專利名稱：螺旋電感結(jié)構(gòu)及其制備方法與封裝結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一般螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法，且特別涉及一種具有高品質(zhì)
因數(shù)(Q)的螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法、螺旋電感結(jié)構(gòu)、以及利用該電感結(jié) 構(gòu)為封裝元件的封裝裝置。
背景技術(shù)：
電感是一種阻抗裝置， 一般包括線圈，且可具有核心，使得電子電路具 有電感值。變壓器(transformer)與電抗器(inductive reactor)兩者都屬于電 感。各種電感被核心材料(如亞鐵鹽)包覆，形成如線圈的形狀。通過核心 材料的磁導(dǎo)率(permeability)可增加既有線圈的電感值(inductance)。該核 心一般以條狀或是環(huán)狀的形狀存在。為了得到高電感值，線圈一般會繞很多 圈。將線圈纏繞于封閉鐵回路或是亞鐵鹽核心上更可增加電感值。為了盡可 能獲得純的電感值，纏繞線圈的直流電阻應(yīng)該降到最低。
電感結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于半導(dǎo)體裝置上。微電子或半導(dǎo)體裝置一般由半導(dǎo) 體基材制備而成，其上形成圖案化導(dǎo)體層且被介電層分隔。隨著微電子技術(shù) 的進(jìn)步，整合度與功能化的程度也提升，所以不只是傳統(tǒng)微電子或半導(dǎo)體結(jié) 構(gòu)(如晶體管、電阻器、二極管或電容)可用于半導(dǎo)體裝置，非傳統(tǒng)的結(jié) 構(gòu)(如電感)也可用于半導(dǎo)體或是微電子裝置。在半導(dǎo)體或微電子裝置中， 特別是應(yīng)用于高頻率的應(yīng)用，如移動通信，時常需要在半導(dǎo)體或微電子裝置 上應(yīng)用電感結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)有技術(shù)中已公開各種微電子導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，很多結(jié)構(gòu)具有螺旋設(shè)計(jì)，其在 電感平面上具有一圈或多圈螺旋。例如美國專利號US5396101公開一種平 面螺旋微電子電感結(jié)構(gòu)，其中心為核心層。
美國專利號US6002161公開一種半導(dǎo)體裝置，包括電感元件，其包括 螺旋結(jié)構(gòu)的第一導(dǎo)體薄膜圖案，其形成于半導(dǎo)體基材的主要表面上；隔絕的 第二導(dǎo)電薄膜圖案，經(jīng)由層間絕緣層的接觸洞電性連接到第一導(dǎo)電薄膜圖案，并且以重疊關(guān)系延伸至該第一導(dǎo)電薄膜圖案。
美國專利號US6287932公開由一種半導(dǎo)體基材制成的螺旋電感，其具有 大的電感值但只占據(jù)小的表面積。磁性材料形成于電感之上或之下，用以增 加電感的電感值。磁性材料也扮演屏障層，其將產(chǎn)生于螺旋導(dǎo)體的電子噪聲 限制于該螺旋電感所占據(jù)的面積上。通過堆疊式(stacked)螺旋電感之間的 一層磁性材料，可使堆疊式螺旋電感的一對電感值增加。
上述所有的方法都具有相同的目標(biāo)，亦即增加電感的品質(zhì)因數(shù)(Q), 得到最大的電感值，以及降低電感上方的表面積。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知， 微電子電感結(jié)構(gòu)的Q值一般是以電感結(jié)構(gòu)中的能量儲存電容(energy storage
capacity)與功率消耗(powerdissipation)的比例表示的。由于傳統(tǒng)電感需要 足夠的裝置空間，并且因電感復(fù)雜的線圈結(jié)構(gòu)造成制備上的困難，因此，傳 統(tǒng)電感具有低品質(zhì)因數(shù)。
因此，業(yè)界亟需改良的螺旋電感結(jié)構(gòu)，其具有高品質(zhì)因數(shù)，能整合于IC 芯片上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的之一就是提供一種具有增加品質(zhì)因數(shù)的電感結(jié)構(gòu)的制備方 法。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，該方法包括提供基材，在該基材上方形成螺 旋圖案化導(dǎo)體層，以制成平面螺旋導(dǎo)體。介層洞形成于螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi) 部的基材中，該介層洞由硅通孔(through silicon via)技術(shù)制成。因此，該介 層洞被核心層填充，其中該核心層從該基材下表面延伸到上表面。
