專利名稱：半導(dǎo)體器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶線圈的半導(dǎo)體器件。
背景技術(shù)：
有一種帶線圈的半導(dǎo)體器件，由以螺旋方式形成之金屬布線層確定所述線圈，用以得到所需的電感。圖6示出這種半導(dǎo)體器件中所包含的電感線圈(線圈)的實(shí)例。在該電感線圈101中，一旦一層金屬布線層111的匝數(shù)增多，所占的面積就會(huì)二維地增大，以致所占面積及單位匝數(shù)所需金屬線的長(zhǎng)度都會(huì)隨著匝數(shù)的增多而增大。因此，為了實(shí)現(xiàn)大的電感值L，勢(shì)必就要使電感線圈101所占的面積增大，還要使構(gòu)成每單位匝數(shù)電感線圈101的金屬線電阻值R增大，并使由Q＝ω0×L/R給出的表示諧振銳度的Q值下降(ω0是諧振角頻率)。圖6中的標(biāo)號(hào)118是在另一金屬布線層上形成的接線端，而標(biāo)號(hào)113是連接孔，用于使一個(gè)金屬布線層111與接線端118電連接。
在注意到要解決上述問(wèn)題時(shí)，曾提出一種帶電感線圈的半導(dǎo)體器件，通過(guò)三維地形成線圈，即使增多所述匝數(shù)，也不增大所占的面積和每單位匝數(shù)金屬線的長(zhǎng)度(如日本專利申請(qǐng)未審公開(kāi)No.H6-21347及No.H7-273292)。圖7表示一個(gè)三維電感線圈的實(shí)例。在電感線圈201中，分別平行地布置在下部金屬布線層上形成的多個(gè)斷片211和在上部金屬布線層上形成的多個(gè)斷片212，同時(shí)夾置一層未予示出的層間絕緣膜，并經(jīng)連接孔213使這些斷片211和212連接，以便確定為串聯(lián)連接，從而形成三維螺旋線。在這種電感線圈201中，單位面積的匝數(shù)較多，并且能夠使得到預(yù)定電感值的金屬線長(zhǎng)度較小，從而可使上述Q值增大。圖7中的標(biāo)號(hào)219是與斷片211連接側(cè)的接線端，作為始端，而標(biāo)號(hào)218是與斷片211連接的另一側(cè)的接線端，作為終端。
為了進(jìn)一步增大電感值，如圖8所示，提出一種電感線圈202，它的結(jié)構(gòu)包括由比如在上部金屬布線層及下部金屬布線層的斷片211和212之間夾著一個(gè)鐵導(dǎo)體層的絕緣膜或者包含一種鐵系物質(zhì)氧化膜所形成的鐵磁芯215(如上述日本專利申請(qǐng)未審公開(kāi)No.H6-21347及No.H7-273292)。這種電感線圈202可以增大通過(guò)所述鐵磁芯215的磁通量密度，從而可進(jìn)一步增大電感值。
然而，圖8所示帶有鐵磁芯215的三維電感線圈202需要在上部金屬布線層及下部金屬布線層的斷片211和212之間形成鐵磁芯215的特殊措施，這就使成本增大，生產(chǎn)量較低。
另一方面，通過(guò)增大不帶鐵磁芯215之電感線圈201所占的面積，可使他增大電感值，但如果半導(dǎo)體器件具有實(shí)際上適宜的芯片尺寸，所要實(shí)現(xiàn)的電感值比具有鐵磁芯的電感線圈202的小。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例提供一種帶有三維螺旋線線圈之電感線圈的半導(dǎo)體器件，它無(wú)需特殊的措施，即能提高效率，還能增大電感值。
為用各種普通器件解決上述問(wèn)題，本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體器件包括多個(gè)半導(dǎo)體元件，以及沿厚度方向布置在不同位置的第一、第二和第三金屬布線層，用于與所述各半導(dǎo)體元件電連接；布置在沿厚度方向位于中部的所述第二金屬布線層上的芯；與所述芯重疊并且基本上互相平行或者互相平行并關(guān)于所述芯延伸的方向按預(yù)定角度布置的第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片；以及與所述芯重疊并且基本上互相平行或者互相平行并關(guān)于所述芯延伸的方向按預(yù)定角度布置的第三金屬布線層的多個(gè)第三斷片。多個(gè)第一斷片和第三斷片交替串聯(lián)連接，以確定一個(gè)螺旋線線圈，并由所述線圈和芯確定一個(gè)電感線圈。
