混合介質(zhì)層類同軸垂直硅通孔的高頻性能研究

丁英濤， 王一丁， 肖磊， 王啟寧， 陳志偉

(北京理工大學(xué) 信息與電子學(xué)院，北京 100081)

隨著軍用、民用通信技術(shù)的飛速發(fā)展，作為有源相控陣雷達中的關(guān)鍵部件，T/R組件的工作頻率越來越高，并開始向小型化、集成化發(fā)展. 采用2.5 D轉(zhuǎn)接板技術(shù)，可以實現(xiàn)T/R組件高密度集成[1]. 然而，作為2.5 D轉(zhuǎn)接板技術(shù)的關(guān)鍵部分，傳統(tǒng)的穿透硅通孔(through silicon via, TSV)會在信號頻率變高時產(chǎn)生更高的損耗，同時在TSV之間以及TSV與有源電路之間產(chǎn)生耦合噪聲，這些現(xiàn)象都會影響系統(tǒng)的射頻性能[2-3].

近年來，適用于高頻領(lǐng)域的TSV結(jié)構(gòu)引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注. 2006年，SOON等[4-5]提出了由傳輸信號的中心TSV、接地的金屬屏蔽環(huán)以及介質(zhì)層組成的同軸TSV結(jié)構(gòu). 通過仿真分析，該結(jié)構(gòu)可以有效地降低損耗和耦合噪聲. 2011年，IVAN等[6]提出了一種以Si與BCB共同作為介質(zhì)層的同軸TSV結(jié)構(gòu). 研究結(jié)果表明：當中心介質(zhì)層BCB的厚度為11 μm時，在60 GHz工作頻率下，該結(jié)構(gòu)的插入損耗小于15%；并且隨著BCB厚度的增加，損耗可降到3%. 2013年，中國航空無線電電子研究所于樂等[7]提出一種空氣間隙的同軸TSV. 采用SU-8作為介質(zhì)層，并通過對介質(zhì)層的部分刻蝕形成空氣間隙，仿真結(jié)果顯示該TSV結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的TSV帶寬高1.6倍～4倍. 然而上述研究工作大多停留在性能仿真階段，而制備完成并進行射頻性能測試的同軸TSV結(jié)構(gòu)則少有報道. 同時，傳統(tǒng)的同軸TSV結(jié)構(gòu)在制備過程中會存在工藝實現(xiàn)困難，結(jié)構(gòu)可靠性降低等問題. 基于此，本文提出一種混合介質(zhì)層類同軸TSV結(jié)構(gòu)，探究了外圍TSV數(shù)量、TSV直徑、混合介質(zhì)層厚度對回波損耗、插入損耗以及串擾等性能的影響，并與傳統(tǒng)同軸TSV結(jié)構(gòu)對比，評估了優(yōu)化尺寸后混合介質(zhì)層類同軸TSV的性能.

