CN101494112B - 一种线圈电感的形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种线圈电感的形成方法，包含下列步骤：形成多个底部导电结构于第一电介质层上；接着形成多对侧部导电结构，其中每对侧部导电结构分别直立形成于每个底部导电结构的第一端点及第二端点上；形成第二电介质层于该第一电介质层上，该第二电介质层覆盖该底部导电结构及侧部导电结构；以及形成多个顶部导电结构于该第二电介质层上，其中每个顶部导电结构电性连接每一对侧部导电结构；所述底部导电结构、侧部导电结构及顶部导电结构共同形成该线圈电感结构。

Description

一种线圈电感的形成方法
技术领域
本发明涉及一种线圈电感的形成方法，且特别涉及一种减少能量损失的线圈电感的形成方法。
背景技术
传统的电感制造方式是利用导电材料在硅衬底(substrate)上形成线圈。线圈可为形成于介电膜上的螺旋状结构。如图1的螺旋状电感的俯视图所示，传统的螺旋状电感为螺旋状结构的电感线圈102平放在衬底表面104上，线圈102的两个端点106及108分别电性连接于一转接垫(transfer pad)。流经电感线圈102的电流产生感应系数L及质量因子Q。同时，也会产生流过衬底，称为涡流(eddy current)的微小电流。
涡流可视为在衬底上耗费的功率，并产生了电感的能量损失，降低质量因子Q，即电感的性能。质量因子Q定义为电感内储存的能量与电感的功率损耗的比值。因此，当涡流产生的功率损耗变大，更多的质量因子Q将因此降低。因此，制造硅衬底上的电感的挑战常来自于如何降低涡流的产生。
因此，如何设计一个能减少涡流，进而使质量因子提高的电感结构，为本领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种线圈电感的形成方法，以获得涡流减少、质量因子提高的电感结构。
为达到上述目的，本发明提供一种线圈电感的形成方法，其中该线圈电感为螺线管状的结构，该形成方法包含下列步骤：形成多个底部导电结构于第一电介质层上；形成多对侧部导电结构，其中每对侧部导电结构分别直立形成于每个底部导电结构的第一端点及第二端点上；形成第二电介质层于该第一电介质层上，该第二电介质层覆盖该底部导电结构及侧部导电结构；以及形成多个顶部导电结构于该第二电介质层上，其中每个顶部导电结构电性连接每一对侧部导电结构；该底部导电结构、侧部导电结构及顶部导电结构共同形成该线圈电感结构。
为达到上述目的，本发明还提供了另一种线圈电感的形成方法，其中该线圈电感为螺旋状的结构，该形成方法包含下列步骤：形成光刻胶层于第一电介质层上；图案化该光刻胶层以形成螺旋状图案；根据该螺旋状图案电镀(plating)导电螺旋状结构于该第一电介质层上；移除该光刻胶层；以及形成铁磁芯(ferromagnetic core)于该导电螺旋状结构的中心。
虽然本发明已经以一较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改变与变形，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的为准。
为让本发明的上述和具它目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，下面结合附图详细说明。
附图说明
图1是现有技术中的螺旋状电感的俯视图；
图2为通过本发明的第一实施例的形成方法所制造的线圈电感的立体图；
图2A-2F为线圈电感在本发明的第一实施例的形成方法的各步骤后，沿A线的剖面图；
图3为通过本发明的第二实施例的形成方法所制造的线圈电感的立体图；
图3A-3G为具有铁磁芯的线圈电感在本发明的第二实施例的形成方法的各步骤后，沿B线的剖面图；
图4为在本发明的第三实施例中，具有铁磁芯的螺旋状线圈电感的俯视图；
图4A-4F为线圈电感在本发明的第三实施例的形成方法的各步骤后，沿C线的剖面图；以及
图5为集成电路芯片的剖面图。
【主要器件符号说明】
102：电感线圈         104：衬底表面
106、108：端点        200：线圈电感
