JP2002008920A

JP2002008920A - パワーアプリケーションのためのマイクロ磁気素子を備えるデバイス、およびデバイスの形成方法

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Publication number: JP2002008920A
Application number: JP2001120442A
Authority: JP
Inventors: Robert William Filas; ウィリアムフィラズロバート; Trifon M Liakopoulos; エム．リアコポーロストリフォン; Ashraf Wagih Lotfi; ワジーロトフィアッシュラフ
Original assignee: Agere Systems Guardian Corp
Current assignee: Agere Systems LLC
Priority date: 2000-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-01-11
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: US6624498B2; EP1148551A2; US6495019B1; EP1148551A3; JP4193019B2; EP1148551B1; US20020153258A1; DE60043148D1

Abstract

(57)【要約】【課題】パワーアプリケーションのためのマイクロ磁
気素子に関する。【解決手段】フォトレジスト型材料が、従来のパター
ニング材料としてだけではなく、磁気層間または導電層
間の絶縁および／またはプレーナ化材料としても使用さ
れる、多層素子の形成を含む方法が提供される。したが
って、種々の集積CMOS／マイクロ磁気素子を、プレーナ
誘導器および変圧器を備える素子を含むように形成する
ことができる。さらに、特定の技術が、電気めっきされ
た銅コイルに損害を与えることなく、基板表面から金を
含んだシード層をエッチングするために使用される。誘
導器および変圧器等のデバイスに特に有用な磁気材料も
提供される。材料は、Co_xP_yFe_zの組成を有する非晶質の
鉄−コバルト−リン合金であり、ここで、x＋y＋z＝100
であり、xは5〜15、yは13〜20、zはその残りである。合
金は、典型的には、0．1〜0．5Oeの保磁力、100〜150μ
Ω−ｃｍの電気抵抗率、および約16〜約19kGの飽和磁化
を示し、これらはすべてパーマロイより優れた改善を見
せている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、パワーアプリケー
ションのためのマイクロ磁気素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】ノート型コンピュータおよび携帯電話等
の、コンパクトで能率のよい持ち運び可能な電子デバイ
スの市場が拡大している。市場が拡大することによっ
て、関連するパワーＩＣにおけるサイズの縮小、および
効率の改善の双方に対する必要性が明らかになってき
た。特に、電力消費を押さえバッテリーの寿命を延ばす
ために、例えば、オンチップＤＣ−ＤＣコンバータ等の
単一チップパワー素子のような、一体化された電力管理
が求められている。かかる一体化の極めて重要な側面と
して、ＣＭＯＳおよび磁気素子の単一チップ上への一体
化が挙げられる。特に、高周波数で動作するプレーナ誘
導器および変圧器は、かかるＤＣ−ＤＣコンバータの基
礎的な磁気素子である。さらに、例えばパーマロイ等
の、誘導器および変圧器で使用される現在の磁気材料
は、かかるオンチップパワーデバイスにとって望ましく
ない、いくつかの制限を被る。例えば、パーマロイの接
着性は所望のレベルより低くなる傾向があり、この合金
は、その導電性のために、周波数範囲の点でいくつかの
制限がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】したがって、集積ＣＭ
ＯＳ／パワーアプリケーションに用いられるマイクロ磁
気素子を形成するための改良された技術が、かかる素子
に用いられる改良された材料とともに、求められてい
る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明の方法は、フォト
レジスト型材料が、従来のパターニング材料としてだけ
ではなく、磁気層間または導電層間の絶縁および／また
はプレーナ化材料としても使用される、多層素子を形成
することを含む。フォトレジストを全体的な素子構造の
一部として使用することは、ＬＩＧＡ型プロセスに特有
のことである。（ＬＩＧＡはドイツ語の頭字語であり、
英語では、リソグラフィー（lithography）、めっきす
る（plating）、成型する（molding）という意味であ
る。ＬＩＧＡプロセスの一般的な説明については、例え
ば、H.Guckelによる「Micromechanics for x-ray litho
graphy and x-ray lithography for micromechanic
s」、Precision Engineering and Opto-Mechanics、SPI
E、Vol.1167、151-158(1989)を参照のこと。）本発明に
よると、種々の集積ＣＭＯＳ／マイクロ磁気素子を、プ
レーナ誘導器および変圧器を備える素子を含むように形
成することができる。さらに、本方法の一実施形態で
は、特定の技術が、電気めっきされた銅コイルに損害を
与えることなく、基板表面から金を含んだシード層をエ
ッチングするために使用される。このような技術は、か
かるシード層上で銅を電気めっきする場合に有用であ
る。なぜなら、金をエッチングして取り除くために使用
されるほとんどの化学薬品は、このような技術がなけれ
ば、銅コイルに損害を与えてしまうからである。

