TWI740360B - 具有高縱橫比的垂直疊層的磁芯 - Google Patents

具有高縱橫比的垂直疊層的磁芯 Download PDF

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TWI740360B
TWI740360B TW109102469A TW109102469A TWI740360B TW I740360 B TWI740360 B TW I740360B TW 109102469 A TW109102469 A TW 109102469A TW 109102469 A TW109102469 A TW 109102469A TW I740360 B TWI740360 B TW I740360B
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馬修 卡瓦拉羅
麥可 萊卡斯
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Abstract

一種用於製造垂直層疊的鐵磁芯的方法包括：（a）在基板的第一面上或上方沉積導電種子層；（b）在基板的第二面上或上方沉積掩蔽層，第一面和第二面在基板的相對側；（c）在掩蔽層中形成圖案；（d）基於掩蔽層中的圖案對基板從第二面到第一面進行乾式蝕刻以暴露導電種子層的部分；並且（e）將鐵磁材料沉積到導電種子層的暴露的部分上以形成垂直定向的鐵磁層。

Description

具有高縱橫比的垂直疊層的磁芯
本申請一般地涉及磁芯和包括磁芯的器件(諸如感應器)。
基於半導體的器件中的計算能力、空間密度以及這些器件的能量效率的提高使得可以實現效率更高的小型微電子感測器、處理器以及其他設備。這些已經在移動和無線應用以及其他工業、軍事、醫療和消費品中得到廣泛的使用。
即使計算能量效率隨著時間在改進，所有類型的電腦所用的能量的總量也在增加。因此，需要更高的能量效率。改進微電子器件的能量效率的大多數努力一直在晶片和電晶體級別上，包括對於電晶體柵極寬度的改進。然而，這些方法是有限的，其他方法對於提高器件密度和處理能力以及降低功耗和發熱是必需的。
可以受益於以上改進的一個領域是在開關式感應器功率轉換器件中。這些器件可能是具有挑戰性的，因為根據歐姆定律：Ploss=I2R，功率損 耗隨著電流增大而增大，其中Ploss是導線和電路跡線的長度上的功率損耗，I是電流，R是導線和電路跡線的長度上的固有電阻。照此，為了提高總體性能，已經認識到在本領域中需要在晶片級別上大規模集成緊湊的、密集的電部件，諸如用於與互補金屬氧化物半導體(CMOS)的製作一起使用。
隨著非常小的面積中消耗大量電力的高度集成的電子系統的開發，對於使得能夠對未來的集成系統改進能量效率和功率管理的新技術的需要出現。集成功率轉換是有前途的潛在的解決方案，因為功率可以在更高電壓電平和更低電流電平下被遞送到積體電路。也就是說，集成功率轉換使得降壓電壓轉換器可以鄰近電晶體元件設置。
不幸的是，能夠高效地傳載大電流電平以用於開關式感應器功率轉換的實際的集成感應器是不可獲得的。具體地說，其特徵在於高電感(例如，大於1nH)、低電阻(例如，小於1歐姆)、高最大額定電流(例如，大於100mA)以及高頻率回應(由此，對於一直到10MHz的交流(AC)輸入信號，幾乎很少或沒有電感減小)的感應器使用目前的技術是難以獲得的或不切實際的。
此外，所有這些屬性都必須在小面積(通常小於1mm2)中，以整體地或通過3D或2.5D晶片堆疊的CMOS集成所需的形式被經濟地實現。因此，為了實現具有高能量效率和低感應器電流紋波(其在轉換器的輸出電壓中引起週期性雜訊，被稱為輸出電壓紋波)的集成功率轉換，具有前述性質的感應器是必需的。
因此，需要將被用於大規模CMOS集成中的高品質感應器，以提供用於推動包括高度細粒化的動態電壓和頻率縮放及增強的能量效率的系統的平臺。
高磁導率、低矯頑性材料的使用通常是實現小規模上的期望的感應器性質所需的。在電磁學中，磁導率是材料支持它自己內的磁場的形成的能力的度量。換句話說，它是材料回應於施加的磁場而獲得的磁化的程度。高磁導率表示對於施加的小磁場實現高級別的磁化的材料。
矯頑性(也被稱為矯頑場或力)是鐵磁體或鐵磁材料分別承受外部磁場或電場的能力的度量。矯頑性是在施加的磁場和磁化之間的關係中觀察到的磁滯的度量。矯頑性被定義為在樣品的磁化已經到達飽和之後將磁化減小到零所必需施加的磁場強度。因此，矯頑性測量鐵磁材料變為消磁的電阻。具有高矯頑性的鐵磁材料被稱為硬磁材料，並且被用來生成永久磁鐵。表現出高磁導率和低矯頑性的鐵磁材料被稱為軟磁材料，並且通常被用來提高感應器的電感。
矯頑性是通過測量在施加的磁場和磁化之間的關係中觀察到的磁滯回線的寬度而確定的。磁滯是系統不僅對其當前環境、而且還對其過去的環境的依賴性。該依賴性是因為所述系統可以處於多於一種的內部狀態而出現的。當外部磁場被施加于諸如鐵的鐵磁體時，原子偶極使它們自己與該鐵磁體對齊。即使當場被移除時，對齊的一部分也將被保留：所述材料變得磁化。一旦被磁化，磁鐵就將無限期地保持磁化。為了消磁，它需要熱量或相反方向的磁場。
高品質感應器通常由高磁導率、低矯頑性材料製成。然而，高磁導率材料在被大直流(DC)磁場偏置時趨向於飽和。磁飽和可能具有不利的影響，因為它導致磁導率降低，因此電感減小。
本文中所描述的示例實施方案具有創新的特徵，其中沒有一個是不可或缺的或單獨地負責它們的滿足需要的屬性。以下描述和附圖詳細地闡述了本公開的某些說明性實現，這些實現指示可以實現本公開的各種原理的幾種示例性方式。然而，說明性實施例不是本公開的許多可能的實施方案的詳盡的描述。在不限制權利要求的範圍的情況下，有利的特徵中的一些現在將被概括。當結合意圖圖示說明、而非限制本發明的附圖考慮本公開的以下詳細描述時，本公開的其他目的、優點和新穎的特徵將在本公開的以下詳細描述中被闡述。
