专利名称：一种圆片级三维电容结构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种圆片级三维电容结构，属于半导体集成电路制造领域。
背景技术：
随着现代通信系统快速发展，射频电路和微波电路得到了广泛的应用，便携式无线产品里使用的大多数器件是无源电子器件。无源电子器件已经成为制约整机进一步向小型化、集成化发展的瓶颈。如果把这些无源电子器件集成到一个衬底或一个独立的器件上将能明显地提高产品性能、降低生产成本和减小尺寸，其中，电容是集成电路关键无源器件之一，能够实现匹配、滤波和偏置等功能。目前，应用于电子产品的电容大多是分立器件，普遍存在尺寸大、寄生效应明显等缺点。通过平板电容(金属布线层-绝缘层-金属布线层)的电容定义，即C=e *ε0* S/d，其中C为电容，ε为相对介电常数，ε O为真空介电常数,S为面积，d为极板间距,可知，通常增大电容密度的方法有:提高绝缘层的介电常数、减小金属布线层板间距离(绝缘层厚度)或者增大电容面积。1、常用的高介电材料如:氧化钽(TaO)、钛酸锶(SrTiO)等，由于现有工艺能力和生产成本控制，通过应用高介电常数材料来增大电容密度，不仅提升空间有限，而且应用高介电常数材料会造成生产成本大幅度增加。2、减小绝缘层厚度即板极间距离虽然能大幅度提高电容密度，但是在电容实际应用中必须考虑电容的工作电压，在相同的工作电压下绝缘层厚度减小，介质承受的电场强度势必增加，大大增加了电容击穿的风险。3、在提高电容密度方法中，采用最多的途径是增大电容面积，例如:通过金属层-绝缘层进行多次堆叠来增大·板极面积提高电容密度，如第一极板与第二极板间设置第一绝缘层，第二极板上设置第二绝缘层，第三极板上设置第三绝缘层，依次堆叠，这种方法每增加一层，生产成本基本提高一倍，另外当堆叠越多，表面将会产生严重凹曲，工艺难以实现。此外还有利用先进的硅通孔技术在圆片硅表面通过离子刻蚀或激光打孔形成高宽比较大的凹槽，首先在凹槽侧壁设置第一金属布线层，在第一金属布线层上面设置绝缘层，最后再设置第二金属布线层，但整个工艺流程比较复杂而且难以控制。另外硅通孔技术生产成本很高，难以广泛应用。
发明内容本实用新型的目的在于克服当前电容结构的不足，提供一种尺寸小、结构简单、工艺流程易于控制、能显著增大电容密度的圆片级三维电容结构。本实用新型的目的是这样实现的:一种圆片级三维电容结构，包括衬底，所述衬底的上表面设置钝化层，在所述钝化层上设置金属凸块，所述金属凸块包括若干个金属凸块I和若干个金属凸块II，所述金属凸块II呈阵列排布，所述金属凸块的底部相连，所述金属凸块的外围设置绝缘层，所述绝缘层上设置金属布线层，所述金属布线层的外围填充保护层，所述绝缘层、金属布线层和保护层选择性地覆盖在金属凸块I的顶端，分别形成金属凸块顶端之上的保护层开口和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口，所述金属凸块顶端之上的保护层开口为电容的一极，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口为电容的另一极。所述金属凸块II设置在金属凸块I的同侧，或设置在金属凸块I之间，或设置在金属凸块I的两侧，或设置在金属凸块I的两侧及金属凸块I之间。所述金属凸块I的横截面呈四边形，且为平行排布、一字排布或八字排布。所述金属凸块II为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱。所述金属凸块II呈交错的阵列排布。所述金属凸块顶端之上的保护层开口和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口的形状为圆形、四边形、六边形或八边形。所述金属凸块顶端之上的保护层开口的底部为金属凸块I的顶端面，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口的底部为金属布线层的上表面。所述金属凸块顶端之上的保护层开口设置锡块，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口设置锡块。所述左侧的金属凸块I顶端之上的绝缘层和金属布线层呈台阶状分布，所述绝缘层在金属布线层之下、且凸出于金属布线层，所述保护层将绝缘层和金属布线层裸露的端部包裹。 所述左侧的金属凸块I顶端之上的绝缘层和金属布线层呈台阶状分布，所述绝缘层在金属布线层之下、且凸出于金属布线层，所述保护层将绝缘层和金属布线层裸露的端部与锡块隔尚。本实用新型的有益效果是:本实用新型提出一种基于铜柱凸块工艺的圆片级三维电容结构，包括:一衬底，衬底上设置有钝化层和数个金属铜柱凸块；一高介电常数的绝缘层，绝缘层覆盖金属铜柱凸块；一金属布线层，金属布线层设置在绝缘层上面；一保护层，设置在最上面，防止金属布线层氧化。本实用新型利用成熟的铜柱凸块技术，在硅片衬底上镀数个铜柱凸块，将铜柱凸块作为平板电容的下层金属，然后在铜柱凸块上化学气相沉积一高介电常数的绝缘层，最后在上表面溅射或镀一上层金属，即金属布线层，该结构简单，工艺流程易于控制，克服了现有硅通孔工艺缺陷。同时本实用新型通过铜柱凸块的交错排布来增大铜柱凸块的排布密度，从而增大电容密度，有利于电容结构向更小化推进，并克服了生产成本问题。
