一种桥式电感结构及其制作方法和应用与流程

1.本发明属于半导体的技术领域，具体涉及一种桥式电感结构及其制作方法和应用。


背景技术：

2.电感器是现代通信系统中各类电路的重要组成部分。在集成电路中，电感和电容等无源器件通常会与晶体管等有源器件集成设置在同一基板上以实现特定的功能。例如，5g滤波器芯片基于砷化镓集成无源器件(integrated passive device，ipd)技术，于砷化镓基板上制作电感电容进行组合，形成一个lc带通滤波器，电感等器件的性能将影响滤波器的性能及应用。
3.电感q值：也叫电感的品质因数，是衡量电感器件的主要参数，是指电感器在某一频率的交流电压下工作时，所呈现的感抗与其等效损耗电阻之比。电感器的q值越高，其损耗越小，效率越高。现有技术中，集成电感通常是采用集成电路制造工艺在基板表面上形成螺旋状电感线圈，其金属层制作不好控制，q值(品质因素)受限，并使形成的滤波器的插损il特性难以提升。因此开发新的结构及工艺以改善电感器的q值具有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种桥式电感结构及其制作方法和应用。
5.为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
6.一种桥式电感结构，所述电感结构设于基板上，包括第一金属布线层、第二金属布线层、层间连接柱和介质层，介质层覆盖第一金属布线层，第二金属布线层设于介质层上，层间连接柱填充于贯穿介质层的通孔中；第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。
7.可选的，所述基板的电阻率大于或者等于5
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cm。
8.可选的，所述基板的厚度为80～150μm。
9.可选的，所述第一导线段位于相邻两第二导线段同一侧的末端之间，且分别通过所述层间连接柱与相邻两第二导线段的末端连接。
10.可选的，所述若干第二导线段沿一第一方向平行排列，若干所述第一导线段于所述第二导线段的两侧交替排布，且各第一导线段沿所述第一方向延伸。
11.可选的，所述第二金属布线层还包括设于所述若干第二导线段前后两侧的两引出段；前后最末位的两第二导线段分别具有自由端，所述两引出段与两自由端一一对应连接。
12.可选的，所述层间连接柱为实心铜柱。
13.可选的，所述介质层的材料包括聚对苯撑苯并二恶唑(pbo)、苯并环丁烯(bcb)和聚酰亚胺(pi)。
14.可选的，所述第一金属布线层的厚度为3～8μm，所述层间连接柱的高度为3～20μm，所述第二金属布线层的厚度为3～8μm。
15.可选的，所述第二导线段的宽度为10～15μm。
16.一种滤波器，包括基板及滤波电路；所述滤波电路包括设于所述基板上的电感和电容；其中所述电感为桥式电感结构，包括设于所述基板上的第一金属布线层、第二金属布线层、层间连接柱和介质层，介质层覆盖第一金属布线层，第二金属布线层设于介质层上，层间连接柱贯穿所述介质层；第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。
17.可选的，所述滤波器为带通滤波器，其通带频率范围为4.4ghz～5ghz。
18.可选的，所述滤波器包括并联设置的多个谐振器，多个谐振器的一端通过电容耦合，另一端相互连接并与一电感串联；所述谐振器为电容和电感的并联电路。
19.可选的，所述电容是mim电容，包括下极板、电介质层和上极板，其中下极板、上极板至少之一与所述电感的金属布线层位于同一层，即可采用同道金属沉积工艺制作。
20.一种射频前端模组，其包括上述的滤波器。
21.一种桥式电感结构的制作方法，其包括以下步骤：
22.(1)于一基板上设置第一金属布线层；
23.(2)在所述第一金属布线层上设置介质层和层间连接柱，其中所述层间连接柱贯穿所述介质层；
24.(3)在所述介质层上形成第二金属布线层，第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段；
25.其中，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。
