DE112019007557T5

DE112019007557T5 - Magnetkern mit vertikaler Beschichtung mit hohem Seitenverhältnis

Info

Publication number: DE112019007557T5
Application number: DE112019007557.8T
Authority: DE
Inventors: Noah Sturcken; Denis Sishkov; Matthew Cavallaro; Michael Lekas; Ryan DAVIES
Original assignee: FERRIC Inc
Current assignee: FERRIC Inc
Priority date: 2019-08-30
Filing date: 2019-08-30
Publication date: 2022-03-31
Also published as: WO2021040741A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines vertikal beschichteten ferromagnetischen Kerns, umfassend: (a) Abscheiden einer leitfähigen Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines Substrats; (b) Abscheiden einer Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des Substrats, wobei sich die erste und die zweite Seite auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden; (c) das Bilden eines Musters in der Maskierungsschicht; (d) Trockenätzen des Substrats auf der Grundlage des Musters in der Maskierungsschicht von der zweiten Seite zur ersten Seite, um Teile der leitenden Keimschicht freizulegen; und (e) Abscheiden eines ferromagnetischen Materials auf den freiliegenden Teilen der leitenden Keimschicht, um vertikal orientierte ferromagnetische Schichten zu bilden.

Description

Technischer Bereich
Diese Anwendung bezieht sich allgemein auf Magnetkerne und Vorrichtungen, die Magnetkerne enthalten, wie z. B. Induktoren.
Hintergrund
Die Zunahme der Rechenleistung, die räumliche Dichte von Bauteilen auf Halbleiterbasis und deren Energieeffizienz ermöglichen immer effizientere und kleinere mikroelektronische Sensoren, Prozessoren und andere Geräte. Diese finden breite Anwendung in mobilen und drahtlosen Anwendungen und anderen industriellen, militärischen, medizinischen und Verbraucherprodukten.
Obwohl die Energieeffizienz von Computern im Laufe der Zeit immer besser wird, steigt der Gesamtenergieverbrauch von Computern aller Art an. Daher besteht ein Bedarf an noch größerer Energieeffizienz. Die meisten Anstrengungen zur Verbesserung der Energieeffizienz mikroelektronischer Geräte wurden auf der Chip- und Transistorebene unternommen, auch im Hinblick auf die Gate-Breite der Transistoren. Diese Methoden sind jedoch begrenzt, und es sind andere Ansätze erforderlich, um die Gerätedichte und die Verarbeitungsleistung zu erhöhen sowie den Stromverbrauch und die Wärmeentwicklung zu verringern.
Ein Bereich, der von den oben genannten Verbesserungen profitieren kann, sind geschaltete Induktionsspulen zur Leistungsumwandlung. Diese Geräte können eine Herausforderung darstellen, da der Leistungsverlust gemäß dem Ohmschen Gesetz mit höheren Strömen zunimmt: P=IR_loss ², wobei P_loss die Verlustleistung über die Länge des Drahtes und der Leiterbahn, I der Strom und R der Eigenwiderstand über die Länge des Drahtes und der Leiterbahn ist. Aus diesem Grund und um die Gesamtleistung zu erhöhen, besteht in der Technik ein anerkannter Bedarf an einer groß angelegten Integration kompakter und dichter elektrischer Komponenten auf Chipebene, z. B. zur Verwendung bei der Herstellung komplementärer Metalloxid-Halbleiter (CMOS).
Mit der Entwicklung hochintegrierter elektronischer Systeme, die auf kleinstem Raum große Mengen an Strom verbrauchen, entsteht der Bedarf an neuen Technologien, die eine verbesserte Energieeffizienz und ein besseres Energiemanagement für künftige integrierte Systeme ermöglichen. Die integrierte Leistungsumwandlung ist eine vielversprechende potenzielle Lösung, da die integrierten Schaltkreise mit höheren Spannungen und niedrigeren Stromstärken versorgt werden können. Das heißt, die integrierte Leistungsumwandlung ermöglicht die Anordnung von Abwärtsspannungswandlern in unmittelbarer Nähe der Transistorelemente.
Leider gibt es keine praktikablen integrierten Induktivitäten, die große Stromstärken für die Leistungsumwandlung mit Schaltinduktoren effizient übertragen können. Insbesondere sind Induktoren, die sich durch eine hohe Induktivität (z. B. mehr als 1 nH), einen niedrigen Widerstand (z. B. weniger als 1 Ohm), einen hohen maximalen Nennstrom (z. B. mehr als 100 mA) und einen hohen Frequenzgang auszeichnen, bei dem die Induktivität für ein Wechselstrom-Eingangssignal bis zu 10 MHz nur wenig oder gar nicht abnimmt, mit den derzeitigen Technologien nicht verfügbar oder nicht praktikabel.
Darüber hinaus müssen alle diese Eigenschaften auf einer kleinen Fläche, typischerweise weniger als 1² mm, wirtschaftlich erreicht werden, eine Form, die für die CMOS-Integration entweder monolithisch oder durch 3D- oder 2,5D-Chipstapelung erforderlich ist. Daher ist eine Induktivität mit den oben genannten Eigenschaften erforderlich, um eine integrierte Leistungsumwandlung mit hoher Energieeffizienz und geringer Stromwelligkeit der Induktivität zu realisieren, die ein periodisches Rauschen in der Ausgangsspannung des Wandlers, die so genannte Ausgangsspannungswelligkeit, erzeugt.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an hochwertigen Induktivitäten für die CMOS-Integration in großem Maßstab, um eine Plattform für die Weiterentwicklung von Systemen mit hochgranularer dynamischer Spannungs- und Frequenzskalierung sowie erhöhter Energieeffizienz zu schaffen.
Die Verwendung von Materialien mit hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivfeldstärke ist in der Regel erforderlich, um die gewünschten Induktionseigenschaften in kleinem Maßstab zu erreichen. Im Elektromagnetismus ist die Permeabilität das Maß für die Fähigkeit eines Materials, die Bildung eines Magnetfeldes in sich selbst zu unterstützen. Mit anderen Worten ist sie der Grad der Magnetisierung, die ein Material als Reaktion auf ein angelegtes Magnetfeld erfährt. Eine hohe Permeabilität bezeichnet ein Material, das bei einem kleinen angelegten Magnetfeld eine hohe Magnetisierung erreicht.
Die Koerzitivfeldstärke, auch Koerzitivfeld oder Koerzitivkraft genannt, ist ein Maß für die Fähigkeit eines ferromagnetischen oder ferroelektrischen Materials, einem äußeren magnetischen bzw. elektrischen Feld zu widerstehen. Die Koerzitivfeldstärke ist das Maß für die Hysterese, die in der Beziehung zwischen dem angelegten Magnetfeld und der Magnetisierung beobachtet wird. Die Koerzitivfeldstärke ist definiert als die Stärke des angelegten Magnetfeldes, die erforderlich ist, um die Magnetisierung auf Null zu reduzieren, nachdem die Magnetisierung der Probe die Sättigung erreicht hat. Die Koerzitivfeldstärke misst also den Widerstand eines ferromagnetischen Materials gegen eine Entmagnetisierung. Ferromagnetische Materialien mit hoher Koerzitivfeldstärke werden als hartmagnetische Materialien bezeichnet und zur Herstellung von Dauermagneten verwendet. Ferromagnetische Werkstoffe, die eine hohe Permeabilität und eine niedrige Koerzitivfeldstärke aufweisen, werden als weichmagnetische Werkstoffe bezeichnet und häufig zur Erhöhung der Induktivität von Spulen verwendet.
Die Koerzitivfeldstärke wird durch Messung der Breite der Hystereseschleife bestimmt, die in der Beziehung zwischen dem angelegten Magnetfeld und der Magnetisierung beobachtet wird. Hysterese ist die Abhängigkeit eines Systems nicht nur von seiner aktuellen Umgebung, sondern auch von seiner früheren Umgebung. Diese Abhängigkeit entsteht, weil sich das System in mehr als einem inneren Zustand befinden kann. Wenn ein äußeres Magnetfeld an einen Ferromagneten wie Eisen angelegt wird, richten sich die atomaren Dipole danach aus. Selbst wenn das Feld entfernt wird, bleibt ein Teil der Ausrichtung erhalten: Das Material ist magnetisiert. Einmal magnetisiert, bleibt der Magnet auf unbestimmte Zeit magnetisiert. Um ihn zu entmagnetisieren, ist Wärme oder ein Magnetfeld in der entgegengesetzten Richtung erforderlich.
