CN112087214B - 一种tsv耦合和rdl互连的片上无源巴伦及制作工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦及制作工艺，巴伦结构包括硅基片以及依次设置在其上的TSV耦合单元、底部RDL互连线、顶部互连线和接地通孔。TSV耦合单元由TSV两两电容性耦合形成。顶部互连线设置在硅基片的顶部，RDL互连线则设置在硅基片的底部，每段均由两条平行的矩形导体组成。多组顶部互连线、耦合单元与RDL互连线连接形成曲折线形的巴伦总耦合路径。本发明可用于实现将单端非平衡信号转换为双端平衡输出信号的巴伦电路功能，与现有技术相比具有集成密度更高、垂直互连串扰与噪声更小、可选频率范围广的优点。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及电子器件技术领域中的一种硅通孔TSV(Through Silicon Via)耦合和重布线层RDL(Redistribution Layer)互连的片上无源巴伦及制作工艺。本发明可作为独立器件实现不平衡输入信号至平衡输出信号的转换,也可集成于射频/微波集成电路中实现推挽放大、双平衡混频、平衡放大功能。
背景技术
巴伦(Balun)为一类三端口电子器件的总称，其主要功能是将不平衡输入信号转换为平衡输出信号，其理想条件下两个平衡输出端幅度相同且相位差180°，因此常被集成于有差分输入需求的电路结构中，如双平衡混频器，推挽放大器等，因此在无线通信、远距离信号传输等应用领域有着广泛应用。传统的巴伦器件根据频段范围、工艺、性能要求的不同，可采用变压器、传输线、功率分配器等不同结构实现。其中Marchand型传输线巴伦由于其较大的工作带宽，出色的平衡性能以及易于集成的特点，在微波频段受到广泛的应用。
南京理工大学在其申请的专利文献“基于LTCC的组合型二路功分器”(申请号：201910161349.6，申请公布号：CN 109786919 A)公开了一种平面螺旋结构的Marchand型巴伦电路。该种平面结构的片上巴伦是通过两层相邻螺旋线间的电容性耦合特性实现巴伦的电路功能。这种结构存在的不足之处在于：因为该种巴伦为平面结构，所以当其被集成于射频/微波集成电路时会占用大量的版图空间，因而增大了***整体的组装面积，限制了巴伦器件在高集成密度场景下的应用。且当该结构通过垂直堆叠式封装集成于***中时，需额外添加走线与通孔，会引入更多的信号串扰与噪声。
Xun Wang,Jincai Wen,Lingling Sun在其发表的论文“D-band BalancedFrequency Doubler with Marchand Balun Structure”(会议名称：IEEE InternationalSymposium on Radio-Frequency Integration Technology(RFIT)，地点:Nanjing,China，时间：2019年12月12日)中公开了一种Marchand型片上巴伦电路的制造工艺。该巴伦电路采用标准CMOS工艺制造的优势是CMOS工艺兼容性强，方便与其它器件集成，且工艺成熟度高，整体成本较低。但是，该制造工艺仍然存在的不足之处在于：用CMOS工艺制造片上巴伦仅能利用硅基片正面顶部的金属层区域实现布线，空间利用率低；且该区域内的布线尺寸如厚度、线宽与线间距受工艺条件制约较为严重，影响了巴伦电路可实现的频率范围与性能。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦及制作工艺，用于解决现有巴伦结构在高集成密度场景下应用受限、垂直互连串扰与噪声大、频带与性能选择受限的问题。
实现本发明目的的思路是，通过TSV之间的电容性耦合作用形成耦合单元结构，用以在不改变布线面积与密度的前提下增大等效耦合路径长度，以提高电路与***的集成度；通过引入底部RDL互连结构，将耦合单元与顶部金属层垂直连接形成立体巴伦结构，该巴伦结构的输入与输出可位于硅衬底的顶部或底部，针对不同应用场景进行对应设置，可以减少额外垂直互连引入的串扰与噪声。
本发明设计了一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦,包括硅基片，以及依次设置在硅基片上的多组顶部互连线、两个接地通孔、多组由TSV两两电容性耦合形成的耦合单元和多组底部RDL互连线；所述硅基片的顶部设有多组互连线，每组由三段不连续地顶部互连线构成，每段均由两条平行的矩形导体组成；所述硅基片的底部设有多组RDL互连线，每组由三段不连续地底部RDL互连线构成，每段均由两条平行的矩形导体组成；所述多组的顶部互连线、耦合单元与RDL互连线连接形成曲折线形的巴伦总耦合路径；所述平衡输入端与最右边组的第三顶部互连线相连形成L形的输入路径；正中间组的第二段顶部互连线的一条矩形导体中间设有开口，所述非平衡输出端从开路端两侧引出；所述第一接地通孔连接于最左侧组的第一段顶部互连线，第二接地通孔连接于最右侧组的第三段顶部互连线。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
