[发明专利]基于MEMS工艺的高Q值三维螺旋结构电感及其制作方法

说明书

本发明属于微电子技术领域，具体为基于MEMS工艺的高Q值三维螺旋结构集成电感及其制作方法。本发明的三维螺旋结构集成电感包括硅基体、基层绝缘层、螺旋线圈、螺旋线圈间支撑物；所述基层绝缘层用于隔离电感螺旋线圈与硅基体，螺旋线圈通过线圈间绝缘层中的柱状金属形成电气连接。本发明采用改良的三维垂直集成方案，通过基层绝缘层隔离电感和硅衬底，降低衬底损耗，并通过绝缘材料支撑垂直螺旋结构，在较小的面积内向上垂直集成多层线圈，最终形成损耗低、杂散寄生电容小、具有高Q值、同时与封装工艺兼容、机械稳定的微型集成电感。

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种高Q值三维螺旋结构电感及其制作方法。

背景技术

近30年来，随着电子通信技术的发展、智能消费电子等手持设备的功能不断增加，电感作为关键元件之一，被大量使用在集成电路中，起到匹配网络、滤波、储存能量、扼流等作用。传统分立式电感由于其封装成本、尺寸及性能条件的制约，已经不再满足日益增长的需求，具有低能耗、小尺寸、低噪声、高频段的电感需求量持续增加。

集成电感器通常采用金属螺旋形式实现，通过选择其特征尺寸、形状结构及实现方式，可以实现对集成电感器的不同设计与改善提高。此外由于标准的CMOS射频电路通常是在低电阻率的衬底上形成的，平面螺旋电感通常会因为严重的衬底和欧姆损耗而表现出较低的Q值，随着IC工作频率的增加，衬底损耗会越来越严重，导致平面电感器的性能降低。为了减少衬底损耗与欧姆损耗，MEMS工艺领域在这方面作出了许多技术的努力，通过改变衬底材料、电感结构以及填充材料等方法，不断提高电感性能。

对现有文献资料进行分析发现，已有的提高集成电感性能的方法包括：（1）改良衬底以降低寄生效应和衬底损耗，包括利用HF电化学阳极氧化在P+硅衬底中局部形成多孔硅，采用多孔硅衬底制作平面电感器^[1]，或使用柔性塑料衬底和低K电介质膜改良衬底，有效降低分流电导和电容及电感器串联电阻的涡流部分，以实现更高的Q值。（2）优化集成电感结构，包括悬浮梁支撑二维螺旋电感^[2，3]，即采用具有十字形夹层膜支撑的坚固的微机械螺旋电感器，增强了结构刚性和信号稳定性，并消除工作温度变化引起的电感变化，同时悬浮梁结构去除其下面的硅衬底以抑制衬底损耗，提高Q值；设计三维螺旋管电感器^[4]，通过在衬底和导体线圈之间引入气隙以减小衬底介电常数的影响，所制成的电感具有更少的基板依赖性磁性、更少的杂散电容和更高的Q因子；嵌入式悬浮螺管结构电感^[5]，通过紧凑布局，在保证电感性能的同时节省占用面积50%。

然而上述各类方法分别存在工艺复杂度、IC兼容集成不方便、后续封装困难、机械稳定性不足、工艺成本高难度大等各式问题，难全齐美。

[1] Chong K, Xie Y, Yu K, Huang D and Chang M. High-performanceinductors integrated on porous silicon. IEEE Electron Device Letters 2005;26:93–95.

[2] Lin J, Chen C and Cheng Y. A robust high-Q micromachined RF inductorfor RFIC applications. IEEE Transactions on Electron Devices 2005; 52:1489-1496.

[3] Yoon J, Choi Y, Kim B, Eo Y, and Yoon E. CMOS-compatible surface-micromachined suspended-spiral inductors for multi-GHz silicon RF ICs. IEEEElectron Device Letters 2002; 23:591-593.