TWI394186B - 一種線圈電感之形成方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種線圈電感之形成方法，且特別是有關於一種減少能量損失之線圈電感之形成方法。
傳統的電感製造方式，係利用導電物質，形成一線圈於矽基板上。線圈可為一形成於介電膜上之螺旋狀結構。如第1圖所示，一螺旋狀電感之俯視圖。傳統的螺旋狀電感為一螺旋狀結構之電感線圈102平躺於一基板表面104，線圈102之兩端點106及108分別電性連接於一轉接墊。流經電感線圈102之電流產生一電感值L及一品質因數Q。同時，亦會產生一流於基板，稱為渦電流(Eddy current)之微小電流。
渦電流可視為在基板上耗費之功率，並產生了電感的能量損失，降低品質因數Q，即電感之效能。品質因數Q定義為電感內儲存之能量與電感之功率損耗之比值。因此，當渦電流產生之功率損耗變大，更多的品質因數Q將因此降低。因此，製造矽基板上之電感的挑戰常來自於如何降低渦電流之產生。
因此，如何設計一個能減少渦電流，進而使品質因數上升的電感結構，乃為此一業界亟待解決的問題。
因此本發明的目的就是在提供一種線圈電感之形成方法，其中該線圈電感係為一螺線管狀之結構，該形成方法包含下列步驟：形成複數個底部導電結構於一第一介電層上；形成複數對側部導電結構，其中每對側部導電結構係分別直立形成於每一底部導電結構之一第一端點及一第二端點上；形成一第二介電層於該第一介電層上，該第二介電層係覆蓋該等底部導電結構及側部導電結構；以及形成複數個頂部導電結構於該第二介電層上，其中每一頂部導電結構係電性連接於每一對側部導電結構；該等底部導電結構、側部導電結構及頂部導電結構共同形成該線圈電感結構。
本發明的又一目的是在提供一種線圈電感之形成方法，其中該線圈電感係為一螺旋狀之結構，該形成方法包含下列步驟：形成一光阻層於一第一介電層上；圖案化該光阻層俾形成一螺旋狀圖案；根據該螺旋狀圖案電鍍一導電螺旋狀結構於該第一介電層上；移除該光阻層；以及形成一鐵磁心於該導電螺旋狀結構之中心。
雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
一般來說，一接近一電感之物質所感受到之電場強度，係與電感及物質間的距離成反比。根據馬克士威方程式(Maxwell’s equations)，可以導證出一電感外之電場，係與其距離成反比。此關係可以自電感在低頻率、電場計算點在一非導體內時輕易導出，然而當電感操作於高頻率且電場計算點在一導體，如一矽基板內時，推導過程將複雜許多。然而，不論操作頻率及所在物質是否為導電物質，當一個物體離一帶電粒子愈遠，物體所感受到之磁場愈小。因此，基板內之渦電流將可藉由增加線圈電感及基板間之距離而減少。
請操考第2圖，係為一經由本發明之第一實施例之形成方法所製造之線圈電感之立體圖。於本實施例中，線圈電感200可為一藉由一第一介電層202，而與基板206間隔一距離之螺線管狀之結構204。於第2A圖中，係繪示線圈電感在形成方法之第一個步驟後，沿著A線之剖面圖。在第一步驟中，提供一具有二終端接點208之矽基板206。二終端接點208係為二金屬接點。形成在二終端接點208上的，是兩個導電連接件210，並分別再電性連接於將形成之線圈電感之兩端。兩個導電連接件210係由一微影製程及一電鍍製程形成。其中電鍍製程可為一銅電鍍製程。一第一介電層202接著形成於基板206上方並覆蓋導電連接件210。第一介電層202係至少具有5um之厚度，以使基板206及導電線圈電感結構204間具有一足夠之間隔距離。當第一介電層202形成後，導電線圈電感結構204即形成於其上。其中，第一介電層係由環氧化物或多氨基化物形成。
請參考第2B圖，係繪示線圈電感在形成方法之第二個步驟後，沿著A線之剖面圖。第二步驟包含形成形成複數個底部導電結構212於一第一介電層上202。底部導電結構212係由金屬，如銅，電鍍於第一介電層202上，且最外部兩側之底部導電結構212係分別電性連接於二導電連接件210。對照第2圖，導電線圈電感結構204係為一切面為方形之螺線管狀結構，而底部導電結構212則為導電線圈電感結構204之底側。
