半导体结构的制作方法

本发明的实施例涉及半导体结构。

背景技术：

电感器已经用于各种微电子电路应用中，诸如变压器、电源转换器、电磁干扰(emi)噪声降低以及包括振荡器、放大器和匹配网络的射频(rf)和微波电路。

电子工业中的主要趋势是使电子组件更轻、更小、更强大、更可靠和成本更低。因此，包括电感器的电子器件期望形成在芯片上，即，电感器期望集成在集成电路和/或形成在半导体封装件中。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种半导体结构，包括：第一磁性层；绝缘氧化物层，位于所述第一磁性层上方；氧俘获层，位于所述绝缘氧化物层上方，其中，所述氧俘获层的氧浓度低于所述绝缘氧化物层的氧浓度；和覆盖层，位于所述氧俘获层上方。

本发明的另一实施例提供了一种集成电感器，包括：彼此堆叠的多个层压单元，其中，每个所述层压单元包括：第一钴锆钽(czt)层；czt氧化物层，位于所述第一czt层上方；无氧czt氧化物层，位于所述czt氧化物层上方，其中，所述无氧czt氧化物层的氧浓度低于所述czt氧化物层的氧浓度；和导电层，位于所述无氧czt氧化物层上方。

本发明的又一实施例提供了一种半导体器件，包括：mosfet，位于半导体衬底；和膜堆叠件，位于所述半导体衬底上方，其中，重复的膜堆叠件包括多个层压单元，并且至少一个层压单元包括：第一磁性层；绝缘氧化物层，位于所述第一磁性层上方；氧俘获层，位于所述绝缘氧化物层上方，其中，所述氧俘获层的氧浓度低于所述绝缘氧化物层的氧浓度；和覆盖层，位于所述氧俘获层上方。

附图说明

当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。

图1是半导体器件的一些实施例的示意性截面图。

图2是半导体器件的一些实施例的示意性截面图。

图3是半导体器件的一些实施例的示意性截面图。

图4是根据本发明的一些实施例的制造半导体器件的方法的流程图。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e是在根据本发明的一些实施例的制造半导体器件的各种操作的其中一个的截面图。

图6a是示出了没有氧俘获层的层压单元的temedx线扫描模拟的模拟图表。

图6b是示出具有氧俘获层的层压单元的temedx线扫描模拟的模拟图表。

图7是膜堆叠件的一些实施例的示意性截面图。

具体实施方式

以下公开内容提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可在各个实例中重复参考标号和/或字符。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示所讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。

而且，为便于描述，在此可以使用诸如“在…之下”、“在…下方”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图所示的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作中的不同方位。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，而本文使用的空间相对描述符可以同样地作相应的解释。

在本发明中，半导体器件包括彼此堆叠的磁性层、绝缘层、阻挡层和导电层。半导体器件可以用作具有磁芯的集成电感器。半导体器件可以用于各种微电子电路应用中，诸如变压器、电源转换器、电磁干扰(emi)噪声降低以及包括振荡器、放大器和匹配网络的射频(rf)和微波电路。半导体器件100的确切功能不限于所提供的主题。

