CN109981067A - 一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器，自上而下依次包括第一螺旋电感层、第一平板电容层、硅通孔电容层、第二平板电容层和第二螺旋电感层，其中，所述硅通孔电容层包括衬底和穿透所述衬底的多个硅通孔结构，每个所述硅通孔结构均连接所述第一平板电容层和所述第二平板电容层，且相邻所述硅通孔结构之间形成耦合电容器。该无源滤波器将电感和电容进行有序三维堆叠构成电感电容的梯形网络，构成三维集成无源滤波器，具有尺寸小、设计灵活、易于三维集成、且选频性能好等优点。

Description

一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器

技术领域

本发明属于无源电子器件技术领域，具体涉及一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器。

背景技术

随着现代通信系统集成度和性能的提高，各种电子芯片和功能电路模块均朝微型化方向发展，现有的基于低温共烧陶瓷(LTCC)及多芯片组件 (MCM)技术已不能很好地满足射频/微波集成电路中滤波器的发展要求。一方面，其加工精度不高，寄生电磁效应严重，互连密度低，不太适合频率较高的射频以及微波集成电路的要求；另一方面，基于LTCC、MCM技术的电容、电感、滤波器等无源器件占用的面积较大，严重限制了系统集成度的提高。

基于硅通孔的三维集成技术具有互连短、尺寸小、集成度高、工艺一致性好、可靠性高等优点，可以实现微波无源滤波器的高质量、高密度集成及器件之间的低损耗高频互连，因此，如何通过基于硅通孔的无源滤波器集成技术进一步实现微波电路的微型化和系统化，是需要亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器，自上而下依次包括第一螺旋电感层、第一平板电容层、硅通孔电容层、第二平板电容层和第二螺旋电感层，其中，

所述硅通孔电容层包括衬底和穿透所述衬底的多个硅通孔结构，每个所述硅通孔结构均连接所述第一平板电容层和所述第二平板电容层，且相邻所述硅通孔结构之间形成耦合电容器。

在本发明的一个实施例中，所述第一螺旋电感层包括顶部介质和嵌套在所述顶部介质中的第一金属螺旋结构，以形成第一螺旋电感器；

所述第二螺旋电感层包括底部介质和嵌套在所述底部介质中的第二金属螺旋结构，以形成第二螺旋电感器；

所述第一金属螺旋结构和所述第二金属螺旋结构的螺旋方向相反。

在本发明的一个实施例中，所述第一平板电容层自上而下依次包括第一金属层、第一电容介质层和第二金属层，形成第一平板电容器；所述第二平板电容层自上而下依次包括第三金属层、第二电容介质层和第四金属层，形成第二平板电容器。

