TWI287866B - Inductor and method of forming the same - Google Patents
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I2%8786^pif.d〇c « 九、發明說明: ψ 本申請案主張於2005年1月3號向韓國智慧財產局提 出申請之韓國專利申請案第2005-00277號的優先權,該專 利申請案所揭露之内容完整結合於本說明書中。 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種半導體元件的形成方法,特別是 一種電感器的形成方法。 【先前技術】 • 電感器可應用互補式金屬氧化半導體(CMOS)技術 作為射頻(RF)積體電路。電感器在高頻積體電路中是為 了特性阻抗的需要所設置的一被動元件。特別是,在高頻 積體電路中,用來減少相位雜訊所要求的高品質因數(high quality factor )而增設一電感器。 圖1繪示習知用在高頻積體電路的電感器的立體結構 及其等效電路圖。在圖1中Ls表示螺旋狀的電感器的自我 電感(self inductance )的總電感值,而交互的電感(mutual 鲁 inductance )位於電感器的金屬線之間。Rs表示電感器的 一 DC阻值以及一 AC阻值的總合,以考量高頻時所產生 的趨膚效應(skin effect)。Cs表示形成於金屬線之間的 寄生電容的電容值。Cp表示形成在電感器與一基板之間的 一寄生電容的電容值。計算基板與電感器之間的一絕緣層 的厚度可得到Cp值。Rp代表一矽基板的超高頻洩漏 (leakage)效應,此超高頻洩漏效應與電阻器建模。 圖1所述的等效電路的完整的品質因素((3)可以下列 12ST8€€p'^ 的方程式[Equation 1]表示之。 [Equation 1] 磁力(Em)-電力(Ee) 能量損失(Elossj—— 方程式中磁力(Em)、電力(Ee)及損失能量(Eloss)可分 別由下列的方程式[Equation 1]到[Equation 4]獲得。
[Equation 2] ^ V2wLs
Em =-Γ-r- 2[{wLsf A-Rs2} [Equation 3]
EcJ2w{Cs^Cp) 一 2 [Equation 4]
Eloss = —[— + ——年~~Y] 2 RP {wLsf^Rs2 請參考方程式2到方程式4,寄生電容器的電容Cs和 Cp因與Rs耦合而上昇,而當電力Ee與能量損失Eloss變 小時,磁力Em會變大。而且,由方程式1中可得到電容 Cs和Cp的上昇會導致較高的品質因素。據此,必須減少 犧牲電容器(sacrificial capacitor)的電感層與電容層的阻 值以獲得較高的品質因數。 I2878*&6piM〇c 習知採用的多個方法之一是將一接地金屬層形成於一 ,,上以執行遮蔽,而另一方法是形成一電感器並蝕刻電 感為下方的一基板。不幸的是,這些方法需要額外的CMOS 製程而產生額外的成本。 、,^圖2繪不習知電感器的剖面圖。圖2的電感器揭示於 美國專利號Ν〇·6062161~是將金屬層的數量增加以減少電 感層^阻值Rs,以獲得上述所討論的高品質因素。 育一明參考圖2,第一絕緣層5形成於一基板1上。第一 導電®案20形成於第一絕緣層5上。第二絕緣層7堆疊其 ί而ί =導電圖案1〇形成於第一導電圖案20上。第一與 =電圖案10、20以_接觸孔3〇内連接以構成一電感 =電感器的電感層的厚度也會增加。因此,電感層 :。弓_Α以接觸孔3QA相連,而導致整個金 屬盾的數1的減少。^_ 一導電圖1所示,標號10Α代表連接到第 一命电圖案10的一引線。 厶,ϊΐ述”電感層的阻值等於DC阻值與AC阻值的總 “器上膚效應。圖2的 應,上升‘^ 少超高頻時所上升的趨膚::度知加以減少其阻值’並減 【發明内容】 ^ 本1明的目的是提供—種電感器的形成方法。根據本 I2'87866pi f.doc 方法是在一基板上形成一電感器圖案。絕緣層形成在電感 ^ 器圖案上。