一种具有高品质因数的三维电感器结构的制作方法

本实用新型属于无源电子器件技术领域，涉及一种具有高品质因数的三维电感器结构。

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。

而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。因此本实用新型提供的一种高品质因数的三维电感器，通过运用金属线连接两个圆环中的硅通孔，降低硅基底的损耗(即减小了电感器衬底的寄生效应)，因而改善了其品质因数。

技术实现要素：

本实用新型的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种具有高品质因数的三维电感器结构，极大的克服了异向电流和硅基底损耗所带来的问 题，从而提高品质因数。

本实用新型电感器由多个元件单元构成，电感元件的输入输出端口位于基底顶部的金属层；

所述的元件单元包括位于基底顶部的金属层、两个圆环状的硅通孔阵列、位于基底底部的重新布局层；其中两个圆环状的硅通孔阵列左右对称设置。

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。由若干个硅通孔结构构成圆环结构，上述硅通孔均匀分布在圆环，其位置左右对称，一般圆环内的硅通孔个数为6-12个。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75μm,内半径为55μm。

本实用新型中两个圆环中硅通孔的个数均为6个，且将圆环中的硅通孔顺时针定义为第一、二、三、四、五、六硅通孔，其中定义圆环最上部的位置为第一硅通孔。将第一圆环的第六硅通孔的金属层端作为输入端，第二圆环中的第二硅通孔的金属层端作为输出端。将第一圆环中的第一硅通孔的金属层端与第二圆环中的第一硅通孔的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第二硅通孔的金属层端与第二圆环中的第六硅通孔的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第三硅通孔的金属层端与第二圆环中的第五硅通孔的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第四硅通孔的金属层端与第二圆环中的第四硅通孔的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第五硅通孔的金属层端与第二圆环中的第三硅通孔的金属层端通过金属线连接；

同样在电感器的底部重新布局层也进行金属线连接，将第一圆环中的第一硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第二硅通孔的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第二硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第一硅通孔的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第三硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第六硅通孔的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第四硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第五硅通孔的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第五硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第四硅通孔的重新布局层端通过金属线连接；将 第一圆环中的第六硅通孔的重新布局层端与第二圆环中的第三硅通孔的重新布局层端通过金属线连接。

本实用新型运用金属线连接两个圆环中的硅通孔，相较与传统硅通孔构造的电感器具有较大的电感值，同时充分利用正互感值(同圆环中硅通孔的电流流向都相同，金属层和重新布局层中金属线中电流流向分别相同)，增强电感值。

附图说明

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

图2A为电感器的顶部截面图，图2B为电感器的底部截面图；

图3为电感器的立体图；

图4A-H为本实用新型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：

第一圆环中：第一硅通孔201，第二硅通孔202，第三硅通孔203，第四硅通孔204，第五硅通孔205，第六硅通孔206；

第二圆环中：第一硅通孔207，第二硅通孔208，第三硅通孔209，第四硅通孔210，第五硅通孔211，第六硅通孔212；

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

以下结合附图对本实用新型作进一步说明。

图1为依据美国专利号第8,143,952B2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给出了本实用新型的电感器的顶部和底部截面图，电感器的顶层有两个圆环状的硅通孔阵列，圆环中有6个硅通孔，将圆环中的硅通孔顺时针定义为第一硅通孔、第二硅通孔、第三硅通孔、第四硅通孔、第五硅通孔、第六硅通孔，其中定义圆环最上部的位置为第一硅通孔。将第一圆环的第六硅通孔的金属层端作为输入端，第二圆环中的第二硅通孔的金属层端作为输出端。将第一圆环中的第一硅通孔201的金属层端与第二圆环中的第一硅通孔207的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第二硅通孔202的金属层端与第二圆环中的第六硅通孔212的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第三硅通孔203的金属层端与第二圆环中的第五硅通孔211的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第四硅通孔204的金属层端与第二圆环中的第四硅通孔210的金属层端通过金属线连接；将第一圆环中的第五硅通孔205的金属层端与第二圆环中的第三硅通孔209的金属层端通过金属线连接；

同样在电感器的底部重新布局层也进行金属线连接，将第一圆环中的第一硅通孔201的重新布局层端与第二圆环中的第二硅通孔208的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第二硅通孔202的重新布局层端与第二圆环中的第一硅通孔207的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第三硅通孔203的重新布局层端与第二圆环中的第六硅通孔212的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第四硅通孔204的重新布局层端与第二圆环中的第五硅通孔211的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第五硅通孔205的重新布局层端与第二圆环中的第四硅通孔210的重新布局层端通过金属线连接；将第一圆环中的第六硅通孔206的重新布局层端与第二圆环中的第三硅通孔209的重新布局层端通过金属线连接。

图3为电感器的立体图，该电感元件的工作过程：电流首先从外部流入第一圆环中的第六硅通孔206的金属层端(输入端)，并通过硅通孔从其金属层端流向重新布局层端，第一圆环中的第六硅通孔206的重新布局层端通过金属线流向第二圆环中的第三硅通孔209的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，第二圆环中的第三硅通孔209的金属层端通过金属线流向第一圆环中的第五硅通孔205的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，第一圆环中的第五硅通孔205的重新布局层端通过金属线 流向第二圆环中的第四硅通孔210的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，第二圆环中的第四硅通孔210的金属层端通过金属线流向第一圆环中的第四硅通孔204的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，第一圆环中的第四硅通孔204的重新布局层端通过金属线流向第二圆环中的第五硅通孔311的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，第二圆环中的第五硅通孔211的金属层端通过金属线流向第一圆环中的第三硅通孔203的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，第一圆环中的第三硅通孔203的重新布局层端通过金属线流向第二圆环中的第六硅通孔212的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，第二圆环中的第六硅通孔212的金属层端通过金属线流向第一圆环中的第二硅通孔202的金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，第一圆环中的第二硅通孔202的重新布局层端通过金属线流向第二圆环中的第一硅通孔207的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端，第二圆环中的第一硅通孔207的金属层端通过金属线流向第一圆环中的第一硅通孔201金属层端，并通过硅通孔流向其重新布局层端，第一圆环中的第一硅通孔201的重新布局层端底部通过金属线流向第二圆环中的第二硅通孔208的重新布局层端，并通过硅通孔流向其金属层端(输出地)，最后通过金属线流出电感元件。

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，使得铜外周硅基底厚度为10μm；

步骤七，在硅片金属层按照图2A(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2B(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实用新型的限制，本实用新型并非仅限于上述实施例，只要符合本实用新型要求，均属于本实用新型的保护范围。