本發(fā)明屬于無源電子器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高品質(zhì)因數(shù)的三維電感器結(jié)構(gòu)及其制備工藝。

背景技術(shù)：

隨著無線通訊的發(fā)展，射頻微波電路在醫(yī)療設(shè)備、無線局域網(wǎng)和智能家居等方面得到了廣泛應(yīng)用。在射頻集成電路中，電感器起著非常重要的作用，成為一種關(guān)鍵的電子元器件，被廣泛的應(yīng)用在各種射頻集成電路中，例如低噪聲放大器等。傳統(tǒng)二維電感器為了獲得更大的電感器，需要制作更多的環(huán)形線圈結(jié)構(gòu)，這將占用非常大的芯片面積。隨著集成器件的不斷縮小，二維電感器在占用面積上和封裝成本上已無法滿足需求。

近年來，隨著三維集成電路的飛速發(fā)展，一種新興的集成電路制作工藝硅通孔工藝受到廣泛關(guān)注。其中基于硅通孔技術(shù)可用于構(gòu)造三維電感器和變壓器等片上元件，該電感器與傳統(tǒng)二維電感器相比，占用芯片面積少而且具有較高的品質(zhì)因數(shù)。電感器性能優(yōu)劣的主要評(píng)判指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù)，若其品質(zhì)因數(shù)越高，則電感器件的性能就越好。一般可通過減小襯底的寄生效應(yīng)，減小電感器本身電阻和提高自身有效電感值來提高其品質(zhì)因數(shù)。

而目前現(xiàn)有的硅通孔工藝是利用等離子刻蝕通孔，采用化學(xué)氣相沉淀方法在通孔表面形成氧化層，最后通過銅電鍍方法填充通孔，并使用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)移除多余的銅電鍍層。該硅通孔工藝中硅基底襯底存在損耗，因而使電感器件的性能有所下降，即品質(zhì)因數(shù)有所減小。

因此本發(fā)明提供的一種高品質(zhì)因數(shù)的新型三維電感器結(jié)構(gòu)，通過提高自身有效電感值和降低硅基底的損耗(即減小了電感器襯底的寄生效應(yīng))，改善其品質(zhì)因數(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高品質(zhì)因數(shù)的新型三維電感器結(jié)構(gòu)，極大的克服了芯片上占用面積大，異向電流和硅基底損耗所帶來的問題，從而提高品質(zhì)因數(shù)。

本發(fā)明電感器由多個(gè)電感元件單元構(gòu)成，三維電感器元件的輸入輸出端口位于基底頂部的金屬層和基底底部的重新布局層；

所述的電感元件單元包括位于基底頂部的金屬層、一個(gè)圓環(huán)狀硅通孔陣列、位于基底底部的重新布局層，其中圓環(huán)狀內(nèi)的硅通孔左右對(duì)稱設(shè)置。

所述的圓環(huán)狀硅通孔陣列上設(shè)有內(nèi)、外圈硅通孔陣列，內(nèi)圈或外圈硅通孔左右對(duì)稱設(shè)置，且輸入端、輸出端分別設(shè)于外圈對(duì)稱軸的兩側(cè)；同時(shí)內(nèi)圈或外圈上位于同一側(cè)(即由對(duì)稱軸分割的左側(cè)或右側(cè))的相鄰硅通孔圓心與圓環(huán)狀硅通孔陣列圓心的連線之間的夾角為20度。其中所述的硅通孔結(jié)構(gòu)為穿過硅基底的銅，為防止漏電流，在銅外周設(shè)有材料為二氧化硅的絕緣層，一般其厚度為0.5μm，在絕緣層外周則為硅基底。

作為優(yōu)選，所述的穿過硅基底的銅的半徑為5μm，高度為200μm；所述的圓環(huán)狀硅通孔陣列的外半徑為40μm，內(nèi)半徑為60μm。

所述的內(nèi)圈和外圈上硅通孔的個(gè)數(shù)相同，且均為n個(gè)，10≤n≤18；將圓環(huán)中的硅通孔順時(shí)針或逆時(shí)針定義為第一至第n硅通孔，并且將圓環(huán)最底部位置定義為第一硅通孔。將圓環(huán)外圈的第一個(gè)硅通孔的金屬層端作為輸入端，圓環(huán)外圈的第n個(gè)硅通孔的重新布局層端作為輸出端。

在電感器的頂部金屬層進(jìn)行金屬線連接，按照如下規(guī)則：將圓環(huán)內(nèi)圈中的第k個(gè)硅通孔的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第k+1硅通孔的金屬層端通過金屬線連接；同樣在電感器的底部重新布局層也進(jìn)行金屬線連接，按照如下規(guī)則：將圓環(huán)外圈中的第k個(gè)硅通孔的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第k個(gè)硅通孔的重新布局層端通過金屬線連接；其中1≤k≤n-1。圓環(huán)內(nèi)圈中第n個(gè)硅通孔架空。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是上述電感元件結(jié)構(gòu)的制作工藝方法。該方法包含如下步驟：