在這種半導(dǎo)體器件中，可將具有高磁導(dǎo)率的物質(zhì)加到第二金屬布線層上。另外，還可以使所述芯基本上成有角度的環(huán)形，可使與所述芯重疊的第二螺旋線圈與所述螺旋線圈分開(kāi)放置，另外還設(shè)置一個(gè)變壓器，其主線圈或者副線圈為螺旋線圈，而副線圈或者主線圈為第二螺旋線圈。
本發(fā)明另一種優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體器件包括多個(gè)半導(dǎo)體元件，以及沿厚度方向布置在不同位置的第一和第二金屬布線層，用于與所述各半導(dǎo)體元件連接；第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片互相平行或者基本上互相平行地布置，以及第二金屬布線層的多個(gè)第二斷片互相平行或者基本上互相平行地布置。通過(guò)交替地串聯(lián)連接所述多個(gè)第一斷片和第二斷片，形成與第一螺旋線圈分開(kāi)的第二螺旋線圈；形成一個(gè)變壓器，它的主線圈或者副線圈為第一螺旋線圈，而副線圈或者主線圈為第二螺旋線圈；并且使構(gòu)成所述主線圈的各第一斷片和第二斷片以及構(gòu)成副線圈的各第一斷片和第二斷片關(guān)于所述主線圈及副線圈的延伸方向交替地定位。
在本發(fā)明這種優(yōu)選實(shí)施例的半導(dǎo)體器件中，最好使所述電感線圈布置在沿各半導(dǎo)體元件厚度方向位于不同位置處的三個(gè)金屬布線層中間的金屬布線層中，并將三維螺旋線圈安排在所述芯的周圍，以便可使電感線圈的效率提高，并可使電感值增大，而無(wú)需任何特殊的措施?？蓪⑺鲎儔浩餍纬蔀樗鲭姼芯€圈，并與具有主副線圈的半導(dǎo)體器件互相靠近地布置，還能提高變壓器的效率，并增大固有電感值，而無(wú)需任何特殊的措施。


圖1是描述本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例半導(dǎo)體器件中所要裝入的電感線圈的平面視圖；圖2是上述電感線圈的截面圖(沿圖中斷面線A-A的斷面圖)；圖3A和3B表示構(gòu)成上述半導(dǎo)體器件電路的示例，前者圖3A是電路圖，而圖3B是平面視圖；圖4是描述包含上述電感線圈之變壓器的平面視圖；圖5是描述包含上述電感線圈之另一種變壓器的平面視圖；圖6是描述現(xiàn)有技術(shù)電感線圈的平面視圖；圖7是描述現(xiàn)有技術(shù)另一種電感線圈的平面視圖；圖8是描述現(xiàn)有技術(shù)又一種電感線圈的平面視圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是描述本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例半導(dǎo)體器件中所要裝入的電感線圈5的平面視圖。本半導(dǎo)體器件最好包括多個(gè)半導(dǎo)體元件，如MOS晶體管或雙極晶體管，以及沿厚度方向在不同位置布置的第一、第二和第三金屬布線層，用于與所述各半導(dǎo)體元件連接。在所述第一、第二和第三金屬布線層之間分別形成后面有述的層間絕緣膜22和23。所述電感線圈5在部分所述第二金屬布線層處包括一個(gè)最好是基本上呈棒狀結(jié)構(gòu)的芯15，沿著厚度方向位在中間；所述第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片11沿厚度方向位于下部處，以及所述第三金屬布線層的多個(gè)第三斷片12沿厚度方向位于上部處。具體地說(shuō)，各第一斷片11與所述芯15重疊，并且被布置成彼此之間以預(yù)定的間隔互相平行或者基本上互相平行，且相對(duì)于所述芯15延伸的方向按預(yù)定角度，如近似60°被布置著。各第三斷片12與所述芯15重疊，并且被布置成彼此之間以預(yù)定的間隔互相平行或者基本上互相平行，且與所述芯延伸的方向按預(yù)定角度，如近似60°被布置著，使之與各第一斷片11軸對(duì)稱。所述斷片11和12在重疊區(qū)域互相重疊，并在所述重疊區(qū)域內(nèi)的層間絕緣膜23中設(shè)置多個(gè)連接孔13。在部分第二金屬布線層處設(shè)置多個(gè)連接片16，以便通過(guò)各連接孔14和13分別與斷片11和12接觸并連接。因此，通過(guò)交替地串聯(lián)連接多個(gè)第一斷片11和第三斷片12，形成三維螺旋線圈10，并且這個(gè)線圈10確定具有圍繞芯15結(jié)構(gòu)的電感線圈5。設(shè)在部分第三金屬布線層處的接線端18和19分別與作為線圈10的接線端的第一斷片連接。也可以通過(guò)連接片16和連接孔14和13，使線圈10和接線端18、19連接。