在本发明中，设置在绝缘层和导电层之间的阻挡层是氧俘获层，其配置为俘获颗粒和防止颗粒扩散到导电层。

图1是半导体器件100的一些实施例的示意性截面图。半导体器件100可以是半导体结构，其与半导体制造工艺兼容。在一些实施例中，半导体器件100是集成电感器，或是集成电感器的至少部分。半导体器件100包括第一磁性层12、绝缘氧化物层14、氧俘获层16和覆盖层18。第一磁性层12可以设置在半导体衬底10(例如，硅衬底)上方。在一些实施例中，半导体衬底10包括形成在其中或其上的有源器件(例如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管))和/或无源器件(例如，电阻器、电容器)。在一些实施例中，第一磁性层12也可以设置在半导体衬底10上的任何上面的层20上方。在一些实施例中，上面的层20包括互连件(例如，导电柱、绝缘通孔(tiv)等)和/或层间介电层(例如，无机介电层、有机介电层等)。第一磁性层12由磁性材料形成。例如，第一磁性层12可以包括钴、包含钴和锆的合金、包含钴和铁的合金、镍和铁的合金、包含钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的合金、包含钴、钨和磷的合金、包含钴、镍和铁的合金、包含铁、镍和磷的合金等。在一些实施例中，第一磁性层12是钴锆钽的合金(cozrta或cza)的合金。在一些实施例中，第一磁性层12的厚度为约几千埃，例如约2000埃，但不限于此。在一些实施例中，第一磁性层12电连接/耦合至互连件和/或有源器件。

绝缘氧化物层14位于在第一磁性层12上方。绝缘氧化物层14可以包括钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的氧化物等。在一些实施例中，绝缘氧化物层14是钴、锆和钽的氧化物。在一些实施例中，绝缘氧化物层14的厚度为约几百埃，例如约150埃，但不限于此。在一些实施例中，绝缘氧化物层14是磁性层12的氧化物形式。

氧俘获层16定位在绝缘氧化物层14上方。在一些实施例中，氧俘获层16配置为阻挡层以阻挡氧原子进入上面的层(例如覆盖层18)。在一些实施例中，氧俘获层16配置为过渡层以增强绝缘氧化物层14和上面的层(例如覆盖层18)的粘合。氧俘获层16可以包括钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的氧化物等。在一些实施例中，氧俘获层16是钴、锆和钽的氧化物。在一些实施例中，绝缘氧化物层14和氧俘获层16包括相同的元素，但不同的组分比。在一些实施例中，氧俘获层16和绝缘氧化物层14都是第一磁性层12的氧化物但是具有不同组分比。例如，绝缘氧化物层14和氧俘获层16都是钴、锆和钽的氧化物，并且氧俘获层16的氧浓度低于绝缘氧化物层14的氧浓度。即，氧俘获层16是无氧的绝缘氧化物层，其能够俘获氧原子。在一些实施例中，氧俘获层16的氧浓度与绝缘氧化物层14的氧浓度的比率范围为约10％至约40％，但不限于此。在一些实施例中，氧俘获层16的厚度大于10埃。在一些实施例中，氧俘获层16的厚度为约50埃，但不限于此。

覆盖层18位于氧俘获层16上方。覆盖层18是导电层。在一些实施例中，覆盖层18包括钽或其它导电材料。在一些实施例中，覆盖层18的厚度大于10埃。在一些实施例中，覆盖层18的厚度为约50埃，但不限于此。

如图1所示，第一磁性层12、绝缘氧化物层14、氧俘获层16和覆盖层18在基本上平行于衬底10的厚度方向的方向z上堆叠成层压单元110。在一些实施例中，层压单元110的至少一些部分(例如第一磁性层12)配置为集成电感器的磁芯。在一些可选实施例中，层压单元110配置为另一器件或器件的至少部分。

在一些实施例中，层压单元110由至少一个绝缘层22覆盖，以保护层压单元110或从上面和/或邻近的导电部件隔离层压单元110。在一些实施例中，绝缘层22与层压单元110的一些外表面共形。绝缘层可以包括无机绝缘层(例如氧化物层、氮化物层、氮氧化物层等)和/或有机层(例如聚苯并恶唑(pbo)层等)。在一些实施例中，例如铜线圈的导电线圈位于绝缘层上方，以形成集成电感器。在一些可选实施例中，导电线圈设置在层压单元110下方，并且绝缘层插入在导电线圈和层压单元110之间。

本发明的结构并不限于上述实施例，并且可以具有其他不同的实施例。为了简化说明，并为了便于本发明的每个实施例之间的对比，在以下的各实施例的相同的部件都标有相同的标号。为了更易于比较实施例之间的差别，以下说明书将详述不同实施例之间的差异，并且相同的部件将不过多地描述。

