专利名称：射频平面螺旋集成电感的加工方法
技术领域：
本发明涉及一种射频平面螺旋集成电感的加工方法。
背景技术：
在过去的十多年中，寻呼机、无绳电话、模拟及数字蜂窝电话等个人无线通信系统以及数字电视、广播得到了迅猛发展，无线通信成为继PC产业之后最重要的产业。由于集成电路具有体积小、功耗低、成本低的特点，无线通信技术的蓬勃发展促成了射频集成电路(RFIC，radio frequency integrate circuit)的迅速发展。目前，射频集成电路已经成为微电子领域重要的研究方向之一。伴随着射频集成电路的飞速发展，开发高性能的新器件和新的单元电路成为当前最迫切和最重要的工作。其中，开发工作在射频段的高品质无源器件，尤其是开发适用于射频集成电路的集成电感，已经成为射频集成电路领域的研究重点。
以射频集成电路中通常使用的平面螺旋结构电感为例，当电感工作在高频时，衬底对其性能的影响十分严重。如图1、图2所示，平面电感主要包括电感线圈1、引线2和通孔连接3三部分。由于该结构使螺旋平面与硅衬底平行，高频时电感电流产生的磁场可以穿过衬底，正如图3中所示，穿透衬底的磁场可以在衬底中形成镜像电流，进而引起反向磁场，导致额外的能量损失，使电感值减小，降低电感的品质因数(Q)。
当前国际上针对如何提高平面螺旋集成电感品质因数的研究主要分为两类一类是从提高电感的Q值入手，另外一类是从减小电感的衬底损耗入手。
提高电感的Q值，可以通过减小电感串联电阻的方法来实现。荷兰的BehzadRejaei，Joachim Burghartz and Hugo Schellevis(The Delft research team，Oct.2002)报道了用选择性淀积金属工艺来提高电感品质因子的方法。该方法的主要特征是在常规的Al电感制作完后，淀积Ti-Ni-Cu种子层，然后光刻掩模版露出电感部分，在电感上电镀Cu。这样通过单独对电感部分的金属进行电镀Cu工艺，增加了电感金属的厚度，减小了电感的串联电阻。但这种方法的缺点在于电镀Cu工艺会对整个芯片造成Cu污染，而且复杂的金属加工工艺步骤使得电感难以集成和大规模生产。
另一大类是从减小衬底的损耗入手来制备高品质的电感，通过不同的工艺方法来实现衬底的高阻化。文献J.Y.，C.Chang and A.A.Abidi，“Large Suspended inductorson silicon and their use in a 2-μm CMOS RF amplifier，”IEEE Electron Device Lett.，vol.14，1993，pp.246-248.和文献M.Ozgur，M.E.Zalloul，and M.Gaitan，“High QBackside Micromachined CMOS Inductors，”in Proc.IEEE International SymposiumCircuits And Systems(ISCAS)，Vol.II，1999，pp577-580.报道采用悬浮电感的结构可以减小衬底的损耗和寄生电容，图4给出了文献中悬浮结构电感的放大照片。显而易见，制造悬浮电感需要采用MEMS工艺将衬底挖空，这与现有的CMOS工艺不兼容；另外悬浮电感的机械强度很小，要改善悬浮电感的机械强度，往往需要增加许多工艺步骤，这又使加工步骤特别繁琐，不利于集成和大规模工业生产。采用高阻多孔硅衬底同样可以减小衬底的损耗。近两年来，在多孔硅衬底上制备电感成为一个新颖的研究方向，文献Han-Su Kim and Ya-Hong Xie，“Unoxidized porous Si as anisolation material for mixed-signal integrated circuit applications，”Journal of AppliedPhysics，Vol93，Number7，2003，pp4226-4231.报道，在多孔硅厚度为110μm的p型硅片上制备出了高品质的电感。该方法首先制备多孔硅衬底，然后在多孔硅上制备电感，由于在多孔硅的制备过程中硅片已被污染，不利于其它后续器件的制备、加工和集成，因此将来很难应用于实际的集成电路制造和大规模生产之中。
