一种基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器的制作方法

本发明涉及一种电感器，具体涉及一种基于硅通孔(TSV)阵列的三维螺旋电感器，属于面向射频/微波集成电路的集成电感器领域。

背景技术：

电感器作为三大无源器件之一，是现代通信系统中各类电路的重要组成部分，广泛应用于模拟、模数混合、射频和微波集成电路中，可用来实现滤波、振荡、延迟、陷波等作用，还有筛选信号、过滤噪声、稳定电流及抑制电磁波干扰等作用。

电感器在电路最常见的用法就是与电容一起，组成LC滤波电路。

目前存在的电感器有分立电感器和集成电感器两大类，单独的分立电感器一般都尺寸较大，不利于单片集成和系统小型化；采用集成电路制造工艺制作的电感器一般是通过在硅衬底表面刻蚀金属螺旋线构成，这类电感器的电感值非常小，限制了电感器在集成电路中的使用。然而，人们对高性能的大值集成电感器的需求日益迫切。

硅通孔(Through Silicon Via，TSV)是一种穿透硅衬底的三维结构，可以有效提高电路的集成度和电路系统的质量和性能，工艺技术也日渐成熟，为三维集成电感器的设计和制造提供了新的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于硅通孔阵列的、具有面积小、集成度高、电感值大、品质因数高等优点的三维螺旋电感器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，

前述中间层为半导体衬底层(201)，采用硅材料制成，其上刻蚀有若干个贯通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直径均相等，前述硅通孔排列成一个N×N的方块矩阵，前述N≥5，所有硅通孔之间的行间距和列间距均相等，前述硅通孔内填充有与硅通孔等高的金属柱(203)，前述金属柱(203)与硅通孔的内壁之间还填充有绝缘层(202)；

前述顶层为顶层介质层(101)，采用绝缘材料制成，其内制作有顶层金属互连线(102)、顶层第一极板金属互连线(103)和顶层第二极板金属互连线(104)；

前述底层为底层介质层(301)，采用绝缘材料制成，其内制作有底层金属互连线(302)；

前述顶层、中间层和底层依次结合后，顶层金属互连线(102)、金属柱(203)和底层金属互连线(302)连接在一起，并组成一个不间断的串联路径，前述串联路径在竖直平面内形成的是一个三维螺旋结构，前述三维螺旋结构即构成一个三维螺旋电感器；前述顶层第一金属互连线(103)和顶层第二极板金属互连线(104)作为该三维螺旋电感器的两个极板的引出电极；使用时，电流从三维螺旋电感器的一个极板流向另一个极板，除了位于中心的金属柱(203)外，电流将依次通过每一个金属柱(203)。

前述的基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器，其特征在于，制作前述顶层介质层(101)、底层介质层(301)和绝缘层(202)使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

前述的基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器，其特征在于，制作前述金属柱(203)使用的材料为铜或铝。

前述的基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器，其特征在于，制作前述顶层金属互连线(102)、顶层第一极板金属互连线(103)、顶层第二极板金属互连线(104)和底层金属互连线(302)使用的材料为铜或铝。

本发明的有益之处在于：本发明的基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器，其半导体衬底层中的硅通孔排列成N×N的方块矩阵(N≥5)，并且硅通孔内的金属柱(203)与顶层金属互连线(102)、底层金属互连线(302)连接在一起以后形成串联路径，该串联路径在竖直平面内是一个三维螺旋结构(即三维螺旋电感器)，在使用中，电流从三维螺旋电感器的一个极板流向另一个极板，除了位于中心的金属柱外，电流将依次通过每一个金属柱，由于每一个硅通孔的电感值都等于其本身自感与相邻硅通孔对其互感之和，三维螺旋电感器的总电感值等于阵列内所有硅通孔自感电感值和互感电感值的叠加，所以本发明的三维螺旋电感器可以大幅提高集成电感器的质量和电感值，从而可以很好的满足日益发展的现代通信系统对集成电感器的要求。