图2是半导体器件200的一些实施例的示意性截面图。半导体器件200包括第一磁性层12、绝缘氧化物层14、氧俘获层16、覆盖层18和第二磁性层30。第一磁性层12设置在衬底10上方或设置在半导体衬底10上的任何上面的层20上方。绝缘氧化物层14位于第一磁性层12上方。氧俘获层16位于绝缘氧化物层14上方。覆盖层18位于氧俘获层16上方。半导体器件200和半导体器件100之间的一个区别是，半导体器件200还包括插入在氧俘获层16和覆盖层18之间的第二磁性层30。在一些实施例中，第二磁性层30可以包括钴、包含钴和锆的合金、包含钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的合金。在一些实施例中，第二磁性层30是钴锆钽合金(cozrta或cza)。第二磁性层30的材料可以与第一磁性层12的材料相同或不同。在一些实施例中，第二磁性层30配置为进一步提高绝缘氧化物层14与覆盖层18之间的粘合。

第一磁性层12、绝缘氧化层14、氧俘获层16、第二磁性层30和覆盖层18在基本上平行于衬底10的厚度方向的方向z上堆叠成层压单元210。在一些实施例中，第一磁性层12、绝缘氧化物层14、氧俘获层16、第二磁性层30和覆盖层18的层压单元210配置为集成电感器的磁芯。在一些可选实施例中，层压单元210配置为具有另一功能的另一器件的至少部分。

图3是半导体器件300的一些实施例的示意性截面图。在一些实施例中，半导体器件300包括位于半导体衬底10上方的膜堆叠件302。膜堆叠件302包括在z方向上反复堆叠在半导体衬底10上方的多个层压单元310。在一些实施例中，层压单元310包括图1的层压单元110。在一些可选实施例中，层压单元310包括图2的层压单元210。仍在其他可选实施例中，一些层压单元310包括图1的层压单元110，并且一些层压单元310包括图2的层压单元210。可以基于电感和/或热稳定性的考虑来选择层压单元310的堆叠数目。在一些实施例中，膜堆叠件302的侧壁和/或上表面覆盖有绝缘层(未示出)。

图4是制造根据本发明的一些实施例的制造半导体器件的方法400的流程图。可以理解，附加的操作可以在方法400之前、期间和之后提供，并且对于方法的其它实施例，部分描述的操作可以被替换或消除。方法400开始于操作410，其中第一磁性层形成在半导体衬底上方。方法400继续进行操作420，其中绝缘氧化物层形成在第一磁性层上方。方法400继续进行操作430，其中氧俘获层形成在绝缘氧化物层上方。氧俘获层的氧浓度低于绝缘氧化物层的氧浓度。在一些实施例中，方法400包括操作430之后的操作435，其中第二磁性层可选择地形成在氧俘获层上方。方法400继续进行操作440，其中，覆盖层形成在氧俘获层上方。方法400继续进行操作450，其中，覆盖层、第二磁性层(如果存在)、氧俘获层、绝缘层和第一磁性层被图案化以形成层压结构。

图5a、图5b、图5c、图5d和图5e是制造根据本发明的一些实施例的制造半导体器件的各种操作的其中一个的截面图。如图5a和图4中的操作410所述，方法400开始于操作410，其中第一磁性层12形成在半导体衬底10上方。在一些实施例中，有源器件(例如mosfet(金属氧化物半导体场效应晶体管))等形成在半导体衬底10中。在一些实施例中，第一磁性层12形成在半导体衬底10上方的上面的层20上方。上面的层20可以包括互连件(例如导电柱、绝缘通孔(tiv)等)和/或层间介电层(例如无机介电层、有机介电层等)。在一些实施例中，第一磁性层12是czt层，并且通过例如溅射等的物理汽相沉积(pvd)形成。在pvd操作中，例如czt靶标的靶标被例如氩(ar)等离子的等离子体轰击，并且czt材料沉积在衬底10或上面的层20上方，以形成第一磁层12。第一磁性层12可以通过pvd或其他沉积方法来形成。