圖2是所述電感線圈5沿?cái)嗝婢€A-A的斷面圖。從圖2的下部看起，所述半導(dǎo)體器件最好包括半導(dǎo)體襯底20、下層絕緣膜21、包含多個(gè)第一斷片11的第一金屬布線層、設(shè)有多個(gè)連接孔14的層間絕緣膜22、包含芯15和多個(gè)連接片16的第二金屬布線層、設(shè)有多個(gè)連接孔13的層間絕緣膜23，以及包含多個(gè)第一斷片12和接線端18、19(未示出)的第三金屬布線層。對(duì)于所述層間絕緣膜22和23而言，最好采用氧化硅膜。最好使各連接片16通過(guò)連接孔14和13與第一斷片11和第三斷片12接觸并連接。
按照這種方式，將所述芯15設(shè)在第二金屬布線層上，由線圈10圍繞。這個(gè)芯15并不是由特殊工藝在上部金屬布線層的斷片和下部金屬布線層的斷片之間形成的特別鐵磁芯，以致電感線圈5的電感值并不是很大。特別是最好由鋁或銅作為主要材料制成所述各金屬布線層，它們的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，幾乎與真空相同，比鐵磁物質(zhì)的小很多。不過(guò)，這些金屬布線層的相對(duì)磁導(dǎo)率比氧化硅膜的要高，大約為0.55，而且通過(guò)增加適量具有高磁導(dǎo)率的物質(zhì)，比如鐵或鈷，可以增大這些金屬布線層的磁導(dǎo)率。因此，在電感線圈5中，在觀注提高效率、增大電感值的同時(shí)，無(wú)需任何特殊的措施。
圖3A是構(gòu)成所述半導(dǎo)體器件的電路1a的一種示例，圖3B是它的平面圖。該電路1a包括半導(dǎo)體元件9和上述電感線圈5，它們形成于同一個(gè)半導(dǎo)體襯底上。這個(gè)半導(dǎo)體元件9構(gòu)成CMOS倒相電路，其中由p型擴(kuò)散層35和硅化物層33形成p型MOS晶體管，并由n型擴(kuò)散層36和硅化物層34形成n型MOS晶體管。輸入端IN的金屬引線45和金屬引線46都形成于第三金屬布線層上，所述金屬引線45與半導(dǎo)體元件(CMOS倒相電路)9的輸出端及電感線圈5的一端相連。從金屬引線45延伸到后面有述的金屬引線37和38的金屬引線39，以及從后面有述的金屬引線41和42延伸到金屬引線46的金屬引線43都形成在第二金屬布線層上。從金屬引線39延伸到硅化物層33和34的所述金屬引線37和38，以及從擴(kuò)散層35和36延伸到金屬引線43的金屬引線41和42、電源線31和GND線32都形成在第一金屬布線層上。所述第一、第二和第三金屬布線層通過(guò)各連接孔內(nèi)連接。電感線圈5的另一端與作為輸出端OUT的第三金屬布線層的金屬引線49相連。電感線圈5的結(jié)構(gòu)有如上述。因此，使用與半導(dǎo)體元件9同樣的金屬引線，可將半導(dǎo)體元件裝入電感線圈5，也就是說(shuō)，無(wú)需任何特殊的制作措施。
毋庸贅言，如果有三個(gè)或多個(gè)金屬布線層，其中的任何三層可以為所述的第一、第二和第三金屬線。也在意料之中的是，可以適宜地設(shè)定第一斷片11和第三斷片12的數(shù)目，以及它們相對(duì)于所述芯15延伸方向的預(yù)定角度。
以下描述使用這種三維電感線圈(三維螺旋線圈)的變壓器結(jié)構(gòu)的示例。圖4是描述要裝入本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例半導(dǎo)體器件中的變壓器7的平面視圖。在變壓器7中，所述芯50在第二金屬布線層上最好具有帶角的環(huán)形(環(huán)形的)，而且將上述實(shí)施例的線圈5纏繞在芯50一側(cè)的周圍，與之分開(kāi)的第二線圈6與線圈5的結(jié)構(gòu)基本上相同，它被纏繞在所述芯50的相對(duì)一側(cè)，從而形成線圈5為主(或副)線圈，而第二線圈6為副(或主)線圈。于是，主線圈5所產(chǎn)生的磁通量(磁場(chǎng))通過(guò)芯50被傳送到副線圈6。其芯為環(huán)形而不斷開(kāi)的變壓器7具有很小的磁場(chǎng)泄漏，它的主線圈與副線圈是緊密聯(lián)系的。圖4中的Ina和OUTa為主線圈5的輸入端和輸出端，而Inb和OUTb為副線圈6的輸入端和輸出端。