步驟(1)、首先進(jìn)行硅基底晶圓減薄，并對(duì)硅片上下表面進(jìn)行拋光；

步驟(2)、在硅片上下表面進(jìn)行二氧化硅沉淀形成氧化層(其厚度大于0.5μm)，并定義出硅通孔區(qū)域，依次通過各項(xiàng)異性腐蝕二氧化硅；

步驟(3)、在定義出硅通孔區(qū)域內(nèi)，利用bosch工藝刻蝕硅片，形成通孔；

步驟(4)、定義出氧化層的厚度0.5μm，并且去除硅片上下表面過厚的氧化層，直至其厚度達(dá)到0.5μm，此外還在通孔的側(cè)壁同步形成厚度為0.5μm的氧化層；

步驟(5)、使用銅電鍍的方法對(duì)通孔進(jìn)行銅填充,將通孔填充滿；

步驟(6)、使用bosch工藝在圓環(huán)中間和周圍挖空槽結(jié)構(gòu)，并且使得銅外周硅基底厚度為10μm；

步驟(7)、在硅片頂部金屬層按照設(shè)計(jì)好的布局，進(jìn)行金屬線連接；

步驟(8)、在新的硅片上重新布局層按設(shè)計(jì)好的布局進(jìn)行金屬線連接，之后在重新布局層上與另一硅片硅通孔對(duì)應(yīng)的位置添加焊點(diǎn)。

步驟(9)、最后將兩塊硅片進(jìn)行上下貼合。

本發(fā)明運(yùn)用金屬線連接圓環(huán)內(nèi)外圈中的硅通孔陣列，相較與傳統(tǒng)硅通孔構(gòu)造的電感器具有較大的電感值，同時(shí)充分利用同圓環(huán)內(nèi)圈或外圈中相鄰硅通孔的電流流向都相同，來增強(qiáng)電感值，并且挖出圓環(huán)內(nèi)部硅基底以減少損耗，此外還大大的減少了片上的占用面積。

本發(fā)明的電感器件可基于該電感元件(圓環(huán)狀硅通孔陣列)拓展為單排線性電感器，由m個(gè)電感元件構(gòu)成一排線性電感器結(jié)構(gòu)，5≤m≤10。該三維電感器的輸入輸出端口位于基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個(gè)電感器元件的外圈第一硅通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第m個(gè)電感器元件的外圈第n個(gè)硅通孔金屬層端。相鄰各電感元件按照如下規(guī)則進(jìn)行設(shè)置：第i個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔重新布局層端與第i+1個(gè)電感元件的外圈第一硅通孔重新布局層端通過金屬線連接，第i+1個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔金屬層端與第i+2個(gè)電感元件的外圈第一硅通孔金屬層端通過金屬線連接，以此規(guī)律連接形成單排線性結(jié)構(gòu)。其中1≤i≤m-2。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔金屬層端，電流按照金屬線流向第一個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔重新布局層端，并通過金屬線流向第二個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔重新布局層端，電流按金屬線流向第二個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔金屬層端，電流按以此規(guī)律流動(dòng)，最后流向第m個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔的金屬層端。

本發(fā)明的電感器件可基于該電感元件(圓環(huán)狀硅通孔陣列)拓展為雙排線性電感器，兩排均設(shè)有n個(gè)電感元件，8≤n≤20；該三維電感器的輸入輸出端口位于基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一排第一個(gè)電感元件的外圈第一個(gè)硅通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第一排第n個(gè)電感器元件的外圈第n個(gè)硅通孔金屬層端。相鄰各電感元件按照如下規(guī)則進(jìn)行設(shè)置：位于不同排同一列的電感元件，第一排第j個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔重新布局層端與第二排第j個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔重新布局層端；第二排第j個(gè)電感元件的外圈第一個(gè)硅通孔金屬層端與第二排第j+1個(gè)電感元件的外圈第一個(gè)硅通孔金屬層端通過金屬線連接，第二排第j+1個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔重新布局層端與第一排第j+1個(gè)電感元件的外圈第n個(gè)硅通孔重新布局層端通過金屬線連接，以此規(guī)律連接形成雙排線性結(jié)構(gòu)。其中1≤j≤n-1。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一排第一個(gè)電感元件外圈的第一個(gè)硅通孔金屬層端，電流按金屬線流向第一排第一個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔重新布局層端，并通過金屬線流向第二排第一個(gè)電感元件外圈的第一個(gè)硅通孔重新布局層端，電流流向第二排第一個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔金屬層端，并通過金屬線流向第二排第二個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔金屬層端，電流流向第二排第二個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔重新布局層端，并通過金屬線流向第二排第一個(gè)電感元件外圈的第一個(gè)硅通孔重新布局層端，電流流向第二排第一個(gè)電感元件外圈的第n個(gè)硅通孔金屬層端，電流按以此規(guī)律流動(dòng)，最后流向第二排第n個(gè)電感元件外圈的第十八硅通孔的金屬層端。