图1为本实用新型一种圆片级三维电容结构的示意图。图2为图1的俯视图。图3为图1的另一实施例的结构示意图。图4为图3的俯视图。[0030]图中:衬底100钝化层200金属凸块I 301金属凸块II 302绝缘层400金属布线层500保护层600金属凸块顶端之上的保护层开口 601金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口 602锡块701、702。
具体实施方式参见图1和图2，本实用新型一种圆片级三维电容结构，包括衬底100，所述衬底100为电阻率较高的硅片，以提高电容的品质因数。所述衬底100的上表面设置钝化层200，钝化层200为二氧化硅或聚酰亚胺等绝缘材料。在所述钝化层200上镀金属凸块，所述金属凸块优选为导电性能良好的铜块。所述金属凸块包括若干个金属凸块I 301和若干个金属凸块II 302，所述金属凸块的底部相连。所述金属凸块I 301的横截面呈四边形，所述金属凸块II 302为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱。所述金属凸块的外围依次设置平行走向的高介电常数的绝缘层400和金属布线层500，所述金属布线层500的外围填充保护层600。所述绝缘层通过化学气相沉积形成，厚度为50nnT200nm，绝缘层400的材质为高介电常数材料，如:SiN、TaO。所述金属布线层500通过化学溅射或电镀的方法覆盖在绝缘层400上，在实际应用中，所述绝缘层400满足不被电容的工作电压击穿的要求。所述绝缘层400、金属布线层500和保护层600选择性地覆盖在金属凸块I 301的顶端。保护层600能防止金属布线层500被氧化，并起到与外界绝缘作用。所述金属凸块与所述金属布线层500形成平板电容的上下两级金属层，所述绝缘层400形成平板电容中间的绝缘层。所述金属凸块
I 301设置为平行排布、一字排布或八字排布。所述金属凸块II 302设置在金属凸块I 301的同侧，或所述金属凸块II 302设置在金属凸块I 301之间，或所述金属凸块II 302分布在金属凸块I 301的两侧，或所述金属凸块II 302分布在金属凸块I 301的两侧及金属凸块I 301之间，所述金属凸块II 302呈阵列排布。所述金属凸块II 302与金属凸块I 301的具体排布位置根据实际情况确定。如图中I至图4所示，所述金属凸块I 301以两个平行设置的长方体为例，所述金属凸块II 302以圆柱为例，金属凸块II 302设置在两个金属凸块
I301之间，并呈交错的阵列排布，有利于在单位面积上进一步增加金属凸块II 302的个数。通过增大金属凸块II 302排布密度，从而增加了下层金属层的表面积；所述金属布线层500沿着金属凸块II 302的外壁升降，增加了上层金属层的表面积。所述绝缘层400设置在上下两级金属层之间，上下两级金属层表面积的增大，从而实现了电容密度的增大。在图1中，左侧的金属凸块I 301的顶端上，所述绝缘层400、金属布线层500呈台阶状分布，所述绝缘层400在金属布线层500之下、且凸出于金属布线层500，所述保护层600将绝缘层400和金属布线层500裸露的端部包裹，并且在保护层600上通过涂胶、曝光、显影的方法形成与金属凸块I 301相对应的长方形的金属凸块顶端之上的保护层开口601，其裸露的金属凸块I 301形成平板电容的一极；右侧的金属凸块I 301的顶端上，在金属布线层500之上的保护层600上通过涂胶、曝光、显影的方法形成与金属凸块I 301相对应的长方形金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口 602，裸露的金属布线层500形成平板电容的另一极。在另一实施例中，如图3和图4所示，所述衬底100为倒装的芯片，所述金属凸块顶端之上的保护层开口 601设置锡块701，金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口 602设置锡块702，锡块701、锡块702的材质为锡、锡银合金或锡铜合金。其中，左侧的所述金属凸块I 301顶端之上的绝缘层400和金属布线层500呈台阶状分布，所述绝缘层400在金属布线层500之下、且凸出于金属布线层500,所述保护层600将绝缘层400和金属布线层500裸露的端部与锡块701隔离。锡块701、锡块702分别为平板电容的两极，将芯片信息与外部连通。从图1至图4可以看出，通过增减金属凸块II 302的数量可以控制电容密度大小。本 实用新型的结构也克服了硅通孔技术生产成本高、难以广泛应用的缺陷。
