專利名稱：立體集成電感及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種無源半導體器件及其制造方法，尤其是一種應用于集成電路中的集成電感元件及其制造方法。
背景技術：
隨著科學技術的進步和社會信息化程度的提高，計算機無線網(wǎng)絡、移動通訊、無繩電話、非接觸IC卡等越來越多的領域開始使用射頻技術，促成了射頻集成電路(RFIC)的迅速發(fā)展。高工作頻率、低噪聲、低功耗、低電源電壓、低失真，低成本這些射頻電路的設計要求使集成電感的使用成為必要。由于電感品質因數(shù)Q將影響電路相噪聲，電感自諧振頻率將影響電路的工作頻率；因此電感設計兩個主要任務就是如何提高電感品質因數(shù)和自諧振頻率。
如圖1所示是現(xiàn)有的平面集成電感的俯視圖，采用了平面螺旋結構。由于這種集成電感制作在與襯底平行的一個平面或幾個平面上。高頻下，電感線圈中的電流會形成交變的磁場B(t)，這個交變的磁場則會在襯底中形成渦流Isub，渦流方向和電感線圈中電流方向相反，如圖2所示，即襯底的鏡像電流。該電流會導致除電感線圈的方塊電阻外，電感額外的電阻能量損失，同時這個鏡像會和原來的電感產生互感使整個電感的電感值減小，嚴重影響電感品質因數(shù)和自諧振頻率。
現(xiàn)有技術都是從減小襯底的損耗入手，來解決襯底中的渦流問題；但是，無論如何變化，由于仍舊采用平面螺旋結構，受平面電感工作原理方面的限制，無法從根本上解決襯底渦流這一問題，使電感值無法滿足射頻電路對元件品質越來越高的要求，成為集成電感制造領域的一個難題。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的一個技術問題在于提供一種立體集成電感，改變傳統(tǒng)的平面螺旋結構，采用空間的立體螺旋結構，有效的降低集成電感襯底渦流產生的損耗，提高電感Q值和自諧振頻率。
本發(fā)明所要解決的另一個技術問題在于提供一種上述集成電感的制造方法，步驟簡單，與常規(guī)工藝技術相兼容。
一種立體集成電感，包括襯底層、二氧化硅介質層和單方向繞行立體螺旋的金屬線圈；所述的二氧化硅介質層設置在襯底層上；所述的底層平行金屬線設置在襯底與二氧化硅介質層之間，頂層平行金屬線設置在二氧化硅介質層上；所述的金屬線圈包括一組底層平行金屬線和一組頂層平行金屬線；底層和頂層平行金屬線，通過豎直穿過二氧化硅介質層的接觸孔內表面濺射的金屬相連，形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的立體螺旋的金屬線圈。
本發(fā)明的立體電感的制造方法，包括如下步驟步驟一、對制作電感的原始硅片進行加工，完成立體電感襯底層的制作；步驟二、在襯底上面濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，采用光刻刻蝕該層金屬，形成電感底層金屬圖形；步驟三、采用等離子體增強淀積的手段，在金屬層間形成二氧化硅介質層，其厚度為1-1.5微米；或先淀積一層厚度為0.5-0.9微米的二氧化硅，然后刻蝕深0.3-0.6微米的槽，在槽中電淀積磁性材料后，再淀積0.5-0.8微米的二氧化硅；步驟四、刻蝕接觸孔，再濺射第二層金屬，厚度為1.2-1.5微米，通過接觸孔的內表面濺射的金屬形成兩層金屬互連，采用光刻對第二層金屬進行刻蝕，形成電感線圈，完成立體集成電感基本制作。
本發(fā)明新型三維立體集成電感，采用常規(guī)工藝，即可實現(xiàn)三維立體結構，改變傳統(tǒng)電感的二維結構，從根本上抑制了襯底渦流；本發(fā)明可以用于各類型襯底結構，同時電感各結構參數(shù)可以根據(jù)實際需要和工藝水平調節(jié)，具有很大的靈活性，并且本發(fā)明立體電感中空面積的增加，并不會引起面積的增加，該發(fā)明在應用于射頻電路時，具有非常廣闊的應用前景。