Hochwertige Induktivitäten bestehen in der Regel aus Materialien mit hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivfeldstärke. Materialien mit hoher Permeabilität neigen jedoch zur Sättigung, wenn sie durch ein großes Gleichstrom-Magnetfeld vorgespannt werden. Die magnetische Sättigung kann sich nachteilig auswirken, da sie zu einer geringeren Permeabilität und folglich zu einer geringeren Induktivität führt.
Zusammenfassung
Die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen innovative Merkmale auf, von denen kein einziges unverzichtbar oder allein verantwortlich für ihre wünschenswerten Eigenschaften ist. In der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen werden bestimmte illustrative Ausführungsformen der Offenbarung im Detail dargestellt, die mehrere beispielhafte Möglichkeiten aufzeigen, wie die verschiedenen Prinzipien der Offenbarung ausgeführt werden können. Die anschaulichen Beispiele sind jedoch nicht erschöpfend für die vielen möglichen Ausführungsformen der Offenbarung. Ohne den Umfang der Ansprüche einzuschränken, werden nun einige der vorteilhaften Merkmale zusammengefasst. Andere Objekte, Vorteile und neuartige Merkmale der Offenbarung werden in der folgenden detaillierten Beschreibung der Offenbarung dargelegt, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden, die die Erfindung veranschaulichen und nicht einschränken sollen.
Ein Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines vertikal beschichteten ferromagnetischen Kerns, das Folgendes umfasst: Abscheiden einer leitenden Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines Substrats; Abscheiden einer Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des Substrats, wobei sich die erste und die zweite Seite auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden; Ausbilden eines Musters in der Maskierungsschicht; Trockenätzen des Substrats auf der Grundlage des Musters in der Maskierungsschicht von der zweiten Seite zur ersten Seite, um Abschnitte der leitenden Keimschicht freizulegen; und Abscheiden eines ferromagnetischen Materials auf den freigelegten Abschnitten der leitenden Keimschicht, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten zu bilden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Substrat ein blankes Siliziumsubstrat oder ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat, wobei das SOI-Substrat eine Schicht aus SiO₂ und/oder SiN_xy auf dem blanken Siliziumsubstrat umfasst. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Ätzen des Substrats ein tiefes reaktives lonenätzen des Substrats. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Maskierungsschicht einen Fotolack. In einer oder mehreren Ausführungsformen wird das Muster in der Maskierungsschicht durch Fotolithografie gebildet.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst die Maskierungsschicht SiO₂ oder SiN_xy, und das Verfahren umfasst ferner die Abscheidung von Fotolack auf der Maskierungsschicht. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Bilden eines ersten Musters in dem Fotolack durch Fotolithografie. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ätzen eines zweiten Musters in der Maskierungsschicht auf der Grundlage des ersten Musters. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ätzen des Substrats auf der Grundlage des zweiten Musters in der Maskierungsschicht.
In einer oder mehreren Ausführungsformen hat jede vertikal orientierte ferromagnetische Schicht eine Breite von etwa 5 nm bis etwa 50 µm, wobei die Breite in Bezug auf eine Breitenachse bestimmt wird, die parallel zu einer durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene verläuft. In einer oder mehreren Ausführungsformen hat jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Höhe von etwa 100 µm bis etwa 800 µm, wobei die Höhe in Bezug auf eine Höhenachse bestimmt wird, die orthogonal zu der durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist die Höhe jeder vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schicht die gleiche wie die Höhe des Substrats.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die galvanische Abscheidung des ferromagnetischen Materials. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Anlegen eines Magnetfelds während des Schritts der elektrolytischen Abscheidung, wobei das Magnetfeld parallel zu einer Bezugsachse durch das Substrat verläuft, wobei die Bezugsachse orthogonal zu einer durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Induzieren einer weichen Magnetisierungsachse in dem ferromagnetischen Material, wobei die weiche Magnetisierungsachse parallel zur Bezugsachse verläuft. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Induzieren einer harten Magnetisierungsachse in dem ferromagnetischen Material, wobei die harte Magnetisierungsachse orthogonal zu der weichen Magnetisierungsachse verläuft.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Entfernen der Maskierungsschicht mit einem Lösungsmittel, einer Nassätzung oder einer Trockenätzung. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Entfernen der leitfähigen Keimschicht mit einem Nassätzverfahren oder einem Trockenätzverfahren. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Abscheiden einer Passivierungsschicht auf der ersten und zweiten Seite des Substrats. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Muster in der Maskierungsschicht konzentrische Kreise, wobei das ferromagnetische Material auf den Abschnitten der leitenden Keimschicht entsprechend dem Muster abgeschieden wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Induktors mit einem vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern, das Folgendes umfasst: Abscheiden einer leitfähigen Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines Substrats; Abscheiden einer Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des Substrats, wobei sich die erste und die zweite Seite auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats befinden; Bilden eines Musters in der Maskierungsschicht; Trockenätzen des Substrats auf der Grundlage des Musters in der Maskierungsschicht von der zweiten Seite zur ersten Seite, um Teile der leitfähigen Keimschicht freizulegen; Abscheiden eines ferromagnetischen Materials auf den freigelegten Abschnitten der leitenden Keimschicht, um vertikal orientierte ferromagnetische Schichten zu bilden, um dadurch den vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern zu bilden; Entfernen der leitenden Keimschicht, um die erste Seite des Substrats freizulegen; Entfernen der Maskierungsschicht, um die zweite Seite des Substrats freizulegen; und Bilden einer leitenden Spule um den vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner, dass nach dem Entfernen der leitfähigen Keimschicht und der Maskierungsschicht eine erste und eine zweite Passivierungsschicht jeweils auf der ersten bzw. zweiten Seite des Substrats abgeschieden werden. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner die Bildung erster und zweiter Drahtsegmente in der ersten bzw. zweiten Passivierungsschicht. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden erster und zweiter Durchkontaktierungen (VIAs) in dem Substrat, wobei jede Durchkontaktierung (VIA) das erste und zweite Drahtsegment elektrisch koppelt.
In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Substrat ein Kernsubstrat, und das Verfahren umfasst ferner, dass nach dem Entfernen der leitenden Keimschicht und der Maskierungsschicht ein erstes und ein zweites Substrat an der ersten bzw. zweiten Seite des Kernsubstrats angebracht werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden erster und zweiter Drahtsegmente in dem ersten bzw. zweiten Substrat. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst das Verfahren ferner das Ausbilden erster und zweiter Durchkontaktierungen (VIAs) im Kernsubstrat, wobei jede Durchkontaktierung (VIA) das erste und zweite Drahtsegment elektrisch verbindet.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, die einander gegenüberliegen, wobei das Substrat strukturierte Hohlräume umfasst, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstrecken, wobei ein Substratmaterial zwischen benachbarten strukturierten Hohlräumen angeordnet ist; und ein ferromagnetisches Material, das in den strukturierten Hohlräumen angeordnet ist, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten zu bilden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen hat jede vertikal orientierte ferromagnetische Schicht eine Breite von etwa 5 nm bis etwa 50 µm, wobei die Breite in Bezug auf eine Breitenachse bestimmt wird, die parallel zu einer durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene verläuft. In einer oder mehreren Ausführungsformen hat jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Höhe von etwa 100 µm bis etwa 800 µm, wobei die Höhe in Bezug auf eine Höhenachse bestimmt wird, die orthogonal zu der durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene ist. In einer oder mehreren Ausführungsformen hat jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht ein Seitenverhältnis im Bereich von etwa 2:1 bis etwa 160.000:1, wobei das Seitenverhältnis durch Teilung der Höhe durch die Breite bestimmt wird.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist auf einen Induktor gerichtet, der einen vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern umfasst, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, die einander gegenüberliegen, wobei das Substrat strukturierte Hohlräume umfasst, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstrecken, wobei ein Substratmaterial zwischen benachbarten strukturierten Hohlräumen angeordnet ist; ein ferromagnetisches Material, das in den gemusterten Hohlräumen angeordnet ist, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten in dem vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern zu bilden; und eine leitende Spule, die um den vertikal beschichteten ferromagnetischen Kern herum angeordnet ist.
