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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente und insbesondere integrierte Schaltungen mit Magnetkerninduktoren und Verfahren zum Herstellen derselben.
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Halbleiterbauelemente werden in vielen elektronischen und anderen Anwendungen verwendet. Halbleiterbauelemente umfassen integrierte Schaltungen, die auf Halbleiterwafern gebildet werden, indem viele Typen von Materialdünnfilmen über den Halbleiterwafern abgeschieden werden und die Materialdünnfilme strukturiert werden, um die integrierten Schaltungen auszubilden.
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Induktoren sind passive Elemente, die in weiter Verbreitung in vielen Anwendungen verwendet werden. Integrierte Induktoren werden gewöhnlich unter Verwendung von herkömmlichen Halbleiterprozessen gebildet. Während stets Verbesserungen in der Leistung der Induktoren angestrebt werden, besteht auch ein Bedarf für eine Halbleiterbauelementtechnik zum Integrieren vieler verschiedener Funktionen auf einem einzelnen Chip, um beispielsweise verschiedene Typen von aktiven und passiven Elementen auf demselben Die herzustellen.
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Zum Beispiel werden Induktoren aus Ferritperlen in vielen Anwendungen wie etwa Mobiltelefonen oder Musikwiedergabegeräten als Vorrichtungen zum Schutz vor elektromagnetischen Störungen (EMI) verwendet. Induktoren werden auch in DC/DC-Wandlern verwendet, um die Spannungsausgabe zu glätten, und werden als diskrete SMD-Elemente hergestellt. Es besteht jedoch ein steigender Bedarf für eine Erhöhung der Anzahl von Induktoren, sodass also Induktoren in demselben Gehäuse wie die zu schützenden integrierten Schaltungen integriert werden müssen.
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Eine derartige Integration stellt jedoch neue Herausforderungen, die überwunden werden müssen. Zum Beispiel erfordern herkömmliche induktive Aufbauten große Flächenausdehnungen oder weisen eine begrenzte magnetische Leistung auf. Für eine aggressive Integration ist es ausschlaggebend, eine kleine Flächenausdehnung zusammen mit einem hohen Qualitätsfaktor vorzusehen.
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Aus der US 2009 / 0 140 383 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Induktivität bekannt, bei dem ein spiralförmiger Leiter in einem Substrat gebildet wird. Im Inneren des spiralförmigen Leiters wird in einem Durchgangsloch durch das Substrat ein Magnetkern von einer Unterseite des Substrats bis zu einer Oberseite des Substrats gebildet.
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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2011 050 228 A1 ist ein Halbleiter-Package bekannt, das eine Induktionsspule aufweist. Bei der Herstellung des Halbleiter-Packages wird ein Halbleiterchip, der ein Loch aufweist, auf einem Träger platziert. Im Anschluss wird der Halbleiterchip mit einem Kapselungsmaterial gekapselt, das eine magnetische Substanz enthalten kann.
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Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Struktur und ein Verfahren zum Bilden von Induktoren mit einer hohen Induktivität und einem geringen Widerstand ohne eine wesentliche Erhöhung der Produktionskosten.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements sowie ein Halbleiterbauelement mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements das Bilden einer ersten Induktorspule in und/oder über einem Substrat. Die erste Induktorspule wird benachbart zu einer oberen Seite des Substrats gebildet. Erste Gräben werden in dem Substrat benachbart zu der ersten Induktorspule gebildet. Die ersten Gräben werden zumindest teilweise mit einem magnetischen Füllmaterial gefüllt. Anschließend wird zumindest ein erster Abschnitt des Substrats unter der ersten Induktorspule ausgedünnt. Anschließend wird eine rückseitige Magnetschicht unter dem ersten Abschnitt des Substrats gebildet. Die rückseitige Magnetschicht und das magnetische Füllmaterial bilden zumindest einen Teil eines Magnetkernbereichs der ersten Induktorspule, so dass ein Halbleiterbauelement gebildet wird.
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Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Bilden eines Halbleiterbauelements das Bilden einer ersten Induktorspule in und/oder über einem Substrat. Die erste Induktorspule wird benachbart zu einer oberen Seite des Substrats gebildet. Erste Gräben werden in dem Substrat benachbart zu der ersten Induktorspule gebildet. Die ersten Gräben werden mit einem magnetischen Füllmaterial gefüllt. Nach dem Füllen der ersten Gräben mit dem magnetischen Füllmaterial wird ein Träger an der oberen Seite des Substrats befestigt. Das Substrat und die erste Induktorspule werden in einer magnetischen Formmasse eingekapselt so dass ein Halbleiterbauelement gebildet wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Halbleiterbauelement Metallleitungen einer ersten Induktorspule, die in und/oder über einem Substrat angeordnet ist. Die Metallleitungen sind benachbart zu einer oberen Seite des Substrats gegenüber einer Rückseite angeordnet. Erste Gräben sind in demselben Substrat benachbart zu der ersten Induktorspule angeordnet. Ein magnetisches Füllmaterial füllt die ersten Gräben zumindest teilweise. Ein von dem magnetischen Füllmaterial separat erzeugtes magnetisches Material ist unter einem ersten Abschnitt des Substrats angeordnet. Zumindest ein Teil eines Magnetkernbereichs der ersten Induktorspule umfasst das magnetische Material und das magnetische Füllmaterial.
