CN108987374B - 一种基于tsv和rdl的三维电容器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于TSV和RDL的三维电容器，包括硅衬底，硅衬底的一个端面设置有RDL顶面金属层、与RDL顶面金属层相对的另一个端面设置有RDL底面金属层，RDL顶面金属层和RDL底面金属层形状、大小相同，RDL顶面金属层上方还设置有RDL金属层，RDL顶面金属层和RDL底面金属层之间沿纵向连接有若干个圆柱形TSV，各个圆柱形TSV分布在硅衬底内。本发明的一种基于TSV和RDL的三维电容器，在于TSV的阵列电容外加两层RDL构成的MIM电容构成的三维集成电容器，大幅提高了集成电容器的质量和电容密度，可广泛用于模拟集成电路、模/数混合集成电路和射频/微波电路。

Description

一种基于TSV和RDL的三维电容器
技术领域
本发明属于面向集成电路应用的三维集成电容器技术领域，具体涉及一种基于TSV和RDL的三维电容器。
背景技术
电容器是三大无源器件之一，是现代通信系统中各类电路的重要组成部分，广泛应用于模拟、数模混合、射频和微波集成电路中，可用来实现过滤、补偿等功能。传统集成电路极板，在该极板之间的氧化物作为介电物质。此外，还可以使用集成电路的金属互连层来构成电容器。这些电容器都是二维结构的平板电容构成，其电容值非常小，随着现代通信系统的迅速发展，人们对大电容值的集成电容器的需求日益迫切。
硅通孔是一种穿透硅衬底的三维金属结构，采用硅通孔技术可以实现垂直方向的三维集成，大幅提高了电路的集成度，提高了电路系统的质量和性能，近年来得到了较大发展，工艺技术也日益成熟，为集成电容器的设计和制造提供了新的方法。本文结合基于TSV的阵列电容和两层RDL，即RDL顶面金属层与RDL金属层之间的MIM电容，提出了一种新型的三维电容器，大大增加了电容密度，使电容可以极大地满足微波射频工程师的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV和RDL的三维电容器，解决了现有电容器电容密度低的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV和RDL的三维电容器，包括硅衬底，硅衬底的一个端面设置有RDL顶面金属层、与RDL顶面金属层相对的另一个端面设置有RDL底面金属层，RDL顶面金属层和RDL底面金属层形状、大小相同，RDL顶面金属层上方还设置有一层RDL金属层，RDL顶面金属层和RDL底面金属层之间沿纵向连接有若干个圆柱形TSV阵列，各个圆柱形TSV分布在硅衬底内。
本发明的特点还在于，
RDL顶面金属层和RDL底面金属层均为两个开口相对、且相互嵌套的匚型金属层，每个匚型金属层包括两个水平段和一个竖直段。
圆柱形TSV包括圆柱形的TSV金属层，TSV金属层外壁还包覆的有一层绝缘层，圆柱形TSV等间隔固定在匚型金属层的水平段上，圆柱形TSV通过垂直金属互连线a与匚型金属层的水平段固定。
绝缘层为二氧化硅，垂直金属互连线a为铜柱，TSV金属层由铜制成。
RDL金属层与RDL顶面金属层的形状、大小相同，RDL金属层的匚型金属层开口方向与RDL顶面金属层的匚型金属层开口方向相反，RDL顶面金属层的竖直段上表面中心位置设置有垂直金属互连线b，垂直金属互连线b的另一端固定在RDL金属层4的竖直段与水平段交汇处。
RDL顶面金属层和RDL金属层之间还填充有二氧化硅。
RDL顶面金属层与硅衬底相对应的端面之间填充有二氧化硅，RDL底面金属层与硅衬底相对应的端面之间填充有二氧化硅。
垂直金属互连线b为铜柱。
本发明的有益效果是，本发明的一种基于TSV和RDL的三维电容器，在于TSV阵列电容和、RDL顶面金属层和RDL金属层之间构成MIM电容，即得到三维集成电容器，TSV阵列电容和RDL MIM电容的结合，大幅提高了集成电容器的质量和电容密度，可广泛用于模拟集成电路、模/数混合集成电路和射频/微波电路。
附图说明
图1为本发明一种基于TSV和RDL的三维电容器的结构示意图；
图2为本发明一种基于TSV和RDL的三维电容器的剖面图；
图3为一种基于TSV和RDL的三维电容器的RDL顶面金属层的结构示意图。
图中，1.RDL顶面金属层，2.RDL底面金属层，3.圆柱形TSV，301.绝缘层，302.TSV金属层，4.RDL金属层，5.垂直金属互连线a，6.垂直金属互连线b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种基于TSV和RDL的三维电容器结构如图1所示，包括硅衬底201，硅衬底201的一个端面设置有RDL顶面金属层1、与RDL顶面金属层1相对的另一个端面设置有RDL底面金属层2，RDL顶面金属层1和RDL底面金属层2形状、大小相同，RDL顶面金属层1上方还设置有RDL金属层4，RDL顶面金属层1和RDL底面金属层2之间沿纵向连接有若干个圆柱形TSV3，各个圆柱形TSV3分布在硅衬底201内。
如图3所示，RDL顶面金属层1和RDL底面金属层2均为两个开口相对、且相互嵌套的匚型金属层，每个匚型金属层包括两个水平段和一个竖直段。
如图2所示，圆柱形TSV3包括圆柱形的TSV金属层302，TSV金属层302外壁还包覆有一层绝缘层301，圆柱形TSV3等间隔固定在匚型金属层的水平段上，圆柱形TSV3通过垂直金属互连线a5与匚型金属层的水平段固定。
绝缘层301为二氧化硅，垂直金属互连线a5为铜柱，TSV金属层302由铜制成。
RDL金属层4与RDL顶面金属层1的形状、大小相同，RDL金属层4的匚型金属层开口方向与RDL顶面金属层1的匚型金属层开口方向相反，RDL顶面金属层1的竖直段上表面中心位置设置有垂直金属互连线b6，垂直金属互连线b6的另一端固定在RDL金属层4的竖直段与水平段交汇处。
RDL顶面金属层1和RDL金属层4之间还填充有二氧化硅。
RDL顶面金属层1与硅衬底201相对应的端面之间填充有二氧化硅，RDL底面金属层2与硅衬底201相对应的端面之间填充有二氧化硅。
垂直金属互连线b6为铜柱。
圆柱形TSV是穿过硅衬底的金属柱。
圆柱形的TSV金属层302通过垂直金属互连线a5与RDL顶面金属层或RDL底面金属层连接。
硅衬底201为体积视为无限大的硅衬底，具体大小与芯片面积有关。
工作原理介绍：本发明采用的是圆柱型TSV阵列，圆柱形TSV有内部的金属层以及外部绝缘层构成，构成电容器必须是TSV的组间电容。所以，将若干个TSV分成两个组作为电容器的两个极板，本发明中将第一纵列和第三纵列作为一个极板，将第二纵列和第四纵列作为另一个极板，再分别用RDL顶面金属层和RDL底面金属层将第一纵列和第三纵列上下连接，同理用RDL顶面金属层和RDL底面金属层将第二纵列和第四纵列上下连接，构成了TSV阵列电容。第一纵列与第二纵列，第二纵列与第三纵列，第三纵列与第四纵列之间都构成电容，它们的电容之和决定了整个TSV电容阵列的大小。在RDL顶面金属层上加RDL金属层，RDL金属层和RDL顶面金属层1之间相互上下相交的部分产生层间电容；RDL金属层的相邻水平段产生层内电容；同理，RDL顶面金属层的相邻水平段也产生层内电容。因此，层间电容与层内电容组成了MIM电容，TSV阵列电容与MIM电容的结合就是该专利的重点。
随着集成度的不断增加，传统的电容器件很难集成而且占很大的面积，而TSV电容器容易集成且有很大的电容值，本专利的电容器做在硅衬底里面，而且RDL金属层做在二氧化硅里面，与MOS管工艺兼容，很容易集成。

