一種立體集成電感電容結構的製備方法
2023-10-04 03:09:04 2
一種立體集成電感電容結構的製備方法
【專利摘要】本發明涉及半導體製造【技術領域】，尤其涉及一種立體集成電感電容結構的製備方法，可以實現三維立體結構的電感電容，通過製備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以在相對較小的空間中同時獲取電容電感，降低了電容電感的製作成本，同時也極大的提高了電感磁通量以增加電感值並降低渦旋電流，並提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
【專利說明】一種立體集成電感電容結構的製備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及半導體製造【技術領域】，尤其涉及一種立體集成電感電容結構的製備方法。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的進步以及社會信息化程度的提高，計算機、通訊等越來越多的【技術領域】均採用射頻技術，促進了射頻技術(RFIC)的高速發展，對於高頻率、小功耗、低失真的射頻技術的要求，使得電感線圈成為必要，電感線圈是由導線繞制在導線框架上，導線彼此相互絕緣，而繞制可以是空心的也可以是包含鐵芯，簡稱電感，電感主要用於對交流信號進行隔離、濾波或者與電容、電阻組成諧振迴路。而評價電感性能最重要的指標為品質因數Q(quality)，品質因數Q(即Q值)表示一個儲能器件(如電感線圈、電容等)、諧振電路中所儲能量同每周期損耗能量之比，因此提高電感的品質因數Q可以提高集成電感的性能指標。
[0003]現有技術中大多數採用平面結構的集成電感，由於這種集成電感製作於襯底平行的平面上，在高頻條件下，襯底中會形成渦旋電流(Eddy Current)，而渦旋電流的方向與電感線圈中的電流方向相反，這必然會導致電感線圈的磁通量減少，額外的能量損失較大並使得整個電感的Q值下降。另外現有技術中，集成電感由於集成電路的製程與材料的限制，很難同時達到高電感值和高品質因數Q值，而且同時具有電感和電容的電路結構需要增大器件的面積，一定程度上增加了製作成本。
[0004]現有技術中以減少襯底的損耗入手來解決襯底中渦旋電流的問題，但是採用的均是平面結構的集成電感，受到平面電感工作原理的限制無法從根本上解決問題，無法提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流並提高品質因數Q值，因此發明一種高性能的集成電感和電容器件成為半導體製造【技術領域】的一個難題。
【發明內容】
[0005]鑑於上述問題，本發明提供一種立體集成電感電容結構的製備方法，以解決製備成本較高且無法提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流並提高品質因數Q值的缺陷。
[0006]本發明解決上述技術問題所採用的技術方案為:
[0007]一種立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述方法包括:
[0008]步驟S1、提供一半導體襯底，並於所述半導體襯底之上依次製備第一絕緣層和底層金屬薄膜，並去除部分所述底層金屬薄膜，以於所述第一絕緣層之上形成若干平行排列的底部金屬導線；
[0009]步驟S2、製備第二絕緣層覆蓋所述底部金屬導線及所述第一絕緣層暴露的表面，並刻蝕所述第二絕緣層，以於各所述底部金屬導線的長度延伸方向的兩端端部區域之上均形成一第一通孔；
[0010]於所述第一通孔中填充第一金屬，以於所述底部金屬導線之上形成兩列第一金屬孔連線；
[0011]步驟S3、製備第三絕緣層覆蓋所述第一金屬孔連線和所述第二絕緣層的上表面，並刻蝕第三絕緣層，以於各所述第一金屬孔連線之上形成一第二通孔及若干環狀凹槽，且各第二通孔均環繞設置有至少兩個所述環狀凹槽；
[0012]於所述第二通孔和所述環狀凹槽中填充第二金屬，以於各所述第一金屬孔連線之上均形成第二金屬孔連線和若干環狀的磁芯；
[0013]步驟S4、製備第四絕緣層覆蓋所述第二金屬孔連線、所述磁芯和所述第三絕緣層的上表面，並刻蝕第四絕緣層，以於各所述第二金屬孔連線之上均形成一第三通孔和位於各磁芯之上的一第四通孔；
[0014]於所述第三通孔和所述第四通孔中填充第三金屬，以於所述第三通孔中形成第三金屬孔連線，於所述第四通孔中形成第四金屬孔連線；
[0015]步驟S5、製備頂層金屬薄膜覆蓋所述第三金屬孔連線、所述第四金屬孔連線和所述第四絕緣層的上表面；刻蝕所述頂層金屬薄膜，以形成若干引線和若干平行排列的頂部金屬導線；
[0016]其中，各所述引線均通過所述第四金屬孔連線將所述磁芯連接，所述頂部金屬導線依次通過所述第三金屬孔連線、所述第二金屬孔連線和所述第一金屬孔連線將所述底部金屬導線首尾依次連接。
