A7 A7 10 15 發明說明(1 y 本發明係提供一種微電感之製造方法及其構造.,特別 是指一種於平面電感之底部與内外側設有導磁性材料之微 ,電感製造方法及其構造。 近年來台灣半導體工業的快速發展,不僅帶動了台灣 工業的技術升級,同時亦使電子資訊產業及電腦周邊的相 關產σ口更疋在世界上扮〉貝舉足輕重的角色,而在未來半導 體元件研發之中,微機電元件已被預估為二十一世紀的新 星,因此,該方面的研發不僅是業者或是學術界都正在如 火如荼的進行著。 在積體電路的製造過程中,為了加快反應速度、減少 雜訊干擾、縮小晶片面積,業者乃將如電晶體、二極體、 電阻、電容或電感等電子元件整合製造於一晶片上(system on a chip),其中電子元件中,電感在製程技術的處理上 是最困難也是最麻煩的,以致於半導體工業的技術進程中 ,電感的製程技術發展較慢也較少。今日整合積設於晶片 的電感大致可分成立體微電感與平面微電感。而由於平面0 電感製程的複雜度低而較易整合於j龙今的半導體製程,所 以平面電感之發展較多。 然而相較於傳統非積設於晶片上的電感,微電感之感 值與品質因數(quality factor,以下簡稱q值)太小, ,以致於應用範圍受到限制,例如無法應用於通訊設備之 射頻電路中等等。且微電感之Q值無法有效提高,主要受 限於其值係正比於電感繞線所圍繞的面積,但受限於積體 電路晶片之面積資源為稀少且珍貴的,所以需用其它的辦 第4頁 私紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 閱 讀 背 面 之 注 項 再 填 · I裝 頁. 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 10 15 20 上288 B7 五、發明說明(2 ) 法來改善提高Q值。 而影響電感之Q值之因素有下列三點··第一、金屬導線 、中有阻值存在,第二、電感結構與基體之間會有一雜散電 谷1第三、漏磁在基體上造成的損失之因素。所以目前為 5 了提鬲Q值之方式大多由降低阻值與減少基材電磁損失兩 方面著手。 ,在降低阻值方面,已經有人提出利用低電阻之材質例 銅來製成微電感,以降低微電感之電阻特性;以及在美 國專利第5,446,311號案中,提出在覆於半導體基體表 面之一Μ緣層上堆疊多層具有相同迴旋形狀之金屬線來建 構電感,以降低串聯電阻,可利用降低阻值以提高Q值。 在降低雜散電容方面,有如中華民國專利新型申請第 087111340 E (公告號:396594)中於電感之下方設置具有 較低介電係數(dielectric constant或稱為相對於真空的 relativepermittivity)之絕緣層,與在美國專利第5, 5% •41號案挖空電感下方的基材而使電感懸浮之方式,以 使降低電感下方部分(如絕緣層)的介電係數,因而可降 低雜散電容。 在減少基體電磁損耗方面,習知利用挖空電感底下的 基材、墊厚電感底下的絕緣層,藉以減少基體損失,以提 高Q值。 ~ 然而,上述之改善方法對於Q值的提昇仍然有限,但 受限於以往半導體技術之限制,無法於平面電感之内側置 入增進電感特性之材料,致使感值與Q值增進有限。此外 , _ 第5頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱)
--------------^ -! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -線. A7 "' ·— --— _____ B7 五、發明說明(3 ) --- --裝 i I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ’基體損失(substrate lGSS)無法有效降低是造成平面 電感之Q值過低之主要因素,所以除上述增加絕緣層之厚 .度外,若能再降低電感對基體之磁渦流損失(_贿邮 l〇SS),將可再使Q值提高。 有4血於省用平面電感之q值與感值過低之缺點,是以 本案毛明人f、積多年從事該行業之經驗,積極從事研究 ,終有本發明『微電感之製造方法及其構造』之產生。 本發明之-目的係、提供—種微電感之製造方法及其才^ 造,其係於平面電感線圈内侧設置導磁性材料,以達到提 南電感之Q值與感值之功效。 本發明之再一目的係提供一種微電感之製造方法及其 構造,係於平面電感線圈之底部設有導磁性材料,以使基 體磁渦流損失有效降低,進而達到提高9值與感值之目的 m 15 本發明之又一目的係提供一種微電感之製造方法及其 構造,係於電感線圈之底部與周圍皆有導磁性材料,以使· 對基體之磁渦流損失最小化,進而達到增加Q值與感值之 目的。