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Vorstehend wurden die Merkmale eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung grob umrissen, um die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung verständlicher zu machen. Weitere Merkmale und Vorteile verschiedener Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend beschrieben und stellen den Gegenstand der Ansprüche der Erfindung dar. Dem Fachmann sollte deutlich sein, dass das hier beschriebene Konzept und die spezifischen Ausführungsbeispiele als Grundlage für Modifikationen oder für Entwürfe anderer Aufbauten oder Prozesse zur Erreichung der Zielsetzungen der vorliegenden Erfindung genutzt werden können. Dem Fachmann sollte weiterhin deutlich sein, dass derartige äquivalente Aufbauten innerhalb des durch die beigefügten Ansprüche definierten Erfindungsumfangs enthalten sind.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 mit den 1a und 1b ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 mit den 2a-2g eine Querschnittansicht einer Induktorspule nach dem Bilden der Metallleitungen der Spule gemäß verschiedenen strukturellen Ausführungsbeispielen.
- 3 eine Draufsicht nach dem Bilden der Metallleitungen der ersten Induktorspule gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 4 mit den 4a-4e eine Draufsicht nach dem Bilden der Metallleitungen der ersten Induktorspule gemäß alternativen strukturellen Ausführungsbeispielen.
- 5 mit den 5a und 5b Querschnittansichten des Halbleiterbauelements nach dem Bilden von Gräben gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
- 6 mit den 6a-6g Draufsichten auf das Halbleiterbauelement nach dem Bilden von Gräben gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung, wobei 6a-6e dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 5a entsprechen und 6f-6g dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 5b entsprechen.
- 7 mit den 7a-7d ein alternatives Ausführungsbeispiel von Transformatoren nach dem Bilden von Gräben, wobei 7a-7d der Querschnittansicht von 5a entsprechen.
- 8 mit den 8a-8e eine Querschnittansicht nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial, wobei 8a und 8b Induktoren zeigen, während 8c-8e Transformatoren zeigen.
- 9 mit den 9a-9g eine Draufsicht auf das Halbleiterbauelement nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial, wobei 9a-9e Draufsichten in Entsprechung zu dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 8a zeigen und 9f-9g Draufsichten in Entsprechung zu dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 8b zeigen.
- 10 mit den 10a-10d alternative Ausführungsbeispiele von Transformatoren nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial, wobei 10a-10d der Querschnittansicht von 8c-8e entsprechen.
- 11 mit den 11a und 11b die nächste Verarbeitungsphase in Querschnittansichten des Halbleiterbauelements nach dem Ausdünnen des Substrats, wobei 11a das Ausführungsbeispiel mit dem benachbart und darüber geformten magnetischen Füllmaterial zeigt und 11b das Ausführungsbeispiel mit den in dem magnetischen Füllmaterial eingebetteten Induktorspulen zeigt.
- 12 mit den 12a und 12b die nächste Verarbeitungsphase in Querschnittansichten des Halbleiterbauelements nach dem Bilden der rückseitigen Magnetschicht.
- 13 mit den 13a und 13b ein alternatives Ausführungsbeispiel für das Bilden der rückseitigen Magnetschicht.
- 14 und 15 ein alternatives Ausführungsbeispiel für das Bilden einer strukturierten rückseitigen Magnetschicht, wobei 14 die 14a und 14b umfasst und das Halbleiterbauelement nach einem lokalen Ätzen eines Abschnitts des Substrats zum Bilden einer rückseitigen Öffnung zeigt und 15 die 15a und 15b umfasst und ein Füllen der rückseitigen Öffnung mit einer rückseitigen Magnetschicht zeigt.
- 16 mit den 16a-16d ein Halbleiterbauelement gemäß strukturellen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
- 17 mit den 17a-17e ein Halbleiterbauelement in verschiedenen Verarbeitungsphasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Sofern keine anderslautenden Angaben gemacht werden, werden einander entsprechende Teile in den verschiedenen Figuren durchgehend durch gleiche Bezugzeichen angegeben. Die Figuren sollen die relevanten Aspekte der Ausführungsbeispiele verdeutlichen und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand verschiedener Ausführungsbeispiele in dem spezifischen Kontext von Halbleitergehäusen und integrierten Schaltungschips mit Induktoren beschrieben.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen das Bilden von Hochleistungsspulen in Verbindung mit anderen integrierten Schaltungen in demselben Chip und/oder Gehäuse.
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Zuerst wird ein strukturelles Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Bezug auf 1 beschrieben. Weitere strukturelle Ausführungsbeispiele werden mit Bezug auf 16 beschrieben. Verschiedene Verfahren zum Herstellen des Halbleiterbauelements werden mit Bezug auf 2-15 und 17 beschrieben.
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1 mit den 1a und 1b zeigt ein Halbleiterbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1a zeigt einen Transformator, während 1b eine einzelne Induktorspule zeigt.
