专利名称：垂直定向的半导体器件及其屏蔽结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体领域，更具体地，本发明涉及一种垂直定向的半导体器件及其屏蔽结构。
背景技术：
半导体集成电路(IC)工业经历了快速发展。IC材料和设计的技术进步产生了多代1C，其中，每一代都具有比前一代更小且更复杂的电路。然而，这些进步增加了处理和制造IC的复杂性，并且对于将被实现的进步，需要IC处理和制造中产生同样的发展。在集成电路演进过程中，功能密度(即，单个芯片面积中互连器件的数量)通常都在增加，同时几何尺寸(即，可使用制造工艺形成的最小组件(或线))减小。可以在半导体器件上形成各种有源或无源电子元件。例如，可以在半导体IC上形成变压器、电感器、电容器等。然而，形成在IC上的传统电子元件可能面临多个缺点，例如，·空间消耗过多、器件性能低劣、屏蔽不足、以及制造成本较高。因此，尽管在半导体IC上存在电子器件通常满足了其预期目的，但是无法在每个方面完全令人满意。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，根据本发明的一个方面，提供了一种半导体器件，包括衬底，具有通过X轴和与所述X轴垂直的Y轴限定的表面；电感器，被设置在所述衬底的所述表面上方，所述电感器具有缠绕定向，所述缠绕定向至少部分地通过与所述X轴和所述Y轴垂直的Z轴限定出；以及电容器，被设置在所述衬底上方并且邻近所述电感器。在该半导体器件中，所述电感器和所述电容器被设置在互连结构内，所述互连结构形成在所述衬底上方。在该半导体器件中，所述互连结构包括多条导线和多个导电通孔，并且其中，所述电感器和所述电容器均通过使用所述导线的相应子集和所述导电通孔的相应子集实现。在该半导体器件中，所述电感器的所述导线与所述电容器的所述导线垂直。在该半导体器件中，所述电感器和所述电容器相互交错。在该半导体器件中，所述电感器具有相关磁场，所述相关磁场基本上与所述衬底的所述表面平行。在该半导体器件中，所述衬底的所述表面为水平面，并且所述电感器的所述缠绕定向为垂直缠绕定向。在该半导体器件中，所述电感器和所述电容器被介电材料分隔开。在该半导体器件中，所述电感器和所述电容器被屏蔽结构屏蔽，所述屏蔽结构包括多条带状线。根据本发明的另一方面，提供了一种半导体器件，包括衬底，具有水平面；以及互连结构，形成在所述衬底的所述水平面上，所述互连结构包括感应线圈，基本上被缠绕在与所述衬底的所述水平面垂直的垂直平面中；以及电容器，被设置在紧邻所述感应线圈的位置上，所述电容器具有阳极元件和阴极元件；其中，所述感应线圈和所述电容器均包括多个水平延伸的伸长件。在该半导体器件中所述互连结构包括被设置在多层互连层中的多条金属线；并且所述感应线圈的所述伸长件和所述电容器的所述伸长件均包括所述金属线的相应子集。在该半导体器件中所述互连结构进一步包括多个通孔堆叠件；并且所述感应线圈包括所述通孔堆叠件的子集，所述通孔堆叠件将所述感应线圈的所述伸长件互连在一起。
在该半导体器件中所述电容器的所述伸长件中的至少一些通过所述感应线圈围绕。在该半导体器件中所述感应线圈的所述伸长件与所述电容器的所述伸长件垂直。在该半导体器件中所述阳极元件的所述伸长件与所述阴极元件的所述伸长件相
互交错。根据本发明的另一方面，提供了一种制造半导体器件的方法，包括提供衬底，所述衬底具有在X方向和与所述X方向垂直的Y方向上延伸的表面；以及在所述衬底的所述表面上方形成互连结构，所述互连结构具有通过多个通孔互连的多条导线，其中，形成所述互连结构包括使用所述导线的子集和所述通孔的子集形成电感电容(LC)振荡回路；其中所述LC振荡回路包括电感器，所述电感器被形成为具有线圈缠绕定向，所述线圈缠绕定向至少部分地沿着与所述X方向和所述Y方向垂直的Z方向延伸；以及所述LC振荡回路包括电容器，所述电容器被形成为具有阳极元件和与所述阳极元件相互交错的阴极元件。在该方法中，执行形成所述LC振荡回路的步骤，使得所述电感器的所述导线和所述电容器的所述导线均沿着与所述衬底的所述表面平行的方向延伸。在该方法中，执行形成所述LC振荡回路的步骤，使得所述电感器的所述导线与所述电容器的所述导线垂直。在该方法中，执行形成所述LC振荡回路的步骤，使得所述电感器部分地围绕所述电容器。在该方法中，进一步包括形成围绕所述LC振荡回路的屏蔽结构，其中，所述屏蔽结构包括多条伸长线。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的多个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，各种部件没有被按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。图IA示出了电感器器件的立体图。图IB-图IC示出了变压器器件的俯视图和横截面图。图2为变压器器件的等效电路原理图。
