一种形成集成磁性器件的磁芯的方法

本申请是2018年6月4日提交的名称为“一种形成集成磁性器件的磁芯的方法”的中国专利申请2018105610562的分案申请。

技术领域

本公开涉及集成磁性器件的领域。更具体地说，本公开涉及集成磁性器件中的磁芯。

背景技术

集成磁性器件的磁芯通常包括磁性材料层，诸如与非磁性阻挡材料的阻挡层交替的坡莫合金层。在一些情况下，该层堆叠可以形成在平坦表面上并使用刻蚀掩模和湿法刻蚀来图案化，这不合需要地底切刻蚀掩模并且产生不良的尺寸和剖面控制。在这种配置中，磁性材料中的应力难以控制，并且能够导致集成磁性器件的性能降低，例如巴克豪森(Barkhausen)噪声。在其他情况下，该层堆叠可以形成在介电层中的沟槽中。磁性材料层符合沟槽的轮廓，导致非平面配置，这也导致集成磁性器件的性能降低。

发明内容

本公开引入一种用于在介电层的沟槽中形成磁芯的系统和方法。在一个实施方式中，所公开的系统/方法包括从沟槽的侧壁移除磁性材料层。有利的是，移除步骤减少了磁芯中的缺陷。

集成磁性器件具有磁芯，该磁芯包括定位于电介电层中的沟槽中的磁性材料层。磁性材料层是平坦的并且平行于沟槽的底部，并且不沿着沟槽的侧面向上延伸。通过在介电层上方形成磁性材料层并延伸到沟槽中来形成集成磁性器件，使得每个层沿着沟槽的底部延伸并且沿着沟槽的侧面向上延伸。在磁性材料层上方形成保护层。从介电层上方移除磁性材料层，在沟槽中留下磁性材料层和一部分保护层。随后移除沿着沟槽的侧面的磁性材料层，而沿沟槽的底部的磁性材料层由保护层保护。沿着沟槽的底部的磁性材料层提供了磁芯。

附图说明

图1A和图1B是示例的集成磁性器件的横截面。

图2A至图2G是具有定位于沟槽中的磁芯的集成磁性器件的横截面，其在示例的形成方法的连续阶段中描绘。

图3A至图3E是具有定位于沟槽中的磁芯的另一示例的集成磁性器件的横截面，其在另一示例的形成方法的连续阶段中描绘。

图4A至图4D是具有定位于沟槽中的磁芯的又一示例的集成磁性器件的横截面，其在又一示例的形成方法的连续阶段中描绘。

具体实施方式

参考附图描述本公开。附图并未按比例绘制，并且它们仅被提供用于说明本公开。以下参考用于说明的示例应用来描述本公开的几个方面。应该理解的是，阐述了许多具体细节、关系和方法以提供对本公开的理解。本公开不受所说明的行为或事件的排序限制，因为一些行为可以以不同的顺序发生和/或与其他行为或事件同时发生。此外，并非所有说明的行为或事件都需要按照本公开实施方法。

出于本公开的目的，集成磁性器件的术语“瞬时顶部表面”被理解为指存在于所公开的特定步骤处的集成磁性器件的顶部表面。瞬时顶部表面可以在形成集成磁性器件时从步骤到步骤改变位置。出于本公开的目的，术语“垂直”被理解为指垂直于集成磁性器件的瞬时顶部表面的平面的方向。

应当注意，诸如上部、下部、上方、之上、之下和下方的术语可以用于本公开中。这些术语不应被解释为限制结构或元件的位置或方向，而应该被用于提供结构或元件之间的空间关系。出于本公开的目的，将理解的是，如果元件被称为“沿着”另一元件，则它可以接触另一元件，或者可以存在居间(intervening)元件。