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝流程

傳統(tǒng)的同軸TSV中，內(nèi)外導(dǎo)體之間一般以硅襯底作為介質(zhì)層或者填充介電常數(shù)相對較低的高分子聚合物作為介質(zhì)層，如圖1(a)(b)所示，這在高密度、小直徑同軸TSV中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[8]. 然而在特定射頻應(yīng)用中，常需要將傳輸信號的中心TSV直徑擴大至幾十微米甚至百微米量級. 然而，根據(jù)同軸傳輸線設(shè)計規(guī)范，此時介質(zhì)層厚度需要大幅度增加. 尤其當內(nèi)導(dǎo)體直徑為50 μm時，BCB介質(zhì)層厚度需高達70 μm，而這在工藝中是很難實現(xiàn)的. 首先，在采用化學(xué)機械拋光技術(shù)(CMP)實現(xiàn)表面平坦化的過程中，厚度較大的BCB層會導(dǎo)致中心TSV區(qū)域的硅柱出現(xiàn)部分碎裂現(xiàn)象(如圖2(a)所示)，導(dǎo)致刻蝕面積以及深度的不同，這會增加后續(xù)深反應(yīng)離子刻蝕工藝(DRIE)的不穩(wěn)定性；其次，BCB質(zhì)軟，CMP過程中易拋光至內(nèi)導(dǎo)體TSV區(qū)域，如圖2(b)所示，形成了一層刻蝕掩膜，這可能會導(dǎo)致后續(xù)的DRIE刻蝕無法順利進行. 同時BCB價格較高，大尺寸BCB介質(zhì)層將大大增加2.5 D轉(zhuǎn)接板制作成本. 據(jù)此，將全BCB介質(zhì)層優(yōu)化設(shè)計為混合型介質(zhì)層，并采用高阻硅襯底，即圖1(c)所示的“高阻硅-BCB-高阻硅”結(jié)構(gòu)，在減小工藝難度的同時有效控制工藝成本. 此外，外部屏蔽環(huán)的金屬電鍍工藝也一直是三維集成技術(shù)中的一個工藝難點. 相比于相同尺寸柱型TSV，環(huán)形區(qū)域的電鍍由于需要填充的體積更大，所以會存在屏蔽環(huán)電鍍時間長且與中心TSV電鍍不同步等問題. 而若將屏蔽環(huán)尺寸縮小，又會引入在電鍍過程中易提前封口導(dǎo)致不完全銅電鍍等問題. 本文依此提出一種“類同軸”結(jié)構(gòu)，即在中心TSV周圍擺放與其相同結(jié)構(gòu)尺寸的TSV環(huán)形陣列，如圖1(d)所示，并在RDL層實現(xiàn)環(huán)形陣列的互聯(lián)，以此形成屏蔽層. 類同軸結(jié)構(gòu)充分利用了成熟的TSV盲孔電鍍工藝，在縮短電鍍時間的同時，充分保證了電鍍過程中表面的一致性.

圖1 4種同軸TSV結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of four kinds of coaxial TSV structures

圖2 全BCB介質(zhì)層同軸TSV會出現(xiàn)的問題Fig.2 Problems of the coaxial TSV with BCB dielectric layer

基于混合介質(zhì)層的類同軸TSV轉(zhuǎn)接板的工藝流程如圖3所示. 首先通過光刻、深反應(yīng)離子刻蝕工藝進行高阻硅上的環(huán)形槽的制備，然后利用真空輔助旋涂技術(shù)實現(xiàn)BCB的填充并采用CMP的方法去除表面多余BCB，如圖3(a)～(c)；再次通過光刻、深反應(yīng)離子刻蝕工藝得到銅電鍍區(qū)域，在PECVD沉積SiO2介質(zhì)層、ALD沉積TiN阻擋層、濺射Cu種子層之后進行Cu的電鍍、表面平整化以及正面RDL的制造，如圖3(d)～(h)；隨后，通過臨時鍵合和背部減薄拋光的方法，露出背部銅柱，完成背部RDL和銅錫微凸點的制造，如圖3(i)～(l). 最終得到的轉(zhuǎn)接板如圖3(l)所示，其中A區(qū)域為傳輸信號的中心TSV，B區(qū)域為由外圍TSV構(gòu)成的類同軸結(jié)構(gòu).

圖3 類同軸TSV工藝流程圖Fig.3 The fabrication process flow of coaxially shielded TSV

2 實驗與結(jié)果討論

2.1 實驗建模

圖4為采用HFSS軟件建立的混合介質(zhì)層類同軸TSV模型. 其中混合介質(zhì)層由Si-BCB- Si構(gòu)成，同時硅基底采用高阻硅材料，通過兩端的RDL層實現(xiàn)外圍TSV結(jié)構(gòu)的電學(xué)互聯(lián). 本文采用的基礎(chǔ)模型尺寸如表1所示.

