一種立體集成電感結構的制備方法
【專利摘要】本發明涉及半導體制造【技術領域】，尤其涉及一種立體集成電感結構的制備方法，可以實現三維立體結構的電感，并通過制備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以極大的提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流，并提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
【專利說明】一種立體集成電感結構的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體制造【技術領域】，尤其涉及一種立體集成電感結構的制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的進步以及社會信息化程度的提高，計算機、通訊等越來越多的【技術領域】均采用射頻技術，促進了射頻技術(RFIC)的高速發展，對于高頻率、小功耗、低失真的射頻技術的要求，使得電感線圈成為必要，電感線圈是由導線繞制在導線框架上，導線彼此相互絕緣，而繞制可以是空心的也可以是包含鐵芯，簡稱電感，電感主要用于對交流信號進行隔離、濾波或者與電容、電阻組成諧振回路。而評價電感性能最重要的指標為品質因數Q(quality)，品質因數Q表示為一個儲能器件(如電感線圈、電容等)、諧振電路中所儲能量同每周期損耗能量之比，因此提高電感的品質因數Q可以提高集成電感的性能指標。
[0003]現有技術中大多數采用平面結構的集成電感，由于這種集成電感制作于襯底平行的平面上，在高頻條件下，襯底中會形成潤旋電流(Eddy Current),潤旋電流的方向與電感線圈中的電流方向相反，這必然會導致電感線圈的磁通量減少，額外的能量損失較大并使得整個電感的Q值下降。另外現有技術中，集成電感由于集成電路的制程與材料的限制，很難同時達到高電感值和高品質因數Q值。
[0004]現有技術中以減少襯底的損耗入手來解決襯底中渦旋電流的問題，但是采用的均是平面結構的集成電感，受到平面電感工作原理的限制無法從根本上解決問題，無法提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流并提高品質因數Q值，因此發明一種高性能的集成電感器件成為半導體制造【技術領域】的一個難題。
【發明內容】
[0005]鑒于上述問題，本發明提供一種立體集成電感結構的制備方法，以解決無法提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流并提高品質因數Q值的缺陷。
[0006]本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為:
[0007]一種立體集成電感結構的制備方法，其中，所述方法包括:
[0008]步驟S1、提供一半導體襯底，并于所述半導體襯底之上依次制備第一絕緣層和底層金屬薄膜，并去除部分所述底層金屬薄膜，以于所述第一絕緣層之上形成若干平行排列的底部金屬導線；
[0009]步驟S2、制備第二絕緣層覆蓋所述若干底部金屬導線及所述第一絕緣層暴露的表面，并刻蝕所述第二絕緣層，以于各所述底部金屬導線的長度延伸方向的兩端部區域之上均形成一第一通孔；
[0010]于所述第一通孔中填充第一金屬，以于所述底部金屬導線之上形成兩列第一金屬孔連線；
[0011]步驟S3、制備第三絕緣層覆蓋所述第一金屬孔連線和所述第二絕緣層的上表面，并刻蝕第三絕緣層，以于各所述第一金屬孔連線之上形成一第二通孔以及若干凹槽；
[0012]所述若干凹槽包括環繞設置所有第二通孔的一環形凹槽以及與各列第一金屬孔連線延伸方向平行的若干條狀凹槽；
[0013]于所述第二通孔和所述凹槽中填充第二金屬，以于各所述第一金屬孔連線之上均形成一第二金屬孔連線，以及若干磁芯；
[0014]步驟S4、制備第四絕緣層覆蓋所述第二金屬孔連線、所述磁芯和所述第三絕緣層的上表面，并刻蝕第四絕緣層，以于各所述第二金屬孔連線之上均形成一第三通孔；
[0015]于所述第三通孔中填充第三金屬，以于所述第三通孔中形成一第三金屬孔連線；
[0016]步驟S5、制備頂層金屬薄膜覆蓋所述第三金屬孔連線和所述第四絕緣層的上表面；刻蝕所述頂層金屬薄膜，以形成若干平行排列的頂部金屬導線；
[0017]其中，所述頂部金屬導線通過所述第三金屬孔連線、所述第二金屬孔連線和所述第一金屬孔連線將所述底部金屬導線首尾依次連接。
[0018]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，步驟S5中，與所述底部金屬導線在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕所述頂層金屬薄膜以形成所述頂部金屬導線。
[0019]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，所述第一金屬與所述第三金屬的材質均為金屬導體材質。
