CN115954339A

CN115954339A - 一种硅基片上电感及其制作方法

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Publication number: CN115954339A
Application number: CN202310225334.8A
Authority: CN
Inventors: 李晓宇; 吴薄; 王梦佳; 兰洋; 顾杰斌; 彭根斋; 唐宝权; 蒋运石; 张志红; 张芦; 闫欢
Original assignee: CETC 9 Research Institute
Current assignee: CETC 9 Research Institute
Priority date: 2023-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2023-04-11
Anticipated expiration: 2043-03-10
Also published as: CN115954339B

Abstract

本发明公开了一种硅基片上电感，属于电感器件技术领域，包括硅支架（9）、金属线圈（10）、磁环（11）和电极（12），其中，所述金属线圈（10）通过绕线的方式绕制在硅支架（9）上面并通过堆叠的方式实现线圈闭环，所述磁环（11）绕制在金属线圈（10）中间，所述电极（12）堆叠在电感上并与金属线圈（10）实现互联，本发明还公开了上述电感的制作方法，所述方法包括制作线圈硅片、制作电极硅片以及铸造制备器件等步骤；本发明制备的螺线管式电感器具有占用芯片面积小、涡流损耗小和电感值较高等的优点。

Description

一种硅基片上电感及其制作方法

技术领域

本发明涉及电感器件技术领域，尤其涉及一种硅基片上电感及其制作方法。

背景技术

随着电子产品小型化和集成化的发展，芯片模块高密度集成对电压调节模块提出了更高的要求，要求其在满足小型化和集成化，也就是满足高密度集成或单片集成的基础上，可以实现高的电感、低的直流电阻值、高的工作频率。

片上电感器件是随着电子产品轻薄化和功能多样化发展导致的电源系统中电压调节模块体积减小的必然选择，尤其是在高频功率电感方面，目前三代半导体如GaN器件技术等的发展要求功率电感开关频段从5MHz逐渐增加到10MHz、20MHz甚至50MHz。当前对电感器件的要求就是在满足小型化的前提下可以满足更高频率的使用需求，因此基于MEMS工艺技术的片上电感就应用而生。

随着技术的发展，当前已经出现了利用MEMS工艺制作的硅基片上电感器件，主要包括螺旋型和螺线管型两种结构。其中，螺旋型电感是在衬底上构建平面螺旋结构，为了减小电感器的尺寸，应当尽量使用较少的线圈，同时为了保证足够的电感值，在平面螺旋线圈的上下引入磁性材料作为磁芯，但由于磁性薄膜材料的沉积难度较大，而且为了获得相应的性能其尺寸也不容易减小。另外一种是螺线管型，目前常见的螺线管型的硅基MEMS片上电感器件，其基本结构参考Mishra D等人在《Microelectronic Engineering》Vol.160，pp34-38，2016上发表的“Design, fabrication and characterization of thin powerinductors with multilayered ferromagnetic-polymer composite structures”一文，其是从传统的螺线管电感结构上发展而来，具有闭合磁路的优点，而且可以通过磁芯的厚度来调节磁芯中的损耗。这种螺线管电感在相同较小的面积上能得到比平面电感长几倍的线圈长度，由此得到的电感值会比平面电感更高，但这种结构对MEMS工艺要求较高，需要制作质量非常好的TSV线圈以降低铜损耗，在厚度方面也很难做匹配较厚的磁芯材料，因此目前这两种结构都存在相应的缺点。

发明内容

本发明的目的之一，就在于提供一种硅基片上电感，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种硅基片上电感，包括硅支架、金属线圈、磁环和电极，其中，所述金属线圈通过绕线的方式绕制在硅支架上面并通过堆叠的方式实现线圈闭环，所述磁环绕制在金属线圈中间，所述电极堆叠在电感上并与金属线圈实现互联。

其中，所述金属线圈采用Zn合金、也可以是Sn合金、或者是Cu合金以及Au合金。所述合金均为市购，所述合金的熔点在200℃～400℃之间和导电率在0.8×10⁷S/m～3×10⁷S/m之间均可用作电感线圈。

