一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器制造技术

本发明专利技术涉及一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，包括：第一金属层，包括若干第一螺旋子电感；第一介质层，位于第一金属层上；半导体衬底，位于第一介质层上，半导体衬底中设置若干通孔，通孔中设置介质环和金属柱，介质环位于金属柱和半导体衬底之间，金属柱贯穿第一介质层并且连接第一螺旋子电感；第二介质层，位于半导体衬底上，金属柱贯穿第二介质层；第二金属层，位于第二介质层上，包括若干第二螺旋子电感，第二螺旋子电感连接金属柱；其中，第一螺旋子电感、金属柱和第二螺旋子电感形成三维螺旋电感，若干组三维螺旋电感之间依次连接。该三维集成螺旋电感器结构简单、芯片利用率高、尺寸小、磁场密度强，工艺难度小、成本低。

A High Density 3-D Integrated Spiral Inductor Based on Silicon Through-hole Interconnection

The invention relates to a high-density three-dimensional integrated spiral inductor based on silicon through-hole interconnection, which includes: a first metal layer, including several first spiral inductors; a first dielectric layer, located on the first metal layer; a semiconductor substrate, located on the first dielectric layer; a number of through holes are arranged in the semiconductor substrate; a dielectric ring and a metal column are arranged in the through-hole; and a dielectric ring is located on the metal column and a semi-conductor. Between the bulk substrates, the metal column runs through the first dielectric layer and connects the first spiral inductance; the second dielectric layer is located on the semiconductor substrate, and the metal column runs through the second dielectric layer; the second metal layer is located on the second dielectric layer, including several second spiral inductances, and the second spiral inductance connects the metal column; among them, the first spiral inductance, the metal column and the second spiral inductance. A three-dimensional spiral inductor is formed, and several groups of three-dimensional spiral inductors are connected in turn. The three-dimensional integrated spiral inductor has the advantages of simple structure, high chip utilization, small size, strong magnetic field density, low process difficulty and low cost.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器
本专利技术属于三维集成微波滤波器领域，具体涉及一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器。
技术介绍