圖1為普通的平面螺旋電感示意圖；圖2為普通平面螺旋電感襯底電流產生示意圖；圖3為本發(fā)明一種立體集成電感示意圖；圖4為圖3所示立體電感底層金屬版圖示意；圖5為圖3所示立體電感上層金屬版圖示意；圖6為本發(fā)明一種上底層金屬線平行的立體集成電感示意圖；圖7為本發(fā)明立體電感襯底電流產生示意圖；圖8為本發(fā)明清洗原始片的結果示意圖；圖9為本發(fā)明氧化二氧化硅做場氧的結果示意圖；圖10為本發(fā)明淀積多晶硅的結果示意圖；圖11為本發(fā)明淀積多晶硅和的一層金屬之間的介質層的結果示意圖；圖12為本發(fā)明濺射第一層金屬的結果示意圖；圖13為本發(fā)明刻蝕第一層金屬的結果示意圖；圖14為本發(fā)明淀積金屬之間介質層的結果示意圖；圖15為本發(fā)明刻通孔的結果示意圖；圖16為本發(fā)明濺射第二層金屬的結果示意圖；圖17為本發(fā)明光刻第二層金屬的結果示意圖。
圖18為本發(fā)明加入磁芯后，立體電感的截面示意圖；圖19為本發(fā)明加入磁芯后，立體電感的剖面示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明為了解決襯底中形成渦流問題，徹底改變了原有的平面螺旋結構，通過兩層金屬及金屬互連實現(xiàn)三維立體結構，使電流平面不再平行于襯底，高頻下，交變電流產生的磁力線將不再穿過襯底，因而抑制了襯底渦流，降低襯底損耗，提高電感性能。
一種立體集成電感，包括襯底層、二氧化硅介質層和單方向繞行立體螺旋的金屬線圈；所述的二氧化硅介質層設置在襯底層上；所述的底層平行金屬線設置在襯底與二氧化硅介質層之間，頂層平行金屬線設置在二氧化硅介質層上；所述的金屬線圈包括一組底層平行金屬線和一組頂層平行金屬線；底層和頂層平行金屬線，通過豎直穿過二氧化硅介質層的接觸孔內表面濺射的金屬相連，形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的立體螺旋的金屬線圈。
立體三維結構的金屬線圈是本發(fā)明中結構最為顯著的特征。如果對于底層平行金屬線和頂層平行金屬線都從相同的一側，順次標號；則第一頂層金屬線的一端連接壓焊塊，另一端通過豎直穿過二氧化硅介質層的接觸孔內表面濺射的金屬，與第一底層金屬線的一端相連，第一底層金屬線的另一端同樣的方式與第二頂層金屬線的一端相連，第二頂層金屬線的另一端同樣的方式與第二底層金屬線的一端相連，順次連接，直到最后一條頂層金屬線一端連接到最后一條底層金屬線一端，一端連接另一個壓焊塊，形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的金屬線圈。
由于穿過二氧化硅介質層的接觸孔只能垂直于底層和頂層平行金屬線所在的平面，為了能夠形成線圈結構，本發(fā)明的底層平行金屬線和頂層平行金屬線可以成一定的角度，互連金屬一同形成單向繞行的線圈結構。電感的立體結構如圖3所示，底層平行金屬線如圖4所示，上層平行金屬如圖5所示，通過接觸孔互連作為電感側臂。
底層和頂層平行金屬線之間的角度可以根據(jù)預先設定的底層或頂層平行金屬線的長度以及平行金屬線之間距離計算出來。
由于底層平行金屬線和頂層平行金屬線平面相互平行，兩個金屬線圈的垂直邊平面垂直于底層與頂層平行金屬線平面，采用這種方式制成的立體集成電感，其電感線圈的電流平面完全垂直于襯底層的平面，可以最大限度的減少襯底渦流的形成。