在本发明的一个实施例中，所述第一螺旋电感层与所述第一平板电容层之间设置有第一隔离介质层，所述第二螺旋电感层与所述第二平板电容层之间设置有第四隔离介质层。

在本发明的一个实施例中，每个所述硅通孔结构从外向内依次包括隔离介质环、外层金属环、电容介质环和内层金属柱，使得每个所述硅通孔结构均形成一个硅通孔电容器。

在本发明的一个实施例中，多个所述硅通孔结构排列成M*N的硅通孔结构阵列，其中M≥2，N≥2。

在本发明的一个实施例中，所述硅通孔结构阵列中包括间隔排列的若干第一硅通孔结构和若干第二硅通孔结构，其中，

所述第一硅通孔结构的内层金属柱与所述第一金属层接触，所述第一硅通孔结构的外层金属环分别与所述第二金属层和所述第四金属层接触；

所述第二硅通孔结构的内层金属柱与所述第四金属层接触，所述第二硅通孔结构的外层金属环分别与所述第一金属层和所述第三金属层接触。

在本发明的一个实施例中，所述硅通孔结构阵列中还包括位于中心处的第三硅通孔结构，其中，

所述第三硅通孔结构的内层金属柱的上端与所述第一金属层和所述第一金属螺旋结构接触，所述第三硅通孔结构的内层金属柱的下端与所述第三金属层和所述第二金属螺旋结构接触；

所述第三硅通孔结构的外层金属环的上端与所述第二金属层接触，所述第三硅通孔结构的外层金属环的下端与所述衬底齐平。

在本发明的一个实施例中，相邻所述硅通孔结构的间距为25-30μm。

在本发明的一个实施例中，所述第一平板电容层与所述硅通孔电容器之间设置有第二隔离介质层层；

所述第二平板电容层与所述硅通孔电容器之间设置有第三隔离介质层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的三维集成无源滤波器采用半导体衬底上表面最高层金属及下表面最底层金属构成三维电感，第一平板电容层、第二平板电容层和硅通孔电容层构成三维电容器，其中硅通孔电容层包括多个同轴的硅通孔电容器和同轴硅通孔阵列之间形成的耦合电容器，从而将电感和电容进行有序三维堆叠构成电感电容的梯形网络，构成三维集成无源滤波器。

2、该三维集成无源滤波器具有尺寸小、设计灵活、易于三维集成、以及选频性能好等优点，非常适用于微波集成电路的微型化应用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的立体图；

图2是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的截面图；

图3是本发明实施例提供的一种第一螺旋电感层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种第一隔离介质层的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种第一金属层的结构示意图；

图6是本发明实施例提供的一种第一电容介质层的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的一种第二金属层的结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种第二隔离介质层的结构示意图；

图9是本发明实施例提供的一种硅通孔电容层的立体图；

图10是本发明实施例提供的一种硅通孔结构的连接示意图；

图11是本发明实施例提供的一种硅通孔结构的各等效电容器的示意图；

图12是本发明实施例提供的一种同轴硅通孔阵列耦合电容器的示意图；

图13是本发明实施例提供的一种第三隔离介质层的结构示意图；

图14是本发明实施例提供的一种第三金属层的结构示意图；

图15是本发明实施例提供的一种第二电容介质层的结构示意图；

图16是本发明实施例提供的一种第四金属层的结构示意图；

图17是本发明实施例提供的一种第四隔离介质层的结构示意图；

图18是本发明实施例提供的一种第二螺旋电感层的结构示意图；

图19是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的等效电路图。

附图标记如下：

1-第一螺旋电感层；11-顶部介质；12-第一金属螺旋结构；121-滤波器输入端口；2-第一平板电容层；21-第一金属层；22-第一电容介质层；23- 第二金属层；3-硅通孔电容层；31-衬底；4-第二平板电容层；41-第三金属层；42-第二电容介质层；43-第四金属层；5-第二螺旋电感层；51-底部介质； 52-第二金属螺旋结构；521-滤波器输出端口；6-硅通孔结构；61-隔离介质环；62-外层金属环；63-电容介质环；64-内层金属柱；7-第一隔离介质层；8-第二隔离介质层；9-第三隔离介质层；10-第四隔离介质层；601-第一硅通孔结构；602-第二硅通孔结构；603-第三硅通孔结构。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

实施例一

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的立体图。该三维集成无源滤波器包括自上而下依次堆叠的第一螺旋电感层1、第一平板电容层2、硅通孔电容器3、第二平板电容层 4和第二螺旋电感层5。

具体地，第一螺旋电感层1包括顶部介质11和嵌套在顶部介质11中的第一金属螺旋结构12，以形成第一螺旋电感器；第二螺旋电感层5包括底部介质51和嵌套在底部介质51中的第二金属螺旋结构52，以形成第二螺旋电感器。硅通孔电容层3包括衬底31和穿透衬底31的多个硅通孔结构6，每个硅通孔结构6均连接第一平板电容层2和第二平板电容层4，且相邻硅通孔结构6之间形成耦合电容器。每个硅通孔结构6从外向内依次包括隔离介质环61、外层金属环62、电容介质环63和内层金属柱64，使得每个硅通孔结构6均形成一个硅通孔电容器。第一平板电容层2自上而下依次包括第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23，形成第一平板电容器；第二平板电容层4自上而下依次包括第三金属层41、第二电容介质层42和第四金属层43，形成第二平板电容器。由此，该三维集成无源滤波器采用半导体衬底上表面最高层金属及下表面最底层金属构成三维电感，第一平板电容层、第二平板电容层和硅通孔电容层构成三维电容器，其中硅通孔电容层包括多个同轴的硅通孔电容器和同轴硅通孔阵列之间形成的耦合电容器，从而将电感和电容进行有序三维堆叠构成电感电容的梯形网络，从而构成三维集成无源滤波器。

