一种高品质因数的差分电感器结构及其制作工艺的制作方法

本发明属于无源电子器件技术领域，涉及一种高品质因数的差分电感器结构及其制作工艺。

背景技术：

随着无线通讯的发展，射频微波电路在医疗设备、无线局域网和智能家居等方面得到了广泛应用。其中电感在滤波器、放大器、混频器和振荡器等电路中起着重要的作用。随着集成器件的不断缩小，传统二维电感器在占用面积上和封装成本上已无法满足需求。

近年来，随着三维集成电路的飞速发展，一种新兴的集成电路制作工艺硅通孔工艺受到广泛关注。它可将硅片表面的电路通过硅通孔连接至硅片背面，实现不同层器件之间的电学性能连接。并且硅通孔技术可提供更大的设计自由度和更好的电学性能来设计不同元器件。其中基于硅通孔技术可用于构造三维电感器和变压器等片上元件,该电感器与传统二维电感器相比，具有较高的品质因数。

电感器性能优劣的主要评判指标是品质因数，若其品质因数越高，则电感器件的性能就越好。而提高电感器的品质因数主要可从以下几个方面进行：1.减小衬底的寄生效应；2.减小电感器本身电阻；3.提高自身有效电感值。

另外美国专利号第8,143,952 B2号专利给出了利用硅通孔构造电感器与变压器元件结构。其中利用硅通孔的链状结构构造电感器结构，但该连接方式中存在大量异向电流，极大的削弱了电感值，进而影响使得电感器的品质因数下降。本发明将通过有效的连接方式，将相邻硅通孔和金属互连线中电流方向保持一致，这样将会增强互感，进而增大总电感值(即提高自身有效电感值)。

随着对带宽的需求愈发迫切，三维集成电路的工作频率不断提高，噪声耦合和电磁干扰问题愈加严重。差分结构电路将有效抑制电磁干扰，减小噪声。且差分电感可广泛应用于手机、电视、无线网等射频集成电路中。然而传统的平面差分电感依然面临占用面积和品质因数低等问题。并且目前现有的硅通孔工艺是利用等离子刻蚀通孔，采用化学气相沉淀方法在通孔表面形成氧化层，最后通过铜电镀方法填充通孔，并使用化学机械抛光技术移除多余的铜电镀层。该硅通孔工艺中硅基底衬底存在损耗，因而使电感器件的性能有所下降，即品质因数有所减小。本发明将提供一种高品质因数的三维差分电感器结构。与传统电感器相比，差分电感内部的耦合和较小的有效面积将提高电感值。

技术实现要素：

本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种基于在硅基底中挖空槽工艺的三维差分电感器结构，通过两层线圈绕硅通孔交叉走线，提高有效面积的电感值。

本发明差分电感器位于圆环硅通孔阵列中，所述的硅通孔结构为穿过硅基底的铜，为防止漏电流，在铜外周设有材料为二氧化硅的绝缘层，一般其厚度为0.5μm，在绝缘层外周则为硅基底。由12个硅通孔结构构成圆环结构，上述12个硅通孔结构均分为左右两侧分布，左侧硅通孔与右侧硅通孔对称，圆环同一侧的相邻硅通孔间距相同。其中所述的穿过硅基底的铜的半径为10μm,高度为230μm；所述的圆环外半径为100μm,内半径为80μm；

作为优选，圆环同一侧相邻硅通孔的间距为31μm；左侧第一硅通孔与右侧第一硅通孔的间距为115μm。

将圆环中的硅通孔分为左侧和右侧，且从上到下为第一、二、三、四、五、六硅通孔。将左侧第一硅通孔和右侧第一硅通孔的金属层端作为输入端口，左侧第六硅通孔和右侧第六硅通孔的金属层端作为输出端口。首先在差分电感器顶部进行金属线布置，外部金属线分别连接输入端口，左侧第二硅通孔的金属层端与右侧第三硅通孔的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第三硅通孔的金属层端与右侧第二硅通孔的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第四硅通孔的金属层端与右侧第五硅通孔的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第五硅通孔的金属层端与右侧第四硅通孔的金属层端通过金属线交叉连接，输出端口分别通过金属线连接至外部；

