CN116052981B - 磁性薄膜电感及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁性薄膜电感及其制备方法，属于半导体器件技术领域。该磁性薄膜电感包括衬底层、绝缘层、第一磁性膜层、介质层、第一线圈层、第二磁性膜层和第二线圈层，其中，第一磁性膜层和第二磁性膜层之间连通以形成闭合磁路结构，能够减少漏磁，提高电感量，且磁性薄膜电感使用半导体材料作为衬底，材料获取方式简单，成本较低，与传统的贴片式电感相比，电路结构更加小型化、轻量化，能够应用于大规模集成电路，提高电子系统集成化程度。

Description

磁性薄膜电感及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种磁性薄膜电感及其制备方法。

背景技术

作为三大无源器件之一的电感器，被广泛应用于电源、振荡器、低噪声放大电路等电子电路中。

而随着电子电路越来越微型化、轻量化、集成化，传统的贴片式磁芯绕线电感已不能满足目前电路高集成度的发展需求，限制了电子系统的小型化。

发明内容

本发明提供一种磁性薄膜电感及其制备方法，用以解决现有技术中传统的贴片式磁芯绕线电感体积大、质量较重的缺陷，实现电感微型化，有利于提高电子电路集成化程度。

本发明提供一种磁性薄膜电感，包括：衬底层、绝缘层、第一磁性膜层、介质层、第二磁性膜层、第一线圈层和第二线圈层；其中，

所述衬底层上表面包含凹槽；

所述绝缘层均匀覆盖于所述衬底层的上表面；

所述第一磁性膜层位于所述凹槽中，且所述第一磁性膜层的厚度与所述凹槽的深度相同；

所述介质层位于所述第一磁性膜层的上表面，且所述介质层中包含预置磁回路窗口；

所述第一线圈层位于所述介质层的上表面，所述第一线圈层包含多个相互平行的第一金属导体图形；

第二磁性膜层覆盖于所述第一线圈层上方，且所述第一金属导体图形之间的缝隙全部被所述第二磁性膜层填充；

所述第二线圈层位于所述第二磁性膜层的上表面，所述第二线圈层包含多个相互平行的第二金属导体图形，所述第一线圈层中每个第一金属导体图形的一端与所述第二线圈层中的对应位置的第二金属导体图形的另一端连接以形成螺旋线圈。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感，所述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层的材料均为软磁合金。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感，所述第一磁性膜层和所述第二磁性模型的材料均为铁氧体材料。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感，所述绝缘层包含硅晶圆的表面氧化层。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感，所述预置磁回路窗口中被填充有与所述第一磁性膜层材料相同的磁性薄膜材料。

本发明还提供一种磁性薄膜电感的制备方法，包括：

在衬底的上表面刻蚀得到表面带有凹槽的衬底；

在所述表面带有凹槽的衬底上生长氧化层；

在携带所述氧化层的凹槽内沉积磁性薄膜材料得到第一磁性膜层，并平坦化所述第一磁性膜层使得所述第一磁性膜层的上表面与所述凹槽外的氧化层的上表面齐平；

在所述第一磁性膜层的上表面沉积得到带有预置磁回路窗口的介质层；

在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第一线圈层；

在所述第一线圈层上沉积磁性薄膜材料得到第二磁性膜层，并在所述第二磁性膜层上制作通孔；

在所述第二磁性膜层上制作得到第二线圈层，并通过所述通孔实现所述第一线圈层中的第一金属导体图形与所述第二线圈层中的第二金属导体图形依次首尾连接以形成螺旋线圈。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感的制备方法，所述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层是通过如下步骤得到的，包括：

通过物理气相沉积方法或化学气相沉积方法沉积磁性薄膜材料得到所述第一磁性膜层或所述第二磁性膜层。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感的制备方法，所述物理气相沉积方法具体包括如下步骤：

在镀有氧化层的凹槽内使用光刻胶制作第一预设掩模图形；

将携带所述第一预设掩模图形的晶圆放入溅射机内生长磁性薄膜材料，以使所述磁性薄膜材料达到第一预设厚度。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感的制备方法，所述在硅衬底的上表面刻蚀得到表面带有凹槽的硅衬底，包括：