[0020]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，所述金屬導體材質為鎢，鋁或銅。
[0021]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，所述第二金屬的材質為鐵磁金屬材質。
[0022]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，所述鐵磁金屬材質為鈷或鎳。
[0023]較佳的，上述的立體集成電感結構的制備方法，其中，所述底層金屬薄膜與所述頂層金屬薄膜的材質均為鋁金屬。
[0024]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的制備方法，其中，步驟S2?S5中，任一填充金屬或者制備絕緣層工藝之后均需要進行化學機械拋光工藝。
[0025]上述技術方案具有如下優點或有益效果:
[0026]本發明公開了一種立體集成電感結構的制備方法，可以實現三維立體結構的電感，通過制備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以極大的提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流，并提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
[0027]具體
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特征、夕卜形和優點將會變得更加明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。并未可以按照比例繪制附圖，重點在于示出本發明的主旨。
[0029]圖1是本發明中立體集成電感的結構示意圖；
[0030]圖2是本發明中立體集成電感的側面剖面的結構示意圖；
[0031]圖3是本發明中立體集成電感的俯視結構示意圖；
[0032]圖4a?8b是本發明中立體集成電感的制備工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明，但是不作為本發明的限定。
[0034]為可以提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流，并提高品質因數Q值以及電感線圈的性能，需要制備一種立體集成電感結構，包括:金屬框架，在該金屬框架圍成的區域內設有若干并排的片狀磁芯，各磁芯的兩端分別固定在金屬框架內側相對的兩面；另外還包括電感線圈，電感線圈呈立體螺旋狀并單方向多圈環繞在金屬框架圍成區域內的所有磁芯上。
[0035]下面結合具體的【專利附圖】
【附圖說明】對本發明作詳細的介紹。
[0036]如圖1?8b所示，圖3為圖2中所示結構的俯視圖，圖4b為圖4a中所示結構的俯視圖，圖5b為圖5a中所示結構的俯視圖，圖6b為圖6a中所示結構的俯視圖，圖7b為圖7a中所示結構的俯視圖，圖8b為圖8a中所示結構的俯視圖。
[0037]具體的，在本發明的實施例中，圖1中的立體集成電感結構包括金屬框架1，優選的該金屬框架I的材質為金屬材料，且該金屬框架I為一矩形結構，其中該金屬框架I圍成的區域內還設有若干并排的片狀磁芯2，該若干磁芯2的首端以及末端優選的分別固定連接于金屬框架I的長邊一內側和長邊另一內側且任一磁芯2均垂直于金屬框架I的長邊兩內側。
[0038]另外，在本發明的實施例中，磁芯2以相等間隔、平行分布于金屬框架I圍成區域的內偵彳，如圖2和圖3所示。
[0039]值得注意的是，在金屬框架I與磁芯2間的空隙中、磁芯2之間的空隙中以及磁芯2與電感線圈間還填充的絕緣介質6 (如二氧化硅介質)，該絕緣介質6用以絕緣相鄰的磁芯2、磁芯2與金屬框架I以及電感線圈與磁芯2。互相絕緣的薄片狀的磁芯2，一方面可以增加電感值，另一方面可以大大減少磁芯2中的渦旋電流，且由于二氧化硅是非常好的絕緣介質，不會由于較高頻率的磁場而引起的鏡像電流效應，從根本上解決了渦旋電流問題。
[0040]在本發明實施例中，該立體集成電感結構中的電感線圈(材質為金屬材料)具體包括:若干第一金屬線3、若干第二金屬線4以及若干第三金屬線5,優選的,第一金屬線3、第二金屬線4以及若干第三金屬線5的材質均相同。
[0041]更具體的，第一金屬線3與第二金屬線4的首端、第一金屬線3與第二金屬線4的末端，在垂直方向上的投影均相互重合，且投影點均位于金屬框架I與若干磁芯2中最外側磁芯2組成的區域內。
[0042]其中，磁芯2上側的第一金屬線3的首端通過第三金屬線5連接和第一金屬線3首端垂直方向上的投影重合的第二金屬線4的首端，且與第一金屬線3首端垂直方向上的投影重合的第二金屬線4的末端通過第三金屬線5連接第一金屬線3相鄰的另一第一金屬線3的末端，并依次循環最終形成呈立體螺旋狀并單方向多圈環繞在金屬框架I圍成區域內的所有磁芯2上的電感線圈。