在差分电感器底部重新布局层进行金属线布置，左侧第一硅通孔的重新布局层端与右侧第二硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第二硅通孔的重新布局层端与右侧第一硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第三硅通孔的重新布局层端与右侧第四硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第四硅通孔的重新布局层端与右侧第三硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第五硅通孔的重新布局层端与右侧第六硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第六硅通孔的重新布局层端与右侧第五硅通孔的重新布局层端通过金属线交叉连接。

本发明的又一个目的是提供上述三维差分电感器结构的制作工艺方法。该方法包含如下步骤：

步骤(1)、首先进行硅基底晶圆减薄，并对硅片上下表面进行抛光；

步骤(2)、在硅片上下表面进行二氧化硅沉淀形成氧化层(其厚度大于0.5μm)，并定义出硅通孔区域，依次通过各项异性腐蚀二氧化硅；

步骤(3)、在定义出硅通孔区域内，利用Bosch工艺刻蚀硅片，形成通孔；

步骤(4)、定义出氧化层的厚度0.5μm，并且去除硅片上下表面过厚的氧化层，直至其厚度达到0.5μm，此外还在通孔的侧壁同步形成厚度为0.5μm的氧化层；

步骤(5)、使用铜电镀的方法对通孔进行铜填充,将通孔填充满；

步骤(6)、使用bosch工艺在铜通孔周围挖空槽结构，使得铜周围的硅基底厚度为10μm；

步骤(7)、在硅片顶部金属层按照设计好的布局，进行金属线连接；

步骤(8)、在新的硅片上重新布局层按设计好的布局进行金属线连接，之后在重新布局层上与另一硅片硅通孔对应的位置添加焊点。

步骤(9)、最后将两块硅片进行上下贴合。

本发明利用bosch工艺在硅基底挖空槽，减小硅基底损耗。利用圆环内的硅通孔阵列构造三维差分电感器，差分电感内部的耦合(金属层和重新布局层中的金属线中的电流流向两两异向)和较小的有效面积将提高电感值。

附图说明

图1为依据美国专利号第8,143,952 B2号专利所显示的运用硅通孔构造的电感元件；

图2为三维差分电感器的顶部与底部截面图；

图3为三维差分电感器的立体图；

图4A-H为本发明制作电感器的工艺流程图。

图1中标记如下：电感元件100，第一输入端口101，第二输入端口102，贯穿基底的硅通孔103，基底顶部金属层M1中的金属线104，基底底部的重新布局层中的金属线105；

图2、3中标记如下：左侧第一硅通孔401,左侧第二硅通孔402,左侧第三硅通孔403,左侧第四硅通孔404,左侧第五硅通孔405,左侧第六硅通孔406,右侧第一硅通孔407,右侧第二硅通孔408,右侧第三硅通孔409,右侧第四硅通孔410,右侧第五硅通孔411,右侧第六硅通孔412；

图4中标记如下：硅片601，硅片上下表面二氧化硅602，硅通孔区域603，通孔604，通孔侧壁氧化层605，铜606，空槽结构607，重新布局层608，焊点609。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

图1为依据美国专利号第8,143,952 B2号专利所显示的运用硅通孔构造的电感元件100，其包括输入端口101和102、贯穿基底的硅通孔103、基底顶部金属层M1中的金属线104以及基底底部的重新布局层中的金属线105。从图中可见其利用硅通孔技术延长金属线长度，从而获得较大的电感值。但限于硅通孔尺寸，其自感较小，且金属层M1和重新布局层中金属线中存在大量的异向电流，会降低整体电感值。