以下將描述一種半導(dǎo)體器件，其中的主副線圈的聯(lián)系比較緊密，用以增大變壓器的效率，提高互感值。圖5是的描述擬被裝入本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施例半導(dǎo)體器件中的變壓器8的平面圖。這種半導(dǎo)體器件包括沿厚度方向布置在不同位置的第一、第二和第三金屬布線層，用于與各半導(dǎo)體元件電連接。在所述各金屬布線層之間分別設(shè)置層間絕緣膜22和23。在變壓器8中，主線圈60由以下各部形成在沿厚度方向位于中間的第二金屬布線層處具有基本上呈棒狀結(jié)構(gòu)的芯65、沿厚度方向位于下部的第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片61，以及沿厚度方向位于上部的第三金屬布線層的多個(gè)第三斷片62。恰與這個(gè)主線圈60一樣，副線圈70包括多個(gè)第一斷片71和第三斷片72。具體地說(shuō)，構(gòu)成主線圈60的各第一斷片61與所述芯65重疊，并且互相之間的間隙平行或基本上互相平行地布置，而且相對(duì)于芯65延伸的方向按預(yù)定角度，如60°被布置著。按同樣的方式，各第三斷片62與所述芯65重疊，并且互相平行或基本上互相平行地布置，而且相對(duì)于芯65延伸的方向按預(yù)定角度，如60°被布置著，以與第一斷片61軸對(duì)稱。將斷片61和62布置成使得斷片61和62的端部在重疊區(qū)域互相重疊，并且多個(gè)連接孔64設(shè)置在層間絕緣膜22中，同時(shí)還將多個(gè)連接孔63設(shè)置在重疊區(qū)域內(nèi)的層間絕緣膜22中。另外，在部分第二金屬布線層處設(shè)置多個(gè)連接片66，以便通過(guò)各連接孔64和63與斷片61和62接觸并連接。因此，通過(guò)交替地串聯(lián)連接多個(gè)第一斷片61和第三斷片62，形成三維螺旋線圈60，并使這個(gè)線圈60形成為具有圍繞芯65結(jié)構(gòu)的主線圈65。按照與主線圈60基本上相同的方式，設(shè)置第一斷片71和第三斷片72、連接孔74和73以及連接片76，用以構(gòu)成副線圈70，并通過(guò)交替地串聯(lián)連接多個(gè)第一斷片71和第三斷片72，形成三維螺旋線圈70，并使這個(gè)線圈70形成為具有圍繞芯65結(jié)構(gòu)的副線圈75。一個(gè)重要的特點(diǎn)是，構(gòu)成主線圈60的第一斷片61和第三斷片62，以及構(gòu)成副線圈70的第一斷片71和第三斷片72都是關(guān)于芯65的延伸方向交替定位的。換句話說(shuō)，沿著芯65的延伸方向，所述副線圈70幾乎被包含在所述主線圈60的長(zhǎng)度內(nèi)。圖5中的Ina和OUTa為主線圈60的輸入端和輸出端，而Inb和OUTb為副線圈70的輸入端和輸出端。
在這個(gè)變壓器8中，所述主線圈與副線圈交替地纏繞，并且彼此極為接近，從而可以進(jìn)一步防止由于磁場(chǎng)泄漏所引致的互感值的減小。所述芯65最好具有圖5中所示的棒形結(jié)構(gòu)，但最好像上面所說(shuō)的那樣可為環(huán)形的?？梢圆捎脙蓚€(gè)或多個(gè)副線圈。毋庸贅言，可以適當(dāng)?shù)卦O(shè)定主線圈和副線圈的匝數(shù)，也即每個(gè)斷片的數(shù)目，以及每個(gè)斷片與芯65的延伸方向的預(yù)定角度。
當(dāng)半導(dǎo)體器件只有兩層(第一和第二)金屬布線層時(shí)，通過(guò)交替地串聯(lián)連接設(shè)在部分第一金屬布線層處的多個(gè)第一斷片和設(shè)在部分第二金屬布線層處的多個(gè)第二斷片，就像變壓器8的各線圈那樣，成為主線圈和副線圈，可以形成無(wú)芯的變壓器。在這種情況下，所述主線圈與副線圈同樣交替地纏繞，并且彼此極為接近，從而可以進(jìn)一步防止由于磁場(chǎng)泄漏所引致的互感值的減小，并提高變壓器的效率。
