一種實現多系統間的三維互連繫統的製作方法
2023-10-08 05:49:19 3
專利名稱：一種實現多系統間的三維互連繫統的製作方法
技術領域：
本發明屬於微電子領域，具體涉及一種利用矽基毫米波實現多系統間的超高速超高頻 三維互連繫統。
背景技術：
隨著電子系統向小型化、高性能化、多功能化、低成本和高可靠性發展，系統級集成 電路就成為發展的必然趨勢。隨著集成電路集成度不斷提高，每片上的器件單元數量急劇 增加，晶片面積增大，單元間連線的增長既影響電路工作速度又佔用很多面積，嚴重影響集成電路進一步提高集成度和工作速度。尤其是隨著soc (片上系統)成為當今微電子晶片發展的趨勢，傳統的互連技術由於無法滿足飛速增長的互連損耗問題，不僅佔用了很大 的晶片面積，而且還引入了高頻延時、襯底損耗和線間耦合等一系列問題。片上集成多系 統多核處理器，各系統間高速無縫的數據通信對系統間互連提出了更加嚴格的要求。為了提高集成密度和減少外引線，二十世紀80年代初出現了由多層器件疊積而成的 三維集成電路，其電路各層之間均用絕緣層隔離，並通過穿孔互連，可成倍的提高晶片集 成度。目前已達幾十層之多，成為面向下一代多系統多核處理器集成的主要技術趨勢之一。三維集成電路的重疊結構使單元連線縮短，並使並行信號處理成為可能，從而實現電 路的高速操作。同時，三維集成電路可.實現新型的多功能器件及電路系統，尤其是隨著系 統工作頻率的近一步攀升，片上集成的系統容量進一步增強，比傳統的二維集成電路和系統有很大的優勢。三維集成電路是在高密度多層互連晶片上，採用全新的分子束外延、化學汽相澱積和 原子搬移等超微加工工藝將構成電子電路的核心電路模塊和系統組裝起來，形成高密度、 高性能、高可靠性的微電子產品(包括組件、部件、子系統、系統)。它是為適應現代電子 系統短、小、輕、薄和高速、高性能、高可靠、低成本的發展方向而在二維片上系統的基 礎上發展起來的新一代微電子集成技術，是實現多系統集成的有力手段。製作三維集成電 路的關鍵是SOI (Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的矽)技術。隨著分子束外延、化學氣 相澱積和原子搬移等超微加工技術的發展，在半導體晶片內部實現器件布局的立體化也將 逐步實現，以製作出密度更高的立體集成電路。2004年，Tezzaron Semiconductor公司研 究開發出了稱為Fastack的三維互連技術，將設計分割為兩片或更多IC，假定存儲器放置在一個裸片上，微控制器放在另一片上，但在晶圓加工過程中，當裸片堆疊在一起時，通 過在兩個裸片的相應位置設定通孔和互連，創造出了較短的連接。其製作的三維傳感器能 具備100%的陣列效率，而二維器件只有40-50%。三維存儲器只有2納秒延遲，而二維存 儲器為25-40納秒。三維處理器的速度也比二維器件快3到10倍。2007年2月，日本東 北大學開發出基於10層矽片層疊技術的三維集成電路，打破了此前3個晶片層疊的紀錄。隨著系統工作頻率的提高，未來通信系統的工作頻率將有可能超過數十GHz。在光纖 通信領域，60GHz的通信系統和通信協議層出不窮。而在微波毫米波領域，使用60GHz 頻帶的毫米波通信晶片組在AV產品的無線視頻傳輸領域備受關注。美國加利福尼亞州的 風險公司SiBEAM於2007年6月在東京宣布新60GHz頻帶無線傳輸系統誕生。SiBEAM 的目的是將該晶片組配備在平板電視和機頂盒中，以無線的方式實現目前由HDMI承擔的 HDTV非壓縮傳輸。作為第四代通信系統(4G)的一部分，60GHz頻段受到很大的關注， 尤其是，砷化鎵(GaAs)場效應電晶體技術已經可以生產60GHz的GaAs MMIC。