CN103681633B - 磁芯及其形成方法，以及包括该磁芯的集成电路、衬底、变压器和电感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及磁芯及其形成方法，以及包括该磁芯的集成电路、衬底、变压器和电感器。提供一种用于集成电路的磁芯，所述磁芯包括：多个磁性功能材料层；多个第一绝缘材料层；和至少一个第二绝缘材料层；其中将所述第一绝缘材料层插在所述磁性功能材料层之间以形成所述磁芯的子区段，并且将所述至少一个第二绝缘材料层插在相邻子区段之间。

Description

磁芯及其形成方法，以及包括该磁芯的集成电路、衬底、变压 器和电感器

相关文件的引用

本发明依据35U.S.C.§119(e)要求2012年9月4日提交的美国临时专利申请号61/696,446的优先权益。

技术领域

本发明涉及一种可在集成电路内或作为集成电路的一部分（例如，在硅衬底上）形成的磁芯，且涉及磁性组件，诸如在集成电路内形成的变压器和电感器。

背景技术

已知磁性组件诸如电感器和变压器具有许多用途。例如，电感器可用于制造滤波器和谐振电路，或可用于开关模式功率转换器以提高或降低用于产生不同输出电压的输入电压。变压器可用于将功率或信号从电路的一部分传输到电路的另一部分，同时提供高水平的电隔离。

可在集成电路环境内制造这些组件。例如，已知形成大致“螺旋”或近似于“螺旋”形状的间隔导体可形成在半导体衬底上，从而形成变压器。可将这种间隔的螺旋电感器以并行配置或堆叠配置放置。然而，这种变压器的性能通常受限于由螺旋导体形成的“线圈”之间的磁耦合。导体由诸如聚酰亚胺的绝缘材料包围着。这提供了必要的绝缘性能，以防止导体间彼此电气连接，但从磁耦合的角度来看，和“空气间隙”差不多。因此，这种变压器在变压器的绕组之间提供低效率且因此相对较差的功率传输。

已知在本领域的宏观尺度变压器中，变压器的绕组之间（例如，变压器的一次绕组和二次绕组之间）的耦合可以通过包含合适材料的芯子来增强。芯子通常由铁磁材料制成。宏观尺度变压器的制造商很快意识到，固态金属芯是低效的，由于其中感应涡流而导致变压器内的电阻损耗。宏观尺度变压器的制造商通过将芯子提供为铁磁材料的较薄片材的层状结构来克服这些涡流损耗，该铁磁材料通过绝缘层而彼此隔开。一般而言，可通过减小层压物的厚度来增加变压器的工作频率。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于集成电路的磁芯，该磁芯包括：

多个磁性功能材料层；

多个第一绝缘层；以及

至少一个第二绝缘层；其中将所述第一绝缘层插在所述磁性功能材料层之间以形成所述磁芯的子区段，并且将所述至少一个第二绝缘层插在所述磁芯的相邻子区段之间。

因此，能够形成磁芯，其中在一些实施方案中，磁性材料的层压区域通过第二绝缘材料形成的绝缘区域而彼此隔开，该第二绝缘材料不同于每个子区段内的层压磁性功能材料之间的绝缘材料。

使用不同的材料或不同厚度的同种绝缘材料使得芯子的特性能够被控制。

磁性功能材料可以是软磁性材料。有利地，磁性功能材料是铁磁材料，诸如镍-铁、镍-钴、铁-钴或钴-锆-钽。该材料列表不是详尽的。

可取的是，磁性功能材料层是均匀和连续的或无其它错置。可通过在合适的生长衬底上制造磁性材料层来提高磁性材料层的质量，该生长衬底可被认为是“籽晶层”，其作用是在沉积期间促进磁性功能层内的正确晶体生长。与镍-铁磁性功能层结合使用的合适籽晶层是氮化铝(AlN)。因此，该第一绝缘材料层具有控制磁活性层内的晶体生长，并且也在相邻的磁活性材料层之间形成绝缘层的作用。第一绝缘材料层的厚度可在几纳米至几十纳米之间变化。例如，第一绝缘材料层可在5纳米至30纳米之间。在示例性实施方案中，第一绝缘材料层具有10纳米左右的标称厚度。磁活性材料层可在约50nm至200nm之间，诸如约100nm。