202：第一电介质层           204：导电线圈电感结构
206：衬底                   208：终端接点
210：导电连接件             212：底部导电结构
214：侧部导电结构           218：第二电介质层
220：顶部导电结构           302：铁磁芯
304：沟槽                   306：光刻胶层
308：侧部导电结构延伸部     310：第三电介质层
312：光刻胶层               402：光刻胶
404：导电螺旋层             406：光刻胶层
408：铁磁芯                 500：集成电路芯片
502：晶体管层               504：金属层
506：金属层间电介质层       508：连接点
510：钝化层                 512：电介质层
514：导电线圈结构           516：铁磁芯
518：晶体管                 520：导电连接件
具体实施方式
一般来说，接近电感的材料所感受到的电场强度，与电感及材料间的距离成反比。根据麦克斯韦方程式(Maxwell’s equations)，可以导出电感外的电场与其距离成反比。此关系在电感在低频率、电场计算点在非导体内时可以被轻易导出，然而当电感高频率工作且电场计算点在如硅衬底的导体内时，推导过程将复杂许多。然而，不论工作频率及所在材料是否为导电材料，当一个物体离带电粒子愈远，物体所感受到的磁场愈小。因此，衬底内的涡流将可通过增加线圈电感及衬底间的距离而减少。
请参考图2，为通过本发明的第一实施例的形成方法所制造的线圈电感的立体图。在本实施例中，线圈电感200可为借由第一电介质层202而与衬底206间隔一距离的螺线管状的结构204。在图2A中，示出线圈电感在形成方法的第一个步骤后，沿着A线的剖面图。在第一步骤中，提供具有两个终端接点208的硅衬底206。两个终端接点208为两个金属接点。形成在两个终端接点208上的是两个导电连接件210，以将终端接点208电性连接到导电线圈电感结构204。两个导电连接件210由平版印刷术(lithography)工艺及电镀工艺形成。其中电镀工艺可为铜电镀工艺。第一电介质层202接着形成于衬底206上方并覆盖导电连接件210。第一电介质层202至少具有5um的厚度，以使衬底206及导电线圈电感结构204间具有一足够的间隔距离。当第一电介质层202形成后，导电线圈电感结构204即形成于其上。其中，第一电介质层由环氧化物(epoxy)或聚酰胺(polyamide)形成。
请参考图2B，示出线圈电感在形成方法的第二个步骤后，沿着A线的剖面图。第二步骤包含形成多个底部导电结构212于第一电介质层202上。底部导电结构212由金属，如铜，电镀于第一电介质层202上，且最外部两侧的底部导电结构212分别电性连接两个导电连接件210。对照图2，导电线圈电感结构204为截面为方形的螺线管状结构，而底部导电结构212则为导电线圈电感结构204的底侧。
接着参考图2C，示出线圈电感在形成方法的第三个步骤后，沿着A线的剖面图。在第三步骤中，多对侧部导电结构214分别直立形成并电性连接每个底部导电结构212的第一端点及第二端点上。侧部导电结构214的形成过为：先通过形成一层光刻胶于第一电介质层202上，其中此光刻胶层可为干膜光刻胶层；接着，图案化光刻胶层以形成多个开孔，最后，通过金属，如铜，电镀于开孔中，以形成侧部导电结构214。对照图2，侧部导电结构214是为螺线管状结构的导电线圈电感结构204的两侧。
接着参考图2D，示出线圈电感在形成方法的第四个步骤后，沿着A线的剖面图。在第四步骤中，光刻胶层被移除以曝露出侧部导电结构214及底部导电结构212。在第五步骤，如图2E所示，第二电介质层218形成在该第一电介质层202上并覆盖底部导电结构212及侧部导电结构214。第二电介质层218由环氧化物或聚酰胺形成。第二电介质层218接着通过抛光(polishing)过程而曝露出侧部导电结构214。
