一種基於矽通孔的高品質三維電感器及其製備工藝的製作方法

2023-06-12 11:18:56

本發明屬於無源電子器件技術領域，涉及一種具有高品質因數的三維電感器結構及其製備工藝。

背景技術：

隨著無線通訊的發展，射頻微波電路在醫療設備、無線區域網和智能家居等方面得到了廣泛應用。在射頻集成電路中，電感器起著非常重要的作用，成為一種關鍵的電子元器件，被廣泛的應用在各種射頻集成電路中，例如低噪聲放大器等。傳統二維電感器為了獲得更大的電感器，需要製作更多的環形線圈結構，這將佔用非常大的晶片面積。隨著集成器件的不斷縮小，二維電感器在佔用面積上和封裝成本上已無法滿足需求。

近年來，隨著三維集成電路的飛速發展，一種新興的集成電路製作工藝矽通孔工藝受到廣泛關注。其中基於矽通孔技術可用於構造三維電感器和變壓器等片上元件，該電感器與傳統二維電感器相比，佔用晶片面積少而且具有較高的品質因數。電感器性能優劣的主要評判指標是品質因數，若其品質因數越高，則電感器件的性能就越好。一般可通過減小襯底的寄生效應，減小電感器本身電阻和提高自身有效電感值來提高其品質因數。

而目前現有的矽通孔工藝是利用等離子刻蝕通孔，採用化學氣相沉澱方法在通孔表面形成氧化層，最後通過銅電鍍方法填充通孔，並使用化學機械拋光技術移除多餘的銅電鍍層。該矽通孔工藝中矽基底襯底存在損耗，因而使電感器件的性能有所下降，即品質因數有所減小。

因此本發明提供的一種高品質因數的新型三維電感器結構，通過提高自身有效電感值和降低矽基底的損耗(即減小了電感器襯底的寄生效應)，改善其品質因數。

技術實現要素：

本發明的一個目的是針對現有技術的不足，提供一種具有高品質因數的新型三維電感器結構，極大的克服了晶片上佔用面積大，異向電流和矽基底損耗所帶來的問題，從而提高品質因數。

本發明電感器由多個電感元件單元構成，三維電感器元件的輸入輸出埠位於基底頂部的金屬層和基底底部的重新布局層；

所述的電感元件單元包括位於基底頂部的金屬層、一個圓環狀矽通孔陣列、位於基底底部的重新布局層，其中圓環狀內的矽通孔左右對稱設置。

所述的圓環狀矽通孔陣列上設有內、外圈矽通孔陣列，內圈或外圈矽通孔左右對稱設置，且輸入端、輸出端分別設於外圈對稱軸的兩側；同時內圈或外圈上位於同一側(即由對稱軸分割的左側或右側)的相鄰矽通孔圓心與圓環狀矽通孔陣列圓心的連線之間的夾角為20度。其中所述的矽通孔結構為穿過矽基底的銅，為防止漏電流，在銅外周設有材料為二氧化矽的絕緣層，一般其厚度為0.5μm，在絕緣層外周則為矽基底。

作為優選，所述的穿過矽基底的銅的半徑為5μm，高度為200μm；所述的圓環狀矽通孔陣列的外半徑為40μm，內半徑為60μm。

所述的內圈和外圈上矽通孔的個數相同，且均為n個，10≤n≤18；將圓環中的矽通孔順時針或逆時針定義為第一至第n矽通孔，並且將圓環最底部位置定義為第一矽通孔。將圓環外圈的第一個矽通孔的金屬層端作為輸入端，圓環外圈的第n個矽通孔的重新布局層端作為輸出端。

在電感器的頂部金屬層進行金屬線連接，按照如下規則：將圓環內圈中的第k個矽通孔的金屬層端與圓環外圈中的第k+1矽通孔的金屬層端通過金屬線連接；同樣在電感器的底部重新布局層也進行金屬線連接，按照如下規則：將圓環外圈中的第k個矽通孔的重新布局層端與圓環內圈中的第k個矽通孔的重新布局層端通過金屬線連接；其中1≤k≤n-1。圓環內圈中第n個矽通孔架空。