电感器是现代通信系统中基本元器件之一，被广泛应用于各种单元电路及系统中。随着各种设计及工艺技术的发展，各种有源器件按照摩尔定律逐年等比例缩小，推动集成电路乃至电子系统尺寸不断减小、集成的功能也日渐增多，然而，电感、电容器等无源器件的减小幅度却远远落后，逐渐成为电子通讯系统的小型化、集成化发展的主要瓶颈。根据电磁场理论，电感器的电感值主要取决于其中存储的磁场能量值。目前电感的提升主要有两个发展方向：一是增大磁场储能区域，从而增加电感值，但是单位面积的储能效率并没提高，而且尺寸的增大进一步加剧了集成化和微型化的难度；二是采用磁性材料作为电感器的磁芯，从而提高其储能效率，但是磁芯材料的填充和加工不可避免地提高了工艺的成本和难度。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器。本专利技术要解决的技术问题通过以下技术方案实现：本专利技术实施例提供了一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，包括：第一金属层，包括若干第一螺旋子电感；第一介质层，位于所述第一金属层上；半导体衬底，位于所述第一介质层上，所述半导体衬底中设置若干通孔，所述通孔中设置介质环和金属柱，所述介质环位于所述金属柱和所述半导体衬底之间，所述金属柱贯穿所述第一介质层并且连接所述第一螺旋子电感；第二介质层，位于所述半导体衬底上，所述金属柱贯穿所述第二介质层；第二金属层，位于所述第二介质层上，包括若干第二螺旋子电感，所述第二螺旋子电感连接所述金属柱；其中，所述第一螺旋子电感、所述金属柱和所述第二螺旋子电感形成三维螺旋电感，若干组所述三维螺旋电感之间依次连接。在本专利技术的一个实施例中，所述第一螺旋子电感包括由内到外依次连接的第一金属线圈、第二金属线圈和第三金属线圈；其中，所述第一金属线圈与所述金属柱连接；所述第一金属线圈、所述第二金属线圈、所述第三金属线圈的宽度依次递增；相邻所述第三金属线圈中的电流方向相同。在本专利技术的一个实施例中，所述第二螺旋子电感包括由内到外依次连接的第四金属线圈、第五金属线圈和第六金属线圈；其中，所述第四金属线圈与所述金属柱连接；所述第四金属线圈、所述第五金属线圈、所述第六金属线圈的宽度依次递增；相邻所述第六金属线圈中的电流方向相同。在本专利技术的一个实施例中，相邻所述第三金属线圈与所述第六金属线圈中的电流方向相同。在本专利技术的一个实施例中，所述第一螺旋子电感的个数为偶数，且所述第二螺旋子电感与所述第一螺旋子电感一一对应。在本专利技术的一个实施例中，所述第一螺旋子电感和所述第二螺旋子电感的形状均为方形。在本专利技术的一个实施例中，所述金属柱垂直连接所述第一螺旋子电感与所述第二螺旋子电感。在本专利技术的一个实施例中，所述第一介质层的厚度为1～3μm。在本专利技术的一个实施例中，所述半导体衬底的厚度为50～100μm，所述通孔的直径为2～10μm，所述介质环的厚度为1～3μm。在本专利技术的一个实施例中，所述第二介质层的厚度为1～3μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：本专利技术通过通孔中的金属柱将第一螺旋子电感与第二螺旋子电感互连形成高密度三维集成螺旋电感器，该电感器结构简单、芯片利用率高、占用尺寸小、磁场密度强，同时不需要引入额外磁性材料，工艺难度小、成本低，非常适于电感器的高密度集成，对于电子、通讯系统的集成化和微型化发展具有很好的推动作用。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器的剖面图；图3为本专利技术实施例提供的一种第一金属层的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的一种相邻第三金属线圈中的电流方向相同的示意图；图5为本专利技术实施例提供的一种第一介质层的结构示意图；图6为本专利技术实施例提供的一种半导体衬底的结构示意图；图7为本专利技术实施例提供的一种第二介质层的结构示意图；图8为本专利技术实施例提供的一种第二金属层的结构示意图；图9为本专利技术实施例提供的一种三维集成螺旋电感器的电流方向及磁场耦合模型图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例一请参见图1和图2，图1为本专利技术实施例提供的一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器的结构示意图，图2为本专利技术实施例提供的一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器的剖面图，包括：第一金属层1，包括若干第一螺旋子电感11；第一介质层2，位于第一金属层1上；半导体衬底3，位于第一介质层2上，在半导体衬底3中设置有若干通孔，通孔中设置有介质环31和金属柱32，介质环31位于金属柱32和半导体衬底3之间；第二介质层4，位于半导体衬底3上，金属柱32贯穿第二介质层4；第二金属层5，位于第二介质层4上，包括若干第二螺旋子电感51，第二螺旋子电感51通过金属柱32与第一螺旋子电感11连接；其中，若干第一螺旋子电感11、若干金属柱32和若干第二螺旋子电感51形成若干组三维螺旋电感10，若干组三维螺旋电感10之间依次互连，从而形成三维集成螺旋电感器。