一种CMOS工艺兼容的嵌入悬浮螺管结构电感或互感的制作方法

摘要

本发明涉及一种与CMOS工艺兼容的嵌入悬浮螺管结构电感或互感的制作方法，其特征在于首先在硅片的表面电镀出电感或互感的上导线，再利用各向异性腐蚀形成“V”字形或倒梯形的沟槽，在沟槽里面制作电感或互感的下导线，并使下导线与上导线在硅片表面处交叠，形成良好的电连接，最后采用XeF2气体各向同性干法腐蚀释放出整个线圈结构。电感或互感的线圈由两边的二氧化硅层支撑。本发明采用常温工艺在普通硅片上实现一种高Q值(品质因数)的螺管形电感或高增益的互感，工艺步骤简明、成品率高，整个器件工艺与CMOS工艺相兼容。且器件悬浮的嵌入于硅片内部，有利于封装和后序工艺加工。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种全新结构的嵌入悬浮螺管结构电感或互感的制作方法，这种器件采用常温工艺，能够与CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺相兼容实现射频电路的片上集成。属于射频微机械器件和电路技术应用领域。

背景技术

随着射频技术的应用越来越广泛，对于高性能的片上电感或互感的要求，使得这方面的研究越来越多。硅微机械加工技术具有一些表面CMOS工艺所没有的特点，它扩展了器件设计的能力。从传统的两维器件扩展到三维器件。随着无线通讯领域，对高灵敏度以和器件的低功耗的要求，特别的需要一些高性能的射频器件，如手机、卫星通讯、射频识别以和各种无线网络。

标准CMOS硅片的电阻率都比较小(1～10Ω·cm)，衬底损耗很大，器件的性能如Q值(品质因数)以和截止频率都比较低，而且采用常规的铝引线，欧姆损耗也较大。为了减少衬底损耗以和欧姆损耗，逐渐的人们开始寻找新的方法去制造这些高性能的器件。一般来说，主要分为两种，一种是为了减少衬底损耗，采用多孔硅、塑料以和一些低介电常数的材料作为衬底，或是采用悬空或部分悬空于硅衬底的结构。另一种方法是为了减少欧姆损耗，采用多层金属布线或者使用铜、金作为电感的导线。从器件的形状上可以分成平面螺旋形和螺管形，相对于平面螺旋结构，虽然螺管形电感或互感的工艺步骤比较复杂。但是螺管形结构器件的优点在于电感的圈数与电感值近似成线性关系，能够准确的设计出电感值，对于互感来说，螺管形结构容易设计出1:n结构的互感以和巴伦(balun)结构。并且螺管形结构基本上都采用底部支撑或是两边支撑的结构非常结实；相比而言，一些悬浮的螺旋结构则容易受到环境加速度的影响，导致器件的性能发生改变。

已有报道利用3D(三维)光刻的工艺技术在硅片上制造出的螺管形结构的电感，具有比较高的Q值，(J.B.Yoon，B.K.Kim，C.H.Hah，E.Yoon，K.Lee，and C.K.Kim，“High-Performance Electroplated Solenoid-type IntegratedInductor(SI²)for RF Applications Using Simple 3D Surface MicromachiningTechnology，”in IEDMTech.Dig.，1998，pp.544-547)。这种器件的优点是，可以在少占用芯片面积的前提下，将线圈的高度增加，就可以提高单位面积的电感值。但是这类结构仍然存在一个底部下导线的衬底损耗的问题，并且器件高出硅片表面约50～70μm，不利于后序工艺以和封装。后来也有人将螺管形电感嵌入式的悬浮在硅片内(Y.C.Liang，W.Zeng，P.H.Ong，Z.Gao，J.Cai and N.Balasubramanian，“A Concise Process Technology for 3-D suspendedRadio Frequency Micro-Inductors on Silicon Substrate，”IEEE Electron DeviceLett.，vol.23，pp.700-703，2002.)所报道的技术是利用深反应离子刻蚀(DRIE)工艺，形成很多的深槽，利用在深槽侧壁和底部蒸发一层金属形成电感结构。显然这种技术的缺点是，工艺成本高，共使用三次深反应离子刻蚀，其次很难均匀的将金属层做厚，欧姆损耗较大。