本发明的目的之二，在于提供一种上述的硅基片上电感的制作方法，采用的技术方案为，包括下述步骤：

（1）制作线圈硅片，其工序包括：

a）清洗硅片；b）热氧化；c）一次光刻；d）刻蚀SiO₂；e）刻蚀线圈槽；f）刻蚀线圈孔；g）贴膜；h）二次光刻；i）刻蚀磁芯槽；

（2）制作电极硅片，其工序包括：

a）清洗硅片；b）一次光刻；c）刻蚀电极槽；d）二次光刻；e）刻蚀电极窗口连接通孔；f）热氧化；

（3）铸造制备器件，其工序包括：

a）对准；b）放置磁芯；c）合模；d）浇铸；e）固化；f）脱模；g）磨抛；h）划片。

作为优选的技术方案，步骤（1）的a）步骤中，所选择的硅片电阻率为5000Ω×cm～10000 Ω×cm，厚度为600μm～800μm，清洗方法为RCA标准清洗，清洗后用晶圆甩干机甩干。

作为优选的技术方案，步骤（1）的b）步骤中，所述热氧化的方法为：将a）步骤所得硅片放入热氧化炉，通入N₂和流量为0.5L/min～2 L/min的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至6 L/min～9 L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O₂，然后降温随后取出硅片，氧化后SiO₂绝缘层厚度控制在200nm～1000nm。

作为优选的技术方案，步骤（1）的d）步骤采用RIE刻蚀法，e）步骤采用DRIE刻蚀法，i）步骤采用DRIE刻蚀法。

作为优选的技术方案，步骤（2）的a）步骤中，所选择的硅片电阻率为5000Ω×cm～10000 Ω×cm，厚度为200μm～350μm，清洗方法为RCA标准清洗，清洗后用晶圆甩干机甩干。

作为优选的技术方案，步骤（2）的c）和e）步骤均采用DRIE刻蚀法。

作为优选的技术方案，步骤（2）的f）步骤中，所述热氧化的方法为：将e）步骤所得硅片放入热氧化炉，通入N₂和流量为0.5L/min～2 L/min的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至6L/min～9 L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O₂，然后降温随后取出硅片，氧化后SiO₂绝缘层厚度控制在200nm～1000nm。

作为优选的技术方案，步骤（3）的a）步骤的对准方法为：将盖板、MEMS喷嘴片、两片步骤（1）所制得的线圈硅片以及一片步骤（2）所制得的电极硅片共五层叠放在一起，通过键合对准设备，完成对准步骤。

作为优选的技术方案，步骤（3）的d）步骤中，所述浇铸的方法为：将合模后的基片放入现有的微机电铸造设备中，通过MEMS喷嘴片将液态合金灌注到三层硅片中间，形成线圈以及电极。所述液态合金可以是Zn合金、也可以是Sn合金、甚至是Cu合金以及Au合金。

需要说明的是：上述光刻过程中选用的程序与设备有关，选用的光刻胶等可以根据实际情况酌情更换；加工过程中的光刻、去胶、清洗等方法都为常用的MEMS工艺加工方法。

本发明的线圈呈螺旋缠绕方式环绕磁环，磁环与线圈之间存在一层隔离层线圈呈螺旋缠绕方式环绕磁环其优势在于：（1）占用芯片面积小；（2）磁通方向与衬底平行，因而引起的涡流损耗较小，便于在高频下获得较高的L和Q值；（3）可以有效减少漏磁，降低衬底损耗，提升电感的性能。SiO₂隔离层作为绝缘层，避免硅衬底和金属线圈接触。另外，由于线圈硅片较厚（700 μm左右），为了保证线圈通孔的平整度和器件性能的稳定性，优选采用双面复合刻蚀的工艺形成线圈通孔。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明由两个线圈硅片和一个电极硅片堆叠，通过三层硅片堆叠工艺形成器件框架以及金属浇铸工艺形成线圈和电极相结合的方式，最终设计得到片上集成电感器，由该方式制备的螺线管式电感器具有占用芯片面积小、涡流损耗小和电感值较高等的优点。

本发明所制备的硅基片上电感在结构上采用线圈呈螺旋缠绕方式环绕磁环的方式，能够减小芯片占用面积；在制作工艺上采用双面复合刻蚀的工艺形成的线圈通孔，能够提高线圈通孔的平整度；采用多层硅片堆叠的方式制作的电感可以匹配不同形状和厚度的磁芯材料；采用MEMS喷嘴浇铸液态合金形成线圈的方式，可以提高线圈质量，降低损耗。

附图说明

图1为本发明的硅基片上电感的结构示意图；

图2为本发明的硅基片上电感的立体图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例中线圈硅片制作工艺流程图；

