[发明专利]一种新型MEMS高Q值非螺线管集成电感及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型MEMS高Q值非螺线管集成电感及其制备方法，该集成电感包含：硅基体；嵌设在所述硅基体内的TSV微铜柱，其两端分别露出，该TSV微铜柱包含：中心端口铜柱、内侧微铜柱组、第一外侧微铜柱组及第二外侧微铜柱组；第一表层互连线圈，其包含顶部表层互连线圈、底部表层互连线圈；外表层互连铜柱；及，第二表层互连线圈，其包含顶部外表层互连线圈、底部外表层互连线圈。本发明采用改良的嵌入式非螺线管集成方案，通过低温氧化层隔离电感和硅衬底，降低衬底损耗，并通过绝缘材料支撑非螺线管结构表层互连线圈，在较小的面积内嵌入式集成多匝线圈，最终形成损耗低、杂散寄生电容小、具有高Q值的微型集成电感,同时与封装工艺兼容、机械稳定。

技术领域

本发明涉及微电子技术领域集成无源元件，特别涉及一种峰值品质因数Q达到40的新型MEMS高Q值非螺线管集成电感。

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，电感作为基本和必要的电子元件，被广泛使用于集成电路中，例如匹配网络、滤波器、低噪声放大器、收发器、压控振荡器等。传统分立式电感由于其封装成本、尺寸及性能条件的制约，已经不再满足集成电路小尺寸和低功耗的迫切需求，具有低能耗、小尺寸、低噪声、高频段的电感需求量持续增加。品质因数Q是表征电感质量的重要指标之一，Q值愈大，电感的损耗越小。集成电感技术指标指出电感品质因数Q达到15以上即为高Q电感。

集成电感器通常采用金属螺旋或螺线管形式实现，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工艺领域在这方面做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，片上集成电感普遍采用金属螺旋和螺线管结构。

针对金属螺旋结构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，包括利用高阻硅基、玻璃基等替代标准CMOS的低电阻率衬底，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，包括利用低介电常数绝缘材料SU-8代替嵌入式电感的匝间硅衬底制成螺旋电感，以实现更高的Q值。(2)优化集成电感结构，包括悬浮螺旋电感器，即采用牺牲层技术或UV-LIGA技术等MEMS金属加工工艺制造微铜柱，利用铜柱支撑微机械螺旋电感增加线圈与硅衬底之间的距离以减小衬底损耗，提高Q值。

针对金属螺线管结构已有的提高集成电感性能的方法包括：(1)嵌入式悬浮螺线管电感，通过机械悬挂并蚀刻凹嵌入硅基的电感周围的硅以形成气隙，有效地减小了线圈与硅基之间的涡流效应及电容，以提高Q值和自谐振频率适应更高频的应用。(2)三维垂直螺线管电感器，通过MEMS工艺的表面微机械加工技术3D垂直集成螺线管电感，并通过底层介质层隔离硅基减小衬底损耗，在提高电感性能的同时有效地节省了面积。(3)嵌入式环形螺线管电感，通过多级晶片蚀刻、腔体成形等关键技术将环形空芯电感嵌入到硅基中去，能在较小的面积内实现高电感，而且可形成与电路互连的导电通路。

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。

发明内容

本发明的目的在于克服上述电感结构的不足，提供一种峰值Q约为40的新型MEMS高Q值非螺线管集成电感，采用改良的嵌入式非螺线管集成方案，通过低温氧化层隔离电感和硅衬底，降低衬底损耗，并通过绝缘材料支撑非螺线管结构表层互连线圈，在较小的面积内嵌入式集成多匝线圈，最终形成损耗低、杂散寄生电容小、具有高Q值的微型集成电感,同时与封装工艺兼容、机械稳定。

为达到上述目的，本发明提供了一种新型MEMS高Q值非螺线管集成电感，其包含：