图1A和图1B是示例的集成磁性器件的横截面。参考图1A，集成磁性器件100包括衬底102。衬底102可以包括，例如，有源部件(诸如晶体管)、无源部件(诸如电阻器和电容器)、以及互连构件(诸如通孔和互连)。可选的沟槽停止层104可以定位于衬底102上方。沟槽停止层104可以包括，例如，一层或更多层的氮化硅、氮氧化硅、碳化硅、或在用于移除定位于衬底102上方的基于二氧化硅的介电材料的过程中具有低刻蚀速率的其它材料。芯介电层106定位于衬底102上方，在可选的沟槽停止层104上(如果存在)。芯介电层106可以包括，例如，二氧化硅或基于二氧化硅的介电材料，诸如低k介电材料。沟槽结构108延伸穿过芯介电层106，到可选的沟槽停止层104(如果存在)。沟槽结构108具有沿着衬底102的底部112，并具有从底部112延伸到芯介电层106的顶部表面116的侧面114。侧面114在图1A中被描绘为直的且垂直的，其垂直于底部112。沟槽结构108的其他形状在本示例的范围内。取决于如何形成沟槽结构108，侧面114可以是倾斜的或弯曲的。可选的沟槽阻挡衬层110可以沿沟槽结构108的底部112和侧面114定位。沟槽阻挡衬层110可以包括氮化硅、氮氧化硅、或适于减少金属扩散进入芯介电层106的其它材料。

下部封装层118可以沿沟槽结构108的底部112定位。下部封装层118可以包括一层或更多层的钛、氮化钛、钽、氮化钽、或适于控制磁芯120中的应力的其他材料，以其任何组合。下部封装层118沿着沟槽结构108的底部112延伸。下部封装层118可以被限制在沟槽结构108的底部112(如图1A所示)，或者可以沿着沟槽结构108的侧面114向上延伸。磁芯120定位于下部封装层118上。磁芯120在图1B中详细示出，其包括磁性材料层122。磁性芯120中的磁性材料层122是平坦的并且平行于沟槽结构108的底部112。磁性材料层122可以包括，例如，铁、镍、钴或其任何组合的合金。磁性材料层122还可以包括铝、硅、钼、铬、铌或钒。用于磁性材料层122的其他材料在本示例的范围内。在本示例中，磁性材料层122可以由阻挡材料的阻挡层124分隔，例如，诸如氮化铝之类的III-N材料或具有类似于磁性材料层122的刻蚀特性的其它电隔离材料。III-N材料具有一种或更多种III族元素(即，硼、铝或镓)与氮结合。磁性材料层122不沿着沟槽结构108的侧面114向上延伸。上部封装层126定位于磁芯120上方，并且可以沿着侧面114向上延伸，如图1A中所描绘。上部封装层126可以包括适合于控制磁性材料层122中的应力的一层或更多层的材料。上部封装层126可以具有类似于下部封装层118的组成和结构。磁性材料层122不延伸超过芯介电层106的顶部表面116。可选的沟槽填充材料128可以定位于上部封装层126上方，填充沟槽结构108。沟槽填充材料128可以包括，例如，一层或更多层的二氧化硅，氮化硅或其任何组合。定位于沟槽结构108中并且被下部封装层118和上部封装层126的组合限制的磁芯120可以控制磁性材料层122中的应力，并且因此有利地提高集成磁性器件100的性能。

可选的互连刻蚀停止层130可以定位于芯介电层106的顶部表面116上方和沟槽填充材料128上方。互连刻蚀停止层130可以包括氮化硅、氧氮化硅、碳化硅或在形成互连或通孔时适用于刻蚀停止的其他材料。包括二氧化硅或基于二氧化硅的介电材料的上部介电层132可以定位于互连刻蚀停止层130上方。绕组(未在图1A中示出)可以围绕磁芯120定位。绕组可以包括，例如，位于磁芯120之下的衬底中的下部绕组段，芯介电层106中与下部绕组段连接的侧面绕组段，以及上部介电层132中与侧面绕组段连接的上部绕组段。

图2A至图2G是具有定位于沟槽中的磁芯的集成磁性器件的横截面，在示例的形成方法的连续阶段中描绘。参考图2A，集成磁性器件200具有衬底202，衬底202可以是，例如，包含用于集成磁性器件200的操作的有源部件和电路的半导体晶圆的一部分。衬底202可以具有延伸到顶部表面234的介电材料。通孔或互连(未在图2A中示出)，也可以延伸到顶部表面234。可选的沟槽刻蚀停止层204可以形成在衬底202的顶部表面234上方。在一个示例中，沟槽刻蚀停止层204可以包括，由使用硅烷(SiH

