DE102008047395B4

DE102008047395B4 - Integrierte Schaltung mit induktivem Bauelement und ferromagnetischem Material und Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE102008047395B4
Application number: DE102008047395A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Knott; Josef Hoeglauer; Uwe Jansen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2011-04-14
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: DE102008047395A1; US20090079529A1; US8149080B2

Abstract

Integrierte Schaltung, umfassend:
ein Substrat;
ein induktives Bauelement auf einer ersten Seite des Substrats;
erstes ferromagnetisches Material auf einer zweiten Seite des Substrats gegenüber der ersten Seite; und
ein zweites ferromagnetisches Material über dem induktiven Bauelement.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Induktive Bauelemente wie etwa Transformatoren und Induktoren, die durch Spulen bereitgestellt werden, sind oftmals in Schaltungen mit kleiner, mittlerer oder sehr großer Integrationsdichte (VLSI) enthalten. In diese Schaltungen integrierte induktive Bauelemente verwenden in der Regel große Spulendurchmesser, um einen guten Gütefaktor zu erhalten (d. h. Q-Faktor). Ein guter Q-Faktor ist besonders wichtig für Hochfrequenztechnologieanwendungen (HF). Spulen mit großem Durchmesser verwenden jedoch in der Regel einen großen Prozentsatz der zur Verfügung stehenden Substratfläche einer integrierten Schaltung und erhöhen deshalb die Produktionskosten. Konzentrische Spulen sind in der Regel parallel zu einer Substratoberfläche angeordnet. Die Spulen werden bei einer Back-End-of-Live-Verarbeitung (BEOL) während eines Metallisierungsprozesses hergestellt, wobei ein geeignetes Metallisierungsmaterial verwendet wird. Die Spulen können in der Regel 50% oder mehr der gesamten Chipfläche verbrauchen. Außerdem eignen sich die Induktivitäten, die von den Spulen erzielt werden, üblicherweise nicht für Anwendungen, bei denen die Spulen nicht nur für eine Signalübertragung, sondern auch für eine Stromübertragung verwendet werden.
Aus diesen und weiteren Gründen besteht ein Bedarf an der vorliegenden Erfindung.
Die Druckschrift US 6 191 468 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung, bei welchem ein erstes ferromagnetisches Material und ein induktives Bauelement auf einer Seite eines Substrats derart bereitgestellt werden, dass das erste ferromagnetische Material zwischen dem Substrat und dem induktiven Bauelement liegen. Das induktive Bauelement wird mit einem zweiten ferromagnetischen Material bedeckt.
Die Druckschrift EP 1 536 433 A1 offenbart einen über einem Substrat angeordneten Leiter, der von ferromagnetischem Material umhüllt ist.
Die Druckschrift US 2006/0275960 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelements. Ein Zwischenprodukt des Verfahrens beinhaltet eine integrierte Schaltung, die auf einer Seite einer Schicht angeordnet ist. Zudem ist eine leitende Schicht auf einer gegenüberliegenden Seite der Schicht angeordnet.
Die Druckschrift DE 41 17 878 A1 offenbart ein magnetisches Element, welches ein Substrat, eine darauf angeordnete erste magnetische Schicht, eine über der ersten magnetischen Schicht angeordnete Isolierschicht, eine aus einem Leiter gebildete planare Spule, die über der ersten Isolierschicht angeordnet ist, eine zweite Isolierschicht über der planaren Spule und eine zweite magnetische Schicht über der zweiten Isolierschicht beinhaltet.
Die Erfindung soll besonders Gütefaktor verbessern. Dies wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 4, 7 oder 10 erreicht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile.
1 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung mit einem in einem ferromagnetischen Material gekapselten induktiven Bauelement.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer integrierten Schaltung mit einem in einem ferromagnetischen Material gekapselten induktiven Bauelement.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltung mit einem in einem ferromagnetischen Material gekapselten induktiven Bauelement.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer integrierten Schaltung mit einem in einem ferromagnetischen Material gekapselten induktiven Bauelement.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltung mit einem in einem ferromagnetischen Material gekapselten induktiven Bauelement.
Ausführliche Beschreibung
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „Oberseite”, „Unterseite”, „Vorderseite”, „Rückseite”, „vorderer”, „hinterer” usw. unter Bezugnahme auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet.
