针对射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成制造方法与流程

本发明涉及的是一种针对射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成制造方法，属于半导体技术领域。

背景技术：

在射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成工艺制造方法中，多层芯片的三维集成主要依赖于键合技术实现。通过键合可以将多层芯片在厚度方向上集成为一体，并利用硅穿孔技术提供不同层芯片间的电性号互连，实现三维集成功能。因此键合是三维集成必不可少的工艺过程，键合技术的引入，不但使并行制造技术方案成功实践于三维集成提高生产效率，而且同时将芯片扩展到第三维度是系统更复杂、功能更强大。且可以将不同功能，不同材料的芯片进行集成，使传统的模块体积大幅缩小，信号传输性能大幅提高，如射频前端，惯性导航、光电探测等应用领域有广泛的应用。

从集成工艺技术上来说，要实现异质异构高密度三维集成，必须实现：不同材料到硅衬底的集成工艺，用于集成功能器件；多层金属重布线，用于信号互联；硅基转接板技术，用于系统三维堆叠；硅穿孔技术，用于信号垂直传输；器件圆片级封装盖帽技术。三维高密度异构集成关键技术难点在于不同材料功能芯片与硅基集成互联的工艺技术与硅转接板三维堆叠技术，通过该方法开发具有高密度集成特征的微系统，最大化地实现片内高密度集成、片间集成、多功能集成等。

国内已经在基于MMCM SiP技术的三维取得了明显的进步，基于PCB混合多层、LTCC、HTCC基板的传统电路板级装配组件通过引入三维微组装技术，实现了射频前端的小型化，基于MMCM的 SiP技术取得了明显的进展。采用了LTCC微波多层基板双面微组装技术以提高组装密度，通过运用高精度芯片贴装技术和芯片金丝键合技术，实现了LTCC微波多层基板双面高精度芯片贴装和金丝键合，提高了微波组件组装密度，但是与半导体工艺相给予MCM技术的精度与体积都无法满足新的要求。

技术实现要素：

本发明提出的是一种针对射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成制造方法，设计三层堆叠，将异质芯片集成到一起，大幅提高器件原有的功能，利用硅穿孔技术实现信号从键合界面引出，形成密闭紧凑的芯片结构，真正实现射频器件的三维异质集成。

本发明的技术解决方案：一种针对射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成制造方法，包括职下步骤：

1)通过芯片到圆片键合、圆片到圆片键合、多层介质-金属交替布线实现射频微系统器件的三维集成，至少包括在传统硅基平面器件上增加三层异质类器件、材料或封帽；

2)高阻硅作为基板或转接板；基板或转接板上通过多层介质-金属交替完成布线用于射频信号传输与控制；

3)异质类化合物芯片通过chip to wafer 键合实现集成；

4)所有芯片都通过底部焊盘与硅基板或转接板上金属凸点连接，实现不同层间的信号传输；

5)通过带有硅腔的圆片与硅基板或转接板圆片键合实现三层结构堆叠与芯片保护；

6)运用硅穿孔技术实现整个器件的信号引出。

本发明具有以下优点：

1）通过采用圆片键合技术实现器件的三维集成，各层间采用相对独立工艺加工，最后利用键合实现，从而提高效率和可靠性；

2）异质异构类芯片通过芯片到圆片键合技术与硅基板，可以大幅提高集成成芯片的功能和性能；

3）硅基板采用介质与金属交替实现多层布线和信号传输，采用硅穿孔实现层间信号传输，大幅缩小信号线长度，减小寄生参数，提高传输质量；

4）本发明中，所有工艺采用半导体加工技术，与传统MCM技术相比，该技术加工精度在微米级，提高器件的性能，同时采用半导体加工技术，可操作性强，工艺简化，成本低，可靠性高。

附图说明

附图1是三维集成技术芯片示意图。

附图2是硅转接板示意图。

附图3是器件与转接板集成示意图。

附图4是键合后三维射频微系统结构示意图。

具体实施方式

针对射频微系统器件的三维键合堆叠互连集成制造方法，其特征是包括如下步骤：

1)通过芯片到圆片键合、圆片到圆片键合、多层介质-金属交替布线实现射频微系统器件的三维集成，至少包括在传统硅基平面器件上增加三层异质类器件、材料或封帽；

2)高阻硅作为基板或转接板；基板或转接板上通过多层介质-金属交替完成布线用于射频信号传输与控制；

3)异质类化合物芯片通过chip to wafer 键合实现集成；

4)所有芯片都通过底部焊盘与硅基板或转接板上金属凸点连接，实现不同层间的信号传输；

5)通过带有硅腔的圆片与硅基板或转接板圆片键合实现三层结构堆叠与芯片保护；

6)运用硅穿孔技术实现整个器件的信号引出。

所述采用圆片到圆片键合，同时利用不同功能、不同材料芯片堆叠技术，即完成器件的电学功能。

利用硅基转接板与射频硅穿孔技术使三维结构的各层之间接触互连形成良好的电学通路。

所述硅转接板制造采用多层介质-金属交替布线技术实现芯片的信号传输。

所述硅转接板制造采用多层介质-金属交替布线，介质采用SiO₂，Si₃N₄，BCB聚合物绝缘层，实现金属层间电学隔离。

异质类化合物芯片通过芯片上的焊盘凸点与硅基转接板连接，实现化合物类器件与硅材料集成。

利用圆片键合技术将硅帽结构集成在器件表面形成封装保护芯片，避免芯片被外界环境损坏。

利用硅穿孔技术实现信号从键合界面引出，形成密闭紧凑的芯片结构，真正实现射频器件的三维异质集成。

所述的硅基转接板厚度采用200um。

下面结合附图描述本发明的技术方案：

对照附图1，该方法设计是为完成三维集成，实现不同功能与模块的堆叠，形成完整功能器件，进行键合实现多层堆叠，键合时一般采用低温(200℃)的金属共晶键合，可以避免在高温下导致的器件损坏，利用光刻与金属沉积方法在封帽表面形成焊盘，以便于后续电路系统结合。

对照附图2，在硅基板上通过干法深刻蚀，再运用沉积工艺与背面减薄工艺形成硅穿孔，同时在硅基板正面采用采用多层介质-金属交替布线，介质采用SiO₂，Si₃N₄，BCB聚合物等绝缘层，堆叠键合前对硅片外表面进行化学减薄抛光处理，使其结构层的厚度满足设计要求，同时使金属凸点露出，确保层与层之间堆叠是时凸接触，形成电学通路。

对照附图3，所有芯片都通过底部焊盘与硅基板或转接板上金属凸点连接，实现不同层间的信号传输。

最后通过带有硅腔的圆片与硅基板或转接板圆片键合实现三层结构堆叠。