KR20090032590A - Inductor of a semiconductor device and method of forming the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 반도체 소자의 인덕터 및 그 형성방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인덕터를 반도체 공정을 통해 구현하는 데 있어, 두꺼운 인덕터용 배선과 높은 인덕턴스를 구현하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an inductor of a semiconductor device and a method of forming the same. More particularly, the present invention relates to a thick inductor wiring and a high inductance in implementing an inductor through a semiconductor process.
통상적으로, 정보화 사회를 구현하기 위한 통신시스템의 발전은 고속의 정보전송 및 정보처리기술을 필요로 하고 있다. 더욱이, 개인의 정보취급량이 증가함에 따라 급성장하고 있는 휴대용 통신 시스템 분야는 고속의 정보교환과 장시간의 배터리 수명시간을 위해서 고속, 고효율 및 저소비전력을 특징으로 하는 반도체 집적회로(이하 IC)를 요구한다.In general, the development of a communication system for realizing an information society requires a high speed information transmission and information processing technology. Moreover, the rapidly growing field of portable communication systems requires a semiconductor integrated circuit (IC), which features high speed, high efficiency and low power consumption, for high speed information exchange and long battery life. .
이러한 통신시스템에서 사용되는 주파수는 약 수백 MHz 내지 수 GHz정도의 RF(Radio Frequency)대역을 가지는데, 여기서 사용되고 있는 IC를 통상 RF IC라 한다. 상기의 RF IC를 구현하기 위한 반도체 공정은 고주파동작을 실현하기 위해서 통상적으로 갈륨-비소(GaAs)를 기본적으로 포함하는 화합물 반도체 IC공정을 주로 실시하여 왔으나, 근래에는 바이씨모오스(BiCMOS), 바이폴라(Bipolar) 또는 씨모 스(CMOS) IC공정으로도 실시하고 있는 실정이다.The frequency used in such a communication system has a radio frequency (RF) band of about several hundred MHz to several GHz, and the IC used here is commonly referred to as an RF IC. The semiconductor process for implementing the RF IC has been mainly performing a compound semiconductor IC process basically including gallium arsenide (GaAs) in order to realize a high frequency operation, but in recent years BiCMOS, bipolar It is also carried out in (Bipolar) or CMOS (CMOS) IC process.
상기한 공정으로 제조되는 다양한 소자들 중의 하나의 소자로서 인덕터(Inductor)는 RF IC에서 임피던스 매칭을 위해 없어서는 아니 되는 수동 소자이다. 그런데, 스텐다드 로직(standard logic) 공정을 이용하여서는 RF IC에서 요구되는 Q(Quality Factor; 충실도, 이하 Q로 표기함)를 얻을 수 없다.As one of the various devices manufactured by the above process, an inductor is a passive device that is indispensable for impedance matching in an RF IC. However, Q (Quality Factor) required by the RF IC cannot be obtained using a standard logic process.
또한 높은 Q값을 확보하기 위해서는 인덕터 금속배선에서 발생되는 기생 저항 성분을 줄이는 것과 실리콘 기판으로 통하는 와상 전류(eddy current) 및 변위 전류(displacement current)에 의한 손실을 줄여야 한다.In addition, to ensure a high Q value, the parasitic resistances generated in the inductor metallization must be reduced and the losses due to eddy current and displacement current through the silicon substrate must be reduced.
인덕터로 사용되는 금속배선 두께를 표준 공정에서 적용하는 두께보다 높여서 저항을 낮추거나, 0.5 ㎛ CMOS 기술(technology)부터 적용되고 있는 구리를 사용함으로써 Q값을 높일 수 있다. 또한, 구조적으로는 사각형보다는 원형 구조가 유리하고, 인덕터 금속배선 간격은 좁은 것이 유리하다.The Q value can be increased by increasing the thickness of the metal wiring used as the inductor than the thickness applied in the standard process, or by using copper, which has been applied since 0.5 μm CMOS technology. In addition, it is advantageous in structure to have a circular structure rather than a square, and the inductor metal wiring spacing is advantageous.
또한, 인덕터의 중심부를 비워두는 것이 유리하다. 대략 인덕터 중심부를 비워두는 부분의 지름이 전체 인덕터 지름의 1/3 정도가 적절하다고 알려져 있다.It is also advantageous to leave the center of the inductor empty. It is known that approximately one third of the diameter of the inductor is appropriate for the diameter of the portion of the inductor that is empty.