图3-图4为处于不同制造阶段的半导体器件的横截面图。图4为根据实施例的半导体电容器的立体图。图5为根据实施例的变压器器件的立体图。图6为半导体器件的立体图，在该半导体器件中具有根据实施例实现图5的变压器器件。图7为根据实施例的电感电容(LC)振荡回路的立体图。图8为根据实施例的LC振荡回路的电容器的立体图。图9为根据实施例的LC振荡回路的电容器的立体图。图10为根据实施例的在其中包括有变压器的屏蔽结构的立体图。·图11为根据实施例的在其中包括有LC振荡回路的屏蔽结构的立体图。图12为示出了根据实施例的制造变压器器件的方法的流程图。图13为示出了根据实施例的制造LC振荡回路器件的方法的流程图。图14为示出了根据实施例的制造屏蔽器件的方法的流程图。
具体实施例方式可以理解，为了实现各个实施例的不同部件，以下公开提供了许多不同的实施例或实例。以下描述了元件和布置方式的特定示例以简化本公开。当然这些仅仅是实例，而并不旨在进行限定。例如，以下描述中第一部件形成在第二部件上可以包括第一部件和第二部件通过直接接触形成的实施例，还可以包括有额外部件形成在第一部件和第二部件之间，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。另外，本公开可在各个实例中重复参考数字和/或字母。该重复为了简明和清楚，而且其本身并不表示所描述的各个实施例和/或结构之间的关系。变压器为交流(AC)器件，该交流器件转换了电压、电流、以及阻抗。变压器通常包括两个或多个线圈，该两个或多个线圈通过诸如铁磁芯的共用磁心磁连接。法拉第电磁感应定律建立了变压器的工作原理。图IA为感应线圈10的立体图，图IB为包括感应线圈10的变压器20的俯视图。变压器20具有多个端口(如本文中所示的端口 I至4)，并且包括跨越(span)多个水平面的导电线圈(或者绕组)。当电流流过导电线圈时，感应生成磁场，在图IC的横截面图中示出了该磁场。参考图1C，在互连结构25中实现了变压器20，该互连结构包括金属间电介质(MD)和金属线。在衬底30上形成了互连结构25，该衬底可以包含半导体材料。在变压器20中流动的电流感应生成磁场35，该磁场延伸到衬底30中。根据法拉第电磁感应定律，由于存在磁场35将感应生成润电流(eddy current)。该润电流感应生成在互连结构中以及在衬底30中。尤其在高频下，这种涡电流导致功率损耗。因此，变压器20的性能降低。另外，如图IB所示的变压器20的共面连接的线圈还导致了芯片面积没有被充分利用以及耦合系数较低。根据本发明的各个方面，以下段落将描述克服与变压器20有关的问题的变压器。图2为变压器器件的等效电路的原理图。变压器器件包括具有端口 I至2的初级线圈；和具有端口 3至4的次级线圈。可以通过端口 I至4建立与初级线圈和次级线圈的电连接。例如，将电压V1施加在端口 I和端口 2之间，并且在端口 3和端口 4之间感应生成电压V2,在负载&两端测量出该电压v2。通过端口 I施加电流I1，并且在端口 3处感应生成电流12。R1和R2分别表示初级线圈和次级线圈的绕组电阻。初级线圈具有绕组匝数或线圈匝数N1，次级线圈具有绕组匝数或线圈匝数N2。对于理想变压器来说(作为包括初级线圈和次级线圈的器件在图2的虚线框中示出KI1A2 = VNnVV2 = N1ZiN2，并且R1 = (N1/N2)2*Rl。然而，对于非理想的变压器来说，要考虑到存在漏磁通、非无限感应系数、非零绕组电阻、并且存在磁滞现象和涡电流损耗。对于在图2中所示的变压器来说，X1和X2分别表示初级线圈和次级线圈的泄漏感抗。Re表示由于磁滞现象和涡电流作用所导致的功率损耗。Xe为非线性感抗，该非线性感抗表示 铁磁芯的非线性磁化行为。以下段落将根据本发明的各个方面描述具有降低的涡电流损耗和改进的耦合系数的变压器。参考图3，示出了半导体器件的示意性部分横截面图。