虽然这种第一绝缘材料层为变压器或电感器的DC和低频激励绕组提供良好的绝缘，但是当频率增加时，相对较薄的第一绝缘材料层（例如10纳米厚的氮化铝层）作为相邻金属板之间的电介质，其在功能上相当于电容器。这种寄生电容的存在使得在更高频率下于层压结构内建立交变电流，且由此可再次导致涡流损耗。然而，第二绝缘层可以是与第一材料和/或降低的介电常数（其也可表示为降低的相对介电常数）相比具有较大宽度（或厚度）的材料层，提供每单位面积具有更低电容量的第二绝缘层，这破坏了磁芯的子区段之间的电容耦合。因此，与其间不具有这种第二绝缘层的那些结构相比，在更高频率下，这种结构可减少芯子内的涡流流动并降低变压器损耗。同样地，与形成不具有这种第二绝缘层的那些电感器相比，使用本文所述的磁芯形成的电感器损耗更少。

有利地，第二绝缘层由第二绝缘材料形成，该第二绝缘材料被选择为与半导体制造工艺兼容，从而避免附加的加工步骤。因此，在硅基制造工艺中，有利的是第二绝缘材料是基于半导体的材料，尤其是硅基化合物。例如，半导体氧化物（如二氧化硅）可方便地用作第二绝缘材料。第二绝缘材料可以沉积在比第一绝缘材料厚的层中，如上所述。这些层可以在几十纳米厚至几百纳米厚之间。在本发明的实施方案中，第二绝缘材料的厚度可在20纳米至200纳米之间。该厚度可部分地取决于设备所需的工作频率和集成电路的制造商或设计者设定的芯子厚度预算。

有利的是，该芯子在硅衬底上制造且由第一绕组和第二绕组环绕，从而形成变压器的一次线圈和二次线圈。该绕组可以例如在通过磁芯的上方或下方时是大致平面的，且然后可通过集成电路内的通孔或其它中间层连接件而连接在一起。

根据本发明的第二方面，提供了一种形成磁芯的方法，其包括在衬底上：

a)沉积第一绝缘层；

b)沉积磁性功能材料层；

c)重复步骤a)和步骤b)至少一次；

d)沉积第二绝缘层，所述第二绝缘层在厚度或成分中的至少一个与所述第一绝缘层不同；

e)沉积第一绝缘层；

f)沉积所述磁性功能材料层；

g)重复步骤e)和步骤f)至少一次。

各种材料层的沉积可发生在衬底的特定区域中或可在整个衬底/晶片上执行。其中在整个晶片上执行各层的沉积之后，可执行掩模和蚀刻步骤，以便将晶片上的沉积层分成彼此隔开的各种磁芯。然后，多个集成电路可形成在晶片上，且接着晶片可被切割，使得各个集成电路可放置在合适的封装内以形成最终的集成电路组件。

附图说明

现将仅通过非限制性实例的方式并参考附图来描述本发明，在附图中：

图1是具有在其上形成的变压器的晶片的一部分的平面图，该变压器包括磁芯；

图2是穿过图1中所示类型的磁芯的横截面；以及

图3是穿过构成本发明的实施方案的集成电路的横截面。

具体实施方式

图1示意性地示出形成于衬底4的一部分上的磁芯的实例，通常用参考数字2来表示。有利地，衬底4是半导体衬底，使得其它组件（如与变压器的一次绕组和二次绕组相关联的驱动电路和接收器电路）可形成在衬底4上。然而，在一些应用中，非半导体衬底材料也可用于其电气性能，如更高的阻抗。为了说明的目的，已省略了磁芯2周围的结构，如绝缘材料层，例如聚酰亚胺。因此，图1中仅示出的结构是衬底4、磁芯2和导电磁轨，该导电磁轨形成在平行于衬底4的平面（并且还平行于图1的平面）的第一层和第二层中，第一层和第二层位于磁芯2的上方和下方。第一导体层可被认为是在磁芯2上方，且因此，其比第二层更靠近观看者，第二层位于磁芯2与衬底4之间。通过磁芯2下方的导体在图1中以虚线表示，而通过磁芯2上方的导体以实线表示。第一绕组（例如，一次绕组10）可由线性磁轨区段12、14、16和18形成，其中区段12和16形成在第一金属层中而区段14和18形成在第二金属层中，并且它们通过通孔或等效互连区域20、22和24连接在一起。二次绕组30可由平面磁轨区段32、34、36和38形成，其中区段34和38形成在第一金属层中而区段32和36形成在第二金属层中，并且这些区段通过通孔或其它合适的互连件40、42和44连接在一起。可以看出，一次线圈和二次线圈形成为螺旋环绕磁芯2的结构，其与芯子2绝缘且彼此绝缘。因此，在一次绕组和二次绕组之间不存在电路径，且使所述线圈耦合在一起的主要机制是磁性的。较小的寄生电容也可以在一次绕组与二次绕组之间形成信号流路径，但这些路径很不明显。

