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一種集成螺線管型雙層磁膜電感及其制備方法與流程

文檔序號:11586686閱讀:893來源:國知局
一種集成螺線管型雙層磁膜電感及其制備方法與流程

本發(fā)明屬于集成電路工藝領(lǐng)域,具體涉及一種集成螺線管型雙層磁膜電感及其制備方法,用于提升感值密度和品質(zhì)因素。



背景技術(shù):

電感是三大無源器件(電感、電阻、電容)之一,在rfic電路中具有重要地位,但是它的集成度已經(jīng)成為了制約rfic集成的瓶頸。目前,國際上有許多著名公司和科研機(jī)構(gòu)如英特爾、ibm、愛爾蘭tyndall國家實(shí)驗(yàn)室、美國ferric公司、斯坦福大學(xué)等均將磁芯膜引入電感中以提升感值密度,磁芯的高頻性能直接決定了電感的性能。

從目前的研究情況來看,集成螺線管型微電感均采用了單層磁芯膜工藝,如文獻(xiàn)《leedw,hwangkp,wangsx.fabricationandanalysisofhigh-performanceintegratedsolenoidinductorwithmagneticcore[j].ieeetransactionsonmagnetics,2008,44(11):4089-4095》中公開硅上集成螺旋管型微電感,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,首先在表面有二氧化硅層的硅基片上電鍍下層線圈、并用第一層pi層進(jìn)行隔離,然后于pi層上設(shè)置磁芯膜、并用第二層pi層進(jìn)行隔離,最后電鍍上層線圈。類似的還包括美國ferric公司公開的螺線管型微電感。該結(jié)構(gòu)中的缺陷如下:其一,下層線圈離硅基底太近,由于半導(dǎo)體硅的介電損耗較高,在高頻段形成寄生電容,導(dǎo)致較大的襯底損耗;其二,在制備過程中,拋光工藝拋光處距離下層線圈表面太近,極易對下層線圈造成破壞;其三,該結(jié)構(gòu)采用單層磁芯膜,其感值密度的提升仍然有限?;诖?,如何克服上述缺陷,進(jìn)一步提升感值密度和品質(zhì)因素成為本發(fā)明的重點(diǎn)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于提供一種集成螺線管型雙層磁膜電感及其制備方法,采用雙層磁芯膜結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提升電感感值密度,避免襯底損耗;同時(shí),其制備工藝簡單、有效避免雙層磁芯膜結(jié)構(gòu)帶來的平坦化問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:

一種集成螺線管型雙層磁膜電感,包括硅襯底、下層磁芯膜、深埋層、下層線圈、上層磁芯膜、絕緣層及上層線圈;其特征在于,所述下層磁芯膜設(shè)置于硅襯底上,深埋層覆蓋于硅襯底上、并將下層磁芯膜深埋,所述深埋層上表面還開設(shè)有下層線圈凹槽,所述下層線圈對應(yīng)設(shè)置于下層線圈凹槽內(nèi);所述上層磁芯膜位于深埋層上,所述上層線圈位于上層磁芯膜上,上層磁芯膜與深埋層之間、以及上層線圈與上層磁芯膜之間均設(shè)置絕緣層相隔離,所述上層磁芯膜及包覆上層磁芯膜的絕緣層均對應(yīng)于下層線圈凹槽開設(shè)通孔,用于上層線圈與下層線圈導(dǎo)通。

進(jìn)一步的,所述下層磁芯膜與硅襯底之間還設(shè)置有絕緣層。

所述深埋層采用pi(聚酰亞胺),厚度為10~100um。

所述下層磁芯膜和上層磁芯膜采用所述下層磁芯膜和上層磁芯膜采用nife合金、conbzr、cozrta、fecosib等非晶合金或者fecoxo、fecoxn等(x=si,hf,zr,ti,zn等)軟磁納米復(fù)合顆粒膜,厚度為1~10um。

