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磁芯及其形成方法,以及包括該磁芯的集成電路、襯底、變壓器和電感器.pdf

關 鍵 詞:
及其 形成 方法 以及 包括 集成電路 襯底 變壓器 電感器
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摘要
申請專利號:

CN201310396059.2

申請日:

2013.09.04

公開號:

CN103681633A

公開日:

2014.03.26

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||專利申請權的轉移IPC(主分類):H01L 23/64變更事項:申請人變更前權利人:亞德諾半導體技術公司變更后權利人:亞德諾半導體集團變更事項:地址變更前權利人:百慕大群島(英)哈密爾頓變更后權利人:百慕大群島(英)哈密爾頓登記生效日:20150105|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 23/64申請日:20130904|||公開
IPC分類號: H01L23/64; H01L23/522; H01L21/02; H01F17/00; H01F17/04; H01F41/02 主分類號: H01L23/64
申請人: 亞德諾半導體技術公司
發明人: M·N·莫里塞; J·庫比克; S·P·吉爾里; P·M·邁克古尼斯; C·M·奧蘇里萬
地址: 百慕大群島(英)哈密爾頓
優先權: 2012.09.04 US 61/696,446; 2013.06.26 US 13/927,459
專利代理機構: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所 11038 代理人: 劉倜
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201310396059.2

授權公告號:

|||||||||

法律狀態公告日:

2017.04.12|||2015.01.21|||2014.04.23|||2014.03.26

法律狀態類型:

授權|||專利申請權、專利權的轉移|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及磁芯及其形成方法,以及包括該磁芯的集成電路、襯底、變壓器和電感器。提供一種用于集成電路的磁芯,所述磁芯包括:多個磁性功能材料層;多個第一絕緣材料層;和至少一個第二絕緣材料層;其中將所述第一絕緣材料層插在所述磁性功能材料層之間以形成所述磁芯的子區段,并且將所述至少一個第二絕緣材料層插在相鄰子區段之間。

權利要求書

權利要求書
1.  一種用于集成電路的磁芯,所述磁芯包括:
多個磁性功能材料層;
多個第一絕緣層;以及
至少一個第二絕緣層;其中將所述第一絕緣層插在所述磁性功能材料層之間以形成所述磁芯的子區段,并且將所述至少一個第二絕緣層插在所述磁芯的相鄰子區段之間。

2.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述至少一個第二絕緣層的厚度大于第一絕緣層的厚度。

3.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述第一絕緣層由第一絕緣材料形成,且所述第二絕緣層由第二絕緣材料形成,其中所述第一絕緣材料不同于所述第二絕緣材料。

4.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第二絕緣材料的介電常數低于所述第一絕緣材料的介電常數。

5.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述第一絕緣層由第一絕緣材料形成,所述第一絕緣材料充當形成所述磁性功能材料的生長襯底。

6.  如權利要求5所要求的磁芯,其中所述第一絕緣材料是絕緣氮化物。

7.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述第一絕緣層是氮化鋁或氧化鋁。

8.  如權利要求1所要求的磁芯,其中多個磁性功能材料層與第 一絕緣材料層以交替順序布置以形成所述磁芯的子區段。

9.  如權利要求3所要求的磁芯,其中至少一個第二絕緣材料層的第一側與所述第一絕緣材料層相鄰。

10.  如權利要求9所要求的磁芯,其中所述至少一個第二絕緣材料層的第二側與所述第一絕緣材料層相鄰。

11.  如權利要求3所要求的磁芯,其中將N-1個所述第二絕緣材料層放置在所述磁芯中,以便將所述磁芯分成N個子區段。

12.  如權利要求11所要求的磁芯,其中所述子區段包含基本上相同數量的磁活性材料層。

13.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述磁性功能材料是鐵磁材料。

14.  如權利要求13所要求的磁芯,其中所述鐵磁材料是軟磁的。

15.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述磁性功能材料是如下材料的組合:鎳和鐵,或鐵和鈷,或鎳和鈷,或鈷、鋯和鉭。