[0043]另外，基于上述結構，本發明還涉及到一種立體集成電感結構的制備方法，包括:
[0044]步驟S1、對一半導體襯底進行加工，具體的在該半導體襯底11之上依次制備第一絕緣層12 (制備第一絕緣層后需快速的進行熱退火工藝，使其形成致密的絕緣層)和底層金屬薄膜，并去除部分底層金屬薄膜，使其在第一絕緣層12上方形成若干底部金屬導線13，其中所有的底部金屬導線13平行排列在第一絕緣層12的上表面，如圖4a和4b所示。
[0045]在本發明的實施例中，上述的底層金屬薄膜的材質為鋁金屬，且底部金屬導線13作為上述電感線圈的第二金屬線4。
[0046]步驟S2、采用等離子體化學氣相沉積法在上述若干平行排列的底部金屬導線13的上表面以及在第一絕緣層12暴露的上表面繼續沉積第二絕緣層14，然后采用電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,簡稱ICP)或者反應離子刻蝕(Reactive 1nEtching，簡稱RIE)等刻蝕工藝刻蝕該第二絕緣層14，均形成位于底部金屬導線的長度延伸方向兩端的端部區域上的一第一通孔。
[0047]在本發明的實施例中，在該第一通孔填充第一金屬，形成位于底部金屬導線13端部區域上方的兩列第一金屬孔連線15，如圖5a和5b所示。
[0048]在本發明的實施例中，上述的第一金屬的材質可以為鎢，鋁，銅或其他金屬導體材質，作為一個優選的實施例，該第一金屬的材質可選為鎢或鋁。
[0049]同時為了優化立體集成電感的制備工藝，需要在淀積第二絕緣層14和于第一通孔中填充第一金屬后均需要進行化學機械拋光(Chemical mechanical polishing,簡稱CMP)工藝。
[0050]優選的，第二絕緣層14與第一絕緣層12的材質相同，如均可選為二氧化硅或其他絕緣材質；當然，上述的第二絕緣層14與第一絕緣層12的材質也可不同，只要其材質為具有絕緣性能且能滿足工藝需求即可。
[0051]步驟S3、繼續采用等離子體化學氣相沉積法在第二絕緣層14和第一金屬孔連線15的上表面淀積第三絕緣層16，優選的，該第三絕緣層16的材質與第二絕緣層14的材質可相同或不相同，只要其選擇的材質具有絕緣性能且能滿足工藝需求即可。然后采用ICP或者RIE刻蝕工藝刻蝕部分第三絕緣層16，分別形成將各第一金屬孔連線15上表面予以暴露的一第二通孔，以及若干包括環繞設置所有第二通孔一環狀凹槽以及與各列第一金屬孔連線15延伸方向平行的若干條狀凹槽。
[0052]為了提高立體集成電感的性能，本發明實施例中需要提供磁芯，來增強磁能的存儲效果，因此在完成凹槽與第二通孔工藝之后于各凹槽和第二通孔中填充第二金屬(該第二金屬的材質可選為如鈷或鎳等鐵磁金屬材質)形成各第一金屬孔連線上方的一第二金屬孔連線18以及若干磁芯17，如圖6a和6b所示。
[0053]其中，上述若干磁芯17構成上述金屬框架I。
[0054]在本發明的實施例中，為了優化立體集成電感的制備工藝，需要在淀積第三絕緣層16和于第二通孔、凹槽中填充第二金屬后均需要進行CMP工藝。
[0055]步驟S4、繼續采用等離子體化學氣相沉積法在第三絕緣層16、第二金屬孔連線18以及磁芯17的上表面淀積第四絕緣層19，然后采用ICP或者RIE刻蝕工藝刻蝕第四絕緣層19，形成各第二金屬孔連線18上方的一第三通孔并予以暴露第二金屬孔連線18。
[0056]繼續在第三通孔中填充第三金屬，以于每個第三通孔中形成一第三金屬孔連線20，進而形成如圖7a和7b所示的結構。
[0057]在本發明的實施例中，第三金屬與第一金屬的材質可以相同或不同，例如該第三金屬和第一金屬的材質均可為鎢、鋁或銅等金屬導體材質，作為一個優選的實施例第三金屬和第一金屬的材質為鎢和/或鋁。
[0058]同樣，淀積第四絕緣層19以及填充金屬材料之后需要進行CMP工藝，優化立體集成電感結構的制備工藝。
[0059]優選的，第一絕緣層12、第二絕緣層14、第三絕緣層16和第四絕緣層19的材質均可相同也可不同，作為一個優選的實施例，上述的第一絕緣層12、第二絕緣層14、第三絕緣層16和第四絕緣層19的材質均可選擇為二氧化硅。
[0060]步驟S5、在第三金屬孔連線20以及第四絕緣層19的上表面繼續淀積一頂層金屬薄膜，刻蝕該頂層金屬薄膜形成若干平行排列的頂部金屬導線21，如圖8a和Sb所示。
[0061]在本發明的實施例中，與底部金屬導線13在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕該頂層金屬薄膜以形成上述頂部金屬導線21，也就是說，底部金屬導線13與頂部金屬導線21在垂直投影方向上構成一定夾角，便于后續形成螺旋狀電感線圈，該頂部金屬導線21作為上述電感線圈的第一金屬線2。其中，該頂層金屬薄膜與底層金屬薄膜材質可以不相同，作為一個優選的實施例，上述的頂層金屬薄膜與底層金屬薄膜材質相同，且均可選擇諸如鋁或銅等金屬來制備上述的頂層金屬薄膜與底層金屬薄膜。