인덕터 금속배선의 두께를 8,000 Å에서 20,000 Å으로 증가시키면 Q값이 약 5에서 약 8 정도로 증가하는 것으로 알려져 있는데, 이는 인덕터 금속배선의 두께 증가로 인한 기생 캐패시턴스(capacitance)의 증가는 작지만 기생 저항 성분이 크게 적어지는 것에 기인하며, 인덕터 금속배선 두께에 따른 인덕턴스(inductance)의 변화는 거의 없다는 것을 의미한다. Increasing the thickness of the inductor metal wiring from 8,000 Å to 20,000 Å is known to increase the Q value from about 5 to about 8, which is a parasitic resistance component due to the increase in the parasitic capacitance due to the increase in the thickness of the inductor metal wiring. This is due to the large decrease, which means that there is little change in inductance according to the thickness of the inductor metallization.
또한, 인덕터의 회전(turn) 수가 많아짐에 따라 인덕턴스는 증가하지만, Q값 은 일정 회전 수 이하에서는 증가하다가 일정 회전수 이상이 되면 오히려 감소한다. 즉, 회전 수 증가에 따른 인덕턴스 증가분보다 기생 저항과 기생 캐패시턴스가 증가되어 Q값이 감소하게 된다.Also, as the number of turns of the inductor increases, the inductance increases, but the Q value increases below a certain number of revolutions and then decreases when the number of turns exceeds a certain number of turns. That is, the parasitic resistance and the parasitic capacitance are increased rather than the inductance increase due to the increase in the number of revolutions, thereby reducing the Q value.
결국, 일반적인 반도체 공정방법으로는 원하는 만큼의 높은 인덕턴스를 가지면서, 높은 Q를 가질 정도로 두꺼운 인덕터용 금속배선을 형성하는 것은 공간상 또는 공정상의 제약으로 한계가 있다.As a result, forming a metal wiring for an inductor thick enough to have a high Q while having a high inductance as desired in a general semiconductor processing method is limited by space or process constraints.
특히, 현재 인덕터 제조공정은 원하는 패턴을 구현하기 위하여 배선을 Cu로 형성하는 경우 다마신 공정을 적용하고 있다. 여기서 다마신 공정은 산화막 증착 공정과 노광공정, 식각공정, 화학적 기계적 연마공정, 금속 증착 공정의 조합으로 이루어진다.In particular, the current inductor manufacturing process employs a damascene process when wiring is formed of Cu in order to realize a desired pattern. Here, the damascene process comprises a combination of an oxide film deposition process, an exposure process, an etching process, a chemical mechanical polishing process, and a metal deposition process.
이러한 공정에서, 인덕터 배선형성시 인덕터용 배선을 두껍게 형성하기 위하여 인덕터 패턴 형성 후에 식각공정을 통해 배선을 형성하게 되는데, 포토레지스트와 산화막의 식각 선택비 때문에 현재 깊은 인덕터 패턴을 형성하는 데 한계가 있다.In this process, the wiring is formed through the etching process after the inductor pattern is formed in order to form a thick inductor wiring when forming the inductor wiring, there is a limitation in forming a deep inductor pattern at present due to the etching selectivity of the photoresist and the oxide film. .