16.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第二絕緣材料是硅化合物。

17.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第二絕緣材料是半導體氧化物。

18.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第二絕緣材料是二氧化硅。

19.  如權利要求1所要求的磁芯,其中所述磁性功能材料層的厚度在約50nm至200nm之間。

20.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第一絕緣材料層的厚 度在約5nm至30nm之間。

21.  如權利要求3所要求的磁芯,其中所述第二絕緣材料層的厚度在約20nm至200nm之間。

22.  一種具有如權利要求1所要求的磁芯的半導體襯底。

23.  一種包括如權利要求1所要求的磁芯的集成電路。

24.  一種包括如權利要求1所要求的磁芯的變壓器。

25.  一種包括如權利要求1所要求的磁芯的電感器。

26.  一種形成磁芯的方法,其包括在襯底上:
a)沉積第一絕緣層;
b)沉積磁性功能材料層;
c)重復步驟a)和步驟b)至少一次;
d)沉積第二絕緣層,所述第二絕緣層在厚度或成分中的至少一個與所述第一絕緣層不同;
e)沉積另一第一絕緣層;
f)沉積另一磁性功能材料層;
g)重復步驟e)和步驟f)至少一次。

說明書

說明書磁芯及其形成方法,以及包括該磁芯的集成電路、襯底、變壓器和電感器
相關文件的引用 
本發明依據35U.S.C.§119(e)要求2012年9月4日提交的美國臨時專利申請號61/696,446的優先權益。 
技術領域
本發明涉及一種可在集成電路內或作為集成電路的一部分(例如,在硅襯底上)形成的磁芯,且涉及磁性組件,諸如在集成電路內形成的變壓器和電感器。 
背景技術
已知磁性組件諸如電感器和變壓器具有許多用途。例如,電感器可用于制造濾波器和諧振電路,或可用于開關模式功率轉換器以提高或降低用于產生不同輸出電壓的輸入電壓。變壓器可用于將功率或信號從電路的一部分傳輸到電路的另一部分,同時提供高水平的電隔離。 
可在集成電路環境內制造這些組件。例如,已知形成大致“螺旋”或近似于“螺旋”形狀的間隔導體可形成在半導體襯底上,從而形成變壓器。可將這種間隔的螺旋電感器以并行配置或堆疊配置放置。然而,這種變壓器的性能通常受限于由螺旋導體形成的“線圈”之間的磁耦合。導體由諸如聚酰亞胺的絕緣材料包圍著。這提供了必要的絕緣性能,以防止導體間彼此電氣連接,但從磁耦合的角度來看,和“空氣間隙”差不多。因此,這種變壓器在變壓器的繞組之間提供低效率且 因此相對較差的功率傳輸。 
已知在本領域的宏觀尺度變壓器中,變壓器的繞組之間(例如,變壓器的一次繞組和二次繞組之間)的耦合可以通過包含合適材料的芯子來增強。芯子通常由鐵磁材料制成。宏觀尺度變壓器的制造商很快意識到,固態金屬芯是低效的,由于其中感應渦流而導致變壓器內的電阻損耗。宏觀尺度變壓器的制造商通過將芯子提供為鐵磁材料的較薄片材的層狀結構來克服這些渦流損耗,該鐵磁材料通過絕緣層而彼此隔開。一般而言,可通過減小層壓物的厚度來增加變壓器的工作頻率。 
發明內容
根據本發明的一個方面,提供了一種用于集成電路的磁芯,該磁芯包括: 