In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst der Induktor außerdem erste und zweite isolierte Materialschichten, die auf der ersten bzw. zweiten Seite des Substrats angeordnet sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst der Induktor außerdem erste und zweite Metalldrahtsegmente, die in den ersten bzw. zweiten isolierten Materialschichten ausgebildet sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst der Induktor ferner erste und zweite Durchkontaktierungen (VIAs), die in dem Substrat ausgebildet sind, wobei die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten zwischen den ersten und zweiten Durchkontaktierungen (VIAs) angeordnet sind. In einer oder mehreren Ausführungsformen sind die ersten und zweiten Durchkontaktierungen (VIAs) jeweils elektrisch mit den ersten und zweiten Metalldrahtsegmenten verbunden, um die leitende Spule zu bilden. In einer oder mehreren Ausführungsformen umfassen die erste und zweite isolierte Materialschicht eine erste bzw. zweite Passivierungsschicht. In einer oder mehreren Ausführungsformen ist das Substrat ein Kernsubstrat, und die erste und die zweite isolierte Materialschicht besteht jeweils aus einem ersten bzw. einem zweiten Substrat.
Figurenliste
Zum besseren Verständnis der Natur und der Vorteile des vorliegenden Konzepts wird auf die folgende ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen.

ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung, die einen Dünnfilm-Magnetinduktor mit einem vertikal beschichteten Magnetkern und einer Induktionsspule gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen umfasst.
ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Induktors mit einem vertikal ausgerichteten beschichteten ferromagnetischen Kern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur 30, die in einem ersten Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem noch anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wird.
und zeigen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem noch anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wird.
und zeigen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem noch anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wird.
und zeigen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem noch anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wird.
und zeigen einen Querschnitt bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wurde.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem noch anderen Schritt des Flussdiagramms von gebildet wird.
ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung, die einen vertikal beschichteten Magnetkern gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen enthält.
ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung mit einem vertikal beschichteten Magnetkern gemäß einer oder mehreren alternativen Ausführungsformen.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht einer Struktur, die in einem Schritt des in oder dargestellten Flussdiagramms gebildet wird.
ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur galvanischen Abscheidung von ferromagnetischem Material in Gegenwart eines Magnetfeldes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.
ist eine detaillierte Ansicht der Ausrichtung des Magnetfeldes in Bezug auf das Substrat und die in dargestellten strukturierten Hohlräume oder Löcher.
ist eine detaillierte Ansicht der Ausrichtung der weichen und der harten Magnetisierungsachsen, die in dem ferromagnetischen Material während der galvanischen Abscheidung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen induziert werden.
Die , , und sind Draufsichten auf verschiedene Muster von galvanisch abgeschiedenem, vertikal beschichtetem ferromagnetischem Material gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen.

Detaillierte Beschreibung
In einem Halbleitersubstrat wird ein vertikal geschichteter Magnetkern gebildet. Eine leitende Keimschicht wird auf einer ersten Seite des Substrats abgeschieden, und eine Maskierungsschicht wird auf einer zweiten Seite des Substrats abgeschieden. Die erste und die zweite Seite des Substrats befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats. Anschließend wird ein erstes Muster aus Löchern oder Hohlräumen in der Maskierungsschicht gebildet. Die mit einem Muster versehene Maskierungsschicht wird dann verwendet, um ein zweites Muster aus Löchern oder Hohlräumen in dem darunter liegenden Substrat zu bilden, wobei das zweite Muster mit dem ersten Muster übereinstimmt oder diesem entspricht. Die Löcher oder Hohlräume im zweiten Muster erstrecken sich von der zweiten Seite zur ersten Seite des Substrats, um Teile der leitfähigen Keimschicht gemäß dem zweiten Muster freizulegen. Ein ferromagnetisches Material wird dann galvanisch auf die freiliegenden Teile der leitenden Keimschicht abgeschieden, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten in einem Kernbereich des Substrats zu bilden. Die leitende Keimschicht und die strukturierte Maskierungsschicht werden entfernt, so dass nur das Substrat mit dem vertikal beschichteten Magnetkern übrig bleibt.
Der vertikal beschichtete Magnetkern kann einen Teil einer Vorrichtung umfassen, die einen Magnetkern enthält, wie z. B. eine Induktionsspule, einen Stromrichter, einen Transformator oder eine andere Vorrichtung. Zum Beispiel kann eine leitende Spule um den vertikal beschichteten Magnetkern gewickelt werden. Die leitende Spule kann stückweise aus Metalldrahtsegmenten und vertikalen Durchkontaktierungen (VIAs) gebildet werden. Erste und zweite Metalldrahtsegmente können in ersten und zweiten Passivierungsschichten gebildet werden, die auf der ersten und zweiten Seite des Substrats abgeschieden sind. Alternativ können die ersten und zweiten Metalldrahtsegmente in ersten und zweiten Substraten gebildet werden, die an den ersten und zweiten Seiten des Kernsubstrats angebracht sind. Erste und zweite Durchkontaktierungen (VIAs) können in dem Substrat gebildet werden, wobei jede Durchkontaktierung (VIA) das erste und zweite Drahtsegment elektrisch verbindet.
ist eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung 10, die einen magnetischen Dünnfilm-Induktor 100 mit einem vertikal beschichteten Magnetkern und 110 einer Induktionsspule 120 gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen umfasst.
Der Magnetkern umfasst110 eine Vielzahl von ferromagnetischen Schichten 130, die in einem Substrat 140 ausgebildet sind. Die ferromagnetischen Schichten 130 sind vertikal ausgerichtet in Bezug auf gegenüberliegende erste und zweite Seiten 141, 142 des Substrats 140, die jeweils parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander (z. B. parallel bis auf etwa 1° oder etwa 2° in jeder Dimension) und zu einer Bezugsebene 150 sind. Beispielsweise erstrecken sich die ferromagnetischen Schichten in der „z“-Richtung, die orthogonal zu den „x“- und „y“-Richtungen der Bezugsebene 150 ist. Wie hier verwendet, bedeutet „ungefähr“ plus oder minus 10 % des relevanten Wertes. Die ferromagnetischen Schichten 130 bestehen aus einem ferromagnetischen Material wie Co, Ni und/oder Fe, einschließlich Ni_xFe_y oder Co_xN_iyFe. Zusätzlich oder alternativ können die ferromagnetischen Schichten 130 ein Oxid von Co, Ni und/oder Fe, wie z. B. Co_xO_y, Ni_xO_y und/oder Fe_xO_y, umfassen. In einigen Ausführungsformen können die ferromagnetischen Schichten 130 eine weiche Magnetisierungsachse und/oder eine harte Magnetisierungsachse aufweisen, die durch Anlegen eines externen Magnetfeldes permanent oder semipermanent induziert wird/werden. Das externe Magnetfeld kann während der Abscheidung des ferromagnetischen Materials und/oder während eines Glühvorgangs nach der Abscheidung des ferromagnetischen Materials angelegt werden.
