專利名稱：半導體基板上線圈及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明系關于一種半導體基板上線圈，特別是高品質(zhì)線圈，及系關于其制造方法。
許多集成半導體封裝及/或半導體芯片包括線圈。當制造半導體封裝時，具許多二極管、晶體管或其它半導體裝置的裝置層在硅基板表面產(chǎn)生。許多包含布線該裝置的金屬導體軌及另外包含電容器、線圈等的布線層產(chǎn)生于該裝置層上方。電絕緣該布線傳導線路或布線線路的電絕緣金屬層間介電層排列于布線層之間，線圈以包括許多螺旋形狀圈數(shù)及各種幾何的螺旋形狀線路之形式產(chǎn)生于布線層中或布線層上，線圈的末端被電接觸做為輸入及輸出。線圈線路的材料可包括鋁、鋁合金、銅或其它傳導材料，特別是，如同布線線路的材料。
特別是在高頻率應用，品質(zhì)為線圈的最重要參數(shù)的其中一個及應為盡可能高，線圈的品質(zhì)系由任何功率損失決定，亦即在其它事物中系由線圈線路的電阻決定，故線圈的品質(zhì)受線圈線路及/或形成線圈的傳導層的材料的選擇影響。此外，線圈的品質(zhì)受線圈至周圍事物的耦合顯著程度的影響。為產(chǎn)生高品質(zhì)、高頻率線圈，減少因耦合至基板所引起的這些損失的努力已被普遍地進行。
改良線圈品質(zhì)的一種可能性為由硅基板摻雜劑的正確選擇減少、或最小化損失，當使用硅基板時。然而，在一些情況該硅基板的摻雜劑無法自由地選擇因為其典型上系同時連結(jié)至該硅基板的其它性質(zhì)，例如連結(jié)至其用于某些裝置或裝置排列的合適性。
改良線圈品質(zhì)的一種進一步可能性為并入屏蔽于線圈及基板之間，然而，此典型上涉及相當量的工作及顯著的額外制造成本，及因此對許多應用為不合適的。
此外，硅基板摻雜劑的選擇及屏蔽的并入僅能達到在線圈品質(zhì)的些微改良。
進一步可能性為移除在線圈下的硅基板，然而，此亦需要人力密集及成本密集的額外步驟于該制造方法。
本發(fā)明目的為提供一種較簡單的、高品質(zhì)線圈裝置及/或制造高品質(zhì)線圈的簡化方法。
此目的可由權利要求第1項的線圈裝置及由權利要求第7項的方法達到。
根據(jù)本發(fā)明的線圈裝置包括線圈線路、半導體基板及排列于半導體基板的介電層，至少一部分線圈線路被排列于在介電層的凹處上方。
半導體基板上線圈的制造方法包括產(chǎn)生介電層于該半導體基板上的步驟、產(chǎn)生線圈線路于該介電層上的步驟，及在該線圈線路及該半導體基板間的介電層產(chǎn)生凹處。
本發(fā)明系基于在線圈下的介電層顯現(xiàn)在線圈至周圍物質(zhì)的耦合，及因而在其品質(zhì)之大量影響的發(fā)現(xiàn)。藉由寄生電容，導致基板的熱電阻加熱及因而自該線圈的交替電磁場取出功率的電流在該半導體基板被感應，線圈至基板耦合的量愈小，結(jié)果，因線圈而堆積在該基板的功率損失愈小，及線圈品質(zhì)愈高。由以精確方式移除在該線圈下的絕緣層，得到接近1的相對介電系數(shù)，亦即相對應于空氣的介電系數(shù)。
最重要的是，寄生電容由在大部分情況具大于2的介電常數(shù)(dc)，或相對介電系數(shù)εr，的該介電層決定。當使用由電漿支持化學氣相沉積所制造的氧化層時，εr介于3及4之間。所以，在線圈品質(zhì)的改良亦可由使用具較低相對介電系數(shù)εr的有機物質(zhì)于介電層而得到。
因為該凹處，在本發(fā)明線圈裝置及/或根據(jù)本發(fā)明制造的線圈中于線圈及基板間的電磁耦合可被顯著減少，此產(chǎn)生較少的基板損失及改良的線圈品質(zhì)。在初始測量中，可發(fā)現(xiàn)多至100％的線圈品質(zhì)的改良。
本發(fā)明的進一步優(yōu)點為該線圈裝置可以低成本及以半導體制造的標準方法有效率地制造，及/或本發(fā)明制造方法可以標準方法進行及因此可以簡單及直接方式整合至半導體制造。