多個磁性功能材料層; 
多個第一絕緣層;以及 
至少一個第二絕緣層;其中將所述第一絕緣層插在所述磁性功能材料層之間以形成所述磁芯的子區段,并且將所述至少一個第二絕緣層插在所述磁芯的相鄰子區段之間。 
因此,能夠形成磁芯,其中在一些實施方案中,磁性材料的層壓區域通過第二絕緣材料形成的絕緣區域而彼此隔開,該第二絕緣材料不同于每個子區段內的層壓磁性功能材料之間的絕緣材料。 
使用不同的材料或不同厚度的同種絕緣材料使得芯子的特性能夠被控制。 
磁性功能材料可以是軟磁性材料。有利地,磁性功能材料是鐵磁材料,諸如鎳-鐵、鎳-鈷、鐵-鈷或鈷-鋯-鉭。該材料列表不是詳盡的。 
可取的是,磁性功能材料層是均勻和連續的或無其它錯置。可通過在合適的生長襯底上制造磁性材料層來提高磁性材料層的質量,該生長襯底可被認為是“籽晶層”,其作用是在沉積期間促進磁性功能層內的正確晶體生長。與鎳-鐵磁性功能層結合使用的合適籽晶層是氮化鋁(AlN)。因此,該第一絕緣材料層具有控制磁活性層內的晶體生長,并且也在相鄰的磁活性材料層之間形成絕緣層的作用。第一絕緣材料層的厚度可在幾納米至幾十納米之間變化。例如,第一絕緣材料層可在5納米至30納米之間。在示例性實施方案中,第一絕緣材料層具有10納米左右的標稱厚度。磁活性材料層可在約50nm至200nm之間,諸如約100nm。 
雖然這種第一絕緣材料層為變壓器或電感器的DC和低頻激勵繞組提供良好的絕緣,但是當頻率增加時,相對較薄的第一絕緣材料層(例如10納米厚的氮化鋁層)作為相鄰金屬板之間的電介質,其在功能上相當于電容器。這種寄生電容的存在使得在更高頻率下于層壓結構內建立交變電流,且由此可再次導致渦流損耗。然而,第二絕緣層可以是與第一材料和/或降低的介電常數(其也可表示為降低的相對介電常數)相比具有較大寬度(或厚度)的材料層,提供每單位面積具有更低電容量的第二絕緣層,這破壞了磁芯的子區段之間的電容耦合。因此,與其間不具有這種第二絕緣層的那些結構相比,在更高頻率下,這種結構可減少芯子內的渦流流動并降低變壓器損耗。同樣地,與形成不具有這種第二絕緣層的那些電感器相比,使用本文所述的磁芯形成的電感器損耗更少。 
有利地,第二絕緣層由第二絕緣材料形成,該第二絕緣材料被選擇為與半導體制造工藝兼容,從而避免附加的加工步驟。因此,在硅基制造工藝中,有利的是第二絕緣材料是基于半導體的材料,尤其是硅基化合物。例如,半導體氧化物(如二氧化硅)可方便地用作第二絕緣材料。第二絕緣材料可以沉積在比第一絕緣材料厚的層中,如上所述。這些層可以在幾十納米厚至幾百納米厚之間。在本發明的實施方案中,第二絕緣材料的厚度可在20納米至200納米之間。該厚度 可部分地取決于設備所需的工作頻率和集成電路的制造商或設計者設定的芯子厚度預算。 
有利的是,該芯子在硅襯底上制造且由第一繞組和第二繞組環繞,從而形成變壓器的一次線圈和二次線圈。該繞組可以例如在通過磁芯的上方或下方時是大致平面的,且然后可通過集成電路內的通孔或其它中間層連接件而連接在一起。 
根據本發明的第二方面,提供了一種形成磁芯的方法,其包括在襯底上: 
a)沉積第一絕緣層; 
b)沉積磁性功能材料層; 
c)重復步驟a)和步驟b)至少一次; 
d)沉積第二絕緣層,所述第二絕緣層在厚度或成分中的至少一個與所述第一絕緣層不同; 
e)沉積第一絕緣層; 
f)沉積所述磁性功能材料層; 
g)重復步驟e)和步驟f)至少一次。 
