CN203071060U

CN203071060U - 一种圆片级三维高密度电容结构

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Publication number: CN203071060U
Application number: CN2013200088032U
Authority: CN
Inventors: 卞新海; 郭洪岩; 张黎; 陈锦辉; 赖志明
Original assignee: Jiangyin Changdian Advanced Packaging Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Changdian Advanced Packaging Co Ltd
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2023-01-09

Abstract

本实用新型涉及一种圆片级三维高密度电容结构，属于半导体集成电路制造领域。其包括衬底（100），所述衬底（100）的上表面设置钝化层（200）和若干个阵列排布的金属凸块（300），所述金属凸块（300）的外围设置绝缘层（400），所述绝缘层（400）上设置金属布线层（500），所述金属布线层（500）的外围填充保护层（600），所述绝缘层（400）、金属布线层（500）和保护层（600）选择性地覆盖在金属凸块（300）的顶端，分别形成金属凸块（300）顶端之上的保护层开口（601）和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602），分别为电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ。本实用新型尺寸小、结构简单、工艺流程易于控制，增大了电容密度，增强了使用的灵活性。

Description

一种圆片级三维高密度电容结构

技术领域

本实用新型涉及一种圆片级三维高密度电容结构，属于半导体集成电路制造领域。

背景技术

随着现代通信系统快速发展，射频电路和微波电路得到了广泛的应用，便携式无线产品里使用的大多数器件是无源电子器件。无源电子器件已经成为制约整机进一步向小型化、集成化发展的瓶颈。如果把这些无源电子器件集成到一个衬底或一个独立的器件上将能明显地提高产品性能、降低成本和减小尺寸，其中，电容是集成电路关键无源器件之一，能够实现匹配、滤波和偏置等功能。目前，应用于电子产品的电容大多是分立器件，普遍存在尺寸大、寄生效应明显等缺点。

通过平板电容（金属布线层-绝缘层-金属布线层）的电容定义，即C=ε *ε0* S/d，其中C为电容，ε为相对介电常数，ε0为真空介电常数，S为面积，d为极板间距，可知，通常增大电容密度的方法有：提高绝缘层的介电常数、减小金属布线层板间距离（绝缘层厚度）或者增大电容面积。

1、常用的高介电材料如：氧化钽（TaO）、钛酸锶（SrTiO）等，由于现有工艺能力和成本控制，通过应用高介电常数材料来提高电容密度能力有限，并且生产成本会大幅度增加。

2、减小绝缘层厚度即板极间距离虽然能大幅度提高电容密度，但是在电容实际应用中必须考虑电容的工作电压，在相同的工作电压下绝缘层厚度减小，介质承受的电场强度势必增加，大大增加了电容击穿的风险。

3、在提高电容密度方法中，采用最多的途径是增大电容面积，例如：通过金属层-绝缘层进行多次堆叠来增大板极面积提高电容密度，如第一极板与第二极板间设置第一绝缘层，第二极板上设置第二绝缘层，第三极板上设置第三绝缘层，依次堆叠，这种方法每增加一层，成本基本提高一倍，另外当堆叠越多，表面将会产生严重凹曲，工艺难以实现。

此外还有利用先进的硅通孔技术在圆片硅通过表面离子刻蚀或激光打孔形成高宽比较大的凹槽，首先在凹槽侧壁设置第一金属布线层，在第一金属布线层上面设置绝缘层，最后再设置第二金属布线层，但整个工艺流程比较复杂而且难以控制。另外硅通孔技术成本很高，难以广泛应用。

发明内容

本实用新型的目的在于克服当前电容结构的不足，提供一种尺寸小、结构简单、工艺流程易于控制、电容密度增大、使用灵活的圆片级三维高密度电容结构。

本实用新型的目的是这样实现的：一种圆片级三维高密度电容结构，包括衬底，所述衬底的上表面设置钝化层，在所述钝化层上设置金属凸块，所述金属凸块的外围设置绝缘层，所述绝缘层上设置金属布线层，所述金属布线层的外围填充保护层，并在金属凸块的顶端分别形成金属凸块顶端之上的保护层开口和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口，所述金属凸块顶端之上的保护层开口为电容的连接极Ⅰ，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口为电容的连接极Ⅱ。

所述金属凸块为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱，所述金属凸块顶端之上的保护层开口和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口的形状为圆形、四边形、六边形或八边形。