在所述硅衬底的上表面通过干法、湿法、激光刻蚀中的任一种方法进行刻蚀得到所述表面带有凹槽的衬底层。

根据本发明提供的一种磁性薄膜电感的制备方法，所述在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第一线圈层，包括：

利用光刻胶在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第二预设掩模图形；

将携带所述第二预设掩模图形的晶圆放入溅射机内生长金属直至所述金属达到第二预设厚度；

去除所述光刻胶以露出所述金属，露出的金属为所述第一线圈层。

本发明提供的磁性薄膜电感及其制备方法，通过在衬底层上依次构造绝缘层、第一磁性膜层，介质层、第一线圈层、第二磁性膜层和第二线圈层，最终形成磁性薄膜电感，其中，第一磁性膜层和第二磁性膜层之间连通以形成闭合磁路结构，能够减少漏磁，提高电感量，且磁性薄膜电感使用半导体材料作为衬底，材料获取方式简单，成本较低，与传统的贴片式电感相比，电路结构更加小型化、轻量化，能够应用于大规模集成电路，提高电子系统集成化程度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的磁性薄膜电感的剖面结构示意图；

图2是本发明提供的磁性薄膜电感的顶视结构示意图；

图3是本发明提供的磁性薄膜电感中第二层磁性膜层的通孔的俯视图；

图4是本发明提供的磁性薄膜电感的制备方法的流程示意图；

图5是本发明提供的磁性薄膜电感的制备方法的阶段成果示意图；

图6是本发明提供的磁性薄膜电感的制备方法的第五步工序示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合图1-图6描述本发明的具体实施方式。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种磁性薄膜电感的剖面示意图，该磁性薄膜电感包括衬底层L1、绝缘层L2、第一磁性膜层L3、介质层L4、第一线圈层L5、第二磁性膜层L6和第二线圈层L7；其中，

衬底层L1上表面包含凹槽，绝缘层L2均匀覆盖于衬底层L1的上表面；第一磁性膜层L3位于凹槽中，且第一磁性膜层L3的厚度与凹槽的深度相同；

具体的，衬底层L1可以是硅衬底，在硅衬底上通过刻蚀形成预设深度的凹槽，其中，预设深度可以是1.5

。绝缘层L2为硅衬底的氧化层，例如可以是二氧化硅层，该二氧化硅层被作为绝缘层。凹槽中填充有磁性薄膜材料，作为第一磁性膜层L3，第一磁性膜层L3的深度与凹槽深度相同。

介质层L4位于上述第一磁性膜层L3的上表面，且所述介质层L4中包含预置磁回路窗口；

具体的，介质层L4一般为高K介质薄膜，其中，K指介电常数，用于衡量裁量储存电荷的能力，本发明中的高K介质具体是指介电常数大于SiO₂的介电常数3.9的材料，使用高K介质作为介质层能够增强磁性薄膜电感性能。介质层L4上包含预置磁回路窗口，用于后续将第二磁性膜层与第一磁性膜层连通形成闭合磁路。

第一线圈层L5位于介质层L4的上表面，第一线圈层L5包含多个相互平行的第一金属导体图形；

具体的，第一线圈层L5包含多个相互平行的第一金属导体图形，第一金属导体图形的材质主体可以是铜或其他金属材料。第一金属导体图形的俯视图如图2所示。

第二磁性膜层L6覆盖于第一线圈层L5上方，且第一金属导体图形之间的缝隙全部被所述第二磁性膜层填充；

具体地，第二磁性膜层L6的材质与第一磁性膜层L3的材质相同，同样为磁性薄膜材料。第一金属导体图形之间的缝隙全部被第二磁性膜层填充，且上述介质层L4上包含的预置磁回路窗口也被磁性薄膜材料填充，使得第一磁性膜层与第二磁性膜层连通，形成闭合磁路。

第二线圈层L7位于第二磁性膜层L6的上表面，第二线圈层L7包含多个相互平行的第二金属导体图形，第一线圈层L5中每个第一金属导体图形的一端与所述第二线圈层L7中的对应位置的第二金属导体图形的另一端连接以形成螺旋线圈；

