集成層積磁性器件及其制造方法

集成層積磁性器件及其制造方法
【專利摘要】本發明涉及集成層積磁性器件及其制造方法。提供了一種具有層積磁性-絕緣體疊層結構的半導體集成磁性器件，諸如電感器、變壓器等，其中，該層積磁性-絕緣體疊層結構是用電鍍技術來形成的。例如，該集成層積磁性器件包括多層疊層結構，其具有在襯底上形成的交替的磁性和絕緣層，其中，多層疊層結構中的每個磁性層通過絕緣層與多層疊層結構中的另一磁性層分離，以及局部短接結構，其將多層疊層結構中的每個磁性層電連接到多層疊層結構中下伏磁性層，以使用疊層中的下伏導電層（磁性或種子層）作為用于疊層結構中的每個電鍍的磁性層的電陰極/陽極來促進磁性層的電鍍。
【專利說明】集成層積磁性器件及其制造方法
[0001]本發明得到能源部授予的合同編號為DE-EE0002892的政府支持。政府對本發明具有特定權利。
【技術領域】
[0002]本領域一般涉及具有使用電鍍技術形成的層積磁性-絕緣體疊層結構的例如電感器、變壓器等的半導體集成磁性器件。
【背景技術】
[0003]在使用磁性膜來構造半導體集成磁性器件時，需要使磁性膜足夠厚，以獲得給定操作頻率所需的操作特性。但是，磁性器件的給定操作頻率所需的單個磁性層的厚度將導致操作時磁性材料中渦流的產生，由此帶來某些損耗。這樣，磁性膜典型地被制造地足夠薄以避免渦流損耗，但是以較低的能量磁性層能力為代價。
[0004]但是，可以通過使用交替的薄磁性和絕緣膜的疊層來構建磁結構、來增加集成磁性器件的能量存儲，其中，通過薄絕緣層來分離磁性層。通常，使用被絕緣材料層分離的多層磁性材料用于避免磁性材料中渦流的產生，而提供磁性材料的有效厚度，這足以獲得給定操作頻率想要的操作特性。
[0005]用于構建多層磁性絕緣體結構的傳統技術包括濺射技術。通常，濺射工藝包括通過交替地濺射磁性材料和介電材料層、光致抗蝕層構圖以形成蝕刻掩模、使用蝕刻掩模來蝕刻磁絕緣層的多層疊層并去除多層疊層不想要的區域、然后去除該蝕刻掩模，來形成多層疊層。盡管濺射可被用于構建磁絕緣層的疊層，但用于濺射的材料和制造成本卻是高的。

【發明內容】

[0006]本發明的示例性實施例一般包括半導體集成磁性器件例如電感器、變壓器等，其具有使用電鍍技術來形成的層積磁性-絕緣體疊層結構。
[0007]例如，在本發明的一個示例性實施例中，一種集成層積磁性器件包括多層疊層結構，其包含在襯底上形成的交替的磁性和絕緣層，其中，多層疊層結構中的每個磁性層通過絕緣層與多層疊層結構中的另一磁性層分離。局部短接結構將多層疊層結構中的每個磁性層電連接到多層疊層結構中下伏磁性層，以使用疊層中底下伏導電層(磁性層或種子層)作為用于疊層結構中的每個電鍍磁性層的電陰極/陽極來促進磁性層的電鍍。局部短接結構在兩個磁性層之間提供電連接，從而除了與多層疊層結構的磁通路徑平行的方向之外，在兩個磁性層之間不存在閉合電路徑。
[0008]在本發明的另一示例性實施例中，一種用于制造集成層積磁性器件的方法包括在襯底上形成第一種子層并在第一種子層上形成掩模結構，其中，該掩模結構暴露限定了器件區域的第一種子層的部分。使用第一種子層作為電陰極或陽極，將第一磁性層電鍍到器件區域中的第一種子層的暴露部分上。在器件區域的第一磁性層上形成第一絕緣層。在器件區域中的第一絕緣層上形成第二種子層。在第一絕緣層中形成向下到器件區域中的第一磁性層的開口。在第一絕緣層的開口中形成第一導電插塞，其中，該第一導電插塞將第二種子層電連接到第一磁性層。使用第一種子層作為電陰極或陽極，將第二磁性層電鍍到器件區域中的第二種子層的暴露部分上，其中，第一種子層通過第一磁性層和第一導電插塞電連接到第二種子層。
[0009]在本發明的又一示例性實施例中，一種用于制造集成層積磁性器件的方法包括在襯底上形成第一種子層并在第一種子層上形成掩模結構，其中，該掩模結構暴露限定了器件區域、突部(tab)區域和場區域的第一種子層的部分。使用第一種子層作為電陰極或陽極，將第一磁性層電鍍到器件區域、突部區域和場區域中的第一種子層的暴露部分上。在器件區域的第一磁性層上形成第一絕緣層。在器件區域中的第一絕緣層上以及在突部區域和場區域中的第一磁性層上形成第二種子層，其中，該第二種子層通過第一絕緣層與器件區域中的第一磁性層完全隔離。使用第一種子層作為電陰極或陽極，將第二磁性層電鍍到器件區域中的第二種子層的暴露部分上，其中，第一種子層通過突部和場區域中的第一磁性層電連接到第二種子層。
[0010]根據說明性實施例的下列詳細描述并結合附圖，本發明的這些和其他示例性實施例將變得明顯。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是根據本發明的示例性實施例的用局部短接形成的具有多層磁性疊層結構的半導體集成磁性器件的示意性透視圖。