接著參考第2C圖，係繪示線圈電感在形成方法之第三個步驟後，沿著A線之剖面圖。於第三步驟中，複數對側部導電結構214分別直立形成並電性連接於每一底部導電結構212之一第一端點及一第二端點上。側部導電結構214之形成過程，係先藉由形成一層光阻於第一介電層202上，其中此光阻層可為一乾膜光阻層。接著，圖案化光阻層以形成複數個開孔，最後，藉由金屬，如銅，電鍍於開孔中，以形成側部導電結構214。對照第2圖，側部導電結構214係為螺線管狀結構之導電線圈電感結構204之兩側。
接著參考第2D圖，係繪示線圈電感在形成方法之第四個步驟後，沿著A線之剖面圖。於第四步驟中，光阻層被移除以曝露出側部導電結構214及底部導電結構212。在第五步驟，如第2E圖所示，一第二介電層218形成於該第一介電層202上並覆蓋底部導電結構212及側部導電結構214。第二介電層218係由環氧化物或多氨基化物形成。第二介電層218接著經由一研磨(polishing)過程而曝露出側部導電結構214。
在最後一步驟中，如第2F圖所示，係形成複數個頂部導電結構220於第二介電層218上，其中每一頂部導電結構220係電性連接於每一對側部導電結構214；底部導電結構212、側部導電結構214及頂部導電結構220共同形成線圈電感結構204。因此，電流可由二終端接點208流過導電線圈電感結構204。頂部導電結構220係由一微影製程及一電鍍製程形成，如形成一層光阻於第二介電層218上，以蝕刻方式圖案化光阻層，藉由金屬電鍍於蝕刻出的圖案中，再移除光阻層。並且，在形成任何導電結構於第一及第二介電層202及218上之前，介電層上均可先形成一種子層(seed layer，未繪示)。
本發明之第二實施例中，係將一鐵磁心302植入線圈電感200之中心。請參考第3圖，係為一經由本發明之第二實施例之形成方法所製造之線圈電感之立體圖。藉由本實施中，穿過線圈中心之鐵磁心，電感之值將因鐵磁心之磁導率而改變，品質因數Q也將因此改變。更高的品質因數，係代表較少的能量損失，即由渦電流所消耗之能量減少。此關係可由下列方程式表示：
其中L係為線圈電感之電感值，μ 0
係為真空之磁導率，μ r
係為鐵磁心之磁導率，N為線圈之紮數，A為線圈切面之面積，單位為平方公尺，l為線圈之長度，單位為公尺，Q為品質因數，w為頻率，R為電阻值。
因此，如L值因為植入一具有高磁導率之鐵磁心而增加，品質因數亦隨之增加。
請參考第3A圖，係繪示線圈電感在第一實施例之形成方法之第五個步驟後，沿著B線之剖面圖。第二介電層218被蝕刻形成一溝槽304，以進行鐵磁心302之植入。於另一實施例中，亦可不形成溝槽304，而直接將鐵磁心302置於第二介電層218之表面上。
請參考第3B圖，係繪示第一實施例之線圈電感200沿著B線之剖面圖。一光阻層306形成於第二介電層218之上，接著光阻層306被蝕刻以曝露出溝槽304。更進一步地，鐵磁心302藉由一電鍍過程而植入於溝槽304。鐵磁心係由鐵、鎳或鈷或其組合形成。
下一個步驟係如第3C圖所示，光阻306接著再被蝕刻以曝露出側部導電結構214。複數個側部導電結構延伸部308形成於蝕刻出的空間中，以垂直地延伸側部導電結構214，使側部導電結構214之高度超過鐵磁心306之高度。
如第3D圖所示，光阻306被移除。於此步驟，一在光阻306形成前已形成於第二介電層218上之種子層(未繪示)亦被蝕刻。
接著請參考第3E圖，一第三介電層310形成於第二介電層218上並覆蓋鐵磁心302及側部導電結構延伸部308。第三介電層310接著進行一研磨過程以曝露側部導電結構延伸部308。第三介電層310係由環氧化物或多氨基化物形成，與第二介電層218共同包覆住鐵磁心302。鐵磁心302因此與導電線圈電感結構204絕緣。
第3F圖中，導電線圈電感結構204係在沉積一種子層(未繪示)於第三介電層310上，且光阻312被蝕刻以電鍍形成頂部導電結構220後完成。頂部導電結構220電性連接於側部導電結構延伸部308。
最後，第3G圖繪示本發明第二實施例之形成方法所形成之具鐵磁心302之線圈電感200，沿B線之剖面圖。光阻層312被移除，且種子層(未繪示)被蝕刻掉。
