變壓器裝置的製作方法
2023-09-12 07:45:50 2
專利名稱：變壓器裝置的製作方法
技術領域：
本發明的實施例涉及變壓器裝置(transformer arrangement)，具體而言涉及集成的變壓器裝置，且具體而言涉及用於電子電路之間的信號傳輸的變壓器裝置。
背景技術：
變壓器裝置，特別是集成的變壓器裝置，可以用於在不同電壓範圍的電子電路之間(即在具有不同參考電位且被電解耦的電子電路之間)傳輸信號或信息。需要提供一種集成的變壓器裝置，其具有小尺寸、可以以低功耗工作以及對噪聲是魯棒的。
發明內容
第一方面涉及一種包括具有第一表面和第二表面的第一半導體主體以及具有第一表面和第二表面的第二半導體主體的變壓器裝置。第一半導體主體設置在第二半導體主體上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。具有第一繞組和第二繞組的變壓器被感應地耦合。第一繞組被設置在第一半導體主體的第一表面的區域中。第二繞組被設置在第二半導體主體的第一表面的區域中。第二半導體主體包括鄰近第二繞組設置的第一孔洞(void)。第二方面涉及一種用於形成變壓器裝置的方法。第一半導體裝置被提供有包括第一表面和第二表面的第一半導體主體。第一繞組設置在第一半導體主體的第一表面的區域中。第二半導體裝置被提供有包括第一表面和第二表面的第二半導體主體。第二繞組設置在第二半導體主體的第一表面的區域中。第一孔洞在第二半導體主體中鄰近第二繞組形成。第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置之上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。第三方面涉及一種包括具有第一表面和第二表面的第一半導體主體和具有第一表面和第二表面的第二半導體主體的變壓器裝置。第一半導體主體設置在第二半導體主體上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。具有第一繞組和第二繞組的變壓器被感應地耦合。第一繞組被設置在第一半導體主體的第一表面的區域中。 第二繞組被設置在第二半導體主體的第一表面的區域中。第二半導體主體具有小於50 μ m 的厚度。第四方面涉及一種用於形成變壓器裝置的方法。第一半導體裝置被提供有包括第一表面和第二表面的第一半導體主體。第一繞組設置在第一半導體主體的第一表面的區域中。第二半導體裝置被提供有包括第一表面和第二表面的第二半導體主體。第二繞組設置在第二半導體主體的第一表面的區域中。第二半導體被減薄為小於50 μ m的厚度。第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置之上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。
現在將參照附圖解釋示例。附圖用於說明基本原理，使得僅說明理解該基本原理所必需的各方面。附圖不是按比例的。在附圖中，相同的附圖標記表示同樣的特徵。 圖1圖示了包括兩個半導體主體的變壓器裝置的第一實施例； 圖2圖示了在剖面A-A中通過圖1的半導體裝置的垂直剖面；
圖3圖示了變壓器裝置的等效電路圖4圖示了包括兩個半導體主體的變壓器裝置的另一個實施例，其中集成電路集成在所述半導體主體中；
圖5圖示了包括兩個半導體主體的變壓器裝置的另一個實施例； 圖6包括圖6A-6D，其圖示了用於生產變壓器裝置的方法的實施例；以及圖7圖示了包括兩個半導體主體的變壓器裝置的另一個實施例。