26.可选的，所述步骤(2)中通过下面子步骤形成：
27.采用电镀铜工艺在所述第一金属布线层上形成层间连接柱；
28.填充介质材料形成介质层，介质层包覆第一金属布线层裸露的表面及层间连接柱的侧面。
29.可选的，所述步骤(2)中通过下面子步骤形成：
30.于第一金属布线层上形成介质层，介质层覆盖第一金属布线层表面；
31.于所述介质层中形成贯穿该介质层的通孔；
32.采用电镀工艺在通孔中形成所述层间连接柱。
33.本发明有益效果为：
34.本发明的桥式电感结构基于rdl(re-distributed layer，重布线层)技术，通过第一金属布线层、第二金属布线层以及层间互联结构的设计，且第一金属布线层和层间互联结构设置于介质层之中，可以容易获得较厚的金属厚度以及较大的金属表面积，使电感占地面积的单位面积上存储电荷增加，从而使所存储的电荷大幅提升，增加了电感的q值。在一些实施例，采用该种桥式电感结构的滤波器，可以使得插损(insertion loss)特性变好，
频段衰减的需要特性更佳。
附图说明
35.图1为一实施例的桥式电感结构的结构示意图；
36.图2为第一金属布线层、第二金属布线层和层间连接柱的连接结构示意图；
37.图3为图2的俯视角度的结构示意图，图中体现连接关系；
38.图4为第一金属布线层、第二金属布线层和层间连接柱的分解结构示意图；
39.图5为一实施例的桥式电感结构的制作工艺流程图；
40.图6为另一实施例的桥式电感结构的制作工艺流程图；
41.图7为实施例的5g滤波器的电路原理示意图；
42.图8为实施例的射频前端终端模块的电路原理示意图；
43.图9为实施例和对比例的电感值l测试谱图；
44.图10为实施例和对比例的q值测试谱图；
45.图11为实施例和对比例的插损特性曲线示意图。
具体实施方式
46.以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下、前后关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
47.参考图1至图4，一实施例的桥式电感结构设于基板1上，包括第一金属布线层2、第二金属布线层3、层间连接柱4和介质层5。第一金属布线层2设于基板1上，介质层5覆盖第一金属布线层2，第二金属布线层3设于介质层5上，层间连接柱4填充于贯穿介质层5的通孔中。第二金属布线层3包括前后间隔排列的若干第二导线段31，第一金属布线层2包括对应位于第二导线段31两端的若干第一导线段21；第二导线段31和第一导线段21间通过层间连接柱4连接，且各第二导线段31分别通过一端的第一导线段21与前一第二导线段31连接，通过另一端的第一导线段21与后一第二导线段连接31，从而形成蜿蜒延伸的电感图案。
48.在一些具体实施样态中，所述基板1采用电阻率≥5
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cm的基板材料，例如采用硅基板，厚度为80～150μm，较佳的，为80～120μm，例如90μm、100μm、110μm，或者上述两者之间的点值。电阻率为0.001～10(ohm-cm)。硅基板具有低k值以及低电阻系数，并具有较薄的厚度，采用薄型硅基底的损耗较低，一方面可以增加电感的q值，另一方面减少整个电感芯片厚度。
49.本实施例中，该些第二导线段31为沿一第一方向平行间隔排列的直线段，直线段沿第二方向延伸，第一方向和第二方向互相垂直。第一导线段21位于相邻两第二导线段31同一侧的末端之间，其沿第一方向延伸，且分别通过层间连接柱4与相邻两第二导线段31的末端进行垂直连接，这里的垂直连接，是指层间连接柱4设置为垂直贯穿介质层5。若干第一导线段21于该些第二导线段31的两侧交替排布，以进行交替连接。
50.为便于说明，第二导线段31的两端定义为a端和b端，位于a端一侧的第一导线段21a和位于b端一侧的第一导线段21b于第一方向上交替排布。从而，每一第二导线段31的a