具体地，请一并参见图3和图18，图3是本发明实施例提供的一种第一螺旋电感层的结构示意图，图18是本发明实施例提供的一种第二螺旋电感层的结构示意图。第一螺旋电感层1包括顶部介质11和嵌套在顶部介质 11中的第一金属螺旋结构12；第二螺旋电感层5包括底部介质51和嵌套在底部介质51中的第二金属螺旋结构52。

在本实施例中，第一金属螺旋结构12沿着顺时针方向旋转，第二金属螺旋结构52沿逆时针方向旋转，且第一金属螺旋结构12和第二金属螺旋结构52均为3圈。第一金属螺旋结构12和第二金属螺旋结构52均由金属铜或铝形成，而顶部介质11和底部介质51中的其他部分均由高阻硅形成。具体地，第一螺旋电感层1的制备方法如下：在第一平板电容层2的上表面生长一层顶部介质11，其厚度与即将生长的第一金属螺旋结构12的厚度相同；在将要生长第一金属螺旋结构12的地方进行刻蚀处理，形成上下连通的刻槽；使用液态金属涂满顶部介质11的整个表面，随后进行表面抛光，仅留下刻槽中的金属，最终形成第一螺旋电感层1，此时金属和介质充满整层空间。第二螺旋电感层5制备在第二平板电容层4的下表面，其制备过程与第一螺旋电感层1相同，这里不再赘述。

值得注意的是，发明实施例的第一螺旋电感层1和第二螺旋电感层5 绕线所成的螺旋图形为空心结构，即中心没有或者很少金属螺旋线，避免了大寄生电阻，有利于减小高频工作时的电流密度，避免电流集边效应和邻近效应，提高了电感器乃至滤波器的自谐振频率和品质因数。

此外，第一螺旋电感层1的外圈端口用作该三维集成无源滤波器的滤波器输入端121，第二螺旋电感层5的外圈端口用作该三维集成无源滤波器的滤波器输出端521。第一螺旋电感层1和第二螺旋电感层5的厚度可以为 2-4μm。本实施例中优选的是3um，是考虑工艺成本、使用可靠性和金属互连线的高频信号传输特性等的最优选择。

进一步地，请参见图1和图2，其中，图2是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的截面图。第一平板电容层2自上而下依次包括第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23，其中，第一金属层21的材料为金属铜或铝，其作用为形成第一平板电容层2的上极板；第一电容介质层22的材料为二氧化铪或其它高介电常数材料，其作用为形成第一平板电容层2的绝缘介质；第二金属层23的材料为金属铜或铝，其作用为形成第一平板电容层2的下极板。在使用过程中，第二金属层23接地，从而使得第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23 共同形成第一平板电容器。第一金属层21和第二金属层23的厚度可以为 2-4μm，第一电容介质层22的厚度可以为4-6μm。优选地，第一金属层21 和第二金属层23的厚度为3μm，第一电容介质层22的厚度为5μm。

类似地，第二平板电容层4自上而下依次包括第三金属层41、第二电容介质层42和第四金属层43，其中，第三金属层41的材料为金属铜或铝，其作用为形成第二平板电容层4的上极板；第二电容介质层42的材料为二氧化铪或其它高介电常数材料，其作用为形成第二平板电容层4的绝缘介质；第四金属层43的材料为金属铜或铝，其作用为形成第二平板电容层4 的下极板。在使用过程中，第四金属层43接地，从而使得第三金属层41、第二电容介质层42和第四金属层43共同形成第二平板电容器。第三金属层41和第四金属层43的厚度可以为2-4μm，第二电容介质层42的厚度可以为4-6μm。优选地，第三金属层41和第四金属层43的厚度为3μm，第二电容介质层42的厚度为5μm。

此外，在本实施例中，第一螺旋电感层1与第一平板电容层2之间设置有第一隔离介质层7，第一隔离介质层7的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现第一螺旋电感层1与第一平板电容层2的第一金属层21之间的电学隔离，在这里，所述电学隔离是为了将经过该滤波器的电流约束在设计通道内流通。