具體實施例方式圖1圖示了通過根據第一實施例的變壓器裝置的垂直剖面。該變壓器裝置包括兩個半導體裝置。具有第一半導體主體10的第一半導體裝置包括彼此相對設置的第一表面 11和第二表面12。具有第二半導體主體20的第二半導體裝置包括彼此相對設置的第一表面21和第二表面22。第一半導體裝置進一步包括設置在第一半導體主體10的第一表面 11的區域中的第一繞組31，並且第二半導體裝置進一步包括設置在第二半導體主體20的第一表面21的區域中的變壓器的第二繞組32。在圖1的所示的實施例中，第一繞組31設置或集成在第一介電層13中，該第一介電層13設置在第一半導體主體10的第一表面11 之上，並且第二繞組32設置或集成在第二介電層23中，該第二介電層23設置在第二半導體主體20的第一表面21之上。然而，在介電層中實現第一和第二繞組僅僅是示例。這些繞組還可以實現在第一表面11、21下面的半導體主體10、20中。在所述變壓器裝置中，第一和第二半導體主體10、20或半導體裝置被設置在彼此之上，其中具有第二半導體主體20的第二半導體裝置設置在具有第一半導體主體10的第一半導體裝置之上。在圖1所示的實施例中，第二半導體裝置設置在第一半導體裝置上，使得第一半導體主體10的第一表面11面對第二半導體主體20的第二表面22，其中第一介電層13設置在這兩個表面11、22之間。可選地，附接層41(也被稱為晶片附著(die attach)) 設置在第一和第二半導體裝置之間。該附接層41將第二半導體裝置附接到第一半導體裝置。該附接層41包括例如膠水、焊料、粘合箔或片。也可以將第二半導體主體20接合(bond) 到第一半導體主體10。第二半導體裝置被安裝在第一半導體裝置上，使得第一和第二繞組31、32被設置為在變壓器裝置的垂直方向上彼此遠離，且在變壓器裝置的水平方向上至少部分重疊。變壓器裝置的「垂直方向」是垂直於第一和第二半導體主體10、20的表面11、12、21、22的方向，並且「水平方向」是平行於第一和第二半導體主體10、20的這些表面的方向。第一和第二繞組31、32被感應地耦合併且形成變壓器。在圖1所示的實施例中，這些繞組31、32是平面繞組，其意思是這些繞組中的每一個繞組由設置在一個平面中的螺旋形導體形成。形成第一和第二繞組31、32的導體包括導電材料，例如金屬(比如銅、鋁或鈦) 或高摻雜多晶半導體材料(比如高摻雜多晶矽)。藉助第一和第二繞組31、32之間的感應耦合，具有第一和第二繞組31、32的變壓器可以用於在連接到第一繞組31的第一電路51 (以虛線示出)與連接到第二繞組32的第二電路52 (以虛線示出)之間傳輸數據。這些電路中的一個電路被實現為發送器(發射器)電路，而另一個電路被實現為接收器電路。應當注意， 這些電路中的每一個可以具有發射器和接收器功能，其中在每次這些電路中的一個電路充當發射器，而其他電路充當接收器。第一和第二電路51、52可以以傳統方式實現，從而在這點上無需進一步解釋。所述變壓器裝置的信號傳輸性能依賴於感應耦合因子。該感應耦合因子依賴於不同的參數，如第一和第二繞組31、32之間在垂直方向上的距離、第一和第二繞組31、32在水平方向上的重疊以及設置在第一和第二繞組31、32之間的材料的類型。當第一和第二繞組 31,32之間在垂直方向上的距離減少時且當第一和第二繞組31、32之間在水平方向上的重疊增加時，該感應耦合因子增大。根據一個實施例，第一和第二繞組31、32在水平方向上完全重疊。根據一個實施例，第一和第二繞組31、32中的一個繞組在水平平面中大於第一和第二繞組31、32中另一個繞組。將繞組31、32中的一個繞組實現為具有比繞組中另一個更大的尺寸(dimension) (即具有比另一個繞組更大的直徑)減少了在將第二半導體裝置定位在第一半導體裝置之上以使得「較小」的繞組被「較大」的繞組完全重疊中生產容差(tolerance)的影響。為了增大耦合因子，第二半導體主體20具有減小的厚度，其低於50 μ m、低於 20 μ m、低於10 μ m或者甚至低於5 μ m。第二半導體主體20的減小的厚度例如通過在生產第二繞組32之後且在將第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置之上之前移除第二半導體主體20在其第二表面22的區域中的部分(section)來獲得。用於移除第二半導體主體20 的部分或用於減薄第二半導體主體20的方法包括例如化學和/或機械的蝕刻或拋光過程， 如CMP過程(CMP=化學-機械-拋光)。可替代地或此外，對於具有小於50 μ m的減小的厚度的第二半導體主體20，第二半導體主體20包括鄰近第二繞組且在第一和第二繞組31、32之間的孔洞24。