图5为本发明实施例中电极硅片制作工艺流程图；

图6为本发明实施例中铸造制备器件工艺流程中对准步骤示意图；

图7为本发明实施例中铸造制备器件工艺流程中合模步骤示意图；

图8为本发明实施例中铸造制备器件工艺流程中浇铸步骤示意图；

图9为本发明实施例中铸造制备器件工艺流程中固化步骤示意图；

图10为本发明实施例中铸造制备器件工艺流程中脱模步骤示意图。

图中：1、线圈硅片；2、SiO₂绝缘层；3、线圈槽；4、线圈通孔；5、磁芯槽；6、电极硅片；7、电极槽；8、电极窗口连接通孔；9、硅支架；10、金属线圈；11、磁环；12、电极。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种硅基片上电感，其结构参见图1、图2和图3，包括硅支架9、金属线圈10、磁环11和电极12，其中，所述金属线圈10通过绕线的方式绕制在硅支架9上面并通过堆叠的方式实现线圈闭环，所述磁环11绕制在金属线圈10中间，所述电极12堆叠在电感上并与金属线圈10实现互联；本实施例的金属线圈10采用Zn合金。

上述硅基片上电感的制作方法，包括下述三个部分：

第一部分：线圈硅片制作，其流程参见图4，包括：

a.清洗；选择电阻率为5000-10000 Ω×cm的硅晶圆作为加工材料主体，即线圈硅片1，晶圆厚度为700μm，对其进行清洗并甩干，这个过程采用常见的硅晶圆清洗方法--标准RCA清洗；甩干采用晶圆甩干机；

b.热氧化：将基片放入热氧化炉，通入N2和流量为0.6L/min 的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至7L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O2，然后降温随后取出硅片，氧化后得到SiO2绝缘层2，SiO2绝缘层2的厚度控制在500nm ；

c.一次光刻：采用自动匀胶机旋涂光刻胶，采用正胶工艺，然后在曝光机上曝光，最后在自动显影机上显影，在显影完之后在显微镜下检查；

d.刻蚀SiO2绝缘层2：采用RIE法刻蚀，具体为将晶圆放入RIE干法刻蚀机中，控制刻蚀参数：CHF₃：Ar：O₂=18:2:3 sccm，压强5Pa，刻蚀时间450s，将SiO2绝缘层2刻蚀透，漏出硅基片然后停止；

e. 刻蚀线圈槽3:采用DRIE法刻蚀，具体为将晶圆放入DRIE深硅刻蚀机中刻蚀，控制刻蚀参数：刻蚀气体使用SF₆，钝化气体使用C₄F₈，刻蚀/钝化气体比例为 1：1；压强4.4mTorr；刻蚀速率0.5μm/min，刻蚀250 μm后停止，取出晶圆去胶清洗，然后放入甩干机中甩干；

f.刻蚀线圈通孔4：采用复合刻蚀的方法，重复步骤c和e，在步骤e刻蚀出的Si上利用光刻胶制作掩膜，再次利用DRIE设备进行刻蚀，完成复合刻蚀过程（300 μm），刻蚀完后取出晶圆，去胶清洗然后放入甩干机中甩干；形成线圈Si槽；

g.贴膜：在晶圆正面（即Si槽面）贴上一层UV膜；

h.二次光刻：在晶圆背面重复步骤c和步骤d；

i. 刻蚀磁芯槽5:采用DRIE法刻蚀，具体为在晶圆背面重复步骤e，形成磁芯槽5，深度为390μm，完成双面刻蚀即完成线圈硅片的制作；然后利用紫外曝光照射UV膜并去除，最后去胶清洗甩干即完成本部分的工艺。

第二部分：电极硅片制作，其流程参见图5，包括：

a.清洗：选择电阻率为5000-10000Ω·cm的硅晶圆作为加工材料主体，即电极硅片6，晶圆厚度为300μm，对其进行清洗并甩干，这个过程采用常见的硅晶圆清洗方法如标准RCA清洗；甩干可以采用晶圆甩干机；

b.一次光刻：采用自动匀胶机旋涂光刻胶，采用正胶工艺，然后在曝光机上曝光，最后在自动显影机上显影，在显影完之后在显微镜下检查；

c. 刻蚀电极槽7:采用DRIE法刻蚀，具体为将晶圆放入DRIE深硅刻蚀机中刻蚀，控制刻蚀参数：刻蚀气体使用SF₆，钝化气体使用C₄F₈，刻蚀/钝化气体比例为 1：1；压强4.4mTorr；刻蚀速率0.5μm/min，刻蚀厚度为100μm后停止，取出晶圆去胶清洗，然后放入甩干机中甩干；

d.二次光刻：重复步骤b；

e. 刻蚀电极窗口连接通孔8:采用DRIE法刻蚀，具体方法为重复步骤c；

f.热氧化：将基片放入热氧化炉，通入N₂和流量为0.6L/min的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至7L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O2，然后降温随后取出硅片，氧化后SiO2绝缘层厚度控制在500 nm；

