CN115458503A - 串联电感器 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及半导体结构，更具体地涉及串联电感器及制造方法。一种结构包括多个布线层级，每个布线层级包括彼此串联连接的布线结构。所述多个布线层级中的第二布线层级位于第一布线层级上方。第二布线层级上的布线结构至少部分地位于第一布线层级的布线结构的边界之外。
Description
技术领域
本公开涉及半导体结构，更具体地涉及串联电感器及制造方法。
背景技术
电感器是一种无源两端电气部件，其在电流流过其线圈时将能量存储在磁场中。片上(on-chip)电感器是射频(RF)/毫米波集成电路中的无源部件。片上电感器可以消除阻抗失配，使反射和损耗最小化，确保所需的谐振频率，并切断交流电流，例如电源线中的高频比较。此外，在RF应用中，电感器可以减少邻近效应和寄生电容。
诸如外部尺寸、匝数、线中心之间的距离(或间距)和衬底特性之类的结构参数都是决定片上电感器性能的重要因素。然而，传统的平面型电感器无法满足当前半导体器件的需求，因为它们通常占据较大的芯片面积。此外，电感器的电流处理能力随着电感线段宽度和厚度的增加而增加；然而，由于邻近效应增加，Q因数随着宽度和厚度的增加而降低。由于这个和其他原因，具有高Q因数的高电感值电感器难以在硅晶片上制造。
本领域技术人员可以理解，高Q因数电感器被用于许多电子器件中，例如TV调谐器、RF扼流圈(choke)、低噪声放大器、压控振荡器和功率放大器等。质量因数Q是一个重要的度量，因为它描述了电感器可以多好地作为储能元件工作。理想情况下，电感是纯粹的储能元件(Q接近无穷大)，而实际上线圈电阻和寄生电容会降低Q。这是因为线圈电阻会消耗存储的能量，而寄生电容会降低感应率(电感器甚至可以在高频下变为电容性)。
发明内容
在本公开的一方面，一种结构包括：多个布线层级(wiring level)，每个布线层级包括彼此串联连接的布线结构，所述多个布线层级中的第二布线层级位于第一布线层级上方，并且所述第二布线层级上的布线结构至少部分地位于所述第一布线层级的所述布线结构的边界之外。
在本公开的一方面，一种结构包括：位于第一布线层级上的第一布线结构；位于第二布线层级上且串联连接到所述第一布线结构的第二布线结构；以及位于第三布线层级上且串联连接到所述第二布线结构的第三布线结构，其中：所述第一布线结构、所述第二布线结构和所述第三布线结构是跨越(span over)所述第一布线层级、所述第二布线层级和所述第三布线层级的螺旋电感器，并且所述第二布线结构至少部分地位于所述第一布线结构的边界之外，所述第三布线结构至少部分地位于所述第二布线结构的边界之外。
在本公开的一方面，一种方法包括：形成位于第一布线层级上的第一布线结构；形成位于第二布线层级上且串联连接到所述第一布线结构的第二布线结构；以及形成位于第三布线层级上且串联连接到所述第二布线结构的第三布线结构，其中：所述第一布线结构、所述第二布线结构和所述第三布线结构形成为跨越所述第一布线层级、所述第二布线层级和所述第三布线层级的螺旋电感器，并且所述第二布线结构形成为至少部分地位于所述第一布线结构的边界之外，所述第三布线结构形成为至少部分地位于所述第二布线结构的边界之外。
附图说明
在下面的详细描述中，借助本公开的示例性实施例的非限制性示例，参考所提到的多个附图来描述本公开。
图1示出了根据本公开的一些方面的具有多个布线层级的串联电感器。
图2示出了根据本公开的一些方面的每个布线层级的金属布线结构的截面图。
图3示出了根据本公开的一些方面的每个布线层级上的横向分离的金属布线结构的截面图。
图4示出了根据本公开的另外方面的具有锥形过孔(tapered via)互连的金属布线结构的截面图。
图5示出了根据本公开的另外方面的具有两个布线层级的电感器的截面图。
图6示出了根据本公开的一些方面的连接到布线结构的电感器的底部金属布线结构的截面图。
图7A和7B示出了已知电感器与本文描述的串联电感器相比较的不同性能曲线图。
具体实施方式
本公开涉及半导体结构，更具体地涉及串联电感器及制造方法。更具体地，本公开涉及高电感值和高Q串联电感器(或变压器)以及使用多条金属线和过孔层级(例如，三个厚金属层)制造该电感器(或变压器)的方法。有利地，本公开能够实现片上、高Q和高电感值电感器。