本發(fā)明并不限于上述各優(yōu)選實(shí)施例，而可在權(quán)利要求書(shū)中限定的范圍內(nèi)以各種方式改變它的設(shè)計(jì)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)半導(dǎo)體元件；沿厚度方向布置在不同位置的第一、第二和第三金屬布線層，用于與所述各半導(dǎo)體元件電連接；布置在沿厚度方向位于中部的所述第二金屬布線層上的芯；與所述芯重疊并且基本上互相平行并相對(duì)于所述芯延伸的方向按預(yù)定角度布置的第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片；以及與所述芯重疊并且基本上互相平行并相對(duì)于所述芯延伸的方向按預(yù)定角度布置的第三金屬布線層的多個(gè)第三斷片；其中所述多個(gè)第一斷片和第三斷片串聯(lián)交替連接，確定第一螺旋線線圈，并由所述線圈和芯確定一個(gè)電感線圈。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述第二金屬布線層中包含高磁導(dǎo)率物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述芯基本上成有角度的環(huán)形，與所述芯重疊的第二螺旋線圈與所述第一螺旋線圈分開(kāi)設(shè)置，還設(shè)置一個(gè)變壓器，其主線圈或者副線圈之一為所述第一螺旋線圈，而所述主線圈或者副線圈中的另一個(gè)為所述第二螺旋線圈。
4.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，與所述芯重疊的第二螺旋線圈與所述第一螺旋線圈分開(kāi)設(shè)置；設(shè)置一個(gè)變壓器，其主線圈或者副線圈之一為所述第一螺旋線圈，而所述主線圈或者副線圈中的另一個(gè)為所述第二螺旋線圈；并且構(gòu)成主線圈的第一斷片和第三斷片與構(gòu)成副線圈的第一斷片和第三斷片關(guān)于沿芯延伸的方向交替定位。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述芯基本上成有角度的環(huán)形。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，還包括分別設(shè)置在所述第一、第二和第三金屬布線層之間的多個(gè)層間絕緣膜。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述芯基本上成有角度的環(huán)形。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述預(yù)定角度近似為60°。
9.一種半導(dǎo)體器件，包括多個(gè)半導(dǎo)體元件；沿厚度方向布置在不同位置的第一和第二金屬布線層，用于與所述各半導(dǎo)體元件連接；第一金屬布線層的多個(gè)第一斷片基本上互相平行地布置；以及第二金屬布線層的多個(gè)第二斷片基本上互相平行地布置；其中，通過(guò)交替地串聯(lián)連接所述多個(gè)第一斷片和第二斷片中的每一個(gè)，確定第一螺旋線圈；并通過(guò)交替地串聯(lián)連接所述多個(gè)第一斷片和第二斷片的每一個(gè)形成與第一螺旋線圈分開(kāi)的第二螺旋線圈；設(shè)置一個(gè)變壓器，它的主線圈或者副線圈之一為所述第一螺旋線圈，而所述主線圈或者副線圈中的另一個(gè)為所述第二螺旋線圈；并且使構(gòu)成所述主線圈的各第一斷片和第二斷片以及構(gòu)成副線圈的各第一斷片和第二斷片關(guān)于所述主線圈及副線圈的延伸方向交替地定位。
全文摘要
一種半導(dǎo)體器件，無(wú)需任何特殊措施，可增大具有三維螺旋線圈之電感線圈的效率并增大電感值。所述半導(dǎo)體器件包括多個(gè)半導(dǎo)體元件和要被用于構(gòu)成半導(dǎo)體元件的第一、第二和第三金屬布線層，布置在的第二金屬布線層上的芯，以及線圈；其中所述第一金屬布線層的多個(gè)斷片和第三金屬布線層的多個(gè)斷片通過(guò)連接孔交替地串聯(lián)連接，圍繞所述的芯確定螺旋線線圈。
文檔編號(hào)H01L21/822GK1610112SQ200410086908
公開(kāi)日2005年4月27日 申請(qǐng)日期2004年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月24日
發(fā)明者秦野裕之 申請(qǐng)人:羅姆股份有限公司