本發明的另一個目的是上述電感元件結構的製作工藝方法。該方法包含如下步驟：

步驟(1)、首先進行矽基底晶圓減薄，並對矽片上下表面進行拋光；

步驟(2)、在矽片上下表面進行二氧化矽沉澱形成氧化層(其厚度大於0.5μm)，並定義出矽通孔區域，依次通過各項異性腐蝕二氧化矽；

步驟(3)、在定義出矽通孔區域內，利用bosch工藝刻蝕矽片，形成通孔；

步驟(4)、定義出氧化層的厚度0.5μm，並且去除矽片上下表面過厚的氧化層，直至其厚度達到0.5μm，此外還在通孔的側壁同步形成厚度為0.5μm的氧化層；

步驟(5)、使用銅電鍍的方法對通孔進行銅填充,將通孔填充滿；

步驟(6)、使用bosch工藝在圓環中間和周圍挖空槽結構，並且使得銅外周矽基底厚度為10μm；

步驟(7)、在矽片頂部金屬層按照設計好的布局，進行金屬線連接；

步驟(8)、在新的矽片上重新布局層按設計好的布局進行金屬線連接，之後在重新布局層上與另一矽片矽通孔對應的位置添加焊點。

步驟(9)、最後將兩塊矽片進行上下貼合。

本發明運用金屬線連接圓環內外圈中的矽通孔陣列，相較與傳統矽通孔構造的電感器具有較大的電感值，同時充分利用同圓環內圈或外圈中相鄰矽通孔的電流流向都相同，來增強電感值，並且挖出圓環內部矽基底以減少損耗，此外還大大的減少了片上的佔用面積。

本發明的電感器件可基於該電感元件(圓環狀矽通孔陣列)拓展為單排線性電感器，由m個電感元件構成一排線性電感器結構，5≤m≤10。該三維電感器的輸入輸出埠位於基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個電感器元件的外圈第一矽通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第m個電感器元件的外圈第n個矽通孔金屬層端。相鄰各電感元件按照如下規則進行設置：第i個電感元件的外圈第n個矽通孔重新布局層端與第i+1個電感元件的外圈第一矽通孔重新布局層端通過金屬線連接，第i+1個電感元件的外圈第n個矽通孔金屬層端與第i+2個電感元件的外圈第一矽通孔金屬層端通過金屬線連接，以此規律連接形成單排線性結構。其中1≤i≤m-2。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個電感元件外圈的第一矽通孔金屬層端，電流按照金屬線流向第一個電感元件外圈的第n個矽通孔重新布局層端，並通過金屬線流向第二個電感元件外圈的第一矽通孔重新布局層端，電流按金屬線流向第二個電感元件外圈的第n個矽通孔金屬層端，電流按以此規律流動，最後流向第m個電感元件外圈的第n個矽通孔的金屬層端。

本發明的電感器件可基於該電感元件(圓環狀矽通孔陣列)拓展為雙排線性電感器，兩排均設有n個電感元件，8≤n≤20；該三維電感器的輸入輸出埠位於基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一排第一個電感元件的外圈第一個矽通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第一排第n個電感器元件的外圈第n個矽通孔金屬層端。相鄰各電感元件按照如下規則進行設置：位於不同排同一列的電感元件，第一排第j個電感元件的外圈第n個矽通孔重新布局層端與第二排第j個電感元件的外圈第n個矽通孔重新布局層端；第二排第j個電感元件的外圈第一個矽通孔金屬層端與第二排第j+1個電感元件的外圈第一個矽通孔金屬層端通過金屬線連接，第二排第j+1個電感元件的外圈第n個矽通孔重新布局層端與第一排第j+1個電感元件的外圈第n個矽通孔重新布局層端通過金屬線連接，以此規律連接形成雙排線性結構。其中1≤j≤n-1。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一排第一個電感元件外圈的第一個矽通孔金屬層端，電流按金屬線流向第一排第一個電感元件外圈的第n個矽通孔重新布局層端，並通過金屬線流向第二排第一個電感元件外圈的第一個矽通孔重新布局層端，電流流向第二排第一個電感元件外圈的第n個矽通孔金屬層端，並通過金屬線流向第二排第二個電感元件外圈的第一矽通孔金屬層端，電流流向第二排第二個電感元件外圈的第n個矽通孔重新布局層端，並通過金屬線流向第二排第一個電感元件外圈的第一個矽通孔重新布局層端，電流流向第二排第一個電感元件外圈的第n個矽通孔金屬層端，電流按以此規律流動，最後流向第二排第n個電感元件外圈的第十八矽通孔的金屬層端。