本發(fā)明也可以采用底層平行金屬線和頂層平行金屬線相互平行的結構，其立體結構如圖6所示。這種方式與底層和頂層平行金屬線成一定角度的方式的制作與工作原理均完全相同，只是在某些特殊的情況下，可以取得加工的便利。
本發(fā)明不同于常規(guī)平面集成電感，通過雙層金屬和金屬互連實現(xiàn)了三維立體結構的電感。如圖7所示，立體電感的電流平面與電感襯底相垂直。穿過襯底的交變磁場十分微弱，使其形成的鏡像電流也十分小，并且只影響電感的底層金屬部分。
由于增加金屬層間介質，一方面可以增加電感值，另一方面可以減少層見寄生電感。而本發(fā)明采用二氧化硅介質層的厚度為1-1.5微米(最佳為1.2-1.5微米)作為層間介質；由于二氧化硅是非常良好的絕緣體，不會由于高頻磁場而產生鏡像電流，可以從根本上解決螺旋結構產生的渦流問題。
這種完全不同于以往結構的立體電感可以有效的抑制電感襯底電流，從而提高了電感的品質因數(shù)和自諧振頻率。
由于立體電感互連遠小于每層金屬電感邊長，即作為電感一部分的金屬線減?。蝗绻_到與常規(guī)矩形集成電感相同的金屬線長度，那么需要立體電感轉常規(guī)電感2倍圈數(shù)達到相似金屬線長度；但是由于立體電感利用兩層金屬，并且立體電感利用層間介質做中空面積，其節(jié)省了電感所需面積。平面矩形電感占據(jù)面積為(L+2(n-1)×S+2(n-1)×W)2；而立體電感占據(jù)的面積則為L×(L+n×W+(n-1)×S)；其中，n代表電感圈數(shù)，L代表矩形電感最內金屬長度，W代表金屬寬度，S代表金屬間距。由此可見，立體電感減小了電感所占面積。
因此，立體電感不同于一般平面電感，中空面積的增加，并不會引起面積的增加。
本發(fā)明所述的襯底層，與常規(guī)的電感相同，包括Si襯底、場氧層、多晶硅層和二氧化硅隔離層。在Si襯底上首先氧化一層二氧化硅，形成場氧，然后淀積多晶硅，形成多晶硅層；再淀積底層金屬和多晶硅層之間隔離的介質層二氧化硅，快速熱退火，形成致密的二氧化硅隔離層。
本發(fā)明的襯底層中的Si襯底可以采用體硅襯底和SOI(Silicon-On-Insulator)襯底，這兩種襯底材料均廣泛的應用于集成電路的加工領域。
在本發(fā)明的頂層平行金屬線上可以再淀積一層二氧化硅，形成二氧化硅鈍化層，用來保護頂層平行金屬線以及接觸孔，但pad處不需要進行鈍化。
為了提高立體電感的性能，可以在立體電感中加入一個磁芯，提高磁能的存儲效果。如圖18和19所示，在二氧化硅介質層的中心，設有條狀的磁性材料形成的磁芯，該磁性材料可以為鎳鐵合金或鈷磷等材料。
本發(fā)明的所述的立體集成電感的制造方法，包括如下步驟步驟一、對制作電感的原始硅片進行加工，完成立體電感襯底層的制作；步驟二、在襯底上面濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，采用光刻刻蝕該層金屬，形成電感底層金屬圖形；步驟三、采用等離子體增強淀積的手段，在金屬層間形成二氧化硅介質層，其厚度為1-1.5微米；或先淀積一層厚度為0.5-0.9微米的二氧化硅，然后刻蝕深0.3-0.6微米的槽，在槽中電淀積磁性材料后，再淀積0.5-0.8微米的二氧化硅；步驟四、刻蝕接觸孔，再濺射第二層金屬，厚度為1.2-1.5微米，通過接觸孔的內表面濺射的金屬形成兩層金屬互連，采用光刻對第二層金屬進行刻蝕，形成電感線圈，完成立體集成電感基本制作。
半導體制造技術中有兩種常用的腐蝕工藝濕法腐蝕和干法刻蝕。干法刻蝕，在集成電路制造領域是一種成熟的工藝，有著廣泛的應用。
干法刻蝕主要包括以下步驟步驟100、設計掩膜版；步驟101、在待刻蝕的硅片表面涂膠；步驟102、通過光刻，去掉希望刻蝕部位的膠層；步驟103、ICP刻蝕表面；步驟104、去膠清洗。