Das Substrat 140 besteht aus einem Halbleitermaterial wie Silizium (Si), Silizium-auf-Isolator (SOI), Siliziumkarbid (SiC), einem Halbleitermaterial der Gruppe III-V (z. B., Galliumnitrid (GaN), Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphat (GaP) und/oder ein anderes Halbleitermaterial der Gruppe III-V), Siliziumgermanium (SiGe), ein II-VI-Halbleitermaterial (z. B. CdSe, CdTe, CdHgTe, ZnS und/oder ein anderes Halbleitermaterial der Gruppe II-VI). Der Isolator im SOI kann eine oder mehrere Schichten aus SiO₂ und/oder SiN_xy enthalten. In einem Beispiel ist das Substrat 140 ein nackter Si-Wafer oder umfasst einen solchen. In einem anderen Beispiel ist oder umfasst das Substrat 140 einen SOI-Wafer. In anderen Beispielen ist oder umfasst das Substrat 140 einen Wafer, der eines oder mehrere der vorgenannten Materialien enthält.
Die ferromagnetischen Schichten 130 sind von Substratmaterial umgeben, so dass jede ferromagnetische Schicht 130 zwischen benachbarten Substratschichten 144 angeordnet ist. Die Substratschichten 144, die sich in z-Richtung erstrecken, werden begrenzt, wenn die ferromagnetischen Schichten 130 in dem Substrat 140 gebildet werden. Die sich abwechselnden ferromagnetischen Schichten 130 und Substratschichten 144 bilden den vertikal geschichteten Magnetkern 110.
Die Induktionsspule 120 ist im Allgemeinen spiralförmig um den Magnetkern 110 entlang einer Mittelachse 155 gewickelt, die sich in y-Richtung durch die Mitte des Magnetkerns 110 erstreckt. Das von der Induktionsspule 120 erzeugte Magnetfeld wandert durch den Magnetkern 110, wenn es in die Seite hinein- oder aus ihr herausläuft, abhängig von der Wicklungsrichtung der Induktionsspule 120 und der Richtung des Stromflusses durch die Induktionsspule 120.
Die Induktionsspule 120 wird stückweise aus vertikalen Durchkontaktierungen (VIAs) 160A, 160B (im Allgemeinen Durchkontaktierungen (VIAs) 160) und Drahtsegmenten 170A, 170B (im Allgemeinen Drahtsegmente 170) gebildet. Die Drahtsegmente 170 gehören zu verschiedenen Metallverdrahtungsebenen, und die Durchkontaktierungen (VIAs) 160 verbinden die Drahtsegmente 170 auf jeder Metallverdrahtungsebene miteinander. Die Durchkontaktierungen (VIAs) 160 und die Drahtsegmente 170 sind aus einem elektrisch leitenden Material wie Metall geformt. Das Metall kann z. B. Kupfer, Aluminium, Gold und/oder ein anderes Metall oder eine Legierung oder eine Verbindung aus einem der vorgenannten Metalle sein.
Die Durchkontaktierungen (VIAs) 160 sind in Löchern durch das Substrat 140 ausgebildet. Jedes Drahtsegment 170 ist in einer isolierten Struktur 180 auf der entsprechenden Seite 141, 142 des Substrats 140 ausgebildet. In einem Beispiel umfasst jede Struktur 180 eine Passivierungsschicht, die auf der entsprechenden Seite 141, 142 des Substrats 140 abgeschieden ist. Alternativ kann jede Struktur 180 ein entsprechendes anderes Substrat umfassen, das an der entsprechenden Seite 141, 142 des Substrats 140 angebracht werden kann. In einer anderen Ausführungsform umfasst eine der Strukturen 180 eine Passivierungsschicht und die andere Struktur 180 umfasst ein anderes Substrat.
ist ein Flussdiagramm 20 eines Verfahrens zur Herstellung eines Induktors mit einem vertikal ausgerichteten, beschichteten ferromagnetischen Kern gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen. Das Verfahren des Flussdiagramms 20 kann zur Herstellung der Vorrichtung 10 verwendet werden.
In Schritt 200 wird eine leitfähige Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines ebenen Substrats abgeschieden. Die leitfähige Keimschicht kann aus einem Metall wie Kupfer, Aluminium, Gold, Silber, Zinn, Nickel und/oder einem anderen Metall oder einer Legierung oder Verbindung eines der vorgenannten Metalle bestehen. Das ebene Substrat kann dasselbe wie das Substrat 140 sein, und die erste Seite des ebenen Substrats kann der ersten Seite 141 des Substrats 140 entsprechen. In anderen Ausführungsformen kann die erste Seite des ebenen Substrats der zweiten Seite 142 des Substrats 140 entsprechen.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 200 gebildete Struktur 30. Die Struktur 30 umfasst eine leitfähige Keimschicht 310, die auf einer ersten Seite des Substrats 300 angeordnet ist. Wie oben beschrieben, ist die leitende Keimschicht 310 in einigen Ausführungsformen auf einer ebenen Oberfläche angeordnet, beispielsweise auf einem freiliegenden Teil einer Mehrebenen-Drahtstruktur, die ihrerseits auf der ersten Seite des Substrats 300 angeordnet ist. Somit kann die leitfähige Keimschicht 310 direkt oder indirekt auf der ersten Seite des Substrats 300 abgeschieden werden.
In Schritt 210 wird eine Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des ebenen Substrats abgeschieden. Die erste und die zweite Seite befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des ebenen Substrats. Die zweite Seite des ebenen Substrats kann der zweiten Seite 142 des Substrats 140 entsprechen. In anderen Ausführungsformen kann die zweite Seite des ebenen Substrats der zweiten Seite 142 des Substrats 140 entsprechen. Die Maskierungsschicht kann aus einem fotoabbildbaren Polymer (z. B. Fotolack) oder einem Material auf Si-Basis wie SiO₂ oder Si_xN_y bestehen. Ein Beispiel für einen Fotolack ist die MICROPOSIT^® S1800-Serie™, erhältlich bei MicroChem Corp. Der Fotolack kann durch ein Spin-on-Verfahren abgeschieden werden. Das Material auf Si-Basis, z. B. SiO₂ oder Si_xN_y, kann thermisch aufgewachsen oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte CVD oder ein anderes Abscheideverfahren auf dem Substrat abgeschieden werden.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 120 gebildete Struktur 40. Die Struktur 40 umfasst die leitende Keimschicht 310, die auf einer ersten Seite 301 des Substrats 300 abgeschieden ist, und eine Maskierungsschicht 320, die auf einer zweiten Seite 302 des Substrats 300 abgeschieden ist. Das in den und dargestellte Substrat 300 wird gegenüber dem in den und dargestellten Substrat 300 um 180° gedreht, so dass die Maskierungsschicht 320 auf der zweiten Seite 302 des Substrats 300 abgeschieden werden kann. Wie oben beschrieben, wird in einigen Ausführungsformen die Maskierungsschicht 320 auf einer ebenen Fläche, wie z. B. einem freiliegenden Teil einer Mehrebenen-Drahtstruktur, angeordnet, die ihrerseits auf der zweiten Seite 302 des Substrats 300 angeordnet ist. Somit kann die Maskierungsschicht 320 direkt oder indirekt auf die zweite Seite 302 des Substrats 300 abgeschieden werden.
In Schritt 220 wird ein Muster in der Maskierungsschicht gebildet. Handelt es sich bei der Maskierungsschicht um einen Fotolack, umfasst Schritt 220 die Fotolithografie und die Entfernung des belichteten oder unbelichteten Fotolacks (je nachdem, ob der Fotolack positiv oder negativ ist), um eine gemusterte Fotolackschicht zu bilden.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht der in Schritt 220 gebildeten Struktur 50. Die Struktur 50 ist die gleiche wie die Struktur 40, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 50 die Maskierungsschicht 320 so strukturiert ist, dass Hohlräume 322 entstehen. Die Hohlräume 322 legen das darunterliegende Substrat 300 frei, wie in dargestellt.
Wenn die Maskierungsschicht keinen Fotolack enthält (z. B. wenn die Maskierungsschicht ein Material auf Si-Basis enthält), geht das Flussdiagramm von Schritt 210 zu Schritt 230 über, wo Fotolack auf die Maskierungsschicht abgeschieden wird. In Schritt 232 wird ein Muster in der Fotolackschicht gebildet. Schritt 232 kann mit Schritt 220 identisch, im Wesentlichen identisch oder anders als dieser sein. In Schritt 234 wird ein Muster in der Maskierungsschicht gebildet. Das Muster in der Maskierungsschicht kann durch ein Nass- oder Trockenätzverfahren unter Verwendung des Musters im Fotolack gebildet werden. In Schritt 236 (über Platzhalter A) wird der Fotolack entfernt (z. B. mit einem Lösungsmittel oder einem Plasma).