【０００５】本発明はまた、誘導器および変圧器等のデ
バイスで特に有用な磁気材料に関する。材料とは、Ｃｏ
_xＰ_yＦｅ_zの組成を有する非晶質の鉄−コバルト−リン
合金であり、ここでｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であり、ｘは５
〜１５、ｙは１３〜２０、ｚはその残りである。有用な
一実施形態において、ｘは１１、ｙは１７である。コバ
ルトおよび鉄は、比較的高い飽和磁化と低い保磁力を提
供し、一方、リンは、非晶質構造を提供する量で存在す
るが、飽和磁化を許容不可能には低くしない。合金は、
典型的には、０．１〜０．５Ｏｅの保磁力、１００〜１
５０μΩ−ｃｍの電気抵抗率、および約１６〜約１９ｋ
Ｇの飽和磁化を示し、それらはすべてパーマロイより優
れた改善が見られる。

【０００６】

【発明の実施の形態】集積ＣＭＯＳ／マイクロ磁気素子本発明の方法は、フォトレジスト型材料が、従来のパタ
ーニング材料としてだけではなく、磁気層間または導電
層間における絶縁材料または／およびプレーナ化材料と
しても使用される、多層素子を形成することを含む。
（プレーナ化とは、次の層のための物理的支持と、次の
製造ステップのための比較的平らな表面との双方を、材
料が提供することを指す。）この方法によると、例え
ば、誘導器および変圧器等の種々のプレーナマイクロ磁
気素子、ならびに、例えば、電磁石、フィルタ（例え
ば、高域、低域）、継電器、機械粒子フィルタ、および
種々の他のＭＥＭＳデバイス等の、多数の他の素子を形
成することができる。特に、本発明の多層製品は、以下
の基本的な方法ステップ、（１）通常はシリコンであ
り、集積回路デバイスが組み込まれた基板を提供するス
テップと、（２）基板上に、第１のパターニングされた
フォトレジスト層を形成するステップと、（３）典型的
には金属シード層上に電気めっきすることによって、第
１のパターンで磁気材料層を形成するステップと、
（４）磁気材料層上に、絶縁またはプレーナ化／支持フ
ォトレジスト層を形成するステップと、（５）絶縁また
はプレーナ化／支持フォトレジスト層上に、第２のパタ
ーニングされたフォトレジスト層を形成するステップ
と、（６）同じく典型的には金属シード層上に電気めっ
きすることによって、第２のパターンで導電材料（例え
ば、巻線）を形成するステップと、によって形成され
る。（本明細書では、層とは、説明の際に、パターニン
グされたという修飾語を伴って使用される場合と、伴わ
ないで使用される場合があるが、どちらの場合であって
も、連続的または非連続的な材料層（例えば、巻線また
は他のパターニングされた層）を指す。導電とは、１オ
ーム／スクエアを超えないシート抵抗を指す。）これら
のステップは、以下に説明する実施形態によってさらに
明らかにされる。

【０００７】あらゆる順序で、活性層（活性とは、例え
ば磁気層または導電層を意味する）を形成することがで
きる。例えば、上記の基本的な方法において、可能な代
替形態は、第１のフォトレジストによって規定されるパ
ターンで導電材料層を形成し、次いで、第２のフォトレ
ジストによって規定されるパターンで磁気材料層を形成
することである。典型的には、以下の実施形態で示され
るように、例えば、第３のパターニングされたフォトレ
ジスト層によって規定されるパターンで形成される付加
的な磁気材料層、および付加的な絶縁またはプレーナ化
／支持フォトレジスト層等の、付加的な層が存在する。