所謂的設計掩膜版就是預先設計出要進行刻蝕的表面中那些部分需要刻蝕，然后控制光刻機在步驟102中去掉需要進行刻蝕部位的膠層。步驟101中膠層的厚度和步驟103進行腐蝕的時間，根據(jù)集成電路的需要來確定。等離子體刻蝕原理是通過高頻放電形成等離子體，這些具有一定能量和活性的原子、原子團、離子等基團通過化學反應和物理轟擊來進行腐蝕，在腐蝕過程中，每放電腐蝕一段時間就必須挺下來鈍化一段時間；再腐蝕，再鈍化；直到達到所需的要求。腐蝕時間和刻蝕時間的長短，對刻蝕的效果有很大的影響。由于膠層可以有效的阻擋這種等離子體的腐蝕，所以經(jīng)過腐蝕、去膠后，就可以得到掩膜版設計時設計的腐蝕效果。
本發(fā)明的制作方法，首先在襯底氧化一層二氧化硅，形成場氧，然后采用低壓化學汽相法，淀積一層多晶硅，再淀積金屬和多晶硅之間隔離的介質層二氧化硅，快速熱退火，形成致密的二氧化硅隔離層，完成襯底的加工。
在制作完成的襯底上，濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，按預先設定的版圖，光刻該層金屬，形成電感底層平行金屬線；然后采用等離子體增強淀積金屬層間的一層二氧化硅，厚度為1-1.5微米，形成底層和頂層平行金屬線之間的二氧化硅介質層。
光刻通孔，先濕法略腐蝕二氧化硅，干法刻蝕剩余的二氧化硅，去膠清洗，形成通孔；然后，濺射第二層金屬鋁，厚度為1.2-1.5微米，形成兩層金屬互連；光刻第二層金屬鋁，形成頂層平行金屬線，去膠清洗，合金形成歐姆接觸，完成立體螺旋電感的電感線圈的制作。
在頂層平行金屬線上可以淀積二氧化硅鈍化層，然后光刻壓焊孔，即先濕法略腐蝕鈍化層，干法刻蝕凈壓焊孔的鈍化層，去膠清洗。
下面結合具體的立體電感的制作，詳細的說明本發(fā)明立體電感的制造方法以下部分步驟后的附圖是制作電感過程中，經(jīng)過該步驟后得到的結果的示意圖(1)清洗原始片，去除雜質，如圖8所示；(2)氧化一層二氧化硅(場氧)，厚度，作為襯底與多晶硅引線的隔離，如圖9所示；(3)低壓化學汽相淀積多晶硅，如圖10所示；(4)淀積金屬和多晶硅之間隔離作用的二氧化硅，如圖11所示；(5)快速熱退火使二氧化硅氧化層致密，形成良好的隔離。
至此，完成了襯底的加工。以上的步驟(2)-(5)是CMOS加工工藝的基本步驟，對于本發(fā)明的加工電感而言，兩層二氧化硅以及之間的多晶硅完全可以直接為一層隔離作用的二氧化硅代替；但是本發(fā)明的電感是集成電感，許多元件可能同時加工完成，所以在實際應用過程中，襯底的加工是通過以上的步驟完成的。
(6)濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，作為底層平行金屬線的金屬，如圖12所示；(7)光刻該層金屬，形成立體電感底層平行金屬線圖形，該步驟采用干法刻蝕，刻蝕后，去膠清洗，如圖13所示；(8)合金，使鋁鈦形成良好的歐姆接觸；(9)等離子體增強淀積二氧化硅，厚度為1-1.5微米，作為層間介質，如圖14所示；
(10)光刻通孔，該步驟先濕法略腐蝕二氧化硅，然后用干法刻蝕剩余的二氧化硅，去膠清洗，如圖15所示；(11)濺射二層鋁，厚度為1.2-1.5微米，作為頂層平行金屬線的金屬，如圖16所示；(12)光刻第二層金屬鋁，形成電感上層金屬線圖形，該步驟采用干法刻蝕，刻蝕后，去膠清洗，如圖17所示；(13)合金，使鋁鈦形成良好的歐姆接觸。
至此，完成了兩層平行金屬線和內表面濺射金屬的接觸孔的加工，形成了單向繞行的立體電感結構。
為了保護電感，可以在淀積一層二氧化硅，作為鈍化層；然后在為壓焊塊刻出壓焊孔，便于與其他電路元件連接。
