电互连通路，能够支持芯片级三维层叠集成与封装，有助于实现三维立体集成。本发明的硅通孔互联结构与传统微波印制电路、HTCC/LTCC陶瓷电路等技术实现方式相比，其集成度大幅提高、体积和重量大大减小、一致性更好、性能提高。

本发明的硅通孔互联结构可以解决现有传统的全铜填充硅通孔而导致应力过大、射频性能不佳等缺陷，本发明在提高硅通孔结构可靠性的同时提升了其垂直互联的射频性能，可以突破传统射频系统地面应用的局限，有望在机载、星载以及单兵等小型化作战平台上使用。

附图说明

图1为本发明实施例的硅通孔互联结构的剖视图；

图2为本发明实施例的硅通孔互联结构的俯视图；

图3为本发明实施例的硅通孔射频传输结构呈类同轴结构时的剖视图；

图4为本发明实施例的硅通孔射频传输结构呈类同轴结构时的俯视图；

图5为本发明实施例的硅通孔射频传输结构呈直线排列时的剖视图；

图6为本发明实施例的硅通孔射频传输结构呈直线排列时的俯视图；

图7为本发明的硅通孔射频传输结构呈类同轴结构时的仿真模型图；

图8为本发明的硅通孔射频传输结构呈类同轴结构时的传输性能的测试结果图；

图9为现有的实心填充铜的硅通孔结构呈类同轴结构时的仿真模型图；

图10为现有的实心填充铜的硅通孔结构呈类同轴结构时的传输性能的测试结果图；

图11为本发明的硅通孔射频传输结构呈类同轴结构时的仿真模型图；

图12为本发明的硅通孔射频传输结构呈直线排列时的传输性能的测试结果图；

图13为现有的实心填充铜的硅通孔结构呈直线排列时的仿真模型图；

图14为现有的实心填充铜的硅通孔结构呈直线排列时的传输性能的测试结果图。

需要说明的是，本发明的图1-6仅作为帮助理解技术方案的结构示意图，不代表本发明的实际产品。

图中：100-硅通孔互联结构；110-硅通孔；120-绝缘层；130-金属铜层；140-钝化层；200-硅通孔射频传输结构；210-硅衬底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例

请参见图1和图2所示出的本发明的硅通孔互联结构100，其包括贯穿硅衬底210的硅通孔110、设置于硅通孔110的侧壁上的绝缘层120、设置于绝缘层120表面的金属铜层130以及设置于金属铜层130表面的钝化层140。如图1和2所示，绝缘层120、金属铜层130和钝化层140形成以硅通孔110的中心线为轴线的同轴结构。在本实施例中，绝缘层120的材质为二氧化硅；钝化层140的材质为金。本实施例的金属铜层130的厚度为6-15μm，优选为8-12μm，更有选为10μm。在本实施例中，硅通孔110为垂直孔或锥形孔。需要说明的是，本发明所指的锥形孔包括图1所示出的上段为大孔、下段为小孔的通孔结构，也包括孔径由上至下逐渐减小的锥形孔。本发明的硅通孔110的形状除了前述提及的两种形状以外，也可是其他形状，只要贯穿硅衬底210即可，这与实际加工工艺有关，本发明对此不作特别限制。

请参见图3和图4所示出的本发明的硅通孔射频传输结构200，其包括：硅衬底210以及上述的多个硅通孔互联结构100。多个硅通孔互联结构100设置于硅衬底210上。在图3和图4所示出的优选实施方式中，多个硅通孔互联结构100在硅衬底210上形成以其中一个硅通孔互联结构100为圆心、其余硅通孔互联结构100分布在圆心周围的类同轴结构。

图5和图6为本发明的硅通孔射频传输结构200的另一种优选实施方式，多个硅通孔互联结构100在硅衬底210上呈直线排列。该优选实施方式可以构成高密度接地隔离墙的高隔离结构，该结构对多通道射频系统的传输有重要作用，可以减少通道间信号干扰，增加通道间隔离度，提高射频传输性能。

