基于制造技术

基于同轴环形硅通孔

【技术实现步骤摘要】
基于COMSOL的CA
‑
TSV电感多物理场耦合特性分析方法


[0001]本专利技术涉及同轴环形硅通孔
(CA
‑
TSV,Coaxial
‑
Annular Through
‑
Silicon Via)
技术，应用于三维集成电路的三维螺旋电感，属于面向射频
/
微波集成电路应用中的无源器件领域
。

技术介绍

[0002]随着半导体集成工艺的发展，集成电路的特征长度逐渐逼近物理极限，摩尔定律的发展遇到瓶颈
。
三维集成电路可以充分利用衬底垂直方向的空间，有效提高集成度
、
降低功耗
、
缩短互连线长度，提高速度和减小工艺成本，并且与当前半导体工艺技术兼容性良好，是解决摩尔定律瓶颈的有效途径之一
。
硅通孔
(TSV)
作为三维集成电路中的关键结构，可以实现多种功能模块的垂直互连高密度和三维堆叠集成
。
根据形成
TSV
的蚀刻工艺不同，
TSV
轮廓有五种类型，分别是圆柱形
TSV(C
‑
TSV)、
锥形
TSV、
环形
TSV、
同轴
TSV
和同轴环形
TSV(CA
‑
TSV)。CA
‑
TSV
是最近提出的一种新型
TSV
结构，其性能优于其他
TSV。
当前国内外学者对圆柱形
、
锥形
、
环形和同轴
TSV
的性能进行了深入的研究，并已经针对不同类型的
TSV
设计了无源器件，但是对于同轴环形
TSV(CA
‑
TSV)
缺少研究，尤其针对无源器件中的电感器缺少设计分析
。
[0003]电感是集成电路最重要的无源器件之一，广泛应用于低噪声放大器
、
功率放大器
、
滤波器
、
振荡器
、
阻抗匹配网络以及
DC
‑
DC
转换器等模拟
、
射频和微波集成电路中
。
集成电路和微系统的发展要求集成无源电感具有更高的品质因数和自谐振频率
、
更小的寄生效应和面积开销
,
但以目前的工艺条件难以同时满足
。
通过
CA
‑
TSV
技术可以满足电感的进一步发展需求
。
但是，在高密度集成电路中，
CA
‑
TSV
电感器中的电场
、
温度场和力场之间的相互影响是一个非线性耦合的过程，简单地单独考虑应力
、
热
、
电的变化会低估各物理量的负面影响，难以满足各种复杂领域和环境的应用需求，因此，为了保证
CA
‑
TSV
电感器的可靠性，对其多物理场耦合特性进行协同研究非常重要
。
[0004]本文面向三维集成电路应用需求，根据所设计的
CA
‑
TSV
电感模型，模拟实际通电过程，将产生的电磁热和热膨胀现象，并分析了
CA
‑
TSV
电感的电
‑
热
‑
力多物理场耦合特性
。