(14)淀積鈍化層，光壓焊孔；刻壓焊孔時，先濕法略腐蝕鈍化層，干法刻蝕凈壓焊孔的鈍化層，去膠清洗。
(15)測試電感。
為了提高電感存儲磁能的能力，可以在雙層金屬之間得介質增加一個磁芯材料，以提高電感的性能。
如果需要在電感中央加入磁芯，需要在上述的(8)之后增加如下步驟(901)等離子體增強淀積二氧化硅，厚度為0.5-0.9微米，作為層間介質；(902)ICP或RIE刻蝕放入磁芯部分的矩形槽，深0.3-0.6微米，磁芯的長寬根據(jù)電感大小變化；(903)在矩形槽中，采用電淀積方式淀積鎳鐵合金或鈷磷作為磁芯；(904)等離子體增強淀積二氧化硅，厚度為0.5-0.8微米，作為層間介質；(10)光刻通孔，該步驟先濕法略腐蝕二氧化硅，然后用干法刻蝕剩余的二氧化硅，去膠清洗。
以下的加工步驟與不加磁芯的立體電感制作步驟相同的步驟(11)-步驟(13)，經(jīng)過步驟(13)后，加入磁芯的立體電感如圖18所示。
本發(fā)明的立體集成電感，改變了傳統(tǒng)的平面電感的結構，采用立體結構，有效的減小了襯底渦流，具有很高的自諧振頻率(高于10GHz)。
最后所應說明的是以上實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解依然可以對本發(fā)明進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍的任何修改或局部替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種立體集成電感，其特征在于包括襯底層、二氧化硅介質層和單方向繞行立體螺旋的金屬線圈；所述的二氧化硅介質層設置在襯底層上；所述的底層平行金屬線設置在襯底與二氧化硅介質層之間，頂層平行金屬線設置在二氧化硅介質層上；所述的金屬線圈包括一組底層平行金屬線和一組頂層平行金屬線；底層和頂層平行金屬線，通過豎直穿過二氧化硅介質層的接觸孔內表面濺射的金屬相連，形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的立體螺旋的金屬線圈。
2.根據(jù)權利要求1所述的立體集成電感，其特征在于所述電感線圈的結構如下所述如果對于底層平行金屬線和頂層平行金屬線都從相同的一側，順次標號；則第一頂層金屬線的一端連接壓焊塊，另一端通過豎直穿過二氧化硅介質層的接觸孔內表面濺射的金屬，與第一底層金屬線的一端相連，第一底層金屬線的另一端以同樣的方式與第二頂層金屬線的一端相連，第二頂層金屬線的另一端以同樣的方式與第二底層金屬線的一端相連，順次連接，直到最后一條頂層金屬線一端連接到最后一條底層金屬線一端，一端連接另一個壓焊塊，形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的金屬線圈。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的立體集成電感，其特征在于所述的二氧化硅介質層的厚度為1-1.5微米，最佳為1.2-1.5微米。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的立體集成電感，其特征在于所述的底層平行金屬線和頂層平行金屬線成一定的角度，與接觸孔內表面的金屬一同形成以二氧化硅介質層為芯的單方向繞行的立體螺旋的金屬線圈。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的立體集成電感，其特征在于所述的Si襯底層可以采用體硅襯底和SOI襯底。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的立體集成電感，其特征在于所述的二氧化硅介質層的中心設有條狀的磁性材料，作為金屬線圈的磁芯。
