CN101047059B - 金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其适用于同时形成一金属-绝缘物-金属电容器与变压器。此制造方法为，先提供已形成有至少一介电层的一基板。然后，于基板上形成图案化的金属-绝缘物-金属电容器的第一金属层，且同时形成变压器的第一金属线圈。接着，形成一绝缘层，以覆盖基板、第一金属层与第一金属线圈。之后，于绝缘层上形成图案化的金属-绝缘物-金属电容器的第二金属层，且同时形成变压器的第二金属线圈。

Description

金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电感元件及其制造方法，尤其涉及一种金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法。

背景技术

由于，变压器具备高效率、无磁漏、低噪声等优点，因此已成为目前射频集成电路中不可或缺的元件之一。另外，变压器的应用范围可以说是相当地广泛，例如可应用于微波与RF电路上。

变压器主要是由一个磁芯(core)与两个线圈，主要线圈(primary coil)与二次线圈(secondary coil)，组合而成。一般而言，变压器是以磁芯为媒介，而将两个线圈绕制于其上，因此将交流电流通至主要线圈时，会在磁芯内产生与线圈成直交的磁束，利用此磁束，在二次线圈产生电压，此电压的大小与所绕的圈数成正比。

更详细而言，传统变压器的结构包括共平面(co-plane)型与非共平面(non-co-plane)型的二种变压器。其中，共平面型的变压器是在同一平面上制作，因此其所占的面积过大，而这会造成所设计出的射频电路面积过大，导致成本增加。另外，非共平面型的变压器的两个线圈之间的间距(space)较大，因此会造成变压器的耦合(coupling)系数不高的问题，进而影响元件的效能与可靠度。

承上述，在现今对于元件尺寸的要求越来越小的趋势下，传统变压器的工艺与结构已无法满足设计上的需求。因此，如何解决上述问题，以有效节省面积是目前工艺所关心的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，能够有效节省芯片面积，且可缩短线圈之间的间距，以提高耦合系数。

本发明的另一目的是提供一种金属-绝缘物-金属的变压器，可有效缩短线圈之间的间距，提高耦合系数以及元件效能与可靠度。

为达本发明的上述目的，本发明提出一种金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其适用于同时形成一金属-绝缘物-金属电容器与变压器。此制造方法为，先提供已形成有至少一介电层的一基板。然后，于基板上形成图案化的金属-绝缘物-金属电容器的第一金属层，且同时形成变压器的第一金属线圈。接着，形成一绝缘层，以覆盖基板、第一金属层与第一金属线圈。之后，于绝缘层上形成图案化的金属-绝缘物-金属电容器的第二金属层，且同时形成变压器的第二金属线圈。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的图案相同。在另一实施例中，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的图案不同。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数相同。在另一实施例中，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数不同。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属层与第一金属线圈的材质相同，其例如是氮化钛、氮化钽、铝或铜。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第二金属层与第二金属线圈的材质相同，其例如是氮化钛、氮化钽、铝或铜。

依照本发明的优选实施例所述，上述的绝缘层的材质例如是氧化硅-氮化硅-氧化硅或氮化硅-氧化硅。

本发明另提出一种金属-绝缘物-金属的变压器，其包括第一金属线圈、第二金属线圈以及绝缘层。第一金属线圈是围绕出一第一区域，而第二金属线圈配置于第一金属线圈上方，且第二金属线圈是围绕出一第二区域，其中第二区域与第一区域是相对应部分重叠。绝缘层配置于第一金属线圈与第二金属线圈之间，而绝缘层与金属-绝缘物-金属电容器的绝缘物相同。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的图案相同。在另一实施例中，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的图案不同。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数相同。在另一实施例中，上述的第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数不同。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第一金属线圈的材质例如是氮化钛、氮化钽、铝或铜。

依照本发明的优选实施例所述，上述的第二金属线圈的材质例如是氮化钛、氮化钽、铝或铜。

依照本发明的优选实施例所述，上述的绝缘层的材质例如是氧化硅-氮化硅-氧化硅或氮化硅-氧化硅。

综上所述，本发明是利用一般制作金属-绝缘物-金属电容器的工艺，来形成金属-绝缘物-金属的变压器。因此，本发明的变压器所占的芯片面积较小，且其二线圈的间距可较为缩小，如此可提高变压器的耦合系数以及元件效能。另外，本发明的金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法也可与形成金属-绝缘物-金属电容器的工艺同时进行，因此可节省工艺成本。

为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A至图1C为依照本发明一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图；

图2A至图2C为依照本发明另一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图；

图3A至图3C为依照本发明又一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图；

图4、图5、图7、图8与图9为依照本发明实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的第一金属线圈与第二金属线圈的上视图；