上述螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法中，該介層洞可通過硅通孔技術(shù)制成。 上述螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法中，該核心層可由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成。 本發(fā)明的再一目的就是提供一種螺旋電感結(jié)構(gòu)，該螺旋電感結(jié)構(gòu)包括 基材；螺旋圖案化導(dǎo)體層，形成于基材上，該螺旋圖案化導(dǎo)體層形成平面螺 旋導(dǎo)體；介層洞，形成于該螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中；以及核心層， 由填充該介層洞而得，其中該核心層從該基材的下表面延伸到上表面。 上述螺旋電感結(jié)構(gòu)中，該介層洞可通過硅通孔技術(shù)制成。 上述螺旋電感結(jié)構(gòu)中，該核心層可由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成。 上述螺旋電感結(jié)構(gòu)中，該高導(dǎo)磁材料可包括鐵、鎳、錳鋅亞鐵鹽、鎳鋅亞鐵鹽、鎳鐵亞鐵鹽、鎳銅鋅合金、其他亞鐵鹽、磁屏蔽材料或磁屏蔽合 金。
上述螺旋電感結(jié)構(gòu)中，該核心層可包括多個彼此分開且絕緣的個別元件。 本發(fā)明的另一目的是提供一種封裝結(jié)構(gòu)，該封裝結(jié)構(gòu)包括基材，其上 形成一裝置；螺旋圖案化導(dǎo)體層，形成于該基材之上，該螺旋圖案化導(dǎo)體層 形成平面螺旋導(dǎo)體；介層洞，形成于該螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中；以 及核心層，由填充該介層洞而得，其中該核心層從該基材的下表面延伸到上 表面。
上述封裝結(jié)構(gòu)中，該介層洞可通過直通硅晶穿孔技術(shù)制成。 上述封裝結(jié)構(gòu)中，該核心層可由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成。
上述封裝結(jié)構(gòu)中，該高導(dǎo)磁材料可包括鐵、鎳、錳鋅亞鐵鹽、鎳鋅亞 鐵鹽、鎳鐵亞鐵鹽、鎳銅鋅合金、其他亞鐵鹽、磁屏蔽材料或磁屏蔽合金。
上述封裝結(jié)構(gòu)中，該核心層可包括多個彼此分開且絕緣的個別元件。
為讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征、和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉 出優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖，作如下詳細(xì)說明。
本發(fā)明能夠提高螺旋電感結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)，并可將其整合于IC芯片上。


圖1為本發(fā)明一個實(shí)施例的電感結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖2為圖1的電感結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖3為本發(fā)明另一實(shí)施例的電感結(jié)構(gòu)的平面圖。
圖4為圖3的電感結(jié)構(gòu)的剖面圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下
10 ~電感結(jié)構(gòu)
15 ~導(dǎo)體層
20 ~基材
22 ~基材上表面
24 ~基材下表面
30a 第一焊盤
30b 第二焊盤
640 ~核心層 50 ~介電層
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明已以數(shù)個優(yōu)選實(shí)施例公開于以下說明書中，然而其并非用以限定 本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可作任意的更動與修改。在一些例子中，為了避免混淆本發(fā)明，已 知的結(jié)構(gòu)與工藝未進(jìn)行詳細(xì)說明。
在說明書中的參考例子中，"一種實(shí)施例"或"一個實(shí)施例"意思是指 本發(fā)明的至少一個實(shí)施例中特定的圖案、結(jié)構(gòu)或特征。因此，出現(xiàn)于說明書 中的用語，如"一種實(shí)施例"或"一個實(shí)施例"，不需要都代表相同的實(shí)施 例。甚至于，特殊的圖案、結(jié)構(gòu)或特征可依任何適合的方法結(jié)合于一個或多 個實(shí)施例中。以下的圖案不是按照比例畫出的，這些圖案只是用于舉例說明。