在实施例中，片上电感器利用串联连接的厚金属布线结构的三个布线层级，这显著增加了电感密度并降低了芯片尺寸和生产成本。布线层级包括彼此串联电耦合(couple)的三个金属层或布线结构的堆叠。例如，在实施例中，多层式后段制程(BEOL)无源器件(例如，电感器和/或变压器)包括第二金属层级的布线(例如，金属布线结构)，没有位于第一布线层级的边界(即，布线结构的宽度)内的限制。具体地，布线层级可以具有不同形状的螺旋构造，例如圆形、八边形、方形等，其中每一布线层级都彼此略微或部分重叠，例如，重叠面积小于环面积的5％。这与包括通过互连耦合在一起并且完全对齐且一者位于另一者直接上方的两个层的已知螺旋电感器形成对比。也可以使用过孔层，以通过在布线层级之间(例如，在第二和第三厚金属材料之间)承载独立电流构建整个螺旋的一部分。
本公开的串联电感器可以使用多种不同的工具，以多种方式来制造。然而，一般地，方法和工具被用来形成具有微米和纳米级尺寸的结构。已经根据集成电路(IC)技术采用了用于制造本公开的串联电感器的方法(即，技术)。例如，这些结构建立在晶片上，并在借助晶片顶部上的光刻工艺而图案化的材料膜中实现。具体地，串联电感器的制造使用三个基本构造块：(i)在衬底上沉积材料薄膜；(ii)通过光刻成像在膜顶部上施加图案化掩模；以及(iii)对掩模有选择性地蚀刻膜。
图1示出了根据本公开的一些方面的串联电感器。更具体地，串联电感器10包括三个布线层级12、14、16，每个布线层级包括在不同布线层级内延伸的螺旋构造的金属布线结构。在实施例中，金属布线结构可以与另一布线层级中的金属布线结构部分地重叠。例如，布线层级12中的金属布线结构与布线层级14的金属布线结构部分地重叠，而布线层级14的金属布线结构又与布线层级16的金属布线结构部分地重叠。作为示例，布线层级12、14、16的金属布线结构彼此部分地重叠约5％或更少。在实施例中，布线层级12、14、16的金属布线结构也可以横向分离。换言之，连续布线层级上的布线结构不被定界(bound)在下层布线层级中布线结构的宽度内或受下层布线层级中布线结构的宽度约束(constrain)。
仍参考图1，中间布线层级(例如布线层级14)的金属布线结构可以是过孔层级中电感器的布线通道。中间布线层级(例如布线层级14)的金属布线结构可以是下层布线层级12和上层布线层级16的金属布线结构之间的连接，以支持竖直(vertical)电流。此外，用作布线通道的布线层级14的金属布线结构也支持独立的横向电流。例如，中间布线层级(例如布线层级14)的金属布线结构可以独立于第一布线层级12的金属布线结构而被布线，并且不受电感器的任何其他层级上的任何其他布线结构限制(restrict)或被其定界。此外，在实施例中，布线层级14的金属布线结构可以与布线层级12和16的布线结构一样长。
布线层级12、14、16的金属布线结构可以是螺旋构造，例如圆形、八边形、方形等，其中每个环与下面的环略微或部分重叠，例如，重叠面积小于环面积的5％。换言之，三个布线层级12、14、16的金属布线结构不直接与先前的布线层对齐、受先前的布线层约束或被定界在先前的布线层内。此外，如在每个实施例中，布线层级12、14、16的金属布线结构形成串联连接在一起并且其中每个布线结构承载独立电流的电感器。这样，布线层级12、14、16的金属布线结构将非常紧凑(这对于RF集成方案很重要)，同时还为相同的电感密度提供高Q因数。此外，根据薄层电阻(例如，sheet rho)，匝(turn)还可以包括多个锥形匝。
应该认识到，虽然在每个布线层级12、14、16中示出了两个螺旋，但是本文预期任何数量的螺旋。此外，尽管示出了三个布线层级12、14、16，但还应该认识到，这里可以预期任何数量的布线层级，例如两个或更多个，具体取决于所需的性能特性。
仍参考图1，布线层级12、14、16的金属布线结构可以是任何导电材料，例如铜、银、金或其他低电阻材料或其组合。例如，布线层级12、14的金属布线结构可以是铜，而布线层级16的金属布线结构可以是铝。在这种情况下，如关于图4所描述的，过孔互连可用于将布线层级16的金属布线结构连接到布线层级14的金属布线结构。在实施例中，布线层级12、14、16中每一者的金属布线结构可以具有约2μm至5μm的厚度以及约2μm至5μm的宽度；但根据所需的性能参数，这里也可以预期其他尺寸。
图2示出了每个布线层级12、14、16的金属布线结构的截面图。例如，如图2所示，每个布线层级12、14、16的金属布线结构彼此部分重叠。在这种情况下，可以在没有任何过孔互连的情况下制造每个布线层级12、14、16的金属布线结构。或者，可以使用过孔互连连接每个布线层级的不同金属布线结构，但要理解金属布线结构不会直接与任何其他金属布线结构对齐或被其定界。