附圖說明

圖1a-c為電感器元件的金屬層，重新布局層和側面的截面圖。

圖2為電感元件的示意圖；

圖3為單排線性電感器的示意圖；

圖4為雙排線性電感器的示意圖；

圖1、2中標記如下：

第一矽通孔101，第二矽通孔102，第三矽通孔103，第四矽通孔104，第五矽通孔105，第六矽通孔106，第七矽通孔107，第八矽通孔108，第九矽通孔109，第十矽通孔110，第十一矽通孔111，第十二矽通孔112，第十三矽通孔113，第十四矽通孔114，第十五矽通孔115，第十六矽通孔116，第十七矽通孔117，第十八矽通孔118。

第一圓環外圈中：第一矽通孔201，第二矽通孔202，第三矽通孔203，第四矽通孔204，第五矽通孔205，第六矽通孔206，第七矽通孔207，第八矽通孔208，第九矽通孔209，第十矽通孔210，第十一矽通孔211，第十二矽通孔212，第十三矽通孔213，第十四矽通孔214，第十五矽通孔215，第十六矽通孔216，第十七矽通孔217，第十八矽通孔218。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1給出了本發明的電感元件的頂部，底部和側面截面圖，如圖2所示，電感元件中圓環狀內圈或外圈上矽通孔的個數均為18個，將圓環中的矽通孔順時針定義為第一、第二、…、第十八矽通孔，並且將圓環最底部位置定義為第一矽通孔。將圓環外圈的第一矽通孔201的金屬層端作為輸入端，圓環外圈的第十八矽通孔218的重新布局層端作為輸出端。將圓環內圈中的第一矽通孔101的金屬層端與圓環外圈中的第二矽通孔202的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第二矽通孔102的金屬層端與圓環外圈中的第三矽通孔203的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第三矽通孔103的金屬層端與圓環外圈中的第四矽通孔204的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第四矽通孔104的金屬層端與圓環外圈中的第五矽通孔205的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第五矽通孔105的金屬層端與圓環外圈中的第六矽通孔206的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第六矽通孔106的金屬層端與圓環外圈中的第七矽通孔207的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第七矽通孔107的金屬層端與圓環外圈中的第八矽通孔208的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第八矽通孔108的金屬層端與圓環外圈中的第九矽通孔209的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第九矽通孔109的金屬層端與圓環外圈中的第十矽通孔210的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十矽通孔110的金屬層端與圓環外圈中的第十一矽通孔211的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十一矽通孔111的金屬層端與圓環外圈中的第十二矽通孔212的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十二矽通孔112的金屬層端與圓環外圈中的第十三矽通孔213的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十三矽通孔113的金屬層端與圓環外圈中的第十四矽通孔214的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十四矽通孔114的金屬層端與圓環外圈中的第十五矽通孔215的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十五矽通孔115的金屬層端與圓環外圈中的第十六矽通孔216的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十六矽通孔116的金屬層端與圓環外圈中的第十七矽通孔217的金屬層端通過金屬線連接；將圓環內圈中的第十七矽通孔117的金屬層端與圓環外圈中的第十八矽通孔218的金屬層端通過金屬線連接。

同樣在電感器的底部重新布局層也進行金屬線連接，將圓環外圈中的第一矽通孔201的重新布局層端與圓環內圈中的第一矽通孔101的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第二矽通孔202的重新布局層端與圓環內圈中的第二矽通孔102的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第三矽通孔203的重新布局層端與圓環內圈中的第三矽通孔103的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第四矽通孔204的重新布局層端與圓環內圈中的第四矽通孔104的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第五矽通孔205的重新布局層端與圓環內圈中的第五矽通孔105的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的六矽通孔206的重新布局層端與圓環內圈中的第六矽通孔106的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第七矽通孔207的重新布局層端與圓環內圈中的第七矽通孔107的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第八矽通孔208的重新布局層端與圓環內圈中的第八矽通孔108的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第九矽通孔209的重新布局層端與圓環內圈中的第九矽通孔109的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十矽通孔210的重新布局層端與圓環內圈中的第十矽通孔110的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十一矽通孔211的重新布局層端與圓環內圈中的第十一矽通孔111的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十二矽通孔212的重新布局層端與圓環內圈中的第十二矽通孔112的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十三矽通孔213的重新布局層端與圓環內圈中的第十三矽通孔113的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十四矽通孔214的重新布局層端與圓環內圈中的第十四矽通孔114的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十五矽通孔215的重新布局層端與圓環內圈中的第十五矽通孔115的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十六矽通孔216的重新布局層端與圓環內圈中的第十六矽通孔116的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環外圈中的第十七矽通孔217的重新布局層端與圓環內圈中的第十七矽通孔117的重新布局層端通過金屬線連接。