类似地，请参见图17，第二螺旋电感层5与第二平板电容层4之间设置有第四隔离介质层10，第四隔离介质层10的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现第二螺旋电感层5与第二平板电容层4的第四金属层之间的电学隔离。

接着，请参见图2和图9，其中，图9是本发明实施例提供的一种硅通孔电容层的立体图。同轴硅通孔电容器3包括衬底31和穿透所述衬底31 的多个硅通孔结构6，每个硅通孔结构6均连接第一平板电容层2和第二平板电容层4。在本实施例中，衬底31由高阻硅形成，厚度可以为80-100um。

进一步地，每个硅通孔结构6沿通孔32的轴向方向从外向内依次包括隔离介质环61、外层金属环62、电容介质环63和内层金属柱64，使得每个硅通孔结构6均形成一个硅通孔电容器。其中，隔离介质环61的厚度可以为0.1-0.4um、外层金属环62的厚度可以为1-2um、电容介质环63的厚度可以为0.1-0.4um、内层金属柱64的厚度可以为15-30um。

隔离介质环61的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现外层金属环61与衬底31之间的电学隔离；外层金属环62的材料为铜或铝，其作用为所述同轴硅通孔电容器3的外极板；电容介质环63的材料为二氧化铪或其它高介电常数材料，其作用为形成所述同轴硅通孔电容器3的绝缘介质；内层金属柱64的材料为铜或铝，其作用为所述同轴硅通孔电容器 3的内极板。进一步地，多个硅通孔结构6平行设置，形成M*N的硅通孔阵列，其中M≥2，N≥2，相邻硅通孔结构6之间的间距为25-30μm，硅通孔结构6的直径为25-30μm。

在本实施例中，第一平板电容层2与硅通孔电容器3之间设置有第二隔离介质层层8，第二隔离介质层8的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现第一平板电容层2的第二金属层23与硅通孔电容器3的衬底 31之间的电学隔离。类似地，第二平板电容层4与硅通孔电容器3之间设置有第三隔离介质层9，第二隔离介质层层9的材料为二氧化硅或氮化硅或氮氧化层，其作用为实现硅通孔电容器3的衬底31与第二平板电容层4的第三金属层41之间的电学隔离。

进一步地，如图9所示，所述硅通孔阵列包括间隔设置且具有不同连接方式的若干第一硅通孔结构601和若干第二硅通孔结构602，也就是说，每个第一硅通孔结构601沿所述硅通孔阵列的横向和竖向方向相邻的均为第二硅通孔结构602；每个第二硅通孔结构602沿所述硅通孔阵列的横向和竖向方向相邻的均为第一硅通孔结构601。

具体地，第一硅通孔结构601的内层金属柱64连接至第一金属层21，第一硅通孔结构的外层金属环62连接第二金属层23和第四金属层43；第二硅通孔结构的内层金属柱64连接至第四金属层43，第二硅通孔结构的外层金属环62连接第一金属层21和第三金属层41。由于第一硅通孔结构601 的外层金属环61和第二硅通孔结构602的外层金属环61分别连接至相反属性的极板，使得每组相邻的第一硅通孔结构601和第二硅通孔结构602 之间产生耦合电容器。

具体地，请一并参见图2、图9和图10，在图10中，实心圆表示连接，空心圆表示穿透但不连接。对于第一硅通孔结构601，其内层金属柱64的上端自下而上依次穿过第二隔离介质层8、第二金属层23以及第一电容介质层22而与第一金属层21接触，其内层金属柱64的下端包裹在电容介质环63中；其外层金属环62的上端穿过第二隔离介质层8而与第二金属层23接触，外层金属环62的下端自上而下依次穿过第二隔离介质层层9、第三金属层41和第二电容介质层42而与第四金属层43接触。

对于第二硅通孔结构602，其内层金属柱64的下端自上而下依次穿过第二隔离介质层层9、第三金属层41和第二电容介质层42而与第四金属层 43接触，内层金属柱64的上端包裹在电容介质环63中；其外层金属环62 的上端穿过自下而上依次穿过第二隔离介质层8、第二金属层23以及第一电容介质层22而与第一金属层接触，外层金属环62的下端穿过第二隔离介质层层9而与第三金属层41接触。