進一步優(yōu)點為共振動頻率范圍可因明顯降低的寄生電容而被提高，此導致與習知線圈相較，本發(fā)明線圈裝置及/或根據(jù)本發(fā)明制造的線圈的可能用途之光譜的顯著擴張。此外，頻率范圍，增加因子2的頻寬，因品質(zhì)Q的范圍產(chǎn)生(品質(zhì)的頻率依賴性)。
本發(fā)明的特佳應用系關于高集成雙極，BiCMOS或CMOS方法。
本發(fā)明的進一步優(yōu)點為其因所敘述的改良而提供現(xiàn)存線圈設計及/或線圈形式的顯著加大應用領域且不須配置或材料性質(zhì)的額外調(diào)整。
本發(fā)明較佳具體實施例會在子權利要求定義。
本發(fā)明較佳具體實施例會參考相關圖式詳細敘述于下，其中第1圖顯示根據(jù)本發(fā)明第一較佳具體實施例線圈裝置的線圈線路之示意頂部視圖；第2A至2C圖顯示第1圖線圈的示意區(qū)段視圖；第3圖顯示根據(jù)本發(fā)明第二較佳具體實施例線圈裝置的線圈線路之示意頂部視圖；第4圖顯示第3圖線圈的示意區(qū)段視圖；第5A圖顯示根據(jù)本發(fā)明第三具體實施例的線圈之示意區(qū)段視圖；第5B圖顯示根據(jù)本發(fā)明第四具體實施例的線圈之示意區(qū)段視圖；第6圖以流程圖顯示本發(fā)明制造方法的示意表示；第7圖顯示本發(fā)明線圈及習知線圈的共振動頻率范圍的示意表示。
第1圖為根據(jù)本發(fā)明第一具體實施例的線圈示意頂部視圖。該線圈系由具約略以正八角形的子區(qū)段之形式彼此同心排列的許多區(qū)段12、14、16之線圈線路10所形成。該線圈線路10的第一區(qū)段12包括在第一端點12a的第一接觸區(qū)域20，第一區(qū)段的第二端點12b系以一種電傳導方式經(jīng)由在第一交叉區(qū)域24的第一連接器片26連接至第二區(qū)段的第一端點14a，該第一連接器片26交叉第三區(qū)段16及由絕緣層(未示出)與第三區(qū)段電絕緣。第二區(qū)段14的第二端點14b系以一種電傳導方式經(jīng)由在第二交叉區(qū)域30的第二連接器片32連接至第三區(qū)段16的第一端點16a，該第二連接器片32交叉第三區(qū)段16及由絕緣層(未示出)與第三區(qū)段電絕緣。該第三區(qū)段16的第二端點16b形成做為第二接觸區(qū)域36。第一區(qū)段12、第一連接器片26、第二區(qū)段14、第二連接器片32及第三區(qū)段16一起形成以三圈圍繞該線圈線路10的內(nèi)部40的該線圈線路10。
第2A至2C圖顯示在半導體基板50上具線圈線路10的線圈制造期間沿第1圖的線I-II的垂直區(qū)段的圖示表示。
一或許多裝置(未示出)，例如二極管或晶體管，被先制造于該半導體基板50的第一表面52上。為布線裝置于基板50的表面52上，一或許多布線層接著形成于該表面52上。每一個布線層包括一或許多布線導體路線，未直接形成于基板50的表面52上的每一個布線導體路線形成于使不同布線層的布線路線彼此電絕緣的金屬層間介電層的表面。為電連接在相鄰布線層的兩個布線路線，排列于插入的金屬層間介電層及垂直于金屬層間介電層排列的導通孔導體形成。為簡單及清楚表示的目的，在基板50的表面52上的金屬層間介電層被總括地稱為及以介電層60表示，布線路線及導通孔導體的表示被省略。本發(fā)明與該介電層60是否包括一或許多金屬層間介電層及是否包括布線路線不相關。
最后，該線圈線路10被形成于介電層60的表面62上，該表面62遠離該基板50，此產(chǎn)生表示于第2A圖的狀態(tài)。此處，線路64表示背景結(jié)構(gòu)。
接著，屏蔽70，如光致抗蝕劑屏蔽，其在該線圈線路10的區(qū)域具開孔72，形成于介電層60的表面62，此產(chǎn)生表示于第2B圖的狀態(tài)。