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Halbleiterchip in und über einem Substrat 100 angeordnet. Der Halbleiterchip kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine integrierte Schaltung oder ein diskretes Bauelement sein. Das Substrat 100 kann Bauelementbereiche oder einen aktiven Schaltungsaufbau mit Transistoren, Dioden, Widerständen, Kondensatoren oder anderen Komponenten für die Bildung von integrierten Schaltungen umfassen.
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1a zeigt einen Transformator 10, der in und/oder über dem Substrat 100 angeordnet ist. Der Transformator 10 umfasst eine erste Induktorspule 120 und eine zweite Induktorspule 130. Die erste Induktorspule 120 und die zweite Induktorspule 130 können in dem Substrat 100 angeordnet sein oder können teilweise oder vollständig in einer Isolationsschicht 140 über dem Substrat 100 angeordnet sein. In diesem Ausführungsbeispiel sind die erste Induktorspule 120 und die zweite Induktorspule 130 um den Kern (mittleren Graben) gewickelt. Die Isolationsschicht 140 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen aus einer einzelnen Schicht bestehen oder kann eine Vielzahl von Teilschichten umfassen. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen ist die Isolationsschicht 140 ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial (ILD-Material), das Metallleitungen und/oder Durchgänge umfasst. Das ILD-Material kann aus Siliciumoxid oder einem anderen dem Fachmann bekannten Material mit einer niedrigen dielektrischen Konstante bestehen.
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Die erste und die zweite Induktorspule 120 und 130 sind durch Gräben 160 umgeben, die mit einem magnetischen Füllmaterial 170 gefüllt sind. Das magnetische Füllmaterial 170 ist auch über der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130 angeordnet. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfasst das magnetische Füllmaterial 170 ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material wie etwa MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, eine NiCuZn-Legierung, Mu-Metalle, Eisen, Nickel oder Kombinationen aus denselben.
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Eine rückseitige Magnetschicht 180 ist unter einer Rückfläche des Substrats 100 angeordnet. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die rückseitige Magnetschicht 180 ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material wie etwa MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, eine NiCuZn-Legierung, Mu-Metalle, Eisen, Nickel oder Kombinationen aus denselben. Bei einem Ausführungsbeispiel bestehen das magnetische Füllmaterial 170 und die rückseitige Magnetschicht 180 aus demselben Material. In anderen Ausführungsbeispielen bestehen das magnetische Füllmaterial 170 und die rückseitige Magnetschicht 180 jedoch aus jeweils verschiedenen Materialien, weil sie zum Beispiel wie weiter unten beschrieben verschiedene Herstellungsanforderungen stellen.
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Wie in 1a gezeigt, ist die rückseitige Magnetschicht 180 hauptsächlich nur unter der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130 gebildet. Deshalb weisen weitere Komponenten (nicht gezeigt), die benachbart zu dem Transformator 10 gebildet sind, keine darunter liegende rückseitige Magnetschicht 180 auf. Entsprechend ist das magnetische Füllmaterial 170 hauptsächlich nur über der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130 angeordnet, sodass benachbart zu dem Transformator 10 gebildete weitere Komponenten nicht betroffen werden.
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Zusammen bilden das magnetische Füllmaterial 170 und die rückseitige Magnetschicht 180 den Magnetkern der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130. Vorteilhafterweise verursachen die hohe magnetische Durchlässigkeit des magnetischen Füllmaterials 170 und der rückseitigen Magnetschicht 180 eine Konzentration von Magnetfeldlinien (siehe die Pfeile, die einen geschlossenen Magnetkreis wiedergeben). Durch die Verwendung des Magnetkerns wird die Induktivität des Induktors in verschiedenen Ausführungsbeispielen um ein Vielfaches erhöht. Die erhöhte Induktivität hilft dabei, den direkt von der Induktivität abhängigen Qualitätsfaktor zu verbessern.
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann der Transformator 10 von der oberen Seite des Substrats 100 kontaktiert werden (z.B. über Kontaktanschlussflächen). Das gezeigte Ausführungsbeispiel sieht einen vorderen Kontakt für den Transformator 10 mit Kontaktanschlussflächen 110 vor.
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Der Halbleiterchip mit dem Transformator 10 wird durch das Formmaterial 200 bedeckt (eingekapselt). Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst das Formmaterial 200 eine Epoxidbasierte Formmasse.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann das Formmaterial 200 weiterhin magnetische Partikeln umfassen. Zum Beispiel können ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikeln aus etwa Eisen, Nickel, MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, einer NiCuZn-Legierung, Mu-Metallen oder Kombinationen aus denselben in dem Formmaterial 200 enthalten sein.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Formmaterial 200 durch Spritzgießen geformt, wobei eine Formmasse in einen Formhohlraum eingespritzt und ausgehärtet wird, um das Formmaterial zum Einkapseln des Substrats 100 zu bilden.
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1b zeigt einen Induktor 12 mit mehreren Windungen. In dem gezeigten Beispiel umfasst die erste Induktorspule 120 zwei Windungen.