接着，请参见图11和图12，图11是本发明实施例提供的一种硅通孔结构的各等效电容器的示意图；图12是本发明实施例提供的一种同轴硅通孔阵列耦合电容器的示意图。如图所示，第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23，构成第一平板电容器C1；内层金属柱64、电容介质环64和外层金属环62构成硅通孔电容器C2；第一硅通孔结构601的外层金属环61和第二硅通孔结构602的外层金属环61分别连接至相反属性的极板，使得每组相邻的第一硅通孔结构601和第二硅通孔结构602之间产生耦合电容，从而多个所述同轴硅通孔结构，组成同轴硅通孔阵列耦合电容器C3；第三金属层41、第二电容介质层42和第四金属层43，构成底部平板电容器C4。

值得注意的是，在本实施例中，如图2所示，所述硅通孔结构阵列中还包括位于中心处的第三硅通孔结构603，其结构和连接关系与第一硅通孔结构601和第二硅通孔结构602均有所不同，其中，第三硅通孔结构603 的内层金属柱64的上端与第一金属层21和第一金属螺旋结构12形成金属接触，下端与第三金属层41和第二金属螺旋结构52形成金属接触；第三硅通孔结构603的外层金属环62的上端与第二金属层23形成金属接触，下端与衬底31齐平。即，位于中心处的第三硅通孔结构603的内层金属柱 64形成了自第一螺旋电感层1到第二螺旋电感层5的电流通道。相应的，请参见图4和图5，第一隔离介质层7和第一金属层21的中心处均设置有一个通孔，用于使得所述第三硅通孔结构603的内层金属柱64穿过。类似地，请参见图16和图17，第四金属层43和第四隔离介质层10的中心处均设置有一个通孔，用于使得所述第三硅通孔结构603的内层金属柱64穿过。

值得注意的是，第四金属层43的中心通孔处设置有非金属隔离介质431，以使第三硅通孔结构603的内层金属柱64与第四金属层43电学隔离。第三硅通孔结构603的内层金属柱64的上端通过其电容介质环63与第二金属层23电学隔离。

接着，请一并参见图5至图7，图5是本发明实施例提供的一种第一金属层的结构示意图；图6是本发明实施例提供的一种第一电容介质层的结构示意图；图7是本发明实施例提供的一种第二金属层的结构示意图。在第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23上与硅通孔结构6竖向对应的位置处开设有多个通孔，以用于使得硅通孔结构6的相应部分穿过。类似地，请参见图15至图17，在第三金属层41、第二电容介质层42 和第四金属层43上与硅通孔结构6竖向对应的位置处同样开设有多个通孔，以用于使得硅通孔结构6的相应部分穿过。

应该指出的是，在本实施例中，所述三维无源滤波器为逐层生长制备的，上述硅通孔结构6伸出其他层的部分实际上是在制备过程中在相应层中进行生长，例如，第三硅通孔结构603的内层金属柱64，其伸入第一隔离介质层7的部分实际上是先生长一层介质层，再在所述介质层的中心刻蚀所需直径的通孔，然后将液态金属填充在所述通孔中，以完成第三硅通孔结构603的内层金属柱64在第一隔离介质层7的部分。类似的，其他层的金属结构也是通过这种逐层生长的方式进行制备的，待该滤波器制备完成之后，退火，使得接触的金属部分形成一个整体。

在本实施例中，隔离介质环61的厚度为2μm，外层金属环62的厚度为1μm，电容介质环63的厚度为0.1μm，内层金属柱64的直径为20μm，进一步，每个硅通孔结构6的直径为26.2μm，相邻硅通孔结构6的间距也为26.2μm。进一步地，在本实施例中，第一隔离介质层7、第二隔离介质层8、第二隔离介质层层9和第三隔离介质层10的厚度均为1.5-3μm。