本發明的一方面是針對一種用於製造垂直層疊的鐵磁芯的方法，所述方法包括：在基板的第一面上或上方沉積導電種子層；在基板的第二面上或上方沉積掩蔽層，第一面和第二面在基板的相對側；在掩蔽層中形成圖案；基於掩蔽層中的圖案將對基板從第二面到第一面進行乾式蝕刻以暴露導電種子層的部分；並且將鐵磁材料沉積到導電種子層的暴露的部分上以形成垂直定向的鐵磁層。
在一個或更多個實施方案中，基板包括裸矽基板或絕緣體上矽(SOI)基板，所述SOI基板包括在裸矽基板上的SiO2和/或SixNy層。在一個或更多個實施方案中，對基板進行蝕刻包括對基板進行深度反應離子蝕刻。在一個或更多個實施方案中，掩蔽層包括光刻膠。在一個或更多個實施方案中，掩蔽層中的圖案是通過光刻法形成的。
在一個或更多個實施方案中，掩蔽層包括SiO2或SixNy，並且所述方法還包括在掩蔽層上沉積光刻膠。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括通過光刻法在光刻膠中形成第一圖案。在一個或更多個實施方案中，所 述方法還包括基於第一圖案在掩蔽層中蝕刻第二圖案。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括基於掩蔽層中的第二圖案對基板進行蝕刻。
在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層具有大約5nm至大約50μm的寬度，所述寬度是相對於與基板的第一面所限定的平面平行的寬度軸確定的。在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層具有大約100μm至大約800μm的高度，所述高度是相對於與基板的第一面所限定的平面正交的高度軸確定的。在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層的高度與基板的高度是相同的。
在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括電沉積鐵磁材料。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在電沉積步驟期間施加磁場，所述磁場平行於參考軸通過基板，所述參考軸與基板的第一面所限定的平面正交。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在鐵磁材料中誘導易磁化軸，所述易磁化軸平行於參考軸。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在鐵磁材料中誘導硬磁化軸，所述硬磁化軸與易磁化軸正交。
在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括用溶劑、濕式蝕刻或乾式蝕刻移除掩蔽層。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括用濕式蝕刻或乾式蝕刻移除導電種子層。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在基板的第一面和第二面上沉積鈍化層。在一個或更多個實施方案中，掩蔽層中的圖案包括同心圓，鐵磁材料根據圖案沉積在導電種子層的部分上。
本發明的另一方面是針對一種用於製造具有垂直層疊的鐵磁芯的感應器的方法，所述方法包括：在基板的第一面上或上方沉積導電種子層；在基板的第二面上或上方沉積掩蔽層，第一面和第二面在基板的相對側；在掩蔽層中形成圖案；基於掩蔽層中的圖案對基板從第二面到第一面進行乾式蝕刻以暴露導電種子層的部分；將鐵磁材料沉積到導電種子層的暴露的部分上以形 成垂直定向的鐵磁層，從而形成垂直層疊的鐵磁芯；移除導電種子層以暴露基板的第一面；移除掩蔽層以暴露基板的第二面；並且圍繞垂直層疊的鐵磁芯形成導電線圈。
在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在移除導電種子層和掩蔽層之後，分別在基板的第一面和第二面上沉積第一鈍化層和第二鈍化層。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括分別在第一鈍化層和第二鈍化層中形成第一導線段和第二導線段。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在基板中形成第一VIA和第二VIA，每個VIA電耦合第一導線段和第二導線段。
在一個或更多個實施方案中，基板是芯基板，並且所述方法還包括在移除導電種子層和掩蔽層之後，分別將第一基板和第二基板附連到芯基板的第一面和第二面。
在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括分別在第一基板和第二基板中形成第一導線段和第二導線段。在一個或更多個實施方案中，所述方法還包括在芯基板中形成第一VIA和第二VIA，每個VIA電耦合第一導線段和第二導線段。
本發明的又一方面是針對一種垂直層疊的鐵磁芯，所述鐵磁芯包括：具有相對的第一面和第二面的基板，所述基板包括從第一面延伸到第二面的圖案化空隙，其中基板材料被設置在相鄰的圖案化空隙之間；以及鐵磁材料，所述鐵磁材料被設置在圖案化空隙中以形成垂直定向的鐵磁層。