[0012]圖2是根據本發明的另一示例性實施例的用局部短接形成的具有多層磁性疊層結構的半導體集成磁性器件的示意性透視圖。
[0013]圖3示意性地示出了根據本發明的示例性實施例的沿著磁性疊層結構的一個邊緣來實現磁性層的局部短接的方法。
[0014]圖4示意性地示出了根據本發明的另一示例性實施例的沿著磁性疊層結構的兩個相對邊緣來實現磁性層的局部短接的方法。
[0015]圖5A、5B、5C、5D、5E和5F示意性地示出了根據本發明的示例性實施例的用磁性層的局部短接來構造磁性結構的方法，其中:
[0016]圖5A是在制造的初始階段的磁性結構的橫截面圖，其中，第一磁性層被鍍敷到在半導體襯底之上形成的種子層上，
[0017]5B是在第一磁性層之上形成共形絕緣層之后的圖5A中的結構的橫截面圖；
[0018]圖5C是在形成第二種子層之后的圖5B中的結構的橫截面圖，
[0019]圖是在第一絕緣層中向下到器件區域中的第一磁性層來蝕刻開口(例如溝槽)之后的圖5C中的結構的橫截面圖，
[0020]圖5E是在沉積額外的種子材料以用導電種子材料來填充開口，由此在器件區域內在第二種子層與下伏的第一磁性層和第一種子層之間形成電連接之后的圖中的結構的橫截面圖，以及
[0021]圖5F是在用電鍍方法來形成第二磁性層之后的圖5E中的結構的橫截面圖。
[0022]圖6A、6B、6C、6D、6E和6F示意性地示出了根據本發明的另一示例性實施例的構建具有磁性層的局部短接的磁性結構的方法，其中:[0023]圖6A是制造的初始階段的磁性結構的沿著圖6B的線6A-6A的橫截面圖，其中，第一磁性層被鍍敷到在半導體襯底之上形成的第一種子層上，
[0024]圖6B是圖6A中的磁性結構的頂部示意圖，
[0025]圖6C是在襯底之上形成共形絕緣層(或第一絕緣層)之后的圖6A中的結構的橫截面圖，其中，圖6C是沿著圖6D中的線6C-6C的視圖，
[0026]圖6D是圖6C中的磁性結構的頂部示意圖，
[0027]圖6E是在形成第二種子層之后的圖6C的結構的橫截面圖，以及
[0028]圖6F是在用電鍍方法來形成第二磁性層之后的圖6E中的結構的橫截面圖。
【具體實施方式】
[0029]現在將針對半導體集成磁性器件例如電感器、變壓器等來詳細描述本發明的示例性實施例，該磁性器件具有使用電鍍技術形成的層積磁性-絕緣體疊層結構。
[0030]使用標準的電鍍技術，可以如下來形成磁性-絕緣層的多層疊層的每個磁性層。第一步驟涉及通過氣相沉積工藝在整個晶片上沉積導電種子層。接下來，光致抗蝕材料層被沉積和蝕刻，以形成覆蓋種子層的部分的光致抗蝕掩模，其中，磁性材料的鍍層是不希望的。接下來，建立到種子層的電連接，并執行電鍍方法來將磁性材料層電鍍到種子層的通過光致抗蝕掩模而暴露的部分上。在執行電鍍方法之后，去除光致抗蝕掩模，并通過RIE或其他合適的蝕刻方法來去除殘留的種子層(被光致抗蝕掩模覆蓋的種子層的部分)。針對沉積的每個附加磁性材料層來重復電鍍方法，以形成磁性-絕緣層的多層疊層。
[0031]特別地，在形成每個絕緣層之后，針對磁性疊層結構的每一層來獨立地執行種子層沉積、抗蝕劑和掩模對準、抗蝕劑構圖、電鍍、抗蝕劑剝脫以及種子層去除的處理步驟。當形成疊層的磁性層數量很大時，該工藝的重復可以是昂貴且難以處理的。此外，該工藝也會導致磁性層之間的對準問題。
[0032]根據本發明的示例性實施例,針對磁性/絕緣材料的每個層,通過下列方式來簡化電鍍方法:取消沉積并構圖光致抗蝕劑、去除光致抗蝕劑圖形并蝕刻掉種子層的重復步驟。通常，根據本發明的實施例的電鍍方法涉及僅使用一個構圖掩模，然后順序地形成磁性層及后續的種子層，在疊層中的種子/磁性層之間存在局部電連接(短接)，從而中間的絕緣層不會使疊層中的種子/磁性層電隔離。通過使疊層中的種子/磁性層電短接，可以使用向下到下伏的層例如向下到第一(底部)種子層的局部短接連接來鍍敷每個新的種子和磁性材料的層，該下伏的層例如被形成到晶片的邊緣，其中，通過到晶片邊緣附近的第一(底部)種子層的接觸來建立電連接。如下面所解釋的，疊層中的磁性層積之間的局部短接被制造，從而除了沿平行于多層磁性結構的磁通路徑的方向之外，不存在涉及兩個磁性層的閉合電路徑。