芯介电层206形成在沟槽刻蚀停止层204上方。芯介电层206可以包括通过使用原硅酸四乙酯(TEOS)的PECVD过程形成的二氧化硅，或者可以包括基于二氧化硅的介电材料，诸如由PECVD过程形成的有机硅酸盐玻璃(OSG)。用于芯介电层206的其他介电材料在本示例的范围内。芯介电层206比下面图2E中所示的随后形成的磁芯220更厚。

沟槽208穿过芯介电层206形成，延伸到沟槽刻蚀停止层204(如图2A所描绘)。沟槽208可以例如，通过以下方式形成：在芯介电层206的顶部表面216上方形成沟槽刻蚀掩模(未示出)，并且从芯介电层206的暴露处移除介电材料(所述暴露处是，通过使用氟自由基的反应离子刻蚀(RIE)过程由沟槽刻蚀掩模暴露)，使得沟槽208的底部212定位于沟槽刻蚀停止层204上。通过RIE过程的沟槽刻蚀停止层204的刻蚀速率显著低于芯介电层206的刻蚀速率，从而允许在损坏衬底202之前形成沟槽208之后终止RIE过程。使用RIE过程形成沟槽208可以产生基本上直的和垂直的沟槽208的侧面214(如图2A所描绘)。在另一个示例中，沟槽208可以通过部分各向同性等离子体刻蚀过程形成，产生倾斜的侧面214。在进一步的示例中，沟槽208可以通过湿法刻蚀过程形成，产生倾斜的并且具有凹曲率的侧面214。在本示例的一个版本中，省略沟槽刻蚀停止层204，沟槽208可以通过定时刻蚀过程形成。

可选的沟槽阻挡衬层210可以形成在芯介电层206的顶部表面216上方，延伸到沟槽208中并且在沟槽208的侧面214和底部212上形成连续层。沟槽阻挡衬层210可以包括，例如，氮化硅、氮氧化硅、或碳化硅、或其任何组合。沟槽阻挡衬层210可以通过一个或更多个PECVD过程形成，例如参考沟槽刻蚀停止层204的描述。

参考图2B，在沟槽阻挡衬层210上形成下部封装层218。下部封装层218可以包括用于控制随后形成的磁芯220中的应力的材料(下面图2E所示)，诸如，一层或更多层的钛、氮化钛、钽、氮化钽或其任何组合。下部封装层218中的钛层或钽层可以通过物理气相沉积(PVD)过程形成，也称为溅射过程。下部封装层218中的氮化钛层或氮化钽层可以通过使用含氮环境的PVD过程或通过原子层沉积(ALD)过程来形成。下部封装层218沿沟槽208的侧面214和底部212连续。

磁性材料层222形成在下部封装层218上方，延伸到沟槽208中。磁性材料层222沿沟槽208的侧面214和底部212延伸。在本示例中，磁性材料层222可以与阻挡层224交替。磁性材料层222可以包括参考图1A和图1B的磁性材料层122所描述的任何材料。取决于集成磁性器件200的特定操作模式，每个磁性材料层222可以是，例如，10纳米至500纳米厚。阻挡层224可以包括参考图1A和图1B的阻挡层124所描述的任何材料。每个磁性材料层222可以是，例如，1纳米至20纳米厚。磁性材料层222和阻挡层224可以通过顺序PVD过程形成，例如，在集群工具的分隔的腔室中。

参考图2C，在磁性材料层222上方形成保护涂层236。可以选择保护涂层236的组成以满足两个标准：在随后的平面化过程期间保护沟槽208中的磁性材料层222，并且在随后的刻蚀过程期间保护沟槽208中的磁性材料层222。在随后的平面化过程期间，保护涂层236可以具有比磁性材料层222更高的移除速率。在一个示例中，保护涂层236可以包括有机聚合物，诸如，酚醛清漆树脂，其可以通过旋涂过程应用到集成磁性器件100。保护涂层236的其他组成，诸如旋涂玻璃(SOG)配方、硅氧烷聚合物或应用胶带的膜，都在本实施例的范围内。