技术实现思路

：
[0005]本专利技术目的在于针对同轴环形硅通孔
(CA
‑
TSV)
研究不足，为了
CA
‑
TSV
的广泛应用，在电感分析的基础上，充分考虑在实际应用中
CA
‑
TSV
电感存在电场
、
温度场和力场之间的相互耦合，最终影响
TSV
的实际电学性能，采用
COMSOL
仿真软件，对
CA
‑
TSV
电感进行多物理场耦合研究
。
[0006]本专利技术基于同轴环形硅通孔阵列设计三维电感器模型，利用
COMSOL
进行多物理场耦合特性分析
。
该电感器采用普通硅衬底进行制作，自上而下依次包括顶层
、
中间层和底层
。
[0007]其特征在于，所述顶层包括：顶层介质层
(101)、
顶层金属互连线
(102)、
顶层第一
金属极板
(103)、
顶层第二金属极板
(104)。
前述顶层金属互连线
(102)、
顶层第一金属极板
(103)
和顶层第二金属极板
(104)
均制作于前述顶层介质层
(101)
内
。
其中，顶层金属互连线
(102)
由三段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第1行第2列和第2行第1列的同轴环形硅通孔，第二段金属线连接中间层中第1行第3列和第2行第2列的同轴环形硅通孔，第三段金属线连接中间层中第1行第4列和第2行第3列的同轴环形硅通孔；前述顶层第一金属极板
(103)
连接在中间层第1行第1列的硅通孔上，作为本专利技术电感器的输入极板；前述顶层第二金属极板
(104)
连接在中间层第2行第4列的同轴环形硅通孔上，作为本专利技术电感器的输出极板
。
[0008]所述中间层包括：半导体衬底
(201)
，以及同轴环形硅通孔
。
其中同轴环形硅通孔由二氧化硅圆柱体
(202)、
第一金属铜环
(203)、
二氧化硅环
(204)、
第二金属铜环
(205)、
氧化层
(206)。
其中，硅通孔按照2行
、2
列的平行四边形阵列结构排布
。
前述半导体衬底
(201)
为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的同轴环形硅通孔；前述第一金属铜环
(203)
和第二金属铜环
(205)
将二氧化硅圆柱体
(202)
与二氧化硅环
(204)
分离；二氧化硅层
(206)
将第二金属铜环
(205)
与半导体衬底
(201)
隔开
。
[0009]所述底层包括：底层介质层
(301)
和底层金属互连线
(302)
，前述底层金属互连线
(302)
制作于前述底层介质层
(301)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
基于
COMSOL
的
CA
‑
TSV
电感多物理场耦合特性分析方法，其特征在于，所述
CA
‑
TSV
电感多物理场耦合特性分析方法是按照下列步骤进行的，包括如下：
S1
，搭建同轴环形硅通孔
(CA
‑
TSV)
电感器；
S2
，基于
COMSOL
进行
CA
‑
TSV
电感多物理场耦合特性分析
。
所述步骤
S1
包括如下步骤：通过同轴环形硅通孔阵列的设计参数搭建电感器，所述设计参数包括同轴环形硅通孔的高度
、
同轴环形硅通孔二氧化硅圆柱体厚度
、
金属铜环厚度
、
二氧化硅环厚度
、
氧化层厚度和同轴环形硅通孔同侧间距和异侧间距，以及金属互连线宽度和厚度
。
所述步骤
S2
包括如下：
S21
，基于
COMSOL
的同轴环形硅通孔电感电
‑
热
‑
力物理场接口设置；
S22
，提取同轴环形硅通孔电感多物理场耦合性能参数，所述性能参数包括电性能
、
温度以及热应力
。2.
根据权利要求书1所述搭建的同轴环形硅通孔
(CA
‑
TSV)
电感器，包括：顶层
、
中间层和底层，其特征在于，所述顶层包括：顶层介质层
(101)、
顶层金属互连线
(102)、
顶层第一金属极板
(103)、
顶层第二金属极板
(104)。
所述顶层金属互连线
(102)、
顶层第一金属极板
(103)
和顶层第二金属极板
(104)
均制作于前述顶层介质层
(101)
内
。
其中，顶层金属互连线
(102)
由三段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第1行第2列和第2行第1列的同轴环形硅通孔，第二段金属线连接中间层中第1行第3列和第2行第2列的同轴环形硅通孔，第三段金属线连接中间层中第1行第4列和第2行第3列的同轴环形硅通孔；前述顶层第一金属极板
(103)
连接在中间层第1行第1列的硅通孔上，作为本发明电感器的输入极板；前述顶层第二金属极板
(104)
连接在中间层第2行第4列的同轴环形硅通孔上，作为本发明电感器的输出极板
。
所述中间层包括：半导体衬底
(201)
，以及同轴环形硅通孔
。
其中同轴环形硅通孔由二氧化硅圆柱体
(202)、
第一金属铜环
(203)、
二氧化硅环
(204)、
第二金属铜环
(205)、
氧化层
(206)。
其中，硅通孔按照2行
、2
列的平行四边形阵列结构排布
。
前述半导体衬底
(201)
为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的同轴环形硅通孔；前述第一金属铜环
(203)
和第二金属铜环
(205)
将二氧化硅圆柱体
(202)
与二氧化硅环
(204)
分离；二氧化硅层
(206)
将第二金属铜环
(205)
与半导体衬底
(201)
隔开
。
所述底层包括：底层介质层
(301)
和底层金属互连线
(302)
，前述底层金属互连线
(302)
制作于前述底层介质层

【专利技术属性】
技术研发人员：尚玉玲，段阁飞，李春泉，曾丽珍，侯杏娜，耿龙禄，张晋滔，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：