[0033]各種技術可被用于構造多層磁性結構，其在種子/磁性層之間具有局部短接，以促進電鍍。圖1和2示出了根據本發明的示例性實施例的具有多層磁性疊層的集成磁性器件，該疊層具有局部短接。如下所解釋，圖1示出了具有多層磁性疊層的集成磁性器件，該疊層具有沿著磁性疊層邊緣的磁性層的局部短接，且圖2示出了具有多層磁性疊層的集成磁性器件，該疊層具有使用在與器件的易軸垂直的方向上從磁性層疊層延伸的窄突部的局部短接。[0034]特別地，圖1是根據本發明的半導體集成磁性器件100的示意性透視圖，其具有使用局部短接形成的多層磁性疊層結構。圖1所示的集成磁性器件100是半導體集成平面電感器器件，其包含具有輸入端口 112和輸出端口 114的平面多匝線圈結構。集成磁性器件100還包括多個磁性結構120和130，其沿著集成磁性器件100的“易軸”圍繞線圈結構110的部分。每個磁性結構120和130是多層結構，其包含多個順序形成的磁性材料層和絕緣材料層。特別地，磁性結構120和130每個包含在線圈結構110之下的襯底上形成的下疊層結構以及在線圈結構110之上形成的上疊層結構。磁性結構120和130的下和上疊層結構用于沿著集成器件100的易軸區域完全包圍線圈結構的部分，由此形成閉環磁性材料，其攜帶流經線圈結構110的電流所產生的磁通場，并增加器件100的可存儲能量密度。
[0035]在本發明的某些實施例中，磁性結構120的每個下和上疊層部分的磁性層沿著邊緣121或122或沿著邊緣121和12 二者2互相局部短接，從而能夠使用這里描述的電鍍技術來形成磁性結構120。類似地，磁性結構130的每個下和上疊層部分的磁性層沿著邊緣131或132或沿著邊緣131和132 二者互相局部短接，從而能夠使用這里描述的電鍍技術來形成磁性結構130。
[0036]圖3和4示意性地示出了根據本發明的示例性實施例的在磁性結構邊緣處采用磁性層局部短接的技術。更具體而言，圖3是包含被絕緣層302、304和306分離的多個磁性層301、303、305和307的磁性結構300的示意性側視圖。磁性層301、303、305和307沿著磁性結構300的邊緣El互相連接(短接)。圖4是包含被絕緣層402、404和406分離的多個磁性層401、403、405和407的磁性結構400的示意性側視圖。磁性層401、403、405和407通過磁性層401和403之間沿著磁性結構300的邊緣El的局部短接、磁性層403和405之間沿著邊緣E2的局部短接以及層405和407之間沿著邊緣El的局部短接來互相連接(短接)。
[0037]在本發明的示例性實施例中，圖3和4的磁性結構300和400示出了用于短接圖1中的磁性結構120和130的下部和上部中的磁性層的技術。根據本發明的示例性實施例，將參考圖5A、5B、5C、5D、5E和5F來更詳細地討論具有如圖3和4所示的磁性層之間的局部短接的磁性疊層結構的各種方法。
[0038]圖2是根據本發明的示例性實施例的半導體集成磁性器件200的示意性透視圖，其具有用局部短接形成的多層磁性疊層結構。圖2所示的集成磁性器件200與圖1中的集成磁性器件100類似，除了增加了多個短接突部210、220和230，其用于提供形成磁性結構120和130的磁性層的局部短接。短接突部在與器件的易軸垂直的方向上形成，以避免在磁性結構120和130中形成電流回路。根據本發明的示例性實施例，將參考圖6A、6B、6C、6D、6E和6F來更詳細地討論使用如圖2所示的在磁性層之間提供局部短接的短接突部來形成磁性疊層結構的各種方法。
[0039]現在將參考圖5A、5B、5C、5D、5E和5F來更詳細地討論如圖3和4所示的用于構造磁性結構的方法，根據本發明的示例性實施例，一種使用沿著其一個或多個邊緣的磁性層的局部短接來構造磁性結構的方法。特別地，圖5A、5B、5C、5D、5E和5F是制造的各個階段的磁性結構500的橫截面圖。圖5A是在制造的初始階段的磁性結構500的橫截面圖，其中，第一磁性層510被鍍敷到在半導體襯底502之上形成的種子層504上，其中，磁性層510被掩模結構505限定。半導體襯底502可以是硅襯底、SIO (絕緣體上硅)襯底，或者可以用VLSI器件制造中一般使用的任意其他類型的半導體襯底材料或多層襯底材料來形成襯底502。
[0040]種子層是在襯底502的整個表面上共形沉積的導電層，以提供用于后續電鍍工藝的基礎層從而在種子層504上形成第一磁性層510 (和其他磁性層，如下所討論)。可以使用任意合適的材料來形成種子層504，包括金屬材料例如銅、或磁性材料例如NiFE、CoFE或一般被用作種子層的其他已知材料，該種子層用作電鍍工藝的陰極，以在其上生長磁性材料層。可以通過PVD (物理氣相沉積)、CVD (化學氣相沉積)或ALD (原子層沉積)方法或適合用于種子層504的材料的其他方法來沉積共形種子層504。可選地，少量的有機材料可被添加到第一共形種子層504，以增加鍍敷速率。添加有機材料允許差異速率鍍敷、超級填充(super-filling)、超級共形(super-conformal)或自底向上鍍敷。