更進一步地，請參考第4圖，本發明之第三實施例中，一具有一鐵磁心408之螺旋狀線圈電感之俯視圖。於本實施例中，形成於第一介電層202上的，是一具有螺旋狀之結構，可藉由一微影製程及一電鍍製程形成。請參考第4A圖，本發明之第三實施例，在形成二導電連接件210及第一介電層202後，沿C線之剖面圖。光阻402在一種子層(未繪示)沉積在第一介電層202上後形成，並接著被蝕刻使第一介電層202之部份上表面曝露以進行電鍍過程。
接著如第4B圖所示，導電螺旋層404經由電鍍形成於上述曝露之區域並與二導電連接件210相電性連接。第4C圖中，光阻層402被移除。如不進行鐵磁心之製程，此時即蝕刻種子層而完成線圈電感之製造。然而，如欲植入一鐵磁心，將再進行一微影過程。
請參考第4D圖，一光阻層406形成於第一導電層202上並覆蓋導電螺旋層404。光阻層406接著被圖案化以形成一開口於導電螺旋層404之中心。
接著如第4E圖所示，一鐵磁心408被電鍍入開口中。鐵磁心408，係由鐵、鎳或鈷或其組合形成。最後如第4F圖所示，光阻層406被移除，且種子層(未繪示)被蝕刻而完成線圈電感之形成過程。
上述之本發明之實施例提供一可藉由第一導電層202及二導電連接件210以降低基板中之渦電流之線圈電感。因此，當第一介電層202之厚度超過5um，渦電流將可大幅降低。鐵磁心亦可被植入線圈電感之中心以提供高電感值，並進一步再降低能量損耗。
第5圖繪示一形成於一積體電路晶片中之一線圈電感，係為積體電路晶片500之剖面圖，包含一電晶體層502、一金屬層504、一金屬層間介電層(inter－metal dielectric；IMD)506、連接點508、一鈍化層510(passivation layer)、一介電層512、一導電線圈結構514及一鐵磁心516。電晶體層係為一包含電晶體518之矽基板。電晶體518係電性連接於金屬層504形成之一電容，其中金屬層504由金屬層間介電層506與電晶體518隔開。金屬層504藉由連接點508，如金屬連接點及鈍化層510以與嵌入於介電層512之導電連接件520相連接。導電線圈結構514接著形成於介電層512上，導電連接件520間以一產生一電感。如前述之實施例所示，鐵磁心516可由電鍍形成於導電線圈結構514之中心以增加電感之感值。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102．．．電感線圈
104．．．基板表面
106、108．．．端點
200．．．線圈電感
202．．．第一介電層
204．．．導電線圈電感結構
206．．．矽基板
208．．．終端接點
210．．．導電連接件
212．．．底部導電結構
214．．．側部導電結構
218．．．第二介電層
220．．．頂部導電結構
302．．．鐵磁心
304．．．溝槽
306．．．光阻層
308．．．側部導電結構延伸部
310．．．第三介電層
312．．．光阻
402．．．光阻
404．．．導電螺旋層
406．．．光阻層
408．．．鐵磁心
500．．．積體電路晶片
502．．．電晶體層
504．．．金屬層
506．．．金屬層間介電層
508．．．連接點
510．．．鈍化層
512．．．介電層
514．．．導電線圈結構
516．．．鐵磁心
518．．．電晶體
520．．．導電連接件
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：第1圖係先前技術中一螺旋狀電感之俯視圖。
第2圖係為一經由本發明之第一實施例之形成方法所製造之線圈電感之立體圖；第2A－2F圖係為線圈電感在本發明之第一實施例之形成方法之各步驟後，沿著A線之剖面圖；第3圖係為一經由本發明之第二實施例之形成方法所製造之線圈電感之立體圖；第3A－3G圖係為具有鐵磁心之線圈電感在本發明之第二實施例之形成方法之各步驟後，沿著B線之剖面圖；第4圖係為本發明之第三實施例中，一具有一鐵磁心之螺旋狀線圈電感之俯視圖；第4A－4F圖係為線圈電感在本發明之第三實施例之形成方法之各步驟後，沿著C線之剖面圖；以及第5圖係為一積體電路晶片之剖面圖。