絕緣層至少被部分移除以顯露電感器圖案,並 形成一凹槽(groove)。將導電圖案一致地形成於沿著絕緣層 與凹槽底部之間的一階梯上。 在一實施例中,凹槽的寬度大於電感器圖案的寬度。 電感器圖案的材質可以是銅或鋁。導電圖案的材質可以是 鋁。凹槽包括多個子凹槽。導電圖案的厚度可以大於電感 器圖案的厚度。導電圖案的材質可以是鋁,而電感器圖案 修的材質可以是銅或紹。 本發明提出另一種電感器的形成方法。根據本發明是 在一基板上形成一絕緣層。絕緣層被圖案化以形成一凹 槽,並定義出電感器所預形成的一區域。將一電感器圖案 一致地形成於沿著絕緣層與凹槽底部之間的一階梯上。 在一實施例中,凹槽包括多個子凹槽。電感器圖案的 材質可以是鋁。 本發明另提出一種電感器。電感器包括形成於一基板 φ 上的一電感器圖案以及形成於電感器圖案上的一絕緣層。 電感器圖案至少被部分顯露出來。導電圖案形成於沿著絕 緣層與凹槽底部之間的一階梯上。電感器圖案是形成於凹 槽底部,而導電圖案是連接到電感器圖案以增加電感器圖 案的表面積。 電感器圖案的材質可以是鋁或銅。導電圖案的材質可 以是鋁。凹槽包括多個子凹槽。導電圖案的厚度可以大於 電感器圖案的厚度。凹槽的寬度可以大於電感器圖案的寬 I2S786#p^〇c 的材質可以 度。導電圖案的材質可以是銘,而電感器圖案 是銅或鋁。導電圖案可以使用電源線。” 為讓本發明之上述和其他目的、特徵和 易懂,下文特舉較佳實施例,並配合所 月匕 明如下。 謂圖式’作詳細說 【實施方式】 [苐一實施例]
圖3A〜圖3D是根據本發明第一實施例的 的形成方法的剖面圖。 一種電感器 基板100可包括絕緣層、金屬層以及填入—材所 以内連接金屬層的導電孔。接地金屬層可形成在基板10貝0 上以減少基板損失。雖然未縿示在圖上,導電線可妒成在 基板100上以連接本發明的電感器與另一元件。y
將下絕緣層101形成於基板100上。下絕緣層是 塗佈聚合物層以旋塗方式形成或是沉積輕摻雜的氧化層, 包括甲基(methyl)或乙基(ethyl)等氧化層以化學氣相 沉積(CVD)完成。下絕緣層1〇1的材質例如是旋塗玻璃 (spin-on glass,SOG)、未摻雜矽玻璃(undoped silicate glass, USG)、磷矽玻璃(phosphorus silicate glass,PSG)或氟摻雜石夕 玻璃(fluorine doped silicate glass,FSG) 〇 電感器圖案103形成於基板100的下絕緣層ιοί上。 電感器圖案103的材質可以是鋁、鎢或銅。電感器圖案1〇3 可使用電鍍或非電鍍方式形成。 當電感器圖案的材質為銅時,可形成一中間絕緣層(未 I28786^pifdoc 繪示)於下絕緣層ιοί上,並圖案化中間絕緣層以定義電感 器圖案103所欲形成的位置。在填入銅之後,再以化學機 械研磨(CMP)來形成電感器圖案1〇3。雖然未繪示於圖 中,更可形成一擴散阻障層及/或一抗反射層在電感器圖案 103這一層上。通常,擴散阻障層的材質可以為TiN、Ti、 丁aN、WN或TiSiN ’尽度約為5 -1 〇〇埃。抗反射層的材質 可為純聚乙烯類氧化物(poly ethylene oxide,PEOS),厚度約 為 500-1000 埃。 鲁 請參考圖3B,上絕緣層1〇5形成在下絕緣層ιοί以及 電感器圖案103上,厚度約為6500-10000埃。上絕緣層 105的材質例如是旋塗玻璃(Spin_on giass,s〇g)、未摻雜石夕 玻璃(undoped silicate glass,USG)、磷矽玻璃(phosphorus silicate glass,PSG)、氟摻雜石夕玻璃(fluorine doped silicate glass,FSG)或電漿增強型四乙基石夕玻璃(plasma enhanced tetraethyl orthosilicate glass,PETEOS)。上絕緣層 105 可包 括一個或多個依序堆疊的絕緣層。上絕緣層105的材質可 ❿ 為厚度約6500埃的氟摻雜矽玻璃(FSG)以及厚度約2500 埃的PETEOS相互堆疊而成。 請參考圖3C,上絕緣層1〇5是以乾蝕刻方式部分移 除,以光微影圖案化方法來顯露電感器圖案103。