該屏蔽70的開孔72定義后續(xù)蝕刻步驟的球形作用，其中由該屏蔽70覆蓋的該介電層60的所有區(qū)域被保護不致暴露于該蝕刻介質(zhì)。在蝕刻步驟中，凹洞，或凹處80藉由等向蝕刻或不等向及等向蝕刻的組合形成于該線圈線路10下方。因為蝕刻方法、濕化學蝕刻方法或電漿支持化學干蝕刻方法被考慮。此處，蝕刻較佳為關于該屏蔽70及關于該線圈線路10皆為選擇性的，亦即，該蝕刻方法被選擇使得該屏蔽70及該線圈線路10皆不會被消除至任何顯著程度?；蛘撸嘤谐练e額外層于該線圈線路10的可能性以在蝕刻步驟期間保護該線圈線路10。在凹處80已產(chǎn)生后，該屏蔽70被移除，此產(chǎn)生表示于第2C圖的狀態(tài)。
在后續(xù)方法步驟中，形成該線圈線路10的該傳導、螺旋形狀的金屬層被提供為具較佳為覆蓋該線圈線路10的整個表面積或包覆該線圈線路10的保護層84。該保護層較佳為藉由電漿支持化學氣相沉積以氧化物或氮化物層產(chǎn)生，及用作該線圈線路的腐蝕保護。最后，該保護層在接觸區(qū)域20、36被移除以暴露該線圈線路10及使得其可進行電接觸。
在形成凹處80后，為確保該基板50及該線圈線路10間的機械連接，該開孔72的側(cè)邊延伸及因而該凹處80的所得側(cè)邊延伸，可被選擇使得該凹處80不會在該整個線圈線路10下方延伸，而是使得該介電層60被保存在部份該線圈線路10下方，例如在接觸區(qū)域20、36，或在交叉區(qū)域24、30下方。
為確保該線圈線路的足夠機械穩(wěn)定性，其較佳為包括剛性材料。
本發(fā)明線圈裝置的替代具體實施例表示于第3圖及第4圖，此線圈裝置的基板與由第1及2圖所表示的不同在于電絕緣場氧化層(FOX)被提供于該基板50及該介電層60之間，亦即在該基板50的表面52上。
第3圖為本發(fā)明替代具體實施例的示意頂部視圖，在此具體實施例中，該線圈線路10包括與在第1圖所示具體實施例相同的結(jié)構(gòu)。然而，一個差別為在第3圖所示的具體實施例中，支撐位置/節(jié)點，或支撐裝置90被提供于該線圈線路10下方，其機械地連接該線圈線路10至全區(qū)域場氧化層。
第4圖為沿第3圖線路III-IV穿過由保護層84所圍繞的該線圈線路10，及穿過該支撐裝置90的區(qū)段之示意表示。不像先前具體實施例，場氧化層82被提供于該基板50的表面52上，該場氧化層82被施用于整個表面及具介電層60于其上。該線圈線路10被排列于在該介電層60的凹處80上方。在區(qū)段表示可看出該支撐裝置90被排列于凹處80中使得它們產(chǎn)生在一端該基板50及/或該場氧化層82與在另一端該線圈線路10間的機械連接。因該場氧化層82包括電絕緣材料，其防止該線圈線路10及基板間的電短路。
該支撐裝置90較佳為在該介電層60的制造盡可能早形成，其系為分別排列于彼此頂部的導通孔導體92及布線導體片94的堆棧形式。該支撐裝置90的該導通孔導體92及布線導體片94為一起形成及同時與提供用于在該基板50的布線裝置的未示出導通導體及布線導體一起形成，所以該支撐裝置90的形成不需任何額外步驟，而是僅為用于產(chǎn)生導通孔及布線導體的屏蔽之簡單改良。此處，形成該支撐裝置90的該布線導體片94為在最簡單的情況，為小的正方形或圓形中央島。
該支撐裝置90為必須的及若因為該線圈線路10的幾何及/或因為所使用材料的機械性質(zhì)，該線圈線路10的變形為可不需該支撐裝置90為有利的。該支撐裝置90防止因為靜電或磁力或因為外部影響而使該線圈線路10向該基板50的或離開該基板50的任何變形。
為避免該線圈線路10經(jīng)由該支撐裝置90與在該基板50的裝置的任何短路，該場氧化層82被提供?；蛘?，該支撐裝置90的排列被選擇使得它們在該基板50的表面52上的絕緣或經(jīng)絕緣區(qū)域鄰接。做為進一步替代方案，電絕緣層被提供于該線圈線路10及該支撐裝置90之間。若在該介電層60的凹處80具較該介電層60的厚度為小的深度，換言之，若該介電層60的其余材料維持在該凹處80及該基板50的表面52之間(其中沒有任何布線導體片94及導通孔導體92被提供)，則該支撐裝置90與該基板50的表面52的絕緣亦被提供。