此外，文献Koji Murata，Taskashi Hoska，and Yasuhiro Sugimoto“Effect ofA Ground Shield Of A Silicon On-chip Spiral Inductor”Microwave Conference，2000 Asia-Pacific，2000，pp177-180中报道，通过在电感下增加屏蔽结构(shield)结构来阻断衬底涡流可以减小衬底损耗，但shield结构会使衬底的寄生电容增加，从而降低电感的自谐振频率。
发明内容
针对上述现有集成电感所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种制造工艺方法简单、易操作、与当前常规CMOS工艺技术相兼容的射频平面螺旋集成电感的加工方法。
本发明是这样实现的一种射频平面螺旋集成电感的加工方法，包括以下步骤，1)在制作完的电感的硅片的正面引出电极引线，并将其整体用防HF酸腐蚀的绝缘胶带双面密封，背面的胶带上留有小孔，即是要腐蚀的区域；2)将步骤1)中制好的电感固定于腐蚀槽中的硅片支架上，将所述硅片上的电极引线接腐蚀电路的阳极，用金属Pt片作腐蚀电路的阴极；3)向腐蚀槽中加入HF酸、乙醇和水的混合液，溶液的摩尔比为HF∶C2H5OH∶H2O＝1∶1∶2；4)开通腐蚀电路，并使待腐蚀硅片的电流密度保持在5～50mA/cm2范围内，腐蚀时间3～5小时；5)将加工后的硅片清洗，去除防酸胶带并临界干燥处理，经测试封装后即可使用。
进一步地，该方法的步骤4)和5)之间还包括，硅片腐蚀停止后，将腐蚀液倒出；向腐蚀槽中加入与步骤3)中相同体积的浓度为3％的H2O2，通电10分钟；倒出H2O2，用去离子水冲洗腐蚀槽及硅片与腐蚀槽接触部分。
进一步地，所述硅片上的电极引线由所述硅片p+层引出。
进一步地，所述腐蚀槽由聚四氟乙烯制成。
进一步地，所述集成电感具体由以下方法值得1)清洗用于制造所述集成电感的原始硅衬底；2)将步骤1)中的硅衬底依次制作高浓度磷掺杂P+层、硅片氧化和淀积Si3N4保护层；3)将步骤2)处理后的硅衬底再经过淀积SiO2、制备接触孔、溅射金属制作引线、淀积SiO2介质层、刻蚀通孔、制作电感线圈和连接压焊块，完成电感的制造。
进一步地，所述电极引线为铝线。
本发明采用多孔硅背向选区腐蚀的方法在硅衬底上制造高品质的集成电感。密集多孔的衬底结构，可以有效地阻断衬底涡流的形成，减少了能量的损耗，提高了集成电感的品质因数。多孔硅的结构不会对集成电感的电学性质产生不良的影响。并且由于采用的是后续加工工艺，不会对器件和电路造成污染，也不会对前序工艺造成任何不利的影响。并且，本发明从衬底背面反向生长多孔硅，既不损伤已经制造的集成电感，还能有效地提高集成电感的感值和品质因数，并且制造工艺方法简单，易操作，与当前常规CMOS工艺技术相兼容。
下面结合附图，对本发明作出详细描述。
图1是现有平面螺旋集成电感的俯视结构示意图；图2是现有平面螺旋集成电感的剖视示意图；图3是平面集成电感高频磁场穿透衬底的示意图；图4是悬浮平面螺旋结构电感的放大照片示意图；图5为本发明未腐蚀电感结构示意图；图6为本发明的加工装置示意简图；图7为本发明腐蚀完成后的截面示意图。
具体实施例方式
本发明集成电感的制造工艺可分为两个阶段实施在p型硅衬底上采用常规工艺制备集成电感；用电化学腐蚀的方法实现集成电感衬底的背向多孔硅选区生长。
本发明以平面螺旋电感的制作加工过程为例详细说明，具体步骤为1、清洗原始Si衬底片；2、光刻、选区注入磷离子，能量为60kev，剂量为5e15cm-2，形成p+层；3、氧化生成SiO2，厚度为20nm；4、LPCVD淀积Si3N4保护层，厚度为50nm；5、光刻Si3N4保护层，在需要制备多孔硅的区域，保留Si3N4保护层；6、LPCVD淀积一层起隔离作用的SiO2，厚度为500nm；7、光刻SiO2，版图为电极接触孔而设计；8、采用干法腐蚀去除一部分接触孔中的SiO2和Si3N4；9、采用湿法腐蚀，腐蚀净接触孔剩余的SiO2；10、溅射一层金属Al，厚度为1000nm；
11、光刻一层金属Al，版图为形成电感下层引线和电极引线；12、干法刻蚀铝，形成电感下层引线和电极引线；13、退火以形成合金，使得电极引线和p+层之间形成欧姆接触，减少接触电阻；14、PECVD淀积SiO2，厚度为800nm；15、光刻通孔；16、RIE刻蚀净SiO2；17、溅射金属Al，厚度为1500nm；18、光刻，版图为平面螺旋电感的版图；19、干法刻蚀Al，形成平面螺旋电感线圈；20、退火以形成合金，使一层Al金属和Al线圈之间形成欧姆接触，减少接触电阻；21、PECVD淀积钝化层SiO2，厚度为1000nm；22、光刻压焊孔，版图为金属Al线圈与焊盘接触的压焊孔；23、先湿法略腐蚀钝化层SiO2；24、干法刻蚀净压焊孔的钝化层SiO2，完成常规集成电感制作，并压焊引出电极。