[0041]在襯底502上形成種子層504后，示例性制造工藝中的下一步驟包括使用掩模圖形505在種子層504上(通過電鍍)形成第一磁性層510。特別地，使用該工藝，初始形成掩模結構505來限定開口 509(或“器件區域”)，其暴露種子層504的一部分，磁性材料被電鍍到種子層504的該部分上以形成第一磁性層510，并形成唇部508A (或垂懸部分)，其被用于下面更詳細地討論的遮蔽(shadow)沉積和蝕刻技術。可以用各種方式來形成掩模結構505。
[0042]例如，可以通過順序地沉積第一光致抗蝕層506 (由第一光致抗蝕材料制造)和第二光致抗蝕層508(由第二光致抗蝕材料形成)、并以形成掩模結構505的方式來曝光和顯影光致抗蝕層，來形成掩模結構505，該掩模結構505具有限定的開口 509以及唇部508A (或懸垂部分)。使用該工藝，第一光致抗蝕層506可以由與形成第二光致抗蝕層508的材料相比對曝光光更為敏感的材料形成。就此，過渡區域處的不同層506和508 (B卩，在光致抗蝕層508的頂部形成的限定開口 509的構圖掩模的邊緣)將(通過限定開口 509的構圖掩模)而受到UV光曝光的不同影響，以便鄰近過渡區域的光致抗蝕層508對UV光曝光不敏感，由此在光致抗蝕層506和508兩者都被顯影時導致唇部508A的形成。
[0043]在其他實施例中，可以通過沉積單層光致抗蝕材料、并以形成掩模結構505的方式來暴露和顯影光致抗蝕層，來形成掩模結構505，該掩模結構505具有限定的開口 509和唇部508A。例如，圖5A所示的兩層506和508實際上可以由暴露于UV光的單層光致抗蝕材料形成，然后使用合適的蝕刻化學品來顯影，該化學品對光致抗蝕層的表面處和在該表面以下的曝光的光致抗蝕層中的水平處對曝光的光致抗蝕層的材料進行不同的蝕刻。
[0044]在形成掩模結構505之后,執行電鍍方法以在被掩模結構505的開口 509暴露的第一共形種子層504上生長第一磁性層510。可以通過電鍍諸如Co、Fe、Ni的透磁合金或磁性合金、CoFeTa、本領域已知的其他合適的磁性材料,來形成第一磁性層510。在電鍍工藝中，在晶片襯底502的邊緣(邊)上建立到種子層504的電連接，以用作電鍍工藝的電極(例如陰極或陽極)，如本領域普通技術人員所理解。
[0045]在形成第一磁性層510之后，第一絕緣材料層被共形地沉積在圖5A的結構之上，以覆蓋第一磁性層510和掩模結構505。例如，圖5B是在襯底上形成共形絕緣層512之后的圖5A中的結構的橫截面圖，該共形絕緣層512為掩模結構505和第一磁性層510加襯(lining)。共形絕緣層512用于使第一磁性層510與隨后在第二共形種子層上形成的第二層磁性材料隔離。第一共形絕緣層512可以由任意合適的絕緣材料形成，例如二氧化硅、氮化硅、氧化鋁、聚合物例如聚酰亞胺、PBO (聚(P-亞苯基苯并惡唑))以及其他絕緣或介電材料，其一般被用于VLSI器件制造并使用已知技術來沉積。可以使用已知的沉積技術例如PVD、CVD或ALD方法來沉積絕緣層。第一共形絕緣層512可以包括一層或多層材料，用作阻擋層、粘附層以及/或絕緣襯里，如本領域普通技術人員所容易理解。例如，粘附或襯里層可以包括氮化鉭/鉭(TaN/Ta)或氮化鈦/鈦雙層，以及其他合適的材料，其可以使用諸如PVD、CVD或ALD等方法來共形地沉積/生長。
[0046]示例性工藝的下一步驟涉及在圖5B的結構上形成種子層。圖5C是在形成第二種子層514之后的圖5B中的結構的橫截面圖。如圖5C所示，形成第二種子層514，其覆蓋掩模結構505的水平表面以及第一磁性層510之上的絕緣層512的部分。在一個實施例中，使用蒸鍍或濺射方法、用例如銅的金屬材料或磁性材料來形成第二種子層514。以微小的角度來執行種子層沉積工藝513，從而形成小的間隙516(或空隙)，在其中，種子材料未被沉積在器件區域509內的絕緣層512的部分上。使用有角度的沉積工藝513，位于間隙區域516之上的掩模結構505的唇部508A (通過遮蔽)避免種子材料沉積在唇部508A之下的第一絕緣層512的區域上，而有角度的沉積允許在其他唇部508A之下的絕緣層512的區域上形成種子材料，該其他唇部508A不會(通過遮蔽)阻止種子層沉積。小間隙516允許在絕緣層512中蝕刻向下到第一磁性層510的開口或溝槽。
[0047]特別地，圖是在第一絕緣層512中蝕刻向下到掩模結構505所限定的器件區域509中的第一磁性層510的開口 518 (例如溝槽)之后的圖5C中的結構的橫截面圖。在一個實施例中，將第二種子層514和垂懸唇部508A作為蝕刻掩模，使用各向異性干法蝕刻工藝(例如RIE工藝)來蝕刻第一絕緣層512以形成開口 518。示例性工藝中的下一步驟是將額外的種子材料沉積在圖的結構之上，以填充開口 518并在第二種子層與下伏的磁性和種子層之間形成電連接。