圓環內圈中的第十八矽通孔118架空。

上述電感器的製作工藝過程：

步驟一，如圖5a所示，首先進行晶圓減薄，並對矽片501上下表面進行拋光；

步驟二，如圖5b所示，在矽片501上下表面進行二氧化矽502沉澱形成氧化層(其厚度大於0.5μm)，並定義出矽通孔區域503，依次通過各項異性腐蝕二氧化矽。

步驟三，如圖5c所示，在定義出矽通孔區域內，利用bosch工藝刻蝕矽片，形成通孔504；

步驟四，如圖5d所示，定義出氧化層的厚度為0.5μm，並且去除矽片上下表面過厚的氧化層502，直至其厚度達到0.5μm，此外還在通孔504的側部同步形成厚度為0.5μm的氧化層505。

步驟五，如圖5e所示，使用銅電鍍的方法對通孔進行銅填充506；

步驟六，如圖5f所示，使用bosch工藝在圓環中間和周圍挖空槽結構507，並且使得銅外周矽基底厚度為10μm；

步驟七，在矽片金屬層按照圖1a(電感元件)的布局，進行金屬線連接；

步驟八，如圖5g所示，在新的矽片上的重新布局層按照圖1b(電感元件)的布局連接，之後在重新布局層508上與另一矽片矽通孔對應的位置添加焊點509。

步驟九，如圖5h所示，最後將兩塊矽片進行上下貼合。

圖3為本發明的電感器件可基於該電感元件(圓環狀矽通孔陣列)拓展的單排線性電感器，其電感元件排成一列。該三維電感器的輸入輸出埠位於基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個電感元件的外圈第一矽通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第n個電感元件的外圈第十八矽通孔金屬層端。第一個電感元件的外圈第十八矽通孔重新布局層端與第二個電感元件的外圈第一矽通孔重新布局層端通過金屬線連接，第二個電感元件的外圈第十八矽通孔金屬層端與第三個電感元件的外圈第一矽通孔金屬層端通過金屬線連接，以此規律連接形成單排線性結構。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個電感元件外圈的第一矽通孔201金屬層端，電流按順時針流向第一個電感元件外圈的第一矽通孔218重新布局層端，並通過金屬線流向第二個電感元件外圈的第一矽通孔重新布局層端，電流按順時針流向第二個電感元件外圈的第一矽通孔金屬層端，電流按以此規律流動，最後流向第n個電感元件外圈的第十八矽通孔n18的金屬層端。

圖4為本發明的電感器件可基於該電感器元件(圓環狀矽通孔陣列)拓展的雙排線性電感器，其奇數編號和偶數編號的電感元件分別為一列。該三維電感器的輸入輸出埠位於基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個電感元件的外圈第十一矽通孔1111金屬層端，三維電感器的輸出端為第n個電感器元件的外圈第十八矽通孔金屬層端。第一個電感器元件的外圈第十五矽通孔1115重新布局層端與第二個電感器元件的外圈第五矽通孔2105金屬層端通過金屬線連接，第二個電感器元件的外圈第一矽通孔2101金屬層端與第三個電感器元件的外圈第十矽通孔3110金屬層端通過金屬線連接，第三個電感器元件的外圈第六矽通孔3106重新布局層端與第三個電感器元件的外圈第十四矽通孔4114重新布局層端通過金屬線連接，以此規律連接形成雙排線性結構。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個電感器元件外圈的第十一矽通孔1111金屬層端，電流按逆時針流向第一個電感器元件外圈的第十五矽通孔1115重新布局層端，並通過金屬線流向第二個電感器元件外圈的第五矽通孔2105重新布局層端，電流按順時針流向第二個電感器元件外圈的第一矽通孔2101金屬層端，並通過金屬線流向第三個電感器元件外圈的第十矽通孔3110金屬層端，電流按順時針流向第三個電感器元件外圈的第六矽通孔3106重新布局層端，並通過金屬線流向第四個電感器元件外圈的第十四矽通孔4114重新布局層端，電流按逆時針流向第四個電感器元件外圈的第十八矽通孔4118金屬層端，電流按以此規律流動，最後流向第n個電感器元件外圈的第十八矽通孔n118的金屬層端。