图6为依照本发明实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的示意图。

主要元件符号说明

100、200、300：基底

102、202、302：介电层

104、204、304：第一金属层

106、206、306、610：第一金属线圈

108、208、308、630：绝缘层

110、210、310：第二金属层

112、212、312、620：第二金属线圈

600：金属-绝缘物-金属的变压器

611：第一区域

621：第二区域

具体实施方式

现有变压器会有面积较大以及线圈之间的间距(space)较大等问题，而影响工艺成本以及元件效能。因此，本发明提出一种金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法，以解决上述的问题。

图1A至图1C为依照本发明一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图。

首先，请参照图1A，提供一基底100，此基底100上至少形成有介电层102。介电层102的材质例如是氧化硅、氮化硅、低介电常数材料等一般所熟知的介电材料，其形成方法例如先以化学气相沉积法(CVD)，沉积一层介电层(未绘示)于基底100上，然后再以化学机械抛光法(CMP)进行平坦化步骤，以形成的。此处本领域技术人员当知介电层102可为多层的结构，并且在基底100上与介电层102中可形成有多个元件与金属内连线。

接着，请继续参照图1A，于基板100上同时形成图案化的第一金属层104与第一金属线圈106。第一金属层104与第一金属线圈106的材质可例如是氮化钛(TiN)或其他合适的金属，其形成方法例如是气相沉积法、溅镀法或其他合适的方法。其中，第一金属线圈106的上视图如图4所示，其图案例如是呈同心方形螺旋状。第一金属层104例如是金属-绝缘物-金属电容器(metal-insulator-metal capacitor，MIM capacitor)的下电极，亦即是在进行金属-绝缘物-金属电容器的制作过程中，可以在相同工艺中形成第一金属线圈106。

之后，请参照图1B，形成一绝缘层108，以覆盖基板100、第一金属层104与第一金属线圈106。绝缘层108例如是与金属-绝缘物-金属电容器的绝缘物相同，其材质可例如是氧化硅-氮化硅-氧化硅(ONO)、或氮化硅-氧化硅(NO)或其他适合的材料。

随后，请参照图1C，于绝缘层108上同时形成图案化的第二金属层110以及第二金属线圈112。第二金属层110以及第二金属线圈112的材质可例如是氮化钛或其他合适的金属，其形成方法例如是气相沉积法、溅镀法或其他合适的方法。其中，第二金属线圈112的上视图如图5所示，其图案例如是呈同心方形螺旋状。第二金属层110例如是金属-绝缘物-金属电容器的上电极，亦即是在进行金属-绝缘物-金属电容器的制作过程中，可以在相同工艺中形成第二金属线圈112。第一金属线圈106、第二金属线圈112以及形成于二者间的绝缘层108可构成一金属-绝缘物-金属的变压器(metal-insulator-metal transformer，MIM transformer)。

特别要说明的是，本发明的金属-绝缘物-金属的变压器是利用一般形成金属-绝缘物-金属电容器的工艺所制作的。因此，本发明的变压器的二线圈的间距可较为缩小，如此可提高变压器的耦合(coupling)系数以及元件效能。另一方面，本发明的变压器也可有效节省芯片面积，进而可节省工艺成本。

此外，本发明并不限于上述的工艺步骤。以下是列举多个实施例以更加详细说明本发明。

图2A至图2C为依照本发明另一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图。

首先，请参照图2A，提供一基底200，此基底200上至少形成有介电层202。介电层202的材质例如是氧化硅、氮化硅、低介电常数材料等一般所熟知的介电材料，其形成方法例如先以化学气相沉积法，沉积一层介电层(未绘示)于基底200上，然后再以化学机械抛光法进行平坦化步骤，以形成的。此处本领域技术人员当知介电层202可为多层的结构，并且在基底200上与介电层202中可形成有多个元件与金属内连线。

之后，于基板200上的介电层202中同时形成图案化的第一金属层204以及第一金属线圈206。第一金属层204以及第一金属线圈206的材质例如是铜或其他合适的金属，其形成方法例如是以一般所熟知的金属镶嵌工艺，首先于介电层202中形成图案化的开口(未图示)，再将金属材料以例如是溅镀法、化学气相沉积法或电镀等方法填入开口中，以形成的。

之后，请参照图2B，形成一绝缘层208，以覆盖基板200、第一金属层204与第一金属线圈206。绝缘层208例如是与金属-绝缘物-金属电容器的绝缘物相同，其材质可例如是氧化硅-氮化硅-氧化硅、或氮化硅-氧化硅或其他适合的材料。

接着，请参照图2C，于绝缘层208上同时形成图案化的第二金属层210以及第二金属线圈212。第二金属层210以及第二金属线圈212的材质可例如是铜或其他合适的金属，其形成方法例如是气相沉积法、溅镀法或其他合适的方法。第一金属线圈206、第二金属线圈212以及形成于二者间的绝缘层208可构成一金属-绝缘物-金属的变压器。

