[發明專利]磁芯及其形成方法，以及包括該磁芯的集成電路、襯底、變壓器和電感器

有效

• 申請號: 201310396059.2
• 申請日: 2013-09-04
• 公開（公告）號: CN103681633B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發明（設計）人: M·N·莫里塞;J·庫比克;S·P·吉爾里;P·M·邁克古尼斯;C·M·奧蘇里萬
• 申請（專利權）人: 亞德諾半導體集團
• 主分類號: H01L23/64
• 分類號: H01L23/64;H01L23/522;H01L21/02;H01F17/00;H01F17/04;H01F41/02
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 劉倜

相關文件的引用?

本發明依據35U.S.C.§119(e)要求2012年9月4日提交的美國臨時專利申請號61/696,446的優先權益。?

技術領域

本發明涉及一種可在集成電路內或作為集成電路的一部分（例如，在硅襯底上）形成的磁芯，且涉及磁性組件，諸如在集成電路內形成的變壓器和電感器。?

背景技術

已知磁性組件諸如電感器和變壓器具有許多用途。例如，電感器可用于制造濾波器和諧振電路，或可用于開關模式功率轉換器以提高或降低用于產生不同輸出電壓的輸入電壓。變壓器可用于將功率或信號從電路的一部分傳輸到電路的另一部分，同時提供高水平的電隔離。?

可在集成電路環境內制造這些組件。例如，已知形成大致“螺旋”或近似于“螺旋”形狀的間隔導體可形成在半導體襯底上，從而形成變壓器。可將這種間隔的螺旋電感器以并行配置或堆疊配置放置。然而，這種變壓器的性能通常受限于由螺旋導體形成的“線圈”之間的磁耦合。導體由諸如聚酰亞胺的絕緣材料包圍著。這提供了必要的絕緣性能，以防止導體間彼此電氣連接，但從磁耦合的角度來看，和“空氣間隙”差不多。因此，這種變壓器在變壓器的繞組之間提供低效率且?因此相對較差的功率傳輸。?

已知在本領域的宏觀尺度變壓器中，變壓器的繞組之間（例如，變壓器的一次繞組和二次繞組之間）的耦合可以通過包含合適材料的芯子來增強。芯子通常由鐵磁材料制成。宏觀尺度變壓器的制造商很快意識到，固態金屬芯是低效的，由于其中感應渦流而導致變壓器內的電阻損耗。宏觀尺度變壓器的制造商通過將芯子提供為鐵磁材料的較薄片材的層狀結構來克服這些渦流損耗，該鐵磁材料通過絕緣層而彼此隔開。一般而言，可通過減小層壓物的厚度來增加變壓器的工作頻率。?

發明內容

根據本發明的一個方面，提供了一種用于集成電路的磁芯，該磁芯包括：?

多個磁性功能材料層；?

多個第一絕緣層；以及?

至少一個第二絕緣層；其中將所述第一絕緣層插在所述磁性功能材料層之間以形成所述磁芯的子區段，并且將所述至少一個第二絕緣層插在所述磁芯的相鄰子區段之間。?

因此，能夠形成磁芯，其中在一些實施方案中，磁性材料的層壓區域通過第二絕緣材料形成的絕緣區域而彼此隔開，該第二絕緣材料不同于每個子區段內的層壓磁性功能材料之間的絕緣材料。?

使用不同的材料或不同厚度的同種絕緣材料使得芯子的特性能夠被控制。?

磁性功能材料可以是軟磁性材料。有利地，磁性功能材料是鐵磁材料，諸如鎳-鐵、鎳-鈷、鐵-鈷或鈷-鋯-鉭。該材料列表不是詳盡的。?

可取的是，磁性功能材料層是均勻和連續的或無其它錯置。可通過在合適的生長襯底上制造磁性材料層來提高磁性材料層的質量，該生長襯底可被認為是“籽晶層”，其作用是在沉積期間促進磁性功能層內的正確晶體生長。與鎳-鐵磁性功能層結合使用的合適籽晶層是氮化鋁(AlN)。因此，該第一絕緣材料層具有控制磁活性層內的晶體生長，并且也在相鄰的磁活性材料層之間形成絕緣層的作用。第一絕緣材料層的厚度可在幾納米至幾十納米之間變化。例如，第一絕緣材料層可在5納米至30納米之間。在示例性實施方案中，第一絕緣材料層具有10納米左右的標稱厚度。磁活性材料層可在約50nm至200nm之間，諸如約100nm。?

雖然這種第一絕緣材料層為變壓器或電感器的DC和低頻激勵繞組提供良好的絕緣，但是當頻率增加時，相對較薄的第一絕緣材料層（例如10納米厚的氮化鋁層）作為相鄰金屬板之間的電介質，其在功能上相當于電容器。這種寄生電容的存在使得在更高頻率下于層壓結構內建立交變電流，且由此可再次導致渦流損耗。然而，第二絕緣層可以是與第一材料和/或降低的介電常數（其也可表示為降低的相對介電常數）相比具有較大寬度（或厚度）的材料層，提供每單位面積具有更低電容量的第二絕緣層，這破壞了磁芯的子區段之間的電容耦合。因此，與其間不具有這種第二絕緣層的那些結構相比，在更高頻率下，這種結構可減少芯子內的渦流流動并降低變壓器損耗。同樣地，與形成不具有這種第二絕緣層的那些電感器相比，使用本文所述的磁芯形成的電感器損耗更少。?