따라서 본 발명의 목적은 반도체 소자의 인덕터 및 그 형성방법에 있어서, 공간상 또는 공정상의 제약을 극복하여 높은 인덕턴스를 가지면서, 목적하는 높은 Q를 가질 정도로 두꺼운 인덕터용 금속배선을 형성하는 방법을 제공함에 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming an inductor of a semiconductor device and a method for forming the same, which has a high inductance while overcoming space or process constraints and forms a metal wiring for an inductor thick enough to have a desired high Q. Is in.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 인덕터 형성방법의 일 특징은, 제 1 반도체 기판상에 상부 금속배선과 하부 금속배선을 포함하는 제 1 인덕터를 형성하는 단계; 상기 상부 금속배선 상부에 외부로 돌출된 금속 패드 범퍼를 형성하여 제 1 반도체 소자를 완성하는 단계; 및 제 2 반도체 소자는 상기 제 1 반도체 소자의 제 1 인덕터 및 금속 패드 범퍼와 같은 구조물을 포함하되, 상기 제 2 반도체 소자의 금속 패드 범퍼와 상기 제 1 반도체 소자의 금속 패드 범퍼를 접합하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것이다.In order to achieve the above object, one feature of a method for forming an inductor of a semiconductor device according to the present invention, forming a first inductor including an upper metal wiring and a lower metal wiring on the first semiconductor substrate; Completing a first semiconductor device by forming a metal pad bumper that protrudes to the outside on the upper metal wiring; And the second semiconductor device comprises a structure such as a first inductor and a metal pad bumper of the first semiconductor device, the second semiconductor device bonding the metal pad bumper of the second semiconductor device and the metal pad bumper of the first semiconductor device; It is made to include.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 반도체 소자의 인덕터의 일 특징은, 제 1 반도체 기판상에 상부 금속배선과 하부 금속배선을 포함하여 형성된 제 1 인덕터와 상기 상부 금속배선 상부에 외부로 돌출된 금속 패드 범퍼를 포함하는 제 1 반도체 소자; 및 제 2 반도체 소자는 상기 제 1 반도체 소자의 제 1 인덕터 및 금속 패드 범퍼와 같은 구조물을 포함하되, 상기 제 2 반도체 소자의 금속 패드 범퍼와 상기 제 1 반도체 소자의 금속 패드 범퍼는 접합 된 상기 제 2 반도체 소자; 를 포함하여 이루어지는 것이다.In order to achieve the above object, one feature of an inductor of a semiconductor device according to the present invention, the first inductor formed on the first semiconductor substrate including the upper metal wiring and the lower metal wiring protrudes outward on the upper metal wiring A first semiconductor device comprising a metal pad bumper; And the second semiconductor device includes a structure such as a first inductor and a metal pad bumper of the first semiconductor device, wherein the metal pad bumper of the second semiconductor device and the metal pad bumper of the first semiconductor device are bonded to each other. 2 semiconductor elements; It is made to include.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Other objects, features and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 반도체 소자의 인덕터 및 그 형성방법은 인덕터들이 금속 패드 범퍼를 통해 접합 됨으로써, 공간상 또는 공정상의 제약을 극복하여 목적하는 높은 인덕턴스를 가지면서, 목적하는 높은 Q를 가질 정도로 두꺼운 인덕터용 금속배선을 형성할 수 있는 효과가 있다.As described above, the inductor of the semiconductor device and the method of forming the semiconductor device according to the present invention have the desired high inductance while the inductors are bonded through the metal pad bumper to overcome the space or process constraints, and thus, the desired high Q is obtained. There is an effect that can form a metal wiring for the inductor thick enough to have.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention that can specifically realize the above object will be described. At this time, the configuration and operation of the present invention shown in the drawings and described by it will be described by at least one embodiment, by which the technical spirit of the present invention and its core configuration and operation is not limited.
그리고 본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀두고자 한다.In addition, the terminology used in the present invention is a general term that is currently widely used as much as possible, but in certain cases, the term is arbitrarily selected by the applicant. In this case, since the meaning is described in detail in the description of the present invention, It is to be understood that the present invention is to be understood as the meaning of the term rather than the name.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 인덕터 형성방법을 나타내는 단면도로서, 공정 순서에 따라 도시되어있다.1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of forming an inductor of a semiconductor device in accordance with an embodiment of the present invention, and are shown in the order of steps.