該孔洞24被填充介電材料，如空氣、氧化物、氮化物、醯亞胺或多孔矽。在孔洞24的底部處第二半導體主體20的厚度(即第一孔洞24與第一半導體主體10的第一表面21之間的厚度)是例如介於0 (或幾納米(nm))與幾微米(μπι)(如1至IJ 3 μ m)之間。圖2圖示了圖1的變壓器裝置的上的頂視圖。如可以看到，第二半導體裝置在水平平面中具有比第一半導體裝置更小的尺寸。然而，這僅僅是示例。第一和第二半導體裝置也可以在水平平面中具有相同的尺寸。為了更好地理解，圖2中圖示了第二繞組32上的頂視圖。該第二繞組32被實現為平面繞組。應當注意，在該連接中，第一繞組31可以像第二繞組32那樣實現。 圖2所示的繞組32基本上具有帶矩形幾何形狀的繞組剖面(section)。然而，這僅僅是示例。第一和第二繞組31、33也可以被實現為具有不同於矩形幾何形狀的幾何形狀的繞組剖面，如具有六邊形、八邊形或圓形幾何形狀的繞組剖面。圖3圖示了根據圖1和2的變壓器裝置的電子電路圖。參照上文所提供的解釋， 第一和第二繞組31、32形成變壓器30，其是第一和第二電子電路51、52之間的信號傳輸路徑的一部分。這些電路中的一個充當經由變壓器30傳輸數據的發射器，且這些電路中的一個充當從變壓器30接收所傳輸的數據的接收器。該變壓器特別地是無芯變壓器，即不包括變壓器芯的變壓器。參照圖4，其圖示了通過根據另一個實施例的變壓器裝置的垂直剖面，連接到第一繞組31的第一電子電路51可以集成在第一半導體主體10中，並且連接到第二繞組32的第二電子電路52可以集成在第二半導體主體20中。這些電子電路51、52在圖4中僅被示意性圖示，並且可以像具有集成電子器件(如電晶體、二極體和電阻器)的傳 統集成電路那樣實現。在圖4所示的實施例中，第一電子電路51經由第一布線裝置54連接到第一繞組 31，其中第一布線裝置54還將第一電子電路51的各個器件互連。第二電子電路52經由設置在第二介電層23中的第二布線裝置53連接到第二繞組32，其中第二布線裝置53還將第一電子電路51的各個器件互連。第一和第二布線裝置53、54可以像具有設置在第一和第二介電層13、23的不同導體或金屬化平面中的導體的傳統布線裝置那樣實現，其中一個布線裝置的不同金屬化平面中的導體可以通過通孔彼此互連。圖5圖示了通過根據另一個實施例的變壓器裝置的垂直剖面。該變壓器裝置包括位於第一半導體主體10中鄰近第一繞組31的第二孔洞14。第二孔洞14 (像第一孔洞24 一樣)被填充介電材料，如空氣、氧化物、氮化物或醯亞胺或多孔矽。填充有介電材料的該第二孔洞14幫助減少由第一繞組31在第一半導體主體10中引起的渦流。減少這些渦流有助於減少損耗並且因此有助於增加第一繞組31的線圈質量(線圈Q)，並且因此有助於增加信號傳輸性能。參照圖5，具有第一和第二半導體裝置的變壓器裝置可以安裝在載體60上，該載體60如印刷電路板(PCB)、引線框、DCB (直接銅接合)襯底等等。現在將參照圖6A-6D解釋用於生產變壓器裝置的方法的實施例，圖6A_D圖示了在生產過程期間通過變壓器裝置的垂直剖面。圖6A-6D所示的方法涉及用於生產根據圖4或 5的變壓器裝置的方法。然而這僅僅是示例。對於上文所解釋的變壓器裝置中的每一個的生產而言，通用方法是相同的。參照圖6A，提供了具有第一半導體主體10和第一繞組31的第一半導體裝置。第一半導體裝置可以使用所提供的傳統方法步驟來生產。第一半導體裝置可以使用用於生產具有半導體主體和位於半導體主體10之上的介電層13中的平面繞組的半導體裝置的傳統方法步驟來生產。可選地，第二孔洞14在第一半導體主體10中產生。產生第二孔洞14包括例如蝕刻方法，該蝕刻方法各向異性地蝕刻位於鄰近第一繞組31的區域中且從第一半導體主體10的第二表面12開始的第一半導體主體10的半導體材料。參照圖6B，在下一個方法步驟中提供具有第二半導體主體20和第二繞組32的第二半導體裝置。該第二半導體裝置可以使用用於生產具有半導體主體、集成在半導體主體中的可選電子電路和設置在半導體主體20之上的介電層23中的平面繞組的半導體裝置的傳統方法步驟來生產。