如图5b和图4中的操作420所述，方法400继续进行操作420，其中绝缘氧化物层14形成在第一磁性层12上方。在一些实施例中，绝缘氧化物层14是czt氧化物层，并且通过例如溅射等的pvd形成。绝缘氧化物层14可以通过pvd或其他沉积方法形成。在pvd操作中，例如czt靶标的靶标被例如氧等离子的等离子体轰击，并且czt材料沉积在第一磁性层12上方，以形成绝缘氧化物层14。在一些可选实施例中，通过氧化czt层的外表面附近的czt层的一部分以形成czt氧化物层作为绝缘氧化物层14来形成绝缘氧化物层14。

如图5c和图4中的操作430所述，方法400继续进行操作430，其中氧俘获层16形成在绝缘氧化物层14上方。在一些实施例中，氧俘获层16是无氧czt氧化物层，并且通过例如溅射等的pvd形成。氧俘获层16可以通过pvd或其他沉积方法来形成。在pvd操作中，例如czt氧化物靶标的靶标被例如氩等离子的等离子体轰击，并且czt氧化物材料沉积在绝缘氧化物层14上方，以形成氧俘获层16。氧俘获层16的氧浓度低于绝缘氧化物层14的氧浓度。例如，氧俘获层16的氧浓度与绝缘氧化物层14的氧浓度的比率范围为约10％至约40％。

在一些实施例中，第一磁性层12、绝缘氧化物层14和氧俘获层16以原位方式形成。例如，衬底10装载至pvd腔室，并且用具有例如8kw的功率的例如氩等离子体轰击czt标靶，以在衬底10或上面的层20上方沉积czt层作为第一磁性层12。接着，czt标靶由具有例如8kw的功率的例如氧等离子体轰击以形成覆盖czt标靶的czt氧化物膜，并且czt氧化物材料沉积在第一磁性层12上以形成富氧czt氧化物层作为绝缘氧化物层14。然后由czt氧化物膜覆盖的czt靶标由具有例如1kw的功率的例如氩等离子体轰击，以在绝缘氧化物层14上形成无氧czt氧化物层作为氧俘获层16。

由于氧俘获层16形成在具有较低功率等离子体的无氧气氛中，而绝缘氧化层14形成在具有较高功率等离子体的富氧气氛中。氧俘获层16的氧浓度相应地比绝缘氧化物层14的氧浓度低。例如，可以通过调节参数(例如，等离子体的功率和类型)来调整氧俘获层16的氧浓度与绝缘氧化物层14的氧浓度的比率。在一些实施例中，氧俘获层16的氧浓度与绝缘氧化物层14的氧浓度的比率范围为约10％至约40％。

在一些实施例中，第二磁性层30形成在氧俘获层16上方。第二磁性层30的材料可以与第一磁性层12的材料相同，并且通过例如溅射等的物理汽相沉积(pvd)形成。在一些可选实施例中，第二磁性层30的材料可以不同于第一磁性层12的材料。

如图5d和图4中的操作440所述，方法400继续进行操作440，其中覆盖层18形成在氧俘获层16上方。覆盖层18可以通过pvd或其他沉积方法形成。在一些实施例中，覆盖层18是钽层。在一些实施例中，对第一磁性层12实施退火操作以调整其材料特性，诸如压力、布置或磁各向异性。在一些实施例中，氧俘获层16配置为阻挡层以在退火操作期间阻止氧原子从绝缘氧化物层14向外扩散而与覆盖层18进行反应，从而阻碍覆盖层18的材料的氧化物的产生。例如，当绝缘氧化物层14是czt氧化物层时，氧俘获层16是无氧czt氧化物层而覆盖层18是钽层，无氧czt氧化物层将在退火操作期间俘获从czt氧化物层向外扩散的氧原子，从而阻碍氧化钽的产生。