[0017]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，步驟S5中，與所述底部金屬導線在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕所述頂層金屬薄膜以形成所述頂部金屬導線。
[0018]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述第一金屬與所述第三金屬的材質相同。
[0019]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述第一金屬與所述第三金屬的材質為鎢或錫。
[0020]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述第二金屬的材質為鈷或鎳。
[0021]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述底層金屬薄膜與所述頂層金屬薄膜的材質相同。
[0022]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，所述第一絕緣層、所述第二絕緣層、所述第三絕緣層和所述第四絕緣層的材質均相同。
[0023]較佳的，上述的立體集成電感電容結構的製備方法，其中，步驟S2?S5中，任一填充金屬或者製備絕緣層工藝之後均需要進行化學機械拋光工藝。
[0024]上述技術方案具有如下優點或有益效果:
[0025]本發明公開了一種立體集成電感電容結構的製備方法，可以實現三維立體結構的電感電容，通過製備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以在相對較小的空間中同時獲取電容電感，降低了電容電感的製作成本，同時也極大的提高了電感磁通量以增加電感值並降低渦旋電流，並提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
[0026]具體
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明及其特徵、夕卜形和優點將會變得更加明顯。在全部附圖中相同的標記指示相同的部分。並未可以按照比例繪製附圖，重點在於示出本發明的主旨。
[0028]圖1是本發明中立體集成電感電容的結構示意圖；
[0029]圖2是本發明中立體集成電感電容結構的側面剖面的結構示意圖；
[0030]圖3a?7b是本發明中立體集成電感電容結構的製備工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和具體的實施例對本發明作進一步的說明，但是不作為本發明的限定。
[0032]為可以在提高電感磁通量以增加電感值的同時降低渦旋電流，並提高品質因數Q值以及電感線圈的性能，我們需要製備一種立體集成電感電容結構。
[0033]如圖1所示，該立體集成電感電容結構包括第一電容和第二電容，第一電容和第二電容均是由截面積逐漸遞增的若干金屬框架1在同一平面內相互嵌套形成，且金屬框架相互電連接形成電容極板(圖1中未示出)。
[0034]優選的，第一電容與第二電容在同一平面內且互不接觸，第一電容極板與第二電容極板間均填充絕緣介質5，該結構設計可以在較小的空間內提高電容的性能。
[0035]另外該結構還包括一電感線圈，如圖1所示，具體包括若干均勻平行分布的第一金屬線2和若干均勻平行分布的第二金屬線3，第一金屬線2和第二金屬線3分別位於金屬框架1所在的平面的兩側，且第一金屬線2與第二金屬線3的首端(也包括第一金屬線2與第二金屬線3的末端)投影重合且均垂直於電容的最內側金屬框架1內。優選的，第一金屬線2所在平面、第二金屬線3所在平面與金屬框架1所在平面相互平行。其中，電感線圈還包括一第三金屬線4，第三金屬線4垂直穿過截面積最小的金屬框架1內區域，使其可以達到如下效果:
[0036]第一金屬線2的首端通過第三金屬線4連接與第一金屬線2首端垂直方向上的投影重合的第二金屬線3的首端，且與第一金屬線2首端垂直方向上的投影重合的第二金屬線3的末端通過另一第三金屬線4連接第一金屬線2相鄰的另一第一金屬線2的末端，形成單方向繞行並呈立體螺旋狀的電感線圈(以金屬框架為磁芯)，另外金屬框架1可通過金屬引線6電連接形成電容極板，如圖2所示。
[0037]基於上述結構，本發明提供一種立體集成電感電容結構的製備方法:
[0038]步驟S1、對一半導體襯底進行加工，具體的在該半導體襯底11之上依次製備第一絕緣層12 (沉積絕緣層後需快速的進行熱退火工藝，使其形成緻密的絕緣層)和底層金屬薄膜，並去除部分底層金屬薄膜，使其在第一絕緣層12上方形成若干底部金屬導線13，其中所有的底部金屬導線13平行排列在第一絕緣層12的上表面，如圖3a和3b所示。
[0039]在本發明的實施例中，上述的底層金屬薄膜的材質為鋁金屬，且底部金屬導線13作為上述電感線圈的第二金屬線3.