【０００８】あらゆる磁気材料層は通常、少なくとも２
μｍ、より典型的には少なくとも５ｍの厚さを有するよ
うに形成される。同様に、あらゆる導電層は、典型的に
は少なくとも５μｍ、より典型的には少なくとも３０μ
ｍの厚さを有するように形成される。特にこれらの厚さ
のため、例えば、磁気材料および導電材料等の種々の金
属の活性層は、典型的には電気めっきによって形成され
る。絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層は通常、少
なくとも２μｍの厚さを有するように形成される。磁気
材料または導電材料が電気めっきされる、パターンを規
定するフォトレジスト層の厚さは、電気めっきされた材
料の所望の厚さによって変化する。

【０００９】本方法の一実施形態によると、プレーナ誘
導器（任意選択的には二重螺旋プレーナ誘導器）が形成
される。図１（ａ）に示されるように、シリコンウェハ
１０は、その上面にパッシベーションまたは絶縁層１２
が設けられ、典型的には、酸化物が約２μｍの厚さで存
在する。ウェハは、典型的には、例えばＣＭＯＳ電力回
路１４等の集積回路型デバイスを備え、絶縁層１２は、
１つまたは複数のビア１６、１８を備え、回路１４と誘
導器との間の電気接続を提供し、デバイスの磁心のため
の接地２０を提供する。（他の実施形態では、種々の制
御回路を基板に組み込むことができる。）

【００１０】図１（ｂ）に示されるように、層２２が形
成され、基板１０と形成されるべき誘導器との間に絶縁
およびプレーナ化層を提供する。典型的には、絶縁層
は、ビア１６、１８を維持するためにパターニングされ
るフォトレジスト層２２である。このフォトレジスト
は、クラリアントコーポレーション（Clariant Corpora
tion）の一部門である、ＡＺエレクトロニックマテリア
ルから市販されているＡＺ−４０００シリーズ等の、Ｕ
Ｖ光に対して高感度であるノボラック型ポジティブフォ
トレジストであることが有利である。フォトレジスト
は、電気めっき溶液等の活動的な化学的環境に対して実
質的に不活性であることが有利である。電気めっきのた
めの金属シード層は、多くの場合抵抗上に形成されるの
で、種々の材料に対する良好な接着性もまた求められて
いる。さらに、フォトレジストを絶縁および／またはプ
レーナ化層として組み込むことが望まれる場合、抵抗
は、所望の機械特性および電気特性を示すことが有利で
ある。特に、多層素子においては、抵抗は、次のリソグ
ラフィおよび層形成のための平らな表面を提供する機能
を有することが有利である。所望の電気特性は、硬化し
た際の許容可能な誘電定数を含む。フォトレジスト層２
２の所望の厚さによっては、層がいくつかの薄膜層を構
成することも可能である。フォトレジストのパターニン
グは、使用される特定のフォトレジストに基づいて、従
来の技術で実行される。硬化は、例えば、電気めっき溶
液等の次の環境に対して、フォトレジストを実質的に不
活性にするために使用される。

【００１１】図１（ｃ）に示されるように、パターニン
グされたフォトレジスト層２２が形成された後、比較的
薄い金属膜２４が形成され、誘導器のより下側にある磁
心プレートの次の電気めっきのためのシード層として機
能する。膜２４のための有用な材料とは、例えば、約１
２５〜３００Åのチタンとそれに続く５００〜３０００
Åの金である、二層チタン／金膜である。金は所望の抵
抗率および化学特性を示し、チタンは硬化したフォトレ
ジスト２２への金の接着性を強める。金およびチタン
は、典型的には、スパッタリングまたは電子ビーム蒸着
によって堆積される。チタン／銅シード層を使用するこ
とも可能である。

【００１２】図１（ｄ）に示されるように、下側にある
磁心プレートの次の形成のために、パターニングされた
フォトレジスト層２６が形成されパターニングされる。
フォトレジスト層２６の厚さは、磁心の所望の厚さに基
づいている。すなわち、磁気材料は通常、フォトレジス
トの上面まで電気めっきされる。