附圖說明

圖1a-c為電感器元件的金屬層，重新布局層和側(cè)面的截面圖。

圖2為電感元件的示意圖；

圖3為單排線性電感器的示意圖；

圖4為雙排線性電感器的示意圖；

圖1、2中標(biāo)記如下：

第一硅通孔101，第二硅通孔102，第三硅通孔103，第四硅通孔104，第五硅通孔105，第六硅通孔106，第七硅通孔107，第八硅通孔108，第九硅通孔109，第十硅通孔110，第十一硅通孔111，第十二硅通孔112，第十三硅通孔113，第十四硅通孔114，第十五硅通孔115，第十六硅通孔116，第十七硅通孔117，第十八硅通孔118。

第一圓環(huán)外圈中：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，第七硅通孔207，第八硅通孔208，第九硅通孔209，第十硅通孔210，第十一硅通孔211，第十二硅通孔212，第十三硅通孔213，第十四硅通孔214，第十五硅通孔215，第十六硅通孔216，第十七硅通孔217，第十八硅通孔218。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1給出了本發(fā)明的電感元件的頂部，底部和側(cè)面截面圖，如圖2所示，電感元件中圓環(huán)狀內(nèi)圈或外圈上硅通孔的個(gè)數(shù)均為18個(gè)，將圓環(huán)中的硅通孔順時(shí)針定義為第一、第二、…、第十八硅通孔，并且將圓環(huán)最底部位置定義為第一硅通孔。將圓環(huán)外圈的第一硅通孔201的金屬層端作為輸入端，圓環(huán)外圈的第十八硅通孔218的重新布局層端作為輸出端。將圓環(huán)內(nèi)圈中的第一硅通孔101的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第二硅通孔202的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第二硅通孔102的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第三硅通孔203的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第三硅通孔103的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第四硅通孔204的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第四硅通孔104的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第五硅通孔205的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第五硅通孔105的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第六硅通孔206的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第六硅通孔106的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第七硅通孔207的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第七硅通孔107的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第八硅通孔208的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第八硅通孔108的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第九硅通孔209的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第九硅通孔109的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十硅通孔210的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十硅通孔110的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十一硅通孔211的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十一硅通孔111的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十二硅通孔212的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十二硅通孔112的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十三硅通孔213的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十三硅通孔113的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十四硅通孔214的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十四硅通孔114的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十五硅通孔215的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十五硅通孔115的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十六硅通孔216的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十六硅通孔116的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十七硅通孔217的金屬層端通過金屬線連接；將圓環(huán)內(nèi)圈中的第十七硅通孔117的金屬層端與圓環(huán)外圈中的第十八硅通孔218的金屬層端通過金屬線連接。

同樣在電感器的底部重新布局層也進(jìn)行金屬線連接，將圓環(huán)外圈中的第一硅通孔201的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第一硅通孔101的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第二硅通孔202的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第二硅通孔102的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第三硅通孔203的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第三硅通孔103的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第四硅通孔204的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第四硅通孔104的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第五硅通孔205的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第五硅通孔105的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的六硅通孔206的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第六硅通孔106的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第七硅通孔207的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第七硅通孔107的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第八硅通孔208的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第八硅通孔108的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第九硅通孔209的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第九硅通孔109的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十硅通孔210的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十硅通孔110的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十一硅通孔211的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十一硅通孔111的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十二硅通孔212的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十二硅通孔112的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十三硅通孔213的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十三硅通孔113的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十四硅通孔214的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十四硅通孔114的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十五硅通孔215的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十五硅通孔115的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十六硅通孔216的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十六硅通孔116的重新布局層端通過金屬線連接；將圓環(huán)外圈中的第十七硅通孔217的重新布局層端與圓環(huán)內(nèi)圈中的第十七硅通孔117的重新布局層端通過金屬線連接。

圓環(huán)內(nèi)圈中的第十八硅通孔118架空。

上述電感器的制作工藝過程：

步驟一，如圖5a所示，首先進(jìn)行晶圓減薄，并對(duì)硅片501上下表面進(jìn)行拋光；

步驟二，如圖5b所示，在硅片501上下表面進(jìn)行二氧化硅502沉淀形成氧化層(其厚度大于0.5μm)，并定義出硅通孔區(qū)域503，依次通過各項(xiàng)異性腐蝕二氧化硅。