在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層具有大約5nm至大約50μm的寬度，所述寬度是相對於與基板的第一面所限定的平面平行的寬度軸確定的。在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層具有大約100μm至大約800μm的高度，所述高度是相對於與基板的第一面所限定的平面 正交的高度軸確定的。在一個或更多個實施方案中，每個垂直定向的鐵磁層具有大約2：1至大約160,000：1的範圍內的縱橫比，所述縱橫比是通過將高度除以寬度而確定的。
本發明的另一方面是針對一種包括垂直層疊的鐵磁芯的感應器，所述感應器包括：具有相對的第一面和第二面的基板，所述基板包括從第一面延伸到第二面的圖案化空隙，其中基板材料被設置在相鄰的圖案化空隙之間；鐵磁材料，所述鐵磁材料被設置在圖案化空隙中以在垂直層疊的鐵磁芯中形成垂直定向的鐵磁層；以及導電線圈，所述導電線圈被圍繞垂直層疊的鐵磁芯設置。
在一個或更多個實施方案中，所述感應器還包括分別設置在基板的第一面和第二面上的第一絕緣材料層和第二絕緣材料層。在一個或更多個實施方案中，所述感應器還包括分別形成在第一絕緣材料層和第二絕緣材料層中的第一金屬導線段和第二金屬導線段。在一個或更多個實施方案中，所述感應器還包括形成在基板中的第一VIA和第二VIA，所述垂直定向的鐵磁層被設置在第一VIA和第二VIA之間。在一個或更多個實施方案中，第一VIA和第二VIA每個被電耦合到第一金屬導線段和第二金屬導線段以形成導電線圈。在一個或更多個實施方案中，第一絕緣材料層和第二絕緣材料層分別包括第一鈍化層和第二鈍化層。在一個或更多個實施方案中，所述基板是芯基板，並且第一絕緣材料層和第二絕緣材料層分別包括第一基板和第二基板。
10:器件
30:結構
40:結構
50:結構
60:結構
70:結構
80:結構
90:結構
100:薄膜磁感應器
110:磁芯
120:感應器線圈
130:鐵磁層
140:基板
141:第一面
142:第二面
144:基板層
150:參考平面
155:中心軸
160、160A、160B:垂直互連通路
170、170A、170B:導線段
180:結構
300:基板
301:第一面
302:第二面
310:導電種子層
320:掩蔽層
322:限定空隙
325:光刻膠層
328:空隙
330:鐵磁層
340:基板層
350:絕緣層
1000:結構
1100:結構
1200:結構
1210:水準軸
1220:垂直軸
1300:結構
1600:結構
1700:設備
1710:電沉積槽
1720:電鍍溶液
1730:基板
1732:導電種子層
1734:空隙或孔
1735:支柱或檯面
1740:電鍍陰極
1741:第一面
1742:第二面
1745:陽極
1750:磁場
1760:第一磁線圈
1770:第二磁線圈
1780:鐵磁材料
1845:參考軸
1910:易磁化軸
1950:磁場線
2001-2004:圖案
17920:硬磁化軸
為了更充分地理解本構思的性質和優點，結合附圖參照優選實施方案的以下詳細描述。
圖1是包括根據一個或更多個實施方案的具有垂直層疊的磁芯和感應器線圈的薄膜磁感應器的器件的截面圖。
圖2是用於製造根據一個或更多個實施方案的包括垂直定向的層疊的鐵磁芯的感應器的方法的流程圖。
圖3A和3B分別圖示說明在圖2的流程圖的第一個步驟中形成的結構30的截面圖和頂視圖。
圖4A和4B分別圖示說明在圖2的流程圖的另一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖5A和5B分別圖示說明在圖2的流程圖的又一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖6A和6B分別圖示說明在圖2的流程圖的另一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖7A和7B分別圖示說明在圖2的流程圖的又一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖8A和8B分別圖示說明在圖2的流程圖的另一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖9A和9B分別圖示說明在圖2的流程圖的又一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖10A和10B分別圖示說明在圖2的流程圖的另一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖11A和11B分別圖示說明在圖2的流程圖的又一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖12A和12B分別圖示說明在圖2的流程圖的另一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖13A和13B分別圖示說明在圖2的流程圖的又一個步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖14是用於製造根據一個或更多個實施方案的包括垂直層疊的磁芯的器件的方法的流程圖。
圖15是用於製造根據一個或更多個可替換實施方案的包括垂直層疊的磁芯的器件的方法的流程圖。
圖16A和16B分別圖示說明在圖14或圖15所示的流程圖的步驟中形成的結構的截面圖和頂視圖。
圖17是根據一個或更多個實施方案的用於在存在磁場時電沉積鐵磁材料的設備的側視圖。
圖18是磁場相對於圖17所示的基板和圖案化空隙或孔的取向的詳細視圖。
圖19是根據一個或更多個實施方案的在電沉積期間在鐵磁材料中誘導的易磁化軸和硬磁化軸的取向的詳細視圖。