1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung 100a. Die integrierte Schaltung 100a enthält ein Substrat 102, induktive Bauelemente 104a und 104b, dielektrisches Material 106, erstes ferromagnetisches Material 108 und zweites ferromagnetisches Material 110. Bei anderen Ausführungsformen enthält die integrierte Schaltung 100a eine beliebige geeignete Anzahl von induktiven Bauelementen.
Das erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110 kapseln oder umschließen die induktiven Bauelemente 104a und 104b teilweise oder ganz. Das ferromagnetische Material kann unter Verwendung geeigneter Halbleiterverarbeitungstechniken während der Front-End-of-Line-Verarbeitung (FEOL) und/oder Back-End-of-Line-Verarbeitung (BEOL) aufgebracht werden. Das ferromagnetische Material kann über den induktiven Bauelementen 104a und 104b, unter den induktiven Bauelementen 104a und 104b und/oder auf den Seiten (inneren und äußeren) der induktiven Bauelemente 104a und 104b positioniert werden.
Das erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110 begrenzen den Magnetfluss innerhalb der induktiven Bauelemente 104a und 104b. Das Begrenzen des Magnetflusses innerhalb der induktiven Bauelemente 104a und 104b reduziert die Energieabführung von den induktiven Bauelementen 104a und 104b aufgrund von Leckfeldern und magnetischer Kopplung an das Siliziumsubstrat 102. Indem die Energieabführung auf diese Weise reduziert wird, wird der Gütefaktor (d. h. Q-Faktor) von den induktiven Bauelementen 104a und 104b erhöht. Durch Erhöhen des Q-Faktors der induktiven Bauelemente 104a und 104b können die induktiven Bauelemente 104a und 104b sowohl zur Signalübertragung als auch Stromübertragung verwendet werden.
Die induktiven Bauelemente 104a und 104b werden in Metallisierungsschichten auf dem Substrat 102 unter Verwendung geeigneter Metallisierungsmaterialien ausgebildet. Bei einer Ausführungsform sind die induktiven Bauelemente 104a und 104b konzentrische Spulen, die Induktoren, Transformatoren oder andere geeignete Bauelemente liefern. Das dielektrische Material 106 umgibt das die induktiven Bauelemente 104a und 104b bildende Metallmaterial. Bei einer Ausführungsform ist das Substrat 102 ein Siliziumsubstrat. Die Dicke des Substrats 102 ist kleiner als der Durchmesser der induktiven Bauelemente 104a und 104b. Bei einer Ausführungsform wird Schleifen verwendet, um die Dicke des Substrats 102 auf zwischen etwa 60–100 μm zu reduzieren.
Ferromagnetisches Material wie etwa Co, Fe, Ni oder anderes geeignetes ferromagnetisches Material wird auf der Rückseite des Substrats 102 abgeschieden. Das ferromagnetische Material wird unter Verwendung geeigneter Lithographieprozesse strukturiert, um Spalten 116 zwischen Abschnitten des ersten ferromagnetischen Materials 108 zu liefern. Spalten 116 zwischen Abschnitten des ersten ferromagnetischen Materials 108 werden geliefert, um Wirbelströme zu verhindern. Weil das Siliziumsubstrat 102 eine niedrige elektrische Leitfähigkeit besitzt, ist die magnetische Kopplung des Magnetfelds der induktiven Bauelemente 104a und 104b in das Substrat 102 gering. Deshalb schirmt das erste ferromagnetische Material 108 das Magnetfeld der induktiven Bauelemente 104a und 104b ab.
Das ferromagnetische Material, wie etwa Co, Fe, Ni oder ein anderes geeignetes ferromagnetisches Material, wird auf der Oberseite und auf den Seiten der induktiven Bauelemente 104a und 104b abgeschieden. Bei einer Ausführungsform wird das ferromagnetische Material unter Verwendung geeigneter Lithographieprozesse strukturiert, um das zweite ferromagnetische Material 110 zu liefern. Das zweite ferromagnetische Material 110 enthält erste Abschnitte 112 und zweite Abschnitte 114. Die ersten Abschnitte 112 werden auf den induktiven Bauelementen 104a und 104b bereitgestellt. Die zweiten Abschnitte 114 werden auf den äußeren Seitenwänden des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform sind die zweiten Abschnitte 114 auch auf den inneren Seitenwänden des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform verlaufen die Seitenwände des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum senkrecht zu den ersten Abschnitten 112. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Seitenwände des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum abgeschrägt.