【００１３】図１（ｅ）に示されるように、フォトレジ
スト層２６が形成された後、下側にある磁心２７が、シ
ード層２４上への電気めっきによって形成され、次いで
抵抗層２６が除去される。磁心２７が、任意の適当な磁
気材料（典型的には、例えばパーマロイ等の、誘導器お
よび変圧器に応用するための軟磁性体）から形成され
る。磁心２７は、以下でより詳細に説明するように、本
発明のＦｅ−Ｃｏ−Ｐ合金から形成されることが有利で
ある。所望の誘導器コア材料の特性として、比較的低い
保磁力、比較的高い電気抵抗率、および比較的高い飽和
磁化が挙げられる。

【００１４】図１（ｆ）に示されるように、他のフォト
レジスト層２８は、絶縁およびプレーナ化層として形成
され（かつ、ビアを保持するようにパターニングされ）
る。次いで、典型的には先のシード層２４と同一の材料
および特性を有する金属シード層３０が、フォトレジス
ト層２８の選択された領域上に形成される。特に、図に
示されるように、シード層３０は、形成されるべきコイ
ルの渦巻き（spire）間の短絡を生じないような方法で
パターニングされる。（代替的には、かかる短絡を生じ
るシード層の部分を後に除去する。）

【００１５】次に、図１（ｇ）に示されるように、パタ
ーニングされたフォトレジスト層３２が形成され、典型
的には銅コイルである伝導コイル３４を形成するための
型を提供する。次いでコイル３４が、シード層３０上へ
の電気めっきによって形成される。コイル３４およびフ
ォトレジスト３２の厚さは、この実施形態において、典
型的には約３０μｍである。フォトレジスト層３２は除
去されずに残り、誘導器内の電気絶縁体、およびプレー
ナ、物理的な支持層として機能する。

【００１６】図１（ｈ）に示されるように、頂部フォト
レジスト層３６が形成され、絶縁およびプレーナ化層を
提供する。（先のフォトレジスト層３２と、この次のフ
ォトレジスト層３６の双方を同時に硬化することが可能
である。）電気めっきのためにシード層３８が形成さ
れ、この層は、典型的には先のシード層と同一の材料お
よび特性を有している。次いでパターニングされたフォ
トレジスト層（図示せず）が形成され、実質的に同一の
厚さのコア４０を提供するために選択されたフォトレジ
ストの厚さを有する、頂部磁心４０の次の電気めっきを
するための型を提供する。最後に頂部磁心４０が、典型
的には下側にある磁心２６と同様の材料および技術を用
いて電気めっきされる。次いで、フォトレジスト層が除
去される。任意選択的には、付加的な絶縁材料が、保護
を目的として磁心４０上に形成される。

【００１７】結果得られる集積ＣＭＯＳ／マイクロ磁気
素子５０は、図２に概略的に示されている。素子５０
は、ＣＭＯＳ回路（図示せず）が形成される基板５２、
より下側にある磁心５４、より上側にある磁心５６、螺
旋誘導器５８（１つの螺旋だけを図示）、ならびに中間
硬化フォトレジスト層６０、６２、６４を備える。一実
施形態においては、より下側にある磁心５４およびより
上側にある磁心５６が、以下で説明されるＦｅ−Ｃｏ−
Ｐ合金から形成され、それらは約５μｍの厚さを有す
る。二重螺旋誘導器は、約３０μｍの厚さで銅から形成
される。中間フォトレジスト層６０、６２、６４は、１
つまたは複数のＡＺＰ−４０００シリーズフォトレジス
トから形成される。

【００１８】上記のステップを異なる順序で、付加的ま
たは代替的な層を用いて実行することを含む、この特定
の実施形態の多数の変形形態が可能であり、これは、リ
ソグラフィックおよびめっき技術に関係する当業者には
明白であろう。

【００１９】例えば、図３（ａ）で示される、図１
（ｆ）および図１（ｇ）で説明されるステップの代替形
態では、上記の実施形態に比べてより連続的なシード層
７４が形成され、次いで、隣接する巻線間の短絡を回避
するためにコイル７６が形成された後にシード層７４の
部分が除去される。（シード層７４は、上記の実施形態
のように、磁気材料７０上に形成される絶縁体材料（例
えばフォトレジスト）層７２上に形成される。）図３
（ａ）に示されるように、フォトレジスト７８は、シー
ド層７４上にパターニングされ、次いで、型としてフォ
トレジスト７８を使用することでコイル７６が形成され
る。

