FR2842018A3 - MICRO-COMPONENT INCLUDING AN INDUCTIVE ELEMENT OF THE INDUCTANCE OR TRANSFORMER TYPE - Google Patents
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Abstract
Micro-composant incluant un élément inductif du type inductance ou transformateur, comportant un enroulement métallique (42) de forme solénoïde, connecté à des niveaux de métallisation (2) réalisés au sein du substrat (1) du micro-composant, et comportant un noyau magnétique (35) disposé au centre de l'enroulement, caractérisé en ce que le noyau magnétique est formé de l'empilement successif de couches élémentaires de matériau de forte perméabilité magnétique (26,28,30,32), et de couches élémentaires électriquement isolantes (25,27,29,31,33).Micro-component including an inductive element of the inductance or transformer type, comprising a metal winding (42) of solenoid shape, connected to metallization levels (2) produced within the substrate (1) of the micro-component, and comprising a core magnetic (35) arranged in the center of the winding, characterized in that the magnetic core is formed by the successive stack of elementary layers of material of high magnetic permeability (26,28,30,32), and of elementary layers electrically insulators (25,27,29,31,33).
Description
-1-1
MICRO-COMPOSANT INCLUANT UN ELEMENT INDUCTIF DU TYPE MICRO-COMPONENT INCLUDING AN INDUCTIVE ELEMENT OF THE TYPE
INDUCTANCE OU TRANSFORMATEUR.INDUCTANCE OR TRANSFORMER.
Domaine technique L'invention se rattache au domaine de la microélectronique. Plus précisément, elle vise des micro-composants pouvant inclure des circuits intégrés, sur lesquels sont réalisées des composants inductifs, de type inductance ou transformateur comportant un enroulement métallique de forme solénode. Ce type Technical field The invention relates to the field of microelectronics. More specifically, it relates to micro-components which may include integrated circuits, on which inductive components, of the inductance or transformer type, are made, comprising a metal winding of solenode shape. This guy
de composant peut notamment être utilisé dans les applications du type radio10 fréquence, et par exemple dans le domaine des télécommunications. component can in particular be used in applications of the radio frequency type, and for example in the field of telecommunications.
L'invention permet d'obtenir des inductances possédant des performances plus élevées que les composants existants, notamment en ce qui concerne l'évolution du facteurs de qualité à des fréquences élevées, de l'ordre de quelques The invention makes it possible to obtain inductors having higher performances than the existing components, in particular with regard to the evolution of the quality factors at high frequencies, of the order of a few
GigaHertz.Gigahertz.
Techniques antérieures De façon générale, il est connu, notamment du document EP 1 054 417, de réaliser des inductances ou des transformateurs formés d'un enroulement métallique de type solénode, au-dessus d'un circuit intégré. Ce type de montage permet de connecter une inductance ou un transformateur à un circuit intégré, en limitant la distance de connexion entre l'inductance et le circuit intégré, puisque l'inductance ou le transformateur est alors directement disposé à l'aplomb des plots Prior techniques In general, it is known, in particular from document EP 1 054 417, to produce inductors or transformers formed of a metallic winding of the solenode type, over an integrated circuit. This type of assembly makes it possible to connect an inductor or a transformer to an integrated circuit, by limiting the connection distance between the inductor and the integrated circuit, since the inductor or the transformer is then directly placed directly above the studs.
d'interconnexion réalisés dans le substrat du circuit intégré. interconnection made in the substrate of the integrated circuit.
Ce type de montage permet de ne pas utiliser la surface de substrat pour implanter des composants passifs, tels que les inductances ou les transformateurs, puisque ceux-ci sont réalisés à l'extérieur du substrat, selon une technique connue This type of mounting makes it possible not to use the substrate surface to implant passive components, such as inductors or transformers, since these are produced outside the substrate, according to a known technique
sous l'appellation de "ABO VE IC".under the name of "ABO VE IC".
-2 Pour améliorer les performances de telles inductances, il est généralement recherché l'augmentation du facteur de qualité, correspondant au quotient du -2 To improve the performance of such inductors, it is generally sought to increase the quality factor, corresponding to the quotient of
coefficient d'inductance par la résistance de l'enroulement. coefficient of inductance by the resistance of the winding.
Pour ce faire, une solution consiste à équiper l'inductance d'un noyau magnétique, réalisé à base de matériau de forte perméabilité relative. Toutefois, la structure et les matériaux utilisés pour former les noyaux magnétiques connus à ce jour ne permettent pas le fonctionnement de ce type d'inductance à des fréquences élevées, supérieures au GigaHertz. En effet, à haute fréquence, on constate l'apparition de courants de Foucault importants, ainsi qu'une dégradation de la valeur de la perméabilité relative. En outre, les alliages magnétiques généralement utilisés ne possèdent pas de propriétés d'anisotropie de leur perméabilité. Or, la perméabilité doit rester constante jusqu'à des fréquences élevées, typiquement de 3 GigaHertz, gamme de fréquence à laquelle fonctionnent des inductances dans To do this, one solution consists in equipping the inductance with a magnetic core, made from a material of high relative permeability. However, the structure and the materials used to form the magnetic cores known to date do not allow the operation of this type of inductance at high frequencies, higher than the GigaHertz. Indeed, at high frequency, there is the appearance of large eddy currents, as well as a degradation of the value of the relative permeability. In addition, the magnetic alloys generally used do not have anisotropy properties of their permeability. However, the permeability must remain constant up to high frequencies, typically of 3 GigaHertz, frequency range at which inductances operate in
certaines applications radiofréquences. some radio frequency applications.