如图5e和图4中的操作450所述，方法400继续进行操作450，其中图案化覆盖层18、氧俘获层16、绝缘层14和第一磁性层12以形成层压结构。在一些实施例中，通过蚀刻(例如使用形成在覆盖层18上方的图案化的光刻胶层24(例如，光刻胶层)的湿蚀刻)图案化氧俘获层16、绝缘层14和第一磁性层12。在一些实施例中，湿蚀刻的蚀刻溶液包含氢氟酸(hf)、硝酸(hno3)和水(h2o)的溶液，并且可以调整组分比。在一些实施例中，氢氟酸、硝酸和水的组分比为hf：hno3：h2o＝x：y：z，其中x为约0.5至约1.5之间，y为约2至约6之间，z为约7和约13之间。在一些实施例中，hf：hno3：h2o＝1：4：10。仍在一些实施例中，hf：hno3：h2o＝2：3：8。可以根据覆盖层18、氧俘获层16、绝缘氧化物层14和第一磁性层12的材料选择另一蚀刻溶液。同时，除非另有所示，然后在图案化覆盖层18、氧俘获层16、绝缘层14和第一磁性层12之后去除图案化的光刻胶层24。

第一磁性层12、绝缘氧化物层14和覆盖层18由于它们的不同的材料特性具有不同的蚀刻速率。在一些实施例中，第一磁性层12是czt层，绝缘氧化物层14是czt氧化物层，氧俘获层16是无氧czt氧化物层，第二磁性层30是czt层，覆盖层18是ta(钽)层，以及蚀刻液是氢氟酸(hf)、硝酸(hno3)和水(h2o)溶液，其中hf：hno3：h2o＝1：4：10。在本发明中，czt的蚀刻速率为约785a/sec(埃/秒)，czt氧化物的蚀刻速率为约27a/sec，和ta的蚀刻速率为约3a/sec。用ta和czt之间的高蚀刻选择性，横向蚀刻趋于发生。在本发明中，绝缘氧化物层(czt氧化物层)14和覆盖帽(钽层)之间的氧俘获层16(无氧czt氧化物层)配置为在退火操作期间俘获从czt氧化物层向外扩散的氧原子，从而阻碍在覆盖层18和氧俘获层16之间产生氧化钽层(tao层)。氧化钽的蚀刻速率低于钽的蚀刻速率。结果，与不含无氧czt氧化物层的半导体器件的横向蚀刻相比，含无氧czt氧化物的半导体器件的横向蚀刻被阻碍。

图6a是示出了没有氧俘获层的层压单元的tem(透射电子显微镜)edx(能量色散x射线光谱)线扫描模拟的模拟图表，并且图6b是示出了有氧俘获层的层压单元的temedx线扫描模拟的模拟图表。如图6a所述，氧浓度和钽浓度二者在覆盖层(钽)和绝缘氧化物层(czt氧化物层)之间的界面处均保持较高，并且假定产生氧化钽(taxoy)。氧化钽的蚀刻速率低于钽和czt的蚀刻速率，因而会阻碍钽和czt的蚀刻，导致横向蚀刻。另一方面，如图6b所述，氧浓度和钽浓度二者均急剧下降。这表明氧俘获层俘获氧原子并且避免氧化钽的产生。

图7是膜堆叠件302的一些实施例的示意性截面图。如图7所述，在蚀刻操作之后，膜堆叠件302由于横向蚀刻在边缘处锥化。在一些实施例中，在基本上平行于上面的层20的外表面20s的方向上的锥形边缘的宽度是约20微米。在一些实施例中，膜堆叠件302与上面的层20的外表面20s形成角度α，并且角度α的范围为例如约20度至约50度。在一些实施例中，角度α的范围为约25度至约45度，或约30度至约40度。