有利地，磁芯2具有较高的渗透性，以使得一次绕组10产生的磁通量有效地耦合到二次绕组30。这是通过使用芯子2内的铁磁材料而实现的。然而，如在宏观尺度的变压器中所经受的，在一次绕组10周围产生的磁通量与磁芯2相互作用，并且可在芯子2内引起涡流流动。这些涡流流经芯子2的电阻材料，并且引起损耗机制。这降低了磁性组件的效率，并且在变压器的情况下，可能会表现为一次绕组的线圈阻抗随着一次绕组的激励频率增加而明显增加。

借鉴于宏观尺度变压器的经验，一种解决涡流问题的方法是将芯子分成彼此绝缘的多个区段。在集成电路的背景下，可能会认为最简单的方法是将一系列沟槽蚀刻到磁芯中，其中沟槽的纵向轴线平行于通过绕组产生的磁场的方向，在此情况下，沟槽是从图1的顶部延伸到图1的底部（Y方向），以便将芯子分成多个平行的“指状物”。实际上，在集成电路的微观尺度环境中，这种方法将是极为不利的，因为薄的指状物然后将表现出形状各向异性，其将导致铁磁材料的易磁化轴沿着图1的Y方向延伸。这进而将在材料中导致巨大磁滞损耗，可通过使易磁化方向沿图1的X轴（水平）延伸来避免这种情况发生。这种布置将导致“难磁化”方向平行于磁场和Y轴，以及该方向通常具有小得多的磁滞回线且通常在较宽范围的外加磁场上的磁滞回线的大致线性区域中运行。

然而，如果磁芯被分割成多个单独的层（每层存在于图1的X-Y平面中），则易磁化轴可继续沿着图1的“X”方向。可在磁性材料层的沉积期间定义该易磁化轴。几种技术对于本领域的技术人员而言是已知的，因此无需在本文进行描述。

图2示意性地示出穿过图1的磁芯2的横截面。该横截面垂直于图1的平面，其示出从衬底4向上工作的Z方向上堆叠的层。图2不是按比例进行绘制的，以及磁芯2内的组件层的尺寸并不是相对于彼此按比例示出的，并且磁芯2的尺寸也不是相对于集成电路的其它部分按正确的比例示出。

如图2中所示，衬底4可具有在其上形成的一个或多个材料层，该材料层通常标记为50且位于衬底4与磁芯2的底层之间。层50可以包括形成图1中所示的第二金属层的一部分的金属磁轨，并且还可以包括一个或多个绝缘材料层，如氮化铝或聚酰亚胺。

磁芯2包括多个层。一般而言，磁芯2的第一子区段（通常标记为60）包括与磁性功能材料层80、82、84、86和88以交替顺序布置的第一绝缘材料层70、72、74、76和78。在该实例中，五个磁性功能材料层以交替堆叠的形式位于五个第一绝缘材料层的上方。应注意，更少或实际上更多的磁性功能材料层和第一绝缘材料层可用于形成第一子区段60。

第二绝缘材料的层100形成在磁芯2的第一子区段60上。或者，可沉积较厚的第一绝缘材料层。第二绝缘材料的层100可以直接沉积在第一子区段60中的磁性功能材料的最上层88上。或者，阻挡层90可以形成在第二绝缘材料的层100与的磁性功能材料的最上层88之间。在图2中示出这种阻挡层。为了方便起见，阻挡层90可由第一绝缘材料形成。磁芯2的第二子区段（通常标记为110）包括如本文前述的磁性功能材料和第一绝缘材料的交替层，该第二子区段形成在层100上。磁性功能材料的最底层120可直接沉积在第二绝缘材料的层100上。然而，在本发明的实施方案中，第一绝缘材料的层122形成在第二绝缘材料的层100上，并且作为磁性功能材料的层120的籽晶层。因此，如图2中所示，第二绝缘材料的层100在上表面和下表面上与第一绝缘材料层相邻。这可具有另外的优点，例如，在例如层100由氧化物（如二氧化硅）制成时阻止层88和层120中的磁活性物质发生降解。