[0048]更具體而言，圖5E是在沉積額外的種子材料以用導電種子材料來填充開口 518、由此在第二種子層514與下伏的磁性層510和種子層504之間形成電連接之后的圖中的結構的橫截面圖。在一個實施例中，執行種子沉積工藝522，以將金屬或磁性材料沉積在圖的結構上并形成填充開口 518的導電插塞524，并使種子層514與下伏的磁性和種子層連接。在該工藝中，在第二種子層514的頂上形成額外的種子材料。該額外的種子材料可以是與用于形成第二種子層514相同的材料，或者該額外的種子材料可以與用于形成第二種子層514的材料不同。
[0049]在形成導電插塞524之后，執行另一電鍍工藝在種子層514上形成磁性層。圖5F是在使用電鍍工藝形成第二磁性層526之后的圖5E中的結構的橫截面圖。在該工藝中，在掩模結構404的開口 509中形成的第二種子層514的部分通過導電插塞524和第一磁性層510電連接到下伏的第一種子層504。這樣，可以執行電鍍工藝，通過在晶片襯底502的邊緣上建立到下伏的第一種子層504的電接觸，將第二層磁性材料526鍍敷到在掩模結構504所限定的器件區域509中形成的第二種子層的部分上。可以使用如上針對第一磁性層510所討論的任意合適材料來形成第二磁性層526。
[0050]在形成第二磁性層526之后，參考圖5B、5C、ro、5E和5F所討論的處理步驟可被重復以在第二磁性層526之上形成另一絕緣層、種子層和磁性層。特別地，上面參考圖5B討論的處理步驟可被用于在襯底之上形成第二共形絕緣層，其為掩模結構505和第二磁性層526加襯。上面參考圖5C討論的處理步驟可被用于形成第三種子層，該第三種子層覆蓋掩模結構505的水平表面和在器件區域509中的第三磁性層之上的第二絕緣層。此外，上面參考圖討論的處理步驟可被用于在器件區域509中的第二絕緣層中蝕刻向下到第二磁性層525的開口。此外，上面參考圖5E討論的處理步驟可被用于使用導電種子材料來填充第二絕緣層中的開口，由此形成導電插塞，其提供第三種子層與下伏的第二磁性層526、第二種子層514、第一磁性層510和第一種子層504之間的電連接。然后，使用上面參考圖5F討論的處理步驟，可以執行電鍍工藝，通過在晶片襯底的邊緣(邊)上建立到第一種子層的電連接，在第三種子層上形成第三磁性層。之后，參考圖5B、5CjD、5E和5F討論的順序的處理步驟在需要時可被重復一次或多次，以形成器件區域509中的磁性疊層結構的一個或多個額外的絕緣和磁性層。
[0051]在某些實施例中，例如如圖5F所示，可以在掩模結構505以及器件區域509之外的襯底表面的其他區域上形成第二種子層514和第二磁性層(526)(以及隨后的種子和磁性層)的部分。通常，在形成磁性器件時，優選在存在磁場(例如電鍍槽中的磁體)時沉積磁性膜，從而在磁性膜中施加磁定向以形成“易軸”，如本領域普通技術人員所理解。通過在器件區域之外(即“場”區域中)的整個晶體表面上鍍敷第二磁性膜526 (和后續的磁性膜)，可以針對磁性膜疊層來實現合適的磁定向，該磁性膜疊層形成器件區域中的磁性結構。在場區域中沒有磁性材料時，器件區域中的磁性材料的小隔離區域將不能以在器件區域中形成的磁性膜中實現想要的磁定向的方式來攜帶磁場。另一方面，場區域中的磁性材料提供了磁性材料的更大連續面積，其以在晶片上實現均勻的場強度的方式來攜帶磁場。
[0052]在為每個磁性層來重復電鍍工藝時，在晶片襯底502的外圍邊緣(邊)上建立到下伏的第一種子層504的電接觸，以在器件區域509中形成磁性材料的每個鍍敷層。在器件區域509外部的其他區域(即，場區域)中，通過制造到最后形成(最頂部的)種子層的接觸，可以在電鍍工藝中形成磁性層。
[0053]在器件區域509中完成磁性疊層結構的形成之后，隨后可以用已知的技術來去除(器件區域509外部的)場區域中的磁性膜和種子層的那些部分。此外，可以使用已知的技術來去除光致抗蝕層506和508。之后，可以執行進一步的處理步驟、使用磁性疊層結構來構建集成電路。例如，如上所述，圖5A?5F的示例性工藝可被用于在襯底上構建如圖1所示的磁性器件100的磁性結構120和130的下疊層部分。之后，可以在下疊層部分之上形成絕緣層，然后形成導電線圈110，且然后可以使用和圖5A?5F相同的處理步驟在線圈110上形成磁性結構120和130的上疊層結構。在構建磁性疊層時，相同或類似的處理步驟可被用于形成磁性疊層，其具有沿著疊層的一個邊緣的短接(例如圖3)或沿著磁性疊層的兩個相對邊緣的短接(例如圖4 )。
[0054]在其他實施例中，圖5A?5F中的第一光致抗蝕層506可被替換為永久絕緣層(例如氧化物層)，其不被去除而是保留作為結構的一部分。例如，氧化物層可以被均厚沉積(代替第一光致抗蝕層506)在第一種子層上，然后使用鑲嵌(damascene)工藝來蝕刻以形成限定器件區域509的開口。之后，光致抗蝕劑層可被沉積和構圖，以使用已知技術來形成具有垂懸結構508A的光致抗蝕層508。使用該方法，永久絕緣層不被去除，而保留作為器件結構的一部分，以促進磁性結構的平面化，如本領域普通技術人員所理解。
