一種基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，其包括：頂層、中間層和底層，中間層上的硅通孔排列成N×N的方塊矩陣(N≥5)，硅通孔內(nèi)的金屬柱與頂層上的頂層金屬互連線、底層上的底層金屬互連線連接在一起以后形成串聯(lián)路徑，該串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)是一個三維螺旋結(jié)構(gòu)(即三維螺旋電感器)，使用中，電流從三維螺旋電感器的一個極板流向另一個極板，除了位于中心的金屬柱外，電流將依次通過每一個金屬柱，由于每一個硅通孔的電感值都等于其本身自感與相鄰硅通孔對其互感之和，三維螺旋電感器的總電感值等于陣列內(nèi)所有硅通孔自感電感值和互感電感值的疊加，所以本發(fā)明專利技術(shù)的三維螺旋電感器可以大幅提高集成電感器的質(zhì)量和電感值。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及一種電感器，具體涉及一種基于硅通孔(TSV)陣列的三維螺旋電感器，屬于面向射頻/微波集成電路的集成電感器領域。
技術(shù)介紹
電感器作為三大無源器件之一，是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中各類電路的重要組成部分，廣泛應用于模擬、模數(shù)混合、射頻和微波集成電路中，可用來實現(xiàn)濾波、振蕩、延遲、陷波等作用，還有篩選信號、過濾噪聲、穩(wěn)定電流及抑制電磁波干擾等作用。電感器在電路最常見的用法就是與電容一起，組成LC濾波電路。目前存在的電感器有分立電感器和集成電感器兩大類，單獨的分立電感器一般都尺寸較大，不利于單片集成和系統(tǒng)小型化；采用集成電路制造工藝制作的電感器一般是通過在硅襯底表面刻蝕金屬螺旋線構(gòu)成，這類電感器的電感值非常小，限制了電感器在集成電路中的使用。然而，人們對高性能的大值集成電感器的需求日益迫切。硅通孔(Through Silicon Via，TSV)是一種穿透硅襯底的三維結(jié)構(gòu)，可以有效提高電路的集成度和電路系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，工藝技術(shù)也日漸成熟，為三維集成電感器的設計和制造提供了新的方法。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的在于提供一種基于硅通孔陣列的、具有面積小、集成度高、電感值大、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點的三維螺旋電感器。為了實現(xiàn)上述目標，本專利技術(shù)采用如下的技術(shù)方案：一種基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，包括：頂層、中間層和底層，其特征在于，前述中間層為半導體襯底層(201)，采用硅材料制成，其上刻蝕有若干個貫通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直徑均相等，前述硅通孔排列成一個N×N的方塊矩陣，前述N≥5，所有硅通孔之間的行間距和列間距均相等，前述硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱(203)，前述金屬柱(203)與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層(202)；前述頂層為頂層介質(zhì)層(101)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有頂層金屬互連線(102)、頂層第一極板金屬互連線(103)和頂層第二極板金屬互連線(104)；前述底層為底層介質(zhì)層(301)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有底層金屬互連線(302)；前述頂層、中間層和底層依次結(jié)合后，頂層金屬互連線(102)、金屬柱(203)和底層金屬互連線(302)連接在一起，并組成一個不間斷的串聯(lián)路徑，前述串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)形成的是一個三維螺旋結(jié)構(gòu)，前述三維螺旋結(jié)構(gòu)即構(gòu)成一個三維螺旋電感器；前述頂層第一金屬互連線(103)和頂層第二極板金屬互連線(104)作為該三維螺旋電感器的兩個極板的引出電極；使用時，電流從三維螺旋電感器的一個極板流向另一個極板，除了位于中心的金屬柱(203)外，電流將依次通過每一個金屬柱(203)。前述的基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，其特征在于，制作前述頂層介質(zhì)層(101)、底層介質(zhì)層(301)和絕緣層(202)使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。前述的基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，其特征在于，制作前述金屬柱(203)使用的材料為銅或鋁。前述的基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，其特征在于，制作前述頂層金屬互連線(102)、頂層第一極板金屬互連線(103)、頂層第二極板金屬互連線(104)和底層金屬互連線(302)使用的材料為銅或鋁。本專利技術(shù)的有益之處在于：本專利技術(shù)的基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，其半導體襯底層中的硅通孔排列成N×N的方塊矩陣(N≥5)，并且硅通孔內(nèi)的金屬柱(203)與頂層金屬互連線(102)、底層金屬互連線(302)連接在一起以后形成串聯(lián)路徑，該串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)是一個三維螺旋結(jié)構(gòu)(即三維螺旋電感器)，在使用中，電流從三維螺旋電感器的一個極板流向另一個極板，除了位于中心的金屬柱外，電流將依次通過每一個金屬柱，由于每一個硅通孔的電感值都等于其本身自感與相鄰硅通孔對其互感之和，三維螺旋電感器的總電感值等于陣列內(nèi)所有硅通孔自感電感值和互感電感值的疊加，所以本專利技術(shù)的三維螺旋電感器可以大幅提高集成電感器的質(zhì)量和電感值，從而可以很好的滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)對集成電感器的要求。附圖說明圖1是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的頂層介質(zhì)層的俯視圖；圖2是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的半導體襯底層的俯視圖；圖3是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的底層介質(zhì)層的俯視圖；圖4是頂層介質(zhì)層、半導體襯底層、底層介質(zhì)層疊加后的透視圖；圖5是圖4中的三維螺旋電感器的A-A’剖面圖；圖6是圖4中的三維螺旋電感器的B-B’剖面圖；圖7是圖4中的三維螺旋電感器的C-C’剖面圖；圖8是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的電感值(L值)隨電感面積變化的曲線圖；圖9是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的電感品質(zhì)因數(shù)(Q值)隨電感面積變化的曲線圖。