图3示出了根据本公开的另外方面的每个布线层级12、14、16的金属布线结构的截面图。在图3中，每个布线层级12、14、16的金属布线结构可以间隔开(例如，彼此横向分离)约1μm至约5μm的范围。应该认识到，最小的错开(例如，分离)将导致高电感密度(螺旋之间的高磁和电耦合)；然而，增加的错开将导致较高的自谐振频率(螺旋之间的低磁和电耦合)。在此构造中，过孔互连可用于连接每个布线层级的不同金属布线结构。
图4示出了根据本公开的另外方面的具有锥形过孔互连的金属布线结构的截面图。在图4中，布线层级16的金属布线结构可以由不同于布线层级12、14的金属布线结构的材料构成。例如，布线层级16的金属布线结构可以是铝，而布线层级12、14的金属布线结构可以是铜。在此配置中，锥形过孔18可用于将布线层级16的金属布线结构连接到布线层14的金属布线结构。但是，如所见，布线层级16的金属布线结构仍可以与布线层级14的金属布线结构部分重叠。
图5示出了根据本公开的另外方面的金属布线结构的截面图。在该实施例中，电感器包括位于两个布线层级12、14上的金属布线结构。如在此描述的其他实施例中，两个布线层级12、14上的金属布线结构在彼此内部分地重叠。
图6示出了连接到布线结构的电感器的底部金属布线结构的截面图。更具体地，在图6中，底部金属布线结构(例如布线层级12)可以通过互连结构22连接到布线结构20。应该认识到，尽管图6示出了连接到布线结构20的图4的结构，但是图1-5所示的任何结构可以包括通过互连结构22连接到布线结构20的布线层级12的底部金属布线结构。
在实施例中，布线层级12、14、16的金属布线结构、过孔互连18、22以及布线结构20中的每一者可以通过本领域技术人员已知的常规光刻、蚀刻和沉积方法形成。例如，使形成在绝缘体材料上方的抗蚀剂暴露于能量(光)下以形成图案(开口)。使用具有选择性化学作用的蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻(RIE)，来通过抗蚀剂的开口在绝缘体材料中形成一个或多个沟槽。然后可以通过常规的氧灰化工艺或其他已知的剥离剂去除抗蚀剂。在去除抗蚀剂之后，可以通过任何常规的沉积工艺，例如化学气相沉积(CVD)工艺，来沉积金属材料。绝缘体材料表面上的任何残留材料都可以通过常规化学机械抛光(CMP)工艺去除。对于金属布线结构、互连和过孔中的每一者，可以多次重复此过程。
图7A和7B示出了已知的电感器与本文描述的串联电感器比较的不同性能曲线图。特别地，图7A示出了电感与频率的关系的曲线图，图7B示出了Q因数与电感的关系的曲线图。在图7A和7B中，x轴表示频率，而图7A中的y轴表示电感(nH)，图7B中的y轴表示Q因数。在图7A和7B中，线“A”和“C”表示已知的电感器，线“B”表示根据本公开的电感器。下表示出了不同电感器中的每一者的特性。
表
| 电感器“A” | 电感器“B” | 电感器“C” | |
| 外直径 | 120μm | 120μm | 140μm |
| 电感L(nH) | 3.2 | 5.8 | 5.8 |
| Q峰值 | 14.1 | 17.9 | 12.9 |
| 频率(GHz) | 6.1 | 6.8 | 3.5 |
如曲线图和上表所示，由线“B”表示的本公开的电感器提供明显优于由线“A”和“C”表示的电感器的电感器性能。例如，由线“B”表示的本公开的电感器具有小于由线“C”表示的电感器的占位面积(footprint)，同时提供相同的电感，但是更高的Q因数。此外，由线“B”表示的本公开的电感器具有与由线“A”表示的电感器相同的占位面积，同时在更高的电感和频率下提供提供的Q因数。
可以在片上系统(SoC)技术中利用串联电感器。本领域技术人员应当理解，SoC是将电子系统的所有部件集成在单个芯片或衬底上的集成电路(也称为“芯片”)。由于部件集成在单个衬底上，因此与具有等效功能的多芯片设计相比，SoC消耗的功率少得多，占用的面积也少得多。因此，SoC正成为移动计算(例如在智能手机中)和边缘计算市场中的主导力量。SoC也常用于嵌入式系统和物联网。
上述方法用于集成电路芯片的制造。所得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)，作为裸芯片或以封装形式分发。在后一种情况下，芯片以单芯片封装(例如塑料载体，其引线固定到主板或其它更高级别的载体)或多芯片封装(例如陶瓷载体，其具有表面互连和/或掩埋互连)的形式安装。在任何情况下，芯片然后与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理设备集成，作为(a)中间产品(例如母板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备，以及中央处理器的高级计算机产品。
