黃，朱 健，石歸雄

(1.微波毫米波單片集成電路與模塊國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

應(yīng)用于微波/毫米波領(lǐng)域的集成無源器件硅基轉(zhuǎn)接板技術(shù)

(1.微波毫米波單片集成電路與模塊國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210016；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，南京210016)

展示了一種應(yīng)用于射頻微系統(tǒng)領(lǐng)域的可以集成射頻無源器件的硅基轉(zhuǎn)接板結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)將電感、電容、電阻、傳輸線和TSV等集成在適用于微波應(yīng)用的高阻硅襯底上，可實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)的CMOS、MMIC及MEMS多種不同材料器件集成。采用這種方法制備的傳輸線損耗在40 GHz為0.34 dB/mm，電容密度達(dá)到1.05 fF/μm2，2.5圈8 nH電感最大Q值在1.5 GHz達(dá)到16。這項(xiàng)制造技術(shù)與CMOS制造工藝兼容，可為超高集成度的三維集成型化射頻微系統(tǒng)提供有力支撐。

集成無源器件；硅通孔；互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體；轉(zhuǎn)接板；射頻

過去幾十年中，電子器件一直遵循摩爾定律通過減小加工線寬提高器件性能。近年來隨著加工精度下降，到達(dá)9 nm甚至更小以后摩爾定律開始難以為繼。半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)逐漸轉(zhuǎn)移到小型化、多功能的微系統(tǒng)上，即所謂的超越摩爾路線。同時(shí)，隨著4G通信的廣泛應(yīng)用，5G通信的產(chǎn)業(yè)化布局，應(yīng)用于移動(dòng)通信領(lǐng)域的低成本高集成度的射頻模塊需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。集成無源器件（IPD）和硅通孔（TSV）技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵。相比于低溫共燒陶瓷（LTCC）等傳統(tǒng)的厚、薄膜工藝，硅基IPD成本更低，體積更小，微波性能也更勝一籌[1-3]。更重要的是，硅基IPD技術(shù)可以通過標(biāo)準(zhǔn)的CMOS半導(dǎo)體制造工藝與微波MMIC芯片集成[4]，充分利用硅基半導(dǎo)體加工精度高集成度高的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。在同時(shí)集成IPD和TSV的晶元上還可以進(jìn)行圓片級(jí)三維堆疊和無引線鍵合。但在傳統(tǒng)CMOS工藝體系上同時(shí)集成IPD與TSV是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，特別是針對(duì)微波應(yīng)用，需要同時(shí)在材料、工藝和架構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新[5]。比如，標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝采用的低阻硅襯底和薄銅布線結(jié)構(gòu)會(huì)給高頻IPD器件帶來很大損耗。TSV的集成方式和對(duì)系統(tǒng)微波性能的影響也需要進(jìn)行評(píng)估。

本文介紹了一種基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝，同時(shí)集成IPD與TSV的微波應(yīng)用方案。采用無定形硅（SIPOS）被用來簡(jiǎn)化硅襯底表面鈍化，并采用2 μm的厚銅工藝用于減少微波損耗提高器件Q值。

1 轉(zhuǎn)接板整體架構(gòu)和制造方法

本文介紹的是在傳統(tǒng)硅基CMOS工藝基礎(chǔ)上，針對(duì)微波射頻應(yīng)用，開發(fā)出的可用于射頻微系統(tǒng)集成的硅基轉(zhuǎn)接板技術(shù)。該技術(shù)將傳統(tǒng)大馬士革薄層銅工藝加厚，用于減小微波損耗；將射頻TSV引入硅片用于微波信號(hào)的垂直傳輸；將整個(gè)圓片減薄至100 μm用于進(jìn)一步減小堆疊體積。整套工藝架構(gòu)簡(jiǎn)明，擴(kuò)展性強(qiáng)，可作為三維射頻微系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化模塊使用。

1.1 硅基轉(zhuǎn)接板架構(gòu)