圖4 混合介質(zhì)層類同軸TSV模型Fig.4 Coaxially shielded TSV model

表1 混合介質(zhì)層類同軸TSV尺寸

2.2 混合介質(zhì)層類同軸TSV參數(shù)優(yōu)化

2.2.1外圍TSV數(shù)量對混合介質(zhì)層類同軸TSV射頻傳輸性能的影響

外圍TSV結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)類似于同軸TSV結(jié)構(gòu)屏蔽環(huán)的作用，因此對于本文的類同軸結(jié)構(gòu)而言，外圍TSV結(jié)構(gòu)是一個重要的設(shè)計參數(shù). 本文分析了外圍TSV數(shù)量對類同軸結(jié)構(gòu)回波損耗(S11)、插入損耗(S21)以及串擾等性能的影響. 當外圍TSV數(shù)量為4時，在1～45 GHz的頻率范圍內(nèi)，混合介質(zhì)層類同軸TSV的S11小于-16.9 dB，S21大于-0.12 dB，特征阻抗為47 Ω左右. 由圖5所示，隨著外圍TSV數(shù)量的增多，混合介質(zhì)層類同軸TSV的S11變大，S21變小. 這是由于接地TSV增多時會增加信號到地的電容，從而降低整個TSV的特征阻抗，導(dǎo)致阻抗失配，進而使混合介質(zhì)層類同軸TSV的S11變大，S21變小[9].

圖5 外圍TSV數(shù)量對混合介質(zhì)層類同軸TSV S參數(shù)的影響Fig.5 Influence of ground TSV number on S parameters of coaxially shielded TSV with the mixed dielectric layer

隨著轉(zhuǎn)接板的工作頻率越來越高，TSV之間串擾會增強. 本文進一步探究了在1～45 GHz的頻率范圍內(nèi)，不同外圍TSV數(shù)量對轉(zhuǎn)接板串擾(S31)性能的影響，并將結(jié)果與普通TSV信號對的串擾特性進行對比分析. 從圖6可以看出，在45 GHz工作頻率下普通高阻硅中TSV信號對的串擾為-22.17 dB，然而對于外圍TSV數(shù)量為4的類同軸TSV結(jié)構(gòu)而言，TSV之間的串擾為-76.34 dB. 并且隨著外圍TSV數(shù)量的增多，不同類同軸TSV結(jié)構(gòu)之間的串擾減小，這是由于當外圍TSV數(shù)量越多時，類同軸結(jié)構(gòu)越接近同軸結(jié)構(gòu)，外圍TSV越來越能夠起到屏蔽層的作用.

圖6 外圍TSV數(shù)量對混合介質(zhì)層類同軸TSV串擾的影響Fig.6 Influence of ground TSV number on the crosstalk of coaxially shielded TSV with the mixed dielectric layer

2.2.2TSV直徑對混合介質(zhì)層類同軸TSV射頻傳輸性能的影響

在制造2.5 D轉(zhuǎn)接板時，會在硅基底上制備大量的孔結(jié)構(gòu)，孔的直徑不僅會影響整個轉(zhuǎn)接板TSV密度還會影響電鍍的時間，因此本文在外圍TSV數(shù)量為4的基礎(chǔ)上對TSV直徑進行變參分析. 實驗結(jié)果如圖7所示. 可以看出，隨著TSV直徑的增大，混合介質(zhì)層類同軸TSV的S11變大，S21變小.

圖7 TSV直徑對混合介質(zhì)層類同軸TSV S參數(shù)的影響Fig.7 Influence of the diameter of TSV on the S parameters of coaxially shielded TSV with the mixed dielectric layer

續(xù)圖7 TSV直徑對混合介質(zhì)層類同軸TSV S參數(shù)的影響Fig.7 Influence of the diameter of TSV on the S parameters of coaxially shielded TSV with the mixed dielectric layer

這是由于隨著TSV直徑的增大，信號線到地線的寄生電容變大，降低了整個TSV結(jié)構(gòu)的特征阻抗，從而增大整個結(jié)構(gòu)的插入損耗[9].