图3A至图3C为依照本发明又一实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法的剖面示意图。

首先，请参照图3A，提供一基底300，此基底300上至少形成有介电层302。介电层302的材质例如是氧化硅、氮化硅、低介电常数材料等一般所熟知的介电材料，其形成方法例如先以化学气相沉积法，沉积一层介电层(未绘示)于基底300上，然后再以化学机械抛光法进行平坦化步骤，以形成的。此处本领域技术人员当知介电层302可为多层的结构，并且在基底300上与介电层302中可形成有多个元件与金属内连线。

之后，于基板300上的部分介电层302表面上同时形成图案化的第一金属层304以及第一金属线圈306。第一金属层304以及第一金属线圈306的材质例如是氮化钽(TaN)或其他合适的金属，其形成方法例如是先于介电层302中形成图案化的开口(未图示)，再将金属材料以例如是溅镀法或化学气相沉积法等方法填入开口的侧壁，以形成的。

之后，请参照图3B，形成一绝缘层308，以覆盖基板300、第一金属层304与第一金属线圈306。绝缘层308例如是与金属-绝缘物-金属电容器的绝缘物相同，其材质可例如是氧化硅-氮化硅-氧化硅、或氮化硅-氧化硅或其他适合的材料。

接着，请参照图3C，于绝缘层308上同时形成图案化的第二金属层310以及第二金属线圈312。第二金属层310以及第二金属线圈312的材质可例如是氮化钽或其他合适的金属，其形成方法例如是气相沉积法、溅镀法或其他合适的方法。第一金属线圈306、第二金属线圈312以及形成于二者间的绝缘层308可构成一金属-绝缘物-金属的变压器。

在上述实施例中，金属(第一金属层、第二金属层、第一金属线圈与第二金属线圈)的材质并不限定于上述所提及的材质，其还可例如是铝或其他合适的金属。

接下来，说明利用本发明的方法所形成的金属-绝缘物-金属的变压器的结构。

请参照图6，其为依照本发明实施例所绘示的金属-绝缘物-金属的变压器的示意图。金属-绝缘物-金属的变压器600是由第一金属线圈610、第二金属线圈620以及绝缘层630所组成。其中，第一金属线圈610是围绕出一第一区域611。第二金属线圈620配置于第一金属线圈610上方，其是围绕出一第二区域621，而第二区域621与第一区域611是相对应部分重叠。另外，绝缘层630配置于第一金属线圈610与第二金属线圈620之间，特别是绝缘层630与金属-绝缘物-金属电容器的绝缘物相同。

在上述实施例中，本发明是以变压器的第一金属线圈与第二金属线圈的图案呈同心方形螺旋状为例，且第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数为2做说明，然本发明并不限定于此。本发明的第一金属线圈与第二金属线圈的图案可例如是同心圆形螺旋状(如图7所示)、同心八角形螺旋状(如图8所示)、同心多边形螺旋状(如图9所示)或其他适合的图案。

在一实施例中，第一金属线圈与第二金属线圈的图案可相同，也可不同。在另一实施例中，第一金属线圈与第二金属线圈的线圈数可相同，也可不同。

综上所述，本发明是利用一般制作金属-绝缘物-金属电容器的工艺，来形成金属-绝缘物-金属的变压器。因此，本发明的变压器的二线圈的间距可较为缩小，如此可提高变压器的耦合系数以及元件效能。而且，本发明的变压器所占的芯片面积较小，可节省工艺成本。

另一方面，本发明的金属-绝缘物-金属的变压器及其制造方法也可与形成金属-绝缘物-金属电容器的工艺同时进行，因此可节省工艺成本。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

Claims (8)

1.一种金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，适用于同时形成一金属-绝缘物-金属电容器与该变压器，该制造方法包括：

提供已形成有至少一介电层的一基板；

于该基板上形成图案化的该金属-绝缘物-金属电容器的一第一金属层，且同时形成该变压器的一第一金属线圈；

形成一绝缘层，以覆盖该基板、该第一金属层与该第一金属线圈；以及

于该绝缘层上形成图案化的该金属-绝缘物-金属电容器的一第二金属层，且同时形成该变压器的一第二金属线圈。

2.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第一金属线圈与该第二金属线圈的图案相同。

3.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第一金属线圈与该第二金属线圈的图案不同。

4.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第一金属线圈与该第二金属线圈的线圈数相同。

5.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第一金属线圈与该第二金属线圈的线圈数不同。

6.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第一金属层与该第一金属线圈的材质相同，其包括氮化钛、氮化钽、铝或铜。

7.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该第二金属层与该第二金属线圈的材质相同，其包括氮化钛、氮化钽、铝或铜。

8.如权利要求1所述的金属-绝缘物-金属的变压器的制造方法，其中该绝缘层的材质包括氧化硅-氮化硅-氧化硅或氮化硅-氧化硅。 

Images