200．．．線圈電感
202．．．第一介電層
204．．．導電線圈電感結構
206．．．矽基板
208．．．終端接點
210．．．導電連接件
212．．．底部導電結構
214．．．側部導電結構
218．．．第二介電層
220．．．頂部導電結構
Claims (20)
- 一種線圈電感之形成方法，其中該線圈電感係為一螺線管狀之結構，該形成方法包含下列步驟：形成複數個底部導電結構於一第一介電層上；形成複數對側部導電結構，其中每對側部導電結構係分別直立形成於每一底部導電結構之一第一端點及一第二端點上；形成一第二介電層於該第一介電層上，該第二介電層係覆蓋該等底部導電結構及側部導電結構；以及形成複數個頂部導電結構於該第二介電層上，其中每一頂部導電結構係電性連接於每一對側部導電結構；該等底部導電結構、側部導電結構及頂部導電結構共同形成該線圈電感結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，更包含下列步驟：提供一矽基板；以及形成該第一介電層於該矽基板上。
- 如申請專利範圍第2項所述之形成方法，其中該矽基板包含二終端接點該矽基板上。
- 如申請專利範圍第3項所述之形成方法，其中該二終端接點係為轉接墊。
- 如申請專利範圍第3項所述之形成方法，更包含一步驟：形成二導電連接件於該二終端接點上，其中該線圈結構之兩端點係分別連接於該二導電連接件上。
- 如申請專利範圍第5項所述之形成方法，其中該二導電連接件係由一銅電鍍(copper-plating)製程形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中該第一介電層係至少為5um厚。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中該第一介電層係由環氧化物(epoxy)或多氨基化物(polyamide)形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中該第二介電層係由環氧化物(epoxy)或多氨基化物(polyamide)形成。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，其中該等底部導電結構、側部導電結構及頂部導電結構係由一微影(lithography)製程及一電鍍(plating)製程形成。
- 如申請專利範圍第10項所述之形成方法，其中該微影製程係使用一乾膜光阻層(dry film resist layer；DFR layer)。
- 如申請專利範圍第10項所述之形成方法，其中該電鍍製程係係為一銅電鍍製程。
- 如申請專利範圍第1項所述之形成方法，更包含一步驟：形成一鐵磁心(ferromagnetic core)於該線圈電感結構之中心。
- 如申請專利範圍第13項所述之形成方法，其中該鐵磁心係由鐵、鎳或鈷或其組合形成。
- 如申請專利範圍第13項所述之形成方法，其中該鐵磁心係於該第二介電層形成後，由一微影製程及一電鍍製程形成。
- 如申請專利範圍第15項所述之形成方法，更包含一步驟：蝕刻該第二介電層俾形成一溝槽於該第二介電層上，俾使該鐵磁心之一部份嵌入該溝槽中。
- 一種線圈電感之形成方法，其中該線圈電感係為一螺旋狀之結構，該形成方法包含下列步驟： 形成一光阻層於一第一介電層上；圖案化該光阻層俾形成一螺旋狀圖案；根據該螺旋狀圖案電鍍一導電螺旋狀結構於該第一介電層上；移除該光阻層；以及形成一鐵磁心於該導電螺旋狀結構之中心。
- 如申請專利範圍第17項所述之形成方法，更包含下列步驟：提供一矽基板；以及形成該第一介電層於該矽基板上。
- 如申請專利範圍第18項所述之形成方法，其中該矽基板包含二終端接點該矽基板上。
- 如申請專利範圍第19項所述之形成方法，更包含一步驟：形成二導電連接件於該二終端接點上，其中該導電螺旋狀結構之兩端點係分別連接於該二導電連接件上。
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