所述下層線圈凹槽的深度為3~50um。

所述絕緣層采用sio2、si3n4或pi(聚酰亞胺),厚度為500nm-3um。

所述下層線圈和上層線圈采用cu或ag。

上述集成螺線管型雙層磁膜電感的制備方法,包括以下步驟:

步驟1、在硅襯底上采用反轉(zhuǎn)光刻膠光刻形成下層磁芯膜圖形,然后采用磁芯膜/sio2交替濺射形成磁芯膜,最后剝離反轉(zhuǎn)光刻膠后形成圖形化下層磁芯膜;

步驟2、在經(jīng)步驟1的硅襯底上旋涂一層pi、并亞胺化,形成深埋層;

步驟3、在深埋層上表面采用反轉(zhuǎn)光刻膠光刻形成下層線圈凹槽刻蝕掩膜圖形,并濺射一層鋁作為刻蝕掩膜,剝離反轉(zhuǎn)光刻膠后刻蝕形成下層線圈凹槽,并去除刻蝕掩膜;

步驟4、在步驟3形成下層線圈凹槽中電鍍形成下層線圈,并進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(cmp),將凹槽以外銅全部拋光干凈,使深埋層上表面平整;

步驟5、在經(jīng)步驟4的深埋層上表面旋涂一層pi、并亞胺化,作為絕緣層,在絕緣層上表面采用步驟1工藝制備上層磁芯膜,再次旋涂一層pi、并亞胺化,作為絕緣層覆蓋上層磁芯膜;

步驟6、采用光刻膠作通孔刻蝕掩蔽層,在步驟5形成上層磁芯膜和絕緣層上刻蝕通孔,并去除殘留光刻膠,然后再采用光刻膠光刻形成上層線圈圖形,并一次性電鍍形成通孔與上層線圈,使得下層線圈與上層線圈導(dǎo)通,即制備得所述集成螺線管型雙層磁膜電感。

本發(fā)明的有益效果在于:

本發(fā)明提供一種集成螺線管型雙層磁膜電感及其制備方法,采用雙層磁芯膜結(jié)構(gòu),硅襯底上添加一層下層磁芯膜,并設(shè)置深埋層將其作深埋處理,再于深埋層的上表面依次設(shè)置下層線圈、上層磁芯膜及上層線圈;其優(yōu)點(diǎn)在于:

1、該結(jié)構(gòu)中,通過后續(xù)拋光處理即能夠消除了下層磁芯膜造成的不平坦性,從而保證不影響原有磁芯膜(上層磁芯膜);同時(shí),由于深埋層(pi)厚度較厚,拋光工藝距離磁膜距離很遠(yuǎn),且磁芯膜線寬本身也較大,故拋光工藝并不會破壞下層磁芯膜;進(jìn)而,本發(fā)明采用雙層磁芯膜結(jié)構(gòu)即進(jìn)一步提高電感感值密度,又有效避免了因添加下層磁芯膜帶來的平坦化問題,也保證了器件性能的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明中,所述深埋層具有遠(yuǎn)小于硅基底的介電常數(shù)和介電損耗,能夠有效降低寄生電容損耗,即襯底損耗。

3、本發(fā)明中,將下層線圈設(shè)置于深埋層上開設(shè)的下層線圈凹槽中,使得其在拋光工藝中得到保護(hù),避免下層線圈的破壞,進(jìn)一步保證了器件性能的穩(wěn)定性。

4、從制備工藝上講,本發(fā)明結(jié)構(gòu)制備工藝中采用一次拋光,相比于單層磁膜螺旋管電感并沒有額外的拋光步驟;制備工藝簡單、制備成本低,有利于工業(yè)化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中單層磁膜螺旋管電感結(jié)構(gòu)分步示意圖。