[0062]其中，各第一金屬孔連線15、第二金屬孔連線18以及第三金屬孔連線20構成上述第三金屬線4，且各頂部金屬導線21通過第三金屬孔連線20、第二金屬孔連線18和第一金屬孔連線15將底部金屬導線13首尾依次連接，最終形成上述螺旋狀的電感線圈，并與磁芯17等結構構成完整的三維的立體集成電感結構。
[0063]綜上所述，本發明公開了一種立體集成電感結構的制備方法，可以實現三維立體結構的電感，通過制備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以極大的提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流，并提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
[0064]本領域技術人員應該理解，本領域技術人員在結合現有技術以及上述實施例可以實現所述變化例，在此不做贅述。這樣的變化例并不影響本發明的實質內容，在此不予贅述。
[0065]以上對本發明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發明并不局限于上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結構應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這并不影響本發明的實質內容。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
【權利要求】
1.一種立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述方法包括: 步驟S1、提供一半導體襯底，并于所述半導體襯底之上依次制備第一絕緣層和底層金屬薄膜后，去除部分所述底層金屬薄膜，以于所述第一絕緣層之上形成若干平行排列的底部金屬導線； 步驟S2、制備第二絕緣層覆蓋所述若干底部金屬導線及所述第一絕緣層暴露的表面，并刻蝕所述第二絕緣層，以于各所述底部金屬導線的長度延伸方向的兩端部區域之上均形成一第一通孔； 于所述第一通孔中填充第一金屬，以于所述底部金屬導線之上形成兩列第一金屬孔連線.步驟S3、制備第三絕緣層覆蓋所述第一金屬孔連線和所述第二絕緣層的上表面，并刻蝕第三絕緣層，以于各所述第一金屬孔連線之上形成一第二通孔以及若干凹槽； 所述若干凹槽包括環繞設置所有第二通孔的一環形凹槽以及與各列第一金屬孔連線延伸方向平行的若干條狀凹槽； 于所述第二通孔和所述凹槽中填充第二金屬，以于各所述第一金屬孔連線之上均形成一第二金屬孔連線，以及若干磁芯； 步驟S4、制備第四絕緣層覆蓋所述第二金屬孔連線、所述磁芯和所述第三絕緣層的上表面，并刻蝕第四絕緣層，以于各所述第二金屬孔連線之上均形成一第三通孔； 于所述第三通孔中填充第三金屬，以于所述第三通孔中形成一第三金屬孔連線； 步驟S5、制備頂層金屬薄膜覆蓋所述第三金屬孔連線和所述第四絕緣層的上表面；刻蝕所述頂層金屬薄膜，以形成若干平行排列的頂部金屬導線； 其中，所述頂部金屬導線通過所述第三金屬孔連線、所述第二金屬孔連線和所述第一金屬孔連線將所述底部金屬導線首尾依次連接。
2.如權利要求1所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，步驟S5中，與所述底部金屬導線在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕所述頂層金屬薄膜以形成所述頂部金屬導線。
3.如權利要求1所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述第一金屬與所述第三金屬的材質均為金屬導體材質。
4.如權利要求3所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述金屬導體材質為鶴，招或銅。
5.如權利要求1所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述第二金屬的材質為鐵磁金屬材質。
6.如權利要求5所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述鐵磁金屬材質為鈷或鎳。
7.如權利要求1所述的立體集成電感結構的制備方法，其特征在于，所述底層金屬薄膜與所述頂層金屬薄膜的材質均為鋁。
8.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的制備方法，其特征在于，步驟S2?S5中，任一填充金屬或者制備絕緣層工藝之后均需要進行化學機械拋光工藝。
【文檔編號】H01L21/71GK104241188SQ201410470308
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】梅紹寧, 鞠韶復, 朱繼鋒 申請人:武漢新芯集成電路制造有限公司