Dans la demande de brevet américain, publiée sous le numéro US 2000/0050906, le Demandeur a décrit une solution permettant de faire fonctionner ce type d'inductance à des fréquences particulièrement élevées. Cette solution consiste à segmenter le noyau magnétique dans une direction perpendiculaire à l'axe du solénode. Une telle solution présente toutefois certains inconvénients pour parvenir à réaliser les composants à des prix de revient satisfaisants, et elle In the American patent application, published under the number US 2000/0050906, the Applicant has described a solution making it possible to operate this type of inductor at particularly high frequencies. This solution consists in segmenting the magnetic core in a direction perpendicular to the axis of the solenode. However, such a solution has certain drawbacks for achieving the components at satisfactory cost prices, and it
nécessite des procédés de réalisation relativement complexes. requires relatively complex production methods.
Un des objectifs de l'invention est de permettre le fonctionnement d'inductances ou de transformateurs à haute fréquence, tout en conservant des One of the objectives of the invention is to allow the operation of high frequency inductors or transformers, while retaining
propriétés satisfaisantes, notamment en ce qui concerne leur facteur de qualité. satisfactory properties, in particular with regard to their quality factor.
Exposé de l'invention L'invention concerne donc un micro-composant incluant un élément inductif du type inductance ou transformateur. Un tel élément inductif comporte un enroulement métallique de forme solénode, connecté à des niveaux de -3 métallisation réalisés au sein du substrat du micro-composant. De façon connue, un tel enroulement comporte un noyau magnétique disposé au centre de l'enroulement. Conformément à l'invention, le noyau magnétique est formé de l'empilement successif de couches élémentaires de matériau de forte perméabilité magnétique, et DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention therefore relates to a micro-component including an inductive element of the inductance or transformer type. Such an inductive element comprises a metal winding of solenode shape, connected to metallization levels -3 produced within the substrate of the micro-component. In known manner, such a winding comprises a magnetic core disposed in the center of the winding. According to the invention, the magnetic core is formed by the successive stack of elementary layers of material of high magnetic permeability, and
de couches élémentaires électriquement isolantes. electrically insulating elementary layers.
Autrement dit, le noyau magnétique inclus dans l'enroulement métallique présente une structure magnétique feuilletée, ce qui permet à l'inductance ou au transformateur de fonctionner à des fréquences particulièrement élevées, en limitant très fortement l'intensité des courants de Foucault, du fait de la résistance In other words, the magnetic core included in the metal winding has a laminated magnetic structure, which allows the inductor or the transformer to operate at particularly high frequencies, very strongly limiting the intensity of the eddy currents, due to resistance
de chaque couche élémentaire magnétique. of each elementary magnetic layer.
En pratique, l'espace compris entre le noyau magnétique et l'enroulement métallique peut être empli d'un matériau électriquement isolant, séparant l'enroulement du noyau magnétique. Dans ce cas, le noyau magnétique peut n'être In practice, the space between the magnetic core and the metallic winding can be filled with an electrically insulating material, separating the winding from the magnetic core. In this case, the magnetic core may not be
présent qu'au niveau de l'intérieur de l'enroulement. present only at the inside of the winding.
Dans une autre forme de réalisation, l'espace compris entre le noyau magnétique et l'enroulement métallique peut être exempt de matière, de sorte que l'inductance et le noyau sont séparés par un espace d'air. Cette disposition améliore les performances du composant en diminuant la capacité parasite pouvant exister entre le noyau et l'enroulement métallique. Dans ce cas, le noyau étant suspendu au sein de l'enroulement, il se prolonge au-delà des extrémités de l'enroulement, de manière à reposer sur le substrat ou sur les couches le recouvrant à l'extérieur de In another embodiment, the space between the magnetic core and the metal coil can be free of material, so that the inductor and the core are separated by an air space. This arrangement improves the performance of the component by reducing the parasitic capacity which may exist between the core and the metal winding. In this case, the core being suspended within the winding, it extends beyond the ends of the winding, so as to rest on the substrate or on the layers covering it outside of
l'enroulement métallique.the metal winding.