第二子区段110包括五个磁性功能材料层120、124、126、128和130，其中每个相邻的磁性功能材料层通过第一绝缘材料层132、134、136和138而与相邻的磁芯功能材料层隔开。

第二子区段110的磁性功能材料130的最上层与第二绝缘材料的第二层150相邻。如前所述，第二绝缘材料层150可夹在第一绝缘材料层152和154之间。作为沉积第二绝缘材料层的替代，可沉积具有增加厚度（与子区段中的层相比）的第一绝缘材料层。芯子2的第三子区段160形成在第二子区段110上。该过程可继续进行，直至到达磁芯2的最上部为止，其中最后两层可包括磁性功能材料层、顶部的第一绝缘材料层。因此，如果磁芯由两个子区段制成，则仅可提供一个第二绝缘材料层以将所述子区段分隔。如果磁芯由三个子区段制成，则可提供两个绝缘材料层以将所述子区段分隔。通常可以看出，如果磁芯由N个子区段制成，则可提供N-1个第二绝缘材料层。

在所给出的实例中，每个子区段均包括五个磁性功能材料层。一般而言，尽管本文中已描述了这种布置，但是每个子区段无需与其它子区段相同。同样地，每个子区段不需要包括五个磁性功能材料层。在如图2所示出的芯子的实施方案中，第一绝缘材料的层可以是氮化铝（虽然其它绝缘材料诸如氧化铝也可以用于第一绝缘材料的一些或所有层)，且具有约10纳米的厚度，但是也可使用其它厚度，并且认为第一层通常可具有介于5纳米至30纳米之间的范围内的厚度。磁活性层可以由镍-铁、或镍-钴形成且通常具有约100纳米的厚度，然而也可以使用更薄或更厚的层，例如介于50纳米至200纳米范围内的厚度。可布置第二绝缘层，使得与子区段中的相邻磁性材料层之间的电容耦合相比，通过增大一个子区段最上面的磁性功能层与下一子区段最下面的磁性功能层之间的间隔和减小第二绝缘材料相对于第一绝缘材料的介电常数，子区段之间的电容耦合会降低。

氮化铝的相对介电常数为约8.5，而二氧化硅的相对介电常数为约3.9。

人们相信，子区段之间这降低的电容耦合整体上减少了流经磁芯的涡流，从而降低磁芯损耗。在试验中，芯子完全由磁活性材料层和第一绝缘层交替构成，第一绝缘层造成的损耗比如本文关于图2所述制造的芯子造成的损耗更大。因此，偶尔在变压器芯子内包含附加绝缘层被认为是极大地改善了芯子性能，这是因为与省略第二绝缘材料层的芯子相比，芯子的频率增加了。

图3是穿过集成电路的示意性横截面，该集成电路包括具有磁芯（通常由2表示）的变压器且构成本发明的实施方案。通过插入第二绝缘材料层来将图3中示出的磁芯2分成六个子区段301至306。如前所述，每一子区段由第一绝缘材料层和磁性功能材料层交替构成。

如图3所示，该集成电路包括衬底4，该衬底4具有沉积在其上的最下面的金属层310。在沉积之后，将金属层310进行掩模和蚀刻以形成导电磁轨，其中一些用于形成图1中的磁轨14、18、32和36，其构成一次绕组10和二次绕组30的一部分。然后，绝缘层320（例如聚酰亚胺）沉积在金属层310上以使磁芯和变压器绕组绝缘。然后，沉积变压器层301-306，例如沉积在整个衬底上。然后将该结构进行掩模并然后蚀刻，以在绝缘层320上形成隔离的变压器芯子区域。然后，附加的绝缘材料可被沉积以填充相邻变压器芯子2之间的间隙并且覆盖芯子以将其封装在介电质中。在图3中，这样的绝缘层被标记为322。然后，绝缘层322可以被平面化，以形成基本上平坦的集成电路的上表面。接着，可对该表面进行掩模和蚀刻，以便在绝缘层322和层320中形成向下延伸到最下面的金属层310的凹槽340。然后，该上表面可具有在沉积在其上的金属层350。金属还沉积进V形凹槽340，从而在最下面的金属层310与最上面的金属层350之间形成互连件。然后，可对层350进行掩模和蚀刻，以便形成（其它情况除外）图1中所示的导电磁轨12、16、34和38，其构成一次绕组10和二次绕组30的部分。