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2-15 zeigen Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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Das Verfahren wird mit Bezug auf die Querschnittansicht eines Halbleiterbauelements in verschiedenen Verarbeitungsphasen mit Bezug auf 2, 5, 8, 11-15 beschrieben. Entsprechende (und auch alternative) Draufsichten des Halbleiterbauelements werden nach einer Beschreibung der Querschnittansichten für jede Verarbeitungsphase mit Bezug auf 3-4, 6-7 und 9-10 erläutert.
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2 mit den 2a-2g zeigt eine Querschnittansicht einer Induktorspule nach dem Bilden der Metallleitungen der Spule gemäß verschiedenen strukturellen Ausführungsbeispielen. 3 und 4 zeigen Draufsichten auf den Induktor oder auf Transformatorspulen gemäß verschiedenen strukturellen Ausführungsbeispielen.
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 über dem Substrat 100 wie in 2a gezeigt gebildet werden. Alternativ hierzu können die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 auch über dem Substrat 100 und einer Isolationsschicht 140 mit einer oder mehreren Metallisierungsschichten gebildet werden.
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2c zeigt ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel, in dem die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 in einer Isolationsschicht 140 gebildet werden. Bei einem derartigen Ausführungsbeispiel kann die erste Induktorspule 120 in derselben Metallebene gebildet werden wie die Verbindungsteile für die Verbindung mit anderen Bauelementen in dem Substrat 100. Es ist also keine weitere Verarbeitung erforderlich, um die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 auszubilden.
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2d zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel, in dem die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 in einer Vielzahl von Metallebenen über dem Substrat gebildet sind. 2e zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in dem die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 vollständig in dem Substrat 100 gebildet sind und über in dem Substrat gebildete Kontaktanschlussflächen 110 verbunden sind. Zum Beispiel können Gräben in dem Substrat 100 gebildet werden und mit einem Metall gefüllt werden, um die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 in dem Substrat 100 zu bilden.
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2f zeigt ein Ausführungsbeispiel, in dem die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 in einer Isolationsschicht 140 und in dem Substrat 100 gebildet sind. In 2g sind die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 in dem Substrat gebildet und über in einer Isolationsschicht 140 gebildete Kontaktanschlussflächen 110 verbunden.
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3 zeigt eine Draufsicht auf die erste Induktorspule 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Bei einem Ausführungsbeispiel kann 3 eine Draufsicht auf die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 von 2 sein. Die erste Induktorspule 120 ist als eine Spirale in einer horizontalen Ebene parallel zu einer oberen Oberfläche des Substrats 100 gebildet.
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Wie mit Bezug auf 2 beschrieben, werden die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 unter Verwendung eines Damaszenerprozesses oder eines anderen Grabenfüllprozesses gebildet und in einer einzelnen Metallebene, in mehreren Metallebenen und/oder in dem Substrat gebildet. Bei einem oder in mehreren Ausführungsbeispielen kann oben auf dem Substrat (wie in 2a) die erste Induktorspule 120 auch unter Verwendung einer Musterplattierung einschließlich eines Lithographieschritts und einer galvanischen Abscheidung der Metallleitungen gebildet werden.
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Die Kontaktanschlussflächen 110 können in derselben horizontalen Ebene wie die Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 oder in höheren Ebenen über der ersten Induktorspule 120 gebildet werden.
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4 mit den 4a-4e zeigt alternative strukturelle Ausführungsformen der ersten Induktorspule.
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Wie in 4a gezeigt, umfasst die erste Induktorspule 120 in einem Ausführungsbeispiel eine lineare Form. In dem Ausführungsbeispiel von 4b ist die erste Induktorspule 120 kreisförmig.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel von 4c ist die erste Induktorspule 120 konzentrisch und weist zum Beispiel eine achteckige Form auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann die konzentrische Form eine größere oder kleinere Anzahl von Seiten aufweisen.
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4d und 4e zeigen beispielhafte Ausführungsbeispiele eines Transformators 10 mit einer ersten Induktorspule 120 und einer zweiten Induktorspule 130. In 4d kann die erste Induktorspule 120 die primäre Spule sein, die mit einem Eingangsspannungsknoten verbunden ist, während die zweite Induktorspule 130 die sekundäre Spule sein kann, die mit einem Ausgangsspannungsknoten verbunden ist. Das Windungsverhältnis zwischen der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130 bestimmt die Ausgangsspannung des Transformators 10.
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In 4e umfasst der Transformator 10 eine erste Induktorspule 120 und eine oder eine Vielzahl von zweiten Induktorspulen 130. Jede Induktorspule aus der Vielzahl von zweiten Induktorspulen 130 kann identische Induktorspulen umfassen (z.B. mit einer ähnlichen Anzahl von Windungen oder mit einer unterschiedlichen Anzahl von Windungen).
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können andere geeignete Formen der ersten Induktorspule 120 und/oder der zweiten Induktorspule 130 für das Bilden des Transformators 10 verwendet werden.
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5 zeigt Querschnittansichten des Halbleiterbauelements nach dem Bilden von Gräben, und 6 und 7 zeigen entsprechende Draufsichten.