圖20A、20B、20C和20D是根據一個或更多個實施方案的電沉積的垂直層疊的鐵磁材料的各種圖案的頂視圖。
垂直層疊的磁芯被形成在半導體基板中。導電種子層被沉積在基板的第一面上，並且掩蔽層被沉積在基板的第二面上。基板的第一面和第二面在基板的相對側。接著，孔或空隙的第一圖案被形成在掩蔽層中。圖案化的掩蔽層然後被用來在底層基板中形成孔或空隙的第二圖案，第二圖案與第一圖案相匹配或相對應。第二圖案中的孔或空隙從基板的第二面延伸到第一面以根據第二圖案暴露導電種子層的部分。鐵磁材料然後被電沉積到導電種子層的暴露的部分上以在基板的芯部分中形成垂直定向的鐵磁層。導電種子層和圖案化的掩蔽層被移除以使得只有包括垂直層疊的磁芯的基板保留。
垂直層疊的磁芯可以包括包含磁芯的器件(諸如感應器、功率轉換器、變壓器或其他器件)的一部分。例如，導電線圈可以繞垂直層疊的磁芯纏繞。導電線圈可以由金屬導線段和垂直互連通路(VIA)分段形成。第一金屬導線段和第二金屬導線段可以被形成在沉積於基板的第一面和第二面上的第一鈍化層和第二鈍化層中。可替換地，第一金屬導線段和第二金屬導線段可以被形成在被附連到芯基板的第一面和第二面的第一基板和第二基板中。第一VIA和第二VIA可以被形成在基板中，每個VIA電耦合第一導線段和第二導線段。
圖1是包括根據一個或更多個實施方案的具有垂直層疊的磁芯110和感應器線圈120的薄膜磁感應器100的器件10的截面圖。
磁芯110包括形成在基板140中的多個鐵磁層130。鐵磁層130相對於基板140的相對的第一面141和第二面142垂直定向，第一面141和第二面142每個平行于或基本上平行於彼此(例如，在任何維度上在大約1°或大約2°內平行)，並且平行於參考平面150。例如，鐵磁層在與參考平面150的“x”方向和“y”方向正交的“z”方向上延伸。如本文中所使用的，“大約”意指加上或減去相關值的10%。鐵磁層130包括鐵磁材料，諸如Co、Ni和/或Fe，包括NixFey或CoxNiyFe。另外， 或者在可替換方案中，鐵磁層130可以包括Co、Ni和/或Fe的氧化物，分別地，諸如CoxOy、NixOy和/或FexOy。在一些實施方案中，鐵磁層130可以具有通過施加外部磁場而永久地或半永久地誘導的易磁化軸和/或硬磁化軸。外部磁場可以在鐵磁材料沉積期間和/或在鐵磁材料被沉積之後的退火期間被施加。
基板140包括半導體材料，諸如矽(Si)、絕緣體上矽(SOI)、碳化矽(SiC)、III-V族半導體材料(例如，氮化鎵(GaN)、砷化鎵(GaAs)、磷酸鎵(GaP)和/或另一III-V族半導體材料)、鍺矽(SiGe)、II-VI半導體材料(例如，CdSe、CdTe、CdHgTe、ZnS和/或另一II-VI族半導體材料)。SOI中的絕緣體可以包括一層或更多層SiO2和/或SixNy。在一個實施例中，基板140是或包括裸Si晶圓。在另一個實施例中，基板140是或包括SOI晶圓。在其他實施例中，基板140是或包括包含前述材料中的一種或更多種的晶圓。
鐵磁層130被基板材料包圍以使得每個鐵磁層130被設置在相鄰的基板層144之間。在z方向上延伸的基板層144是當鐵磁層130被形成在基板140中時限定的。交替的鐵磁層130和基板層144形成垂直層疊的磁芯110。
感應器線圈120沿著中心軸155以大體螺旋形的方式捲繞在磁芯110上，中心軸155在y方向上延伸通過磁芯110的中心。隨著感應器線圈120產生的磁場根據感應器線圈120的捲繞方向和流過感應器線圈120的電流流動方向進入或離開頁面，感應器線圈120產生的磁場行進通過磁芯110。
感應器線圈120由垂直互連通路(VIA)160A、160B(統稱為VIA 160)和導線段170A、170B(統稱為導線段170)分段形成。導線段170與不同的金屬佈線級有關，並且VIA 160互連每個金屬佈線級上的導線段170。VIA 160和導線段170由諸如金屬的導電材料形成。例如，所述金屬可以包括銅、鋁、金和/或另一金屬、或前述金屬中的任何一個的合金或化合物。
VIA 160被形成在穿過基板140的孔中。每個導線段170被形成基板140的對應的面141、142上的絕緣結構180中。在一個實施例中，每個結構180包括沉積在基板140的對應的面141、142上的鈍化層。可替換地，每個結構180可以包括可以被附連到基板140的對應的面141、142的對應的其他基板。在另一個實施方案中，結構180中的一個包括鈍化層，並且另一個結構180包括另一個基板。
圖2是用於製造根據一個或更多個實施方案的包括垂直定向的層疊的鐵磁芯的感應器的方法的流程圖20。流程圖20的方法可以被用來製造器件10。
在步驟200中，在平面基板的第一面上或上方沉積導電種子層。導電種子層可以包括金屬(諸如銅、鋁、金、銀、錫、鎳和/或另一金屬)、或前述金屬中的任何一個的合金或化合物。平面基板可以與基板140相同，並且平面基板的第一面可以對應於基板140的第一面141。在其他實施方案中，平面基板的第一面可以對應於基板140的第二面142。
圖3A和3B分別圖示說明在步驟200中形成的結構30的截面圖和頂視圖。結構30包括設置在基板300的第一面上的導電種子層310。如以上所討論的，在一些實施方案中，導電種子層310被設置在本身設置於基板300的第一面上的平面表面(諸如多級佈線結構的暴露的部分)上。因此，導電種子層310可以被直接地或間接地沉積在基板300的第一面上。