2.2.3混合介質(zhì)層尺寸對混合介質(zhì)層類同軸TSV射頻傳輸性能的影響

本節(jié)通過仿真對混合介質(zhì)層中高阻硅材料(BCB介質(zhì)層內(nèi)外側(cè))的厚度進行變參分析研究，其中考慮工藝實際情況，混合介質(zhì)層中BCB厚度設(shè)定為30 μm，仿真結(jié)果如圖8所示. 實驗結(jié)果顯示，內(nèi)環(huán)Si的厚度越小S11越小，S21越大；外環(huán)Si的厚度越大S11越小，S21越大. 綜合考量仿真結(jié)果與工藝的可實現(xiàn)性，內(nèi)環(huán)Si的厚度為10 μm，外環(huán)Si的厚度為30 μm時混合介質(zhì)層類同軸TSV回波損耗、插入損耗性能最佳. 在1～45 GHz頻率范圍內(nèi)，該尺寸下的類同軸TSV結(jié)構(gòu)的S11小于-20.2 dB，S21大于-0.07 dB，性能滿足傳輸線使用要求，兼具良好的高頻特性.

圖8 介質(zhì)層中硅的厚度對混合介質(zhì)層類同軸TSV S參數(shù)的影響Fig.8 Influence of the thickness of silicon in the dielectric layer on the S parameters of coaxially shielded TSV with the mixed dielectric layer

通過以上參數(shù)分析的結(jié)果，可以得到混合介質(zhì)層類同軸TSV結(jié)構(gòu)中各參數(shù)對S11、S21的影響，設(shè)計參考如表2所示.

表2 混合介質(zhì)層類同軸TSV各尺寸對S11、S21的影響

2.3 混合介質(zhì)層類同軸TSV與同軸TSV性能對比

通過2.2節(jié)對混合介質(zhì)層類同軸TSV的參數(shù)優(yōu)化，本文最后設(shè)計的模型參數(shù)為：外圍TSV數(shù)量為4，TSV直徑為50 μm，混合介質(zhì)層中內(nèi)環(huán)Si厚度為10 μm，BCB厚度為30 μm，外環(huán)Si厚度為30 μm. 為了進一步評估優(yōu)化后的混合介質(zhì)層類同軸TSV的性能，本文選取了同尺寸的全BCB介質(zhì)層同軸TSV、全Si介質(zhì)層同軸TSV以及混合介質(zhì)層同軸TSV與之進行對比研究. 圖9所示為4種不同TSV結(jié)構(gòu)在1～45 GHz頻率范圍內(nèi)的回波損耗與插入損耗性能，可以看出：混合介質(zhì)層類同軸TSV結(jié)構(gòu)在制造工藝簡單的前提下，具有良好的高頻性能.

圖9 混合介質(zhì)層類同軸TSV與同軸TSV性能對比Fig.9 Performance comparison of coaxial TSV and coaxially shielded TSV with mixed dielectric layer

3 結(jié) 論

本文針對大直徑同軸TSV結(jié)構(gòu)在制造過程中所面臨的諸多難題，提出了一種混合介質(zhì)層類同軸TSV結(jié)構(gòu)，并設(shè)計了相應(yīng)的工藝流程. 對比相同尺寸下的傳統(tǒng)同軸TSV結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以有效解決由于介質(zhì)層厚度過大造成的刻蝕區(qū)域碎裂以及CMP后難以刻蝕等問題，并減小了電鍍工藝的難度. 在對外圍TSV數(shù)量、銅柱直徑以及混合介質(zhì)層尺寸等參數(shù)分析研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種具有良好的回波損耗、插入損耗以及串擾等性能的類同軸TSV尺寸. 仿真結(jié)果顯示，即使在45 GHz的工作頻率下，優(yōu)化后的混合介質(zhì)層類同軸TSV結(jié)構(gòu)也具有良好的高頻特性. 其回波損耗為20.20 dB，插入損耗為0.07 dB，串擾為-76.34 dB，為應(yīng)用于T/R組件的2.5 D轉(zhuǎn)接板提供了設(shè)計參考.