具体的，如图1所示，第二线圈层L7包含多个相互平行的第二金属导体图形，第二金属导体图形与第一金属导体图形具有一一对应的位置关系，第二金属导体图形的位置基本如图2所示。第二磁性膜层上包含多个通孔，如图3所示，图3展示了通孔位置的俯视示意图，这些通孔用于将第一线圈层中每根第一金属导体图形的一端与所述第二线圈层中的对应位置的第二金属导体图形的另一端连接（即依次首尾连接）以形成螺旋线圈。

上述实施例，通过在衬底层上依次构造绝缘层、第一磁性膜层、介质层、第一线圈层、第二磁性膜层和第二线圈层，最终形成磁性薄膜电感，其中，第一磁性膜层和第二磁性膜层之间通过预置磁回路窗口连通以形成闭合磁路结构，从而减少漏磁，提高电感量，且磁性薄膜电感使用半导体材料作为衬底，材料获取方式简单，成本较低，与传统的贴片式电感相比，电路结构更加小型化、轻量化，能够应用于大规模集成电路，提高电子系统集成化程度。

在一实施例中，上述第一磁性膜层L3和第二磁性膜层L6的材料均为软磁合金。

其中，软磁合金是在弱磁场中具有高的磁导率及低的矫顽力的一类合金。软磁合金种类繁多，根据组成合金的元素不同可分为电磁纯铁（工业纯铁）、铁硅合金、铁镍合金、铁铝合金、铁硅铝合金及铁钴合金等，可选择符合预设标准（例如GB/T15001）的软磁合金。

具体地，磁性薄膜材料可根据电感应用场景灵活选择，本文对此不作限定。作为一优选实施例，第一磁性膜层和所述第二磁性膜层的材料均为磁性薄膜材料，当应用于低频段电路结构中时，例如电源电路，可以采用软磁合金作为上述磁性薄膜材料，以形成低频大电感（电感达到mH级可称为大电感）。

上述实施例，通过选择软磁合金作为第一磁性膜层和第二磁性膜层的材料，能够形成低频大电感，使得磁性薄膜电感能够应用于低频段电路中。

在一实施例中，上述第一磁性膜层L3和第二磁性膜层L6的材料均为铁氧体材料。

其中，铁氧体材料是以氧化铁和其他铁族或稀土族氧化物为主要成分的复合氧化物。铁氧体多属半导体，电阻率远大于一般金属磁性材料，具有涡流损失小的优点。

具体的，上述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层的材料可以为铁氧体材料，尤其是当磁性薄膜电感应用于高频电路（频率达到GHz可称为高频电路）中时，使用铁氧体材料可提高电感的Q值（Q值指电感的品质因素，是衡量薄膜电感的主要性能参数）。

上述实施例，通过选择铁氧体材料作为第一磁性膜层和第二磁性膜层的材料，能够提高电感的Q值，使得磁性薄膜电感能够应用于高频电路中。

相应地，如图4所示，本发明还提供了一种磁性薄膜电感的制备方法，用于制备上述磁性薄膜电感，具体步骤如下：

步骤401，在衬底的上表面刻蚀得到表面带有凹槽的衬底；

其中，衬底可以是半导体材料制作而成的衬底，半导体材料例如可以是硅。

具体地，对衬底（例如硅晶圆）进行清洗、清洁后，在衬底上表面进行刻蚀达到预设深度（例如1.5

），形成凹槽，如图5中的第一步示意图所示。更详细地说，可以采用干法、湿法、激光刻蚀等多种刻蚀方式中的任一种实现。典型的干法刻蚀过程为：采用光刻胶，在上述清洁后的晶圆表面制作出掩模图形（无胶处即为需要刻蚀凹槽处），基于上述掩模图形再通过干法刻蚀机对上述晶圆进行刻蚀，刻蚀到预设深度（例如1.5/>