权利要求1.一种圆片级三维电容结构，包括衬底(100)，其特征在于:所述衬底(100)的上表面设置钝化层(200 )，在所述钝化层(200 )上设置金属凸块，所述金属凸块包括若干个金属凸块I (301)和若干个金属凸块II (302)，所述金属凸块II (302)呈阵列排布，所述金属凸块的底部相连，所述金属凸块的外围设置绝缘层(400)，所述绝缘层(400)上设置金属布线层(500)，所述金属布线层(500)的外围填充保护层(600)，所述绝缘层(400)、金属布线层(500)和保护层(600)选择性地覆盖在金属凸块I (301)的顶端，分别形成金属凸块顶端之上的保护层开口(601)和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)，所述金属凸块顶端之上的保护层开口(601)为电容的一极，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)为电容的另一极。
2.根据权利要求1所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块II(302)设置在金属 凸块I (301)的同侧，或设置在金属凸块I (301)之间，或设置在金属凸块I(301)的两侧，或设置在金属凸块I (301)的两侧及金属凸块I (301)之间。
3.根据权利要求1或2所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块I(301)的横截面呈四边形，且为平行排布、一字排布或八字排布。
4.根据权利要求1或2所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块II(302)为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱。
5.根据权利要求1或2所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块II(302)呈交错的阵列排布。
6.根据权利要求1所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块顶端之上的保护层开口(601)和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)的形状为圆形、四边形、六边形或八边形。
7.根据权利要求1所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块顶端之上的保护层开口(601)的底部为金属凸块I (301)的顶端面，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)的底部为金属布线层(500)的上表面。
8.根据权利要求1或6或7所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:所述金属凸块顶端之上的保护层开口(601)设置锡块(701)，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)设置锡块(702)。
9.根据权利要求1所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:左侧的所述金属凸块I(301)顶端之上的绝缘层(400 )和金属布线层(500 )呈台阶状分布，所述绝缘层(400 )在金属布线层(500)之下、且凸出于金属布线层(500)，所述保护层(600)将绝缘层(400)和金属布线层(500)裸露的端部包裹。
10.根据权利要求9所述的圆片级三维电容结构，其特征在于:左侧的所述金属凸块I(301)顶端之上的绝缘层(400 )和金属布线层(500 )呈台阶状分布，所述绝缘层(400 )在金属布线层(500)之下、且凸出于金属布线层(500)，所述保护层(600)将绝缘层(400)和金属布线层(500)裸露的端部与锡块(701)隔离。
专利摘要本实用新型涉及一种圆片级三维电容结构，属于半导体集成电路制造领域。其包括衬底(100)，所述衬底(100)的上表面设置钝化层(200)和若干个金属凸块，所述金属凸块包括若干个金属凸块Ⅰ(301)和若干个金属凸块Ⅱ(302)，所述金属凸块的外围设置绝缘层(400)，所述绝缘层(400)上设置金属布线层(500)，所述金属布线层(500)的外围填充保护层(600)，所述绝缘层(400)、金属布线层(500)和保护层(600)选择性地覆盖在金属凸块Ⅰ(301)的顶端，分别形成金属凸块顶端之上的保护层开口(601)和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口(602)，为电容的两极。本实用新型尺寸小、结构简单、工艺流程易于控制，并能显著增大电容密度。
文档编号H01L23/522GK203118941SQ20132000881
公开日2013年8月7日 申请日期2013年1月9日 优先权日2013年1月9日
发明者卞新海, 郭洪岩, 张黎, 陈锦辉, 赖志明 申请人:江阴长电先进封装有限公司