半导体器件具有衬底40。在一个实施例中，衬底40为硅衬底，该硅衬底掺杂有诸如硼的P型掺杂剂，或者掺杂有诸如砷或磷的N型掺杂剂。衬底40可以由以下材料制成一些其他适当元素半导体，例如，金刚石或者锗；适当的化合物半导体，例如，碳化硅、砷化铟、或者磷化铟；或者适当合金半导体，例如，碳化娃锗、磷化镓砷、或者磷化镓铟。此外，衬底40可以包括外延层(epi layer),可以为了提高性能而对该衬底40进行应变，并且该衬底40可以包括绝缘体上硅(SOI)结构。尽管为了简单起见而没有具体示出，但是可以在衬底中形成多个电子元件。例如，可以在衬底中形成FET晶体管器件的源极区域和漏极区域。可以通过一次或多次离子注入或扩散工艺形成该源极区域和漏极区域。作为另一实例，可以在衬底中形成诸如浅沟槽隔离(STI)结构或深沟槽隔离(DTI)结构的隔离结构，从而为各种电子元件提供隔离。可以通过在衬底40中蚀刻凹槽(或沟槽)来形成这些隔离结构，并且此后，通过诸如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、掺氟硅酸盐(FSG)、和/或本领域中公知的低k介电材料的介电材料填充该凹槽。衬底40具有上表面50。表面50包括通过X轴和Y轴限定的二维平面，其中，X轴和Y轴相互垂直，或正交。还可以将X轴和Y轴分别称作X方向和Y方向。现在参考图4，在衬底40的上表面50的上方形成互连结构60。换言之，沿与垂直于表面50的Z轴(或者Z方向)在表面50的上方形成互连结构60。互连结构60包括多个经过图案化的介电层和互连导电层。这些互连导电层提供了在电路、输入/输出、以及形成在衬底40中的多个掺杂部件之间的互连件(例如，引线)。更具体地来说，互连结构60可能包括多个互连层，还称作金属层(例如，Ml、M2、M3等)。每层互连层均包括多个互连部件(还称作金属线)。该金属线可以为铝互连线或铜互连线，并且可以包含诸如铝、铜、铝合金、铜合金、铝/硅/铜合金、钛、氮化钛、钽、氮化钽、钨、多晶硅、金属硅化物、或者其组合的导电材料。金属线可以通过包括物理汽相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、溅射、电镀、或者其组合的工艺形成。互连结构60包括层间电介质(ILD)，该层间电介质在互连层之间提供了隔离。ILD可以包含诸如氧化物材料的介电材料。互连结构60还包括多个通孔/接触件，该多个通孔/接触件在位于衬底上方的不同互连层和/或部件之间提供了电连接。为了简单起见，本文中没有具体示出位于互连层中的金属线、互连金属线的通孔、以及分隔开该互连层的介电材料。根据本发明的各个方面，在互连结构60中形成变压器。换言之，互连结构60的各个元件构成了本文所公开的变压器。为了简单起见，在图4中没有示出变压器，但是在图5中更详细地示出了各个实施例之一，并且通过以下段落更详细地描述了各个实施例之一。现在参考图5，根据本发明的多个方面示出了变压器100的实施例的部分立体图。变压器100包括线圈(或者绕组)110和线圈(或者绕组)120。在一个实施例中，线圈110为初级线圈，线圈120为次级线圈。在另一实施例中，线圈120为初级线圈，线圈110为次级线圈。通过互连结构60的介电材料(例如，ILD)将线圈110和线圈120分隔开。对于任何变压器来说，线圈110和线圈120均包括多匝线圈或绕组。根据本发明的各个方面，这些多匝线圈或绕组由互连结构60 (在图4中所示的)的多条互连线和多个通孔组成。例如，在所示实施例中，线圈110包括属于不同互连层的互连线130至132。互 连线130至132具有伸长形状，并且沿着与Z轴垂直的轴水平延伸，与Z轴垂直的轴可以为X轴或者Y轴。互连线130至132还具有宽度或横向尺寸135，沿着与互连线130至132延伸的轴相垂直的轴水平测量该宽度或横向尺寸。通过通孔堆叠140和141将互连线130和131互连在一起。通过通孔堆叠142和143将互连线130和132互连在一起。均沿着Z轴延伸的通孔堆叠140至143均包括多个垂直对准(沿着Z轴)的通孔和互连线元件。与线圈110类似地，线圈120还包括通过多个通孔堆叠互连的多条伸长互连线。在所示的实施例中，线圈120包括互连线150至156和通孔堆叠160至164。互连线151至152通过通孔堆叠160互连在一起。互连线151至152通过通孔堆叠161 (其示图被部分地阻挡)互连在一起。