圖2為本發(fā)明集成螺線管型雙層磁膜電感的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本發(fā)明集成螺線管型雙層磁膜電感制備工藝分步示意圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中集成螺線管型雙層磁膜電感與單層磁膜電感hfss仿真對比圖,其中,(a)為單層磁膜電感感值與q值,(b)為集成螺線管型雙層磁膜電感感值與q值。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本實(shí)施例提供一種集成螺線管型雙層磁膜電感,其結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括硅襯底、下層磁芯膜、深埋層、下層線圈、上層磁芯膜、絕緣層及上層線圈;所述下層磁芯膜設(shè)置于硅襯底上、下層磁芯膜與硅襯底之間還設(shè)置有絕緣層,深埋層覆蓋于硅襯底上、并將下層磁芯膜深埋,所述深埋層上表面還開設(shè)有下層線圈凹槽,所述下層線圈對應(yīng)設(shè)置于下層線圈凹槽內(nèi);所述上層磁芯膜位于深埋層上,所述上層線圈位于上層磁芯膜上,上層磁芯膜與深埋層之間、以及上層線圈與上層磁芯膜之間均設(shè)置絕緣層相隔離,所述上層磁芯膜及包覆上層磁芯膜的絕緣層均對應(yīng)于下層線圈凹槽開設(shè)通孔,用于上層線圈與下層線圈導(dǎo)通;其中,所述深埋層及絕緣層均采用pi;該集成螺線管型雙層磁膜電感的制備工藝如圖3所示,具體包括以下步驟:

步驟1、在高阻si(厚度為500um)基片上旋涂一層2um的pi涂料(pi涂料可以通過改變其粘稠度或者旋涂轉(zhuǎn)速來控制厚度),并進(jìn)行后續(xù)200℃保溫4小時(shí)亞胺化,形成絕緣層;該層pi主要作用是釋放上層磁膜的應(yīng)力,在上層磁膜較薄的情況下,步驟1并非必須。

步驟2、在步驟1形成的絕緣層上采用反轉(zhuǎn)光刻膠(型號為az5214)光刻形成下層磁膜圖形,后采用磁膜(250nm)/sio2(7nm)交替濺射形成3um厚度單軸各向異性磁芯膜,再用丙酮?jiǎng)冸x后形成圖形化下層磁芯膜,如圖3(a);

步驟3、在下層磁芯膜濺射完成過后,在其上旋涂一層粘稠度較高的pi層,厚度約25um,并亞胺化,作為深埋層,如圖3(b),此時(shí)的基底由于下層磁芯膜影響變得不平坦;

步驟4、采用反轉(zhuǎn)光刻膠(型號為az5214)光刻形成下層線圈凹槽刻蝕掩膜圖形,并濺射約500nm鋁作為刻蝕掩膜,剝離后刻蝕形成下層線圈凹槽、深度10um,再用磷酸:醋酸:硝酸:水=16:1:1:1混合溶液去除鋁掩膜過后,濺射電鍍種子層并電鍍銅形成下層線圈,進(jìn)行一次cmp將凹槽以外的銅全部拋光干凈則基底重新恢復(fù)到很高的平坦度,如圖3(d);

步驟5、旋涂一層薄的pi層(1um),亞胺化后作為絕緣層,如圖3(e),再采用步驟2相同工藝制備上層磁芯膜,如圖3(f);

步驟6、再次旋涂一層薄pi層(1um)并亞胺化,作為絕緣層,如圖3(g);

步驟7、采用光刻膠(型號為az4620)作通孔刻蝕掩蔽層,刻蝕通孔,后續(xù)用丙酮去除殘留光刻膠,再用光刻膠(型號為az4620)光刻形成上層線圈圖形,一次性電鍍形成通孔與上層線圈,去除電鍍種子層后即完成電感制備,如圖3(h)。

對上述制備得集成螺線管型雙層磁膜電感進(jìn)行hfss仿真,與單層磁膜電感對比結(jié)果如圖4所示,從圖中可以看到:對于相同面內(nèi)尺寸的薄膜電感,感值從21nh提高到27nh,峰值品質(zhì)因數(shù)從8提高到8.3。

以上所述,僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式,本說明書中所公開的任一特征,除非特別敘述,均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換;所公開的所有特征、或所有方法或過程中的步驟,除了互相排斥的特征和/或步驟以外,均可以任何方式組合。

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