端与前一第二导线段31的a端连接于同一第一导线段21a，b端与后一第二导线段31的b端连接于同一第二导线段31b，以此类推，位于介质层5表面的该些平行间隔排布的第二导线段31即通过位于介质层5中的第一导线段21和层间连接柱4串联，前后两末位的两第二导线段31分别具有一自由端31c，第二金属布线层3还包括分别设于两自由端31c外侧的两引出段32，两引出段32与两自由端31c一一对应连接。在两引出段32延伸出介质层5边缘并与设于外侧的pad层6连接，通过pad层6便于进行外部连接。
51.通过上述设置，可在较小的占用体积内获得跟螺旋电感相近的电感值。
52.在本实施例，通过控制第一金属布线层2和第二金属布线层3的厚度，增加其电感储存电荷量，可以提升电感器的q值。优选地，所述第一金属布线层2的厚度为1～8μm，例如可以为3-5μm，当第一金属布线层2的厚度低于1μm，可能导致电阻值提高，不利于提升电感器的q值；所述层间连接柱4的高度为3～20μm，例如可以为3-10μm；所述第二金属布线层3的厚度为3～10μm，在一些较佳实施例中，第二层金属布线层3的厚度至少5um以上，通过有效增加第二导线段的表面积，进而可以有效提升储存电荷数量。当第二金属布线层的厚度超出10μm，其对电感器q值的提升效果的将变得比较微弱。
53.在其他实施例中，第二导线段31也可是非直线段，例如波浪状、折线状、弧线段或其组合形式沿第二方向延伸即可。
54.在其他实施例中，第二导线段也可不平行排列，其具有间隔不相接即可。
55.在其他实施例中，第一方向和第二方向可以不垂直，两者具有一角度即可。
56.上述桥式电感结构基于rdl(re-distributed layer，重布线层)技术，通过第一金属布线层、第二金属布线层以及层间垂直互联结构的设计，且第一金属布线层和层间垂直互联结构设置于介质层之中，第二导线段来回蜿蜒排列，可以容易获得较厚的金属厚度以及较大的金属表面积，使电感占地面积的单位面积上存储电荷增加，从而使所存储的电荷大幅提升，增加了电感的q值。
57.作为一种可行的实施方式，参考图5，上述桥式电感结构的制作包括以下步骤：
58.1)采用铜制程于基板1上形成第一金属布线层2，其第一导线段的线宽范围为15～20μm，厚度为3～8μm，例如5μm；
59.2)涂覆第一光阻r1，通过曝光显影技术形成若干通孔v1，通孔v1底部裸露第一金属布线层2；
60.3)采用电镀铜制程填充通孔v1形成与金属布线层2连接的实心铜柱作为层间连接柱4；
61.层间连接柱的高度范围为5～10μm，直径约为10μm；
62.4)剥离第一光阻；
63.5)采用pbo(聚对苯撑苯并二恶唑)作为介质材料填充金属布线层2和层间连接柱4的周围形成介质层5，则pbo紧密包覆金属布线层2和层间连接柱4的表面，其中层间连接柱4的上表面裸露并与介质层5上表面平齐；
64.6)于上述表面涂覆第二光阻r2，通过曝光显影技术进行图案化，其中层间连接柱4表面裸露；
65.7)采用铜制程沉积第二金属布线层3与层间连接柱4连接，其第二导线段的线宽范围为10～15μm，厚度为5μm，然后剥离第二光阻r2。
66.作为另一种可行的实施方式，参考图6，上述桥式电感结构的制作包括以下步骤：
67.1)采用铜制程于基板1上形成第一金属布线层2，其第一导线段的线宽范围为10～15μm，厚度为5μm；
68.2)采用pbo(聚对苯撑苯并二恶唑)作为介质材料形成介质层5，介质层5覆盖了第一金属布线层2表面；
69.3)于介质层5形成若干通孔v2，通孔v2底部裸露第一金属布线层2；
70.4)采用电镀铜制程填充通孔v2形成与金属布线层2连接的实心铜柱作为层间连接柱4；
71.层间连接柱的高度范围为5～10μm，直径约为10μm；层间连接柱4上表面与介质层5上表面平齐；
72.5)通过光阻图形化后采用铜制程沉积第二金属布线层3与层间连接柱4连接，其第二导线段的线宽范围为5～10μm，厚度为5μm，然后剥离光阻。
73.其中，介质层采用pbo等低介电常数材料，可以减少金属连线间的寄生效应的同时增加可靠性。其电感金属采用电镀铜制程，具有较好的致密性跟均匀性，可以获得良好填充的实心铜柱以及高质量的上下连接关系，也便于获得较大的厚度，增加电感金属层的q值。
74.参考图7及图8，本发明的桥式电感结构可以集成于5g(bw＝4.4ghz～5ghz)波段带通滤波器芯片(5g band pass filter——n77/n79 bpf)中并可应用于射频前端终端模块。
