一种基于TSV的嵌套磁芯电感器的制作方法

本发明属于三维集成电路技术领域，具体涉及一种基于tsv的嵌套磁芯电感器。

背景技术：

硅通孔技术是实现三维集成电路的关键技术。在三维集成电路中，硅通孔除了实现芯片之间的垂直互联外，还被用于制作集成无源器件，三维电感器就是其应用之一。电感器被认为是模拟、射频和微波电路中的重要元件，如低噪声放大器、功率放大器、滤波器、振荡器、阻抗匹配网络和dc-dc转换器等。而传统的二维平面螺旋电感器，损耗高，品质因数难以提高，且占位面积大，难以满足高集成度集成电路的要求。基于tsv的三维螺旋电感器，具有更高的电感密度和更小的占位面积，能够有效解决二维电感器所面临的问题。一般的三维螺旋电感器多为单层结构，需要通过增大线圈匝数或tsv高度来增大电感值，这导致了更大的芯片面积以及空间体积占用，对高集度集成电路是不利的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于tsv的嵌套磁芯电感器，解决了现有电感器电感密度小的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种基于tsv的嵌套磁芯电感器，包括硅衬底层，硅衬底层的上下表面各设置有一介质层，硅衬底层内设置有条状的磁芯，磁芯的外周沿其长度方向同心嵌套有两个螺旋电感器，两个螺旋电感器均由分别位于两个介质层内的金属互连线和上下穿过硅衬底层的硅通孔内的金属柱连接而成。

本发明的特点还在于，

硅衬底层上表面设置的介质层为顶部介质层，硅衬底层下表面设置的介质层为底部介质层。

硅通孔在磁芯沿其长度方向两侧的硅衬底层内各上下开设有两列，磁芯每侧与其靠近一列的硅通孔为第二硅通孔，磁芯每侧与其远离一列的硅通孔为第一硅通孔，第一硅通孔的上下两端和第二硅通孔的上下两端都分别向外延伸至顶部介质层内和底部介质层内，第二硅通孔的上下两端分别在顶部介质层内和底部介质层内延伸的长度都不大于第一硅通孔的上下两端分别在顶部介质层内和底部介质层内延伸的长度。

金属柱包括分别填充于第一硅通孔内的第一金属柱和填充于第二硅通孔内的第二金属柱，第一金属柱与硅衬底层之间、第二金属柱与硅衬底层之间均设置有绝缘层。

绝缘层、顶部介质层和底部介质层的材料均为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种。

两个螺旋电感器包括第一螺旋电感器和靠近磁芯的第二螺旋电感器，第一螺旋电感器包括并列设置于顶部介质层内的多个顶部第一金属互连线和并列设置于底部介质层内的多个底部第一金属互连线，底部第一金属互连线与顶部第一金属互连线在水平面内成夹角，相邻两个顶部第一金属互连线和底部第一金属互连线的首尾依次通过第一金属柱连接；第二螺旋电感器包括并列设置于顶部介质层内的多个顶部第二金属互连线和并列设置于底部介质层内的多个底部第二金属互连线，底部第二金属互连线与顶部第二金属互连线在水平面内成夹角，相邻两个顶部第二金属互连线和底部第二金属互连线的首尾依次通过第二金属柱连接。

顶部第一金属互连线、底部第一金属互连线、顶部第二金属互连线、底部第二金属互连线、第一金属柱和第二金属柱的材料均为铜或铝中的一种。

第一螺旋电感器的两端分别设置有第一输入端和第一输出端，第二螺旋电感器的两端分别设置有第二输入端和第二输出端。

本发明的有益效果是：本发明一种基于tsv的嵌套磁芯电感器，通过两个螺旋电感器的嵌套结构能够适应现有的集成电路工艺，实现了电感器占位面积的减半，电感器密度的倍增；此外，本发明还通过设置磁芯不仅有效的提高了单位面积的电感值，而且实现了电感值的可调，这使得电感器的利用率大大提高。