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Wie in 5 gezeigt, sind Gräben 160 neben der ersten Induktorspule 120 (und anderen Spulen wie etwa der zweiten Induktorspule) gebildet. Die Gräben 160 werden unter Verwendung eines Lithographieprozesses und eines folgenden Ätzens des Substrats 100 und/oder der Isolationsschicht 140 unter Verwendung von z.B. einem reaktiven Ionenätzen gebildet. Die Tiefe der Gräben 160 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen zwischen ungefähr 10 µm und ungefähr 400 µm betragen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weisen die Gräben 160 eine Tiefe auf, die größer oder ungefähr gleich der Dicke des auszubildenden endgültigen Substrats 100 ist. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen ist dies erforderlich, um die magnetische Füllung des Grabens mit der magnetischen Rückseite zu verbinden und dadurch den Magnetkreis zu schließen. Alternativ hierzu kann die Tiefe der Gräben 160 auch derart gewählt werden, dass ein schmaler Abstand zwischen der Grabenfüllung und den rückseitigen Magnetmaterialien vorgesehen wird. Dieser schmale Abstand verhält sich als ein Luftspalt, der die Frequenzabhängigkeit des Magnetkerns bestimmt.
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Der Deutlichkeit halber sind die in 2b-2g gezeigten Aufbauten in den folgenden Verarbeitungsschritten nicht gezeigt, wobei verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung aber auch eine ähnliche Verarbeitung dieser Aufbauten umfassen können.
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5a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem ein Ätzen im wesentlichen vertikal ausgeführt wird. Im Gegensatz dazu wird das Ätzen in einem in 5b gezeigten alternativen Ausführungsbeispiel auch lateral durchgeführt, um ein Ätzen unter den Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 auszuführen.
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Eine entsprechende Draufsicht auf die Aufbauten in dieser Verarbeitungsphase ist in 6 gezeigt. 6a-6d entsprechen dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 5a, während 6e-6g dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 5b entsprechen.
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6a zeigt eine Draufsicht auf die lineare erste Induktorspule 120 von 4a nach dem Bilden von Gräben 160. Die Gräben 160 sind benachbart zu der ersten Induktorspule 120 gebildet. 6b zeigt eine Draufsicht auf die kreisförmige erste Induktorspule 120 von 4b nach dem Bilden von Gräben 160.
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6c-6e zeigen Draufsichten auf die konzentrische erste Induktorspule 120 von 4c. In 6c sind Gräben 160 nur in einem mittleren Bereich in der konzentrischen ersten Induktorspule 120 gebildet, während in 6d und 6e Gräben 160 sowohl in einem mittleren Bereich als auch in peripheren Bereichen um die erste Induktorspule 120 herum gebildet sind. In 6d ist ein einzelner Seitengraben 160 mit ungefähr der gleichen Fläche wie der innere Kerngraben 160 gebildet. In 6e sind acht Seitengräben 160 gebildet, weil die erste Induktorspule 120 eine oktaedrische Form aufweist. In anderen Ausführungsbeispielen kann die Anzahl der Gräben 160 auch größer oder kleiner sein. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen entspricht die Fläche des inneren Grabens 160 (des Magnetkerns) ungefähr derjenigen (in der Draufsicht) des peripheren Grabens 160 oder der Flächensumme der peripheren Gräben.
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6f und 6g zeigen alternative Ausführungsbeispiele in Draufsichten auf das Halbleiterbauelement in Entsprechung zu der Querschnittansicht von 5b.
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6f zeigt eine lineare erste Induktorspule 120, die einen Graben 160 umfasst, der benachbart und unter der Metallleitung der ersten Induktorspule 120 gebildet ist. 6g zeigt eine kreisförmige erste Induktorspule 120, die einen Graben 160 umfasst, der unter der Metallleitung der ersten Induktorspule 120 gebildet ist.
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7 mit den 7a-7d zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel in Draufsichten auf Transformatoren nach dem Bilden von Gräben. 7a-7d entsprechen den Querschnittansichten von 5a. 7c zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel mit einem peripheren Graben 160. Der periphere Graben 160 schließt den Magnetkreis lokal. 7d zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel von 7c, bei dem die erste und die zweite Induktorspule 120 und 130 in einer anderen Konfiguration gewunden sind. Wenn zum Beispiel von einem rechteckig geformten, geschlossenen Kern ausgegangen wird, können in einem Ausführungsbeispiel die erste und die zweite Induktorspule 120 und 130 um eine Seite des rechteckigen Kerns von 7c gewunden sein. Alternativ hierzu können die erste und die zweite Induktorspule 120 und 130 um gegenüberliegende Seiten des rechteckigen Kerns gewunden sein, wobei der Kern das Magnetfeld wie in 7d gezeigt durchlässt.
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8 mit den 8a-8e zeigt eine Querschnittansicht nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial. In 8 zeigen die 8a und 8b Induktoren, während 8c-8e Transformatoren zeigen. 8c-8e zeigen ein Ausführungsbeispiel mit einem vertikalen Ätzen, das zur Verdeutlichung für Transformatoren veranschaulicht ist. 9 mit den 9a-9g und 10 mit den 10a-10d zeigen entsprechende Draufsichten auf das Halbleiterbauelement nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial. Eine 8c vergleichbare Draufsicht ist in 10b gezeigt, eine 8d vergleichbare Draufsicht ist in 10c gezeigt und eine 8e vergleichbare Draufsicht ist in 10d gezeigt.