各種材料層的沉積可發生在襯底的特定區域中或可在整個襯底/晶片上執行。其中在整個晶片上執行各層的沉積之后,可執行掩模和蝕刻步驟,以便將晶片上的沉積層分成彼此隔開的各種磁芯。然后,多個集成電路可形成在晶片上,且接著晶片可被切割,使得各個集成電路可放置在合適的封裝內以形成最終的集成電路組件。 
附圖說明
現將僅通過非限制性實例的方式并參考附圖來描述本發明,在附 圖中: 
圖1是具有在其上形成的變壓器的晶片的一部分的平面圖,該變壓器包括磁芯; 
圖2是穿過圖1中所示類型的磁芯的橫截面;以及 
圖3是穿過構成本發明的實施方案的集成電路的橫截面。 
具體實施方式
圖1示意性地示出形成于襯底4的一部分上的磁芯的實例,通常用參考數字2來表示。有利地,襯底4是半導體襯底,使得其它組件(如與變壓器的一次繞組和二次繞組相關聯的驅動電路和接收器電路)可形成在襯底4上。然而,在一些應用中,非半導體襯底材料也可用于其電氣性能,如更高的阻抗。為了說明的目的,已省略了磁芯2周圍的結構,如絕緣材料層,例如聚酰亞胺。因此,圖1中僅示出的結構是襯底4、磁芯2和導電磁軌,該導電磁軌形成在平行于襯底4的平面(并且還平行于圖1的平面)的第一層和第二層中,第一層和第二層位于磁芯2的上方和下方。第一導體層可被認為是在磁芯2上方,且因此,其比第二層更靠近觀看者,第二層位于磁芯2與襯底4之間。通過磁芯2下方的導體在圖1中以虛線表示,而通過磁芯2上方的導體以實線表示。第一繞組(例如,一次繞組10)可由線性磁軌區段12、14、16和18形成,其中區段12和16形成在第一金屬層中而區段14和18形成在第二金屬層中,并且它們通過通孔或等效互連區域20、22和24連接在一起。二次繞組30可由平面磁軌區段32、34、36和38形成,其中區段34和38形成在第一金屬層中而區段32和36形成在第二金屬層中,并且這些區段通過通孔或其它合適的互連件40、42和44連接在一起。可以看出,一次線圈和二次線圈形成為螺旋環繞磁芯2的結構,其與芯子2絕緣且彼此絕緣。因此,在一次繞組和二次繞組之間不存在電路徑,且使所述線圈耦合在一起的主要機制是磁性的。較小的寄生電容也可以在一次繞組與二次繞組 之間形成信號流路徑,但這些路徑很不明顯。 
有利地,磁芯2具有較高的滲透性,以使得一次繞組10產生的磁通量有效地耦合到二次繞組30。這是通過使用芯子2內的鐵磁材料而實現的。然而,如在宏觀尺度的變壓器中所經受的,在一次繞組10周圍產生的磁通量與磁芯2相互作用,并且可在芯子2內引起渦流流動。這些渦流流經芯子2的電阻材料,并且引起損耗機制。這降低了磁性組件的效率,并且在變壓器的情況下,可能會表現為一次繞組的線圈阻抗隨著一次繞組的激勵頻率增加而明顯增加。 
借鑒于宏觀尺度變壓器的經驗,一種解決渦流問題的方法是將芯子分成彼此絕緣的多個區段。在集成電路的背景下,可能會認為最簡單的方法是將一系列溝槽蝕刻到磁芯中,其中溝槽的縱向軸線平行于通過繞組產生的磁場的方向,在此情況下,溝槽是從圖1的頂部延伸到圖1的底部(Y方向),以便將芯子分成多個平行的“指狀物”。實際上,在集成電路的微觀尺度環境中,這種方法將是極為不利的,因為薄的指狀物然后將表現出形狀各向異性,其將導致鐵磁材料的易磁化軸沿著圖1的Y方向延伸。這進而將在材料中導致巨大磁滯損耗,可通過使易磁化方向沿圖1的X軸(水平)延伸來避免這種情況發生。這種布置將導致“難磁化”方向平行于磁場和Y軸,以及該方向通常具有小得多的磁滯回線且通常在較寬范圍的外加磁場上的磁滯回線的大致線性區域中運行。 
