一种基于同轴硅通孔的三维变压器

技术领域

本发明属于无源电子器件技术领域，涉及一种基于同轴硅通孔的三维变压器。

背景技术

三维集成电路就是将多个同质、异质的芯片或电路模块在垂直方向堆叠起来，并利用硅通孔(through-silicon-via,TSV)实现不同层器件之间的电学连接,共同完成一个或多个功能,从而有效缩短全片内互连线的长度，并提高了器件密度。在三维集成电路中出于应力平衡、屏蔽噪声、散热等存在大量的冗余硅通孔。这些冗余硅通孔通常被用来制作射频无源器件，如：电感、电容、变压器和滤波器。占用芯片面积小是基于硅通孔的三维器件的一个显著优势，这也使得其在高集成度集成电路中具有应用潜力，因此在国内外得到了广泛的研究。传统的片式变压器为平面或者叠层结构，占用芯片面积较大，影响了高密度射频集成电路的集成度。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于同轴硅通孔的三维变压器，解决了现有传统的片式变压器为平面或者叠层结构，占用芯片面积较大的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于同轴硅通孔的三维变压器，包括硅衬底层，硅衬底层中设置有2×N的同轴硅通孔阵列，硅衬底层的一端连接有顶部介质层，另一端连接有底部介质层。

每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱，介质层，外侧环形金属以及绝缘层。

顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层，以及顶部第二金属层。

底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层，以及底部第一金属层。

顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端，同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属，构成了变压器的初级线圈。

顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端，同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属，构成变压器的次级线圈。

变压器的初级线圈设置有Port

端口Port

顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

本发明的有益效果是，同轴硅通孔的采用，使得本发明所需使用的硅通孔数量仅为2N,实现了小的芯片占用面积，这对提高射频电路的集成度是有利的。同时使用同轴硅通孔可以提高初级线圈与次级线圈之间的耦合，使变压器具有更低的损耗，改善了变压器的电学性能。

附图说明

图1为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的三维视图。

图2为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的顶部视图。

图3为本发明基于同轴硅通孔的三维变压器的局部连接视图。

图中，1.Port

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。

一种基于同轴硅通孔的三维变压器，如图1所示包括硅衬底层，硅衬底层中设置有2×N的同轴硅通孔阵列，硅衬底层的一端连接有顶部介质层，另一端连接有底部介质层。

如图2所示，每个所述同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱9，介质层10，外侧环形金属11以及绝缘层12。

顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层5，以及顶部第二金属层6。

底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层8，以及底部第一金属层7。

顶部第一金属层连接同轴硅通孔的外侧环形金属的一端，同轴硅通孔的外侧环形金属的另一端连接底部第一金属，构成了变压器的初级线圈。

顶部第二金属层连接同轴硅通孔的中心金属柱的一端，同轴硅通孔的中心金属柱的另一端连接底部第二金属，构成变压器的次级线圈。

变压器的初级线圈设置有Port

如图3所示，端口Port

顶部介质层、底部介质层使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱9以及外侧环形金属11选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层10由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层12使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

基于同轴硅通孔的三维变压器从器件结构来看，包括：

位于器件中部的硅衬底层，硅衬底层中制作有2×N的同轴硅通孔阵列，每个同轴硅通孔从内到外依次为同轴设置的中心金属柱，介质层，外侧环形金属以及绝缘层；

位于硅衬底层之上的顶部介质层，顶部介质层中从上到下依次制作有两层金属，顶部第一金属层，以及顶部第二金属层；

位于硅衬底层之下的底部介质层，底部介质层中从上到下依次制作有两层金属，底部第二金属层，以及底部第一金属层。

顶部第一金属层，同轴硅通孔的外侧环形金属，底部第一金属依次连接，构成了变压器的初级线圈。

顶部第二金属层，同轴硅通孔的中心金属柱，底部第二金属依次相连，构成变压器的次级线圈。

变压器的初次级线圈都有两个端口，分别为Port

端口Port

变压器工作时，端口Port

本事实例中，顶部、底部介质层可使用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅制作；同轴硅通孔的中心金属柱以及外侧环形金属可选用铜或铝；同轴硅通孔的介质层可由二氧化硅或金属氧化物材料制作；同轴硅的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅；金属互联线使用的材料为铜或铝。