우선, 도 1을 참조하면, 제 1 반도체 기판(102)상에 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)과 제 1 인덕터 하부 금속배선(108)을 포함하는 인덕터를 형성한다. 여기서, 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)과 제 1 인덕터 하부 금속배선(108)은 제 1 인덕터 비아(110)로 연결되어 있다.First, referring to FIG. 1, an inductor including a first inductor
또한, 제 1 반도체 기판(102)과 제 1 인덕터 하부 금속배선(108) 사이에는 제 1 PMD층(Pre Metal Dielectric Layer ; 104)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)과 제 1 인덕터 하부 금속배선(108) 사이에는 제 1 IMD층(Inter Metal Dielectric Layer ; 106)이 형성되어 있다. 그리고, 제 1 IMD층(106) 상부에는 제 2 IMD층(112)이 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)과 더불어 형성되어 있다.In addition, a first PMD layer (Pre Metal Dielectric Layer; 104) is formed between the
이후, 평탄화 공정을 통해 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)의 상부표면이 드러나도록 한다. 여기서 평탄화는 화학적 기계적 연마(CMP) 공정을 사용할 수 있다.Thereafter, the top surface of the first inductor
여기서 제 1 인덕터는 제 1 인덕터 상부 금속배선(114), 제 1 인덕터 하부 금속배선(108) 및 제 1 인덕터 비아(110)로 이루어지며, 제 1 인덕터를 포함하는 반도체 소자는 제 1 인덕터 이외에 다른 인덕터 또는 다른 구조물을 포함할 수 있다.The first inductor is formed of the first inductor
이어, 도 1b를 참조하면, 제 2 IMD층 및 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)이 형성되어 있는 층 상부로 패시베이션층(116)과 포토레지스트(118)를 적층한다.Subsequently, referring to FIG. 1B, the
이어, 도 1c를 참조하면, 패시베이션층(116)과 포토레지스트(118)를 선택적으로 식각하여 제 1 인덕터 상부 금속배선(114)이 일부 드러나는 패드 오픈부(120) 를 형성한다.Next, referring to FIG. 1C, the
이어, 도 1e를 참조하면, 패드 오픈부(pad open block ; 120)에 금속을 매립하고, 도 1d를 참조하면, 잔여 포토레지스트(118)를 제거하여 제 1 금속 패드 범퍼(122)를 완성한다.Subsequently, referring to FIG. 1E, a metal is embedded in a pad
전술한 공정을 거쳐 제 1 인덕터 상부 금속배선(114), 제 1 인덕터 하부 금속배선(108) 및 제 1 인덕터 비아(110)로 이루어지는 제 1 인덕터와 그 상부에 제 1 금속 패드 범퍼(122)를 구비하는 제 1 반도체 소자를 완성할 수 있다.Through the above-described process, a first inductor including a first inductor
이어, 도 1f를 참조하면, 제 1 반도체 소자의 제 1 인덕터 및 제 1 금속 패드 범퍼(122)와 같은 구조물을 포함하는 제 2 반도체 소자를 상하를 뒤집어 제 1 금속 패드 범퍼(122)와 제 2 반도체 소자의 제 2 금속 패드 범퍼(140)를 접합시킨다.Subsequently, referring to FIG. 1F, the first semiconductor pad including the first inductor and the first
제 2 반도체 소자는 내부에 제 2 인덕터를 가지며, 제 1 반도체 소자와 같이 외부로 돌출된 제 2 금속 패드 범퍼(140)를 가지므로, 제 2 반도체 기판(128)상에 제 2 PMD층(130)과 그 상부에 적층된 제 3 IMD층(132)을 구비한다.Since the second semiconductor device has a second inductor therein and a second
또한, 제 2 반도체 소자는 제 2 인덕터 하부 금속배선(134)과 제 2 인덕터 상부 금속배선(136)을 포함하여 구성된 제 2 인덕터를 가지며, 제 2 인덕터 상부 금속배선(136) 상부에 접하는 제 2 금속 패드 범퍼(140)를 구비한다.In addition, the second semiconductor device may have a second inductor including the second inductor
여기서, 제 1 반도체 소자와 제 2 반도체 소자의 제 1 인덕터와 제 2 인덕터를 형성하는 금속은 구리이며, 따라서 상기 제 1 금속 패드 범퍼(122)와 제 2 금속 패드 범퍼(140)의 접합은 구리와 구리의 접합이다.Here, the metal forming the first inductor and the second inductor of the first semiconductor element and the second semiconductor element is copper, and thus the junction of the first
여기서 상기 접합은 구리와 구리의 직접 접합(Cu to Cu direct bonding) 방법을 사용한다. 상기 구리와 구리의 직접 접합 방법은 SIP(System In Package) 기술 또는 멀티 패키징 기술에서 사용되는 유용한 집적방법이다.Here, the bonding uses a copper to copper direct bonding (Cu to Cu direct bonding) method. The direct bonding method of copper and copper is a useful integration method used in SIP (System In Package) technology or multi-packaging technology.