En pratique, les couches élémentaires de forte perméabilité magnétique peuvent être réalisées à partir d'alliages obtenus à base des éléments choisis dans le groupe comprenant le Cobalt, le Tantale, le Zirconium, le Palladium, le Platine, le Rhénium, le Ruthénium, le Niobium, le Cadmium et l'Hafnium. Ces alliages -4 présentent une perméabilité relative sensiblement constante jusqu'à des fréquences In practice, the elementary layers of high magnetic permeability can be produced from alloys obtained on the basis of elements chosen from the group comprising Cobalt, Tantalum, Zirconium, Palladium, Platinum, Rhenium, Ruthenium, Niobium, Cadmium and Hafnium. These alloys -4 have a substantially constant relative permeability up to frequencies
de l'ordre de 3 GigaHertz.of the order of 3 GigaHertz.
Les alliages permettant de réaliser les couches élémentaires de matériau de forte perméabilité peuvent également être obtenus à base d'éléments choisis dans le groupe comprenant le Cobalt, le Zirconium, le Tantale, le Cadmium, l'Hafnium, le Lutétium et les terres rares choisies parmi les lanthanides. Ce type d'alliage à base de terre rare présente une perméabilité relative sensiblement constante jusqu'à des fréquences de l'ordre d'un GigaHertz. Ce type d'alliage peut notamment être utilisé pour réaliser des résistances magnétiques géantes, notamment employées dans des capteurs magnétiques utilisés dans les têtes de lecture. Il peut également être utilisé pour réaliser des magnétorésistances à effet tunnel, notamment employées au sein de cellules de mémoire magnétique à accès rapide, ou dans des dispositifs The alloys making it possible to produce the elementary layers of material of high permeability can also be obtained on the basis of elements chosen from the group comprising Cobalt, Zirconium, Tantalum, Cadmium, Hafnium, Lutetium and the rare earths chosen. among the lanthanides. This type of rare earth-based alloy has a substantially constant relative permeability up to frequencies of the order of one GigaHertz. This type of alloy can in particular be used to produce giant magnetic resistors, in particular used in magnetic sensors used in read heads. It can also be used to produce tunneling magnetoresistors, in particular used in fast access magnetic memory cells, or in devices
d'actuation de systèmes à base de structures micro électromécaniques (MEMS). actuation of systems based on micro electromechanical structures (MEMS).
Les alliages permettant d'obtenir les matériaux à forte perméabilité magnétique ayant des propriétés de magnétostriction peuvent également être obtenus à base d'éléments choisis dans le groupe comprenant le Cobalt, le Fer, le Silicium, le Bore, le Tantale, le Nickel, le Zinc, le Zirconium, l'Oxygène, le Platine, le Palladium, le Ruthénium, le Rhénium, le Lutétium, le Manganèse et des The alloys making it possible to obtain materials with high magnetic permeability having magnetostriction properties can also be obtained on the basis of elements chosen from the group comprising Cobalt, Iron, Silicon, Boron, Tantalum, Nickel, Zinc, Zirconium, Oxygen, Platinum, Palladium, Ruthenium, Rhenium, Lutetium, Manganese and
éléments choisis parmi les lanthanides. elements chosen from lanthanides.
En pratique, l'épaisseur de chaque couche de matériau de forte perméabilité In practice, the thickness of each layer of high permeability material
peut être comprise entre 250 et 10000 Angstroms. can be between 250 and 10,000 Angstroms.
En pratique, les couches élémentaires électriquement isolantes, interposées entre les couches de matériau magnétique de forte perméabilité, peuvent être réalisées à partir des matériaux choisis dans le groupe comprenant les éléments suivants: SiO2, HfAl309, Hf2ZrO4, Si3N4, le benzocyclobutène, pris isolément ou In practice, the electrically insulating elementary layers, interposed between the layers of magnetic material of high permeability, can be produced from materials chosen from the group comprising the following elements: SiO2, HfAl309, Hf2ZrO4, Si3N4, benzocyclobutene, taken alone or
en combinaison.in combination.
-5 En pratique, on préférera que le composant comporte au moins une couche de matériau de faible permittivité relative, interposée entre le substrat et la couche de forte perméabilité relative située sous l'enroulement métallique, et ce afin d'une part de diminuer la capacité parasite entre l'enroulement et le substrat semi5 conducteur et d'autre part à ce que les lignes de champ magnétique ne passent pas -5 In practice, it will be preferred that the component comprises at least one layer of material of low relative permittivity, interposed between the substrate and the layer of high relative permeability situated under the metal winding, in order on the one hand to reduce the parasitic capacitance between the winding and the semiconductor substrate and on the other hand that the magnetic field lines do not pass
dans les couches du circuit intégré. in the layers of the integrated circuit.