请参见图19，图19是本发明实施例提供的一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器的等效电路图。如上所述，本实施例的第一金属层21、第一电容介质层22和第二金属层23构成第一平板电容器，可以等效为图19 中的电容C1；每个硅通孔结构6从外向内依次包括隔离介质环61、外层金属环62、电容介质环63和内层金属柱64，构成一个硅通孔电容器，可以等效为图19中的电容C2；所述硅通孔阵列包括间隔设置且具有不同连接方式的若干第一硅通孔结构601和若干第二硅通孔结构602，每个硅通孔结构的外层金属环与相邻硅通孔结构的外层金属环刚好连接至相反属性的极板，从而构成了硅通孔耦合电容器，可以等效为图19中的电容C3；第三金属层41、第二电容介质层42和第四金属层43构成第二平板电容层4，可以等效成图19中的电容C4。综上，本发明实施例的三维无源滤波器由顶部第一平板电容层2、底部第二平板电容层5、中间硅通孔结构内部电容以及硅通孔结构之间的电容合并成，在相同的面积下，电容容量增大了10 倍以上。

本实施例的三维集成无源滤波器的顶部介质11中形成按顺时针绕成空心的第一金属螺旋结构，构成第一螺旋电感层1，等效为图19中的Ls1；底部介质51中形成按逆时针绕成空心的第二金属螺旋结构，构成第二螺旋电感层5，等效为图19中的Ls2；进一步地，第一螺旋电感层1和第二螺旋电感层5绕线方向相反、电流方向相同，感应磁场方向相同并且相互叠加组合，从而形成贯穿整个滤波器的耦合电感，等效于图19中的互感电感 Lm1和Lm2。该滤波器的输入端到输出端依次连接Ls1、Lm1，Lm2、Ls2；在Lm1和Lm2之间，连接至三维电容器(包括C1、C2、C3和C4)的上极板，该三维电容器的下极板连接接地端(Gnd)，从而构成本发明的三维集成无源滤波器，其等效电路为三阶LC集总结构。

具体地，当电流从该无源滤波器输入端(Port_1)(即第一螺旋电感层1的外引出端)流入、从第一螺旋电感层1中心的内引出端流出时，电流在第一螺旋电感层1内形成顺时针平面螺旋电流，并在第一螺旋电感层1周围空间形成垂直于衬底31平面从上到下的感应磁场，以存储磁场能量；衬底31 下表面的底部介质51中按逆时针绕成空心的第二金属螺旋结构52，构成第二螺旋电感层5，当电流从在第二螺旋电感层5中心的内引出端流入、从该三维集成无源滤波器的输出端(Port_2)(即第二螺旋电感层5的外引出端)流出时，电流在第二螺旋电感层5内形成顺时针平面螺旋电流，并在第二螺旋电感层5周围空间形成垂直于衬底31平面从上到下的感应磁场，以存储磁场能量；顶部第一螺旋电感层1和底部第二螺旋电感层5的组合具有如下结构及特点：绕线方向相反、电流方向相同，感应磁场方向相同并且相互叠加组合、并贯穿整个衬底31，从而增大了磁场能量储存范围，提高了电感密度和芯片面积的利用效率。现有的螺旋电感多缠绕成实心结构，即从外到内的导线间距，导线中流过的电流将受到邻近导线的影响，尤其是位于中心的导线，由于四个方向都有很多邻近导线，导致受影响最大；影响的结果是中心导线中的电流将集中导线的边缘处，形成很大的寄生电阻，造成电感器自谐振频率、品质因数和磁场能量利用效率的降低；同时在滤波器中引入额外的插入损耗，降低滤波器的质量。而本发明实施例的第一螺旋电感层1和第二螺旋电感层5绕线所成的螺旋图形为空心结构，即中心没有或者很少金属螺旋线，避免了大寄生电阻，有利于减小高频工作时的电流密度，避免电流集边效应和邻近效应，提高了电感器乃至滤波器的自谐振频率和品质因数。

此外，所述顶部平板电容器、衬底同轴电容器、硅通孔阵列耦合电容器和底部平板电容器并联的方式构成互补型三维集成宽带电容器。由于四种不同结构电容器的温变特性及频率响应都具有互补特性，因此该三维电容器具有更好的稳定性，可以应用于更大的温度及频率范围。