所述金属凸块的高宽比大于1:1。

所述金属凸块的高宽比为5:1。

所述电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ之间以及两个连接极Ⅰ或两个连接极Ⅱ之间跨过1个或1个以上金属凸块，所述金属凸块呈阵列排布，且底部相连。

所述金属凸块呈交错的阵列排布

所述金属凸块顶端之上的保护层开口的底部为金属凸块的顶端面，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口的底部为金属布线层的上表面。

所述金属凸块顶端之上的保护层开口内设置锡球，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口内设置锡球。

所述金属凸块顶端之上的保护层开口处的绝缘层和金属布线层呈台阶状分布，所述绝缘层在金属布线层之下、且凸出于金属布线层，所述保护层将绝缘层和金属布线层裸露的端部包裹。

所述金属凸块顶端之上的保护层开口处的绝缘层和金属布线层呈台阶状分布，所述绝缘层在金属布线层之下、且凸出于金属布线层，所述保护层将绝缘层和金属布线层裸露的端部与锡球隔离。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提出一种基于铜柱凸块工艺的圆片级三维平板电容结构，包括：

一衬底，衬底上设置有钝化层和数个金属铜柱凸块；

一高介电常数的绝缘层，绝缘层设置在金属铜柱凸块上面；

一金属布线层，金属布线层设置在绝缘层上面；

一保护层，设置在最上面，防止金属布线层氧化。

本实用新型利用成熟的铜柱凸块技术，在硅片衬底上镀数个铜柱凸块，将铜柱凸块作为平板电容的下层金属，然后在铜柱凸块上化学气相沉积一高介电常数的绝缘层，最后在上表面溅射或镀一上层金属，结构简单；通过增大铜柱凸块的排布密度来控制电容密度大小，根据电容密度的使用需要选择电容的输出端口；在满足常规性能的前提下，可以进一步缩减电容的物理尺寸。

同时本实用新型的铜柱凸块的高宽比优选为5:1，有利于后续工艺的实现，更有利于提高电容密度，克服了现有硅通孔工艺缺陷，并克服了成本问题。

附图说明

图1为本实用新型一种圆片级三维高密度电容结构（连接极Ⅰ和连接极Ⅱ交叉分布）的示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为图1的另一实施例的结构示意图。

图4为图3的俯视图。

图5为本实用新型一种圆片级三维高密度电容结构（连接极Ⅰ和连接极Ⅱ反向分布）的示意图。

图6为图5的俯视图。

图7为图5的另一实施例的结构示意图。

图8为图7的俯视图。

图中：

衬底100

钝化层200

金属凸块300

绝缘层400

金属布线层500

保护层600

金属凸块顶端之上的保护层开口601

金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口602

锡球701、702。

具体实施方式

参见图1和图2，本实用新型一种圆片级三维高密度电容结构，包括衬底100，所述衬底100为电阻率较高的硅片，以提高电容的品质因数。衬底100的上表面设置钝化层200，所述钝化层200为二氧化硅或聚酰亚胺等绝缘材料。在所述钝化层200上电镀或化学镀若干个金属凸块300，所述金属凸块300优选为铜块。所述金属凸块300 为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱，并且金属凸块300的底部相连。图中所示金属凸块300以圆柱为例。铜柱凸块300的高宽比大于1:1，优选高宽比为5:1。所述金属凸块300的外围依次设置平行走向的高介电常数介质的绝缘层400和金属布线层500，所述金属布线层500的外围填充保护层600。所述高介电常数的绝缘层400通过化学气相沉积形成，厚度为50nm~200nm。绝缘层400的材质为高介电常数材料，如：SiN、TaO。所述金属布线层500通过化学溅射或电镀的方法覆盖在高介电常数的绝缘层400上。在实际应用中，所述绝缘层400满足不被电容的工作电压击穿的要求。所述保护层600能防止金属布线层500被氧化，并起到与外界绝缘作用。绝缘层400、金属布线层500和保护层600在金属凸块300的顶端通过涂胶、曝光、显影的方法分别形成圆形的金属凸块顶端之上的保护层开口601和圆形的金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口602。所述金属凸块300与所述金属布线层500形成平板电容的上下两级金属层，所述绝缘层400形成平板电容中间的绝缘层。所述金属凸块顶端之上的保护层开口601的底部为金属凸块300的顶端面，为平板电容的连接极Ⅰ；所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口602的底部为金属布线层500的上表面，为平板电容的连接极Ⅱ。所述金属凸块顶端之上的保护层开口601处的绝缘层400、金属布线层500呈台阶状分布，所述绝缘层400在金属布线层500之下、且凸出于金属布线层500，所述保护层600将绝缘层400和金属布线层500裸露的端部包裹。