步驟三，如圖5c所示，在定義出硅通孔區(qū)域內(nèi)，利用bosch工藝刻蝕硅片，形成通孔504；

步驟四，如圖5d所示，定義出氧化層的厚度為0.5μm，并且去除硅片上下表面過厚的氧化層502，直至其厚度達(dá)到0.5μm，此外還在通孔504的側(cè)部同步形成厚度為0.5μm的氧化層505。

步驟五，如圖5e所示，使用銅電鍍的方法對(duì)通孔進(jìn)行銅填充506；

步驟六，如圖5f所示，使用bosch工藝在圓環(huán)中間和周圍挖空槽結(jié)構(gòu)507，并且使得銅外周硅基底厚度為10μm；

步驟七，在硅片金屬層按照?qǐng)D1a(電感元件)的布局，進(jìn)行金屬線連接；

步驟八，如圖5g所示，在新的硅片上的重新布局層按照?qǐng)D1b(電感元件)的布局連接，之后在重新布局層508上與另一硅片硅通孔對(duì)應(yīng)的位置添加焊點(diǎn)509。

步驟九，如圖5h所示，最后將兩塊硅片進(jìn)行上下貼合。

圖3為本發(fā)明的電感器件可基于該電感元件(圓環(huán)狀硅通孔陣列)拓展的單排線性電感器，其電感元件排成一列。該三維電感器的輸入輸出端口位于基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個(gè)電感元件的外圈第一硅通孔金屬層端，三維電感器的輸出端為第n個(gè)電感元件的外圈第十八硅通孔金屬層端。第一個(gè)電感元件的外圈第十八硅通孔重新布局層端與第二個(gè)電感元件的外圈第一硅通孔重新布局層端通過金屬線連接，第二個(gè)電感元件的外圈第十八硅通孔金屬層端與第三個(gè)電感元件的外圈第一硅通孔金屬層端通過金屬線連接，以此規(guī)律連接形成單排線性結(jié)構(gòu)。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔201金屬層端，電流按順時(shí)針流向第一個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔218重新布局層端，并通過金屬線流向第二個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔重新布局層端，電流按順時(shí)針流向第二個(gè)電感元件外圈的第一硅通孔金屬層端，電流按以此規(guī)律流動(dòng)，最后流向第n個(gè)電感元件外圈的第十八硅通孔n18的金屬層端。

圖4為本發(fā)明的電感器件可基于該電感器元件(圓環(huán)狀硅通孔陣列)拓展的雙排線性電感器，其奇數(shù)編號(hào)和偶數(shù)編號(hào)的電感元件分別為一列。該三維電感器的輸入輸出端口位于基底頂部的金屬層。三維電感器的輸入端為第一個(gè)電感元件的外圈第十一硅通孔1111金屬層端，三維電感器的輸出端為第n個(gè)電感器元件的外圈第十八硅通孔金屬層端。第一個(gè)電感器元件的外圈第十五硅通孔1115重新布局層端與第二個(gè)電感器元件的外圈第五硅通孔2105金屬層端通過金屬線連接，第二個(gè)電感器元件的外圈第一硅通孔2101金屬層端與第三個(gè)電感器元件的外圈第十硅通孔3110金屬層端通過金屬線連接，第三個(gè)電感器元件的外圈第六硅通孔3106重新布局層端與第三個(gè)電感器元件的外圈第十四硅通孔4114重新布局層端通過金屬線連接，以此規(guī)律連接形成雙排線性結(jié)構(gòu)。

該電感器的工作過程：電流首先從外部流入第一個(gè)電感器元件外圈的第十一硅通孔1111金屬層端，電流按逆時(shí)針流向第一個(gè)電感器元件外圈的第十五硅通孔1115重新布局層端，并通過金屬線流向第二個(gè)電感器元件外圈的第五硅通孔2105重新布局層端，電流按順時(shí)針流向第二個(gè)電感器元件外圈的第一硅通孔2101金屬層端，并通過金屬線流向第三個(gè)電感器元件外圈的第十硅通孔3110金屬層端，電流按順時(shí)針流向第三個(gè)電感器元件外圈的第六硅通孔3106重新布局層端，并通過金屬線流向第四個(gè)電感器元件外圈的第十四硅通孔4114重新布局層端，電流按逆時(shí)針流向第四個(gè)電感器元件外圈的第十八硅通孔4118金屬層端，電流按以此規(guī)律流動(dòng)，最后流向第n個(gè)電感器元件外圈的第十八硅通孔n118的金屬層端。