文摘

我们提出铜组成的多层结构,多层电感器(MLSIs)数万微亨电感用于低频率(子100 MHz),电源转换器的技术。独特的这个工作是在传统的单层光刻技术的引入两级的方法来创建每个电感层。结果是一个简化制造工艺导致减少的数量每电感(金属)层蚀刻步骤,减少必要的校准精度。此外,我们表明,该制造过程产生层间附着力强,因为即使后处理磨蚀技术内径的电感,不保存剪切发生和连接。总的来说,使用单级光刻技术制造的三个独立的结构方法,每一个都有三层、多层电感器设计,但不同的几何图形。测量值为每个结构提取,和下面的结果:电感值为24.74,17.25和24.74μH, self-resonances的9.87,5.72,和10.58兆赫,和最高质量的因素2.26,2.05,和4.6,分别。这些值是在良好的协议与集中参数模型。

1。介绍

在过去的十年里,研究人员做了大量的工作模型,描述和设计空心螺旋电感硅技术的射频集成电路(芯片)和单片微波集成电路。在这些作品中,性能和成本都是典型的问题了。许多设计师、性能直接关系到提高质量这些螺旋电感的因素。最值得注意的是,这是通过使用设计,如多层堆叠电感(MLSIs),见图1,这些都会增加电感值由于相互磁耦合(1),和多个并联电感,降低电阻(2,3]。对于那些研究人员关心成本,大部分的重点是分析过程中对标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)技术,在决定成本的关键因素在哪里(1)特征尺寸,(2)数量和类型的层,和(3)芯片面积(4]。在这个工作中,我们专注于简化制造集成电感器的电源转换器技术的新兴领域。指定为这个日益增长的领域,研究人员必须再次平衡性能和成本问题和新需求的需要更高的电感微亨的顺序和操作范围低于100 MHz。

突出的一些例子的平衡性能和成本问题,我们在这里引用最近的研究结果在短程无线电频率标识符(RFID)天线,和直流/直流转换器。无线技术,生物医学设备的典型方法(5)和应变传感器(6)研究人员已经使用大,单一的平面电感作为短距离射频识别。因此他们选择平衡单层电感设计的简单性和使用大型芯片的成本领域,这为(5,6)收益率2.7厘米直径,以满足4 - 5μH电感要求。直流-直流转换器技术,研究人员选择修改单层定向CMOS工艺的最终结构正交于衬底使用磁铁和铰链设计,称为塑性变形磁组装(PDMA) [4]。结果结构1μH电感和一个小芯片面积(0.1毫米×0.1毫米),但随着增加类型的层增加了成本和难度。

在这项工作中,我们介绍一个简单的CMOS工艺方法使用单层光刻为了减少的困难石印的数量每层对传统的两级光刻方法步骤。这种简化层方法允许我们然后扩展层数从单层设计MLSI设计在传统方法以更低的成本。为了证实多层单层设计的选择选项,我们相比,基于成本因素,一些作品旨在实现high-inductance单片电感。的审查,我们发现高电感,单层电感是通过使用奇异的基板(7,8),而MLSI标准、硅基板(1,9)能够实现类似,如果不是更高,电感值,利用磁耦合相互作用。当检查结果对成本的因素,后者似乎更好,尤其是增加单位面积上的电感,和不需要偏离标准CMOS工艺。通过简化的单一光刻设计结合,这档节目的特点就是每个电感降低成本潜力层,多层的过程,从而增加成本,从而减少芯片面积应该提供一个净成本优势。因此,我们细节简化制造技术在标准二级光刻方法突出的差异。此外,我们分析了三种结构的性能指标使用我们的单层光刻技术制造的方法,记录电感值,、单位面积上的电感品质因数,、和self-resonance频率,允许研究人员比较性能和成本和未来的工作。最后,我们包括多层的集总参数分析模型、多层电感器,以验证测量结果。

2。多层,多层螺旋电感理论

当设计单层,螺旋电感,通常使用集总参数的近似值π类型电模型(10- - - - - -13应用为简单起见,self-resonance频率是有效的,见图2。这个模型可以被视为一个RLC电路,电感,电容,的线圈并联,损失由电容和导电衬底诱导底物的属性。这些和其他寄生损失随电感的几何形状和方向。技术预先确定这些参数的值范围从经验表达式(12温室的方法[]11)解决电磁场(14]。

使用这个模型,研究了各种几何形状和材料在文学减少损失和产生更高的性能指标。具体地说,一些研究者尝试用不同的衬底材料,石英,砷化镓,蓝宝石7,8,15),以减少带来的损失和组件。研究者也尝试创建大型战壕在设备的底部增加基质的分离距离和减少电容损失(16]。虽然这些技术是有效的,但相当多的复杂性和成本添加到制造过程,因为他们介绍昂贵的材料和需要长时间腐蚀过程。