【００２０】典型的には従来の化学エッチングによって
フォトレジストが一旦除去されると、短絡を回避するた
めに、コイル７６の隣接する巻線間にある領域におい
て、シード層７４を除去しなければならない。しかしな
がら、チタン／金シード層の選択された部分を除去する
ことに伴う潜在的な問題は、ほとんどの金エッチング
が、（最も一般的な巻線材料である）銅までも除去して
しまうことである。本発明は、酸化物形成技術によりシ
ード層７４を選択的に除去することによって、この問題
を克服する。特に、図３（ｂ）に示されるように、酸素
プラズマは、フォトレジスト層７８から残っている任意
の有機残滓を除去することと、コイル７６の表面上に薄
い酸化物８０（例えば、酸化銅）を形成することとの双
方に使用される。（典型的なプラズマ処理は、２〜３
分、２００〜３００ｍＷ、１ｍＴｏｒｒである。）この
酸化物は、コイル７６の材料を、金エッチングに対して
実質的に不活性にする。したがって、金とチタンは、コ
イル７６に損害を与えることなくエッチングされ得る。
シード層が一旦除去されると、酸化銅層８０は、適当な
方法によって同様に除去される。例えば金は、ＫＩ濃度
が０．１６モルである、２０：１の重量比のＫＩ／Ｉの
水溶液で除去され得る。チタンは、例えば０．５％のＨ
Ｆ水溶液、またはシュウ酸溶液で除去され得る。酸化銅
は、１：１：１０の比であるＨ₂ＳＯ₄：Ｈ₂Ｏ₂（３０
％）：Ｈ₂Ｏの溶液において、短い（例えば５秒）処理
で容易に除去される。他の適当なエッチング技術は、当
業者には周知である。

【００２１】フォトレジスト技術上述したように、フォトレジストは、クラリアントコー
ポレーションの一部門であるＡＺエレクトロニックマテ
リアルから市販されているＡＺ−４０００シリーズ等
の、ＵＶ光に対して高感度なノボラック型ポジティブフ
ォトレジストであることが有利である。種々の粘度が利
用可能であるが、それは、例えば３〜５０μｍの典型的
な範囲を超える、所望の膜厚に主に依存している。様々
なコーティング方法も同様に利用可能であり、これは、
例えばスピンコート、スプレーコート、またはローラー
コート等の特定の応用技術に依存している。かかるフォ
トレジストを使用するための以下の技術は、本発明にお
いて所望の結果を提供する。

【００２２】層形成高い膜厚（例えば１０μｍより厚い）のために、マルチ
プルスピンコーティングを行うことができる。マルチプ
ルスピン工程は、第１の層を基板に加えることによって
開始される。第２の層上でスピニングを行う前に、例え
ば、８０℃で２分間加熱板上で乾燥させる等の、短い緩
やかな乾燥（soft-bake）ステップが行われる。次いで
スピナ上にウェハが戻され、第２のコーティングが行わ
れると、約５〜６分の緩和期間が提供され、次の緩やか
な乾燥が１１０℃で行われる。同一の工程が次の層に繰
り返され、各層が形成された後には緩やかな乾燥が行わ
れる。個々の乾燥状況は、形成される層の合計数によっ
て変化する。これらの緩やかな乾燥は、個々の層から溶
媒を蒸発させ、それによって最終的な乾燥処理を容易に
する。比較的短い緩やかな乾燥時間は、次のフォトレジ
ストの行動に対する有害な効果を回避する。緩和時間は
通常、室温で４〜８分であり、溶媒の蒸発、厚さの均一
性、およびフォトレジストの安定化を可能にする。緩和
中には、水平で大気乱流を防ぐ配置が望まれる。

【００２３】厚いフォトレジスト層は、スピン周期中に
エッジビードを形成する傾向があり、露出工程中のフォ
トレジスト面とフォトマスクとの間の良好な接触を提供
するためには、ビードを除去することが望ましい。正確
に制御された液体ディスペンサを用いて溶媒をエッジビ
ードに塗布し、主要なフォトレジストコーティングが除
去されないようにすることができる。