本实施例的硅通孔互联结构100的制备方法，包括：

在硅衬底210上蚀刻出贯穿硅衬底210的硅通孔110；

在硅通孔110的侧壁上设置绝缘层120；

在绝缘层120的表面上设置金属铜层130；以及

在金属铜层130的表面设置钝化层140。

在一个优选的实施方式中，上述步骤中采用深反应离子蚀刻工艺在硅衬底210上蚀刻出多个硅通孔110；采用氧化工艺在硅通孔110的侧壁生长出二氧化硅绝缘层；采用电镀工艺在二氧化硅绝缘层的表面镀铜，形成金属铜层130；采用化学镀工艺在金属铜层130的表面镀金，形成钝化层140。

试验例

通过仿真实验，对本发明的硅通孔射频传输结构200与实心填充铜的硅通孔结构的传输性能进行对比。

图7为本发明的硅通孔射频传输结构200呈类同轴结构时的仿真模型，图8为本发明的硅通孔射频传输结构200呈类同轴结构时的传输性能的测试结果。图9为现有实心填充铜的硅通孔结构的仿真模型，图10为现有实心填充铜的硅通孔结构的传输性能的测试结果。

从图8和图10的测试结果可以看出，相比于实心填充铜的硅通孔结构形成的类同轴结构，本发明的呈类同轴分布的硅通孔射频传输结构200在传输高射频时表现出更加优异性能，其衰减程度明显小于实心填充铜的硅通孔结构。实心填充铜的类同轴结构在40GHz时损耗约1.1dB，而空心结构TSV类同轴结构在40GHz时损耗约0.5dB。

图11为本发明的硅通孔射频传输结构200呈直线排列而形成的隔离结构的仿真模型，图12为本发明的硅通孔射频传输结构200呈直线排列而形成的隔离结构的传输性能的测试结果。图13为现有实心填充铜的硅通孔结构的仿真模型，图14为现有实心填充铜的硅通孔结构的传输性能的测试结果。

从图12和图14的测试结果可以看出，相比于实心填充铜的硅通孔结构形成的隔离墙，由本发明的硅通孔互联结构100构成的隔离墙在多通道射频传输时表现出更加优异性能，其能够减少通道间信号干扰，增加通道间隔离度，提高射频传输性能。实心填充铜的类同轴结构在30GHz时隔离度仅为37dB，而空心结构TSV类同轴结构在30GHz时隔离度为53dB。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种硅通孔互联结构，其特征在于，包括贯穿于硅衬底的硅通孔、设置于所述硅通孔的侧壁上的绝缘层、设置于所述绝缘层表面的金属铜层以及设置于所述金属铜层表面的钝化层，所述绝缘层、所述金属铜层和所述钝化层形成以所述硅通孔的中心线为轴线的同轴结构。

2.根据权利要求1所述的硅通孔互联结构，其特征在于，所述绝缘层的材质为二氧化硅。

3.根据权利要求1所述的硅通孔互联结构，其特征在于，所述钝化层的材质为金。

4.根据权利要求1所述的硅通孔互联结构，其特征在于，所述金属铜层的厚度为6-15μm。

5.一种硅通孔射频传输结构，其特征在于，包括：硅衬底以及权利要求1-4任一项所述的多个硅通孔互联结构，多个所述硅通孔互联结构设置于所述硅衬底上。

6.根据权利要求5所述的硅通孔射频传输结构，其特征在于，多个所述硅通孔互联结构在所述硅衬底上形成以其中一个硅通孔互联结构为圆心、其余硅通孔互联结构分布在圆心周围的类同轴结构。

7.根据权利要求5所述的硅通孔射频传输结构，其特征在于，多个所述硅通孔互联结构在所述硅衬底上呈直线排列。

8.权利要求1至4任一项所述的硅通孔互联结构的制备方法，其特征在于，包括：

在硅衬底上蚀刻出贯穿所述硅衬底的硅通孔；

在所述硅通孔的侧壁上设置绝缘层；

在所述绝缘层的表面上设置金属铜层；以及

在所述金属铜层的表面设置钝化层。

9.根据权利要求8所述的硅通孔射频传输结构的制备方法，其特征在于，包括：

采用深反应离子蚀刻工艺在所述硅衬底上蚀刻出多个所述硅通孔；采用氧化工艺在所述硅通孔的侧壁生长出二氧化硅绝缘层；采用电镀工艺在所述二氧化硅绝缘层的表面镀铜，形成所述金属铜层；采用化学镀工艺在所述金属铜层的表面镀金，形成所述钝化层。