在最后一个步骤中，如图2F所示，形成多个顶部导电结构220在第二电介质层218上，其中每个顶部导电结构220电性连接每一对侧部导电结构214；底部导电结构212、侧部导电结构214及顶部导电结构220共同形成导电线圈电感结构204。因此，电流可由两个终端接点208流过导电线圈电感结构204。顶部导电结构220由平版印刷术工艺及电镀工艺形成，如形成一层光刻胶于第二电介质层218上，以蚀刻方式图案化光刻胶层，将金属电镀于蚀刻出的图案中，再移除光刻胶层。并且，在形成任何导电结构于第一及第二电介质层202及218上之前，电介质层上均可先形成种晶层(seed layer)(未示出)。
在本发明的第二实施例中，是将一铁磁芯302植入线圈电感200的中心。请参考图3，为通过本发明的第二实施例的形成方法所制造的线圈电感的立体图。通过本实施中，穿过线圈中心的铁磁芯，感应系数将因铁磁芯的磁导率而改变，质量因子Q也将因此改变。更高的质量因子，代表较少的能量损失，即由涡流所消耗的能量减少。此关系可由下列方程式表示：
L = μ 0 μ r N 2 A l - - - ( 1 )
Figure S2008100897098D00052
其中L为线圈电感的感应系数，μ0为真空的磁导率，μr为铁磁芯的磁导率，N为线圈的匝数，A为线圈截面的面积，单位为平方米，l为线圈的长度，单位为米，Q为质量因子，ω为频率，R为电阻值。
因此，如L值因为植入具有高磁导率的铁磁芯而增加，质量因子Q也随之增加。
请参考图3A，示出线圈电感在第一实施例的形成方法的第五个步骤后，沿着B线的剖面图。第二电介质层218被蚀刻形成沟槽304，以进行铁磁芯302的植入。在另一实施例中，也可不形成沟槽304，而直接将铁磁芯302置于第二电介质层218的表面上。
请参考图3B，示出第一实施例的线圈电感200沿着B线的剖面图。光刻胶层306形成于第二电介质层218之上，接着光刻胶层306被蚀刻以曝露出沟槽304。更进一步地，铁磁芯302通过电镀过程而植入于沟槽304。铁磁芯由铁、镍或钴或其组合形成。
下一个步骤如图3C所示，光刻胶层306接着再被蚀刻以曝露出侧部导电结构214。多个侧部导电结构延伸部308形成于蚀刻出的空间中，以垂直地延伸侧部导电结构214，使侧部导电结构214的高度超过铁磁芯302的高度。
如图3D所示，光刻胶层306被移除。在此步骤，在光刻胶层306形成前已形成于第二电介质层218上的种晶层(未示出)也被蚀刻。
接着请参考图3E，第三电介质层310形成在第二电介质层218上并覆盖铁磁芯302及侧部导电结构延伸部308。第三电介质层310接着进行抛光过程以曝露侧部导电结构延伸部308。第三电介质层310由环氧化物或聚酰胺形成，与第二电介质层218共同包覆住铁磁芯302。铁磁芯302因此与导电线圈电感结构204绝缘。
图3F中，导电线圈电感结构204是在沉积一种晶层(未示出)于第三介电层310上，且光刻胶层312被蚀刻以电镀形成顶部导电结构220后完成。顶部导电结构220电性连接侧部导电结构延伸部308。
最后，图3G示出本发明第二实施例的形成方法所形成的具有铁磁芯302的线圈电感200，沿B线的剖面图。光刻胶层312被移除，且种晶层(未示出)被蚀刻掉。
更进一步地，请参考图4，本发明的第三实施例中具有铁磁芯408的螺旋状线圈电感的俯视图。在本实施例中，形成在第一电介质层202上的是具有螺旋状的结构，该结构可通过平版印刷术工艺及电镀工艺形成。请参考图4A，示出根据本发明的第三实施例，在形成两个导电连接件210及第一电介质层202后，线圈电感400沿C线的剖面图。光刻胶层402在种晶层(未示出)沉积在第一电介质层202上后形成，并接着被蚀刻使第一电介质层202的部分上表面曝露以进行电镀工艺。
接着如图4B所示，导电螺旋层404通过电镀形成于上述曝露的区域并与两个导电连接件210相电性连接。图4C中，光刻胶层402被移除。如不进行铁磁芯的工艺，此时即蚀刻种晶层而完成线圈电感的制造。然而，如欲植入铁磁芯，将再进行平版印刷术过程。
请参考图4D，光刻胶层406形成于第一电介质层202上并覆盖导电螺旋层404。光刻胶层406接着被图案化以形成开口于导电螺旋层404的中心。
接着如图4E所示，铁磁芯408被电镀入开口中。铁磁芯408由铁、镍或钴或其组合形成。最后如图4F所示，光刻胶层406被移除，且种晶层(未示出)被蚀刻而完成线圈电感的形成过程。