请参见图3，图3为本专利技术实施例提供的一种第一金属层的结构示意图，第一金属层1包括若干第一螺旋子电感11和介质，若干第一螺旋子电感11嵌入介质中共同形成第一金属层1；第一螺旋子电感11的材料为铜或铝，介质的材料为二氧化硅或者氮化硅或者氮氧化物，其中，本专利技术实施例所涉及的氮氧化物是指半导体和微电子领域中的氮氧化物体系半导体材料，如TaON等；第一金属层11的厚度为1～5μm，优选为3μm。若干第一螺旋子电感11的形状相似，可以为圆形、三角形、梯形或不规则形状等；优选的，第一螺旋子电感11的形状为方形，方形螺旋电感可以最大程度上减小三维集成螺旋电感的面积，实现磁场密度最大化。其中，相似是指，除若干第一螺旋子电感的绕线方向外，其形状是相同的。进一步的，若干方形螺旋子电感在第一金属层1上均匀分布，形成规整的矩形，以减小三维集成螺旋电感的面积，并使得螺旋子电感之间实现良性耦合和三维叠加。第一螺旋子电感11具有多层金属线圈，多层金属线圈依次连接形成空心结构的螺旋电感，层数根据设计需求而定；多层金属线圈的宽度可以相等，也可以不等，优选的，多层线圈的宽度由内到外依次递增；金属线圈之间的间距可以相同，也可以不相同，优选的，金属线圈之间的间距相同。综合考虑电感器的面积、成本、工艺可行性及性能，金属线圈的宽度为1～5μm，线圈之间的间距为3～7μm。进一步的，最内层金属线圈的内引线与金属柱进行连接。在一个具体实施例中，第一螺旋子电感11包括由内到外依次连接的第一金属线圈111、第二金属线圈112和第三金属线圈113，第一金属线圈111由连接金属柱32的内引线引出，然后依次连接第二金属线圈112和第三金属线圈113，从而形成空心结构的第一螺旋子电感11；第一金属线圈111、第二金属线圈112、第三金属线圈113的宽度依次递增，第一金属线圈111的宽度为1μm，第二金属线圈112的宽度为3μm，第三金属线圈113的宽度为5μm；第一金属线圈111、第二金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，其特征在于，包括：第一金属层(1)，包括若干第一螺旋子电感(11)；第一介质层(2)，位于所述第一金属层(1)上；半导体衬底(3)，位于所述第一介质层(2)上，所述半导体衬底(2)中设置若干通孔，所述通孔中设置介质环(31)和金属柱(32)，所述介质环(31)位于所述金属柱(32)和所述半导体衬底(3)之间，所述金属柱(32)贯穿所述第一介质层(2)并且连接所述第一螺旋子电感(11)；第二介质层(4)，位于所述半导体衬底(3)上，所述金属柱(32)贯穿所述第二介质层(4)；第二金属层(5)，位于所述第二介质层(2)上，包括若干第二螺旋子电感(51)，所述第二螺旋子电感(51)连接所述金属柱(32)；其中，所述第一螺旋子电感(11)、所述金属柱(32)和所述第二螺旋子电感(52)形成三维螺旋电感(10)，若干组所述三维螺旋电感(10)之间依次连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，其特征在于，包括：第一金属层(1)，包括若干第一螺旋子电感(11)；第一介质层(2)，位于所述第一金属层(1)上；半导体衬底(3)，位于所述第一介质层(2)上，所述半导体衬底(2)中设置若干通孔，所述通孔中设置介质环(31)和金属柱(32)，所述介质环(31)位于所述金属柱(32)和所述半导体衬底(3)之间，所述金属柱(32)贯穿所述第一介质层(2)并且连接所述第一螺旋子电感(11)；第二介质层(4)，位于所述半导体衬底(3)上，所述金属柱(32)贯穿所述第二介质层(4)；第二金属层(5)，位于所述第二介质层(2)上，包括若干第二螺旋子电感(51)，所述第二螺旋子电感(51)连接所述金属柱(32)；其中，所述第一螺旋子电感(11)、所述金属柱(32)和所述第二螺旋子电感(52)形成三维螺旋电感(10)，若干组所述三维螺旋电感(10)之间依次连接。2.如权利要求1所述的基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，其特征在于，所述第一螺旋子电感(11)包括由内到外依次连接的第一金属线圈(111)、第二金属线圈(112)和第三金属线圈(113)；其中，所述第一金属线圈(111)与所述金属柱(32)连接；所述第一金属线圈(111)、所述第二金属线圈(112)、所述第三金属线圈(113)的宽度依次递增；相邻所述第三金属线圈(113)中的电流方向相同。3.如权利要求2所述的基于硅通孔互连的高密度三维集成螺旋电感器，其特征在于，所述第二螺旋子电感(51)包括由内到外依次连接的第四...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹湘坤，朱樟明，杨银堂，李跃进，丁瑞雪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61