在步驟210中，在平面基板的第二面上或上方沉積掩蔽層。第一面和第二面在平面基板的相對側。平面基板的第二面可以對應於基板140的第二面142。在其他實施方案中，平面基板的第二面可以對應於基板140的第二面142。掩蔽層可以包括光可成像聚合物(例如，光刻膠)層或Si基材料(諸如SiO2或SiNy)。光刻膠的實施例是可從MicroChem Corp購得的MICROPOSIT® S1800TM系列。光刻膠可以通過旋塗工藝來沉積。Si基材料(諸如SiO2或SiNy)可以通過化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD或其他沉積方法來熱生長或沉積在基板上。
圖4A和4B分別圖示說明在步驟210中形成的結構40的截面圖和頂視圖。結構40包括沉積在基板300的第一面301上的導電種子層310以及沉積在基板300的第二面302上的掩蔽層320。圖4A和4B所示的基板300被相對於圖3A和3B所示的基板300旋轉180°以使得掩蔽層320可以被沉積在基板300的第二面302上。如以上所討論的，在一些實施方案中，掩蔽層320被沉積在本身設置於基板300的第二面302上的平面表面(諸如多級佈線結構的暴露的部分)上。因此，掩蔽層320可以被直接或間接沉積在基板300的第二面302上。
在步驟220中，在掩蔽層中形成圖案。當掩蔽層是光刻膠時，步驟220包括暴露的或未暴露的光刻膠(取決於光刻膠是正性的、還是負性的)的光刻和移除以形成圖案化的光刻膠層。
圖5A和5B分別圖示說明在步驟220中形成的結構50的截面圖和頂視圖。結構50與結構40是相同的，除了在結構50中，掩蔽層320被圖案化為限定空隙322之外。如圖5B所示，空隙322使底層基板300暴露。
當掩蔽層不包括光刻膠(例如，掩蔽層包括Si基材料)時，流程圖從步驟210繼續進行到步驟230，在步驟230中，在掩蔽層上沉積光刻膠。在步驟232中，在光刻膠層中形成圖案。步驟232可以與步驟220相同、基本上相同或不同。在步驟234中，在掩蔽層中形成圖案。掩蔽層中的圖案可以使用光刻膠中的圖案通過濕式或乾式蝕刻工藝來形成。在步驟236(經由位元標A)中，移除光刻膠(例如，使用溶劑或等離子體)。
圖6A和6B分別圖示說明在步驟230中形成的結構60的截面圖和頂視圖。結構60與結構40相同，除了在結構60中，光刻膠層325被沉積在掩蔽層320 上之外。當掩蔽層320不包括光刻膠(例如，掩蔽層320包括Si基材料)時，光刻膠層325可以被用來在掩蔽層320中限定特徵。
圖7A和7B分別圖示說明在步驟232中形成的結構70的截面圖和頂視圖。結構70與結構60相同，除了在結構70中，光刻膠層325被圖案化以限定空隙328之外。如圖7B所示，空隙328使底層掩蔽層320暴露。
圖8A和8B分別圖示說明在步驟234中形成的結構80的截面圖和頂視圖。結構80與結構70相同，除了如圖8B所示，在結構80中，掩蔽層320被蝕刻以使得空隙328延伸通過掩蔽層320以使底層基板300暴露之外。
圖8A和8B分別圖示說明在步驟234中形成的結構80的截面圖和頂視圖。結構80與結構70相同，除了如圖8B所示，在結構80中，掩蔽層320被蝕刻以使得空隙328延伸通過掩蔽層320以使底層基板300暴露之外。
圖9A和9B分別圖示說明在步驟236中形成的結構90的截面圖和頂視圖。結構90與結構80相同，除了在結構90中，光刻膠層325被移除之外。另外，結構90與結構50相同，除了在結構90中，掩蔽層320是Si基材料，而在結構50中，掩蔽層320是光刻膠之外。
在掩蔽層於步驟220或234中被圖案化或蝕刻之後，流程圖20繼續進行到步驟240(經由位元標A)。在步驟240中，基於掩蔽層中形成的圖案來對基板從其第一面到其第二面進行乾式蝕刻以使導電種子層的部分暴露。蝕刻可以用乾式蝕刻工藝(諸如深度反應離子蝕刻(DRIE))來執行以創建穿過基板的垂直空隙或孔。在一些實施方案中，空隙或孔可以具有2：1一直到160,000：1的縱橫比(特徵高度對特徵寬度)。濕式蝕刻工藝可以被用來實現小於5：1的縱橫比。
圖10A和10B分別圖示說明在步驟240中形成的結構1000的截面圖和頂視圖。結構1000與結構50和90相同，除了在結構1000中，空隙328或孔從第 二面302到第一面301延伸通過掩蔽層320和基板300以使導電種子層310的部分暴露之外。
在步驟250中，移除或剝除掩蔽層320。掩蔽層可以在電鍍之前或之後、在不影響所述工藝或最後器件製作的情況下被剝除。當掩蔽層320包括光刻膠時，掩蔽層320可以使用溶劑、濕式蝕刻和/或乾式蝕刻來移除。當掩蔽層320包括Si基材料時，掩蔽層320可以用濕式蝕刻或乾式蝕刻來移除。
圖11A和11B分別圖示說明在步驟250中形成的結構1200的截面圖和頂視圖。結構1100與結構1000相同，除了掩蔽層320已經被移除之外。
在步驟260中，將鐵磁材料沉積到導電種子層的暴露的部分上(例如，經由電鍍)。鐵磁材料可以填充平面基板中的空隙或孔以及可選地掩蔽層中的對應的空隙或孔。在步驟260中沉積的鐵磁材料可以包括與上述鐵磁層130中的鐵磁材料相同的鐵磁材料(一種或更多種)。在一些實施方案中，鐵磁材料可以被沉積大約100μm至大約800μm的厚度範圍(例如，在與基板300的第一面301和第二面302正交的“z”方向上)。
在可選的步驟270中，在步驟260期間施加磁場。磁場被定向為在平行於(或基本上平行於)空隙/孔328並且與基板300的第一面301和第二面302所限定的平面正交(或基本上正交(例如，在大約1°至大約5°內正交))的方向上通過基板300。磁場在沉積的鐵磁材料中誘導平行於(或基本上平行於)磁場的易磁化軸。易磁化軸的誘導在沉積的鐵磁材料中、在與易磁化軸正交(或基本上正交)的方向上進一步誘導硬磁化軸。