）后，去除光刻胶，得到携带凹槽的衬底。

步骤402，在表面带有凹槽的衬底上生长氧化层；

具体地，上述氧化层可以是二氧化硅。对表面有开槽的衬底（例如硅晶圆）进行热氧生长得到厚度约300nm的二氧化硅，如图5中第二步示意图所示。

步骤403，在携带所述氧化层的凹槽内沉积磁性薄膜材料得到第一磁性膜层，并平坦化所述第一磁性膜层使得所述第一磁性膜层的上表面与所述凹槽外的氧化层的上表面齐平；

具体地，在携带上述氧化层的凹槽内，沉积磁性薄膜材料达到第一预设厚度（第一预设厚度例如可以是1

）。可采用物理气相沉积方法或化学气相沉积方法生长磁性薄膜材料。典型的物理气相沉积之溅射法生长第一磁性膜层的过程为：采用光刻胶，在晶圆表面制作出第一掩模图形（无胶处即为需要沉积磁性薄膜材料处），然后将带胶晶圆放入溅射机台内生长磁性薄膜材料，生长到第一预设厚度时，去除光刻胶，并对晶圆表面进行机械抛光，使得第一磁性膜层的上表面与凹槽外的氧化层的上表面齐平，最后形成如图5第三步所示的晶圆。

步骤404，在上述第一磁性膜层的上表面沉积得到介质层；

其中，介质层用于降低损耗，提高磁性薄膜电感的性能。一般地，介质层为高K介质。

具体地，在上述步骤403得到的晶圆基础上，表面沉积高K介质薄膜，并图形化（即在介质层上开窗，得到预置磁回路窗口），如图5第四步所示。

步骤405，在所述介质层上制作第一线圈层；

具体地，在第四步制作晶圆的表面上制作底层金属图形（即第一金属导体图形）。典型的溅射制作第一金属导体图形过程为：采用光刻胶，在介质层上制作出第一预设掩模图形（无胶处即为需要沉积金属处），然后将带胶晶圆放入溅射机台内生长金属层（根据实际需要灵活选择金属膜层体系），生长到第二预设厚度时，去胶露出金属图形和上述预置磁回路窗口。最后形成如图5第五步所示的晶圆。

步骤406，在所述第一线圈层上沉积磁性薄膜材料得到第二磁性膜层，并在所述第二磁性膜层上制作通孔；

具体地，在第五步基础上，在晶圆表面沉积第二层磁性薄膜材料，厚度大约3um（根据需要可进行调节），并露出底层部分金属图形窗口（即露出第一金属导体图形中一部分，以便后续将第一金属导体图形与第二金属导体图形依次连接形成螺旋线圈）。通过预置磁回路窗口将第二层磁性薄膜材料（即第二磁性膜层）与第一层磁性薄膜材料（即第一磁性膜层）连接以形成闭合磁路。第二层磁性薄膜材料的沉积同样可采用物理气相沉积之溅射方法进行，类同上述步骤403。在沉积完第二层磁性薄膜材料后，对晶圆表面进行化学机械抛光处理，以备后续制作顶层金属导体图形（即第二金属导体图形）。

步骤407，在所述第二磁性膜层上制作得到第二线圈层，并通过所述通孔实现所述第一线圈层中的第一金属导体图形与所述第二线圈层中的第二金属导体图形连接以形成螺旋线圈。

具体地，在步骤406制作的晶圆基础上，在表面进行顶层金属图形化。制作方法类同步骤404，最后形成硅基集成磁性薄膜电感。

上述实施例，通过硅基集成技术大幅缩减了电感尺寸和重量，采用的硅基集成磁性电感结构具有闭合磁路，较小电流激励下即能形成大电感量。

在一实施例中，上述物理气相沉积方法具体包括如下步骤：在镀有氧化层的凹槽内制作第一预设掩模图形；将携带所述第一预设掩模图形的晶圆放入溅射机内生长磁性薄膜材料，以使所述磁性薄膜材料达到第一预设厚度。

具体地，用光刻胶，在晶圆表面制作出第一预设掩模图形（无胶处即为需要沉积磁性薄膜材料处），然后将带胶晶圆放入溅射机台内生长磁性薄膜材料，生长到需要薄膜厚度（即第一预设厚度）时，去胶，并对晶圆表面进行机械抛光，最后形成如图5第三步所示的晶圆。