参考图2D，通过平面化过程238从芯介电层206的顶部表面216上方移除保护涂层236、磁性材料层222、阻挡层224、下部封装层218和沟槽阻挡衬层210，平面化过程238可以包括使用CMP衬垫240的化学机械抛光(CMP)过程。CMP过程可以使用具有，例如8至11的pH值的碱性浆料。平面化过程238可以包括其他平面化步骤，诸如在CMP过程之前移除保护涂层236的一部分的回蚀步骤。平面化过程238还可以移除芯介电层206的一部分，从而降低顶部表面216。CMP过程可以是终点过程或时间过程。在完成平面化过程238之后，磁性材料层222和阻挡层224以及下部封装层218水平地沿着底部212并且垂直地沿着侧面214保留在沟槽208中。保护涂层236的一部分保留在沟槽208中的磁性材料层222上方。

参考图2E，通过刻蚀过程242移除磁性材料层222和阻挡层224的沿着沟槽208的侧面214垂直定位的部分(通过湿法刻蚀过程242在图2中举例)。刻蚀过程242可以包括电化学刻蚀步骤，其中相对于刻蚀过程242的刻蚀剂流体将正偏压施加到磁性材料层222。磁性材料层222上方的保护涂层236的部分保护沿着沟槽208的底部212水平定位的磁性材料层222和阻挡层224。沿着沟槽208的侧面214垂直定位的下部封装层218的部分可以可选地通过刻蚀过程242被移除。湿法刻蚀过程242可以包括含有硝酸的水溶液，诸如硝酸、乙酸和磷酸的混合水溶液。可以选择湿法刻蚀过程242的组成以提供磁性材料层222和阻挡层224的类似的刻蚀速率。在刻蚀过程242完成之后，移除保护涂层236而没有磁性材料层222的显著退化。例如，可以使用溶解保护涂层236中的有机树脂的有机溶剂过程和灰化过程的结合来移除保护涂层236。沿着沟槽208的底部212水平定位的磁性材料层222提供集成磁性器件200的磁芯220。

参考图2F，在磁芯220上方形成上部封装层226，并向上延伸到芯介电层206上。例如，上部封装层226可以沿着沟槽208的侧面214延伸(如图2F所描绘)。上部封装层226可以具有与下部封装层218类似的组成，并且可以通过类似的过程形成。上部封装层226可以比下部封装层218更厚，以便控制磁芯220中的应力。

在上部封装层226上方形成沟槽填充材料228的层，其填充沟槽208并且在芯介电层206上方延伸。沟槽填充材料228的层可以从沟槽208内部到芯介电层206是连续的(如图2F所描绘)。沟槽208中的沟槽填充材料228的上部表面可以高于芯介电层206的顶部表面216。沟槽填充材料228的层可以包括，例如，一层或更多层的氮化硅或二氧化硅或其任何组合。沟槽填充材料228的层中的二氧化硅可以通过使用TEOS的PECVD过程形成。沟槽填充材料228的层中的氮化硅可以通过使用硅烷和氨或BTBAS的PECVD过程形成。可以选择沟槽填充材料228的层的组成和层结构以帮助控制磁芯220中的应力。

参考图2G，通过平面化过程244从芯介电层206的顶部表面216上方移除沟槽填充材料228的层和上部封装层226，所述平面化过程244可包括使用CMP衬垫246的CMP过程。CMP过程可以使用与参考图2D中所描述的CMP过程相似的化学物质。平面化过程244还可以移除芯介电层206的一部分，从而降低顶部表面216。沟槽填充材料228的一部分保留在沟槽208中的磁性材料层222上方。

在平面化过程244完成之后，例如通过在芯介电层206和沟槽填充材料228上方形成附加的介电层来继续形成集成磁性器件200，以提供类似于图1A的集成磁性器件100的结构。用于集成磁性器件200的其他结构在本示例的范围内。