如图5所示，为采用上述步骤加工后的本发明集成电感的剖视示意图。
本发明还包括以下加工步骤25、用防HF酸胶带从两边密封样品，反面与腐蚀液相接触的部分留有小孔，对应着要腐蚀的区域，正面完全密封；图6给出了用特氟仑(又称聚四氟乙烯)材料制成的多孔硅腐蚀设备简图，特氟仑有很好的抗HF酸腐蚀特性，是制作该设备的最佳材料。将上述制成的集成电感作为阳极，金属Pt片作为阴极。其中集成电感正面(有电路的一面)接电极，背面与特氟仑腐蚀槽的侧壁开口接触，在进行电化学腐蚀的时候，使集成电感的背面与腐蚀液相接触，集成电感的正面接恒流源的阳极。
26、按HF∶C2H5OH∶H2O＝1∶1∶2(摩尔比)的溶液配比配制腐蚀液；一般来讲，腐蚀过程中，起主要作用的是HF酸，乙醇主要起活化剂的作用，它将腐蚀过程中产生的气泡带离硅片，加速多孔硅的生成；通过改变腐蚀溶液的配比可以改变多孔硅生成的速率和多孔硅孔径的大小与形状；
27、将样品固定于仪器之上，向腐蚀槽中注入配好的腐蚀液；28、恒流电源正极接硅片，负极接金属Pt片电流密度控制在5～50mA/cm2范围内，腐蚀时间控制在3～5个小时；通常条件下，电流密度越大，腐蚀速度越快，反之，电流密度越小，腐蚀速度越慢；但是电流密度越大生成的多孔硅的均匀性越差，纵向的生长速度趋向不一致，机械强度较小，质量较差；29、腐蚀完毕，取出腐蚀液，加入相同体积浓度为3％的H2O2，通电处理10分钟；30、取下被腐蚀的样品，冲洗之后进行干燥处理，最终完成集成电感的制造。
至此，以背向腐蚀多孔硅为衬底的集成电感制作完毕，其结构如图7所示。对测试本发明的各项特性参数，满足要求后即可投入使用。
权利要求
1.一种射频平面螺旋集成电感的加工方法，包括以下步骤，1)在制作完的电感的硅片的正面引出电极引线，并将其整体用防HF酸腐蚀的绝缘胶带双面密封，背面的胶带上留有小孔，即是要腐蚀的区域；2)将步骤1)中制好的电感固定于腐蚀槽中的硅片支架上，将所述硅片上的电极引线接腐蚀电路的阳极，用金属Pt片作腐蚀电路的阴极；3)向腐蚀槽中加入HF酸、乙醇和水的混合液，溶液的摩尔比为HF∶C2H5OH∶H2O＝1∶1∶2；4)开通腐蚀电路，并使待腐蚀硅片的电流密度保持在5～50mA/cm2范围内，腐蚀时间3～5小时；5)将加工后的硅片清洗，去除防酸胶带并临界干燥处理，经测试封装后即可使用。
2.如权利要求1所述的射频平面螺旋集成电感的加工方法，其特征在于，该方法的步骤4)和5)之间还包括，硅片腐蚀停止后，将腐蚀液倒出；向腐蚀槽中加入与步骤3)中相同体积的浓度为3％的H2O2，通电10分钟；倒出H2O2，用去离子水冲洗腐蚀槽及硅片与腐蚀槽接触部分。
3.如权利要求1所述的射频平面螺旋集成电感的加工方法，其特征在于，所述硅片上的电极引线由所述硅片p+层引出。
4.如权利要求1所述的射频平面螺旋集成电感的加工方法，其特征在于，所述腐蚀槽由聚四氟乙烯制成。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的射频平面螺旋集成电感的加工方法，其特征在于，所述集成电感具体由以下方法值得1)清洗用于制造所述集成电感的原始硅衬底；2)将步骤1)中的硅衬底依次制作高浓度磷掺杂P+层、硅片氧化和淀积Si3N4保护层；3)将步骤2)处理后的硅衬底再经过淀积SiO2、制备接触孔、溅射金属制作引线、淀积SiO2介质层、刻蚀通孔、制作电感线圈和连接压焊块，完成电感的制造。
6.如权利要求5所述的射频平面螺旋集成电感的加工方法，其特征在于，所述电极引线为铝线。
全文摘要
本发明公开了一种射频平面螺旋集成电感的加工方法，包括，在制作完的电感的硅片的正面引出电极引线，并将其整体用防HF酸腐蚀的绝缘胶带双面密封，背面的胶带上留有小孔；将制好的电感固定于腐蚀槽中的硅片支架上，将所述硅片上的电极引线接腐蚀电路的阳极，用金属Pt片作腐蚀电路的阴极；向腐蚀槽中加入HF酸、乙醇和水的混合液，溶液的摩尔比为HF∶C
文档编号H01L21/02GK1601695SQ200410009629
公开日2005年3月30日 申请日期2004年9月30日 优先权日2004年9月30日
发明者杨利, 张国艳, 廖怀林, 周毅, 刘军华, 延涛, 宋睿丰, 黄如, 张兴 申请人:北京大学