【００２４】緩やかな乾燥工程中、フォトレジストに存
在する溶媒および水分の双方が蒸発する。しかしなが
ら、フォトレジスト中の水分は、ＤＮＱ／ノボラック型
フォトレジスト（特に、厚い膜）において行われる光化
学工程にとって必要である。（当分野において知られて
いるように、ＤＮＱとはジアノナフトキノンを指す。）
湿気がない場合、フォトレジストは、望ましくない性能
を発揮する傾向がある。したがって、室温での待ち時間
は、フォトレジストが失った湿気を再び吸収できるよう
に、緩やかな乾燥の後にあることが推奨される。

【００２５】露出ＡＺ−４０００シリーズフォトレジストは、ｇ−、ｈ−
およびｉ−ライン（それぞれ３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、
４３５ｎｍ）波長に対して高感度である。ＵＶリソグラ
フィは、焦点の深さおよび回折によって幾分制限され
る。厚いフォトレジスト層（例えば、１０μｍ〜２００
μｍ）を有するＵＶリソグラフィを使用可能にするため
に、典型的には、適当な回折低減レンズを有する特別の
アライナーが使用される。例えば、ＳＵＳＳＭＡ１５
０マスクアライナー等の、大型露出ギャップレンズ（LE
GO: Large Exposure Gap Optics）を有するアライナー
は、回折を低減し、視準を増大させ、厚い膜における高
解像度印刷および耐浸側壁（steep resist sidewall）
を実現する。

【００２６】露出工程の基本的なパラメータは、線量を
規定する光度および露出時間である。ここで、フォトレ
ジストは、ｄｏｓｅ（ｍＪ／ｃｍ²）＝ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ（ｍＷ
／ｃｍ²）・ｔｉｍｅ（ｓｅｃ）にしたがって露出される。

【００２７】実験データは、ＡＺ−４６２０フォトレジ
ストの５〜３０μｍの厚さを有する膜に対して、所望の
パターン印刷および現像の品質が１５０〜１８０秒の露
出時間で達成されたことを示し、２５μｍの厚さのフォ
トレジストについて、１８００〜２１６０ｍＪ／ｃｍ²
の有利な線量を規定する。

【００２８】比較的長い露出中のフォトレジストの過剰
な加熱を避けるためには、短い（３０〜６０秒）の冷却
時間間隔が有用である。例えば、３０μｍの厚さを有す
るＡＺ−４６２０膜の１８０秒の露出は、典型的には、
４５秒の冷却時間を間に挟んだ２つの９０秒の露出に分
割され、冷却中は、ウェハ／マスク接触が維持される。

【００２９】現像フォトレジスト材料によって、特定の現像液が使用され
る。厚いフォトレジスト膜についての現像工程をより効
率的にするために、典型的に攪拌が使用され、新しい現
像溶液が露出領域上に定常的に補給されるようにする。
高いアスペクト比パターンにとって、新しい溶液を補給
することはより困難なことである。なぜなら、フォトレ
ジストが露出領域から除去されたとき、パターンはより
深くなり、それにより新しい溶液の経路が制限されるか
らである。したがって、強い攪拌は有用であるが、手動
の制御は困難であり貧弱な生産性しか提供しないため、
例えば磁気攪拌プレートを有する磁気攪拌バー等の攪拌
装置の助けを借りた攪拌が望ましい。現像時間は、希釈
濃度および露出エネルギー線量に依存する。

【００３０】硬化フォトレジストを、アセトン、電気めっき浴および金属
蒸着工程のような厳しい環境に対して実質的に不活性に
させるために、硬化ステップが行われる。ＡＺ−４００
０シリーズフォトレジストでは、例えば２２０℃の加熱
板上で少なくとも１〜２時間加熱することによって硬化
が行われる。硬化したフォトレジストは、比較的厳しい
化学薬品への露出においても変わらないままでいる、強
力な化学的不活性層を提供する。ＡＺ−４０００シリー
ズフォトレジストは、硬化した際、６２９〜６７４Ｖ／
μｍのブレークダウン電圧で、４．０２〜４．５８の誘
電定数（２００℃〜２５０℃の範囲の硬化温度に対し
て）を示すと報告されている。