上述实施例，通过物理气相沉积方法生长磁性膜材料，有利于后续闭合磁路。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种磁性薄膜电感，其特征在于，包括衬底层、绝缘层、第一磁性膜层、介质层、第二磁性膜层、第一线圈层和第二线圈层；其中，

所述衬底层上表面包含凹槽；

所述绝缘层均匀覆盖于所述衬底层的上表面；

所述第一磁性膜层位于所述凹槽中，且所述第一磁性膜层的厚度与所述凹槽的深度相同；

所述介质层位于所述第一磁性膜层的上表面，且所述介质层中包含预置磁回路窗口；所述预置磁回路窗口中被填充有与所述第一磁性膜层材料相同的磁性薄膜材料；

所述第一线圈层位于所述介质层的上表面，所述第一线圈层包含多个相互平行的第一金属导体图形；

所述第二磁性膜层覆盖于所述第一线圈层上方，且所述第一金属导体图形之间的缝隙全部被所述第二磁性膜层填充；

所述第二线圈层位于所述第二磁性膜层的上表面，所述第二线圈层包含多个相互平行的第二金属导体图形，所述第一线圈层中每个第一金属导体图形的一端与所述第二线圈层中的对应位置的第二金属导体图形的另一端连接以形成螺旋线圈。

2.根据权利要求1所述的磁性薄膜电感，其特征在于，

所述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层的材料均为软磁合金。

3.根据权利要求1所述的磁性薄膜电感，其特征在于，

所述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层的材料均为铁氧体材料。

4.根据权利要求1所述的磁性薄膜电感，其特征在于，

所述绝缘层包含硅晶圆的表面氧化层。

5.一种磁性薄膜电感的制备方法，其特征在于，包括：

在衬底的上表面刻蚀得到表面带有凹槽的衬底；

在所述表面带有凹槽的衬底上生长氧化层；

在携带所述氧化层的凹槽内沉积磁性薄膜材料得到第一磁性膜层，并平坦化所述第一磁性膜层使得所述第一磁性膜层的上表面与所述凹槽外的氧化层的上表面齐平；

在所述第一磁性膜层的上表面沉积得到带有预置磁回路窗口的介质层；所述预置磁回路窗口中被填充有与所述第一磁性膜层材料相同的磁性薄膜材料；

在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第一线圈层；

在所述第一线圈层上沉积磁性薄膜材料得到第二磁性膜层，并在所述第二磁性膜层上制作通孔；

在所述第二磁性膜层上制作第二线圈层，并通过所述通孔实现所述第一线圈层中的第一金属导体图形与所述第二线圈层中的第二金属导体图形依次首尾连接以形成螺旋线圈。

6.根据权利要求5所述的磁性薄膜电感的制备方法，其特征在于，所述第一磁性膜层和所述第二磁性膜层是通过如下步骤得到的，包括：

通过物理气相沉积方法或化学气相沉积方法沉积磁性薄膜材料得到所述第一磁性膜层或所述第二磁性膜层。

7.根据权利要求6所述的磁性薄膜电感的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积方法具体包括如下步骤：

在带有凹槽的衬底上使用光刻胶制作第一预设掩模图形；

将携带所述第一预设掩模图形的晶圆放入溅射机内生长磁性薄膜材料，以使所述磁性薄膜材料达到第一预设厚度。

8.根据权利要求5所述的磁性薄膜电感的制备方法，其特征在于，所述在衬底的上表面刻蚀得到表面带有凹槽的衬底，包括：

在所述衬底的上表面通过干法、湿法、激光刻蚀中的任一种方法进行刻蚀得到所述表面带有凹槽的衬底。

9.根据权利要求5所述的磁性薄膜电感的制备方法，其特征在于，所述在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第一线圈层，包括：

利用光刻胶在所述带有预置磁回路窗口的介质层上制作第二预设掩模图形；

将携带所述第二预设掩模图形的晶圆放入溅射机内生长金属直至所述金属达到第二预设厚度；

去除所述光刻胶以露出所述金属，露出的金属为所述第一线圈层。

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