凹槽121 是沿著電感器圖案103而形成的,即凹槽121是隨著電感 器圖案103延伸的方向而延伸的。如圖3D所示,導電圖 案107 —致地形成在上絕緣層1〇5及顯露於凹槽121内的 電感器圖案103上。導電圖案1〇7的材質例如是鋁。導電 I28786frfdoc 圖案107的厚度可大於電感器圖案i〇3的厚度。 • 如圖3D及圖4所示,導電圖案107形成在凹槽123 上。因此,電感器圖案103的表面積增加並大於圖丨中習 知像是平坦結構的電感器的表面積。為了增加表面積,凹 槽包括多個子凹槽被形成以顯露電感器圖案103(子凹槽以 固定的間隔分開)。在本案中,凹槽具有多個凹凸結構形成 在電感圖案103上。根據本發明,導電圖案1〇7更進一 步形成在電感器圖案103上,以達到與電感器的厚度增加 攀同樣的效應。 [弟二實施例] 圖5A及圖5BJ會示本發明第二實施例的一種電感器的 形成方法的剖面圖。 電感裔圖案103形成在基板1〇〇的下絕緣層上, 而上絕緣層105形成在電感器圖案103上。同樣以第一實 施例相同的步驟來完成。 請參考圖5A,部分上絕緣層105被移除以產生寬度 • L2的開口於上絕緣層1〇5中。因此,凹槽121可完全顯露 電感器圖案103。凹槽121可沿著電感器圖案1〇3形成, 如第一貫施例所述的連接情況。即凹槽121可沿著電感器 圖案103延伸的方向延伸。因此,所有的電感器圖案1〇3 以及部分下絕緣層10〗被顯露出來。導電圖案1〇7可一致 地沿著上絕緣層105的上方與顯露的電感器圖案103之間 的一階梯以及上絕緣層1〇5的上方與下絕緣層1〇1之間的 一階梯來形成,如圖5B所示。因此,凹槽121也可形成 I28786^pifd〇c 在導電圖案107上。導電圖案1〇7的厚度大於電感器圖案 103的厚度。導電圖案107連接至電感器圖案1〇3以達到 電感器圖案103的表面積及電感器的厚度增加時的效用。 [第三實施例] 圖6A〜圖6C繪示本發明第三實施例的一種電感器的 形成方法的示意圖。 下絕緣層101形成在基板100上。導線形成在基板1〇〇 上以連接欲形成於基板100上的電感器及其他元件。上絕 • 緣層1〇5形成在下絕緣層101上。下絕緣層1〇丨被圖案化 以形成一凹槽121,用以定義欲形成電感器圖案1〇3的一 區域。電感器圖案103 —致地形成在凹槽12ι上。雖只繪 示一個凹槽121在圖中,但為了增加表面積也可以形成多 個凹槽。根據本實施例,圖案化絕緣層105以形成一凹槽 121而電感裔圖案1〇3形成在絕緣層1〇5上以增加表面 積’使其表面積大於圖1中習知電感器的表面積。 [測試實施例] ❿ 咼頻結構模擬器(high-frequency structure simulator, HFSS )模擬工具用來分析增加的品質因素及增加的金屬線 的厚度的數值,以作為本發明可具體實施的電感器。電感 器是一個八邊形電感器(octag〇nai inductor),且所有厚度以 相同尺寸來設置。在測試時,金屬線的厚度為8000埃。假 設只有形成一個電感器,只有形成一個2微米的導電圖 案,並形成2.8微米的一電感器圖案及一導電圖案。圖案 的材質可以為鋁。 12 I287866pif.d0c α圖7所示的測試的結果,得到電感器圖案的品質因 日士在厚度變化上的數值。當電感器圖案的厚度為_埃 士品質因素的最大值為6;當電感器圖案的厚度為2微 因素的最大值為9.7。當電感器圖案的厚度為 電品㈣素的最大料u·4。也就是說,當導 =具有2微米的厚度而形成在電感器圖案上時,品質 有導電圖案形成時增加了 62個百分點。若相 1將導電圖輯-步形成在電感器圖鱗,則增加了 ι8 ^刀點。由此可知,品質因素隨著電感器的厚度因素的 广=”2述結果只針對金屬線層的厚度增加而產生 ° Ϊ量#形成凹槽時表面積增加的效應時,具體 只鈿的品質因素可增加更多。 料電流會因電感器的金屬線層的厚度 減乂且回頻時所產生的趨膚效應也會隨著金屬線 的表面積增加而減少。因此,可得到高品質因素的電感 雖然未繪示在圖中,上述金屬線 的金屬線層可以是傳輸電力的電源線。