2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht ein nicht erfindungsgemäß Beispiel einer integrierten Schaltung 100b. Die integrierte Schaltung 100b enthält das Substrat 102, das erste ferromagnetische Material 120, die induktiven Bauelemente 104a und 104b, das dielektrische Material 106 und das zweite ferromagnetische Material 122 und 124. Bei diesem Beispiel ist das erste ferromagnetische Material 120 zwischen den induktiven Bauelementen 104a und 104b und dem Substrat 102 bereitgestellt. Das erste ferromagnetische Material 120 ist in einer Metallisierungsschicht auf dem Substrat 102 ausgebildet. Da sich das erste ferromagnetische Material 120 zwischen den induktiven Bauelementen 104a und 104b und dem Substrat 102 befindet, kann die Dicke des Substrats 102 bei dieser Ausführungsform größer sein als der Durchmesser der induktiven Bauelemente 104a und 104b.
Das zweite ferromagnetische Material 122 wird über die induktiven Bauelemente 104a und 104b gedruckt. Beispielsweise wird das zweite ferromagnetische Material 122 unter Verwendung eines Tintenstrahldruckers oder eines anderen geeigneten Druckers gedruckt. Als nächstes wird mit einem galvanischen Prozess das gedruckte ferromagnetische Material 122 optimiert oder verbessert und das ferromagnetische Material 124 bereitgestellt. Der galvanische Prozess ist so ausgewählt, dass man eine Kombination aus ferromagnetischem Material 122 und 124, das die gewünschten ferromagnetischen Eigenschaften liefert, erhält. Die ferromagnetischen Materialien 122 und 124 enthalten erste Abschnitte 126 und zweite Abschnitte 128. Die ersten Abschnitte 126 werden auf den induktiven Bauelementen 104a und 104b bereitgestellt. Die zweiten Abschnitte 128 werden an den äußeren Seitenwänden des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum bereitgestellt. Beispielsweise werden die zweiten Abschnitte 128 auch auf den inneren Seitenwänden des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum bereitgestellt. Dazu sind die Seitenwände des dielektrischen Materials 106 um die induktiven Bauelemente 104a und 104b herum abgeschrägt, so dass ein Drucker ferromagnetisches Material 122 auf die Seitenwände drucken kann. Das erste ferromagnetische Material 120 und das zweite ferromagnetische Material 122 und 124 liefern eine ähnliche Funktion wie das zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebene und dargestellte erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110.
3 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltung 100c. Die integrierte Schaltung 100c ist ähnlich der zuvor unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen und dargestellten integrierten Schaltung 100b, außer dass in der integrierten Schaltung 100c das erste ferromagnetische Material 120 durch das erste ferromagnetische Material 108 ersetzt ist. Das erste ferromagnetische Material 108 wird wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt abgeschieden und auf der Rückseite des Wafers 102 strukturiert. Das erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 122 und 124 liefern eine ähnliche Funktion wie das zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebene und dargestellte erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110.
4 veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines nicht erfindungsgemäße Beispiels einer integrierten Schaltung 100d. Die integrierte Schaltung 100d enthält das Substrat 102, das erste ferromagnetische Material 120, die induktiven Bauelemente 104a und 104b, ein ferromagnetisches Formmaterial 130 und ein kapselndes Formmaterial 132. Bei diesem wird Beispiel das erste ferromagnetische Material 120 zwischen den induktiven Bauelementen 104a und 104b und dem Substrat 102 bereitgestellt. Das erste ferromagnetische Material 120 wird in einer Metallisierungsschicht auf dem Substrat 102 ausgebildet. Da sich das erste ferromagnetische Material 120 zwischen den induktiven Bauelementen 104a und 104b und dem Substrat 102 befindet, kann die Dicke des Substrats 102 bei dieser Ausführungsform größer sein als der Durchmesser der induktiven Bauelemente 104a und 104b.