[0055]圖6A、6B、6C、6D、6E和6F示意性地示出了根據本發明的示例性實施例的構建具有磁性層的局部短接的磁性結構的方法。特別地，圖6A、6B、6C、6D、6E和6F示意性地示出了用于形成磁性結構的工藝，例如如圖2所示，具有短接突部來提供磁性層的局部短接。圖6A?6F是制造的各個階段的磁性結構600的橫截面圖。圖6A是制造的初始階段的磁性結構600的橫截面圖，其中，第一磁性層610被鍍敷到在半導體襯底602上形成的種子層604上，其中，磁性層610由掩模結構605限定。圖6B是圖6A的磁性結構的頂部示意圖，且圖6A是沿著圖B中的線6A-6A的結構600的橫截面圖。
[0056]如圖6A和6B所示，第一磁性層610是在器件區域、突部區域和場區域中形成的連續層。為了說明的目的，器件區域可以表示在其中形成圖2中的磁性疊層結構120的區域，突部區域可以表示在其中形成圖2中的短接突部230的區域，且場區域一般表示在器件區域外部的晶片襯底上形成的磁性疊層圖形。如上所討論，場區域中存在的磁性材料提供了磁性材料的更大連續面積，其以在晶片上能夠有更均勻的場強度的方式來攜帶磁場，并且由此，在器件區域中的磁性膜上施加希望的磁定向以形成“易軸”。圖6B的頂部示意圖示出了場區域的一部分，但可以理解，場區域可以是磁性材料的矩形圖形，其圍繞器件區域并覆蓋器件區域外部的晶片面積的實質性部分。如下所解釋，在形成磁性器件之后，場區域中的磁性層可被去除。
[0057]可以理解，可以使用上面參考圖5A來討論的相同或類似的方法和材料來形成各種結構(例如光致抗蝕掩模結構605)和材料層(襯底602、種子604和磁性層610)。圖6A所示的種子層604被用作電鍍工藝中的電極(例如陰極)，以形成在器件、突部和場區域中連續形成的第一磁性層610。圖6B中的虛線表示在第二光致抗蝕層608之下的第一光致抗蝕層606的(幻象形式的)側壁邊緣。
[0058]在形成第一磁性層610之后，在圖6A/6B的結構上共形地沉積第一絕緣材料層，以覆蓋器件和突部區域中的第一磁性層610和掩模結構605的部分。例如，圖6C是在襯底之上形成共形絕緣層162 (或第一絕緣層)以為器件和突部區域中的掩模結構605和第一磁性層610的部分加襯之后的圖6A中的結構的橫截面圖。如圖6C所不,使用遮蔽掩模613來形成第一絕緣層612，該遮蔽掩模覆蓋場區域和一部分突部區域，以避免絕緣材料被沉積在那些區域中。如圖6D更清楚地表明，該圖是圖6C中示出的結構600的頂部示意圖，形成第一絕緣層612，以覆蓋器件區域中的第一磁性層610的整個部分，并覆蓋突部區域中的第一磁性層610的一部分。第一絕緣層612用于將第一磁性層與后續在第二共形種子層上形成的第二磁性材料層隔離。但是，在突部和場區域中，在突部區域的一部分中或者在場區域中沒有形成第一絕緣層612 (以及后續形成的絕緣層)，因為在突部和場區域中形成的種子層和磁性層提供了在器件區域中鍍敷磁性層所需的電短接，如下將更詳細地解釋。可以用參考圖5B討論的任意合適的絕緣材料(例如氧化物)或沉積方法(例如CVD)來形成第一共形絕緣層612。
[0059]示例性工藝中的下一步驟涉及在圖6C/6D的結構上形成種子層。例如，圖6E是在形成第二種子層614之后的圖6C的結構的橫截面圖。如圖6E所示，形成第二種子層614，覆蓋掩模結構605的水平表面以及器件區域中的絕緣層612的水平部分。此外，在突部和場區域中的第一磁性層610的部分上直接形成第二種子層614。第一磁性層610上的第二種子層614形成器件、突部和場區域中的連續種子材料層。可以使用上面參考圖5C討論的相同或類似材料和沉積工藝來形成第二種子層614，除了種子層不是以某個角度來沉積的。[0060]與如上參考圖5A?5F所討論的“邊緣”短接工藝相反，在器件區域中的第一絕緣層612中沒有形成開口，并且沒有形成導電插塞來將第二種子層614連接到器件區域中的下伏第一磁性層610。相反，由于在第一磁性層610上形成的第二種子層614是器件、突部和場區域中的連續層，器件區域中的種子層614的部分通過突部和場區域中的第一磁性層610的部分電連接到下伏的第一種子層604，以促進器件區域中的第二磁性層的電鍍。
[0061]特別地，圖6F是在使用電鍍工藝形成第二磁性層616之后的圖6E中的結構的橫截面圖。在該工藝中，在器件區域中形成的第二種子層614的部分通過突部和場區域中的第一磁性層610的部分電連接到下伏的第一種子層604。這樣，盡管第一絕緣層612完全覆蓋器件區域中的下伏的第一磁性層610，通過在晶片襯底602的邊緣上建立到下伏的第一種子層604的電接觸，可以執行電鍍工藝來鍍敷器件區域中的第二磁性材料層616。可以使用上面針對第一磁性層610討論的任意合適的材料來形成第二磁性層616。