Claims (7)

1.一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，包括硅衬底(201)，所述硅衬底(201)的一个端面设置有RDL顶面金属层(1)、与所述RDL顶面金属层(1)相对的另一个端面设置有RDL底面金属层(2)，所述RDL顶面金属层(1)和RDL底面金属层(2)形状、大小相同，所述RDL顶面金属层(1)上方还设置有RDL金属层(4)，所述RDL顶面金属层(1)和RDL底面金属层(2)之间沿纵向连接有若干个圆柱形TSV(3)，各个所述圆柱形TSV(3)分布在硅衬底(201)内；
所述RDL顶面金属层(1)和RDL底面金属层(2)均为两个开口相对、且相互嵌套的匚型金属层，每个所述匚型金属层包括两个水平段和一个竖直段；
所述圆柱形TSV(3)由内部的金属层以及外部绝缘层构成，构成TSV阵列电容，所述RDL金属层(4)和RDL顶面金属层(1)之间上下相交的部分产生层间电容；所述RDL金属层(4)和RDL顶面金属层(1)各自分别产生层内电容，所述层间电容与层内电容组成了MIM电容，以上TSV阵列电容与MIM电容共同构成三维电容器。
2.根据权利要求1所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述圆柱形TSV(3)包括圆柱形的TSV金属层(302)，所述TSV金属层(302)外壁还包覆有一层绝缘层(301)，所述圆柱形TSV(3)等间隔固定在匚型金属层的水平段上，所述圆柱形TSV(3)通过垂直金属互连线a(5)与匚型金属层的水平段固定。
3.根据权利要求2所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述绝缘层(301)为二氧化硅，所述垂直金属互连线a(5)为铜柱，所述TSV金属层(302)由铜制成。
4.根据权利要求1所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述RDL金属层(4)与RDL顶面金属层(1)的形状、大小相同，所述RDL金属层(4)的匚型金属层开口方向与RDL顶面金属层(1)的匚型金属层开口方向相反，所述RDL顶面金属层(1)的竖直段上表面中心位置设置有垂直金属互连线b(6)，所述垂直金属互连线b(6)的另一端固定在RDL金属层(4)的竖直段与水平段交汇处。
5.根据权利要求3所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述RDL顶面金属层(1)和RDL金属层(4)之间还填充有二氧化硅。
6.根据权利要求2所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述RDL顶面金属层(1)与硅衬底(201)相对应的端面之间填充有二氧化硅，所述RDL底面金属层(2)与硅衬底(201)相对应的端面之间填充有二氧化硅。
7.根据权利要求4所述的一种基于TSV和RDL的三维电容器，其特征在于，所述垂直金属互连线b(6)为铜柱。
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