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 320 gebildete Struktur 60. Die Struktur 60 entspricht der Struktur 40, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 60 eine Fotolackschicht 325 auf die Maskierungsschicht 320 abgeschieden wird. Die Fotolackschicht 325 kann verwendet werden, um Merkmale in der Maskierungsschicht 320 zu definieren, wenn die Maskierungsschicht 320 keinen Fotolack enthält (z. B. wenn die Maskierungsschicht 320 ein Material auf Si-Basis enthält).
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht der in Schritt 232 gebildeten Struktur 70. Die Struktur 70 entspricht der Struktur 60, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 70 die Fotolackschicht 325 so strukturiert ist, dass Hohlräume 328 entstehen. Die Hohlräume 328 legen die darunterliegende Maskierungsschicht 320 frei, wie in dargestellt.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 234 gebildete Struktur 80. Die Struktur 80 ist die gleiche wie die Struktur 70, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 80 die Maskierungsschicht 320 so geätzt wird, dass sich die Hohlräume 328 durch die Maskierungsschicht 320 erstrecken, um das darunter liegende Substrat 300 freizulegen, wie in dargestellt.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 234 gebildete Struktur 80. Die Struktur 80 entspricht der Struktur 70, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 80 die Maskierungsschicht 320 so geätzt wird, dass sich die Hohlräume 328 durch die Maskierungsschicht 320 hindurch erstrecken, um das darunter liegende Substrat 300 freizulegen, wie in dargestellt.
Die und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 236 gebildete Struktur 90. Die Struktur 90 entspricht der Struktur 80, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 90 die Fotolackschicht 325 entfernt ist. Darüber hinaus entspricht die Struktur 90 der Struktur 50 mit der Ausnahme, dass in der Struktur 90 die Maskierungsschicht 320 ein Material auf Si-Basis ist, während in der Struktur 50 die Maskierungsschicht 320 ein Fotolack ist.
Nachdem die Maskierungsschicht in Schritt 220 oder 234 strukturiert oder geätzt wurde, fährt das Flussdiagramm 20 mit Schritt 240 fort (über Platzhalter A). In Schritt 240 wird das Substrat auf der Grundlage des in der Maskierungsschicht gebildeten Musters von seiner ersten Seite zu seiner zweiten Seite trocken geätzt, um Teile der leitfähigen Keimschicht freizulegen. Das Ätzen kann mit einem Trockenätzverfahren durchgeführt werden, wie z. B. dem reaktiven lonen-Tiefenätzen (DRIE), um vertikale Hohlräume oder Löcher durch das Substrat zu erzeugen. In einigen Ausführungsformen können die Hohlräume oder Löcher ein Seitenverhältnis von 2:1 bis 160000:1 (Höhe der Merkmale zu ihrer Breite) haben. Um ein Seitenverhältnis von weniger als 5:1 zu erreichen, kann ein Nassätzverfahren verwendet werden.
und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht der in Schritt 240 gebildeten Struktur 1000. Die Struktur 1000 entspricht den Strukturen 50 und 90, mit der Ausnahme, dass sich in der Struktur 1000 die Hohlräume 328 oder Löcher durch die Maskierungsschicht 320 und durch das Substrat 300 von der zweiten Seite 302 zur ersten Seite 301 erstrecken, um Teile der leitenden Keimschicht 310 freizulegen.
In Schritt 520 wird die Maskierungsschicht 320 entfernt oder abgetragen. Die Maskierungsschicht kann vor oder nach der Galvanisierung entfernt werden, ohne den Prozess oder die endgültige Herstellung der Vorrichtung zu beeinträchtigen. Wenn die Maskierungsschicht 320 einen Fotolack enthält, kann die Maskierungsschicht 320 mit einem Lösungsmittel, einer Nassätzung und/oder einer Trockenätzung entfernt werden. wenn die Maskierungsschicht 320 aus einem Material auf Si-Basis besteht, kann die Maskierungsschicht 320 mit einem Nass- oder Trockenätzverfahren entfernt werden.
Die und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 250 gebildete Struktur 1200. Die Struktur 1100 ist die gleiche wie die Struktur 1000, mit der Ausnahme, dass die Maskierungsschicht 320 entfernt wurde.
In Schritt 620 wird ferromagnetisches Material (z. B. durch Galvanisieren) auf die freiliegenden Teile der leitenden Keimschicht abgeschieden. Das ferromagnetische Material kann die Hohlräume oder Löcher in dem ebenen Substrat und gegebenenfalls die entsprechenden Hohlräume oder Löcher in der Maskierungsschicht füllen. Das in Schritt 260 abgeschiedene ferromagnetische Material kann dasselbe ferromagnetische Material bzw. dieselben ferromagnetischen Materialien wie in den oben beschriebenen ferromagnetischen Schichten 130 umfassen. In einigen Ausführungsformen kann das ferromagnetische Material in einem Dickenbereich (z. B. in der „z“-Richtung, die orthogonal zur ersten Seite 301 und zur zweiten Seite 302 des Substrats 300 verläuft) von etwa 100 µm bis etwa 800 µm abgeschieden werden.
Im optionalen Schritt 270 wird während des Schritts 260 ein Magnetfeld angelegt. Das Magnetfeld wird so ausgerichtet, dass es das Substrat 300 in einer Richtung durchläuft, die parallel (oder im Wesentlichen parallel) zu den Hohlräumen/Löchern 328 und orthogonal (oder im Wesentlichen orthogonal (z. B. orthogonal innerhalb von etwa 1° bis etwa 5°)) zu den Ebenen verläuft, die durch die erste und zweite Seite 301, 302 des Substrats 300 definiert sind. Das Magnetfeld induziert eine weiche Magnetisierungsachse in dem abgeschiedenen ferromagnetischen Material, die parallel (oder im Wesentlichen parallel) zum Magnetfeld verläuft. Die Induktion einer weichen Magnetisierungsachse induziert ferner eine harten Magnetisierungsachse in dem abgeschiedenen ferromagnetischen Material in einer Richtung, die orthogonal zu (oder im Wesentlichen orthogonal zu) der Achse der weichen Magnetisierungsachse.
Die und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 260 gebildete Struktur 1100. Die Struktur 1200 entspricht der Struktur 1100, mit der Ausnahme, dass in der Struktur 1200 die Hohlräume 328 oder Löcher mit ferromagnetischem Material gefüllt sind, um vertikal orientierte ferromagnetische Schichten 330 zu bilden. Die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten 330 können eine Breite, gemessen in Bezug auf die horizontale Achse 1210, die sich parallel zu der vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schicht 300 und zu den Substratmaterialbeschichtungen erstreckt, von etwa 5 nm bis etwa 50 µm haben, einschließlich ca. 500 nm, ca. 1.000 nm, ca. 2.500 nm, ca. 5.000 nm, ca. 10.000 nm, ca. 15.000 nm, ca. 20.000 nm, ca. 25.000 nm, ca. 30.000 nm, ca. 35.000 nm, ca. 40.000 nm, ca. 45.000 nm einschließlich eines beliebigen Bereichs oder einer beliebigen Breite zwischen zwei der vorgenannten Breiten. Die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten 330 können die gleiche Breite oder unterschiedliche Breiten haben. Die horizontale Achse 1210 verläuft ebenfalls parallel zu den Ebenen, die durch die ersten und/oder zweiten Seiten 301, 302 des Substrats 300 definiert sind. In einigen Ausführungsformen können vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten 330 mit einer Breite im Bereich von etwa 5 nm bis etwa 50 µm im Allgemeinen Wirbelströme im Frequenzband von etwa 1 MHz bis etwa 10 GHz unterdrücken, abhängig vom spezifischen elektrischen Widerstand des intrinsischen ferromagnetischen Materials.