圖12A和12B分別圖示說明在步驟260中形成的結構1100的截面圖和頂視圖。結構1200與結構1100相同，除了在結構1200中，空隙328或孔被填充鐵磁材料以形成垂直定向的鐵磁層330之外。垂直定向的鐵磁層330可以具有相對于平行於垂直定向的鐵磁層300和基板材料疊層延伸的水準軸1210測得的、大 約5nm至大約50μm的寬度，所述寬度包括大約500nm、大約1,000nm、大約2,500nm、大約5,000nm、大約10,000nm、大約15,000nm、大約20,000nm、大約25,000nm、大約30,000nm、大約35,000nm、大約40,000nm、大約45,000nm，包括前述寬度中的任何兩個之間的任何範圍或寬度。垂直定向的鐵磁層330可以具有相同的寬度或不同的寬度。水準軸1210還平行於基板300的第一面301和/或第二面302所限定的平面。在一些實施方案中，具有大約5nm至大約50μm的範圍內的寬度的垂直定向的鐵磁層330一般可以根據固有的鐵磁材料的電阻率抑制大約1MHz至大約10GHz的頻帶中的渦流。
另外，垂直定向的鐵磁層330可以具有相對於垂直軸1220(其與水準軸1210以及基板300的第一面301和第二面302所限定的平面正交)測得的、大約100μm至大約800μm的高度。垂直定向的鐵磁層330的高度與基板300的高度相同或大致相同。因此，垂直定向的鐵磁層330可以具有大約2：1至大約160,000：1的縱橫比(高度：寬度)範圍。
在步驟280中，移除導電種子層310以使基板300的第一面301暴露。導電種子層310可以使用濕式蝕刻或乾式蝕刻來移除。
圖13A和13B分別圖示說明在步驟280中形成的結構1300的截面圖和頂視圖。結構1300與結構1200相同，除了導電種子層310已經被移除之外。結構1300包括垂直定向的鐵磁層330，鐵磁層330被基板材料包圍以形成具有交替的垂直定向的鐵磁層330和基板層340的垂直層疊的結構。垂直層疊的結構可以用作用於感應器、變壓器或包括磁芯的其他電部件的垂直層疊的磁芯。
圖14是用於製造根據一個或更多個實施方案的包括垂直層疊的磁芯的器件的方法的流程圖1400。在步驟1401中，形成垂直層疊的磁芯(例如，結構1300)。垂直層疊的磁芯可以通過使用流程圖20中的一些或所有步驟來形成。在步驟1410中，在垂直層疊的磁芯的相對的第一面和第二面(例如，基板 300的相對的第一面301和第二面302)上沉積鈍化層。鈍化層可以包括SiO2、SixNy和/或其他材料。鈍化層(諸如SiO2或SixNy)可以通過化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強CVD或其他沉積方法來熱生長或沉積。鈍化可以具有大約100nm至大約1μm的厚度範圍。
在步驟1420中，圍繞垂直層疊的芯形成導電繞組。導電繞組可以使用已知的半導體工藝(諸如形成佈線級和VIA的導電材料的物理氣相沉積和電沉積)來製作。導電繞組的一些部分可以在步驟1410之間形成。例如，VIA可以在鈍化層於步驟1410中被沉積之前被形成在基板中。
在一些實施方案中，導電繞組被形成在多級佈線結構的一部分中。例如，佈線級中的一個或兩個可以包括多級佈線結構的一部分。形成在多級佈線結構中的導電繞組的實施例在2012年9月11日遞交的、標題為“與多級佈線網路集成的磁芯感應器(Magnetic Core Inductor Integrated with Multilevel Wiring Network)”的美國專利申請No.13/609,391中被描述，該美國專利申請通過引用併入本文。
作為流程圖1400的結果而形成的器件可以與器件10相同或不同。
圖15是用於製造根據一個或更多個可替換實施方案的包括垂直層疊的磁芯的器件的方法的流程圖1500。流程圖1500與流程圖1400相同，除了在流程圖1500中，第一基板和第二基板在步驟1510中分別被附連到基板的相對的第一面和第二面(例如，基板300的第一面301和第二面302)之外。每個基板可以與基板140、300相同或不同。因此，基本可以被用來代替鈍化層形成用於在步驟1420中形成的導電繞組的布線段。
圖16A和16B分別圖示說明在步驟1410或1510中形成的結構1600的截面圖和頂視圖。結構1600與結構1300相同，除了絕緣層350被沉積在基板300的第一面301和第二面302上之外。絕緣層350可以對應於沉積在基板300上的鈍 化層或附連到基板300的附加基板。在一些實施方案中，鈍化層可以被沉積在基板300的第一面301上(或第二面302上)，並且附加基板可以被附連到基板300的第二面302(或第一面301)。
圖17是根據一個或更多個實施方案的用於在存在磁場時電沉積鐵磁材料的設備1700的側視圖。設備1700包括電沉積槽1710，電沉積槽1710容納包含鐵磁材料的前體電解或電鍍溶液1720。基板1730被設置在槽1710中的電鍍陰極1740上。沉積在基板1730上的導電種子層1732提供陰極1740和電鍍溶液1720之間的電接觸。在沉積開始之前，基板1730可以與結構1100相同或不同。
陽極1745與槽1710中的電鍍溶液1720電接觸。在沉積期間，電流被施加於陽極1745，陽極1745使電鍍溶液1720中的鐵磁材料在陰極1740處電沉積在基板1730上。此外，在沉積期間，第一磁線圈1760和第二磁線圈1770產生磁場1750(如虛線所示)。磁場1750與基板1730的主平面表面正交(或基本上正交)(例如，與基板300的第一面301和第二面302正交)。磁場1750還平行於(或基本上平行於)基板1730中限定的垂直空隙或孔1734。