在本发明中，设置在磁性层和覆盖层之间的氧俘获层配置为俘获诸如氧原子的颗粒，从而防止氧原子扩散至覆盖层。氧俘获层抑制难以蚀刻的金属化合物的生成，并且抑制膜堆叠件的横向蚀刻现象。

在本发明的实施例中，半导体结构包括第一磁性层、绝缘氧化物层、氧俘获层和覆盖层。绝缘氧化物层位于第一磁性层上方。氧俘获层位于绝缘氧化物层上方。氧俘获层的氧浓度低于绝缘氧化物层的氧浓度。覆盖层位于氧俘获层上方。

在上述半导体结构中，其中，所述第一磁性层包括含有钴、锆、和钽、铌或铼中的至少一种的合金。

在上述半导体结构中，其中，所述绝缘氧化物层包括钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的氧化物，并且所述氧俘获层包括钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的氧化物。

在上述半导体结构中，其中，所述绝缘氧化物层和所述氧俘获层包括相同的元素和不同的组分比。

在上述半导体结构中，其中，所述绝缘氧化物层和所述氧俘获层包括相同的元素和不同的组分比，所述氧俘获层的氧浓度与所述绝缘氧化物层的氧浓度的比率范围为10％至40％。

在上述半导体结构中，其中，所述覆盖层是导电层。

在上述半导体结构中，其中，所述覆盖层是导电层，所述导电层包括钽。

在上述半导体结构中，还包括位于所述氧俘获层和所述覆盖层之间的第二磁性层。

在上述半导体结构中，还包括位于所述氧俘获层和所述覆盖层之间的第二磁性层，其中，所述第二磁性层包括钴、锆和钽、铌或铼中的至少一种的合金。

在上述半导体结构中，其中，所述第一磁性层的蚀刻速率高于所述绝缘氧化物层的蚀刻速率，并且所述绝缘氧化物层的蚀刻速率高于所述覆盖层的蚀刻速率。

在本发明的实施例中，集成电感器包括彼此堆叠的多个层压单元。每个层压单元包括第一钴锆钽(czt)层、czt氧化物层、无氧czt氧化物层和覆盖层。czt氧化物层位于第一czt层上方。无氧czt氧化物层位于czt氧化物层上方。无氧czt氧化物层的氧浓度低于czt氧化物层的氧浓度。导电层位于无氧czt氧化物层上方。

在上述集成电感器中，其中，所述无氧czt氧化物层的氧浓度与所述czt氧化物层的氧浓度的比率范围为10％至40％。

在上述集成电感器中，其中，所述导电层包括钽。

在上述集成电感器中，还包括位于所述无氧czt氧化物层和所述导电层之间的第二czt层。

在本发明的实施例中，半导体器件包括：位于半导体衬底中的mosfet和位于半导体衬底上方的膜堆叠件。重复的膜堆叠件包括多个层压单元。至少一个层压单元包括第一磁性层、绝缘氧化物层、氧俘获层和覆盖层。绝缘氧化物层位于第一磁性层上方。氧俘获层位于绝缘氧化物层上方。氧俘获层的氧浓度低于绝缘氧化物层的氧浓度。覆盖层位于氧俘获层上方。

在上述半导体器件中，还包括位于所述半导体衬底和所述膜堆叠件之间的上面的层。

在上述半导体器件中，还包括位于所述半导体衬底和所述膜堆叠件之间的上面的层，其中，所述膜堆叠件与所述上面的层的外表面形成一个角度，并且所述角度的范围为20度至50度。

在上述半导体器件中，还包括覆盖所述膜堆叠件的侧壁的绝缘层。

在上述半导体器件中，其中，所述膜堆叠件配置为电感器。

在上述半导体器件中，其中，所述膜堆叠件在边缘处锥化。

上面概述了若干实施例的特征，使得本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应该理解，他们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其他工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同构造并不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中他们可以做出多种变化、替换以及改变。