对于互感来说，更多的都是采用平面螺旋结构，但是衬底损耗大，增益较低，并且工作带宽窄。采用新型的嵌入式悬浮的螺管结构，具有高增益工作频带宽的特点，且很容易构造出1:n的互感，以和巴伦(balun)结构，器件结构坚固，不受外界环境如振动、加速度冲击的影响。

能否够采用简单的工艺且低成本，又能CMOS兼容的工艺步骤实现高性能的螺管形电感和互感已成为本领域技术人员渴望解决的技术难点，从而也引导出本发明的目的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与CMOS兼容的嵌入悬浮螺管结构电感或互感的制作方法。降低成本的同时，又能减少工艺的复杂程度考虑，本发明仅采用三块光刻版就实现所述器件的结构，工艺步骤简明，且采用常温工艺，适用于后序CMOS工艺片上的集成。为了形成嵌入式的螺管结构，各向异性腐蚀得到的沟槽定义了器件下导线的形状，同时还利用各向异性对不同晶面腐蚀速率的差异，设计出一个与<110>晶向成一定角度(10～80度)的上导线，从而在各向异性腐蚀硅片的时候，上导线底部区域的硅可以被腐蚀掉。

由本发明提供的制作方法所提供的嵌入式悬浮螺管形的电感或互感立体结构示意图如图1，5所示。上导线与硅片的<110>晶向成10～80度的角度。下导线的形状由各向异性腐蚀出的沟槽形状决定，为“V”字形或倒梯形。在形成下导线的时候使得沟槽内的下导线与上导线在硅片的表面处形成良好的电连接。干法释放后，悬空的器件线圈仅由两边的二氧化硅薄膜支撑，形成嵌入悬浮的结构特征。

综上所述，本发明提供的一种CMOS工艺兼容的嵌入悬浮螺管结构电感，包括硅片表面的上导线和硅片沟槽内的下导线，并且上导线与下导线电接触良好，整个结构由线圈两边的二氧化硅薄膜支撑。

本发明提供的嵌入式的悬浮的螺管形电感和互感实现的具体工艺步骤是

1、所选用的材料：N型或P型(100)硅片，且硅片沿<110>方向切边的角度误差＜1％；采用热氧化、低压化学气相沉积(LPCVD)或用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成二氧化硅薄膜，作为整个器件结构释放后的支撑层，厚度为0.5～3微米；

2、在硅片上溅射金属种子层(钛/铜、钛/金、铬/铜、铬/金、钛钨/铜或钛钨/金)，旋转涂胶厚度为1～10微米，光刻出上导线形状，然后先电镀一层1～9微米厚的金属铜，再接着电镀一层0.2～0.5微米的金层。该薄层金用来避免铜在环境下被氧化。0.2微米厚度以上的金层是必要的，可以实现对铜的包覆；而比0.5微米再厚的金层将增加制造成本，并不会进一步提高电感性能。因此一般金层厚度为0.2～0.5微米。然后去除种子层，为了以后各向异性腐蚀硅的时候，上导线底部区域的硅能够被腐蚀掉，上导线需要与硅片的<110>晶向成10～80度角；

3、光刻出需要的各向异性腐蚀的区域并去除该区域氧化层，将器件放入KOH(氢氧化钾)重量百分浓度为30％～60％，温度为30～70℃，或者TMAH(四甲基氢氧化胺)重量百分浓度为10％～25％，温度为60～90℃，或者EPW(乙二胺，临苯二酚和水)浓度配比为E：17ml，P：3g，W：8ml或者E：7.5ml，P：1.2g，W：2.4ml温度为110～120℃的腐蚀溶液中进行各向异性腐蚀，在硅片上形成一个“V”字形或倒梯形的沟槽，沟槽深20～70微米。此时步骤2中上导线下部的硅也将被腐蚀去除；

4、再溅射第二层金属种子层(钛/铜、钛/金、铬/铜、铬/金、钛钨/铜或钛钨/金)，使得硅片的表面与沟槽的侧壁和底部均覆盖有金属种子层。采用喷胶工艺，在各向异性腐蚀出的沟槽的侧壁和底部均匀覆盖一层光刻胶，胶厚度为3～10微米，光刻定义下导线形状，先电镀一层0.5～9微米厚的金属铜，然后再接着电镀一层0.2～0.5微米的金层。在硅片表面处，所制成的下导线与步骤2中的上导线形成良好的电连接。然后去除种子层；