虽然损失的减少表明改善电感性能,大电感电感几何本身的变化可以通过操作来实现(10]。我们估计的平面螺旋电感使用的零级近似电流片表达式(12]。 方程(1)假设一个有色的核心,这导致电感确定专门的螺旋几何。我们定义磁导率,随着圈数,的平均直径,和随着填充率的单层螺旋。系数依赖于螺旋的布局,如广场、六角形,八角形,或圆形。增加单层螺旋的电感值,增加圈数,或,是一种简单而有效的选择。

增加电感值没有进一步增加占用面积,我们扩大单层螺旋多层堆叠螺旋。MLSI螺旋已被证明在文献中增加单层螺旋电感值的总和个人单层螺旋电感和相互之间的电感层(3,4]。等效电感,,MLSI所示(12] 的值堆叠层数,这个词指的是th单层螺旋电感值,这个词每组之间的互感占单层螺旋。如果我们假设每个单层螺旋电感的大约是相同的,那么(2)降低了单层螺旋电感的次多层螺旋层数的平方。因此,通过连接螺旋,我们可以增加每个MLSI的电感设计的广场单层螺旋转的数量和价值乘以数量的平方的多层螺旋层。

然而,预测只有电感不给一个准确的估计结果电抗,或名义电感,集成电感测量使用阻抗分析。电抗,设备的电容和电阻之间的关系是必要的。电容的计算一般形式两个相邻面所示 这个词介质的介电常数,这个词吗是面临的两个表面之间的分离距离的地区,。通过增加一个单层螺旋的圈数,面积和电容也增加。降低电感电容,同时增加,多层,堆叠,螺旋的等效电容后,见图3(1] 方程(4)来源于假设存在完美的每两个感应元素之间的耦合,因此每转的电压是相等的。这个词然后简单地表示为单层螺旋的每一层之间的电容,这是由介电层之间。它决定于(4),MLSI设计降低衬底对总电容的效果相比,单层电感。此外,引进大型分离每个单层螺旋层之间的距离,使用互连技术(17,18),可以进一步减少了SRF等效电容和增加。

完成集总参数,发现使用串联电阻 在哪里是电感的直流电导的金属痕迹,螺旋电感的总长度,是电感的有效横截面积的金属痕迹。在零频率,或直流,有效横截面积是电感的物理横截面积的痕迹。低频率的设计,它可以假定直流电阻是一个很好的估计实际的阻力,只要邻近效应和皮肤深度效应,而现在,数量级小于直流电阻(19]。

结合(2),(4)和(5),MLSI如图1有一个电抗,(20.] 这个词是指电感器的操作频率。方程(6)接近MLSI LC电路与一个有限的抵抗。因此,self-resonance频率,SRF,当电抗值等于零。增加名义电感、电抗和有用的操作范围,或SRF,很明显,电感和电容最小最大化的关键方面的设计。MLSI从而高电感设备的一个很好的选择,电感和电容可以定制的几何参数。

最后一个电感器性能指标来估计的值是质量因素,或。的是一个衡量能量存储的能量的比值迷失在一个周期。一个简单的表达式可以估计到使用电阻的关系公司、(5)和电抗,(6) 因此,增加值这些低频设备,跟踪的长度,与每一个单层转弯或增加堆叠层数,必须抵消更大的跟踪宽度和/或厚度。单和多层堆叠电感器有一个好处,那就是跟踪宽度和厚度可以很容易地修改为更大的值通过创建一个更大的模式模(18]。

通过使用列出的性能指标的关系,我们已经生成的理论预测测量电抗(名义电感),电阻,第一个self-resonance频率,MLSI的品质因数。我们还展示了关键几何因素与创建高电感和高有关。集总参数模型的建立,我们现在关注如何单层光刻为这些MLSI设计可以降低制造成本。

3所示。设备制造

主要成本关注与CMOS工艺步骤或过程的数量,以及在每个步骤所需的精度,减到最少。按照这些原则,制造多层,多层铜电感器中,我们使用一个单级光刻过程与传统的两级光刻。为实现这一简化的过程中,我们使用两种类型的photo-resists SU-8和spr - 220。SU-8永久photo-resist,作为结构层建立线圈层上,以及之间的介电材料层。spr - 220然后使用后蒸发铜电感电感使用蚀刻层模式。因此,与二级光刻,单层电镀的电感器层的光刻技术消除了一步。单层蚀刻完成后,孔之间的互联多层电感器层的SU-8层和充满使用电镀铜。这些铜连接创建一个从种子层导电通路第一平面电感器,每个后续平面电感器层。通过重复这两个过程,电感层可以堆叠到先前层和跟踪能够保持其连通性通过连接孔。因此,整个过程消除了石印步骤为每个感应层,在两层光刻降低制造成本。 Lastly, we include an extremely fast process, abrasion drilling, as a way of creating an air core once the MLSIs are completed.