基於 GaAs的60GHz設備，比如低噪聲放大器、高功率放大器、乘法器、開關等都可以以10-20 美元一片的價格訂購，廣泛利用微波毫米波通信己成為必然的趨勢。在通常的三維互連工藝中，通過複雜的半導體IC的微細加工技術，厚、薄膜混合集成 材料與工藝技術，厚膜、陶瓷與PCB的多層基板技術以及結合其他散熱和可靠性設計與封 裝等一系列新技術，從而實現模擬電路、數字電路、功率器件、光電器件、微波器件及各 類片式化元器件有效互連。然而，此時傳統的三維互連技術能夠實現的數個納秒的延遲已 經不適合未來通信系統，尤其是微波級通信系統通信的需要。而且，隨著三維集成層數和 密度的進一步提高，多層布線的通孔工藝複雜度將會指數的攀升，線路間的串擾將會急劇 增大；封裝密度的增大，必然導致單位晶片面積的發熱量的急劇增大，高密度的通孔互連 的可靠性也將隨之惡化，集成電路系統的性能將會受到極大的制約。傳統的互連隨著片上系統複雜度的提高，尤其是隨著多系統多核處理器的廣泛運用和三維集成電路立體多層結構的不斷發展三維的互連結構存在如下缺點1. 互連線的佔用面積不斷攀升；2. 較長的互連線帶來的系統間通信延時、系統間耦合和傳輸損耗已經成為片上系統性 能提升的瓶頸；3. 不同層次間的通孔連接的可靠性和穩定性問題加速惡化。尤其是超高頻率下，現有通孔製作工藝已經很難滿足多系統多核處理器之間高速通信 要求。傳統的多層金屬間通孔互連結構如圖l所示，包括鈍化層、金屬互連層、表面器 件層和矽襯底層；通過在矽襯底表面集成有源的器件和電路，然後採用多層金屬工藝實現 複雜的電路功能。面向下一代的通信系統的三維集成電路示意圖，如圖2所示，多個系統 間的三維集成電路採用多層矽膜，每層矽膜用相應的介質層隔開，每層矽膜上集成有源的 器件和電路，在每個子系統和矽膜內部，採用傳統的金屬互連結構。各系統之間，現在常 規的三維集成電路採用鍵合或者自對準工藝實現金屬接觸互連結構，圖3表示系統A與系 統B層的互連結構。該工藝隨著電路和工作系統的工作頻率增大，其受限於現有通孔工藝，層間互連的損 耗急劇增大。由於通孔深度的增大，通孔接觸的可靠性和穩定性都會急劇惡化。發明內容本發明的目的是提出一種實現多系統間的三維互連繫統，解決高頻率下急劇增長的互 連線損耗問題，提高微波電路和系統處理超高頻超高速信號的能力，並提高互連單元在高 頻率下的可靠性和穩定性。本發明的上述目的是通過如下的技術方案實現一種實現多系統間的三維互連繫統，包括數據採樣保持模塊、時序控制模塊、射頻接 口模塊和多層通信系統，每層通信系統連接一數據採樣保持模塊和時序控制模塊，每層通 信系統互連的區域上澱積有變壓器；所述數據採樣保持模塊與變壓器通過射頻接口模塊連 接；各層通信系統利用變壓器產生和發射模擬信號；所述數據採樣保持模塊接收模擬信號， 並將模擬信號轉化為所述通信系統識別和處理的數位訊號；所述時序控制模塊通過打開或 者關閉上述數據採樣保持模塊，控制不同層級通信系統的通信時序，實現多層通信系統間 的非接觸互連。進一步，上述射頻接口模塊包括低噪聲放大器和混頻器。 進一步，上述數據採樣保持模塊包括模數轉換電路和電源管理模塊。 進一步，上述每層互連區域的變壓器釆用高阻襯底，變壓器間介質層澱積低介電常數 的絕緣材料；利用頂層金屬的銅互連工藝，形成變壓器的厚金屬螺旋電感結構；變壓器的 形狀為圓形或正多邊形，線圈圈數釆用2至4圈，線寬釆用2至6微米，線間距小於2微 米；變壓器上有一保護環。本發明的優點和積極效果如下(1) 本發明作為一種全新的"非接觸互連"結構，其相比於傳統的"接觸互連"結 構，大大減小通孔損耗問題，極大的提高了系統處理超高頻超高速信號的能力；(2) 本發明利用矽基毫米波的高速高動態特性，適應面向下一代的從12GHz到60GHz 的通信系統片上互連的要求，互連結構控制邏輯簡單，模塊復用率高；(3) 與現代標準CMOS工藝完全兼容，不需要定製全新的掩模板，極大的減小了在 毫米波和釐米波通信領域對互連結構的複雜要求；(4) 本發明利用三維立體多層機構中集成相互重疊，具有優越耦合性能的變壓器， 極大的減少了互連工藝的複雜性，提高了多系統超高頻超高速互連的穩定性和可靠性。