5、利用XeF₂气体进行硅的各向同性腐蚀，器件线圈周围区域的硅全部被移除，悬浮于硅片衬底的高度为5～70微米，整个器件结构由步骤1中形成的二氧化硅薄膜在沟槽的两边支撑。

本器件为CMOS工艺兼容的方法制作，易于射频电路的单片系统集成和批量生产，并且器件结构坚固能够承受外界环境的高冲击与振动。

综上所述，本发明提供的与CMOS工艺兼容的嵌入悬浮螺管结构电感或互感的制作方法具有以下六个特点。

1)整个器件采用CMOS工艺兼容的常温工艺，不会对已形成的CMOS器件造成影响。

2)电镀形成的上导线与硅片的<110>晶向成一定角度(10～80度)，使得各向异性腐蚀沟槽的同时，上导线底部的硅也将被腐蚀除去，其下导线所依附的沟槽形状通过硅的各向异性腐蚀形成，为“V”字形或是倒梯形。

3)上导线与下导线在硅片的表面处交叠形成良好的电连接。

4)最后采用干法各向同性腐蚀将器件线圈结构悬浮于沟槽内，仅通过两边的二氧化硅薄膜支撑。

5)本发明制作出的螺管形电感在峰值频率5.5GHz处Q值达到了非常高的47，电感值为2.96nH(图4)。截至频率超过10GHz。背景技术中所提到的两种类型螺管形电感，他们的Q值分别为16.7，峰值频率为2.4GHz，电感值为2.67nH，另外一种螺管电感的Q值为23.7，峰值频率为4.5GHz，电感值为2.2nH。

6)本发明制作出的螺管形互感，互感增益达到了0.9，一般片上互感由于衬底的损耗的原因，其增益为0.7～0.8(图8)。

附图说明

图1：嵌入悬浮螺管结构电感立体示意图

图2：图1所示的嵌入悬浮螺管结构电感按AA’视角的剖示图

图3：本发明所提供的嵌入悬浮螺管结构电感的制作方法和制作出的器件

(1)表示AA’视角所示的工艺流程，右边为工艺流程所对应的三块光刻版示意图

(a)表示形成上导线，右边为1^#光刻版图形

(b)表示各向异性腐蚀形成沟槽，右边为1^#加2^#光刻版图形

(c)表示在沟槽内形成下导线，右边为1^#加2^#再加3^#光刻版图形

(d)表示各向同性腐蚀硅悬空器件线圈

(2)制作出的嵌入悬浮螺管结构电感的SEM照片

图4：嵌入悬浮螺管结构电感的测试结果

图5：嵌入悬浮螺管结构互感立体示意图

图6：图5所示的嵌入悬浮螺管结构互感按BB’视角的剖示图

图7：本发明的嵌入悬浮螺管结构互感的制作方法和制作出的器件

(1)表示BB’视角所示的工艺流程，右边为工艺流程所对应的三块光刻版示意图

(a)表示形成上导线，右边为1^#光刻版图形

(b)表示各向异性腐蚀形成沟槽，右边为1^#加2^#光刻版图形

(c)表示在沟槽内形成下导线，右边为1^#加2^#再加3^#光刻版图形

(d)表示各向同性腐蚀硅悬空器件线圈

(2)制作出的嵌入悬浮螺管结构互感的SEM照片

图8：嵌入悬浮螺管结构互感的测试结果

(1)互感系数～频率关系曲线

(2)有效增益～频率关系曲线

图中：1、上导线；2、下导线；3、二氧化硅支撑薄膜；4、各向异性腐蚀出的“V”字形或倒梯形沟槽；5、各向同性腐蚀硅区域；6、硅衬底；7、金属种子层；8、初级线圈；9、次级线圈

具体实施方式

实施例1-螺管形电感

图1和2为本发明提供一种在硅片上集成的嵌入悬浮螺管结构电感的示意图，一种可能的制作实施方式以和实际制作的器件如图3所示，其中(1)表示AA’视角工艺流程。本器件的实施不仅限于此工艺流程。结合附图说明如下：

1、所选用的材料：4英寸N型或P型(100)硅片，电阻率3～8Ω·cm，硅片厚450±10μm，硅片切边的角度误差＜1％；

采用离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成二氧化硅薄膜，作为整个器件结构释放后的支撑层，厚度为(1～3微米)；