第一，由于本发明在顶部金属层之下添加了由TSV两两耦合而成的耦合单元，在硅基片底部添加了底部RDL互连层，耦合单元可以延长耦合路径长度以提高集成密度，RDL互连层不占用布线层版图空间，克服了现有技术存在占用版图空间大、在高集成密度场景下应用受限的问题，使得本发明具有更高集成密度的优点。
第二，由于本发明中的顶部互连层、TSV耦合单元与底部RDL互连层垂直连接形成了立体巴伦结构，该巴伦电路的非平衡输入与平衡输出可以根据不同的应用场景设置于硅衬底的顶部或底部，克服了额外添加布线与通孔引入互连串扰与噪声的问题，使得本发明具有垂直互连串扰与噪声更小的优点。
第三，由于本发明在巴伦制造工艺中添加了TSV制造工艺与RDL制造工艺，克服了现有巴伦制造工艺布线空间利用率低、频率范围与性能受限的问题，使得本发明具有空间利用率高，可选频率范围广的优点。
附图说明
图1为本发明巴伦的三维结构示意图；
图2为本发明巴伦的剖面结构示意图；
图3为本发明Marchand型巴伦的等效电路示意图；
图4为本发明顶部互连层横截面示意图；
图5为本发明底部RDL互连层横截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进进一步详细的说明。
参照附图1，本发明包括硅基片15以及依次设置在硅基片15上的多组顶部互连线、两个接地通孔10和11、多组TSV耦合单元和多组底部RDL互连线。每个TSV耦合单元包含两个相邻的TSV，TSV间通过寄生效应形成耦合作用，其中起主要作用的是电容性耦合；TSV是被一层很薄的SiO2绝缘层包裹的实心铜柱.形状可以是圆柱形、长方体形或圆台形。多组顶部互连线位于硅基片的顶部，每组由三段不连续地顶部互连线构成，每段均由两条平行的矩形导体组成；多组RDL互连线位于硅基片的底部，每组由三段不连续地底部RDL互连线构成，每段同样由两条平行的矩形导体组成。
本发明顶部互连线、耦合单元与RDL互连线依次连接形成曲折线形的巴伦总耦合路径：该总耦合路径可由单个或多个W形的子耦合路径构成，单个子耦合路径则按照第一段顶部互连线1、第一耦合单元4、第一段RDL互连线8、第二耦合单元5、第二段顶部互连线2、第三耦合单元6、第二段RDL互连线9、第四耦合单元7、第三段顶部互连线3的顺序依次连接而成。该W形的耦合路径也可通过调换顶部互连线与RDL互连线的形状与连接次序转换为M形路径。耦合路径的总长度主要由所设计巴伦的频段范围决定，耦合路径越长工作频段越低。
本发明巴伦的输入输出端口包括一个平衡输入端12和两个平衡输出端13和14，平衡输入端12从最右边组的顶部互连线3处引出。两个非平衡输出端13和14从最中间组的顶部互连线2中间开口处两侧引出，两个接地通孔10和11则分别连接于最左侧与最右侧的顶部互连线，用于连接电路公共地。
本发明的结构与现有技术的平面巴伦的主要不同之处在于：平面巴伦结构主要利用了金属层内互连线之间的耦合作用，不论该耦合是通过金属线的宽边还是窄边形成，都将占用大量的版图布线空间；而TSV位于原先不可布线的衬底内，在不增大互连层布线的前提下通过TSV间的耦合提高了等效耦合路径长度，相当于将原先占用的一部分水平面空间转换至了垂直平面上，等效提高了电路的整体集成度。同时由于本发明的巴伦为立体结构，输入与输出既可设置在常规的基片顶部，也可选择设置在基片的底部，结合三维封装工艺，可更好的应用于特殊应用场景下如垂直堆叠式封装等，而平面巴伦结构由于需添加额外的引线与通孔，会引入更多的信号串扰与噪声。
参照附图2，硅基片从上往下可分顶部互连区16、有源区17、衬底18与RDL互连区19。其中顶部互连区16包括顶部互连线与顶部介质层，有源区17为预留的用于制造有源器件的区域，TSV位于顶部互连区16与RDL互连区19之间，RDL互连区19包括底部RDL互连线和底部介质层。
本发明结构实现的功能为Marchand型巴伦电路，其等效电路参照附图3。本发明的结构整体可视为由两段1/4λ电长度的耦合传输线串联而成，其中λ为中心频率处的波长。耦合传输线的一侧为非平衡输入部分，其中一端连接输入，另一端开路。耦合传输线的另一侧是两个非平衡输出部分，分别由一段1/4λ的传输线组成，每段传输线的一端连接输出，另一端接地。在不考虑导体与衬底损耗等非理想效应的情况下，Marchand型巴伦可将输入转换为相位相差180°且幅度相同的平衡输出，每个平衡输出端口的功率均为输入功率的1/2，约为-3dB。
本发明的片上巴伦实施例的中心频率为60GHz,其尺寸和互连布局如下：
TSV的直径为8μm，长度为80μm，深宽比为10：1；