本公开的各种实施例的描述已经出于说明的目的给出，但并非旨在是穷举的或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中发现的技术的工艺改进，或者使本技术领域的其他普通技术人员能理解本文公开的实施例。
Claims (20)
1.一种结构，包括：多个布线层级，每个布线层级包括彼此串联连接的布线结构，所述多个布线层级中的第二布线层级位于第一布线层级上方，并且所述第二布线层级上的布线结构至少部分地位于所述第一布线层级的所述布线结构的边界之外。
2.根据权利要求1所述的结构，其中所述第一布线层级的所述布线结构和所述第二布线层级的所述布线结构形成螺旋电感器，其中所述第二布线层级的所述布线结构包括所述电感器的横向布线通道。
3.根据权利要求2所述的结构，其中所述螺旋电感器包括环形。
4.根据权利要求1所述的结构，其中所述第二布线层级的所述布线结构与位于所述第二布线层级下方的所述第一布线层级上的所述布线结构部分重叠。
5.根据权利要求4所述的结构，其中所述部分重叠包括所述第一布线层级的所述布线结构和所述第二布线层级的所述布线结构的环面积的约5％或更小。
6.根据权利要求1所述的结构，其中所述第二布线层级的所述布线结构完全位于所述第一布线层级上的所述布线结构的所述边界之外。
7.根据权利要求1所述的结构，其中所述第二布线层级的所述布线结构包括具有所述第一布线层级的所述布线结构的螺旋电感器的一部分，所述第一布线层级和所述第二布线层级的所述布线结构独立地承载所述电感器中的横向电流。
8.根据权利要求1所述的结构，其中所述第二布线层级包括位于所述多个布线层级中的所述第一布线层级上方的过孔。
9.根据权利要求1所述的结构，其中所述多个布线层级包括三个布线层级，每个布线层级包括螺旋电感器的布线结构，其中所述第二布线层级位于第三布线层级下方，并且所述第三布线层级的布线结构至少部分地位于所述第二布线层级的所述布线结构的边界之外。
10.根据权利要求9所述的结构，其中所述第二布线层级完全位于所述第二布线层级的所述布线结构的边界之外。
11.根据权利要求9所述的结构，其中所述第一布线层级和所述第二布线层级的所述布线结构包括第一导电材料，并且所述第三布线层级的所述布线结构包括不同于所述第一导电材料的第二导电材料。
12.根据权利要求11所述的结构，还包括将所述第二布线层级的所述布线结构连接到所述第三布线层级的所述布线结构的过孔互连。
13.一种结构，包括：
位于第一布线层级上的第一布线结构；
位于第二布线层级上且串联连接到所述第一布线结构的第二布线结构；以及
位于第三布线层级上且串联连接到所述第二布线结构的第三布线结构，其中：
所述第一布线结构、所述第二布线结构和所述第三布线结构包括跨越所述第一布线层级、所述第二布线层级和所述第三布线层级的螺旋电感器，并且
所述第二布线结构至少部分地位于所述第一布线结构的边界之外，所述第三布线结构至少部分地位于所述第二布线结构的边界之外。
14.根据权利要求13所述的结构，其中所述第二布线结构包括独立地承载横向电流的布线结构。
15.根据权利要求13所述的结构，其中所述第二布线结构在所述第一布线结构和所述第二布线结构之间承载竖直电流。
16.根据权利要求13所述的结构，其中所述第一布线结构、所述第二布线结构和所述第三布线结构包括小于环面积的5％的重叠面积。
17.根据权利要求13所述的结构，其中所述第一布线结构和所述第二布线结构包括第一材料，并且所述第三布线结构包括第二材料。
18.根据权利要求17所述的结构，还包括将所述第二布线结构连接到所述第三布线结构的锥形过孔互连。
19.根据权利要求13所述的结构，其中所述螺旋电感器的第一布线结构通过过孔互连连接到底部布线层。
20.一种方法，包括：
形成位于第一布线层级上的第一布线结构；
形成位于第二布线层级上且串联连接到所述第一布线结构的第二布线结构；以及
形成位于第三布线层级上且串联连接到所述第二布线结构的第三布线结构，其中：
所述第一布线结构、所述第二布线结构和所述第三布线结构形成为跨越所述第一布线层级、所述第二布线层级和所述第三布线层级的螺旋电感器，并且
所述第二布线结构形成为至少部分地位于所述第一布线结构的边界之外，所述第三布线结构形成为至少部分地位于所述第二布线结构的边界之外。
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