隨著 面積增加會降低阻值而減少電力傳輸時的以:的表 雖然本發明已以較佳實施 ,本發明’任何熟習此技藝者,在不脫離=== !:關内,當可作些許之更動與潤·,因此之精神 ,圍當視後附之申請專利範圍所界定者為X之保護 【圖式簡單說明】 13 I287866fd〇c 圖1繪示習知用在高頻積體電路的電感器的立體結構 * 及其等效電路圖。 圖2繪示習知電感器的剖面圖。 圖3A〜圖3D是根據本發明第一實施例的一種電感器 的形成方法的剖面圖。 圖4繪示根據本發明第一實施例的一種電感器的示意 圖。 圖5A及圖5B繪示本發明第二實施例的一種電感器的 • 形成方法的剖面圖。 圖6A〜圖6C繪示本發明第三實施例的一種電感器的 形成方法的示意圖。 圖7繪示電感器圖案的品質因素在厚度變化上的關係 圖。 【主要元件符號說明】 1 :基板 5 :第一絕緣層 φ 7:第二絕緣層 10 :第二導電圖案 10A、20A :引線 20 :第一導電圖案 30、30A ··接觸孔 100 :基板 101 :下絕緣層 103 :電感器圖案 14 1287866 18984pif.doc 105 上絕緣層 107 導電圖案 121 凹槽 123 凹槽
Claims (1)
- •if.doc I2878b66 申請專利範圍: 1·一種電感器的形成方法,包括: 形成一電感器圖案於_基板上;· f邑緣層於包括該i感器圖案的該基板上· 槽 凹 ®案化該絕緣層以形成沿著該電感的 该凹槽顯露該電感器圖案;以及 茱的 2. =也形成-導電圖案在該㈣喊該絕 复㈣中請ί利範圍第1項所述之電感器的形成方法, '、^凹槽的見度大於該電感器圖案的寬度。 請專職圍第丨項職之電感㈣方 其中该電感器圖案包括銅和鋁至少其中之一。万去, 4. 如_料觀目第丨項麟之電感 其中該導電圖案包括銘。 4方去, 5. 如中請專利_第丨項所述之電感器的形成 〆、中该凹槽包括多個子凹槽。 彳 ^6·如申請專利範圍第1項所述之電感器的形成方法, /、中該導電圖案的厚度大於該電感器圖案的厚度。彳, 7·如申請專利範圍第6項所述之電感器的形成方法, /、中該導電圖案包括鋁,而該電感器圖案包括銅和 其中之一。 ^ 8·一種電感器的形成方法,包括·· 形成一絕緣層於一基板上; ^圖案化該絕緣層以形成一凹槽,以定義該電感器所欲 形成的一區域;以及 16 r287866pif-d〇c 一致地形成一電感器圖案於該凹槽内及該絕緣層上。 9. 如申請專利範圍第8項所述之電感器的形成方法, 其中該凹槽包括多個子凹槽。 10. 如申請專利範圍第8項所述之電感器的形成方 法,其中該電感器圖案包括紹。 11. 一種電感器,包括: 一電感器圖案,形成於一基板上; 一絕緣層,形成於該電感器圖案上,並具有一凹槽沿 著該電感器圖案,以顯露該電感器圖案;以及 一導電圖案,形成於該凹槽内與該絕緣層上,以連接 該電感圖案。 12. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中該電 感器圖案包括紹和銅至少其中之一。 13. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中該導 電圖案包括鋁。 14. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中該凹 槽包括多個子凹槽。 15. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中該導 電圖案的厚度大於該電感器圖案的厚度。 16. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中該凹 槽的寬度大於該電感器圖案的寬度。 17. 如申請專利範圍第15項所述之電感器,其中該導 電圖案包括鋁,而該電感器圖案包括銅和鋁至少其中之一。 18. 如申請專利範圍第11項所述之電感器,其中以一 17 1287866 if.doc 電源線作為該導電圖案。18
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