同時(shí)集成IPD和TSV的硅基轉(zhuǎn)接板架構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)主要包含4個(gè)部分，自下而上依次為：用于信號(hào)垂直傳輸?shù)腡SV結(jié)構(gòu)；底層金屬布線；金屬-介質(zhì)-金屬（MIM）結(jié)構(gòu)；兩層金屬間的高密度微互聯(lián)通孔結(jié)構(gòu)；上層金屬布線以及用于信號(hào)傳輸?shù)慕饘儆|點(diǎn)。厚銅結(jié)構(gòu)在微波應(yīng)用中可以減小IPD的損耗提高器件Q值。在下圖結(jié)構(gòu)中，上層銅布線的厚度達(dá)到2 μm。襯底采用大于10 kΩ·cm的高電阻率硅晶元，用以防止微波信號(hào)耦合進(jìn)襯底。同時(shí)，硅片表面用一層SIPOS鈍化層來降低表面電荷密度。轉(zhuǎn)接板表面可以制備高密度金屬微凸點(diǎn)陣列，通過低溫共晶鍵合的方式將CMOS、MMIC、MEMS等不同材料不同功能的器件集成上去。這種架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以以一個(gè)轉(zhuǎn)接板為基礎(chǔ)，繼續(xù)向上堆疊延伸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)微系統(tǒng)完整功能。

圖1 集成IPD和TSV的硅基轉(zhuǎn)接板架構(gòu)圖

1.2 硅基轉(zhuǎn)接板制造方法

同時(shí)集成IPD和TSV硅基轉(zhuǎn)接板制造流程為：采用一塊200 mm（8英寸）電阻率10 kΩ·cm的單拋硅片，通過高深寬比ICP刻蝕、阻擋層/種子層沉積和銅電鍍等一系列工藝實(shí)現(xiàn)孔徑20 μm、深度85 μm的TSV結(jié)構(gòu)；對(duì)晶元正面拋光后，采用大馬士革銅工藝電鍍上600 μm的金屬層，底層金屬主要作為接地層、MIM電容的下層金屬以及多圈電感結(jié)構(gòu)的底部連接；緊接著制備MIM電容，電容采用50 μm TaN/60 μm SiN/50 μm TaN的三明治結(jié)構(gòu)。上層TaN可同時(shí)作為電阻層；再往上是一系列500 nm直徑、500 nm深的高密度銅互聯(lián)通孔陣列，用于底層金屬及MIM電容與上層金屬的互聯(lián)；上層金屬是2 μm厚銅結(jié)構(gòu)，用于傳輸線和多圈電感結(jié)構(gòu)；最后采用臨時(shí)鍵合工藝將圓片翻轉(zhuǎn)減薄至85 μm的TSV露出。在本文中我們采用鋁材料做凸點(diǎn)用于性能測(cè)試，實(shí)際使用中也可以制成高密度銅凸點(diǎn)用于鍵合互聯(lián)。圖2是硅基轉(zhuǎn)接板的截面電鏡掃描圖，圖3是金屬層、銅互聯(lián)陣列及MIM電容層的放大圖，展示出高精度的硅基加工工藝。

圖2 硅基轉(zhuǎn)接板的截面電鏡掃描圖片

圖3 上下層銅金屬及MIM層的放大圖

2 硅基轉(zhuǎn)接板性能測(cè)試

電感、電容及傳輸線等結(jié)構(gòu)均采用上述工藝實(shí)現(xiàn)。本文所有數(shù)據(jù)均采用均勻分布在200 mm（8英寸）晶元上的16個(gè)器件測(cè)試，用于評(píng)估工藝技術(shù)的良率及一致性。測(cè)試方式均為通過底部TSV觸點(diǎn)測(cè)試，信號(hào)由底部觸點(diǎn)通過TSV，經(jīng)無源器件，再由TSV導(dǎo)出。單個(gè)TSV損耗經(jīng)測(cè)試在10 GHz為0.1 dB。