然而,如果磁芯被分割成多個單獨的層(每層存在于圖1的X-Y平面中),則易磁化軸可繼續沿著圖1的“X”方向。可在磁性材料層的沉積期間定義該易磁化軸。幾種技術對于本領域的技術人員而言是已知的,因此無需在本文進行描述。 
圖2示意性地示出穿過圖1的磁芯2的橫截面。該橫截面垂直于圖1的平面,其示出從襯底4向上工作的Z方向上堆疊的層。圖2不是按比例進行繪制的,以及磁芯2內的組件層的尺寸并不是相對于 彼此按比例示出的,并且磁芯2的尺寸也不是相對于集成電路的其它部分按正確的比例示出。 
如圖2中所示,襯底4可具有在其上形成的一個或多個材料層,該材料層通常標記為50且位于襯底4與磁芯2的底層之間。層50可以包括形成圖1中所示的第二金屬層的一部分的金屬磁軌,并且還可以包括一個或多個絕緣材料層,如氮化鋁或聚酰亞胺。 
磁芯2包括多個層。一般而言,磁芯2的第一子區段(通常標記為60)包括與磁性功能材料層80、82、84、86和88以交替順序布置的第一絕緣材料層70、72、74、76和78。在該實例中,五個磁性功能材料層以交替堆疊的形式位于五個第一絕緣材料層的上方。應注意,更少或實際上更多的磁性功能材料層和第一絕緣材料層可用于形成第一子區段60。 
第二絕緣材料的層100形成在磁芯2的第一子區段60上。或者,可沉積較厚的第一絕緣材料層。第二絕緣材料的層100可以直接沉積在第一子區段60中的磁性功能材料的最上層88上。或者,阻擋層90可以形成在第二絕緣材料的層100與的磁性功能材料的最上層88之間。在圖2中示出這種阻擋層。為了方便起見,阻擋層90可由第一絕緣材料形成。磁芯2的第二子區段(通常標記為110)包括如本文前述的磁性功能材料和第一絕緣材料的交替層,該第二子區段形成在層100上。磁性功能材料的最底層120可直接沉積在第二絕緣材料的層100上。然而,在本發明的實施方案中,第一絕緣材料的層122形成在第二絕緣材料的層100上,并且作為磁性功能材料的層120的籽晶層。因此,如圖2中所示,第二絕緣材料的層100在上表面和下表面上與第一絕緣材料層相鄰。這可具有另外的優點,例如,在例如層100由氧化物(如二氧化硅)制成時阻止層88和層120中的磁活性物質發生降解。 
第二子區段110包括五個磁性功能材料層120、124、126、128 和130,其中每個相鄰的磁性功能材料層通過第一絕緣材料層132、134、136和138而與相鄰的磁芯功能材料層隔開。 
第二子區段110的磁性功能材料130的最上層與第二絕緣材料的第二層150相鄰。如前所述,第二絕緣材料層150可夾在第一絕緣材料層152和154之間。作為沉積第二絕緣材料層的替代,可沉積具有增加厚度(與子區段中的層相比)的第一絕緣材料層。芯子2的第三子區段160形成在第二子區段110上。該過程可繼續進行,直至到達磁芯2的最上部為止,其中最后兩層可包括磁性功能材料層、頂部的第一絕緣材料層。因此,如果磁芯由兩個子區段制成,則僅可提供一個第二絕緣材料層以將所述子區段分隔。如果磁芯由三個子區段制成,則可提供兩個絕緣材料層以將所述子區段分隔。通常可以看出,如果磁芯由N個子區段制成,則可提供N-1個第二絕緣材料層。 