第三部分:铸造制备器件, 其流程参见图6-10，包括:

a.对准（对准三层硅片以及浇铸模具）：将盖板、MEMS喷嘴片、两片线圈硅片以及电极硅片共五层叠放在一起，通过键合对准设备以及配合各种对准用工装治具，完成对准；

b.放置（放入磁芯）：将器件所用磁环11放入两个线圈硅片中间磁芯槽5的位置并夹在中间；

c.合模（压在一起）：将五层基片压在一起并确保严丝合缝；

d.浇铸：将合模后的基片放入入微机电铸造设备中，通过MEMS喷嘴片将液态Zn合金灌注到三层硅片（即两层线圈硅片和一层电极硅片）中间，形成金属线圈10以及电极12；

e.固化：通过现有的固化设备根据所用合金的熔点设置温度调节均匀固化液态金属，形成电感的基本架构；

f.脱模：完成固化后脱模，去除改版层和MEMS喷嘴片，剩下的部分就是所制备的硅基片上电感器件；

g.磨抛：将器件放入CMP设备中，分别对其两边金属进行抛光，器件加工完成；

h.划片：根据器件尺寸和划道线的尺寸选择合适的切割参数，贴上蓝膜，然后利用晶圆划片机进行切割。最后利用显微镜观察，检查器件是否有缺陷崩边等问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硅基片上电感，其特征在于，包括硅支架（9）、金属线圈（10）、磁环（11）和电极（12），其中，所述金属线圈（10）通过绕线的方式绕制在硅支架（9）上面并通过堆叠的方式实现线圈闭环，所述磁环（11）绕制在金属线圈（10）中间，所述电极（12）堆叠在电感上并与金属线圈（10）实现互联。

2.权利要求1所述的硅基片上电感的制作方法，其特征在于，包括下述步骤：

（1）制作线圈硅片，其工序包括：

（2）制作电极硅片，其工序包括：

（3）铸造制备器件，其工序包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）的a）步骤中，所选择的硅片电阻率为5000Ω×cm～10000 Ω×cm，厚度为600μm～800μm，清洗方法为RCA标准清洗，清洗后用晶圆甩干机甩干。

4. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）的b）步骤中，所述热氧化的方法为：将a）步骤所得硅片放入热氧化炉，通入N₂和流量为0.5L/min～2 L/min的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至6 L/min～9 L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O₂，然后降温随后取出硅片，氧化后SiO₂绝缘层厚度控制在200nm～1000nm。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）的d）步骤采用RIE刻蚀法或者湿法刻蚀，e）步骤采用DRIE刻蚀法，i）步骤采用DRIE刻蚀法。

6. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）的a）步骤中，所选择的硅片电阻率为5000Ω×cm～10000 Ω×cm，厚度为200μm～350μm，清洗方法为RCA标准清洗，清洗后用晶圆甩干机甩干。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）的c）和e）步骤均采用DRIE刻蚀法。

8. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）的f）步骤中，所述热氧化的方法为：将e）步骤所得硅片放入热氧化炉，通入N₂和流量为0.5L/min～2 L/min的O₂，然后逐渐升温并增大O₂的流量至6 L/min～9 L/min，并开始氧化反应，氧化结束后关闭O₂，然后降温随后取出硅片，氧化后SiO₂绝缘层厚度控制在200nm～1000nm。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）的a）步骤的对准方法为：将盖板、MEMS喷嘴片、两片步骤（1）所制得的线圈硅片以及一片步骤（2）所制得的电极硅片叠放在一起，通过键合对准设备，完成对准步骤。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）的d）步骤中，所述浇铸的方法为：将合模后的基片放入微机电铸造设备中，通过MEMS喷嘴片将液态合金，灌注到三层硅片中间，形成线圈以及电极。