Description sommaire des figuresBrief description of the figures
La manière dont l'invention ainsi que les avantages qui en découlent The manner in which the invention and the advantages derived therefrom
ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre will emerge clearly from the description of the embodiment which follows, given as
d'exemple non limitatif, à l'appui des figures annexées 1 à 18, représentant des vues en coupe du micro-composant dans la zone d'implantation de l'inductance, au fur et à mesure des étapes du procédé de réalisation. La figure 19 est une vue en non-limiting example, with the support of the appended figures 1 to 18, representing cross-sectional views of the micro-component in the area of implantation of the inductor, progressively during the stages of the production process. Figure 19 is a view in
coupe transversale d'un micro-composant réalisé selon une variante d'exécution. cross section of a micro-component produced according to an alternative embodiment.
Bien entendu, les épaisseurs des différentes couches illustrées aux figures sont données uniquement dans le but de permettre la compréhension de l'invention, Of course, the thicknesses of the different layers illustrated in the figures are given only for the purpose of allowing the understanding of the invention,
et ne sont pas toujours en rapport avec les épaisseurs et dimensions réelles. and are not always related to the actual thicknesses and dimensions.
Manière de réaliser l'invention Comme déjà évoqué, l'invention permet de réaliser des inductances ou des transformateurs de forme solénode au dessus de circuits intégrés existants réalisés Manner of realizing the invention As already mentioned, the invention makes it possible to produce inductors or transformers of solenode shape above existing integrated circuits produced
au sein de substrats.within substrates.
Dans la suite de la description, l'invention sera décrite plus précisément dans In the following description, the invention will be described more precisely in
le cas de la fabrication d'une inductance, étant entendu que la fabrication d'un transformateur peut s'en déduire sans difficulté pour un homme du métier, en the case of the manufacture of an inductor, it being understood that the manufacture of a transformer can be deduced therefrom without difficulty for a person skilled in the art, in
multipliant le nombre d'enroulements nécessaires. multiplying the number of windings required.
De façon schématique, et comme illustré à la figure 1, le substrat (1) peut comporter un niveau de métallisation (2) qui peut être relié au reste du circuit -6 intégré (non représenté). Ce niveau de métallisation (2) est recouvert d'une couche Schematically, and as illustrated in Figure 1, the substrate (1) may include a metallization level (2) which can be connected to the rest of the integrated circuit -6 (not shown). This metallization level (2) is covered with a layer
de passivation (3) qui est typiquement en SiO2. passivation (3) which is typically made of SiO2.
Les inductances réalisées conformément à l'invention peuvent l'être selon un procédé enchaînant les différentes étapes décrites ci-après, étant entendu que certaines de ces étapes peuvent être réalisées de façons différentes, tout en obtenant des résultats analogues. Certaines étapes peuvent également être considérées comme utiles, mais non indispensables, et donc à ce titre être omises The inductors produced in accordance with the invention can be produced according to a process linking the different stages described below, it being understood that some of these stages can be carried out in different ways, while obtaining similar results. Certain steps can also be considered useful, but not essential, and therefore as such be omitted
sans sortir du cadre de l'invention. without departing from the scope of the invention.
Dans la première étape, illustrée à la figure 2, on procède donc à la gravure de la couche de passivation (3), de manière à former le trou d'interconnexion (4), In the first step, illustrated in FIG. 2, the passivation layer (3) is therefore etched, so as to form the interconnection hole (4),
laissant apparaître la couche de métallisation (2). revealing the metallization layer (2).
Par la suite, comme illustré à la figure 3, on procède au dépôt d'un matériau de très faible permittivité relative, servant également de couche barrière à la diffusion de l'oxygène. Cette couche (5) peut par exemple être réalisée en carbure Subsequently, as illustrated in FIG. 3, a material of very low relative permittivity is deposited, also serving as a barrier layer to the diffusion of oxygen. This layer (5) can for example be made of carbide
de silicium (SiC).silicon (SiC).
Par la suite, et toujours comme illustré à la figure 3, on procède au dépôt d'un matériau de faible permittivité relative, selon une épaisseur de quelques microns. Cette couche (6) de matériau de faible permittivité relative recouvre l'intégralité de la surface du composant, y compris l'intérieur du trou d'interconnexion (4). Le matériau utilisé peut être choisi parmi les produits commercialisés sous les appellations "CYCLOTEN" ou "SiLK" par DOW CHEMICALS, "AURORA" par la Société ASM, "BLACK DIAMOND" par la Société APPLIED MATERIAL, ou "CORAL" par la Société NOVELLUS, ou plus généralement tous matériaux de faible permittivité relative utilisés comme Thereafter, and still as illustrated in FIG. 3, a material of low relative permittivity is deposited, with a thickness of a few microns. This layer (6) of material of low relative permittivity covers the entire surface of the component, including the interior of the interconnection hole (4). The material used can be chosen from the products sold under the names "CYCLOTEN" or "SiLK" by DOW CHEMICALS, "AURORA" by the company ASM, "BLACK DIAMOND" by the company APPLIED MATERIAL, or "CORAL" by the company NOVELLUS , or more generally all materials of low relative permittivity used as
isolants de niveaux d'interconnections des transistors dans les circuits intégrés. insulators of interconnection levels of transistors in integrated circuits.