图4显示了我们的过程的一个简化版本。首先,热氧化硅晶片来创建绝缘体硅衬底和电感结构,减少寄生衬底损耗,人物4(一个)。接下来,钽层蒸发到晶片改善后续蒸发层的附着力,线圈的铜种子层。种子层提供了一个途径来电镀深度互联,人物4(b),种子层的顶部,SU-8 2010 photo-resist解决方案是将在指定的厚度,决定了介电层的厚度(2.46)相对介电常数,或分离距离第一螺旋电感层和合成电容,。我们模式的SU-8标准光刻过程使用连接图层蒙版来定义互连的位置。通过创建只有一个,大型互连,对齐的螺旋层的精度降低,减少光刻过程的难度。最终退火步骤,115°C的2分钟,之后应用开发、改善电感SU-8和铜层的附着力。当晶片干,用氧等离子体腐蚀预处理,从而增加了表面粗糙度,并协助下铜层的附着力,人物4(c)。

建立每个电感层、铜蒸发速度在整个晶圆的面积小于每秒20埃,人物4(d)。接下来,P20是纺协助模式层的附着力,SPR220-7。使用-线圈面具和一个标准的光刻工艺,SPR220用于形成一个大纲涵盖了平面螺旋模式,人物4(e),去除多余的铜、晶片浸在铜蚀刻剂和小心注意不要搅拌溶液,否则可能发生线圈发射。直观地观察到完整的铜移除时,晶片取出,用蒸馏水洗净。SPR220的覆盖面积是左平面图案的螺旋电感,然后移除SPR220温柔喷涂的丙酮和异丙醇,人物4(f)。通过每个平面螺旋这样的模式,我们减少步骤只需要单一模式和模式的同时只需要较低的精度是必要的实现与层之间的互连点对齐,因为微亨电感的特征尺寸很大。这个过程是难以实现显著低于大多数电镀技术用于生产线圈,这需要两级模式光刻(18]。进一步解释,在两级模式,电感器的蒸发和模式后,另一个层面的需要photo-resist为了创建通道允许电感层的电镀增加平面厚度。当大厚度降低串联电阻,这个过程增加了另一个步骤为每个电感层以及介绍了可能需要做化学金属抛光(CMP)为了未来面具平行层排列形式。我们用我们的单层光刻贸易限制的厚度,和电阻,电感器的限制规定的蒸发过程,为了降低制造成本。在电源转换器等应用技术,这种性能权衡并不重要,由于高抵消高电阻电感值,产生合理的值。完成流程,让所有相互导电层,我们使用电镀互连层的标准程序。

在这一步中,我们电镀铜在硫酸铜溶液,从Enthone Microfab SC, Inc .的电流密度0.02 mA /毫米²连接铜平面螺旋层铜种子层使用互连洞(图4(g))。电镀过程中发生的速度和持续时间是依赖于电镀溶液的浓度和沉积的铜量需要在互连,也就是说,需要填补这个洞和数量做一个电感层之间的电气连接。对于我们的程序,这个电镀过程简化,因为它只需要一个电镀电路之间的电气连接的片段和种子层,这是暴露在晶片的边缘。种子层的电气连接,电流和铜沉积在互连很容易实现。一旦第一互连,连续性的感应层实现。因此我们能够验证完成这个过程仅仅检查连续性存在。

这两个进程然后从SU-8反复旋转,图4(c),铜电感之间的铜互连层(图4(g)),形成一个MLSI设计、人物4(h),电镀过程中,一旦一个互连使得连续性与第二感应层,目前将不断地流到下一个互连。这个过程一直持续到电镀沉积铜在过去互连,使连接的电感器层。自MLSIs需要电流方向相同的感应层,为了附加电感的影响,总共四个面具,两个交替连接层口罩和两个线圈交替层口罩,是必要的。总而言之,我们的整个过程需要一个单层,光刻精度低和一个简单的连续性测试通过后电镀过程对于每个电感层MLSI设计。我们可以得出结论,整个制造过程遇到的许多属性考虑低难度和低成本。

最后,最后一个使用一个简单的后处理步骤执行,创建空气芯在这些MLSIs的快速方法。这项技术是一个磨损,或手动钻探过程中,我们使用一个直言不讳,金刚石层面钻头,大小的直径小于电感器的内径,创建一个通孔的中心,图4(我)。通过应用光手压力使用微型钻机和手动把钻头,创建一个孔的内径多层线圈在几秒内(见图5),这是远远快于蚀刻技术以前文献中用于创建蛀牙(1]。除了改善时间,这一步表明,与我们的制造技术,单层光刻技术提供了足够的附着力和支持维持电感的结构完整性和电气连接即使在磨损、弯曲和剪切力。