图3A至图3E是具有定位于沟槽中的磁芯的另一示例的集成磁性器件的横截面，在另一示例的形成方法的连续阶段中描绘。参考图3A，集成磁性器件300具有衬底302和形成在衬底302上方的芯介电层306。在本示例的一个版本中，芯介电层306可以是衬底302的延伸，其具有与芯介电层306正下方的衬底302的材料相同的组成。在芯介电层306的顶部表面316上方形成CMP停止层348。CMP停止层348可以包括一层或更多层的氮化硅、氮氧化硅、碳化硅或在随后的CMP过程中具有低移除速率的其他机械硬质材料。

第一沟槽308a和第二沟槽308b穿过CMP停止层348形成并且在芯介电层306中延伸。沟槽308a和308b可以延伸穿过芯介电层306(如图3A所描绘)。沟槽阻挡衬层310可以可选地形成在CMP停止层348和芯介电层306上方，延伸到第一沟槽308a中并且在第一沟槽308a的侧面314a和底部312a上形成连续层，并且延伸到第二沟槽308b中并且在第二沟槽308b的侧面314b和底部312b上形成连续层。下部封装层318可以形成在沟槽阻挡衬层310上。下部封装层318可以具有如参考图1A的下部封装层118、或者图2B的下部封装层218中所描述的组成。下部封装层318沿着沟槽308a和308b的侧面314a和314b以及底部312a和312b是连续的。

磁性材料层322在下部封装层318上方形成，延伸到沟槽308a和308b中。磁性材料层322沿着沟槽308a和308b的侧面314a和314b以及底部312a和312b延伸。磁性材料层322可以与阻挡层324交替。磁性材料层322可以包括磁性材料层322的自然氧化物，并且可以不需要单独的沉积过程。

在本示例中，第一上部封装层350在磁性材料层322上方形成。第一上部封装层350延伸到沟槽308a和308b中。第一上部封装层350可以具有与下部封装层318相似的组成。

在第一上部封装层350上方形成保护涂层336。在本示例中，保护涂层336可以包括通过旋涂过程形成的一层或更多层有机聚合物。

参考图3B，通过平面化过程338使保护涂层336平面化。平面化过程338可以包括，例如，使用CMP衬垫340的CMP过程。平面化过程338还可以包括在CMP过程之前的整平烘烤(leveling bake)过程。在本示例中，平面化过程338可移除平面化保护涂层336所必需的最小量的保护涂层336，留下由保护涂层336覆盖的第一上部封装层350。

参考图3C，保护涂层336的一部分通过各向同性等离子体过程352被移除，诸如使用氧自由基的灰化过程(如图3B中的示意性指示)。各向同性等离子体过程352继续进行，直到第一上部封装层350的一部分被暴露(如图3C所描绘)。保护涂层336的一部分保留在第一上部封装层350上的沟槽308a和308b中。

参考图3D，磁性材料层322和阻挡层324的定位于芯介电层306的顶部表面316上方以及沿着沟槽308a和308b的侧面314a和314b垂直地定位的部分，通过刻蚀过程342被移除。刻蚀过程342可以包括，例如湿法刻蚀过程或电化学过程。也可以通过刻蚀过程342移除第一上部封装层350和下部封装层318的沿侧面314a和314b垂直定位的部分。

第一上部封装层350上方的保护涂层336的部分保护第一上部封装层350的一部分以及沿着沟槽308a和308b的底部312a和312b水平定位的磁性材料层322和阻挡层324。在刻蚀过程342完成之后，保护涂层336被移除。沿着沟槽308a和308b的底部312a和312b水平定位的磁性材料层322提供集成磁性器件300的磁芯320。

参考图3E，第二上部封装层326在磁芯320和第一上部封装层350的保留部分上方形成。第二上部封装层326可以具有与第一上部封装层350类似的组成，并且可以通过类似的过程形成。在第二上部封装层326上方形成沟槽填充材料336的层，填充沟槽308a和308b。随后，例如使用CMP过程，使沟槽填充材料336的层和第二上部封装层326平面化，以提供集成磁性器件300的瞬时顶部表面，该集成磁性器件300的瞬时顶部表面是平坦的，从CMP停止层348延伸穿过沟槽308a和308b。在本示例中，CMP过程可在CMP停止层348上停止，有利地提供沟槽308a和308b的控制良好的深度。沟槽填充材料336的一部分保留在沟槽308a和308b中的磁芯320上方。在更多的沟槽308a和308b中形成磁芯320可有利地减小在集成磁性器件300的操作期间磁性材料层322中的横向涡流。