75.具体，带通滤波器包括并联设置的多个lc谐振器，多个lc谐振器的一端通过电容耦合，另一端相互连接并与一电感串联。举例来说，参考图7，带通滤波器(bpf)的两端子之间通过电容c9和电容c4串联，第一谐振器由电容c1和电感l1并联形成，第二谐振器由电容c3和电感l2并联形成，第三谐振器由电容c5和电感l3并联形成，第一谐振器一端连接于电容c9和靠近电容c9的端子之间，第二谐振器一端连接于电容c9和电容c4之间，第三谐振器连接于电容c4和靠近电容c4的端子之间，三个谐振器的另一端相互连接后串联电感l4并接地。谐振器中电容与电感值的大小与通带通信频率和带宽有关，因此可通过对各谐振器中电容和电感值的设定实现对通带频率和带宽的设定。
76.上述桥式电感结构应用于lc带通滤波器时，可基于集成电路的制作工艺，其中电容采用mim电容，包括下极板、电介质层和上极板，下极板、上极板至少之一与电感的金属布线层位于同一层，即可采用同道金属沉积工艺制作，并通过层间金属互联及重布线层等工艺实现器件结构的电连接以及引出，实现简化的制作流程和兼容效果。
77.参考图8，常规的，射频前端模块一般包括带通滤波器(bpf)、功率放大器(pa)、低噪声放大器(lna)、发送滤波器(txinterstagesaw)、接收滤波器(rxinterstage saw)\变频器等器件。射频前端模块中均设有多个信号传输路径，包括了信号发射通路和信号接收通路，每个信号传输路径中，通过对信号传输路径中特定频率段的选择，使其可以对特定频率段，例如n77或者n79的射频信号进行处理。
78.将上述桥式电感结构应用于带通滤波器中，可以提升5g滤波器n79的insertion loss插损特性，并使得5g滤波器n79规格较容易达成。
79.参考图9，以常规螺旋电感结构作为对比例，设计两者具有相近的电感值，从图中可见，在5ghz频率下对比例的螺旋电感结构的电感值l1为0.5159nh，实施例的桥式电感结构的电感值l2为0.5155nh，两种结构产生的电感值十分相近。
80.在此基础上，比较两者的q值，其结果如图10所示，在4.4ghz～5ghz的频段下，对比例的螺旋电感结构的q值为19.674～20.405，而实施例的桥式电感结构的q值为38.640～40.632，较对比例得到明显的提升，提升幅度约为90％～110％。
81.对对比例和实施例进行基于s21参数的插损特性测试，如图11所示，在5ghz中，实施例的桥式电感结构在带通滤波器中的贡献可以让s21＝-0.387db，而对比例的采用螺旋电感结构的滤波器的s21＝-0.638db，可见本实施的电感器结构应用减少了损耗，提升了滤波器的性能。
82.上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种桥式电感结构及其制作方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种桥式电感结构，其特征在于：所述电感结构设于基板上，包括第一金属布线层、第二金属布线层、层间连接柱和介质层，介质层覆盖第一金属布线层，第二金属布线层设于介质层上，层间连接柱填充于贯穿介质层的通孔中；第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。2.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述基板的电阻率大于或者等于5
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cm。3.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述基板的厚度为80～150μm。4.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述第一导线段位于相邻两第二导线段同一侧的末端之间，且分别通过所述层间连接柱与相邻两第二导线段的末端连接。5.根据权利要求4所述的桥式电感结构，其特征在于：所述若干第二导线段沿一第一方向平行排列，若干所述第一导线段于所述第二导线段的两侧交替排布，且各第一导线段沿所述第一方向延伸。6.