图6显示了一个使用我们的顶视图MLSI捏造的单层光刻过程和核心被磨损的过程。每个散列描绘了500马克的开销μm增量。图7显示了一个横截面减少相同的电感器图6,浅灰色物质的部分铜盘管层,和黑暗的灰质SU-8介电层。

4所示。设备描述和结果

使用我们的单层光刻技术,我们制作的三个MLSI设计(每3串联电感层)不同跟踪宽度,跟踪厚度和间距电感层(见表1)。每个MLSIs设计有一个名义上的电感值接近20μh .测量进行了为每个设计来验证名义电感以及观察几何变化的影响等性能指标名义电感每占用面积,阻力,品质因数,SRF。测量进行芯片级联使用HP4194阻抗分析仪和探针,与平均的两口电感的参数150千赫至15 MHz频率范围。平均使用401个采样点进行分布式线性频率范围,在每个频率点与32试验。垫电容被减去deembedded开路结构参数的螺旋参数。我们使用的校准程序是标准方法,被广泛报道14]。

我们观察到通用协议我们的集总参数模型和实验结果对几乎所有性能度量值(见图8和表2)。唯一的例外是最大的预测设计1,异常平坦曲线的测量范围。因为其他所有预测躺在可接受的实验结果,不到15%,我们假设的模型是一个精确的一阶近似第一self-resonance频率。这里我们注意到桌子上2表明设计的集总参数模型特别有用的名义电感值这些设备所需的20倍μH电感值。解释,报告的名义电感表2被定义为的线性斜率电抗和相应的频率,之间,一个初始值在低频率范围和SRF前的最终值 因此,通过设计高于预期的工作范围公司、我们能够确认名义电感实现为所有三个设计,使用一个中频评价1 MHz。

了解制造几何变化的影响,我们比较具体的性能指标等、和体积。与设计1作为基准,设计2跟踪厚度增加50%为每个电感层和跟踪宽30%。这些变化的阻力减少近一半的价值与设计1相比,但导致不再蒸发时间为每个电感层。补偿,我们降低电感器的体积减少的厚度SU-8层、介电层之间的多层电感器,三分之一其原始值,降低每个互连层的电镀时间。然而,降低分离之间的距离增加电容和电感层减少了SRF。结果是一个设计略微减少制造时间一半体积,但以牺牲所有值降低性能值(名义电感,名义电感每占用面积,除了电阻、和)。专注于提高性能指标与小费用制造过程,设计3使用相同的SU-8(介质)层厚度之间的感应层和相同的电感模式设计1,但增加了跟踪每个电感层厚度值的两倍。结果是减少阻力的一半,但近一倍的费用每个电感层蒸发时间。虽然这是一个轻微的制造缺陷,主要性能指标可以实现如增加两倍的价值设计1、维持名义电感,稍微延长SRF。因此,从这个小参数的分析,我们可以比较的性能指标的变化和制造几何的变化这些high-inductance设备以及显示我们的集总参数模型的准确性。

当比较这些结果文献[1,9),这些MLSI完全站在一个电感类本身。先前研究人员专注于维护SRF值接近或在GHz范围内允许射频应用和局限于数百nano-Henries导致电感值。我们的设备演示数万微亨电感和维护因素在2到4.6。通过优化,平衡设计适当的电感,self-resonance,可以了。因此这个新的电感类演示了有用的统括参数建模和简化制造工艺达到这些性能指标以及潜在的降低成本。

5。结论

鉴于电源转换器需要high-inductance设备技术,我们在这项工作的主要目标是简化CMOS工艺,同时增加MLSI设备性能的低频率范围操作。我们发现实现微亨电感值,MLSI设计需要大量的转/电感之间的平衡层和大量的多层电感器层。此外,降低制造难度达到这样的设计,减少数量的石印的步骤,以及特征尺寸的增加,是至关重要的。要点包括使用的单一模式的每个电感的光刻层,和创建大型互联通过电镀过程,它允许低需要对齐的螺旋层之间。大型互连(介质)层也保留大名义通过减少电容电感值的效果。最后,一个快速的冲蚀钻井方法实现创建空气核心,减少所需的时间,从而产生空腔几秒钟,代表一个腐蚀相比,节省大量的时间。在一起,这种简化方法的结果在一个低成本制造微亨电感集成电感的方法。总之,结合MLSI设计了单层光刻工艺流程生产设备展示改进现有电源转换器的性能和成本指标的技术。

确认

作者要感谢提供的财政支持美国国防部高级研究计划局微系统技术办公室HiMEMS计划通过博伊斯汤普森植物研究所阿米特尔博士的监督下。他们也愿意承认这项工作在康奈尔大学纳米功能执行部分,国家纳米技术基础设施网络的一员,这是由美国国家科学基金会(格兰特ecs - 0335765)。