[0040]步驟S2、採用等離子體化學氣相沉積法在上述若干平行排列的底部金屬導線13的上表面以及在第一絕緣層12暴露的上表面繼續沉積第二絕緣層14，然後採用電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,簡稱ICP)或者反應離子刻蝕(Reactive 1nEtching，簡稱RIE)等工藝刻蝕該第二絕緣層14，以於各底部金屬導線的長度延伸方向的兩端端部區域之上均形成一第一通孔。
[0041]在本發明的實施例中，在該第一通孔填充第一金屬，形成位於底部金屬導線13上方的兩列第一金屬孔連線15,如圖4a和4b所不。
[0042]在本發明的實施例中，第一金屬的材質優選為鎢或錫材料。
[0043]同時為了優化立體集成電感的製備工藝，需要在澱積第二絕緣層14和於第一通孔中填充第一金屬後均需要進行化學機械拋光(Chemical mechanical polishing,簡稱CMP)工藝。
[0044]優選的，第二絕緣層14與第一絕緣層12的材質相同，可選為二氧化矽。
[0045]步驟S3、繼續採用等離子體化學氣相沉積法在第二絕緣層14和第一金屬孔連線15的上表面澱積第三絕緣層16，優選的，該第三絕緣層16的材質與第二絕緣層14的材質相同。然後採用ICP或者RIE工藝刻蝕部分第三絕緣層16，形成位於將每一個第一金屬孔連線15上表面予以暴露的一個第二通孔以及若干環狀凹槽，其中該若干環狀凹槽均環繞設置在第二通孔周圍。
[0046]在本發明的實施例中，優選的該環狀凹槽的數量至少為2個，例如3個。
[0047]為了提高立體集成電感電容的性能，本發明實施例中需要提供磁芯，來增強磁能的存儲效果，因此在完成環狀凹槽與第二通孔工藝之後於環狀凹槽和第二通孔中填充第二金屬(如鈷，鎳等)形成每個第一金屬孔連線上方的一個第二金屬孔連線18以及若干磁芯17，如圖5a和5b所示。
[0048]其中，上述若干磁芯17構成上述金屬框架1 (或者第一電容和第二電容)。
[0049]在本發明的實施例中，為了優化立體集成電感的製備工藝，需要在澱積第三絕緣層16和於第二通孔、環狀凹槽中填充第二金屬後均需要進行CMP工藝。
[0050]步驟S4、繼續採用等離子體化學氣相沉積法在第三絕緣層16、第二金屬孔連線18以及磁芯17的上表面澱積第四絕緣層19，然後採用ICP或者RIE刻蝕工藝刻蝕第四絕緣層19，形成每一個第二金屬孔連線18上方的一個第三通孔並予以暴露第二金屬孔連線18，以及位於每個磁芯17上方的一個第四通孔。
[0051]繼續在第三通孔和第四通孔中填充第三金屬，以於第三通孔中形成第三金屬孔連線20，並以於第四通孔中形成第四金屬孔連線201。
[0052]在本發明的實施例中，優選的，第三金屬與第一金屬的材質相同，為鶴或錫材料，如圖6a和6b所示。
[0053]同樣，澱積第四絕緣層19以及填充金屬材料之後需要進行CMP工藝，優化立體集成電感電容結構的製備工藝。
[0054]優選的，第一絕緣層12、第二絕緣層14、第三絕緣層16和第四絕緣層19的材質均相同，更優選的其材質均為二氧化矽。
[0055]步驟S5、在第三金屬孔連線20、第四金屬孔連線201以及第四絕緣層19的上表面繼續澱積一頂層金屬薄膜，刻蝕該頂層金屬薄膜形成若干平行排列的頂部金屬導線21以及每個第四金屬孔連線201上方的每個引線211，如圖7a和7b所示。
[0056]在本發明的實施例中，與底部金屬導線13在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕該頂層金屬薄膜以形成上述頂部金屬導線21，也就是說，底部金屬導線13與頂部金屬導線21在垂直投影方向上構成一定夾角，便於後續形成螺旋狀電感線圈，該頂部金屬導線21作為上述電感線圈的第一金屬線2。
[0057]其中，各引線211均通過第四金屬孔連線201將所述磁芯17連接，形成上述電容極板；各第一金屬孔連線15、第二金屬孔連線18以及第三金屬孔連線20構成上述第三金屬線4，且各頂部金屬導線21通過第三金屬孔連線20、第二金屬孔連線18和第一金屬孔連線15將底部金屬導線13首尾依次連接，最終形成上述螺旋狀的電感線圈。
[0058]綜上所述，本發明公開了一種立體集成電感電容結構的製備方法，可以實現三維立體結構的電感電容，通過製備頂部金屬導線與底部金屬導線互聯形成以磁芯為中心單方向繞行的立體螺旋狀的電感線圈，可以在相對較小的空間中同時獲取電容電感，降低了電容電感的製作成本，同時也極大的提高了電感磁通量以增加電感值並降低渦旋電流，並提高品質因數Q值以及電感線圈的性能。