所述电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ之间可以跨过1个或1个以上金属凸块300，金属凸块300呈阵列排布，进一步地，所述金属凸块300呈交错的阵列排布，通过在单位面积上增加金属凸块300的个数，即增大金属凸块300的排布密度，从而增加了下层金属层的表面积；所述金属布线层500沿着金属凸块300的外壁升降，增加了上层金属层的表面积。所述绝缘层400设置在上下两级金属层之间，上下两级金属层表面积的增大，从而实现了电容密度的增大。

使用时，根据需要电容密度的大小，选择相应的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ作为平板电容的两极。

在另一实施例中，如图3和图4所示，所述衬底100为倒装的芯片，所述金属凸块顶端之上的保护层开口601内设置锡球701，金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口602内设置锡球702。其中，所述金属凸块顶端之上的保护层开口601处的绝缘层400和金属布线层500呈台阶状分布，所述绝缘层400在金属布线层500之下、且凸出于金属布线层500，所述保护层600将绝缘层400和金属布线层500裸露的端部与锡球701隔离。锡球701、锡球702分别为平板电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ。使用时，根据需要电容密度的大小，选择相应的连接极作为平板电容的两极，将芯片信息与外部连通。

图1至图4中，所述平板电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ交叉分布，因所述金属凸块 300的底部相连，所以在实际使用时，根据实际需要选择电容密度的大小，确定电容的两极。

所述电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ也可以反向分布，如图5至图8 所示。其中如图7和图8所述衬底100为倒装的芯片，所述金属凸块顶端之上的保护层开口601内设置锡球701，金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口602内设置锡球702。锡球701、锡球702分别为平板电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ。

本实用新型的结构同时也克服了硅通孔技术成本高、难以广泛应用的缺陷。

Claims

1.一种圆片级三维高密度电容结构，包括衬底（100），其特征在于：所述衬底（100）的上表面设置钝化层（200），在所述钝化层（200）上设置金属凸块（300），所述金属凸块（300）的外围设置绝缘层（400），所述绝缘层（400）上设置金属布线层（500），所述金属布线层（500）的外围填充保护层（600），并在金属凸块（300）的顶端分别形成金属凸块顶端之上的保护层开口（601）和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602），所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）为电容的连接极Ⅰ，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602）为电容的连接极Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块（300）为圆柱、四边柱、六边柱或八边柱，所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）和金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602）的形状为圆形、四边形、六边形或八边形。

3.根据权利要求1所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块（300）的高宽比大于1:1。

4.根据权利要求3所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块（300）的高宽比为5:1。

5.根据权利要求1或2或3所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述电容的连接极Ⅰ和连接极Ⅱ之间以及两个连接极Ⅰ或两个连接极Ⅱ之间跨过1个或1个以上金属凸块（300），所述金属凸块（300）呈阵列排布，且底部相连。

6.根据权利要求5所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块（300）呈交错的阵列排布。

7.根据权利要求1所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）的底部为金属凸块（300）的顶端面，所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602）的底部为金属布线层（500）的上表面。

8.根据权利要求1或2或7所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）内设置锡球（701），所述金属凸块顶端金属布线层之上的保护层开口（602）内设置锡球（702）。

9.根据权利要求1所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）处的绝缘层（400）和金属布线层（500）呈台阶状分布，所述绝缘层（400）在金属布线层（500）之下、且凸出于金属布线层（500），所述保护层（600）将绝缘层（400）和金属布线层（500）裸露的端部包裹。

10.根据权利要求8所述的圆片级三维高密度电容结构，其特征在于：所述金属凸块顶端之上的保护层开口（601）处的绝缘层（400）和金属布线层（500）呈台阶状分布，所述绝缘层（400）在金属布线层（500）之下、且凸出于金属布线层（500），所述保护层（600）将绝缘层（400）和金属布线层（500）裸露的端部与锡球（701）隔离。