互连线152至153通过通孔堆叠(在图5中示图被阻挡的通孔堆叠)互连在一起。互连线153至154通过通孔堆叠162互连在一起。互连线154至155通过通孔堆叠163互连在一起。互连线155至156通过通孔堆叠164互连在一起。与线圈110相比较，线圈120的互连线的宽度基本上更窄。例如，线圈120的互连线150具有宽度175，沿着与宽度135相同的轴测量出该宽度175。宽度135是宽度175的两倍以上。例如，宽度135可以为宽度175的两倍、三倍、或者四倍。至少部分由于较小的宽度175，线圈120还具有比线圈110更多的绕组或线圈匝数。每个绕组都可以包括其自身的垂直对准互连线和互连这些垂直对准互连线的通孔的子集(subset)。例如，线圈120的这些绕组之一包括互连线150至151和通孔堆叠160，并且这些绕组中的另一个包括互连线153至154和通孔堆叠162。该两种绕组被设置在基本上相互平行的平面上。线圈120的绕组的这些平面限定了线圈120的缠绕定向。通过类似的方式，线圈110还具有包括互连线130至132和通孔堆叠140至143的绕组。线圈110的绕组被设置在平面上，该平面基本上与线圈120的绕组的平面平行。这些平面限定出.线圈110和120的缠绕定向或绕组方向。因此，可以说线圈110和120均具有与衬底40的表面50 (在图3中所示的)相交(或者不平行)的缠绕定向或绕组方向。换言之，由于表面50位于通过X轴和Y轴所限定的平面上，因此，线圈110和120的缠绕定向位于与通过X轴和Y轴所限定的平面相交的平面上。在实施例中，通过Z轴部分地限定出线圈110和120的缠绕定向的平面，如上所述，该线圈的缠绕定向的平面与X轴和Y轴垂直或者正交。在所示实施例中，在线圈110 “内”实现线圈120，在某种意义上，线圈120的互连线被设置在位于其中设置有线圈110的互连线的互连层之间的互连层中。换言之，与线圈110相对应的互连层可以包括Ml (在其中实现了互连线130)和M7(在其中实现互连线132)。另一方面，与线圈120相对应的互连层可以包括M2至M5，该互连层被设置在互连层Ml和M7之间，其中，互连层M2至M5被设置在层Ml和M7之间。可以理解，这些特定层或特定层数不旨在进行限定，并且可以在其他互连层中实现线圈110至120，或者在可选实施例中，线圈110和120包括不同数量的互连线和/或通孔堆叠。此外，可以理解，在其他实施例中，可以在线圈120 “内”实现线圈110。参考图2和图5，互连线132和131的远端部分别构成了变压器100的端口 I和2，并且互连线150和156的远端部分别构成变压器的端口 3和4。在端口 I和2之间施加电压将会在端口 3和4之间感应生成电压，并且在端口 I处施加电流将会在端口 3处感应生成电流。参考图6，当变压器100通电时，通过流经线圈110的电流生成磁场200。将感应 生成另一磁场，该感应生成的磁场的方向与磁场200的方向相平行,但是相反。在图6中，将磁场200的一部分示出为虚线圆或椭圆环。与在图IC中所示的磁场35 (通过电感器器件所生成的)相反，磁场200基本上与衬底40的表面50相平行,而不与衬底相垂直(或者相反，相交)。并且，由于磁场200和感应生成的磁场基本上与表面50相平行，因此，在互连结构60的介电材料中感应生成涡电流。在衬底40中几乎没有感应生成涡电流或者根本没有感应生成涡电流。同样地，可以降低在线圈110至120和衬底40之间的磁相互作用，从而导致衬底的损耗更低。尽管诸如图IB的变压器20的变压器可以称作具有共面线圈，但是图5的变压器100具有立式缠绕线圈，并且可以称作垂直定向变压器。换言之，变压器120的线圈110至120在与衬底40的表面50不平行的方向或定向上缠绕。变压器100还具有可变金属宽度线圈。例如，线圈Iio的宽度可以大于线圈120的宽度的数倍。本发明的这种垂直可变宽度变压器提供了优于传统变压器的优点。可以理解，其他实施例可以提供不同的优点，并没有哪个特定的优点是所有实施例都要具备的。通过本发明的变压器所提供的一个优点是降低了芯片面积消耗。如图IB所示，与变压器20类似的并且具有横向绕组的变压器需要大量的芯片面积。相比之下，变压器100垂直实现其绕组。通过属于通过通孔互连在一起的不同金属层的金属线实现线圈。同样地，线圈在定向为与衬底的表面垂直的平面中垂直缠绕。利用互连结构内的垂直空间降低了线圈所需要占用水平空间。