图2为三维差分电感器的顶部和底部截面图。差分电感器位于圆环硅通孔阵列中，将圆环中的硅通孔分为左侧和右侧，且从上到下为第一、二、三、四、五、六硅通孔。将左侧第一硅通孔401和右侧第一硅通孔407的金属层端作为输入端口，左侧第六硅通孔406和右侧第六硅通孔412的金属层端作为输出端口。在差分电感器的金属层端进行金属线布置，外部金属线分别连接至左侧和右侧第一硅通孔的金属层端(输入端口)，左侧第二硅通孔402的金属层端与右侧第三硅通孔409的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第三硅通孔403的金属层端与右侧第二硅通孔408的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第四硅通孔404的金属层端与右侧第五硅通孔411的金属层端通过金属线交叉连接，左侧第五硅通孔405的金属层端与右侧第四硅通孔410的金属层端通过金属线交叉连接，左侧和右侧第六硅通孔的金属层端(输出端口)分别将金属线连接至外部；

在差分电感器重新布局层进行金属线布置，左侧第一硅通孔401的重新布局层端与右侧第二硅通孔408的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第二硅通孔402的重新布局层端与右侧第一硅通孔407的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第三硅通孔403的重新布局层端与右侧第四硅通孔410的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第四硅通孔404的重新布局层端与右侧第三硅通孔409的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第五硅通孔405的重新布局层端与右侧第六硅通孔412的重新布局层端通过金属线交叉连接，左侧第六硅通孔406的重新布局层端与右侧第五硅通孔411的重新布局层端通过金属线交叉连接。

图3为三维差分电感器的立体图，该电感元件的工作过程：电流分别从两输入端口(413和414)开始流入，首先电流从输入端口413通过金属线流入至左侧第一硅通孔401的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向右侧第二硅通孔408的重新布局层端，并通过流向其金属层端，然后通过金属线流入至左侧第三硅通孔403的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向右侧第四硅通孔410的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，然后通过金属线流入至左侧第五硅通孔405的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向右侧第六硅通孔412的重新布局层端，并通过流向其金属层端，然后流向其输出端口416；另一电流从输入端口414通过金属线流入至右侧第一硅通孔407的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向左侧第二硅通孔402的重新布局层端，并通过流向其金属层端，然后通过金属线流入至右侧第三硅通孔409的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向左侧第四硅通孔404的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，然后通过金属线流入至右侧第五硅通孔411的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，然后通过金属线流向左侧第六硅通孔406的重新布局层端，并通过流向其金属层端，然后流向其输出端口415。

上述电感器的制作工艺过程：

步骤一，如图4A所示，首先进行晶圆减薄，并对硅片601上下表面进行抛光；

步骤二，如图4B所示，在硅片601上下表面进行二氧化硅602沉淀形成氧化层(其厚度大于0.5μm)，并定义出硅通孔区域603，依次通过各项异性腐蚀二氧化硅。

步骤三，如图4C所示，在定义出硅通孔区域内，利用Bosch工艺刻蚀硅片，形成通孔604；

步骤四，如图4D所示，定义出氧化层的厚度为0.5μm，并且去除硅片上下表面过厚的氧化层602，直至其厚度达到0.5μm，此外还在通孔604的侧部同步形成厚度为0.5μm的氧化层605。

步骤五，如图4E所示，使用铜电镀的方法对通孔进行铜填充606；

步骤六，如图4F所示，使用bosch工艺在铜通孔周围挖空槽结构607，使得铜周围的硅基底厚度为10μm；

步骤七，在硅片金属层按照图4A(差分电感器)的布局，进行金属线连接；

步骤八，如图4G所示，在新的硅片上的重新布局层按照图4B(差分电感器)的布局连接，之后在重新布局层608上与另一硅片硅通孔对应的位置添加焊点609。

步骤九，如图4H所示，最后将两块硅片进行上下贴合。

上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。