具有堆叠的金属线的集成电感器制造技术

本公开涉及一种低电阻粗线集成电感器，该低电阻粗线集成电感器可以在集成电路(IC)器件中形成。该集成电感器可包括由包括上部金属层、中间金属层和下部金属层的金属层堆叠限定的细长电感器线。该下部金属层可以形成在顶部铜互连层中，该上部金属层可以形成在铝接合焊盘层中，并且该中间金属层可包括形成在铝上层和铜下层之间的铜桶区域。限定该金属层堆叠的该中间层的宽铜区域可以与该IC器件中的互连结构的铜通孔同时形成，例如，通过使用电化学镀铜或其他自下而上的填充工艺填充相应的开口。该细长电感器线可以形成为螺旋形或者其他对称或非对称形状。对称或非对称形状。对称或非对称形状。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有堆叠的金属线的集成电感器
[0001]相关专利申请
[0002]本申请要求2020年6月4日提交的共同拥有的美国临时专利申请第63/034547号的优先权，该专利申请的全部内容据此以引用方式并入以用于所有目的。


[0003]本公开涉及集成电路(IC)器件，并且更具体地涉及形成有堆叠的金属线(例如，三层金属堆叠)的低电阻集成电感器。

技术介绍

[0004]在集成电路(IC)工业中，摩尔定律的概念已经在很大程度上从纯Si工艺集成转变为管芯组装和异构管芯集成(即，从每晶体管成本到每封装晶体管成本的转变)，例如以在单个封装中提供全系统解决方案(TSS)，诸如片上系统(SoC)和系统级封装(SiP)解决方案。例如，异构多管芯SiP封装可包括安装在公共封装中的多个不同类型的管芯，以及集成在封装中的各种电子部件。
[0005]IC封装包括各种类型的电子器件，包括形成在半导体基板中的晶体管，以及附加部件，诸如电容器、电阻器和电感器。在IC封装中形成的电感器被称为“集成电路电感器”或简称为“集成电感器”。集成电感器具有广泛的应用。例如，与经常受寄生效应影响的外部电感器(例如，安装到印刷电路板(PCB)的电感器)相比，集成电感器在高频操作需要较小的电感的射频(RF)电路和毫米波电路中(例如，在移动设备中)是有益的。集成电感器还特别适用于低噪声放大器(LNA)、谐振负载和匹配网络应用，以及RF滤波器。又如，集成电感器对于例如在功率管理器件(例如，DC
‑
DC转换器)中构造片上电源(PowerSoC)非常有用。此类集成电感器可用于集成电压调节器(IVR)和开关模式电源(SMPS)，诸如降压
‑
升压转换器。
[0006]然而，虽然集成电感器在许多不同的应用中有用，但它们通常难以制造，例如，与SoC或SiP产品中的集成电阻器或电容器相比较而言。
[0007]常规的集成电感器通常使用定制的工艺构造有粗线(通常由铝(Al)或铜(Cu)形成)，并且因此价格相对高昂。粗线电感器提供了性能优点。特别地，线的变粗减小了电阻，这改善了集成电感器的品质因子(Q)。品质因子Q可以由等式1表示：
[0008]Q＝ω*L/R(1)
[0009]其中ω表示角频率，L表示电感，并且R表示串联电阻。根据等式1，减小电阻增加了电感器品质因子Q。大多数常规的集成电感器被制造成带有专用的额外的厚金属层。例如，一些常规的设计结合了包括专用4μm电感器金属的电感器模块。其他常规的设计使用两个专用铝金属层来产生集成电感器，这些集成电感器使用非常长(并且因此价格高昂的)的沉积、化学机械平面化(CMP)和金属蚀刻工艺形成有两层2μm的铝线。
[0010]其他常规的集成电感器使用价格较为低廉的工艺来形成，但电感器性能较差。例如，多层电感器可以形成有不同的金属层，通过通孔连接而连接，而无需任何附加的工艺步骤。这些多层电感器通常提供低品质因子Q，因为它们通常例如由于通孔连接而经历高线电
阻，形成在封装基板附近(从而导致基板损耗增加)，并且具有由增加的线间耦合电容导致的低自谐振频率。
[0011]图1和图2示出了根据常规的技术形成的两个示例性螺旋电感器100和200的三维顶视图。图1示出了示例性非对称电感器100，而图2示出了示例性对称电感器200。对称电感器通常优于非对称电感器，因为与非对称电感器不同，对称电感器可以形成为几何中心与电感器的磁和电中心重合，这样增加了互感，并且因此增加了总电感。
[0012]最先转至图1，示例性非对称电感器100形成在两个金属层中，其中电感器线的主要部分(用102指示)形成在金属2层中，并且电感器线的连接部分(用104指示)形成在下覆的金属1层中，其中连接部分104(金属1)通过竖直延伸的金属通孔106(例如，钨(W)通孔)连接到主要部分102(金属2)。电感器线的主要部分102在多个交叉位置处与连接部分104交叉或重叠，如110处所示。在每个交叉位置110处，主要部分102通过钝化层与下覆的连接部分104物理分离并且导电绝缘。
[0013]类似于图1中所示的非对称电感器100，图2中所示的对称电感器200也形成在两个金属层中，其中电感器线的主要部分(用202指示)形成在金属2层中，并且电感器线的连接部分(用204指示)形成在下覆的金属1层中，其中每个连接部分204(金属1)通过竖直延伸的金属通孔206(例如，钨(W)通孔)连接到主要部分202(金属2)。电感器线的主要部分202在多个交叉位置处与连接部分204交叉或重叠，如210处所示。在每个交叉位置210处，主要部分202通过钝化层与下覆的连接部分204物理分离并且导电绝缘。
[0014]如上所述，在图1和图2所示的示例性螺旋电感器100和200中，电感器线的主要部分102、202可以形成在金属2层中，并且连接部分104、204可以形成在下覆的金属1层中。在一些具体实施中，金属1层可包括铜(Cu)，并且金属2层可包括铝(Al)。
[0015]需要相比于集成电感器设计(例如，上文所论述的示例性设计)具有较低的线电阻并且与常规的低电阻电感器相比成本较低的高性能集成电感器。