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Die Kontaktanschlussflächen 110 und der (zu schützende) restliche Schaltungsaufbau werden mit einer schützenden Maskenschicht (nicht gezeigt) in Entsprechung zu einer Maske M bedeckt. Wenn in einigen Ausführungsbeispielen ein Layout mit einem oder mehreren peripheren Gräben 160 verwendet wird, kann die Maske M verwendet werden, um das obere magnetische Material nur lokal aufzutragen, um den inneren Kerngraben 160 mit dem peripheren Graben 160 zu verbinden und auf diese Weise einen geschlossenen Magnetkreis zu bilden. Die schützende Maskenschicht kann unter Verwendung von Standard-Lithographieprozessen gebildet werden. Ein magnetisches Füllmaterial 170 wird verwendet, um die Gräben 160 zu füllen. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen umfasst das magnetische Füllmaterial 170 ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material wie etwa MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, eine NiCuZn-Legierung, Mu-Metalle, Eisen, Nickel oder eine Kombination aus denselben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel kann das magnetische Füllmaterial 170 aufgeschleudert werden. In anderen Ausführungsbeispielen kann das magnetische Füllmaterial 170 abgeschieden werden. Ein folgender Planarisierungsprozess kann verwendet werden, um die Oberfläche des magnetischen Füllmaterials 170 zu planarisieren. Verbleibendes Maskenmaterial kann entfernt werden.
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In 8a wird das magnetische Füllmaterial 170 benachbart und über den Metallleitungen der ersten Induktorspule 120 gebildet. In 8b wird das magnetische Füllmaterial 170 auch unter der ersten Induktorspule 120 gebildet, um die erste Induktorspule 120 in dem magnetischen Füllmaterial 170 einzubetten.
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9 mit den 9a-9g zeigt Draufsichten auf das Halbleiterbauelement nach dem Füllen der Gräben mit einem magnetischen Füllmaterial. 9a-9d zeigen Draufsichten in Entsprechung zu dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 8a, während 9e-9g Draufsichten in Entsprechung zu dem im Querschnitt gezeigten Ausführungsbeispiel von 8b zeigen.
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9a zeigt eine Draufsicht auf die lineare erste Induktorspule 120 von 6a nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170. 9b zeigt eine Draufsicht auf die kreisförmige erste Induktorspule 120 von 6b nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170. 9c, 9d und 9e zeigen Draufsichten auf die konzentrische erste Induktorspule 120 von 6c, 6d und 6e nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170. 9d zeigen das Ausführungsbeispiel mit dem zusätzlichen Seitengraben, der mit dem magnetischen Füllmaterial 170 gefüllt ist.
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9f und 9g zeigen alternative Ausführungsbeispiele in Draufsichten auf das Halbleiterbauelement vergleichbar zu der Querschnittansicht von 8b nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170.
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10 mit den 10a-10d zeigen alternative Ausführungsbeispiele von Transformatoren 10 nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170. 10a-10d sind vergleichbar mit der Querschnittansicht von 8a.
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11 mit den 11a und 11b zeigt die nächste Verarbeitungsphase in Querschnittansichten des Halbleiterbauelements nach dem Ausdünnen des Substrats, wobei 11a das Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem das magnetische Füllmaterial benachbart und über den Induktorspulen vorgesehen ist, während 11b das Ausführungsbeispiel zeigt, bei dem die Induktorspulen in dem magnetischen Füllmaterial eingebettet sind.
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Das Substrat 100 wird von der Rückseite her ausgedünnt, sodass das magnetische Füllmaterial 170 freigelegt wird. Die typische Dicke des Substrats 100 nach dem Ausdünnen beträgt zwischen ungefähr 30 µm und ungefähr 380 µm. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Ausdünnen chemisch und/oder mechanisch ausgeführt werden. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen kann das Ausdünnen durch einen Schleifprozess bewerkstelligt werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel kann ein Plasmaätzen verwendet werden, um das Substrat 100 von der Rückseite her auszudünnen.
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12 mit den 12a und 12b zeigt ein Ausführungsbeispiel nach dem Bilden einer rückseitigen Magnetschicht 180. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die rückseitige Magnetschicht 180 über der Rückfläche des ausgedünnten Substrats 100 aufgetragen.
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Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen umfasst die rückseitige Magnetschicht 180 ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material wie etwa Eisen, Nickel, MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, eine NiCuZn-Legierung, Mu-Metalle und Kombinationen aus denselben.
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Bei einem Ausführungsbeispiel besteht die rückseitige Magnetschicht 180 aus demselben Material wie das magnetische Füllmaterial 170. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen besteht die rückseitige Magnetschicht 180 aus einem anderen Material als das magnetische Füllmaterial 170. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen wird eine magnetische Paste auf die Vorderseite des Substrats 100 aufgetragen, während eine magnetische Folie über die Rückseite des Substrats 100 laminiert wird. In einer Ausführungsform wird dasselbe magnetische Material in der magnetischen Paste und in der magnetischen Folie verwendet.