第5A圖顯示穿過根據(jù)第三具體實施例的線圈裝置的區(qū)段之示意表示。此具體實施例與第一具體實施例的不同在于加硬層100被提供于該線圈線路10下方，該加硬層100由較該線圈線路10的材料為硬的材料組成，及被提供于機械地加硬及穩(wěn)定化該線圈線路。此加硬層允許軟線圈材料的使用及/或較少數(shù)目的支撐裝置90的使用及/或支撐裝置90的省略及/或較大的凹處80。此產(chǎn)生在建造與線圈裝置的幾何配置及在該線圈線路10的材料選擇的額外自由度。
在第三具體實施例中，保護護套，或保護層84被進一步表示，其已被示于第4圖，但具較大的層厚度。
第5B圖顯示穿過根據(jù)第四具體實施例的線圈裝置的區(qū)段之示意表示。此具體實施例與第一具體實施例的不同在于支撐層102被提供于該線圈線路10上，該支撐層102以產(chǎn)生該凹處80的孔洞屏蔽的形式包括孔洞104，產(chǎn)生該凹處80的蝕刻介質(zhì)可通過此孔洞。該支撐層102具機械支撐功能及由此改良該線圈線路10的機械穩(wěn)定度，取代在第4及5A圖所示的保護該線圈線路10的保護層84，保護層106被提供于該支撐層102上，該保護層106的厚度較佳為被選擇使得該支撐層102的孔洞104由該保護層106遮蔽。
第6圖為表示根據(jù)本發(fā)明線圈裝置的制造方法之簡化流程圖，本方法的起始點110為硅基板，在第一步驟112雙極/CMOS電路被制造在其表面。在第二步驟，該雙極/CMOS裝置藉由布線路線在一或許多布線層被布線。如已如上敘述，一個線圈(或許多線圈)被同時地或后續(xù)地產(chǎn)生于布線層。
根據(jù)本發(fā)明，在第三步驟屏蔽現(xiàn)在被施用，其定義在蝕刻步驟中金屬層間介電層要被移除的線圈區(qū)域，在第四步驟于移除屏蔽后，該線圈線路10被提供為具保護層。
第7圖為在習知線圈及根據(jù)本發(fā)明線圈品質(zhì)的頻率相依性的測量結(jié)果的圖示表示。操作頻率f以GHz被繪制于橫坐標，品質(zhì)Q被繪制于縱坐標。曲線130顯示習知線圈品質(zhì)的頻率相依性，曲線140顯示根據(jù)本發(fā)明線圈品質(zhì)的頻率相依性。可看到兩種線圈具多至約1GHz的頻率f之基本上相同的品質(zhì)。然而，雖然習知線圈的品質(zhì)在2GHz及3GHz之間具約Q＝9的最大值及在較高頻率快速地到達Q＝1的值，本發(fā)明線圈的品質(zhì)在自6GHz至7GHz之前未到達最大值，Q＝19的最大值超過習知線圈品質(zhì)的最大值的兩倍，本發(fā)明線圈的品質(zhì)Q亦在高于7GHz的頻率減少，但即使在所表示的最大頻率，20GHz，仍為習知線圈品質(zhì)的約四倍。本發(fā)明線圈因而可在較習知線圈顯著為高的頻率使用?；诖嗽蚣耙驗樵撟畲笃焚|(zhì)為習知線圈的品質(zhì)的兩倍，開啟高于習知線圈的全新應用領域，對這些領域目前僅此種為昂貴的及被認為是相當困難制造的習知線圈為合適的。
在具體實施例中，本發(fā)明線圈，或線圈裝置已被敘述為位于硅基板上。然而，亦可在GaAs基板上或在任何其它半導體基板上。此外，該線圈線路10不必須具在第1及3圖所示的約略八角形形狀，而是可為具或不具交叉區(qū)域的任何所欲形式及可包括任何圈數(shù)。該線圈線路10可包括具銅、鋁、銀及具特別合適用于達到低電阻的高特定導電度的其它材料的任何傳導材料。此處，若需要，該支撐裝置90的數(shù)目及排列可被選擇使得它們有效地防止該線圈線路的變形及排列于該線圈線路下方的基板之任何裝置未被負面影響。因為較少的物質(zhì)存在于該線圈線路10及該基板50之間，則有效或平均相對介電系數(shù)εr，eff愈小之事實，相對介電系數(shù)顯著程度地影響該線圈至該基板的耦合，該凹處80的深度及側(cè)邊延伸較佳為被選擇為盡可能大。然而，因為該凹處在線圈品質(zhì)的優(yōu)秀效果，如可由第7圖所見，即使是排列于僅部份該線圈線路下方的相當小的凹處，已產(chǎn)生在線圈品質(zhì)的顯著改善，二或更多相當小的凹處可取代一個相當大的凹處被提供，維持在該凹處間的該介電層60的區(qū)域或脊可執(zhí)行該支撐裝置90的功能。