附图说明

图1是本发明的三维螺旋电感器的顶层介质层的俯视图；

图2是本发明的三维螺旋电感器的半导体衬底层的俯视图；

图3是本发明的三维螺旋电感器的底层介质层的俯视图；

图4是顶层介质层、半导体衬底层、底层介质层叠加后的透视图；

图5是图4中的三维螺旋电感器的A-A’剖面图；

图6是图4中的三维螺旋电感器的B-B’剖面图；

图7是图4中的三维螺旋电感器的C-C’剖面图；

图8是本发明的三维螺旋电感器的电感值(L值)随电感面积变化的曲线图；

图9是本发明的三维螺旋电感器的电感品质因数(Q值)随电感面积变化的曲线图。

图中附图标记的含义：101-顶层介质层、102-顶层金属互连线、103-顶层第一极板金属互连线、104-顶层第二极板金属互连线、201-半导体衬底层、202-绝缘层、203-金属柱，301-底层介质层、302-底层金属互连线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、三维螺旋电感器的结构

本发明的基于硅通孔阵列的三维螺旋电感器的结构包括：顶层、中间层和底层。

1、顶层

参照图1，顶层为顶层介质层101，采用绝缘材料制成，其内制作有顶层金属互连线102、顶层第一极板金属互连线103和顶层第二极板金属互连线104。

制作顶层介质层101使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

制作顶层金属互连线102、顶层第一极板金属互连线103和顶层第二极板金属互连线104使用的材料为铜或铝。

2、中间层

参照图2，中间层为半导体衬底层201，采用硅材料制成，其上刻蚀有若干个贯通上下表面的硅通孔，所有硅通孔的直径均相等，硅通孔排列成一个N×N的方块矩阵，N≥5，所有硅通孔之间的行间距和列间距均相等，硅通孔内填充有与硅通孔等高的金属柱203，金属柱203与硅通孔的内壁之间还填充有绝缘层202。

制作绝缘层202使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

制作金属柱203使用的材料为铜或铝。

3、底层

参照图3，底层为底层介质层301，采用绝缘材料制成，其内制作有底层金属互连线302。

制作底层介质层301使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

制作底层金属互连线302使用的材料为铜或铝。

参照图4、图5、图6和图7，顶层、中间层和底层依次结合后，其中的顶层金属互连线102、金属柱203和底层金属互连线302连接在一起，并组成一个不间断的串联路径，该串联路径在竖直平面内形成的是一个三维螺旋结构，该三维螺旋结构即构成一个三维螺旋电感器；其中的顶层第一金属互连线103和顶层第二极板金属互连线104作为该三维螺旋电感器的两个极板的引出电极。

使用时，电流从三维螺旋电感器的一个极板流向另一个极板，除了位于中心的金属柱203外，电流将依次通过每一个金属柱203。

由于每一个硅通孔的电感值都等于其本身自感与相邻硅通孔对其互感之和，三维螺旋电感器的总电感值等于阵列内所有硅通孔自感电感值和互感电感值的叠加，所以本发明的三维螺旋电感器可以大幅提高集成电感器的质量和电感值，从而可以很好的满足日益发展的现代通信系统对集成电感器的要求。

二、三维螺旋电感器的性能检测

1、电感器的电感值

图8是本发明的三维螺旋电感器的电感值(L值)随电感面积变化的曲线图。

由图8可知：

(1)本发明的三维螺旋电感器和普通平面电感器的电感值都随电感面积的增大而增大，在电感面积相同的情况下，本发明的三维螺旋电感器的电感值约为普通平面电感器的电感值的3.2倍；

(2)在电感面积均为50um×50um的情况下，本发明的三维螺旋电感器的电感值的单位面积电感密度约为304nH/mm²，远大于普通平面电感器的电感值的单位面积电感密度(仅为93nH/mm²)；

2、电感器的品质因数

图9是本发明的三维螺旋电感器的电感品质因数(Q值)随电感面积变化的曲线图。

由图9可知：

(1)在0～20GHz频率范围内，本发明的三维螺旋电感器的品质因数在15～25之间，远优于同尺寸的普通平面电感器的品质因数；

(2)本发明的三维螺旋电感器的品质因数随频率变化，峰值位于6GHz附近，该峰值频率大于普通平面电感器的品质因数。

由此可见，本发明的基于硅通孔(TSV)阵列的三维螺旋电感器，其大幅提高了集成电感器的质量和电感值，更适用于集成电路，尤其是射频/微波/毫米波电路中。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。