[0062]在形成第二磁性層616之后，參考圖6C、6E和6F來討論的處理步驟可被重復，以在第二磁性層616上形成另一絕緣層、種子層和磁性層。特別地，上面參考圖6C來討論的工藝步驟可被用于在襯底上形成第二共形絕緣層，其為掩模結構605和第二磁性層616加襯。上面參考圖6E所討論的處理步驟可被重復，以形成器件、突部和場區域中的連續第三種子層。然后，上面參考圖6F來討論的處理步驟可被重復，通過在晶片襯底的邊緣(邊)上建立到第一種子層的電接觸，在第三種子層上形成第三磁性層。之后，相同順序的工藝在需要時可被重復一次或多次，以根據需要形成器件區域中的磁性疊層結構的一個或多個額外的絕緣和磁性層。
[0063]與上面討論的前述實施例相反，如圖6E和6F所示，磁性層未被鍍敷到在掩模結構605頂部形成的種子層(例如層614)上。確實，在場區域足夠大從而在晶片上均勻分布(電鍍磁體的)磁場、且由此在器件區域中的磁性膜上進行希望的磁定向以形成“易軸”的實施例中，掩模結構605的頂部不需要鍍敷。
[0064]在器件區域中完成磁性疊層結構的形成之后，隨后可以用已知的技術來去除突部和場區域中的磁性膜和種子層的那些部分。此外，可以使用已知的技術來去除光致抗蝕層506和508。之后，可以執行進一步的處理步驟、使用磁性疊層結構來構建集成電路。例如，如上所述，圖6A?6F的不例性工藝可被用于在襯底上構建(如圖2所不的)磁性器件200的磁性結構120和130的下疊層部分。之后，可以在下疊層部分上形成絕緣層，然后形成導電線圈110，且然后可以使用和圖6A?6F相同的處理步驟在線圈110上形成磁性結構120和130的上疊層結構。在圖2所示的結構200中，在磁性層之間具有絕緣材料的短接突部210、220和230的那些部分(見圖6D)可以保持與最終結構一起，以避免由于蝕刻容差(如果嘗試完全蝕刻掉短接突部210、220和230)引起的在邊緣處對磁性疊層結構120和130的無意的蝕刻。
[0065]可以理解，本發明不限于這里特別示出和描述的特定材料、特征和結構。對說明性實施例的修改對于本領域普通技術人員來說將變得明顯。還應理解，在附圖中示出的各個層和/或區域不是按比例繪制的，并且為了便于解釋，在這樣的集成電路中一般使用的類型的一個或多個半導體層和/或區域不會在給定的圖中顯式示出。但是，本領域普通技術人員將認識到在這些一般化描述中忽略的那些特征。
[0066]本發明的更多方面提供了在具有各種模擬和數字電路的集成電路中的半導體電感器和變壓器器件的使用。特別地，集成電路管芯可被制造，具有半導體電感器和變壓器器件以及其他的半導體器件例如場效應晶體管、雙極型晶體管、金屬氧化物半導體晶體管、二極管、電阻器、電容器、電感器等，形成模擬和/或數字電路。可以在半導體襯底上或內形成半導體電感器或變壓器器件，管芯還包含該襯底。根據本發明的集成電路可被用于應用、硬件和/或電子系統。用于實現本發明的合適的硬件和系統可以包括但不限于個人計算機、通信網絡、電子商務系統、便攜式通信器件(例如手機)、固態介質存儲器件、功能電路等。包含該集成電路的系統和硬件被認為是本發明的一部分。給定這里提供的本發明的教義，本領域普通技術人員將能夠考慮本發明的技術的其他實現和應用。
[0067]盡管這里參考附圖描述了本發明的示例性實施例，可以理解，本發明不限于這些精確的實施例，并且本領域技術人員可以進行各種其他的修改和調整，而不偏離所附權利要求書的范圍。
【權利要求】
1.一種集成層積磁性器件，包括: 多層疊層結構，包含在襯底上形成的交替的磁性和絕緣層，其中，所述多層疊層結構中的每個磁性層通過絕緣層與所述多層疊層結構中的另一磁性層分離；以及 局部短接結構，將所述多層疊層結構中的每個磁性層電連接到所述多層疊層結構中的下伏磁性層。
2.如權利要求1所述的器件，其中，所述局部短接結構在兩個磁性層之間提供電連接，以便除了在與所述多層疊層結構的磁通路徑平行的方向之外，在兩個磁性層之間不存在閉合電路徑。
3.如權利要求1所述的器件，其中，所述局部短接結構包括穿過給定絕緣層而形成的導電插塞，以連接由所述給定絕緣層分離的兩個磁性層。
4.如權利要求3所述的器件，其中，所述局部短接結構包括沿著所述多層疊層結構的一個邊緣形成的多個導電插塞。
5.如權利要求3所述的器件，其中，所述局部短接結構包括沿著所述多層疊層結構的第一邊緣和相對的第二邊緣形成的多個導電插塞。
6.如權利要求1所述的器件，其中，所述局部短接結構包括從所述多層疊層結構的邊緣延伸的突部結構，其中，所述突部結構包括所述多層疊層結構的互相電接觸且未被絕緣材料分離的每個磁性層的延伸部分。