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13 mit den 13a und 13b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zum Bilden der rückseitigen Magnetschicht.
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Wie in 13a und 13b gezeigt, wird die rückseitige Magnetschicht 180 nur unter der ersten Induktorspule 120 gebildet. Die restlichen Bereiche unter dem Substrat 100 werden also nicht mit der rückseitigen Magnetschicht 180 bedeckt. Dies ermöglicht eine nahtlose Integration anderer Komponenten in dem Substrat 100. Zum Beispiel kann das Substrat 100 andere Bauelemente wie etwa Transistoren, Kondensatoren, Dioden, Widerstände usw. enthalten, deren Leistung unter Umständen durch das Vorhandensein eines magnetischen Materials beeinträchtigt wird. Die strukturierte rückseitige Magnetschicht 180 kann in einem Ausführungsbeispiel durch das Aufbringen einer Schicht der rückseitigen Magnetschicht 180 und eine Musterung mittels einer Lithographie gebildet werden.
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Alternativ hierzu kann die strukturierte rückseitige Magnetschicht 180 direkt durch Techniken wie etwa eine Musterplattierung, einen Schablonendruck, einen Siebdruck, einen Tintenstrahldruck oder andere geeignete Drucktechniken gebildet werden. Bei einem Ausführungsbeispiel können magnetische Partikeln in einer geeigneten Flüssigkeit oder einem geeigneten Lösungsmittel dispergiert werden, um eine Paste zu bilden. Die Paste kann auf die Rückseite des Substrats 100 z.B. unter Verwendung eines Schablonendrucks, eines Siebdrucks, eines Tintenstrahldrucks oder einer anderen geeigneten Drucktechnik aufgetragen werden. Nach dem Auftragen der Paste kann die Paste einer Wärmeenergie ausgesetzt werden (z.B. einer erhöhten Temperatur usw.). Diese Wärmeenergie veranlasst, dass die Flüssigkeit in der Paste verdampft. Dabei kann die angewendete erhöhte Temperatur niedriger als die Schmelztemperatur des magnetischen Materials (in einer Massenform) sein, mit der die magnetischen Partikeln hergestellt werden. Dank des Temperaturschritts können die magnetischen Partikeln sintern und auf diese Weise die strukturierte rückseitige Magnetschicht 180 bilden.
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14 und 15 zeigen eine alternative Ausführungsform zum Bilden einer strukturierten rückseitigen Magnetschicht.
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14 mit den 14a und 14b zeigt eine Ausführungsform nach dem lokalen Ätzen eines Abschnitts des Substrats für das Bilden einer rückseitigen Öffnung.
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Wie in 14a und 14b gezeigt, wird nach dem Bilden einer die restlichen Bereiche des Substrats 100 schützenden Maske (d.h. nach dem Bilden einer harten Maskenschicht (nicht gezeigt) unter Verwendung der rückseitigen Maske BM) die Fläche des Substrats 100 anisotrop geätzt. Durch das Ätzen wird eine rückseitige Öffnung 190 gebildet, die das magnetische Füllmaterial 170 freilegt. Das Ätzen dünnt das Substrat 100 lokal unter der ersten Induktorspule 120 aus, ohne die restlichen Bereiche auszudünnen. Bei einem oder mehreren Ausführungsbeispielen wird der Ätzprozess nach dem Ausdünnen des Substrats 100 global ausgeführt.
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15 mit den 15a und 15b zeigt das Füllen der rückseitigen Öffnung 190 mit einer rückseitigen Magnetschicht 180. Die rückseitige Magnetschicht 180 wird in der Öffnung 190 durch Techniken wie etwa eine Musterplattierung, einen Schablonendruck, einen Siebdruck, einen Tintenstrahldruck oder eine andere geeignete Drucktechnik gebildet. Alternativ hierzu kann die strukturierte rückseitige Magnetschicht 180 in einem Ausführungsbeispiel durch eine Kombination aus einem Deckabscheidungsprozess und einem folgenden Planarisierungsprozess gebildet werden.
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16 mit den 16a-16d zeigt ein Halbleiterbauelement gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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16a zeigt ein WLB-Halbleitergehäuse (WLB = Wafer Level Ball Grid Array = Waferebenen-Kugelrasterarry).
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Wie in 16a gezeigt, umfasst das Halbleiterbauelement eine erste Induktorspule 120 und eine zweite Induktorspule 130, die einen Transformator 10 bilden. Das WLB-Gehäuse umfasst Lotkugelkontakte 220, die über der oberen Seite des Substrats 100 angeordnet sind. Die Lotkugelkontakte 220 können in einer Anordnung, die beispielsweise quadratisch oder rechteckig ist, oder in einer Anordnung in einem mittleren Bereich angeordnet sein. Die Lotkugelkontakte 220 können auch in Reihen in einem Umfangbereich angeordnet sein. Der Eingang und der Ausgang des Transformators 20 sind jeweils über die Lotkugelkontakte 220 mit einem Eingangs- und einem Ausgangsspannungsknoten verbunden. Wie in 16a gezeigt, ist die rückseitige Magnetschicht 180 auf im wesentlichen der gesamten Rückfläche des Chips gebildet. Der in dem Induktor gebildete geschlossene Magnetkreis wird durch Pfeile wiedergegeben.