Darüber hinaus können die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten 330 eine Höhe, gemessen in Bezug auf die vertikale Achse 1220 (die orthogonal zur horizontalen Achse 1210 und zu den durch die ersten und zweiten Seiten 301, 302 des Substrats 300 definierten Ebenen ist), von etwa 100 µm bis etwa 800 µm haben. Die Höhe der vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten 330 ist gleich oder etwa gleich hoch wie die Höhe des Substrats 300. Somit können die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten 330 ein Seitenverhältnis (Höhe:Breite) im Bereich von etwa 2:1 bis etwa 160000:1 aufweisen.
In Schritt 820 wird die leitfähige Keimschicht 310 entfernt, um die erste Seite 301 des Substrats 300 freizulegen. Die leitfähige Keimschicht 310 kann durch Nassätzen oder Trockenätzen entfernt werden.
Die und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 280 gebildete Struktur 1300. Die Struktur 1300 ist die gleiche wie die Struktur 1200, mit der Ausnahme, dass die leitende Keimschicht 310 entfernt wurde. Die Struktur 1300 umfasst vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten 330, die von Substratmaterial umgeben sind, um eine vertikal beschichtete Struktur zu bilden, die abwechselnd vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten 330 und Substratschichten aufweist 340. Die vertikal beschichtete Struktur kann als vertikal beschichteter Magnetkern für eine Induktionsspule, einen Transformator oder ein anderes elektrisches Bauteil mit einem Magnetkern dienen.
ist ein Flussdiagramm 1400 eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung, die einen vertikal beschichteten Magnetkern gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen enthält. In Schritt 1401 wird ein vertikal beschichteter Magnetkern (z. B. die Struktur 1300) gebildet. Der vertikal beschichtete Magnetkern kann unter Verwendung einiger oder aller Schritte im Flussdiagramm 20 gebildet werden. In Schritt 1410 wird eine Passivierungsschicht auf gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten des vertikal beschichteten Magnetkerns (z. B. auf gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten 301, 302 des Substrats 300) abgeschieden. Die Passivierungsschicht kann aus SiO₂, SiN_y und/oder einem anderen Material bestehen. Die Passivierungsschicht, wie SiO₂ der Si_xN_y, kann thermisch aufgewachsen oder durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD), plasmaunterstützte CVD oder ein anderes Abscheideverfahren abgeschieden werden. Die Passivierung kann eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1 µm haben.
In Schritt 1420 wird eine leitende Wicklung um den vertikal beschichteten Kern gebildet. Die leitende Wicklung kann mit bekannten Halbleiterverfahren hergestellt werden, z. B. durch physikalische Gasphasenabscheidung und galvanische Abscheidung von leitenden Materialien zur Bildung der Verdrahtungsebenen und Durchkontaktierungen (VIAs). Einige Teile der leitenden Wicklung können vor dem Schritt 1410 gebildet werden. Zum Beispiel können die Durchkontaktierungen (VIAs) im Substrat gebildet werden, bevor die Passivierungsschicht in Schritt 1410 abgeschieden wird.
In einigen Ausführungsformen ist die leitende Wicklung in einem Teil einer Mehrebenen-Drehtstruktur ausgebildet. Zum Beispiel kann eine oder beide Drahtebenen einen Teil einer mehrstufigen Drahtstruktur umfassen. Ein Beispiel für eine leitende Wicklung, die in einer Mehrebenen-Drahtsstruktur ausgebildet ist, wird in der US-Patentanmeldung Nr. 13/609,391 mit dem Titel „Magnetic Core Inductor Integrated with Multilevel Wiring Network“ beschrieben, die am 11. September 2012 eingereicht wurde und hiermit durch Bezugnahme einbezogen wird.
Die nach dem Flussdiagramm 1400 gebildete Vorrichtung kann mit der Vorrichtung 10 identisch sein oder sich von ihr unterscheiden.
ist ein Flussdiagramm 1500 eines Verfahrens zur Herstellung einer Vorrichtung, die einen vertikal beschichteten Magnetkern gemäß einer oder mehrerer alternativer Ausführungsformen enthält. Das Flussdiagramm 1500 entspricht dem Flussdiagramm 1400, mit der Ausnahme, dass im Flussdiagramm 1500 in Schritt 1510 ein erstes und ein zweites Substrat an gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten des Substrats (z. B. an den ersten und zweiten Seiten 301, 302 des Substrats 300) angebracht werden. Jedes Substrat kann das gleiche oder ein anderes sein als die Substrate 140, 300. Somit können Substrate anstelle von Passivierungsschichten verwendet werden, um die Drahtsegmente für die in Schritt 1420 gebildete leitende Wicklung zu bilden.
Die und zeigen eine Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht auf die in Schritt 1410 oder 1510 gebildete Struktur 1600. Die Struktur 6100 entspricht der Struktur 1300, mit der Ausnahme, dass auf der ersten und zweiten Seite 301, 302 des Substrats 300 eine Isolierschicht 350 abgeschieden wird. Die Isolierschicht 350 kann einer Passivierungsschicht entsprechen, die auf dem Substrat 300 oder einem zusätzlichen, am Substrat 300 befestigten Substrat abgeschieden ist. In einigen Ausführungsformen kann eine Passivierungsschicht auf der ersten Seite 301 (oder auf der zweiten Seite 302) des Substrats 300 abgeschieden werden und ein zusätzliches Substrat kann an der zweiten Seite 302 (oder an der ersten Seite 301) des Substrats 300 angebracht werden.
ist eine Seitenansicht einer Vorrichtung 1700 zur galvanischen Abscheidung von ferromagnetischem Material in Gegenwart eines Magnetfeldes gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die Vorrichtung 1700 umfasst einen Elektroabscheidungstank 1710, der eine elektrolytische oder elektroplattierende Lösung 1720 enthält, die Bestandteile enthält, die Präkursoren eines ferromagnetischen Materials sind. Ein Substrat 1730 ist auf einer Elektroplattierungskathode 1740 in dem Tank 1710 angeordnet. Eine leitfähige Keimschicht 1732, die auf dem Substrat 1730 abgeschieden wird, stellt den elektrischen Kontakt zwischen der Kathode 1740 und der Galvanisierungslösung 1720 her. Bevor die Abscheidung beginnt, kann das Substrat 1730 gleich oder anders als die Struktur 1100 sein.
Eine Anode 1745 steht in elektrischem Kontakt mit der Galvanisierungslösung 1720 im Tank 1710. Während der Abscheidung wird ein Strom an die Anode 1745 angelegt, der bewirkt, dass ferromagnetisches Material in der Galvanisierungslösung 1720 auf dem Substrat 1730 an der Kathode 1740 abgeschieden wird. Ebenfalls während der Abscheidung wird durch eine erste und eine zweite Magnetspule 1760, 1770 ein Magnetfeld 1750 (so wie durch die gestrichelten Linien dargestellt) erzeugt. Das Magnetfeld 1750 ist orthogonal zu (oder im Wesentlichen orthogonal zu) den Hauptebenen des Substrats 1730 (z. B. orthogonal zu den ersten und zweiten Oberflächen 301, 302 des Substrats 300). Das Magnetfeld 1750 ist auch parallel zu (oder im Wesentlichen parallel zu) den vertikalen Hohlräumen oder Löchern 1734, die im Substrat 1730 definiert sind.