磁線圈1760、1770可以是電磁鐵，諸如由DC電源供應器供電的Helmholtz線圈。這樣的Helmholtz線圈可以生成橫向於限定基板1730的表面的平面的均勻的或基本上均勻的磁場。Helmholtz線圈產生的磁場可以為大約10Oe至大約100Oe、大約25Oe、大約50Oe、大約75Oe、或前述值中的任何兩個之間的任何值或範圍。可替換地，磁線圈1760、1770可以是永久磁鐵，這些永久磁鐵可以產生大約20Oe至大約10,000Oe、大約2,500Oe、大約5,000Oe、大約7,500Oe或前述值中的任何兩個之間的任何值或範圍的磁場。磁線圈1760、1770產生的磁場1750在電沉積的鐵磁材料中誘導平行於(或基本上平行於)磁場線1750的易磁化軸。易磁化軸的誘導進一步在與易磁化軸的方向基本上正交的方向上誘導硬磁化軸。
基板1730在使用設備1700電鍍之前可以與結構1100相同，並且基板1730在使用設備1700電鍍之後可以與結構1200相同。
圖18是磁場1750相對於基板1730和圖案化空隙或孔1734的取向的詳細視圖。如所示，磁場線1750與基板1730的第一面1741和第二面1742正交(或基本上正交)。磁場線1750還平行於(或基本上平行於)基板材料的垂直支柱或檯面1735，基板材料的垂直支柱或檯面1735從導電種子層1732、沿著參考軸1845延伸，參考軸1845與基板1730的第一面1741和第二面1742正交。另外，磁場線1950平行於(或基本上平行於)空隙或孔1734的長度以及當鐵磁材料1780形成垂直定向的鐵磁層時鐵磁材料1780的沉積方向。
圖19是根據一個或更多個實施方案的在電沉積期間在鐵磁材料中誘導的易磁化軸和硬磁化軸的取向的詳細視圖。如所示，磁場1750在電沉積的鐵磁材料1780中誘導與通過其的磁場1750對齊且平行(或基本上平行)的易磁化軸1910。使易磁化軸1910與磁場1750對齊在電沉積的鐵磁材料1780中、在與易磁化軸1910正交(或基本上正交)的方向上(例如，離開圖19中的頁面)誘導硬磁化軸17920。
注意，儘管基板材料的支柱/檯面1735在圖17-19中被圖示為水準的，但是其他取向是可能的，前提條件是，如上所述，磁線圈1760、1770被配置為產生平行於(或基本上平行于)支柱/檯面1735和空隙或孔1734的磁場。例如，設備1700和基板1730可以被逆時針旋轉90度以使得基板1730是水準的並且支柱/檯面是垂直的。將設備1700逆時針旋轉90度將使磁線圈1760低於槽1710並且使磁線圈1770高於槽1710。磁場1750、基板1730、支柱/檯面1735和空隙/孔1734的相對取向將保持相同，其中磁場1750與基板1730的第一面1741和第二面1742正交(或基本上正交)。磁場線1750也將保持平行於(或基本上平行於)基板材料的支柱/檯面1735和空隙/孔1734。
圖20A、20B、20C和20D是根據一個或更多個實施方案的電沉積的垂直層疊的鐵磁材料的各種圖案2001-2004的頂視圖。圖案2001-2004是通過在掩蔽層中限定對應的圖案並且根據圖案化的掩蔽層對基板進行蝕刻以使導電種子層的部分暴露而形成的。如上所述，鐵磁材料然後被電沉積在導電種子的所述部分上。圖案2001包括多個(例如，三個)同心圓，其中相鄰的同心圓被基板材料分離以分離垂直疊層。圖案2002包括多個(例如，四個)矩形形狀，這些矩形形狀可以具有正方形或圓形拐角。相鄰的矩形形狀被基板材料分離以分離垂直疊層。圖案2003是雙芯，每個芯包括被基板材料分離以分離垂直疊層的條帶或支柱。圖案2004是雙芯，每個芯包括在基板的平面的x軸和y軸兩個軸上被基板材料分離以分離垂直疊層並且在基板的相鄰的條帶或支柱之間提供機械支撐的條帶或支柱。圖案2001-2004是用於在掩蔽材料中可以形成的垂直疊層的不同圖案的實施例。其他實施例是可能的。
本發明不應被認為限於上述特定實施方案，而是相反，應被理解為涵蓋如所附權利要求中公正闡述的本發明的所有的方面。各種修改、等同處理以及本發明可以適用的許多結構對於本發明所針對的領域的技術人員來說在審閱本公開時將是顯而易見的。權利要求意圖涵蓋這樣的修改和等同。
10:器件
100:薄膜磁感應器
110:磁芯
120:感應器線圈
130:鐵磁層
140:基板
141:第一面
142:第二面
144:基板層
150:參考平面
155:中心軸
160A、160B:垂直互連通路
170A、1701B:導線段
180:結構

Claims (38)

  1. 一種用於製造垂直層疊的鐵磁芯的方法，所述方法包括： 在基板的第一面上或上方沉積導電種子層； 在所述基板的第二面上或上方沉積掩蔽層，所述第一面和所述第二面在所述基板的相對側； 在所述掩蔽層中形成圖案； 基於所述掩蔽層中的所述圖案對所述基板從所述第二面到所述第一面進行乾式蝕刻以暴露所述導電種子層的部分；以及 將鐵磁材料沉積到所述導電種子層的暴露的部分上以形成垂直定向的鐵磁層。
  2. 如請求項1所述之方法，其中所述基板包括裸矽基板或絕緣體上矽（SOI）基板，所述SOI基板包括在所述裸矽基板上的SiO2 和/或Six Ny 層。
  3. 如請求項1所述之方法，其中對所述基板進行蝕刻包括對所述基板進行深度反應離子蝕刻。
  4. 如請求項1所述之方法，其中所述掩蔽層包括光刻膠。
  5. 如請求項4所述之方法，其中所述掩蔽層中的所述圖案是通過光刻法形成的。
  6. 如請求項1所述之方法，其中所述掩蔽層包括SiO2 或Six Ny ，並且所述方法還包括在所述掩蔽層上沉積光刻膠。
  7. 如請求項6所述之方法，還包括通過光刻法在所述光刻膠中形成第一圖案。
  8. 如請求項7所述之方法，還包括基於所述第一圖案在所述掩蔽層中蝕刻第二圖案。