在制造方法結(jié)束時，該凹處80可以具較該介電層60顯著為較低的相對介電系數(shù)的材料填充，由此，該減少的相對介電系數(shù)的優(yōu)點與高機械穩(wěn)定性的優(yōu)點合并。
權利要求
1.一種線圈裝置，其包括一線圈線路(10)；一半導體基板(50)；及排列于該半導體基板(50)上的一介電層(60)，其中至少一部分該線圈線路(10)被排列于在該介電層(60)的凹處(80)上方或是被排列于在具較該介電層為低的相對介電系數(shù)之區(qū)域上。
2.根據(jù)權利要求第1項的線圈裝置，其進一步包括一種排列于該凹處(80)及連接至該線圈線路(10)的支撐裝置(90)以機械地支撐該線圈線路(10)。
3.根據(jù)權利要求第2項的線圈裝置，其中該支撐裝置(90)包括導通孔導體(92)。
4.根據(jù)權利要求第1至3項中任何一項的線圈裝置，其進一步包括排列于該線圈線路(10)一側(cè)的加硬層(100)，其面對該凹處(80)。
5.根據(jù)權利要求第1至4項中任何一項的線圈裝置，其進一步包括排列于該線圈線路(10)一側(cè)的支撐層(102)，其遠離該凹處(80)。
6.根據(jù)權利要求第1至5項中任何一項的線圈裝置，其中該凹處(80)的深度等于該介電層(60)的厚度。
7.根據(jù)權利要求第1至6項中任何一項的線圈裝置，其進一步包括覆蓋該線圈線路(10)的表面之保護層。
8.根據(jù)權利要求第1至7項中任何一項的線圈裝置，該線圈裝置為高頻率線圈裝置。
9.根據(jù)權利要求第1至8項中任何一項的線圈裝置，其進一步包括排列于該半導體基板(50)及該介電層(60)間的電絕緣層(82)。
10.一種半導體基板(50)上線圈的制造方法，其包括產(chǎn)生介電層(60)于該半導體基板(50)上；產(chǎn)生線圈線路(10)于該介電層(60)上；及產(chǎn)生凹處于該線圈線路(10)及該半導體基板(50)間的該介電層(60)。
11.根據(jù)權利要求第10項的方法，其中產(chǎn)生該凹處(80)的步驟進一步包括產(chǎn)生屏蔽(70)于該介電層(60)，該屏蔽包括開孔(72)，其形狀決定該凹處(80)的側(cè)邊形狀；及移除在該屏蔽(70)的開孔(72)的區(qū)域之該介電層(60)以得到該凹處(80)。
12.根據(jù)權利要求第11項的方法，其中該移除步驟進一步包括等向蝕刻的步驟。
13.根據(jù)權利要求第10至12項中任何一項的方法，其進一步包括產(chǎn)生保護層于該線圈線路(10)的表面上的步驟。
14.根據(jù)權利要求第10至13項中任何一項的方法，其進一步包括在產(chǎn)生該線圈線路(10)前產(chǎn)生支撐裝置(90)的步驟，其中產(chǎn)生該線圈線路(10)的步驟包括連接該線圈線路(10)至該支撐裝置(90)的步驟，及其中在產(chǎn)生該凹處(80)的步驟中該支撐裝置(90)系維持于在該凹處(80)。
15.根據(jù)權利要求第10至14項中任何一項的方法，其進一步包括以一種材料填充該凹處(80)的步驟，其相對介電系數(shù)系小于該介電層(60)的相對介電系數(shù)。
全文摘要
一種線圈裝置包括線圈線路(10)、半導體基板(50)、及排列于該半導體基板(50)上的介電層(60)，其中至少一部分線圈線路(10)被排列于在該介電層(60)的凹處(80)上方。
文檔編號H01F41/04GK1643626SQ03806554
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月19日 優(yōu)先權日2002年3月21日
發(fā)明者K·布尤伊克塔斯, K·科勒, K·米勒 申請人:因芬尼昂技術股份公司