技术实现思路

[0016]本专利技术的实施方案提供了集成电路(IC)封装，例如，片上系统(SoC)或系统级封装(SiP)，包括具有例如由多个金属层(例如，三个金属层)的堆叠形成的粗电感器线的集成电感器。粗线集成电感器可具有低电阻并且可以低成本形成，例如通过向背景IC器件制造工艺添加极少的附加步骤或不添加附加步骤来形成。例如，一些实施方案提供了具有小于5mΩ/sq、小于4mΩ/sq或小于3mΩ/sq的电阻的粗线集成电感器，具体取决于特定配置。
[0017]在一些实施方案中，集成电感器可包括由包括上部金属层、中间金属层和下部金属层的金属层堆叠限定的细长电感器线。下部金属层可以形成在顶部铜互连层中，上部金属层可以形成在铝接合焊盘层中，并且中间金属层可包括形成在铝上层和铜下层之间的宽铜区域。限定金属层堆叠的中间层的宽铜区域可以与IC器件中的其他电子部件的铜通孔同时形成，例如，通过使用电化学镀铜或其他自下而上的填充工艺填充相应的开口。该细长电感器线可以形成为螺旋形或者其他对称或非对称形状。
[0018]根据本专利技术的集成电感器可以形成在安装在封装基板或其他安装结构(例如，内插器)上的管芯中，或者可以形成在封装基板或安装结构(例如，内插器)自身中。
[0019]本专利技术的一个方面提供了一种包括集成电感器的集成电路(IC)器件，其中集成电
感器包括由包括上部金属层、中间金属层和下部金属层的三堆叠金属层限定的细长电感器线，其中中间金属层具有大于1μm的侧向宽度。
[0020]在一些实施方案中，电感器线的上部金属层包括铝、电感器线的中间金属层包括铜，并且电感器线的下部金属层包括铜。在一个实施方案中，电感器线的铜下层包括顶部铜互连层。在一个实施方案中，电感器线的上部金属层包括铝接合焊盘层的区域。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种集成电路(IC)器件，包括：IC结构，所述IC结构包括集成电感器；其中所述集成电感器包括由包括上部金属层、中间金属层和下部金属层的金属层堆叠限定的细长电感器线；并且其中所述电感器线的所述中间金属层的侧向宽度大于1μm。2.根据权利要求1所述的IC器件，其中：所述电感器线的所述上部金属层包括铝；所述电感器线的所述中间金属层包括铜；并且所述电感器线的所述下部金属层包括铜。3.根据权利要求2所述的IC器件，其中所述电感器线的铜下层包括顶部铜互连层。4.根据权利要求2至3中任一项所述的IC器件，其中所述电感器线的所述上部金属层包括铝接合焊盘层的区域。5.根据权利要求1至4中任一项所述的IC器件，其中：所述电感器线的所述中间金属层形成在具有与所述集成电感器不同的金属通孔的公共层中；并且每个金属通孔的侧向宽度或直径小于1μm。6.根据权利要求1至5中任一项所述的IC器件，其中：所述电感器线的所述中间金属层形成在具有与所述集成电感器不同的金属通孔的公共层中；所述电感器线的所述中间金属层的侧向宽度大于2μm；并且每个金属通孔的侧向宽度或直径小于0.5μm。7.根据权利要求1至4中任一项所述的IC器件，其中：所述电感器线的所述上部金属层的侧向宽度大于1μm；所述电感器线的所述中间金属层的侧向宽度大于1μm；并且所述电感器线的所述下部金属层的侧向宽度大于1μm。8.根据权利要求1至7中任一项所述的IC器件，其中所述集成电感器具有小于5mΩ/sq的电阻。9.根据权利要求1至8中任一项所述的IC器件，其中所述集成电感器包括螺旋电感器。10.根据权利要求9所述的IC器件，其中所述螺旋电感器包括：非重叠区域，其中所述细长电感器线由包括所述上部金属层、所述中间金属层和所述下部金属层的所述金属层堆叠限定；和重叠区域，其中所述细长电感器线包括所述上部金属层和所述下部金属层，但省略所述中间金属层，使得在所述重叠区域中，所述上部金属层通过非导电材料与所述下部金属层分离。11.根据权利要求1至10中任一项所述的IC器件，其中所述IC结构包括被配置用于安装至少一个管芯的管芯安装基座。12.根据权利要求1至11中任一项所述的IC器件，其中所述IC结构包括内插器。13.一种集成电路(I...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷耀俭，J，
申请(专利权)人：微芯片技术股份有限公司，
类型：发明
国别省市：