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本發明之再一目的係提供一種微電感之製造方法及其 20構1^,其係利用微電鍍的技術於平面電感線圈内外側與底 部設置導磁性材料,以達到提高電感之Q值與感值之功效 〇 為達到上述之目的,本發明之一種微電感之製造方法 ,係包括以下步驟: 第6頁 本紙張尺度_ +關篆標準(CNS)A4規格(210x297公以 511288 A7 B7 五、發明說明( 10 15 痤齊郎眘慧时i局員X.消費合作社印製 20 a.提供一基體; b·形成一種子層(seeding layer)於該基體上; c·形成一犧牲層於該種子層上; d·形成一介電層於該犧牲層上; e·至少形成一金屬層於該介電層上,且各該金屬層具 有一位於該犧牲層之上方之迴旋型線圈,該等相鄰金屬層 &分別夾置一介電層以相互隔離,且該介電層設有一具有 ^電材料之通孔(via)以使相鄰金屬層電性連接; f·形成一保護層於該金屬層上,而該保護層具有露出 位於該迴旋線圈的中心部分與外圍上方之介電層的蝕刻窗 f g·由該蝕刻窗選擇性蝕刻該等介電層,以形成露出該 犧牲層之#刻口; h·由該蝕刻口蝕去該犧牲層,以形成一微隧道;及 i·成長一導磁性材料於該微隧道與該蝕刻口中。 •有關本發明所採用之技術、手段及其功效,玆舉一較佳 實施例並配合圖示詳細說明如后,相信當可由之得一深入而 具體的瞭解。 圖示之簡單說明: 第一圖係本發明較佳實施例之佈局圖。 第二圖係沿第一圖之A-A剖線之局部剖視圖。 第三圖至第十四圖係根據本發明較佳實施例的微電感製 作方法之流程剖視圖。 圖號對照表: 第7頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) I I----— — — — — ^« — — 1 —---•線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 五、發明說明( 5 1微電感 13第一介電層 17第二介電層 21第三介電層 2 5導磁性材料 29犧牲層 37第四介電層 41、43蝕刻窗 49、51餘刻口 U基體 15種子層 19第一金屬層 23第二金屬層 W通孔 31、33接合塾 3 9保護層 47光阻層 53微隧道 10 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 20 55電路板 請參閱第-圖,係本發明之較佳實施例之佈局圖。配 合參照第二圖,本實施例之微電感i包含_基體Η、一覆 蓋基體11上的第-介電層13、一佈局於第一介電層以上 的種子層(seeding layer) 15、一位於 二介電層Π、-位於該第二介電層17上的二金屬上二 、一位於第一金屬層19之上的第三介電層21、一位於第讀 一川電層21上的第一金屬層23、及一充填於金屬層IQ、23 之内、外側與底部之導磁性材料25。其中,各金屬層19、 23分別具有迴紅線圈,並於第三介電層21中並形成一通 孔(via) 27以使第一金屬層19與第二金屬層23電性連接 。為了使本發明更容易瞭解,首先在下文中配合第三圖至 第十三圖對本實施例之製作流程作介紹。 本實施例之微電感大致應用CMOS製程來製作。由於今 曰晶圓廠的製作技術水準高且價格相對低廉,所以若將本 第8頁 -裝i I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ^11288 A7
項 再 填 I裝 頁 先 閱 讀 背 面 之 注 赢 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(7 ),在此第二介電層17之材質亦A s儿a 貝丌為一虱化矽。而後,如第七 圖,於第二介電層17上沉籍一笙 人琉 y 上,儿積第一金屬層19,並利用微 、影與蝕刻之製程,以形成位於貓鉍 又1於犧牲層29之上方範圍内矩形 迴旋形狀之線圈。應注意的是,雖然在本實施例中,該金 5屬層19之線圈為矩形迴旋形狀,但亦可為其他型態如螺旋 狀等等之類,並不應受限於本實施例之列舉。 ^其後,如第八圖,於金屬層19上積設一第三介電層21 後,並於第二介電層21上钱刻一連通至該金屬層19之内钃 側端的一通孔(via) 27,而此通孔27内並塗佈導電材料 ,例如鎢,此外,在此第三介電層21亦為二氧化矽。