圖1傳統的多層金屬間的通孔互連結構；其中1--金屬通孔互連結構；2--鈍化層；3---金屬互連層； 4——表面器件層；5矽襯底層； 圖2面向下一代通信系統的三維集成電路示意圖； 圖3傳統的用於三維集成電路中子層電路和系統互連結構示意圖； 其中1—金屬通孔互連結構；4一表面器件層； 6—系統間介質層；7— 通過鍵合、自對準工藝等實現的金屬接觸互連結構；8— 系統A; 9—系統B;圖4本發明提出的利用矽基毫米波實現多系統間互連的結構示意圖； 圖5本發明提出的三維寬帶微波變壓器的平面俯視圖；其中IO—產生和發送矽基毫米波的三維寬帶微波變壓器結構；11—保護環； 圖6本發明提出的矽基毫米波互連結構剖面圖； 其中6—系統間介質層；IO—產生和發送矽基毫米波的三維寬帶微波變壓器結構； 12—矽基毫米波； 13--高阻襯底矽基；圖7 —個雙層變壓器插入損耗隨工作頻率的變化曲線圖； 圖8本發明中實現多系統間互連結構的通信原理示意圖；其中12--矽基毫米波； 14--數據採樣保持模塊；15--矽基毫米波的三維互連結構。
具體實施方式
下面結合附圖，對本發明進行詳細描述本發明提出一種利用矽基毫米波實現多系統間超高速超高頻的三維互連繫統，利用矽片上超高頻變壓器結構，兼容現代標準CMOS工藝的步驟，通過集成數據採樣保持模塊和時序控制模塊，從而實現多系統的"非接觸互連"。本發明利用矽基毫米波實現多系統間超高頻超高速互連的結構示意圖，如圖4所示， 系統X發射數據時，數據採樣保持模塊接收模擬信號，三維互連繫統通過射頻接口模塊在 三維寬帶微波變壓器產生矽基毫米波。該矽基毫米波通過多層變壓器耦合結構，以高頻電 磁波的方式將傳輸的信息傳遞到其他通信系統層。系統X接收數據時，該層三維互連繫統通過射頻接口模塊接收變壓器結構產生的矽基 毫米波，產生模擬信號傳遞到數據採樣保持模塊，數據採樣保持模塊將接收到的模擬信號 轉換為系統X可以識別和處理的數位訊號。多層系統間的工作統一受到時序控制模塊的控 制，通過時序控制模塊的使能信號，打開或者關閉某層通信系統對應的數據採樣保持電路 模塊，從而實現各層通信系統間無幹擾接收。(1) 本實施例中利用矽基毫米波實現多系統間超高速超高頻三維互連的系統，通過標 準CMOS工藝的製備流程，在矽片表面製備常規通信系統電路和器件。通信系統間的互連 部分的核心電路主要包括時序控制模塊、與相應的通信系統建立信息交互的微波領域的射 頻接口模塊(如低噪聲放大器、混頻器)和相應的數據採樣保持模塊(如模數轉換電路、 電源管理模塊)。在每層通信系統間需要高速互連的區域，澱積變壓器，所述時序控制模 塊控制不同層級通信系統的通信時序，避免通信系統間的高速數據流產生的幹擾。由於通信系統間的超高速超高頻數據傳輸是以矽基毫米波微域網的形式傳播，其高速 變換的電磁場會對其他通信系統產生幹擾。因此，本實施例採用保護環減少電磁場洩漏對 通信系統中的電磁敏感模塊的影響，使其他通信系統的電磁敏感模塊(如低噪聲放大器， 本地振蕩器等)與該互連繫統之間有良好的電磁屏蔽裝置，如圖5所示。(2) 為保證變壓器的工作頻率範圍和減小變壓器的耦合損失，上述變壓器的結構如下a) 變壓器採用高阻襯底，可選取SOI襯底或者多孔矽襯底或者懸浮襯底，用於減小極 高頻下的襯底渦流損耗，以及襯底感性耦合效應對互連電路和系統模塊的影響；b) 利用頂層金屬的銅互連工藝，即經過化學氣相澱積CVD，刻蝕Etch等工藝，形成變壓器的厚金屬螺旋電感結構，平面俯視圖如圖5所示，三維立體結構示意圖如圖6所示。 