-7 Par la suite, on procède au dépôt d'une nouvelle couche (7) barrière à la diffusion de l'oxygène, qui est ensuite éliminée par gravure à l'aplomb du trou -7 Subsequently, a new layer (7) barrier to the diffusion of oxygen is deposited, which is then removed by etching directly below the hole
d'interconnexion (4).interconnection (4).
On procède par la suite, comme illustré à la figure 4, au dépôt d'une nouvelle couche (8) de matériau de faible permittivité relative, recouvrant l'ensemble du composant. On dépose par la suite une couche de masque dur (10), Thereafter, as illustrated in FIG. 4, a new layer (8) of material of low relative permittivity, covering the entire component, is deposited. A layer of hard mask (10) is subsequently deposited,
qui peut par exemple être à base de TiN ou Al. which can for example be based on TiN or Al.
Par la suite, on procède au dépôt d'une résine de lithographie (9) permettant de définir une ouverture sur la couche de masque dur (10), cette ouverture correspondant sensiblement à la largeur de la partie basse d'une spire du futur enroulement. Par la suite, comme illustré à la figure 5, on procède à l'élimination des couches (8, 6) de matériau de faible permittivité relative par gravure, de manière à définir une structure double damascène possédant une ouverture large (11) au niveau de la couche supérieure, et une ouverture (12) plus réduite, à l'aplomb du Subsequently, a lithography resin (9) is deposited, making it possible to define an opening on the hard mask layer (10), this opening corresponding substantially to the width of the bottom part of a turn of the future winding. . Thereafter, as illustrated in FIG. 5, the layers (8, 6) of material of low relative permittivity are removed by etching, so as to define a double damascene structure having a wide opening (11) at the level of the upper layer, and a smaller opening (12), directly above the
plot d'interconnexion (4).interconnection pad (4).
Par la suite, et comme illustré à la figure 6, on procède au dépôt d'une couche (15) barrière à la diffusion du cuivre, qui occupe les différentes faces apparentes des ouvertures (11, 12) préalablement réalisées. Cette couche (15) peut être déposée par différentes techniques, notamment par PVD (pour Physical Vapor Deposition), ou IMT (pour Ionized Metal Plasma) ou CVD (pour Chemical Vapor Déposition) ou ALD (pour Atomic Layer Deposition), ou bien encore par une Subsequently, and as illustrated in FIG. 6, a layer (15) barrier to the diffusion of copper is deposited, which occupies the various visible faces of the openings (11, 12) previously made. This layer (15) can be deposited by different techniques, in particular by PVD (for Physical Vapor Deposition), or IMT (for Ionized Metal Plasma) or CVD (for Chemical Vapor Deposition) or ALD (for Atomic Layer Deposition), or even by one
technique connue sous le nom de E BEAM. technique known as E BEAM.
Les matériaux utilisés pour former cette couche barrière peuvent être à base de matériaux choisis dans le groupe comprenant Ta(x, TaN, TiN, WN,) AN2, Os, The materials used to form this barrier layer can be based on materials chosen from the group comprising Ta (x, TaN, TiN, WN,) AN2, Os,
TiVFN, Mo, W, Ru, Rh.TiVFN, Mo, W, Ru, Rh.
-8 Par la suite, on procède au dépôt d'une couche amorce de cuivre (16). Cette -8 Thereafter, a copper primer layer (16) is deposited. This
couche amorce (16) peut être déposée par les différentes techniques déjà évoquées. primer layer (16) can be deposited by the various techniques already mentioned.
Cette couche amorce (16) est ensuite protégée, comme illustré à la figure 7, par des couches (17) de résine déposées en périphérie de la future partie inférieure des spires de l'enroulement. Par la suite, on procède comme illustré à la figure 8, un dépôt de cuivre par voie électrolytique. Ce dépôt (20) comble la tranchée (12) en formant le plot d'interconnexion relié au niveau de la métallisation (2). Ce dépôt remplit également l'ouverture (11) de manière à former la partie basse des spires de l'enroulement. Ce dépôt peut également être présent au-dessus de la couche supérieure (8) de matériau de faible permittivité relative, et former donc les bases This primer layer (16) is then protected, as illustrated in FIG. 7, by layers (17) of resin deposited on the periphery of the future lower part of the turns of the winding. Thereafter, one proceeds as illustrated in FIG. 8, a deposition of copper by electrolytic means. This deposit (20) fills the trench (12) by forming the interconnection pad connected to the metallization (2). This deposit also fills the opening (11) so as to form the lower part of the turns of the winding. This deposit may also be present above the upper layer (8) of material of low relative permittivity, and therefore form the bases
(21) des zones latérales des futures spires de l'enroulement. (21) of the lateral zones of the future turns of the winding.
Par la suite, on procède à l'élimination des couches de résine ayant permis Thereafter, we proceed to the elimination of the layers of resin having allowed
de délimiter la partie basse des futures spires d'enroulement. to delimit the lower part of future winding turns.