[0059]本領域技術人員應該理解，本領域技術人員在結合現有技術以及上述實施例可以實現所述變化例，在此不做贅述。這樣的變化例並不影響本發明的實質內容，在此不予贅述。
[0060]以上對本發明的較佳實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，其中未盡詳細描述的設備和結構應該理解為用本領域中的普通方式予以實施；任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案範圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例，這並不影響本發明的實質內容。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬於本發明技術方案保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述方法包括: 步驟S1、提供一半導體襯底，並於所述半導體襯底之上依次製備第一絕緣層和底層金屬薄膜，並去除部分所述底層金屬薄膜，以於所述第一絕緣層之上形成若干平行排列的底部金屬導線； 步驟S2、製備第二絕緣層覆蓋所述底部金屬導線及所述第一絕緣層暴露的表面，並刻蝕所述第二絕緣層，以於各所述底部金屬導線的長度延伸方向的兩端部區域之上均形成一第一通孔； 於所述第一通孔中填充第一金屬，以於所述底部金屬導線之上形成兩列第一金屬孔連線.步驟S3、製備第三絕緣層覆蓋所述第一金屬孔連線和所述第二絕緣層的上表面，並刻蝕第三絕緣層，以於各所述第一金屬孔連線之上形成一第二通孔及若干環狀凹槽，且各第二通孔均環繞設置有至少兩個所述環狀凹槽； 於所述第二通孔和所述環狀凹槽中填充第二金屬，以於各所述第一金屬孔連線之上均形成第二金屬孔連線和若干環狀的磁芯； 步驟S4、製備第四絕緣層覆蓋所述第二金屬孔連線、所述磁芯和所述第三絕緣層的上表面，並刻蝕第四絕緣層，以於各所述第二金屬孔連線之上均形成一第三通孔和位於各磁芯之上的一第四通孔； 於所述第三通孔和所述第四通孔中填充第三金屬，以於所述第三通孔中形成第三金屬孔連線，於所述第四通孔中形成第四金屬孔連線； 步驟S5、製備頂層金屬薄膜覆蓋所述第三金屬孔連線、所述第四金屬孔連線和所述第四絕緣層的上表面；刻蝕所述頂層金屬薄膜，以形成若干引線和若干平行排列的頂部金屬導線； 其中，各所述引線均通過所述第四金屬孔連線將所述磁芯連接，所述頂部金屬導線依次通過所述第三金屬孔連線、所述第二金屬孔連線和所述第一金屬孔連線將所述底部金屬導線首尾依次連接。
2.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，步驟S5中，與所述底部金屬導線在垂直投影方向上構成一定夾角刻蝕所述頂層金屬薄膜以形成所述頂部金屬導線。
3.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述第一金屬與所述第三金屬的材質相同。
4.如權利要求3所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述第一金屬與所述第三金屬的材質為鎢或錫。
5.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述第二金屬的材質為鈷或鎳。
6.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述底層金屬薄膜與所述頂層金屬薄膜的材質相同。
7.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，所述第一絕緣層、所述第二絕緣層、所述第三絕緣層和所述第四絕緣層的材質均相同。
8.如權利要求1所述的立體集成電感電容結構的製備方法，其特徵在於，步驟S2?S5中，任一填充金屬或者製備絕緣層工藝之後均需要進行化學機械拋光工藝。
【文檔編號】H01L21/71GK104269375SQ201410469021
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月15日 優先權日:2014年9月15日
【發明者】梅紹寧, 鞠韶復, 朱繼鋒 申請人:武漢新芯集成電路製造有限公司