2、在硅片上溅射金属种子层(钛钨/铜)，旋转涂胶，光刻胶厚度为9～10微米，光刻出上导线形状，电镀金属铜和一层防止铜被氧化的薄层金作为电感的上导线，金属铜的厚度为7～9微米，薄层金厚度为0.5微米，然后去除种子层，为了以后各向异性腐蚀硅的时候，上导线底部区域的硅能够被腐蚀掉，上导线需要与硅片的<110>晶向成一定角度(10～80度)，如图3(1)a所示；

3、光刻出各向异性腐蚀的区域，去除该区域内的氧化层，将器件放入浓度为25％温度为70℃的TMAH中进行大约6个小时各向异性腐蚀，在硅片上形成一个“V”字形或倒梯形的沟槽，沟槽深60～70微米。此时步骤2中上导线下部的硅也将被腐蚀去除，如图3(1)b所示；

4、溅射第二层金属种子层(钛钨/铜)，使得硅片的表面与沟槽侧壁和底部均覆盖有金属种子层。采用喷胶工艺，在各向异性腐蚀出的沟槽侧壁和底部均匀覆盖一层光刻胶，光刻胶胶厚度为9～10微米，光刻定义下导线形状，先电镀金属铜的厚度为6～9微米，然后电镀一层用来防止铜在空气中被氧化的薄层金作为电感的下导线，薄层金的厚度为0.5微米，在硅片表面处，下导线与步骤2中的上导线形成良好的电连接。然后去除种子层，如图3(1)c所示；

5、利用XeF₂气体进行硅的各向同性腐蚀，电感周围区域的硅全部被移除，悬浮于硅片衬底的高度为30～50微米，整个电感结构由步骤1中形成的二氧化硅薄膜在沟槽的两边支撑，如图3(1)d所示。

实施例2-嵌入悬浮螺管结构互感

图5和6为本发明提供一种在硅片上集成的嵌入悬浮螺管结构互感的示意图，一种可能的制作实施方式如图7所示，其中(2)表示BB’视角。本器件的实施不仅限于此工艺流程。结合附图说明如下：

1、所选用的材料：4英寸双抛N型或P型(100)硅片，电阻率3～8Ω·cm，片厚450±10μm，硅片切边的角度误差＜1％；用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在硅片表面形成二氧化硅薄膜，作为整个器件结构释放后的支撑层，厚度为(1～3微米)；

2、在硅片上溅射金属种子层(钛钨/铜)，旋转涂胶，光刻胶厚度为9～10微米，光刻出上导线形状，初级线圈与次级线圈的间距为3～7微米，先电镀金属铜的厚度为7～9微米，然后电镀一层用来防止铜在空气中被氧化的薄层金作为互感的上导线，薄层金的厚度为0.5微米，然后去除种子层，为了以后各向异性腐蚀硅的时候，上导线底部区域的硅能够被腐蚀掉，上导线需要与硅片的<110>晶向成一定角度(10～80度)，如图7(1)a所示；

3、光刻出各向异性腐蚀的区域，去除该区域内的氧化层，将器件放入浓度为25％温度为70℃的TMAH中进行大约6个小时各向异性腐蚀，在硅片上形成一个“V”字形或倒梯形的沟槽，沟槽深60～70微米。此时步骤2中上导线下部的硅也将被腐蚀去除，如图7(2)b所示；

4、溅射第二层金属种子层(钛钨/铜)，使得硅片的表面与沟槽侧壁和底部均覆盖有金属种子层。采用喷胶工艺，在各向异性腐蚀出的沟槽侧壁和底部均匀覆盖一层光刻胶，光刻胶厚度为9～10微米，光刻定义下导线形状，下导线同样分为初级线圈和次级线圈，他们的间距为3～7微米，先电镀金属铜的厚度为6～9微米，然后电镀一层用来防止铜在空气中被氧化的薄层金作为互感的下导线，薄层金的厚度为0.5微米，在硅片表面处，下导线与步骤2中的上导线交叠形成良好的电连接。然后去除种子层，如图7(1)c所示；

5、利用XeF₂气体进行硅的各向同性腐蚀，互感周围区域的硅全部被移除，悬浮于硅片衬底的高度为10～50微米，整个互感结构由步骤1中形成的二氧化硅薄膜在沟槽的两边支撑，如图7(1)d所示。