Par la suite, on procède à l'élimination des couches amorces et de la couche barrière à la diffusion à l'extérieur de la partie basse des spires du futur enroulement. Cette élimination s'effectue par une gravure humide sélective à base d'un bain composé d'acide Fluorhydrique, d'acide Citrique et de Peroxyde Thereafter, the priming layers and the diffusion barrier layer are removed outside the lower part of the turns of the future winding. This elimination is carried out by selective wet etching based on a bath composed of hydrofluoric acid, citric acid and peroxide.
d'hydrogène ou d'ozone injecté par bullage. of hydrogen or ozone injected by bubbling.
Par la suite, on procède à une étape de recuit permettant d'uniformiser l'état cristallin du cuivre entre les couches amorces et le dépôt électrolytique de manière à obtenir la structure illustrée à la figure 9. L'étape de cristallisation se compose de différentes rampes de montée en température par palier sous atmosphère successivement d'azote, d'hydrogène puis de vide. Lorsqu'on atteint la température optimum de croissance des grains de cuivre et de diffusion vers la surface des impuretés et autres espèces dopantes du métal, on applique une atmosphère formée soit uniquement d'Hydrogène, soit de 10% d'hydrogène et complété en Argon ou -9 Azote à une température comprise entre 350'C et 450'C mais préférentiellement Thereafter, an annealing step is carried out which makes it possible to standardize the crystalline state of the copper between the priming layers and the electrolytic deposit so as to obtain the structure illustrated in FIG. 9. The crystallization step is composed of different temperature ramps in stages under successively nitrogen, hydrogen and then vacuum. When the optimum temperature for the growth of copper grains and diffusion towards the surface of impurities and other doping species of the metal is reached, an atmosphere is formed which is either hydrogen only or 10% hydrogen and made up of argon or -9 Nitrogen at a temperature between 350'C and 450'C but preferably
comprise entre 3500C et 400'C et plus précisément entre 3800C et 3950C.. between 3500C and 400'C and more precisely between 3800C and 3950C ..
Par la suite, on procède comme illustré à la figure 10, au dépôt d'une couche (24) d'un matériau isolant destiné à supporter le futur noyau magnétique, et à séparer électriquement ce noyau de l'enroulement métallique. Ce matériau peut typiquement être du benzocyclobutène, du parylène , ou bien encore du PSG (Phospho Silicate Glass) ou BPSG (Bor Phosphore Silicate Glass), voire encore du SiO2. Par la suite, comme illustré à la figure 11, on procède au dépôt d'une première couche élémentaire 25 de matériau électriquement isolant, qui peut être choisi dans le groupe comprenant SiO2, Hf2AI3O9, Hf2ZrO4, le benzocyclobutène, Thereafter, one proceeds as illustrated in FIG. 10, to deposit a layer (24) of an insulating material intended to support the future magnetic core, and to electrically separate this core from the metallic winding. This material can typically be benzocyclobutene, parylene, or even PSG (Phospho Silicate Glass) or BPSG (Bor Phosphore Silicate Glass), or even SiO2. Subsequently, as illustrated in FIG. 11, a first elementary layer 25 of electrically insulating material is deposited, which can be chosen from the group comprising SiO2, Hf2AI3O9, Hf2ZrO4, benzocyclobutene,
ou bien encore un mélange de dioxyde de silicium et de nitrure de silicium (Si3N4). or else a mixture of silicon dioxide and silicon nitride (Si3N4).
Cette couche peut être déposée selon différentes techniques, connues sous les acronymes de PECVD (pour Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), ou bien encore ALD (pour Atomic Layer Deposition). Cette couche présente une This layer can be deposited according to various techniques, known under the acronyms of PECVD (for Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition), or alternatively ALD (for Atomic Layer Deposition). This layer has a
épaisseur comprise entre 100 et 10 000 Amgstrôms. thickness between 100 and 10,000 Amgstroms.
Par la suite, on procède au dépôt d'une couche (26) de forte perméabilité relative réalisée en un matériau formant un alliage magnétique. Les matériaux utilisés pour former cet alliage peuvent être choisis parmi les listes évoquées précédemment. Cette couche d'alliage magnétique peut être déposée selon différentes techniques connues sous les acronymes de MOCVD (pour Metal Organic Vapor Deposition) ou encore PVDUHV (pour Physical Vapor Deposition Thereafter, a layer (26) of high relative permeability made of a material forming a magnetic alloy is deposited. The materials used to form this alloy can be chosen from the lists mentioned above. This layer of magnetic alloy can be deposited according to different techniques known under the acronyms of MOCVD (for Metal Organic Vapor Deposition) or even PVDUHV (for Physical Vapor Deposition
Ultra High Vaccum), ou encore ALD.Ultra High Vaccum), or ALD.