請參見圖l，其顯示本發(fā)明一個實(shí)施例的電感結(jié)構(gòu)10的平面圖。該電感 結(jié)構(gòu)10制備于基材20之上，該基材可以是硅(Si)、絕緣層上硅 (silicon-on-insulator， SOI)或藍(lán)寶石硅(silicon-sapphire, SOS)。導(dǎo)體層15 通過傳統(tǒng)的工藝，包括但不限定于氣相沉積和濺鍍，形成于該基材之上。導(dǎo) 體層15由非磁性金屬和非磁性金屬合金組成，例如但不限于鋁、鋁合金、銅 和銅合金；導(dǎo)體材料，例如但不限于磁性金屬以及磁性金屬合金，如高導(dǎo)磁 合金。在一個實(shí)施例中，該導(dǎo)體層15以螺旋排列或大體上是方形。然而，應(yīng) 可了解的是該導(dǎo)體層15不限定于本實(shí)施例的形狀，而可以是圓形、正方形、 三角形、橢圓形或是更高階的多角形構(gòu)形。
應(yīng)可了解的是該導(dǎo)體線寬取決于設(shè)計(jì)上的需求與所使用的工藝。在一個 實(shí)施例中，導(dǎo)體層15的線寬范圍從2 pm到20 ^m。導(dǎo)體層15終止于第一焊 盤30a和第二焊盤30b，其中第一焊盤30a以底層通道連接到螺旋圖案化導(dǎo) 電層15的內(nèi)部，而第二焊盤30b形成于螺旋圖案化導(dǎo)電層15的外部。
形成該電感結(jié)構(gòu)10的核心層40之前，介層洞形成在介電層50中，且介 層洞為位于螺旋圖案化導(dǎo)電層15的中心凹洞。在本發(fā)明的一個實(shí)施例中，該 介層洞是由硅通孔技術(shù)(through silicon via, TSV)制成的。硅通孔技術(shù)是利 用蝕刻硅晶圓形成垂直通道之后，再填充金屬的工藝。這些孔洞允許多個芯片堆疊在一起，且允許不同的芯片元件堆疊更緊密，以用于更快、更小且功 率更低的系統(tǒng)。
形成介層洞之后，以核心層40填充介層洞。請參見圖2，圖2為圖1的 電感結(jié)構(gòu)的剖面圖，顯示中心核心層40被導(dǎo)體層15包圍。如圖1所示，核 心層40是平面的，整體實(shí)質(zhì)上是方形的，由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成，形成鐵磁材料， 例如鐵、鎳、錳鋅亞鐵鹽(MnZnferrite)、鎳鋅亞鐵鹽(NiZn ferrite)、 鎳鐵亞鐵鹽(NiFe ferrite)、鎳銅鋅合金(NiCuZn alloy)、其他亞鐵鹽(ferrite)、 磁屏蔽材料(mumetal)或磁屏蔽合金(mumetal alloy)。
在傳統(tǒng)的電感結(jié)構(gòu)中，核心層一般會部分延伸到基材內(nèi)，但不會全部從 基材的一端延伸到另一端。根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例，核心層40從基材20 的下表面24延伸到上表面22。由硅通孔技術(shù)形成核心層40，而該核心層40 從基材20的下表面24延伸到上表面22，因此本發(fā)明的電感結(jié)構(gòu)10可以增 進(jìn)其Q值。
如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知，品質(zhì)因數(shù)(Q)與電感值(L)相關(guān)，關(guān)系式如 式(1):
別5 (1) 其中R、 L與C分別代表電路的電阻、電感值和電容。 目前，選擇具有電流i (t)的電流回路(SS)。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律 (Biot-Savartlaw)，電流i (t)在r處建立磁通量密度
目前磁通量通過該回路包圍的表面S，得到式(2):
由此，可以用式(3)表示電流回路的電感值:內(nèi)自由空間中的磁導(dǎo)率(4兀xlO—7H/m)， IV電感中材料的相對磁導(dǎo)率，
電流回路元件的微分長度向量， ^從電流元件到電場點(diǎn)r的單位位移向量， r:從電流元件到電場點(diǎn)r的距離，
dA:表面積A的微分向量單元，數(shù)值無限小且方向垂直表面S。
由式(3)和固定形狀的電感得知，電感值L會隨著所選擇的^ (即電 感中材料的相對磁導(dǎo)率)而增加。由式(1)得知，L值越大，Q值越大。
圖3和圖4顯示平面圖和剖面圖，個別的電感結(jié)構(gòu)10中，核心層40被 分成很多小的、個別的元件，且彼此絕緣。這些小元件整體形成核心層40。 多個個別的核心層40可降低損失于變壓器或電感核心的渦流功率 (eddy-currentpower)。降低渦流功率的損失也可降低電感結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱。
在本發(fā)明的示范實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明制備的微電子電感結(jié)構(gòu)，磁性的 核心層40具有增加的Q值。雖然圖中顯示的核心層40為方形以符合螺旋圖 案化導(dǎo)體層15，但使用圓形螺旋線圈時，也可以是圓形或者是其他用于螺旋 形式無關(guān)的形狀。上述情況也適用于個別的核心層。