採用SOI襯底或者多孔矽襯底時，為防止銅在矽Si和二氧化矽Si02中擴散，在金屬 通孔上沉積一層阻擋層；然後再沉積一層很薄的銅作為等離子刻蝕ECP的導電介質，也作 為電鍍銅的金屬晶體生長的晶核層；由ECP產生電鍍銅層，然後進行化學機械拋光技術 CMP，主要是磨掉多餘的銅，同時將矽片表面磨平。c) 變壓器間介質採用新型低介電常數材料(即介電常數k〈3的材料)作為絕緣材料， 以保證器件的高速性能並控制能耗，提高不同層間的耦合係數，提高數十GHz下高頻信號 通過變壓器的工作帶寬和工作速率。所述低介電材料有低損耗、低洩漏電流、高附著力、 高硬度、耐腐蝕性、低吸水性和高穩定性的特性。對於要求比較高的通信系統，變壓器間介質需釆用鐵磁-鐵電功能材料或鐵磁-半導功 能材料。其中鐵磁-鐵電功能材料是一類在材料內部同時共存鐵電相和鐵磁相的功能材料， 一般都具有較高的介電常數，有較高的磁導率和電容率(介電常數)，如BiFe03(Ba,Pb) (Ti， Zr)03系材料。鐵磁-半導功能材料是一類在材料內部同時具有鐵磁性和半導體的鐵磁 -半導功能材料，有較高的磁導率和高的載(電)流子遷移率，如銪-硫(Eu-S)系和銪-硒 (Eu-Se)系材料。採用鐵磁-半導功能材料，能夠極大的提高該互連結構的通信頻率，從而 拓展其在微波領域的運用範圍，提高通信的靈敏度。d) 變壓器工藝尺寸的選擇，據三維電磁場仿真實驗表明，每層變壓器形狀最優為圓形 (或正多邊性)，線圈圈數採用2-4圈，線寬採用2-6微米，線間距釆用厚層金屬最小工藝間距(小於2微米)。從而減少襯底感性耦合帶來的渦流效應和容性耦合帶來的位移電 流。整體而言，隨著電感圈數的增大，線寬的增長，線間距的縮小，該互連結構最大工作 頻率範圍和插入損耗也隨之減少，但系統間的耦合係數將隨之增大。實際的通信系統根據 具體的頻譜要求和通信規則制定，鎖定系統間通信的優先級和數據量的要求，從而選取層 間合適的超高頻超高速互連結構。(3)在通信流程中，多系統間採用時分復用方式，如圖8所示。即根據不同層間變壓 器的傳輸特性和傳輸優先級的要求，在各層間的控制系統和全域的中央控制系統的控制 下，通過開放或者關閉不同層間的矽基毫米波的傳輸或者接收命令，從而實現系統間超高 頻率和超高速度的信息傳播。為了保證全局系統時鐘的一致性，時鐘控制模塊滿足各層間通信系統的通信協議要求，如中心控制命令、包括清除命令、使能命令及工作模式選擇命 令在各層間接口延時必須保持一致，相互的誤差不能對矽基毫米波產生影響。圖7是利用三維全波電磁場仿真工具HFSS仿真的一個雙層變壓器結構的插入損耗隨 著工作頻率的變化曲線圖。仿真了一個500微米厚度SOI襯底，普通二氧化矽介質層上， 變壓器採用2.5圈的圓形線圈，每圈的線寬為6微米，線間距為2微米，線圈的內徑為60 微米，上下兩層線圈的層間距離為20微米的四端變壓器模塊，層間插入損耗，即由第一 層變壓器單元到第二層變壓器單元的損耗(Insertion Loss)隨著輸入頻率(Frequency) 的變化曲線圖。可見，在設定的變壓器參數下，變壓器的耦合損耗僅為6dB,並保持在極寬 的頻率範圍內(5GHz-80GHz)，僅有±2. 5dB的波動。仿真表明，本發明提出的利用矽基毫 米波實現多系統間的超高速超高頻互連工作頻率能夠超過60GHz，並保持層間互連損耗低 於10dB，在物理上和工藝上都具有不可替代的優勢。儘管為說明目的公開了本發明的具體實施例和附圖，其目的在於幫助理解本發明的內 容並據以實施，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精 神和範圍內，各種替換、變化和修改都是可能的。本發明不應局限於本說明書最佳實施例 和附圖所公開的內容，本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。