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述第二金属布线层还包括设于所述若干第二导线段前后两侧的两引出段；前后最末位的两第二导线段分别具有自由端，所述两引出段与两自由端一一对应连接。7.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述层间连接柱为实心铜柱。8.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述介质层的材料包括聚对苯撑苯并二恶唑(pbo)、苯并环丁烯(bcb)和聚酰亚胺(pi)。9.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述第一金属布线层的厚度为3～8μm，所述层间连接柱的高度为3～20μm，所述第二金属布线层的厚度为3～8μm。10.根据权利要求1所述的桥式电感结构，其特征在于：所述第二导线段的宽度为10～15μm。11.一种滤波器，其特征在于：包括基板及滤波电路；所述滤波电路包括设于所述基板上的电感和电容；其中所述电感为桥式电感结构，包括设于所述基板上的第一金属布线层、第二金属布线层、层间连接柱和介质层，介质层覆盖第一金属布线层，第二金属布线层设于介质层上，层间连接柱贯穿所述介质层；第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。12.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于：所述滤波器为带通滤波器，其通带频率范围为4.4ghz～5ghz。13.根据权利要求12所述的滤波器，其特征在于：所述滤波器包括并联设置的多个谐振器，多个谐振器的一端通过电容耦合，另一端相互连接并与一电感串联；所述谐振器为电容和电感的并联电路。14.根据权利要求11所述的滤波器，其特征在于：电容是mim电容，包括下极板、电介质层和上极板，其中下极板、上极板至少之一与所述电感的金属布线层位于同一层。15.一种射频前端模组，其特征在于：包括权利要求11～14任一项所述的滤波器。
16.一种桥式电感结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)于一基板上设置第一金属布线层；(2)在所述第一金属布线层上设置介质层和层间连接柱，其中所述层间连接柱贯穿所述介质层；(3)在所述介质层上形成第二金属布线层，第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段；其中，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。17.根据权利要求16所述的一种桥式电感结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过下面子步骤形成：采用电镀铜工艺在所述第一金属布线层上形成层间连接柱；填充介质材料形成介质层，介质层包覆第一金属布线层裸露的表面及层间连接柱的侧面。18.根据权利要求16所述的一种桥式电感结构的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过下面子步骤形成：于第一金属布线层上形成介质层，介质层覆盖第一金属布线层表面；于所述介质层中形成贯穿该介质层的通孔；采用电镀工艺在通孔中形成所述层间连接柱。

技术总结
本发明公开了一种桥式电感结构，其包括第一金属布线层、第二金属布线层，两者之间设有层间连接柱和介质层，层间连接柱填充于贯穿介质层的通孔中；第二金属布线层包括前后间隔排列的若干第二导线段，第一金属布线层包括对应位于第二导线段两端的若干第一导线段；第二导线段和第一导线段间通过层间连接柱连接，且各第二导线段分别通过一端的第一导线段与前一第二导线段连接，通过另一端的第一导线段与后一第二导线段连接。本发明的桥式电感结构增加了电感的Q值。采用该种桥式电感结构的滤波器，可以使得插损特性变好，频段衰减的需要特性更佳。佳。佳。


技术研发人员：吕致远 吴萍芳
受保护的技术使用者：泉州市三安集成电路有限公司
技术研发日：2023.03.31
技术公布日：2023/8/5