因此，可以保留宝贵的芯片面积。通过本发明的变压器所提供的另一优点是降低了衬底的损耗。在具有横向线圈绕组的传统变压器中，感应生成的磁场与衬底相垂直，从而还在衬底中感应生成涡电流。在衬底中存在的涡电流导致了衬底的损耗，这是不期望的。相比之下，对于本文所公开的变压器来说，由于线圈绕组的垂直定向，因此感应磁场与衬底表面相平行。平行磁场转而感应生成涡电流，该涡电流基本上局限于互连结构内(并且不位于衬底中)。因此，基本上可以防止或者降低衬底的损耗。通过本发明的变压器所提供了的另一优点是其较高的阻抗变换。在具有横向线圈绕组的传统变压器中，初级线圈和次级线圈通常具有I : I的线圈匝数比。初级绕组和次级绕组的宽度通常也相同。因此,在次级线圈中的感应感应生成电流和感应感应生成电压基本上与在初级线圈中的电流和电压相同。换言之，传统变压器具有非常小的“逐步增加”或“逐步降低”能力，并且阻抗变换比可能接近I : I。相比之下，本发明的可变金属宽度变压器可以具有次级线圈，该次级线圈具有与初级线圈的每个绕组相对应的多个线圈。这意味着初级线圈中的电流可能是次级线圈中的电流的数倍。另外，次级线圈的减小的宽度增大了次级线圈相对于初级线圈的电阻，这样，还转而降低了次级线圈相对于初级线圈的电流。因此，阻抗变换比可以大大高于传统变压器器件。为了示出以上描述，将以下表I作为实例。表I
权利要求
1.一种半导体器件，包括 衬底，具有通过X轴和与所述X轴垂直的Y轴限定的表面； 电感器，被设置在所述衬底的所述表面上方，所述电感器具有缠绕定向，所述缠绕定向至少部分地通过与所述X轴和所述Y轴垂直的Z轴限定出；以及电容器，被设置在所述衬底上方并且邻近所述电感器。
2.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述电感器和所述电容器被设置在互连结构内，所述互连结构形成在所述衬底上方。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其中，所述互连结构包括多条导线和多个导电通孔，并且其中，所述电感器和所述电容器均通过使用所述导线的相应子集和所述导电通孔的相应子集实现。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其中，所述电感器的所述导线与所述电容器的所述导线垂直。
5.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述电感器和所述电容器相互交错。
6.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述电感器具有相关磁场，所述相关磁场基本上与所述衬底的所述表面平行。
7.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述衬底的所述表面为水平面，并且所述电感器的所述缠绕定向为垂直缠绕定向。
8.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述电感器和所述电容器被介电材料分隔开。
9.根据权利要求I所述的半导体器件，其中，所述电感器和所述电容器被屏蔽结构屏蔽，所述屏蔽结构包括多条带状线。
10.一种半导体器件，包括 衬底，具有水平面；以及 互连结构，形成在所述衬底的所述水平面上，所述互连结构包括 感应线圈，基本上被缠绕在与所述衬底的所述水平面垂直的垂直平面中；以及 电容器，被设置在紧邻所述感应线圈的位置上，所述电容器具有阳极元件和阴极元件； 其中，所述感应线圈和所述电容器均包括多个水平延伸的伸长件。
全文摘要
本发明涉及半导体器件。半导体器件包括具有水平面的衬底。半导体器件包括形成在衬底的水平面上方的互连结构。互连结构包括感应线圈，该电感线圈被基本上缠绕在与衬底的水平面垂直的垂直平面上。互连结构包括被设置为紧邻感应线圈的电容器。电容器具有阳极元件和阴极元件。感应线圈和电容器均包括多个水平延伸的伸长件。本发明还提供了一种垂直定向的半导体器件及其屏蔽结构。
文档编号H01L23/522GK102956606SQ201210058938
公开日2013年3月6日 申请日期2012年3月7日 优先权日2011年8月18日
发明者卓秀英 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司