緊接 著,如第九圖,祕第三介電| 21之上方設置一形狀及位 置與第一金屬層19相同之第二金屬層23,所以通孔27形 成第一金屬層19與第二金屬層23間之電性通道,使兩者 電性連接。此外,通孔27内之導電材料亦可在第二金屬層 23之沉積時獲得,此時,通孔27内的材質會與第二金屬 層23之材質相同。再者,此第二金屬層23亦形成接合塾丨 31、33,如第一圖,接合墊31、33分別以金屬線連接至迴 旋型之第二金屬層23與第一金屬層19之外側端,以供測 試與電性連接用。在此,第一金屬層19與第二金屬層23 之材料係鋁矽銅合金。而後,第二金屬層23上再設置一第 四介電層37,並於第四介電層37上積設一保護層39,並 經微影與蝕刻,使此保護層39係選擇性設置於第二金屬層 23之上方並形成露出第四介電層37之蝕刻窗41、43,而 請對應參照第一圖,在此保護層39之形狀為矩形環,蝕刻 第10頁 請 先 閱 讀 背 面 之 注 項 再 填 I裝 10 15 20 不紙浪人度週用中國國家標準(CNS)A4規格(210·· X 297公釐) 頁 訂 10 M1288 五、發明說明(8) 窗41係位於保護層39之中心之一矩形餘刻窗41.,及钱刻 窗43係包圍保護層39之兩相對的门型钱刻窗43,而第四 t電層37之材料亦為二氧化石夕與保護層39由氮化物所構 成。 5 1此’完成本實施例之微電感的前製程,而本實施例 中使用三層金屬㉟29、19、23,其中金屬層Μ為犧牲声 •身而^屬層19、23用以積設線圈,所以本實施例可應用晶 廠提供的1P3M或1P4M之CM0S標準製程來製作,而 由於使用1P4M標準製程時,可將線圈積設於第三盘第四 金屬層,所以線圈下方至少可增加一金屬層與一介電層厚 度之介電材料’由於雜散電容值隨厚度(線圈與基體之間 岐離)增加而下降,所以雜散電容可有效降低,進而提 面Q值與感值,因而在此以應用1P4M之標準製程為佳。 值得注意的是,雖然在本實施例中使用兩金屬層 感線圈,然而實際上可依需要增減金屬層之數量並不=限 鲁本實施例中所列舉,僅需相鄰之金屬層有通孔相互電性 連接即可,而製造的方法與材料亦寸依需要而調整而不受 限於本實施例之說明。 又 接著,進入後製程,主要是進行蝕刻介電材料與犧牲 2〇層29及沉積導磁性材料25。首先,如第十一圖,為了保 護蝕刻時欲保留的部分,更利用微影技術於保護層外之上 方積設於一光阻層47。 而後由於欲蝕刻移除犧牲層29,所以首先必須開設延 伸至犧牲層29之蝕刻口,以使犧牲層29裸露,但在此僅 _ 第11頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNSyA4規格⑽x 297公髮) I--I I I I I ^ i — 1 — nl^i--! — 1„1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁}
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五、發明說明(9 ) 欲使犧牲層29裸露,而不欲產生於韻刻後造成其它金屬層 之裸硌之結果,因此利用具有良好選擇性與非等向性的反 ,應性離子餘刻法(reactive ion etching,以下簡稱rie )來進 5 10 行餘刻,在此欲蝕刻局部第四、第三、第二介電層37、21 、Π之材料為二氧化矽,於是選用氟化碳之電漿( Fluorocarbon Plasma),並使用四氟化碳(CF4)作為蝕刻 氣體’因而僅會移除二氧化矽,所以在此可利用RIE由 述預留露出第四介電層37之蝕刻窗41、43開始向下垂 餘刻至犧牲層29為止,藉此形成如第十二圖之蝕刻口 49 、51。在本實施例中列舉RIE進行蝕刻僅為說明之目的, :· 先 閱 讀 背 面 之 注 項 再 填 1I裝 頁 15 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 20 所以亦可應用其他方式來移除部分介電層,並不應受限於 本實施例中的列舉。 其後,經由此餘刻口 49、51而可開始進行移除犧牲 層29之動作,在此利用濕蝕刻技術來移除犧牲層29,而 在此犧牲層29之材料為鋁矽銅合金,所以選用僅對鋁石夕銅 合金產生反應之链的触刻液進行餘刻,在紹的姓刻液大致j 包括:第一種,係磷酸(h3po4)、醋‘酸(ch3cooh)、确酸 (hno3)與水(H20)所構成,而磷酸佔整體之重量約72β88% ,醋酸約佔11.37%,硝酸約佔2·29%,及水約佔13.49% ; · 第二種,係磷酸、雙氧水(Ηθ2)、水所構成,而三種材料 之體積比為8:1:1 ;第三種,係氣化氫(HCL)與水所構成 ,其體積比為8:2 ;及第四種,係氣化氫、雙氧水與水所級 成’其體積比為8:1:1。在此’可依需要選擇其中一種來作 為蝕刻液,而且因這些蝕刻液對鈦的選擇性很好,所以可 訂 m 第12頁 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 511288 A7