最下面的金属层310可形成在绝缘层360（例如，二氧化硅）上，其本身可覆盖由施主杂质或受主杂质植入衬底4内而形成的各种半导体设备（未示出）。如本领域的技术人员已知的，可在沉积第一金属层310之前在绝缘层360中形成孔隙，以在各种电路组件之间形成设备互连件。

因此，可以在集成电路环境内提供一种改进的磁芯，使得电感器和变压器可以更紧凑地形成，由于使用该磁芯，在与实体芯子或具有仅由约10纳米厚的氮化铝和约100纳米厚的镍-铁层交替构成的层压结构的芯子相比时，在更高频率下可减少涡流损耗。

Claims (26)

1.一种在衬底上形成的用于集成电路的磁芯，所述磁芯包括：

多个磁性功能材料层；

多个第一绝缘层；以及

至少一个第二绝缘层；其中将所述第一绝缘层插在所述磁性功能材料层之间以形成所述磁芯的子区段，并且将所述至少一个第二绝缘层插在所述磁芯的相邻子区段之间。

2.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述至少一个第二绝缘层的厚度大于第一绝缘层的厚度。

3.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述第一绝缘层由第一绝缘材料形成，且所述第二绝缘层由第二绝缘材料形成，其中所述第一绝缘材料不同于所述第二绝缘材料。

4.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第二绝缘材料的介电常数低于所述第一绝缘材料的介电常数。

5.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述第一绝缘层由第一绝缘材料形成，所述第一绝缘材料充当形成所述磁性功能材料的生长衬底。

6.如权利要求5所要求的磁芯，其中所述第一绝缘材料是绝缘氮化物。

7.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述第一绝缘层是氮化铝或氧化铝。

8.如权利要求1所要求的磁芯，其中多个磁性功能材料层与第一绝缘材料层以交替顺序布置以形成所述磁芯的子区段。

9.如权利要求3所要求的磁芯，其中至少一个第二绝缘材料层的第一侧与所述第一绝缘材料层相邻。

10.如权利要求9所要求的磁芯，其中所述至少一个第二绝缘材料层的第二侧与所述第一绝缘材料层相邻。

11.如权利要求3所要求的磁芯，其中将N-1个所述第二绝缘材料层放置在所述磁芯中，以便将所述磁芯分成N个子区段。

12.如权利要求11所要求的磁芯，其中所述子区段包含相同数量的磁活性材料层。

13.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述磁性功能材料是铁磁材料。

14.如权利要求13所要求的磁芯，其中所述铁磁材料是软磁的。

15.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述磁性功能材料是如下材料的组合：镍和铁，或铁和钴，或镍和钴，或钴、锆和钽。

16.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第二绝缘材料是硅化合物。

17.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第二绝缘材料是半导体氧化物。

18.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第二绝缘材料是二氧化硅。

19.如权利要求1所要求的磁芯，其中所述磁性功能材料层的厚度在50nm至200nm之间。

20.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第一绝缘材料层的厚度在5nm至30nm之间。

21.如权利要求3所要求的磁芯，其中所述第二绝缘材料层的厚度在20nm至200nm之间。

22.一种具有如权利要求1所要求的磁芯的半导体衬底。

23.一种包括如权利要求1所要求的磁芯的集成电路。

24.一种包括如权利要求1所要求的磁芯的变压器。

25.一种包括如权利要求1所要求的磁芯的电感器。

26.一种形成磁芯的方法，其包括在衬底上：

a)沉积第一绝缘层；

b)沉积磁性功能材料层；

c)重复步骤a)和步骤b)至少一次；

d)沉积第二绝缘层，所述第二绝缘层在厚度或成分中的至少一个与所述第一绝缘层不同；

e)沉积另一第一绝缘层；

f)沉积另一磁性功能材料层；

g)重复步骤e)和步骤f)至少一次。