7.如權利要求6所述的器件，其中，所述突部結構是所述器件的場區域的一部分。
8.如權利要求1所述的器件，其中，所述多層疊層結構包括多個種子層，其中，給定種子層被插入在給定絕緣層和覆蓋所述給定絕緣層的給定磁性層之間。
9.如權利要求8所述的器件，其中，所述多個種子層包括在所述襯底和所述多層疊層結構中的第一磁性層之間插入的第一種子層，其中，所述第一種子層用作陰極或陽極，以通過電鍍來形成所述多層疊層中的每個磁性層。
10.一種集成電路芯片，包括如權利要求1所述的集成層積磁性器件。
11.一種用于制造集成層積磁性器件的方法，包括: 在襯底上形成多層疊層結構，其中所述多層疊層結構包含交替的磁性和絕緣層，其中，所述多層疊層結構中的每個磁性層通過絕緣層與所述多層疊層結構中的另一磁性層分離；以及 形成局部短接結構，以將所述多層疊層結構中的每個磁性層電連接到所述多層疊層結構中的下伏磁性層。
12.如權利要求11所述的方法，其中，形成局部短接結構包括在兩個磁性層之間形成電連接，從而除了在與所述多層疊層結構的磁通路徑平行的方向之外，在所述兩個磁性層之間不存在閉合電路徑。
13.如權利要求11所述的方法，其中，形成局部短接結構包括: 形成穿過給定絕緣層向下到下伏磁性層的開口； 在所述開口中形成導電插塞，其連接到所述下伏磁性層；以及 在所述給定絕緣層之上形成磁性層，從而所述磁性層被電連接到所述給定絕緣層中形成的所述導電插塞。
14.如權利要求13所述的方法，其中，形成局部短接結構包括沿著所述多層疊層結構的一個邊緣來形成多個導電插塞，其中，穿過給定絕緣層形成每個插塞，以將所述給定絕緣層之下的磁性層與所述給定絕緣層之上的磁性層電連接。
15.如權利要求13所述的方法，其中，形成局部短接結構包括沿著所述多層疊層結構的第一邊緣和相對的第二邊緣來形成多個導電插塞。
16.如權利要求11所述的方法，其中，形成局部短接結構包括形成從所述多層疊層結構的邊緣延伸的突部結構，其中，所述突部結構包括所述多層疊層結構中互相電接觸且未被絕緣材料分離的每個磁性層的延伸部分。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述突部結構是所述器件的場區域的一部分。
18.如權利要求11所述的方法，其中，形成多層疊層結構還包括形成多個種子層，其中，所述種子層中的一個被插入在給定絕緣層和覆蓋所述給定絕緣層的給定磁性層之間。
19.如權利要求18所述的方法，其中，所述多個種子層包括在所述襯底和所述多層疊層結構中的第一磁性層之間插入的第一種子層，其中，所述第一種子層用作陰極或陽極，以通過電鍍來形成所述多層疊層中的每個磁性層。
20.一種用于制造集成層積磁性器件的方法，包括: 在襯底上形成第一種子層； 在所述第一種子層之上形成 掩模結構，其中，所述掩模結構暴露限定了器件區域的所述第一種子層的部分； 使用所述第一種子層作為電陰極或陽極，將第一磁性層電鍍到所述器件區域中的所述第一種子層的暴露部分上； 在所述器件區域的所述第一磁性層上形成第一絕緣層； 在所述器件區域中的所述第一絕緣層上形成第二種子層； 在所述第一絕緣層中形成向下到所述器件區域中的所述第一磁性層的開口； 在所述第一絕緣層的所述開口中形成第一導電插塞，其中，所述第一導電插塞將所述第二種子層電連接到所述第一磁性層；以及 使用所述第一種子層作為電陰極或陽極，將第二磁性層電鍍到所述器件區域中的所述第二種子層的暴露部分上，其中，所述第一種子層通過所述第一磁性層和所述第一導電插塞電連接到所述第二種子層。
21.一種用于制造集成層積磁性器件的方法，包括: 在襯底上形成第一種子層； 在所述第一種子層之上形成掩模結構，其中，所述掩模結構暴露限定了器件區域、突部區域和場區域的所述第一種子層的部分； 使用所述第一種子層作為電陰極或陽極，將第一磁性層電鍍到所述器件區域、所述突部區域和所述場區域中的所述第一種子層的暴露部分上； 在所述器件區域的所述第一磁性層上形成第一絕緣層； 在所述器件區域中的所述第一絕緣層上以及在所述突部區域和場區域中的所述第一磁性層上形成第二種子層，其中，所述第二種子層通過所述第一絕緣層與所述器件區域中的所述第一磁性層完全隔離； 使用所述第一種子層作為電陰極或陽極，將第二磁性層電鍍到所述器件區域中的所述第二種子層的暴露部分上，其中，所述第一種子層通過所述突部和場區域中的所述第一磁性層電連接到所述第二種子層。`
【文檔編號】H01L23/522GK103681598SQ201310265561
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年6月28日 優先權日:2012年8月29日
【發明者】B·C·韋布 申請人:國際商業機器公司