雖然本發(fā)明已通過數(shù)個優(yōu)選實(shí)施例公開如上，然而其并非用以限定本發(fā) 明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍 內(nèi)，應(yīng)當(dāng)可作任意的更動與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求 為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1. 一種螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟提供基材；在該基材上方形成螺旋圖案化導(dǎo)體層，該螺旋圖案化導(dǎo)體層形成平面螺旋導(dǎo)體；在該螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中形成介層洞；以及以核心層填充該介層洞，其中該核心層從該基材的下表面延伸到上表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法，其中該介層洞是通過 硅通孔技術(shù)制成的。
3. 如權(quán)利要求1所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)的制備方法，其中該核心層是由高 導(dǎo)磁材料構(gòu)成的。
4. 一種螺旋電感結(jié)構(gòu)，包括 基材；螺旋圖案化導(dǎo)體層，形成于基材上，該螺旋圖案化導(dǎo)體層形成平面螺旋 導(dǎo)體；介層洞，形成于該螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中；以及 核心層，由填充該介層洞而得，其中該核心層從該基材的下表面延伸到 上表面。
5. 如權(quán)利要求4所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)，其中該介層洞是通過硅通孔技術(shù) 制成的。
6. 如權(quán)利要求4所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)，其中該核心層是由高導(dǎo)磁材料構(gòu) 成的。
7. 如權(quán)利要求4所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)，其中該高導(dǎo)磁材料包括鐵、鎳、 錳鋅亞鐵鹽、鎳鋅亞鐵鹽、鎳鐵亞鐵鹽、鎳銅鋅合金、其他亞鐵鹽、磁屏蔽 材料或磁屏蔽合金。
8. 如權(quán)利要求4所述的螺旋電感結(jié)構(gòu)，其中該核心層包括多個彼此分開 且絕緣的個別元件。
9. 一種封裝結(jié)構(gòu)，包括 基材，其上形成一裝置；螺旋圖案化導(dǎo)體層，形成于該基材之上，該螺旋圖案化導(dǎo)體層形成平面螺旋導(dǎo)體；介層洞，形成于該螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中；以及 核心層，由填充該介層洞而得，其中該核心層從該基材的下表面延伸到 上表面。
10. 如權(quán)利要求9所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中該介層洞是通過直通硅晶穿孔 技術(shù)制成的。
11. 如權(quán)利要求9所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中該核心層是由高導(dǎo)磁材料構(gòu)成的。
12. 如權(quán)利要求9所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中該高導(dǎo)磁材料包括鐵、鎳、 錳鋅亞鐵鹽、鎳鋅亞鐵鹽、鎳鐵亞鐵鹽、鎳銅鋅合金、其他亞鐵鹽、磁屏蔽 材料或磁屏蔽合金。
13. 如權(quán)利要求9所述的封裝結(jié)構(gòu)，其中該核心層包括多個彼此分開且 絕緣的個別元件。
全文摘要
一種螺旋電感結(jié)構(gòu)及其制備方法與封裝結(jié)構(gòu)。在一個實(shí)施例中，所述方法包括提供基材，在該基材上方形成螺旋圖案化導(dǎo)體層，用以形成平面螺旋導(dǎo)體。介層洞形成于螺旋圖案化導(dǎo)體層內(nèi)部的基材中，該介層洞通過硅通孔技術(shù)制成。之后，以核心層填充該介層洞，其中該核心層從該基材的下表面延伸到上表面。本發(fā)明能夠提高螺旋電感結(jié)構(gòu)的品質(zhì)因數(shù)，并可將其整合于IC芯片上。
文檔編號H01F17/00GK101447275SQ200810086309
公開日2009年6月3日 申請日期2008年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月29日
發(fā)明者張仕承, 李惠宇 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司