上述的本发明的实施例提供可通过第一电介质层202及两个导电连接件210以降低衬底中的涡流的线圈电感。因此，当第一电介质层202的厚度超过5um，涡流将可大幅降低。铁磁芯也可被植入线圈电感的中心以提供高感应系数，并进一步再降低能量损耗。
图5示出形成于集成电路芯片中的线圈电感，为集成电路芯片500的剖面图，包含晶体管层502、金属层504、金属层间电介质层(inter-metal dielectric；IMD)506、连接点508、钝化层(passivation layer)510、电介质层512、导电线圈结构514及铁磁芯516。晶体管层为包含晶体管518的硅衬底。晶体管518电性连接由金属层504形成的电容，其中金属层504由金属层间电介质层506与晶体管518隔开。金属层504通过连接点508，如金属连接点及钝化层510以与嵌入于电介质层512的导电连接件520相连接。导电线圈结构514接着形成于电介质层512上，以在导电连接件520间产生电感。如前述的实施例所示，铁磁芯516可由电镀形成于导电线圈结构514的中心以增加电感的感应系数。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改变与变形，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定的为准。

Claims (13)

1.一种线圈电感的形成方法，其特征在于，该线圈电感为螺线管状的结构，该形成方法包含下列步骤：
形成多个底部导电结构于第一电介质层上；
形成多对侧部导电结构，其中每对侧部导电结构分别直立形成于每个底部导电结构的第一端点及第二端点上；
形成第二电介质层于该第一电介质层上，该第二电介质层覆盖所述底部导电结构及侧部导电结构；以及
形成多个顶部导电结构于该第二电介质层上，其中每个顶部导电结构电性连接每一对侧部导电结构；所述底部导电结构、侧部导电结构及顶部导电结构共同形成该线圈电感结构。
2.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，还包含下列步骤：
提供硅衬底；以及
形成该第一电介质层于该硅衬底上。
3.根据权利要求2所述的形成方法，其特征在于，该硅衬底包含两个终端接点在该硅衬底上。
4.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，该两个终端接点为转接垫。
5.根据权利要求3所述的形成方法，其特征在于，还包含步骤：
形成两个导电连接件于该两个终端接点上，其中该线圈电感结构的两个端点分别连接在该两个导电连接件上。
6.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，该第一电介质层至少为5um厚。
7.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，该第一电介质层由环氧化物或聚酰胺形成。
8.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，该第二电介质层由环氧化物或聚酰胺形成。
9.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述底部导电结构、侧部导电结构及顶部导电结构由平版印刷术工艺及电镀工艺形成。
10.根据权利要求1所述的形成方法，其特征在于，还包含步骤：形成铁磁芯于该线圈电感结构的中心。
11.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，该铁磁芯由铁、镍或钴或其组合形成。
12.根据权利要求10所述的形成方法，其特征在于，该铁磁芯是在该第二电介质层形成后，由平版印刷术工艺及电镀工艺形成。
13.根据权利要求12所述的形成方法，其特征在于，还包含步骤：蚀刻该第二电介质层以形成沟槽于该第二电介质层上，以使该铁磁芯的一部分嵌入该沟槽中。
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