Zusätzlich sind die induktiven Bauelemente 104a und 104b mit ferromagnetischem Formmaterial 130 gekapselt oder umschlossen. Beispielsweise enthält das ferromagnetische Formmaterial 130 eine geeignete Formmasse, die mit Ferrit oder einem anderen geeigneten Material gemischt ist, um ein ferromagnetisches Formmaterial zu erhalten. Das ferromagnetische Formmaterial wird über der Oberseite und den Seitenwänden des dielektrischen Materials 106 und den induktiven Bauelementen 104a und 104b unter Verwendung eines geeigneten Formprozesses aufgebracht. Ein geeignetes nicht-ferromagnetisches Kapselungsformmaterial 132 kapselt das ferromagnetische Formmaterial 130 und das Substrat 102. Das erste ferromagnetische Material 120 und das ferromagnetische Formmaterial 130 liefern eine ähnliche Funktion wie das zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebene und dargestellte erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110.
5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer integrierten Schaltung 100e. Die integrierte Schaltung 100e ist ähnlich der zuvor unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen und dargestellten integrierten Schaltung 100d, außer dass in der integrierten Schaltung 100e das erste ferromagnetische Material 120 durch das erste ferromagnetische Material 108 ersetzt ist. Das erste ferromagnetische Material 108 wird wie zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschrieben und dargestellt auf der Rückseite des Wafers 102 abgeschieden und strukturiert. Das erste ferromagnetische Material 108 und das ferromagnetische Formmaterial 130 liefern eine ähnliche Funktion wie das zuvor unter Bezugnahme auf 1 beschriebene und dargestellte erste ferromagnetische Material 108 und das zweite ferromagnetische Material 110.
Ausführungsformen liefern in ferromagnetisches Material eingebettete induktive Bauelemente. Das ferromagnetische Material schirmt die induktiven Bauelemente ab, wodurch die Induktivitäten und Q-Faktoren der induktiven Bauelemente erhöht werden. Durch Erhöhen der Q-Faktoren der induktiven Bauelemente können die induktiven Bauelemente sowohl für die Signalübertragung als auch Stromübertragung in Schaltungen mit kleiner, mittlerer oder sehr großer Integrationsdichte verwendet werden.

Claims

Integrierte Schaltung, umfassend: ein Substrat; ein induktives Bauelement auf einer ersten Seite des Substrats; erstes ferromagnetisches Material auf einer zweiten Seite des Substrats gegenüber der ersten Seite; und ein zweites ferromagnetisches Material über dem induktiven Bauelement.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein das induktive Bauelement kapselndes ferromagnetisches Formmaterial.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 1, wobei das induktive Bauelement einen Induktor umfasst.
Integrierte Schaltung, umfassend: ein Substrat; ein induktives Bauelement auf einer ersten Seite des Substrats; ein das induktive Bauelement kapselndes ferromagnetisches Formmaterial; und ein ferromagnetisches Material auf einer zweiten Seite des Substrats gegenüber der ersten Seite.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: ein ferromagnetisches Material zwischen dem induktiven Bauelement und dem Substrat.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 4, weiterhin umfassend: Kapselungsformmaterial, das das ferromagnetische Formmaterial und das Substrat kapselt.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen eines induktiven Bauelements auf einer ersten Seite des Substrats; Bereitstellen ersten ferromagnetischen Materials auf einer zweiten Seite des Substrats gegenüber der ersten Seite; und Bedecken des induktiven Bauelements mit zweitem ferromagnetischen Material.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Bedecken des induktiven Bauelements mit dem zweiten ferromagnetischen Material das Drucken des zweiten ferromagnetischen Materials über dem induktiven Bauelement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, weiterhin umfassend: Schleifen des Substrats, um eine Dicke des Substrats auf zwischen 60–100 μm zu reduzieren.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung, wobei das Verfahren folgendes umfasst: Bereitstellen eines Substrats; Herstellen eines induktiven Bauelements auf einer ersten Seite des Substrats; Bereitstellen ersten ferromagnetischen Materials auf einer zweiten Seite des Substrats gegenüber der ersten Seite; und Kapseln des induktiven Bauelements mit ferromagnetischem Formmaterial.