圖中附圖標記的含義：101-頂層介質(zhì)層、102-頂層金屬互連線、103-頂層第一極板金屬互連線、104-頂層第二極板金屬互連線、201-半導體襯底層、202-絕緣層、203-金屬柱，301-底層介質(zhì)層、302-底層金屬互連線。具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本專利技術(shù)作具體的介紹。一、三維螺旋電感器的結(jié)構(gòu)本專利技術(shù)的基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器的結(jié)構(gòu)包括：頂層、中間層和底層。1、頂層參照圖1，頂層為頂層介質(zhì)層101，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有頂層金屬互連線102、頂層第一極板金屬互連線103和頂層第二極板金屬互連線104。制作頂層介質(zhì)層101使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。制作頂層金屬互連線102、頂層第一極板金屬互連線103和頂層第二極板金屬互連線104使用的材料為銅或鋁。2、中間層參照圖2，中間層為半導體襯底層201，采用硅材料制成，其上刻蝕有若干個貫通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直徑均相等，硅通孔排列成一個N×N的方塊矩陣，N≥5，所有硅通孔之間的行間距和列間距均相等，硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱203，金屬柱203與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層202。制作絕緣層202使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。制作金屬柱203使用的材料為銅或鋁。3、底層參照圖3，底層為底層介質(zhì)層301，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有底層金屬互連線302。制作底層介質(zhì)層301使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。制作底層金屬互連線302使用的材料為銅或鋁。參照圖4、圖5、圖6和圖7，頂層、中間層和底層依次結(jié)合后，其中的頂層金屬互連線102、金屬柱203和底層金屬互連線302連接在一起，并組成一個不間斷的串聯(lián)路徑，該串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)形成的是一個三維螺旋結(jié)構(gòu)，該三維螺旋結(jié)構(gòu)即構(gòu)成一個三維螺旋電感器；其中的頂層第一金屬互連線103和頂層第二極板金屬互連線104作為該三維螺旋電感器的兩個極板的引出電極。使用時，電流從三維螺旋電感器的一個極板流向另一個極板，除了位于中心的金屬柱203外，電流將依次通過每一個金屬柱203。由于每一個硅通孔的電感值都等于其本身自感與相鄰硅通孔對其互感之和，三維螺旋電感器的總電感值等于陣列內(nèi)所有硅通孔自感電感值和互感電感值的疊加，所以本專利技術(shù)的三維螺旋電感器可以大幅提高集成電感器的質(zhì)量和電感值，從而可以很好的滿足日益發(fā)展的現(xiàn)代通信系統(tǒng)對集成電感器的要求。二、三維螺旋電感器的性能檢測1、電感器的電感值圖8是本專利技術(shù)的三維螺旋電感器的電感值(L值)隨電感面積變化的曲線圖。由圖8可知：(1)本專利技術(shù)的三維螺旋電感器和普通平面電感器的電感值都隨電感面積的增大而增大，在本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，包括：頂層、中間層和底層，其特征在于，所述頂層為頂層介質(zhì)層(101)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有頂層金屬互連線(102)、頂層第一極板金屬互連線(103)和頂層第二極板金屬互連線(104)；所述中間層為半導體襯底層(201)，采用硅材料制成，其上刻蝕有若干個貫通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直徑均相等，所述硅通孔排列成一個N×N的方塊矩陣，所述N≥5，所有硅通孔之間的行間距和列間距均相等，所述硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱(203)，所述金屬柱(203)與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層(202)；所述底層為底層介質(zhì)層(301)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有底層金屬互連線(302)；所述頂層、中間層和底層依次結(jié)合后，頂層金屬互連線(102)、金屬柱(203)和底層金屬互連線(302)連接在一起，并組成一個不間斷的串聯(lián)路徑，所述串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)形成的是一個三維螺旋結(jié)構(gòu)，所述三維螺旋結(jié)構(gòu)即構(gòu)成一個三維螺旋電感器；所述頂層第一金屬互連線(103)和頂層第二極板金屬互連線(104)作為該三維螺旋電感器的兩個極板的引出電極；使用時，電流從三維螺旋電感器的一個極板流向另一個極板，除了位于中心的金屬柱(203)外，電流將依次通過每一個金屬柱(203)。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于硅通孔陣列的三維螺旋電感器，包括：頂層、中間層和底層，其特征在于，所述頂層為頂層介質(zhì)層(101)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有頂層金屬互連線(102)、頂層第一極板金屬互連線(103)和頂層第二極板金屬互連線(104)；所述中間層為半導體襯底層(201)，采用硅材料制成，其上刻蝕有若干個貫通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直徑均相等，所述硅通孔排列成一個N×N的方塊矩陣，所述N≥5，所有硅通孔之間的行間距和列間距均相等，所述硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱(203)，所述金屬柱(203)與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層(202)；所述底層為底層介質(zhì)層(301)，采用絕緣材料制成，其內(nèi)制作有底層金屬互連線(302)；所述頂層、中間層和底層依次結(jié)合后，頂層金屬互連線(102)、金屬柱(203)和底層金屬互連線(302)連接在一起，并組成一個不間斷的串聯(lián)路徑，所述串聯(lián)路徑在豎直平面內(nèi)形成...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：尹湘坤，朱樟明，楊銀堂，李躍進，丁瑞雪，
申請(專利權(quán))人：西安電子科技大學，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西;61