7.一種立體集成電感的制造方法，其特征在于包括如下步驟步驟一、對制作電感的原始硅片進行加工，完成立體電感襯底層的制作；步驟二、在襯底上面濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，采用光刻刻蝕該層金屬，形成電感底層金屬圖形；步驟三、采用等離子體增強淀積的手段，在金屬層間形成二氧化硅介質層，其厚度為1-1.5微米；或先淀積一層厚度為0.5-0.9微米的二氧化硅，然后刻蝕深0.3-0.6微米的槽，在槽中電淀積磁性材料后，再淀積0.5-0.8微米的二氧化硅；步驟四、刻蝕接觸孔，再濺射第二層金屬，厚度為1.2-1.5微米，通過接觸孔的內表面濺射的金屬形成兩層金屬互連，采用光刻對第二層金屬進行刻蝕，形成電感線圈，完成立體集成電感基本制作。
8.根據(jù)權利要求7所述的立體集成電感的制造方法，其特征在于所述的步驟一，包括如下過程首先在襯底氧化一層二氧化硅，形成場氧，然后采用低壓化學汽相法，淀積一層多晶硅，再淀積金屬和多晶硅之間隔離的介質層二氧化硅，快速熱退火，形成致密的二氧化硅隔離層，完成襯底的加工。
9.根據(jù)權利要求7所述的立體集成電感的制造方法，其特征在于所述的步驟二，包括步驟20、濺射一層金屬，厚度為0.8-1.2微米，作為底層平行金屬線的金屬；步驟21、光刻該層金屬，形成立體電感底層平行金屬線圖形；該步驟采用干法刻蝕，刻蝕后，去膠清洗；步驟22、合金，使金屬形成良好的歐姆接觸。
10.根據(jù)權利要求7所述的立體集成電感的制造方法，其特征在于所述的步驟三，制作帶有磁芯的二氧化硅介質層，包括首先，等離子體增強淀積二氧化硅，厚度為0.5-0.9微米，作為層間介質；然后，采用ICP或RIE刻蝕放入磁芯部分的矩形槽，深0.3-0.6微米，磁芯的長寬根據(jù)電感大小變化；在槽中淀積磁性材料作為磁芯；再采用等離子體增強淀積二氧化硅，厚度為0.5-0.8微米，作為層間介質。
11.根據(jù)權利要求7所述的立體集成電感的制造方法，其特征在于所述的步驟四，包括步驟40、光刻通孔，即先濕法略腐蝕二氧化硅，再干法刻蝕剩余的二氧化硅，去膠清洗；步驟41、濺射二層鋁，厚度為1.2-1.5微米，作為頂層平行金屬線的金屬；步驟42、光刻第二層金屬鋁，即干法刻蝕第二層金屬鋁，形成立體螺旋電感線圈，去膠清洗；步驟43、合金，使金屬形成良好的歐姆接觸。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種立體集成電感，包括襯底層、底層平行金屬線、二氧化硅介質層和頂層平行金屬線；所述的底層平行金屬線設置在襯底與二氧化硅介質層之間，頂層平行金屬線設置在二氧化硅隔離層上，通過穿過二氧化硅介質層內表面濺射有金屬接觸孔與底層平行金屬線相連，形成單方向繞行的金屬線圈；本發(fā)明提出的新型三維立體集成電感，采用常規(guī)工藝，即可實現(xiàn)三維立體結構，改變傳統(tǒng)電感的二維結構。從根本上抑制了襯底渦流。并且該發(fā)明可以用于各類型襯底結構。同時電感各結構參數(shù)可以根據(jù)實際需要和工藝水平調節(jié)，具有很大的靈活性。并且，本發(fā)明立體電感中空面積的增加，并不會引起面積的增加，因此，在射頻電路具有非常廣闊的應用前景。
文檔編號H01L27/01GK1635637SQ20031012348
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月29日 優(yōu)先權日2003年12月29日
發(fā)明者趙冬燕, 張國艷, 黃如 申請人:北京大學