顶部互连层的导体图形参照附图4，其中L1＝420μm,L2＝80μm,L3＝140μm,L4＝80μm,W1＝17.5μm，W2＝17.5μm，D1＝35μm,D2＝8.8μm；
底部RDL互连层的图形参照附图5，其中W3＝10μm,W4＝10μm，L5＝158μm，L6＝158μm。
本发明的片上巴伦制造方法，按照以下步骤实施：
制造主要包含三个步骤，依次为制造TSV耦合单元、顶部互连层与底部RDL互连层：
第一步，通过刻蚀工艺在硅基片的顶部刻蚀出两两相邻的通孔，TSV的直径为8μm，间距为5μm；通过化学气相淀积工艺在通孔的外侧壁依次淀积SiO2绝缘层、Ti种子层与Cu保护层，并通过电镀法在通孔内填充铜，形成完整的TSV耦合单元；
第二步，在硅基片上通过铜大马士革工艺制造导体图形与通孔图形，导体图形为两两平行的矩形，构成了顶部互连线结构，形状参照附图4，通孔图形位于导体图形的上层，直径5μm，构成了接地通孔，之后在其上淀积SiO2形成顶部介质层；
第三步，构建底部RDL互连线：在硅基片的顶部添加基片载具，然后将其倒置，通过化学机械抛光工艺将硅基片减薄至80μm厚度，并在硅基片的底部通过RDL工艺构建底部互连线：先通过光刻与刻蚀工艺形成两两平行的矩形线槽，形状参照附图5，并电镀10μm的铜形成底部RDL互连线结构，之后在其上淀积SiO2形成底部介质层。
构建完成的实施例中心频率为60GHz,且在40GHz-110GHz的频段范围内相位平衡度＜10°，幅度平衡度＜1dB，满足常规使用需求；其平面电尺寸约为0.001λ2，远小于相同工作频段下的平面结构巴伦。
Claims (4)
1.一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦,包括硅基片(15)，以及依次设置在硅基片(15)上的多段顶部互连线和第一接地通孔(10)和第二接地通孔(11)，其特征在于，还包括多组由两两电容性耦合形成的TSV耦合单元和多段底部RDL互连线；所述硅基片(15)的顶部设有多组互连线，每组由三段不连续地顶部互连线组成，每段均由两条平行的矩形导体组成；所述硅基片(15)的底部设有多组RDL互连线，每组由两段不连续地底部RDL互连线组成，每段均由两条平行的矩形导体组成；多组顶部互连线、TSV耦合单元与底部RDL互连线连接形成曲折线形的巴伦总耦合路径，其中顶部互连线与底部RDL互连线平行，且两者均与TSV耦合单元垂直连接；平衡输入端(12)与第三段顶部互连线(3)相连形成L形的输入路径；最中间组的第二顶部互连线(2)的一条矩形导体中间设有开口，第一非平衡输出端(13)和第二非平衡输出端(14)从开口的两侧引出；所述第一接地通孔(10)连接于最左边组的第一顶部互连线(1)，第二接地通孔(11)连接于最右边组的第三顶部互连线(3)。
2.根据权利要求1所述的一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦，其特征在于，所述的巴伦总耦合路径是由单个或多个W形的子耦合路径串联形成的，其中每条子路径是由第一段顶部互连线(1)、第一耦合单元(4)、第一段RDL互连线(8)、第二耦合单元(5)、第二段顶部互连线(2)、第三耦合单元(6)、第二段RDL互连线(9)、第四耦合单元(7)、第三段顶部互连线(3)依次连接形成的；所述的W形的子耦合路径也可通过调换顶部互连线(1)、(2)、(3)与RDL互连线(8)、(9)的形状与连接次序转换为M形路径。
3.根据权利要求1所述的一种TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦，其特征在于，所述TSV耦合单元中的TSV是被绝缘层包裹的圆柱形、长方体形或圆台形的实心铜柱。
4.一种如权利要求1所述的TSV耦合和RDL互连的片上无源巴伦制作工艺，其特征在于，采用刻蚀、化学气相淀积与电镀工艺构造TSV结构，并采用化学机械抛光、光刻与刻蚀工艺在硅基片(15)底部构造RDL互连线，所述巴伦的制造工艺包括如下步骤：
步骤1，构建耦合单元：通过刻蚀工艺在硅基片(15)的顶部刻蚀出两两相邻的通孔，通过化学气相淀积工艺在通孔的外侧壁依次淀积SiO2绝缘层、Ti种子层与Cu保护层，并通过电镀法在通孔内填充铜，形成完整的耦合单元；
步骤2，构建顶部互连线：在耦合单元顶部所在平面上通过铜大马士革工艺制造导体图形与通孔图形，导体图形为两两平行的矩形，构成了顶部互连线结构，通孔图形位于导体图形的上层，构成了接地通孔结构，之后在其上淀积绝缘介质；
步骤3，构建底部RDL互连线：在硅基片(15)的顶部添加基片载具，然后将其倒置，通过化学机械抛光工艺将硅基片(15)减薄至指定厚度，并在硅基片(15)的底部通过光刻与刻蚀工艺形成两两平行的矩形线槽，并电镀铜形成底部RDL互连线结构，之后在其上淀积绝缘介质。
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