CPW傳輸線位于2 μm厚的上層銅布線層，如圖4所示。結(jié)構(gòu)采用GSG形式，正面觸電通過TSV引至背面。

圖5和圖6分別是8 mm長(zhǎng)、20 μm寬的傳輸線損耗和阻值，傳輸線損耗在40 GHz頻率下約為0.34 dB/m，阻抗均為50 Ω。

圖4 傳輸線結(jié)構(gòu)俯視圖

圖5 傳輸線損耗測(cè)量值

圖6 傳輸線阻抗值

MIM電容如圖7所示，該電容面積為3 600 μm2。圖8是測(cè)量結(jié)果，平均電容密度達(dá)到1.05 fF/μm2，滿足工程應(yīng)用需求。

圖9所示是半圈電感的Q值數(shù)據(jù)，電感線圈直徑60 μm，線寬25 μm。16個(gè)電感測(cè)試數(shù)據(jù)一致，表現(xiàn)出良好的片內(nèi)均勻性。最大Q值在5 GHz為27，電感感值為4 nH。

多圈電感采用不同金屬層間的繞圈及空氣橋結(jié)構(gòu)，圖10所示電感是一個(gè)2.5圈，內(nèi)徑150 μm，線寬30 μm的結(jié)構(gòu)。最大Q值在1.5 GHz時(shí)達(dá)到16，對(duì)應(yīng)感值8 nH。后續(xù)可以通過增加介質(zhì)層厚度的方法繼續(xù)提高Q值。

圖7 MIM電容結(jié)構(gòu)俯視圖

圖8 MIM電容容值測(cè)量結(jié)果

圖9 半圈電感Q值測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

圖10 2.5圈電感Q值測(cè)量結(jié)果

針對(duì)未來多功能一體化射頻微系統(tǒng)的需求，本文提出了一種集成IPD與TSV的硅基襯底轉(zhuǎn)接板方案。高性能的電阻、電容、電感等無緣集成器件在該技術(shù)架構(gòu)下得以實(shí)現(xiàn)。我們針對(duì)微波應(yīng)用需求，在傳統(tǒng)CMOS工藝基礎(chǔ)上開發(fā)了厚銅金屬化工藝和硅表面SIPOS鈍化工藝用以減小損耗提高性能。本文提出的架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)微波/直流信號(hào)的垂直傳輸，硅基轉(zhuǎn)接板可以進(jìn)一步進(jìn)行三維堆疊集成，為未來微波組件/系統(tǒng)芯片化提供了一條標(biāo)準(zhǔn)化工藝途徑。

[1] 洪偉，陳繼新，嚴(yán)蘋蘋，等.CMOS毫米波亞毫米波集成電路研究進(jìn)展[J].微波學(xué)報(bào)，2010，26(4)：1-6.

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Silicon Interposer Combined with Integrated Passive Devices for Micro/Millimeter Wave Application

HUANG Min1,2，ZHU Jian1,2，SHI Guixiong2

(1.Science and Technology on Monolithic Integrated Circuits and Modules Laboratory，Nanjing，210016，CHN；2.Nanjing Electronic Devices Institute，Nanjing，210016，CHN)

In this paper，we present a silicon based interposer combined with IPD RF micro-system application.In our design，inductor，capacitor，resistor，CPW line and TSV are integrated on a high resistive silicon substrate，making it possible to realize system-on-chip integration of CMOS，MMIC and MEMS devices.Loss of the CPW line is measured to be 0.34 dB/mm at 40 GHz.The capacitance density reaches 1.05 fF/μm2.The inductance for a 2.5-turn inductor is 8 nH，and the maximum Q factor is 16 at 1.5 GHz.This CMOS-compatible fabrication technique provides a new approach for high level miniaturized RF micro-system.

Integrated passive device(PID)；Though silicon via(TSV)；Complementary metal oxide semiconductor(CMOS)；Interposer；Radio frequency(RF)

TN603

A

1004-4507(2017)04-0020-04

黃旼（1984-）男，江西贛州人，博士生，工程師，主要從事射頻MEMS器件、射頻微系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造。

2017-07-24