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16b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel des WLB-Gehäuses, bei dem die rückseitige Magnetschicht 180 lokal hauptsächlich unter dem Transformator 10 gebildet ist. Dadurch können andere Komponenten auf dem Chip gebildet werden, ohne durch die magnetischen Materialien des Transformators 10 beeinträchtigt zu werden. Wiederum wird der geschlossene Magnetkreis in dem Induktor durch Pfeile wiedergegeben.
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16c zeigt ein Ausführungsbeispiel eines eWLB-Gehäuses (eWLB = embedded Wafer Level Ball Grid Array = eingebettetes Waferebenen-Kugelrasterarry). eWLB ermöglicht eine höhere Integrationsstufe und eine größere Anzahl von externen Kontakten. Der Transformator 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Formmasse 200 umgeben. Die Kontaktanschlussflächen 110 können in einer Redistributions-Isolationsschicht 240 gebildet sein und können Redistributionsleitungen 250 umfassen.
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16d zeigt ein Ausführungsbeispiel des eWLB-Gehäuses mit einer magnetischen Formmasse. Wie in 16d gezeigt, ist das Substrat 100 durch eine magnetische Formmasse 210 umgeben. Ein Abschnitt der magnetischen Formmasse 210 entlang des magnetischen Füllmaterials 170 bildet den Kern der ersten und der zweiten Induktorspule 120 und 130 des Transformators 10. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel von 16c besteht die Formmasse des eWLB-Gehäuses in diesem Ausführungsbeispiel aus einem magnetischen Material.
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Die magnetische Formmasse 210 umfasst magnetische Partikeln, die in einem Ausführungsbeispiel in einer Epoxidformmasse eingebettet sind. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen können ferromagnetische oder ferrimagnetische Partikeln aus etwa Eisen, Nickel, MnZn-Ferrit, NiZn-Ferrit, NiFe-Ferrit, einer NiCuZn-Legierung, Mu-Metallen oder Kombinationen aus denselben in der magnetischen Formmasse 210 enthalten sein.
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17 mit den 17a-17e zeigt ein Halbleiterbauelement in verschiedenen Verarbeitungsphasen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird ein eWLB-Gehäuse hergestellt, in dem die Formmasse einen Teil des Magnetkerns der Induktorspulen bildet. Diese Ausführungsform folgt der mit Bezug auf 2-10 beschriebenen Verarbeitung. Wie in 17a gezeigt, kann das Substrat 100 nach dem Füllen der Gräben 160 mit einem magnetischen Füllmaterial 170 ausgedünnt werden. Das Substrat 100 kann auf einem Träger 230 platziert werden, um während der folgenden Verarbeitung mechanisch gestützt zu werden. Insbesondere wird die obere Fläche des Substrats 100 (mit z.B. den aktiven Bauelementen) auf dem Träger 230 platziert.
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Der Träger 230 kann ein Glassubstrat oder ein Aluminiumsubstrat sein, das eine mechanische Stütze vorsieht und während der Verarbeitung thermisch stabil bleibt. Wie in 17b gezeigt, wird das Substrat 100 in einer magnetischen Formmasse 210 eingekapselt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel wird eine Nanopaste mit magnetischen Partikeln über dem Substrat 100 aufgetragen. Die Nanopaste kann z.B. durch eine Wärmebehandlung ausgehärtet werden. Nach dem Aushärten umgibt die magnetische Formmasse 210 das Substrat 100 wie in 17b gezeigt.
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Wie in 17c gezeigt, wird der Träger 230 entfernt und wird das Substrat umgedreht, sodass die obere Fläche des Substrats 100 nach oben gerichtet ist (in der Zeichnungsebene).
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Dann wird eine Redistributionsschicht über der oberen Seite des Substrats 100 gebildet. Redistributionsleitungen 250 können in einer Redistributions-Isolationsschicht 240 gebildet werden. Die Kupfer enthaltenden Redistributionsleitungen 250 können in einem Ausführungsbeispiel durch eine Elektroplattierung über einer Seed-Schicht gebildet werden. Lotkugelkontakte 220 können dann über der Redistributionsschicht für eine Kopplung der Komponenten des Chips mit externen Eingängen/Ausgängen gebildet werden.
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Dann wird das Substrat 100 singuliert, indem die Chips auf dem Wafer in einzelne Chips getrennt werden. Die Singulierung kann mechanisch beispielsweise unter Verwendung eines Trennwerkzeugs vorgenommen werden.
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Obwohl hier nicht im Einzelnen beschrieben, können Ausführungsbeispiele der Erfindung auch Anwendungen für Induktorspulen vorsehen, die Mikromaschinen wie etwa Aktuatoren enthalten. Ein Beispiel für einen MEMS-Aktuator (MEMS= micro electromechanical system = mikroelektromechanisches System) ist ein Mikromotor.