Par la suite, et comme illustré à la figure 12, on enchaîne les étapes de dépôt de couches isolantes (25, 27, 29, 31, 33) et de couches d'alliage magnétique (26, Thereafter, and as illustrated in FIG. 12, the steps of depositing insulating layers (25, 27, 29, 31, 33) and of magnetic alloy layers (26,
28, 30, 32) pour former une structure feuilletée (35). 28, 30, 32) to form a laminated structure (35).
-10 Le nombre de couches, leur épaisseur et le type de matériau utilisé à la fois pour les couches magnétiques et les couches isolantes peut être choisi en fonction -10 The number of layers, their thickness and the type of material used for both the magnetic layers and the insulating layers can be chosen according to
de l'application souhaitée.of the desired application.
A titre d'exemple, pour réaliser des magnéto-résistances géantes, on pourra utiliser des alliages magnétiques à base de terre rare, et par exemple à base de Holmium, de Fer et de Cobalt. Chacune des couches magnétiques possède une épaisseur de l'ordre de 2000 Angstrôms, et sont séparées par des couches isolantes en SiO2, d'une épaisseur de 750 Angstrôms. Quatre couches magnétiques peuvent By way of example, to produce giant magneto-resistances, it is possible to use magnetic alloys based on rare earth, and for example based on Holmium, Iron and Cobalt. Each of the magnetic layers has a thickness of the order of 2000 Angstroms, and are separated by insulating layers of SiO2, with a thickness of 750 Angstroms. Four magnetic layers can
être superposées.be superimposed.
Pour un autre type d'application, et notamment pour réaliser des magnétorésistances à effet tunnel, on pourra utiliser dix couches successives de matériau magnétique, réalisées à base d'un alliage incluant du Cobalt, du Fer, du Silicium et du Bore, chaque couche présentant une épaisseur de 250 Angstrôms, et étant séparées de la couche magnétique suivante par une couche isolante d'une épaisseur For another type of application, and in particular for producing magnetoresistors with a tunnel effect, it is possible to use ten successive layers of magnetic material, produced on the basis of an alloy including Cobalt, Iron, Silicon and Boron, each layer having a thickness of 250 Angstroms, and being separated from the next magnetic layer by an insulating layer of a thickness
de l'ordre de 20 Angstrôms, réalisée par exemple en HfZrO4. of the order of 20 Angstroms, produced for example in HfZrO4.
Des résultats analogues, pour réaliser des magnéto-résistances à effet tunnel peuvent être employées avec le même nombre de couches magnétiques réalisées à partir du même alliage magnétique, mais présentant chacune une épaisseur de 250 Angstrôms, et étant séparées par des couches isolantes, d'une épaisseur de 20 Similar results, for producing tunnel magnetoresistors can be used with the same number of magnetic layers made from the same magnetic alloy, but each having a thickness of 250 Angstroms, and being separated by insulating layers, a thickness of 20
Angstrôms, réalisées par exemple en Hf2AI309. Angstroms, made for example in Hf2AI309.
Il est également possible d'utiliser des alliages amorphes de comportement magnétique doux, réalisés par exemple en utilisant un empilement de cinq couches magnétiques à base d'alliage de Cobalt, Tantale, et Zirconium, d'une épaisseur de 1000 Angstrôms, séparés par des couches isolantes d'épaisseur de 100 Angstrôms, réalisés à base de SiO2 et Si3N4. Ces alliages sont plus particulièrement destinés à It is also possible to use amorphous alloys of soft magnetic behavior, produced for example by using a stack of five magnetic layers based on alloy of Cobalt, Tantalum, and Zirconium, with a thickness of 1000 Angstroms, separated by insulating layers with a thickness of 100 Angstroms, made from SiO2 and Si3N4. These alloys are more particularly intended for
réaliser des inductances fonctionnant à des fréquences supérieures à 2 GigaHertz. make inductors operating at frequencies above 2 GigaHertz.
-11 On peut également réaliser des alliages à base de ferrites, par exemple réalisés par un empilement de trois couches magnétiques à base d'alliage de nickel, Zinc, Fer, Oxygène et Zinc/Manganèse, d'une épaisseur de 3500 Angstrôms environ, séparées par des couches isolantes d'une épaisseur de 1000 Angstrôms réalisées en benzocyclobutène. Bien entendu, l'ensemble des exemples donnés ci-avant ne sont qu'à titre indicatif, et de multiples variantes restant dans le même esprit peuvent en être dérivées. Par la suite, et comme illustré à la figure 13, on procède à des étapes de gravure éliminant les portions latérales de l'empilement formant le noyau, pour définir la forme du noyau définitif. Cette gravure est par exemple obtenue par voie chimique à base de source plasma, ou par traitement humide après une étape de -11 Ferrite-based alloys can also be produced, for example produced by a stack of three magnetic layers based on nickel, Zinc, Iron, Oxygen and Zinc / Manganese alloys, with a thickness of approximately 3,500 Angstroms, separated by insulating layers with a thickness of 1000 Angstroms made of benzocyclobutene. Of course, all of the examples given above are only for information, and multiple variants remaining in the same spirit can be derived therefrom. Thereafter, and as illustrated in FIG. 13, etching steps are carried out eliminating the lateral portions of the stack forming the core, to define the shape of the final core. This etching is for example obtained chemically from a plasma source, or by wet treatment after a step of
lithographie permettant de protéger la face supérieure de l'empilement (23). lithography to protect the upper face of the stack (23).