丨P 五、發明說明(10; 移除犧牲層29而保留為鈦的種子層15,如此可形成一與 钱刻口 49、51相互連通之微隧道53 (如第十三圖)。應注 :意的是,雖然在此實施例中利用濕蝕刻與列舉特定的化學 溶液來進行蝕刻,但實際上仍可應用其他蝕刻方式與化學 -5 溶液,並不應受限於本實施例之說明。 其後’可開始進行成長導磁性材25於微隧道53與餘 刻丨口 49、51之作業,在此應用微電鍍方式來長成導磁性材 25,首先移除光阻層47、保護層39與第四介電層37, 而後必須將整體置放於電鍍液中,在本實施例中,為了方 便固定微電感之晶片於電鍍液之陰極,所以如第十四圖更 利用打線技術,將晶片之接合墊31、33接合至電路板上, 藉此將晶片固定於電路板55上,以供電鍍時,可利用夾置 電路板來固定晶片之位置。而在此以鈦之種子層15為電極 之陰極待渡區,並在電鍍液中加一電場進行微電鍍作業, 驅使金屬離子向陰極種子層15方向移動,當金屬離子在陰 •接受電子後,便以金屬原子的型態沉積陰極待鍍區上, 而可成長一導磁性材料於微隧道53 ‘與蝕刻口 49、η中, 在此,導磁性材料可為一 8〇%鎳(Ni) _2〇%鐵(Fe)合金 而該電鏟液之主要成分為氨基績酸錄與氨基績酸亞鐵, 以檸檬酸為亞鐵離子之安定劑,來避免二價鐵變成三價鐵 ,及以硼酸為酸鹼值之安定劑(buffer),使電鍍液之酸鹼 值穩疋如此,如第二圖,可將導磁性材料25置入微電感 之内側、底部與周圍。應注意的是,雖然在本實施例中採 用微電鍍來長成導磁性材料,然而實際上可依當時技術或 ι___ 第13頁 紙張尺度適用中國國家標準(CNS)^i"(21〇 x 297公髮) 10 15 20 --------------裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7
五、發明說明(11 ) 需求選用其他方式例如物理氣相沉積(pvD)或化學氣相 沉積(CVD)等等,來長成導磁性材料,並不應受限於本 、實施例之列舉。 5 綜前所述,在本發明確實具有以下之優點: 1·降低雜散電容之損失: 在本發明中利用金屬層 屬線圈與基體11間的距離, 損失。 19下方的介電層17來墊高金 閱 讀 背 面 之 注 以有效減少雜散電容所產生 的· 10 2·降低基體損失: 在本發明中在微電感結構之底部與周圍鍍上導磁性材 料25,以作為屏壁作用,而可使對基體之磁渦流(以办 current i〇ss)損失明顯降低,進而解決以往平面電感之q 值低的主因(即基體損失),所以相對而言Q值與感值亦 能隨之提高。 項 再里裝 頁 訂 3·增加Q值與感值: m 在本發明中微電感結構之中心具有導磁性材料25,以麵丨 作為電感線圈19、23之磁心,而可:達到大幅提增電感之Q . 值與感值之功效,此外,如前述之降低雜散電容與基體損 失,所以本發明之微電感之Q值與感值確實可大幅增加。 4·製作成本低: 本發明之大部分製程(前製程)係可配合CM0S標準 製作,所以製程規格化,而可交予晶圓廠之製作,因而具 有成本低與良率穩定之優點,而且剩餘製程(後製程)僅 包含移除部分介電層17、21、37與犧牲層29以及電錢導 I____ 第14頁 尽紙狀度週用中國國家標準(ds)A4規格⑽χ 297公楚)~—------ A7 五、發明說明(12 , 枓25於電感之内、外側與底部即可完成,所以製程 間早化’致使量產化的可能性大為提高。 者’雖然在本實施例為配合⑽S標準製程而分為前I • 5 程,然而實際上可依需求,亦可整合成-完整製程| ,以本發日月之_不應受限於本實施狀隸中為說明Ιι 所列舉之實行技術,而可依需要以其他製造技術取代。 裝 綜切述,本發明之『微電感之製造方法及其構造』 上確月b藉上述所揭露之構造、裝置,達到預期之目的與功 10 效’且申請前未見於刊物亦未公開使用,符合發明專利之 新穎、進步等要件。 惟,上述所揭之圖式及說明,僅為本發明之實施例而 已,非為限定本發明之實施;大凡熟悉該項技藝之人仕, 其所依本發明之特徵範疇,所作之其他等效變化或修飾, 皆應涵蓋在以下本案之申請專利範圍内。 第15頁