參照圖6C，通過移除第二表面的區域中的第二半導體主體20的半導體材料來減小第二半導體主體20的厚度。移除第二表面22的區域中的第一半導體主體10的半導體材料包括例如拋光過程(如CMP過程)或蝕刻過程(如各向同性蝕刻過程)。可替代地或除了減小第二半導體主體20的厚度之外，在第二半導體主體20中鄰近第二繞組32產生第一孔洞24。產生第一孔洞24包括例如蝕刻方法，該蝕刻方法各向異性地蝕刻位於鄰近第二繞組32的區域中且從第二半 導體主體20的第二表面22開始的第二半導體主體20的半導體材料。參照圖6D，隨後，使用可選的附接層41將第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置上。在圖6D所示的實施例中，附接層41在將第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置之上之前被設置在第一半導體裝置上。然而，這僅僅是示例。附接層41也可以在所述安裝過程之前被提供在第二半導體主體20的第二表面22上。在前文所示的實施例中，所述變壓器裝置包括一個具有一個第一繞組和一個第二繞組的變壓器。然而，這僅僅是示例。上文所解釋的基本原理也可適用於具有多個變壓器 (這些變壓器中每個變壓器包括第一和第二繞組)的變壓器裝置。圖7示意性圖示了通過具有兩個變壓器的變壓器裝置的垂直剖面，其中這些變壓器中的每一個變壓器包括設置在第一半導體主體10的第一表面11的區域中的第一繞組31p312和設置在第二半導體主體20 的第一表面21的區域中的第二繞組32^34。這些變壓器中的每一個變壓器的第一和第二繞組至少部分地重疊，並且設置為在變壓器裝置的垂直方向上彼此遠離。已經提出的與結合圖1-6所解釋的變壓器有關的每件事情相應地適用於圖7所示的第一和第二變壓器中的每一個。第二半導體主體20可選地包括鄰近第二繞組32p322的第一孔洞2^4。根據一個實施例，第二半導體主體20僅包括一個孔洞，其在水平平面中與第二繞組32p322中的每一個重疊。可選地，第二孔洞在第一半導體主體10中鄰近第一繞組置，其中根據一個實施例在第一半導體主體10中僅提供一個與第一繞組31」312中每一個重疊的孔洞。具有第一和第二繞組31P31P32P3&的變壓器可以連接到發送器和接收器電路 51、52，其中這些電路可以在第一和第二半導體主體中實現。當然，單獨的發送器和接收器電路可以針對每個變壓器而被提供。最後，應當提及已經結合一個實施例解釋的特徵可以與其他實施例中每一個的特徵組合，儘管這在上文中未被明確聲明。
權利要求
1.一種變壓器裝置，包括具有第一表面和第二表面的第一半導體主體；具有第一表面和第二表面的第二半導體主體，其中第一半導體主體設置在第二半導體主體上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面；以及具有被感應地耦合的第一繞組和第二繞組的變壓器，其中第一繞組被設置在第一半導體主體的第一表面的區域中，且第二繞組被設置在第二半導體主體的第一表面的區域中； 其中第二半導體主體包括鄰近第二繞組設置的第一孔洞。
2.權利要求1的變壓器裝置，其中第二半導體主體具有小於50μ m的厚度。
3.權利要求1的變壓器裝置，其中第一孔洞被實現為從第二半導體主體的第二表面延伸的槽。
4.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括在第一半導體主體中鄰近第一繞組設置的第二孔洞。
5.權利要求4的變壓器裝置，其中第二孔洞被實現為從第一半導體主體的第二表面延伸的槽。
6.權利要求1的變壓器裝置，其中第一孔洞包括介電材料。
7.權利要求4的變壓器裝置，其中第二孔洞包括介電材料。
8.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括設置在第一半導體主體的第一表面上的第一介電層，其中第一繞組設置在第一介電層中。