Par la suite, et comme illustré à la figure 14, on procède au dépôt d'une nouvelle couche (36) de matériau isolant, équivalent au matériau (24) déposé au dessus de la partie basse des spires du futur enroulement. Cette nouvelle couche (36) recouvre l'ensemble du noyau (35) de manière à l'isoler de la partie haute des Thereafter, and as illustrated in FIG. 14, a new layer (36) of insulating material, equivalent to the material (24) deposited above the lower part of the turns of the future winding, is deposited. This new layer (36) covers the entire core (35) so as to isolate it from the upper part of the
spires du futur enroulement.turns of the future winding.
Par la suite, et comme illustré à la figure 15, on procède à la gravure de cette couche entourant le noyau magnétique, de manière à définir une tranchée (38) correspondant à l'emplacement des parties latérales des spires du futur enroulement. Par la suite, comme illustré à la figure 16, on procède au dépôt d'une couche (39) barrière à la diffusion du cuivre et d'une couche (40) amorce de cuivre à l'intérieur de la tranchée (38) et au dessus de la couche (36) de matériau isolant, à l'aplomb de la future partie haute de la spire de l'enroulement. Ces différents Thereafter, and as illustrated in FIG. 15, this layer is etched around the magnetic core, so as to define a trench (38) corresponding to the location of the lateral parts of the turns of the future winding. Subsequently, as illustrated in FIG. 16, a layer (39) barrier to the diffusion of copper is deposited and a layer (40) copper primer inside the trench (38) and above the layer (36) of insulating material, directly above the future upper part of the coil of the winding. These different
dépôts s'effectuent comme évoqué précédemment. deposits are made as mentioned above.
-12 Par la suite, comme illustré à la figure 17, on procède à un dépôt de cuivre (42) permettant de définir la partie latérale d'une des spires de l'enroulement ainsi -12 Thereafter, as illustrated in FIG. 17, a copper deposit is made (42) allowing the lateral part of one of the turns of the winding to be defined as
que la partie supérieure.than the top.
Par la suite, comme illustré à la figure 18, on procède à l'élimination des portions de couche amorce (40) et de couche barrière (39) à la diffusion du cuivre Thereafter, as illustrated in FIG. 18, the portions of the primer layer (40) and of the barrier layer (39) to the diffusion of copper are eliminated.
se situant à l'extérieur de la spire de l'enroulement. lying outside the coil of the winding.
Par la suite, on peut également procéder au dépôt d'une couche de Subsequently, it is also possible to deposit a layer of
passivation permettant de protéger l'enroulement métallique. passivation to protect the metal coil.
Bien entendu, les différentes tranchées verticales (38) destinées à recevoir les parties latérales des spires sont implantées pour permettre de définir la Of course, the various vertical trenches (38) intended to receive the lateral parts of the turns are implanted in order to define the
succession des différentes spires de l'enroulement solénode. succession of the different turns of the solenode winding.
Dans une forme de réalisation alternative illustrée à la figure 19, le matériau emplissant l'espace (59) entre le noyau magnétique et l'enroulement peut être In an alternative embodiment illustrated in FIG. 19, the material filling the space (59) between the magnetic core and the winding can be
éliminé pour ainsi définir un espace d'air entre le noyau et l'enroulement. eliminated so as to define an air space between the core and the winding.
Dans ce cas, le noyau tel qu'illustré à la figure 19, dépasse latéralement de l'enroulement pour venir reposer par des portions (58) sur les couches de matériau de faible permittivité relative (6), afin d'être suspendu à l'intérieur de l'enroulement. Il ressort de ce qui précède que les inductances ou les transformateurs obtenus conformément à l'invention présentent de multiples avantages, et notamment la possibilité de fonctionner à des fréquences nettement plus élevées que les composants existants, et typiquement à des fréquences supérieures au GigaHertz, tout en conservant leurs propriétés électriques satisfaisantes, In this case, the core as illustrated in FIG. 19, protrudes laterally from the winding to come to rest by portions (58) on the layers of material of low relative permittivity (6), in order to be suspended from the inside the winding. It follows from the above that the inductors or transformers obtained in accordance with the invention have multiple advantages, and in particular the possibility of operating at frequencies significantly higher than the existing components, and typically at frequencies higher than GigaHertz, all retaining their satisfactory electrical properties,
notamment en termes de facteur de qualité. especially in terms of quality factor.
-13-13
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- 2002-07-02 FR FR0208253A patent/FR2842018B3/en not_active Expired - Fee Related
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