在所給出的實例中,每個子區段均包括五個磁性功能材料層。一般而言,盡管本文中已描述了這種布置,但是每個子區段無需與其它子區段相同。同樣地,每個子區段不需要包括五個磁性功能材料層。在如圖2所示出的芯子的實施方案中,第一絕緣材料的層可以是氮化鋁(雖然其它絕緣材料諸如氧化鋁也可以用于第一絕緣材料的一些或所有層),且具有約10納米的厚度,但是也可使用其它厚度,并且認為第一層通常可具有介于5納米至30納米之間的范圍內的厚度。磁活性層可以由鎳-鐵、或鎳-鈷形成且通常具有約100納米的厚度,然而也可以使用更薄或更厚的層,例如介于50納米至200納米范圍內的厚度。可布置第二絕緣層,使得與子區段中的相鄰磁性材料層之間的電容耦合相比,通過增大一個子區段最上面的磁性功能層與下一子區段最下面的磁性功能層之間的間隔和減小第二絕緣材料相對于第一絕緣材料的介電常數,子區段之間的電容耦合會降低。 
氮化鋁的相對介電常數為約8.5,而二氧化硅的相對介電常數為約3.9。 
人們相信,子區段之間這降低的電容耦合整體上減少了流經磁芯的渦流,從而降低磁芯損耗。在試驗中,芯子完全由磁活性材料層和第一絕緣層交替構成,第一絕緣層造成的損耗比如本文關于圖2所述制造的芯子造成的損耗更大。因此,偶爾在變壓器芯子內包含附加絕緣層被認為是極大地改善了芯子性能,這是因為與省略第二絕緣材料層的芯子相比,芯子的頻率增加了。 
圖3是穿過集成電路的示意性橫截面,該集成電路包括具有磁芯(通常由2表示)的變壓器且構成本發明的實施方案。通過插入第二絕緣材料層來將圖3中示出的磁芯2分成六個子區段301至306。如前所述,每一子區段由第一絕緣材料層和磁性功能材料層交替構成。 
如圖3所示,該集成電路包括襯底4,該襯底4具有沉積在其上的最下面的金屬層310。在沉積之后,將金屬層310進行掩模和蝕刻以形成導電磁軌,其中一些用于形成圖1中的磁軌14、18、32和36,其構成一次繞組10和二次繞組30的一部分。然后,絕緣層320(例如聚酰亞胺)沉積在金屬層310上以使磁芯和變壓器繞組絕緣。然后,沉積變壓器層301-306,例如沉積在整個襯底上。然后將該結構進行掩模并然后蝕刻,以在絕緣層320上形成隔離的變壓器芯子區域。然后,附加的絕緣材料可被沉積以填充相鄰變壓器芯子2之間的間隙并且覆蓋芯子以將其封裝在介電質中。在圖3中,這樣的絕緣層被標記為322。然后,絕緣層322可以被平面化,以形成基本上平坦的集成電路的上表面。接著,可對該表面進行掩模和蝕刻,以便在絕緣層322和層320中形成向下延伸到最下面的金屬層310的凹槽340。然后,該上表面可具有在沉積在其上的金屬層350。金屬還沉積進V形凹槽340,從而在最下面的金屬層310與最上面的金屬層350之間形成互連件。然后,可對層350進行掩模和蝕刻,以便形成(其它情況除外)圖1中所示的導電磁軌12、16、34和38,其構成一次繞組10和二次繞組30的部分。 
最下面的金屬層310可形成在絕緣層360(例如,二氧化硅)上, 其本身可覆蓋由施主雜質或受主雜質植入襯底4內而形成的各種半導體設備(未示出)。如本領域的技術人員已知的,可在沉積第一金屬層310之前在絕緣層360中形成孔隙,以在各種電路組件之間形成設備互連件。 
因此,可以在集成電路環境內提供一種改進的磁芯,使得電感器和變壓器可以更緊湊地形成,由于使用該磁芯,在與實體芯子或具有僅由約10納米厚的氮化鋁和約100納米厚的鎳-鐵層交替構成的層壓結構的芯子相比時,在更高頻率下可減少渦流損耗。 

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