图4A至图4D是具有定位于沟槽中的磁芯的又一示例的集成磁性器件的横截面，在又一示例的形成方法的连续阶段中描绘。参考图4A，集成磁性器件400具有衬底402，并且可以具有形成在衬底402上方的可选的沟槽停止层404。在衬底402上方，在沟槽停止层404上(如果存在)形成芯介电层406。

穿过芯介电层406到沟槽停止层404(如果存在)形成沟槽408。在本示例中，沟槽408可以具有倾斜侧面414(如图4A所描绘)。可以使用易腐蚀的刻蚀掩模来形成倾斜侧面414。沟槽408的底部412是平坦的并且定位于沟槽停止层404上(如果存在)。

下部封装层418可以在芯介电层406的顶部表面416上方形成，延伸到沟槽408中。下部封装层418沿着沟槽408的侧面414和底部412是连续的。下部封装层418可以具有如参考图1A的下部封装层118、或图2B的下部封装层218所描述的组成。

磁性材料层422在下部封装层418上方形成，延伸到沟槽408中。磁性材料层422沿着沟槽408的侧面414和底部412延伸。磁性材料层422可以可选地与阻挡层交替(在图4A中未示出)。

在本示例中，第一上部封装层450在磁性材料层422上方形成。第一上部封装层450延伸到沟槽408中。第一上部封装层450可以包括，例如，钯。

在第一上部封装层450上方形成保护涂层436。在本示例中，保护涂层436可以包括一层或更多层无机介电材料，诸如，二氧化硅、氮化硅、或其任何组合。

参考图4B，通过平面化过程438从芯介电层406的顶部表面416上方移除保护涂层436、第一上部封装层450、磁性材料层422和下部封装层418，平面化过程438可以包括使用CMP衬垫440的CMP过程。平面化过程438还可移除芯介电层406的一部分，从而降低顶部表面416。在平面化过程438完成之后，第一上部封装层450、磁性材料层422和下部封装层418水平地沿着底部412并且沿着侧面414保留在沟槽408中。保护涂层436的一部分保留在沟槽408中的第一上部封装层450上方。

参考图4C，通过刻蚀过程442移除沿着沟槽408的侧面414定位的磁性材料层422的部分。第一上部封装层450和下部封装层418的沿着侧面414定位的部分也可以被刻蚀过程442移除。

第一上部封装层450上方的保护涂层436的部分保护第一上部封装层450的一部分和沿着沟槽408的底部412水平定位的磁性材料层422。在本示例中，在完成刻蚀过程442之后，将保护涂层436留在原位。沿着沟槽408的底部412水平定位的磁性材料层422提供集成磁性器件400的磁芯420。

参考图4D，第二上部封装层426在磁芯420的侧面和沟槽408的侧面414上方形成。形成第二上部封装层426的过程可导致第二上部封装层426的薄层形成在保护涂层436的侧面上(如图4D所示)。第二上部封装层426可以具有与第一上部封装层450类似的组成，或者可以具有不同的组成以更好地控制磁芯420中的应力。沟槽填充材料428的层在芯介电层406上方以及在保护涂层436上方形成，填充沟槽408。随后，例如使用CMP过程，从芯介电层406的顶部表面416上方移除沟槽填充材料428的层和第二上部封装层426。保护涂层436的一部分和沟槽填充材料428的一部分保留在沟槽408中。使用保护涂层436的部分作为集成磁性器件400的永久部分可有利地降低制造成本和复杂性。

虽然以上已经描述了本公开的各种实施例，但应该理解，它们仅以示例方式来呈现而不是限制。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以根据本文公开对所公开的实施例进行各种改变。因此，本发明的广度和范围不应该受到任何上述实施例的限制。相反，本公开的范围应根据以下权利要求及其等同来限定。