附图说明

图1是本发明一种基于tsv的嵌套磁芯电感器去除硅衬底层和介质层后的俯视图；

图2是本发明一种基于tsv的嵌套磁芯电感器的截面图。

图中，1.硅衬底层，2.磁芯，3.顶部介质层，4.底部介质层，5.第二硅通孔，6.第一硅通孔，7.第一金属柱，8.第二金属柱，9.绝缘层，10.顶部第一金属互连线，11.底部第一金属互连线，12.顶部第二金属互连线，13.底部第二金属互连线，14.第一输入端，15.第一输出端，16.第二输入端，17.第二输出端。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种基于tsv的嵌套磁芯电感器，如图1和图2所示，包括硅衬底层1，硅衬底层1的上下表面各设置有一介质层，硅衬底层1上表面设置的介质层为顶部介质层3，硅衬底层1下表面设置的介质层为底部介质层4，硅衬底层1内设置有条状的磁芯2，磁芯2的外周沿其长度方向同心嵌套有两个螺旋电感器，两个螺旋电感器均由分别位于两个介质层内的金属互连线和上下穿过硅衬底层的硅通孔内的金属柱连接而成。

其中，硅通孔在磁芯2沿其长度方向两侧的硅衬底层1内各上下开设有两列，磁芯2每侧与其靠近一列的硅通孔为第二硅通孔5，磁芯2每侧与其远离一列的硅通孔为第一硅通孔6，第一硅通孔6的上下两端和第二硅通孔5的上下两端都分别向外延伸至顶部介质层3内和底部介质层4内，第二硅通孔5的上下两端分别在顶部介质层3内和底部介质层4内延伸的长度都不大于第一硅通孔6的上下两端分别在顶部介质层3内和底部介质层4内延伸的长度。金属柱包括分别填充于第一硅通孔6内的第一金属柱7和填充于第二硅通孔5内的第二金属柱8，第一金属柱7与硅衬底层1之间、第二金属柱8与硅衬底层1之间均设置有绝缘层9。绝缘层9、顶部介质层3和底部介质层4的材料均为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅等绝缘材料中的一种。

两个螺旋电感器包括第一螺旋电感器和靠近磁芯2的第二螺旋电感器，第一螺旋电感器包括并列设置于顶部介质层3内的多个顶部第一金属互连线10和并列设置于底部介质层4内的多个底部第一金属互连线11，底部第一金属互连线11与顶部第一金属互连线10在水平面内成夹角，相邻两个顶部第一金属互连线10和底部第一金属互连线11的首尾依次通过第一金属柱7连接；第二螺旋电感器包括并列设置于顶部介质层3内的多个顶部第二金属互连线12和并列设置于底部介质层4内的多个底部第二金属互连线13，底部第二金属互连线13与顶部第二金属互连线12在水平面内成夹角，相邻两个顶部第二金属互连线12和底部第二金属互连线13的首尾依次通过第二金属柱8连接。顶部第一金属互连线10、底部第一金属互连线11、顶部第二金属互连线12、底部第二金属互连线13、第一金属柱7和第二金属柱8的材料均为铜或铝等导电材料中的一种。

第一螺旋电感器的两端分别设置有第一输入端14和第一输出端15，第一输入端14和第一输出端15分别连接于左侧一列第一金属柱7中最后一行的顶部和右侧一列第一金属柱7中第一行的顶部，第二螺旋电感器的两端分别设置有第二输入端16和第二输出端17，第二输入端16和第二输出端17分别连接于左侧一列第二金属柱8中最后一行的顶部和右侧一列第二金属柱8中第一行的顶部。

工作时，如图1所示，由底部第二金属互连线13、第二金属柱8、顶部第二金属互连线12、第二金属柱8、底部第二金属互连线13…连接而成的第二螺旋电感器嵌套于底部第一金属互连线11、第一金属柱7、顶部第一金属互连线10、第一金属柱7、底部第一金属互连线11…连接而成的第一螺旋电感器内，实现了电感器占位面积的减半；而通过在第一输入端14或第二输入端16加电流，电感线圈产生的电场引起磁芯2磁导率的变化，进而引起第一螺旋电感器与第二螺旋电感器电感值的变化，可根据实际需求，对电感值进行定量调节。

通过上述方式，本发明一种基于tsv的嵌套磁芯电感器通过两个螺旋电感器的嵌套结构能够适应现有的集成电路工艺，实现了电感器占位面积的减半，电感器密度的倍增，这表现在现有的两个螺旋电感器使用的芯片面积仅为一个传统单层螺旋电感器所占面积；此外，本发明还通过设置磁芯不仅有效的提高了单位面积的电感值，而且实现了电感值的可调，这使得电感器的利用率大大提高。