9.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括設置在第二半導體主體的第一表面上的第二介電層，其中第二繞組設置在第二介電層中。
10.權利要求1的變壓器裝置，其中第一和第二繞組中的至少一個是平面繞組。
11.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括集成在第一半導體主體中並連接到第一繞組的第一集成電路。
12.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括集成在第二半導體主體中並連接到第二繞組的第二集成電路。
13.權利要求1的變壓器裝置，進一步包括設置在第一和第二半導體主體之間的連接層。
14.一種用於形成變壓器裝置的方法，該方法包括提供第一半導體裝置，其具有包括第一表面和第二表面的第一半導體主體，且具有設置在第一半導體主體的第一表面的區域中的第一繞組；提供第二半導體裝置，其具有包括第一表面和第二表面的第二半導體主體，且具有設置在第二半導體主體的第一表面的區域中的第二繞組； 在第二半導體主體中鄰近第二繞組形成第一孔洞；以及附接第二半導體裝置和第一半導體裝置，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。
15.權利要求14的方法，進一步包括在附接第二半導體裝置和第一半導體裝置之前在第一半導體主體中鄰近第二繞組形成第二孔洞。
16.權利要求14的方法，其中形成第一孔洞包括在第二半導體主體中形成槽，該槽從第二表面延伸到第二半導體主體中。
17.權利要求14的方法，進一步包括 用介電材料至少部分地填充第一孔洞。
18.權利要求14的方法，其中附接第二半導體裝置和第一半導體裝置包括焊接或粘合過程。
19.一種變壓器裝置，包括具有第一表面和第二表面的第一半導體主體；具有第一表面和第二表面的第二半導體主體，其中第一半導體主體設置在第二半導體主體上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面；以及具有被感應地耦合的第一繞組和第二繞組的變壓器，其中第一繞組被設置在第一半導體主體的第一表面的區域中，且第二繞組被設置在第二半導體主體的第一表面的區域中； 其中第二半導體主體具有小於50 μ m的厚度。
20.權利要求19的變壓器裝置，其中第二半導體主體具有小於10μ m的厚度。
21.權利要求19的變壓器裝置，其中第二半導體主體包括鄰近第二繞組設置的第一孔洞。
22.一種用於形成變壓器裝置的方法，該方法包括提供第一半導體裝置，其具有包括第一表面和第二表面的第一半導體主體，且具有設置在第一半導體主體的第一表面的區域中的第一繞組；提供第二半導體裝置，其具有包括第一表面和第二表面的第二半導體主體，且具有設置在第二半導體主體的第一表面的區域中的第二繞組； 將第二半導體主體減薄為小於50 μ m的厚度；以及將第二半導體裝置安裝在第一半導體裝置之上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面。
23.權利要求22的方法，其中所述減薄包括將第二半導體主體減薄為小於10μ m的厚度。
24.權利要求22的方法，進一步包括在第二半導體主體中鄰近第二繞組形成第一孔洞。
全文摘要
本發明涉及變壓器裝置。公開了一種變壓器裝置和一種用於生產變壓器裝置的方法。一種變壓器裝置，包括具有第一表面和第二表面的第一半導體主體；具有第一表面和第二表面的第二半導體主體，其中第一半導體主體設置在第二半導體主體上，使得第一半導體主體的第一表面面對第二半導體主體的第二表面；以及具有被感應地耦合的第一繞組和第二繞組的變壓器，其中第一繞組被設置在第一半導體主體的第一表面的區域中，且第二繞組被設置在第二半導體主體的第一表面的區域中；其中第二半導體主體包括鄰近第二繞組設置的第一孔洞。
文檔編號H01L21/02GK102446889SQ20111029255
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者瓦爾 U. 申請人:英飛凌科技奧地利有限公司