Bei den Magnetspulen 1760, 1770 kann es sich um Elektromagnete wie Helmholtzspulen handeln, die von einer Gleichstromquelle gespeist werden. Solche Helmholtzspulen können ein gleichmäßiges oder im Wesentlichen gleichmäßiges Magnetfeld quer zu der Ebene erzeugen, die eine Oberfläche des Substrats 1730 definiert. Das von den Helmholtzspulen erzeugte Magnetfeld kann etwa 10 Oe bis etwa 100 Oe, etwa 25 Oe, etwa 50 Oe, etwa 75 Oe oder einen beliebigen Wert oder Bereich zwischen zwei der vorgenannten Werte betragen. Alternativ können die Magnetspulen 1760, 1770 auch Permanentmagnete sein, die ein Magnetfeld von etwa 20 Oe bis etwa 10.000 Oe, etwa 2.500 Oe, etwa 5.000 Oe, etwa 7.500 Oe oder einen beliebigen Wert oder Bereich zwischen zwei der vorgenannten Werte erzeugen können. Das von den Magnetspulen 1760, 1770 erzeugte Magnetfeld 1750 induziert eine weiche Magnetisierungsachse in dem galvanisch abgeschiedenen ferromagnetischen Material, die parallel (oder im Wesentlichen parallel) zu den Magnetfeldlinien 1750 verläuft. Die Induktion der weichen Magnetisierungsachse induziert ferner eine harte Magnetisierungsachse in einer Richtung, die im Wesentlichen orthogonal zur Richtung der weichen Magnetisierungsachse ist.
Das Substrat 1730 kann dasselbe sein wie die Struktur 1100 vor der Galvanisierung mit der Vorrichtung 1700, und das Substrat 1730 kann dasselbe sein wie die Struktur 1200 nach der Galvanisierung mit der Vorrichtung 1700.
ist eine detaillierte Ansicht der Ausrichtung des Magnetfelds 1750 in Bezug auf das Substrat 1730 und die strukturierten Hohlräume oder Löcher 1734. Wie dargestellt, verlaufen die Magnetfeldlinien 1750 orthogonal zu (oder im Wesentlichen orthogonal zu) der ersten und zweiten Seite 1741, 1742 des Substrats 1730. Die Magnetfeldlinien 1750 verlaufen auch parallel (oder im Wesentlichen parallel) zu den vertikalen Säulen oder Mesen 1735 des Substratmaterials, die sich von der leitfähigen Keimschicht 1732 entlang einer Referenzachse 1845 erstrecken, die orthogonal zu den ersten und zweiten Seiten 1741, 1742 des Substrats 1730 verläuft. Darüber hinaus verlaufen die Magnetfeldlinien 1950 parallel (oder im Wesentlichen parallel) zur Länge der Hohlräume oder Löcher 1734 und zur Richtung der Abscheidung des ferromagnetischen Materials 1780, wenn es vertikal orientierte ferromagnetische Schichten bildet.
ist eine detaillierte Ansicht der Ausrichtung der weichen und der harten Magnetisierungsachse, die während der galvanischen Abscheidung gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen in das ferromagnetische Material induziert werden. Wie dargestellt, induziert das Magnetfeld 1750 eine weiche Magnetisierungsachse 1910 in dem galvanisch abgeschiedenen ferromagnetischen Material 1780, die mit dem Magnetfeld 1750, das durch dieses hindurchgeht, ausgerichtet ist und parallel zu ihm (oder im Wesentlichen parallel zu ihm) verläuft. Die Ausrichtung der weichen Magnetisierungsachse 1910 mit dem Magnetfeld 1750 induziert eine harte Magnetisierungsachse 17920 in dem galvanisch abgeschiedenen ferromagnetischen Material 1780 in einer Richtung orthogonal zu (oder im Wesentlichen orthogonal zu) der weichen Magnetisierungsachse 1910 (z. B. aus der Seite in ).
Es ist anzumerken, dass, obwohl die Säulen/Mesen 1735 des Substratmaterials in den als horizontal dargestellt sind, andere Ausrichtungen möglich sind, vorausgesetzt, dass die Magnetspulen 1760, 1770 so konfiguriert sind, dass sie ein Magnetfeld erzeugen, das parallel zu (oder im Wesentlichen parallel zu) den Säulen/Mesen 1735 und zu den Hohlräumen oder Löchern 1734 verläuft, wie oben beschrieben. Beispielsweise können die Vorrichtung 1700 und das Substrat 170 um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, so dass das Substrat 1730 horizontal und die Säulen/Mesen vertikal sind. Eine Drehung der Vorrichtung 1700 um 90 Grad gegen den Uhrzeigersinn würde dazu führen, dass sich die Magnetspule 1760 unter dem Tank 1710 und die Magnetspule 1770 über dem Tank 1710 befindet. Die relative Ausrichtung des Magnetfelds 1750, des Substrats 1730, der Säulen/Mesen 1735 und der Hohlräume/Löcher 1734 bliebe gleich, wobei das Magnetfeld 1750 orthogonal (oder im Wesentlichen orthogonal) zu den ersten und zweiten Seiten 1741, 1742 des Substrats 1730 verläuft. Die Linien des Magnetfelds 1750 würden auch parallel (oder im Wesentlichen parallel) zu den Säulen/Mesen 1735 des Substratmaterials und zu den Hohlräumen/Löchern 1734 bleiben.
sind Draufsichten verschiedener Muster 2001-2004 aus galvanisch abgeschiedenem, vertikal beschichtetem ferromagnetischem Material gemäß einer oder mehrerer Ausführungsformen. Die Muster 2001-2004 werden gebildet, indem ein entsprechendes Muster in einer Maskierungsschicht definiert und das Substrat entsprechend der gemusterten Maskierungsschicht geätzt wird, um Teile einer leitfähigen Keimschicht freizulegen. Das ferromagnetische Material wird dann, wie oben beschrieben, galvanisch auf die Teile der leitenden Keimschicht abgeschieden. Das Muster 2001 umfasst mehrere (z. B. drei) konzentrische Kreise, wobei benachbarte konzentrische Kreise durch Substratmaterial getrennt sind, um die vertikalen Schichten zu trennen. Das Muster 2002 umfasst eine Vielzahl von (z. B. vier) rechteckigen Formen, die quadratische oder abgerundete Ecken haben können. Benachbarte rechteckige Formen sind durch das Substratmaterial getrennt, um die vertikalen Beschichtungen zu trennen. Muster 2003 ist ein Doppelkern, wobei jeder Kern Streifen oder Säulen umfasst, die durch Substratmaterial getrennt sind, um die vertikalen Beschichtungen zu trennen. Muster 2004 ist ein Doppelkern, wobei jeder Kern Streifen oder Säulen umfasst, die sowohl in der x- als auch in der y-Achse der Substratebene durch Substratmaterial getrennt sind, um die vertikalen Beschichtungen zu trennen und eine mechanische Unterstützung zwischen benachbarten Streifen oder Säulen des Substrats zu bieten. Die Muster 2001-2004 sind Beispiele für verschiedene Muster für vertikale Beschichtungen, die in dem Maskierungsmaterial gebildet werden können. Weitere Beispiele sind möglich.
Die Erfindung sollte nicht als auf die oben beschriebenen besonderen Ausführungsformen beschränkt angesehen werden, sondern sollte so verstanden werden, dass sie alle Aspekte der Erfindung abdeckt, wie sie in den beigefügten Ansprüchen angemessen dargelegt sind. Verschiedene Modifikationen, äquivalente Verfahren sowie zahlreiche Strukturen, auf die die Erfindung anwendbar sein kann, werden für den Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, nach Durchsicht dieser Offenbarung offensichtlich sein. Die Ansprüche sollen solche Modifikationen und Äquivalente abdecken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 13609391 [0063]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines vertikal geschichteten ferromagnetischen Kerns, umfassend: Abscheiden einer leitfähigen Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines Substrats; Abscheiden einer Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des Substrats, wobei die erste und die zweite Seite auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats liegen; Bilden eines Musters in der Maskierungsschicht; Trockenätzen des Substrats auf der Grundlage des Musters in der Maskierungsschicht von der zweiten Seite zur ersten Seite, um Teile der leitfähigen Keimschicht freizulegen; und Abscheiden eines ferromagnetischen Materials auf den freiliegenden Teilen der leitfähigen Keimschicht, um vertikal orientierte ferromagnetische Schichten zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Substrat ein blankes Siliziumsubstrat oder ein Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat umfasst, wobei das SOI-Substrat eine Schicht aus SiO₂ und/oder Si_xN_y auf dem blanken Siliziumsubstrat umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Ätzen des Substrats ein reaktives lonentiefenätzen des Substrats umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht einen Fotolack umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei das Muster in der Maskierungsschicht durch Photolithographie gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Maskierungsschicht SiO₂ oder Si_xN_y umfasst und das Verfahren ferner die Abscheidung von Fotolack auf der Maskierungsschicht umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner umfassend die Bildung eines ersten Musters in dem Fotolack durch Photolithographie.