本发明实施例的三维集成无源滤波器采用在衬底上表面最高层金属及下表面最底层金属构成三维电感，采用半导体衬底表面的金属层及穿透半导体衬底的同轴硅通孔构成三维电容，将电感和电容进行有序三维堆叠构成电感电容的梯形网络，从而构成本发明的三维集成无源滤波器，其等效电路为三阶电感电容集总结构。采用片上集成的电感器、电容器在竖直方向上三维堆叠而成，结构紧凑、利用效率高、占用芯片面积低；一体化集成、避免引入额外的损耗；互连线短、寄生参数及片外耦合小；设计灵活、方便，可采用兼容CMOS工艺加工，工艺成本低、精度高，加工一致性好。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于同轴硅通孔的三维集成无源滤波器，其特征在于，自上而下依次包括第一螺旋电感层(1)、第一平板电容层(2)、硅通孔电容层(3)、第二平板电容层(4)和第二螺旋电感层(5)，其中，

所述硅通孔电容层(3)包括衬底(31)和穿透所述衬底(31)的多个硅通孔结构(6)，每个所述硅通孔结构(6)均连接所述第一平板电容层(2)和所述第二平板电容层(4)，且相邻所述硅通孔结构(6)之间形成耦合电容器。

2.根据权利要求1所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，

所述第一螺旋电感层(1)包括顶部介质(11)和嵌套在所述顶部介质(11)中的第一金属螺旋结构(12)，以形成第一螺旋电感器；

所述第二螺旋电感层(5)包括底部介质(51)和嵌套在所述底部介质(51)中的第二金属螺旋结构(52)，以形成第二螺旋电感器；

所述第一金属螺旋结构(12)和所述第二金属螺旋结构(52)的螺旋方向相反。

3.根据权利要求2所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，所述第一平板电容层(2)自上而下依次包括第一金属层(21)、第一电容介质层(22)和第二金属层(23)，形成第一平板电容器；所述第二平板电容层(4)自上而下依次包括第三金属层(41)、第二电容介质层(42)和第四金属层(43)，形成第二平板电容器。

4.根据权利要求3所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，所述第一螺旋电感层(1)与所述第一平板电容层(2)之间设置有第一隔离介质层(7)，所述第二螺旋电感层(5)与所述第二平板电容层(4)之间设置有第四隔离介质层(10)。

5.根据权利要求2所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，每个所述硅通孔结构(6)从外向内依次包括隔离介质环(61)、外层金属环(62)、电容介质环(63)和内层金属柱(64)，使得每个所述硅通孔结构(6)均形成一个硅通孔电容器。

6.根据权利要求5所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，多个所述硅通孔结构(6)排列成M*N的硅通孔结构阵列，其中M≥2，N≥2。

7.根据权利要求6所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，所述硅通孔结构阵列中包括间隔排列的若干第一硅通孔结构(601)和若干第二硅通孔结构(602)，其中，

所述第一硅通孔结构(601)的内层金属柱(64)与所述第一金属层(21)接触，所述第一硅通孔结构(601)的外层金属环(62)分别与所述第二金属层(23)和所述第四金属层(43)接触；

所述第二硅通孔结构(602)的内层金属柱(64)与所述第四金属层(43)接触，所述第二硅通孔结构(602)的外层金属环(62)分别与所述第一金属层(21)和所述第三金属层(41)接触。

8.根据权利要求6所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，所述硅通孔结构阵列中还包括位于中心处的第三硅通孔结构(603)，其中，

所述第三硅通孔结构(603)的内层金属柱(64)的上端与所述第一金属层(21)和所述第一金属螺旋结构(12)接触，所述第三硅通孔结构(603)的内层金属柱(64)的下端与所述第三金属层(41)和所述第二金属螺旋结构(52)接触；

所述第三硅通孔结构(603)的外层金属环(62)的上端与所述第二金属层(23)接触，所述第三硅通孔结构(603)的外层金属环(62)的下端与所述衬底(31)齐平。

9.根据权利要求1所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，相邻所述硅通孔结构(6)的间距为25-30μm。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的三维集成无源滤波器，其特征在于，

所述第一平板电容层(2)与所述硅通孔电容器(3)之间设置有第二隔离介质层层(8)；

所述第二平板电容层(4)与所述硅通孔电容器(3)之间设置有第三隔离介质层(9)。