權利要求
1. 一種實現多系統間的三維互連繫統，包括數據採樣保持模塊、時序控制模塊、射頻接口模塊和多層通信系統，其特徵在於，每層通信系統連接一數據採樣保持模塊和時序控制模塊，每層通信系統互連的區域上澱積有變壓器；所述數據採樣保持模塊與變壓器通過射頻接口模塊連接；各層通信系統利用變壓器產生和發射模擬信號；所述數據採樣保持模塊接收模擬信號，並將模擬信號轉化為所述通信系統識別和處理的數位訊號；所述時序控制模塊通過打開或者關閉上述數據採樣保持模塊，控制不同層級通信系統的通信時序，實現多層通信系統間的非接觸互連。
2. 如權利要求1所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述模擬信 號是矽基毫米波。
3. 如權利要求1所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述射頻接 口模塊包括低噪聲放大器和混頻器。
4. 如權利要求1所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述數據採 樣保持模塊包括模數轉換電路和電源管理模塊。
5. 如權利要求1所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述每層互 連區域的變壓器釆用高阻襯底，變壓器間介質層澱積低介電常數的絕緣材料；利用頂層金 屬的銅互連工藝，形成變壓器的厚金屬螺旋電感結構。
6. 如權利要求1或5所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述每 層互連區域的變壓器上有一保護環。
7. 如權利要求1或5所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述變 壓器的形狀為圓形或正多邊形，線圈圈數釆用2至4圈，線寬採用2至6微米，線間距小 於2微米。
8. 如權利要求5所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述超高阻 襯底是SOI或多孔矽襯底或懸浮襯底。
9. 如權利要求5所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述低介電 常數材料為鐵磁-鐵電功能材料或鐵磁-半導功能材料。
10. 如權利要求9所述的一種實現多系統間的三維互連繫統，其特徵在於，所述鐵磁-鐵電功能材料為BiFe03和/或(Ba,Pb) (Ti，Zr)03系材料，所述鐵磁-半導功能材料為銪-硫 (Eu-S)系和/或銪-硒(Eu-Se)系材料。
全文摘要
本發明屬於微電子領域，具體涉及一種實現多系統間的三維互連繫統。本發明包括數據採樣保持模塊、射頻接口模塊、時序控制模塊和多層通信系統，通過在每層通信系統互連的區域上澱積變壓器，利用矽基毫米波實現多系統間的非接觸互連結構，其相比於傳統的接觸互連結構，大大減小通孔損耗問題，極大的提高系統處理超高頻超高速信號的能力；本發明與現代標準CMOS工藝完全兼容，不需要定製全新的掩模板，極大的減少互連工藝的複雜性，提高多系統超高頻超高速互連的穩定性和可靠性。
文檔編號H04B1/38GK101290922SQ20081011448
公開日2008年10月22日 申請日期2008年6月3日 優先權日2008年6月3日
發明者廖懷林, 楊懷州, 川 王, 江 陳, 如 黃 申請人:北京大學