Verfahren gemäß Anspruch 7, ferner umfassend das Ätzen eines zweiten Musters in der Maskierungsschicht auf der Grundlage des ersten Musters.
Verfahren gemäß Anspruch 8, ferner umfassend das Ätzen des Substrats auf der Grundlage des zweiten Musters in der Maskierungsschicht.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Breite von etwa 5 nm bis etwa 50 µm aufweist, wobei die Breite in Bezug auf eine Breitenachse bestimmt wird, die parallel zu einer Ebene verläuft, die durch die erste Seite des Substrats definiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Höhe von etwa 100 µm bis etwa 800 µm aufweist, wobei die Höhe in Bezug auf eine Höhenachse bestimmt wird, die orthogonal zu einer Ebene verläuft, die durch die erste Seite des Substrats definiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei die Höhe jeder vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schicht die gleiche ist wie die Höhe des Substrats.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend die galvanische Abscheidung des ferromagnetischen Materials.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das ferner das Anlegen eines Magnetfelds während des Schritts der galvanischen Abscheidung umfasst, wobei das Magnetfeld parallel zu einer Bezugsachse durch das Substrat verläuft, wobei die Bezugsachse orthogonal zu einer durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene verläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner umfassend das Induzieren einer weichen Magnetisierungsachse in dem ferromagnetischen Material, wobei die weichen Magnetisierungsachse parallel zur Bezugsachse verläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 15, ferner umfassend das Induzieren einer harten Magnetisierungsachse in dem ferromagnetischen Material, wobei die harte Magnetisierungsachse orthogonal zur leichten Magnetisierungsachse verläuft.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner umfassend das Entfernen der Maskierungsschicht mit einem Lösungsmittel, einer Nassätzung oder einer Trockenätzung.
Verfahren gemäß Anspruch 17, ferner umfassend das Entfernen der leitfähigen Keimschicht durch Nassätzen oder Trockenätzen.
Verfahren gemäß Anspruch 18, ferner umfassend das Abscheiden einer Passivierungsschicht auf der ersten und zweiten Seite des Substrats.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das Muster in der Maskierungsschicht konzentrische Kreise umfasst, und das ferromagnetische Material entsprechend dem Muster auf den Abschnitten der leitfähigen Keimschicht abgeschieden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Induktors mit einem vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern, umfassend: Abscheiden einer leitfähigen Keimschicht auf oder über einer ersten Seite eines Substrats; Abscheiden einer Maskierungsschicht auf oder über einer zweiten Seite des Substrats, wobei die erste und die zweite Seite auf gegenüberliegenden Seiten des Substrats liegen; Bilden eines Musters in der Maskierungsschicht; Trockenätzen des Substrats auf der Grundlage des Musters in der Maskierungsschicht von der zweiten Seite zur ersten Seite, um Teile der leitenden Keimschicht freizulegen; Abscheiden eines ferromagnetischen Materials auf die freiliegenden Teile der leitenden Keimschicht, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten zu bilden und dadurch den vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern zu bilden; Entfernen der leitenden Keimschicht, um die erste Seite des Substrats freizulegen; Entfernen der Maskierungsschicht, um die zweite Seite des Substrats freizulegen; und Bilden einer leitenden Spule um den vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern.
Verfahren gemäß Anspruch 21, das ferner umfasst, dass nach dem Entfernen der leitfähigen Keimschicht und der Maskierungsschicht eine erste und eine zweite Passivierungsschicht auf der ersten bzw. zweiten Seite des Substrats abgeschieden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 22, das ferner die Bildung erster und zweiter Drahtsegmente in der ersten bzw. zweiten Passivierungsschicht umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 23, ferner umfassend das Ausbilden erster und zweiter Durchkontaktierungen (VIAs) in dem Substrat, wobei jede Durchkontaktierung (VIA) das erste und zweite Drahtsegment elektrisch verbindet.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Substrat ein Kernsubstrat ist und das Verfahren ferner umfasst, dass nach dem Entfernen der leitfähigen Keimschicht und der Maskierungsschicht ein erstes und ein zweites Substrat an der ersten bzw. zweiten Seite des Kernsubstrats angebracht werden.
Verfahren gemäß Anspruch 25, ferner umfassend das Ausbilden eines ersten und eines zweiten Drahtsegments in dem ersten bzw. zweiten Substrat.
Verfahren gemäß Anspruch 26, ferner umfassend das Ausbilden erster und zweiter Durchkontaktierungen (VIAs) im Kernsubstrat, wobei jede VIA das erste und zweite Drahtsegment elektrisch verbindet.
Vertikal geschichteter ferromagnetischer Kern, umfassend: ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite, die einander gegenüberliegen, wobei das Substrat strukturierte Hohlräume aufweist, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstrecken, wobei ein Substratmaterial zwischen benachbarten strukturierten Hohlräumen angeordnet ist; und ein ferromagnetisches Material, das in den strukturierten Hohlräumen angeordnet ist, um vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schichten zu bilden.
Kern gemäß Anspruch 28, wobei jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Breite von etwa 5 nm bis etwa 50 µm aufweist, wobei die Breite in Bezug auf eine Breitenachse bestimmt wird, die parallel zu einer durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene liegt.
Kern gemäß Anspruch29 , wobei jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht eine Höhe von etwa 100 µm bis etwa 800 µm hat, wobei die Höhe in Bezug auf eine Höhenachse bestimmt wird, die orthogonal zu der durch die erste Seite des Substrats definierten Ebene liegt.
Kern gemäß Anspruch 30, wobei jede vertikal ausgerichtete ferromagnetische Schicht ein Seitenverhältnis in einem Bereich von etwa 2:1 bis etwa 160000:1 aufweist, wobei das Seitenverhältnis durch Division der Höhe durch die Breite bestimmt ist.
Induktor mit einem vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern, der Folgendes umfasst: ein Substrat mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Seiten, wobei das Substrat gemusterte Hohlräume umfasst, die sich von der ersten Seite zur zweiten Seite erstrecken, wobei ein Substratmaterial zwischen benachbarten gemusterten Hohlräumen angeordnet ist; ein ferromagnetisches Material, das in den strukturierten Hohlräumen angeordnet ist, um vertikal orientierte ferromagnetische Schichten in dem vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern zu bilden; und eine leitende Spule, die um den vertikal geschichteten ferromagnetischen Kern angeordnet ist.
Induktor gemäß Anspruch 32, ferner umfassend eine erste und eine zweite isolierte Materialschicht, die jeweils auf der ersten bzw. zweiten Seite des Substrats angeordnet sind.
Induktor gemäß Anspruch 33, ferner umfassend ein erstes und ein zweites Metalldrahtsegment, die jeweils in der ersten bzw. zweiten isolierten Materialschicht ausgebildet sind.
Induktor gemäß Anspruch 34, der ferner erste und zweite Durchkontaktierungen (VIAs) umfasst, die in dem Substrat ausgebildet sind, wobei die vertikal ausgerichteten ferromagnetischen Schichten zwischen den ersten und zweiten Durchkontaktierungen (VIAs) angeordnet sind.
Induktor gemäß Anspruch 35, wobei die ersten und zweiten Durchkontaktierungen (VIAs) jeweils elektrisch mit den ersten und zweiten Metalldrahtsegmenten verbunden sind, um die leitende Spule zu bilden.
Induktor gemäß Anspruch 32, wobei die erste und die zweite isolierte Materialschicht jeweils eine erste bzw. eine zweite Passivierungsschicht umfassen.
Induktor gemäß Anspruch 32, wobei das Substrat ein Kernsubstrat ist und die erste und zweite Isoliermaterialschicht ein erstes bzw. zweites Substrat umfasst.