  9. 如請求項8所述之方法，還包括基於所述掩蔽層中的所述第二圖案對所述基板進行蝕刻。
  10. 如請求項1所述之方法，其中每個垂直定向的鐵磁層具有大約5 nm至大約50 μm的寬度，所述寬度是相對於與所述基板的所述第一面所限定的平面平行的寬度軸確定的。
  11. 如請求項10所述之方法，其中每個垂直定向的鐵磁層具有大約100 μm至大約800 μm的高度，所述高度是相對於與所述基板的所述第一面所限定的平面正交的高度軸確定的。
  12. 如請求項11所述之方法，其中每個垂直定向的鐵磁層的高度與所述基板的高度是相同的。
  13. 如請求項1所述之方法，還包括電沉積所述鐵磁材料。
  14. 如請求項13所述之方法，還包括在所述電沉積步驟期間施加磁場，所述磁場平行於參考軸通過所述基板，所述參考軸與所述基板的所述第一面所限定的平面正交。
  15. 如請求項14所述之方法，還包括在所述鐵磁材料中誘導易磁化軸，所述易磁化軸平行於所述參考軸。
  16. 如請求項15所述之方法，還包括在所述鐵磁材料中誘導硬磁化軸，所述硬磁化軸與所述易磁化軸正交。
  17. 如請求項1所述之方法，還包括用溶劑、濕式蝕刻或乾式蝕刻移除所述掩蔽層。
  18. 如請求項17項所述之方法，還包括用濕式蝕刻或乾式蝕刻移除所述導電種子層。
  19. 如請求項18所述之方法，還包括在所述基板的所述第一面和所述第二面上沉積鈍化層。
  20. 如請求項1所述之方法，其中所述掩蔽層中的所述圖案包括同心圓，所述鐵磁材料根據所述圖案沉積在所述導電種子層的所述部分上。
  21. 一種用於製造具有垂直層疊的鐵磁芯的感應器的方法，所述方法包括： 在基板的第一面上或上方沉積導電種子層； 在所述基板的第二面上或上方沉積掩蔽層，所述第一面和所述第二面在所述基板的相對側； 在所述掩蔽層中形成圖案； 基於所述掩蔽層中的所述圖案對所述基板從所述第二面到所述第一面進行乾式蝕刻以暴露所述導電種子層的部分； 將鐵磁材料沉積到所述導電種子層的暴露的部分上以形成垂直定向的鐵磁層，從而形成所述垂直層疊的鐵磁芯； 移除所述導電種子層以暴露所述基板的所述第一面； 移除所述掩蔽層以暴露所述基板的所述第二面；以及 圍繞所述垂直層疊的鐵磁芯形成導電線圈。
  22. 如請求項21所述之方法，還包括在移除所述導電種子層和所述掩蔽層之後，分別在所述基板的所述第一面和所述第二面上沉積第一鈍化層和第二鈍化層。
  23. 如請求項22所述之方法，還包括分別在所述第一鈍化層和所述第二鈍化層中形成第一導線段和第二導線段。
  24. 如請求項23所述之方法，還包括在所述基板中形成第一VIA和第二VIA，每個VIA電耦合所述第一導線段和所述第二導線段。
  25. 如請求項21所述之方法，其中所述基板是芯基板，並且所述方法還包括在移除所述導電種子層和所述掩蔽層之後，分別將第一基板和第二基板附連到所述芯基板的所述第一面和所述第二面。
  26. 如請求項25所述之方法，還包括分別在所述第一基板和所述第二基板中形成第一導線段和第二導線段。
  27. 如請求項26所述之方法，還包括在所述芯基板中形成第一VIA和第二VIA，每個VIA電耦合所述第一導線段和所述第二導線段。
  28. 一種垂直層疊的鐵磁芯，所述鐵磁芯包括： 具有相對的第一面和第二面的基板，所述基板包括從所述第一面延伸到所述第二面的圖案化空隙，其中基板材料被設置在相鄰的圖案化空隙之間；以及 鐵磁材料，所述鐵磁材料被設置在所述圖案化空隙中以形成垂直定向的鐵磁層。
  29. 如請求項28所述之芯，其中每個垂直定向的鐵磁層具有大約5 nm至大約50 μm的寬度，所述寬度是相對於與所述基板的所述第一面所限定的平面平行的寬度軸確定的。
  30. 如請求項29所述之芯，其中每個垂直定向的鐵磁層具有大約100 μm至大約800 μm的高度，所述高度是相對於與所述基板的所述第一面所限定的平面正交的高度軸確定的。
  31. 如請求項30所述之芯，其中每個垂直定向的鐵磁層具有大約2:1至大約160,000:1的範圍內的縱橫比，所述縱橫比是通過將所述高度除以所述寬度而確定的。
  32. 一種包括垂直層疊的鐵磁芯的感應器，所述感應器包括： 具有相對的第一面和第二面的基板，所述基板包括從所述第一面延伸到所述第二面的圖案化空隙，其中基板材料被設置在相鄰的圖案化空隙之間； 鐵磁材料，所述鐵磁材料被設置在所述圖案化空隙中以在所述垂直層疊的鐵磁芯中形成垂直定向的鐵磁層；以及 導電線圈，所述導電線圈被圍繞所述垂直層疊的鐵磁芯設置。
  33. 如請求項32所述之感應器，還包括分別設置在所述基板的所述第一面和所述第二面上的第一絕緣材料層和第二絕緣材料層。
  34. 如請求項33所述之感應器，還包括分別形成在所述第一絕緣材料層和所述第二絕緣材料層中的第一金屬導線段和第二金屬導線段。
  35. 如請求項34所述之感應器，還包括形成在所述基板中的第一VIA和第二VIA，所述垂直定向的鐵磁層被設置在所述第一VIA和所述第二VIA之間。
  36. 如請求項35所述之感應器，其中所述第一VIA和所述第二VIA每個被電耦合到所述第一金屬導線段和所述第二金屬導線段以形成所述導電線圈。
  37. 如請求項32所述之感應器，其中所述第一絕緣材料層和所述第二絕緣材料層分別包括第一鈍化層和第二鈍化層。
  38. 如請求項32所述之感應器，其中所述基板是芯基板，並且所述第一絕緣材料層和所述第二絕緣材料層分別包括第一基板和第二基板。
TW109102469A 2019-08-30 2020-01-22 具有高縱橫比的垂直疊層的磁芯 TWI740360B (zh)

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