제 1 반도체 소자와 제 2 반도체 소자는 각각 내부에 제 1 인덕터와 제 2 인덕터를 포함하고, 상기 구리와 구리의 직접 접합으로 인덕터끼리 연결되기 때문에 총 인덕턴스 값은 제 1 인덕터의 인덕턴스와 제 2 인덕터의 인덕턴스의 합일 수 있다. 여기서 제 1 반도체 소자와 제 2 반도체 소자의 내부구조가 완전히 같다면, 총 인덕턴스 값은 제 1 인덕터의 인덕턴스의 2배가 된다.Since the first semiconductor device and the second semiconductor device each include a first inductor and a second inductor, and the inductors are connected to each other by the direct junction of copper and copper, the total inductance value is the inductance and the second inductor of the first inductor. It can be the sum of inductances. Here, if the internal structures of the first semiconductor element and the second semiconductor element are completely the same, the total inductance value is twice the inductance of the first inductor.
또한, 상기 제 1 인덕터 상부 금속배선(114), 제 1 금속 패드 범퍼(122), 제 2 금속 패드 범퍼(140) 및 제 2 인덕터 상부 금속배선(136)은 서로 연결되어 하나의 인덕터 금속배선을 이루고 있다. 이는 반도체 소자 간의 구리와 구리의 직접 접합 방법을 통해, 공간 및 공정상의 제약 없이 두꺼운 인덕터 금속배선을 형성할 수 있기 때문에, 목적하는 높은 Q를 가진 인덕터를 구현할 수 있다는 것을 의미한다.In addition, the first inductor
이어, 도 1g를 참조하면, 도 1f에 도시된 A영역의 확대된 세부구조를 살펴볼 수 있다. 제 2 반도체 소자는 하부에 입출력 패드층(I/O pad layer; 126)을 포함한다. 여기서 제 2 인덕터 하부 금속배선(134)은 입출력 패드층(126)과 슈퍼 콘택(super contact ; 138)으로 연결되며, 이로써 입출력 패드층(126)은 인덕터의 일 전극을 담당한다. 여기서 상기 입출력 패드층(126)은 알루미늄으로 형성될 수 있다.Next, referring to FIG. 1G, an enlarged detail structure of region A illustrated in FIG. 1F may be described. The second semiconductor device includes an I /
도 2는 본 발명에 의한 인덕터의 평면도를 나타낸다.Figure 2 shows a plan view of the inductor according to the present invention.
도 2에 도시된 인덕터는 본 발명의 이해를 돕기 위한 도면에 불과하며, 본 발명은 이에 국한되지 않는다. 즉, 도 2에 도시된 인덕터는 8각형의 형태를 보이지만, 본 발명에 의한 인덕터는 원형으로도 형성 가능함은 물론이다. 이상적으로는, 인덕터는 원형에 가까운 형태를 취할 수 있다.The inductor shown in FIG. 2 is merely a diagram for aiding in understanding the present invention, and the present invention is not limited thereto. That is, although the inductor shown in FIG. 2 shows an octagonal shape, the inductor according to the present invention can be formed in a circular shape. Ideally, the inductor can take the form of being near circular.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.Those skilled in the art will appreciate that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시 예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the embodiments, but should be defined by the claims.
도 1a 내지 도 1g는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반도체 소자의 인덕터 형성방법을 나타내는 단면도1A to 1G are cross-sectional views illustrating a method of forming an inductor of a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명에 의한 반도체 소자의 인덕터의 평면도를 나타낸다.2 is a plan view of an inductor of a semiconductor device according to the present invention.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
102 : 제 1 반도체 기판 104 : 제 1 PMD층102: first semiconductor substrate 104: first PMD layer
106 : 제 1 IMD층 108 : 제 1 인덕터 하부 금속배선106: first IMD layer 108: first inductor lower metal wiring
110 : 제 1 인덕터 비아 112 : 제 2 IMD층110: first inductor via 112: second IMD layer
114 : 제 1 인덕터 상부 금속배선 116 : 패시베이션층114: metal wiring on the first inductor 116: passivation layer
118 : 포토레지스트 120 : 패드 오픈부118
122: 제 1 금속 패드 범퍼 126 : 입출력 패드층122: first metal pad bumper 126: input / output pad layer
128: 제 2 반도체 기판 130 : 제 2 PMD층128: second semiconductor substrate 130: second PMD layer
132 : 제 3 IMD층 134 : 제 2 인덕터 하부 금속배선132: third IMD layer 134: metal wiring under the second inductor
136: 제 2 인덕터 상부 금속배선 138 : 슈퍼 콘택136: upper metal wiring of the second inductor 138: super contact
140 : 제 2 금속 패드 범퍼140: second metal pad bumper
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