【００３１】厚い抵抗層が硬化する際、典型的には、硬
化した層の残留応力は避けられず、ある場合にはウェハ
の座屈につながる。選択されたフォトレジストは、低い
残留応力を有し、それによってウェハの変形が比較的低
レベルに維持されることが有利である。しかしながら、
硬化したフォトレジストの連続した層が使用される際、
残留応力効果は単一の層の場合よりも重要になる。かか
る多層の実施形態のために、ウェハのある側から他の側
にわたる応力解放チャネルが典型的に使用される。次い
で、この応力が各デバイスのフットプリント上に局所化
され、ウェハの座屈が大幅に低減される。

【００３２】一実施形態において、硬化は、ウェハを真
空オーブンの内部にあるプログラム可能なデジタル加熱
板に配置することによって行われる。加熱板の温度は、
例えば室温から１時間に１５℃の割合で、ＡＺ−４００
０シリーズフォトレジストでは約１５０℃であるフォト
レジストリフロー温度まで上昇するようにプログラムさ
れる。ウェハは、膜の厚さに依存するが典型的には約２
時間リフロー温度にとどまり、例えばＡＺ−４０００シ
リーズでは２２０℃である、より高い温度まで上昇し、
約１〜２時間そこにとどまる。次いでウェハは、ゆっく
りと室温まで冷却される。

【００３３】硬化中に加えられた真空は、通常フォトレ
ジスト層の底部に形成されるか、あるいはすでに取り込
まれている気泡を除去する。フォトレジストを真空状態
でリフロー温度に維持することにより、取り込まれた気
泡の表面への移動が促進され、表面では気泡が解放され
る。硬化の前にすべての気泡を除去することができない
と、高温で気泡が急速に膨張してしまう結果となる。し
たがって、表面上の気泡の破裂の際に形成されたクレー
ターによって、フォトレジスト膜が損害を受ける可能性
がある。

【００３４】一般的に、抵抗膜の底部から頂部までの加
熱は、フォトレジスト本体のより均一な加熱に寄与する
傾向があるので、加熱板は、従来の乾燥オーブンに比べ
好適である。特に、抵抗表面が抵抗膜の他の部分よりも
早く加熱される場合は、しわの寄った表面を生じさせる
クラスティングに見舞われる可能性がある。

【００３５】さらに、硬化した層と基板との間の良好な
接着を確実にするために、フォトレジストスピニングの
前のウェハ洗浄および乾燥には特別の注意を払う必要が
ある。同様に、多数の硬化した層が堆積する場合、例え
ば脱イオン水を用いた広範囲なリンスによって、フォト
レジスト底面を十分に洗浄するべきである。

【００３６】鉄−コバルト−リン磁気合金上記のように、本発明によるマイクロ磁気デバイスは、
非晶質の鉄−コバルト−リン合金から形成されることが
有利である。磁気合金は、Ｃｏ_xＰ_yＦｅ_zの組成を有
し、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であり、ｘは５〜１
５、ｙは１３〜２０、ｚはその残りである。有用な一実
施形態において、ｘは１１、ｙは１７である。コバルト
および鉄は、比較的高い飽和磁化と、低い保磁力を提供
する。リンは、非晶質構造を提供する量で存在するが、
飽和磁化を許容不可能に低くしない。特に合金は、典型
的には０．１〜０．５Ｏｅの保磁力、１００〜１５０μ
Ω−ｃｍの電気抵抗率、および約１６〜約１９ｋＧの飽
和磁化を示す。（パーマロイは、蒸着状況によって０．
１Ｏｅの保磁力、２０〜２５μΩ−ｃｍの電気抵抗率、
９〜１０ｋＧの飽和磁化を示す。）上述したようなマイ
クロ磁性体で使用される場合、磁気合金は、５〜１０μ
ｍの厚さにめっきされる傾向がある。この厚さの範囲で
は、以下の実施例で示されるように、重大な損失を起こ
すことなく、デバイスを１０〜３０ＭＨｚの周波数で使
用することができる。

【００３７】合金は通常、集積ＣＭＯＳ／マイクロ磁気
素子を製造する上記方法の場合のように、電気めっきに
よって形成される。マイクロ磁気をシリコンウェハ上に
形成されるＣＭＯＳデバイスと一体化することにより、
特に、集積素子においてフォトレジストが絶縁材料とし
て用いられている場合は、電気めっきに利用可能な温度
の処理の際にいくらかの制限が設けられる。したがっ
て、典型的には、磁気材料をアニールして磁化の容易軸
を規定することが可能であるが、かかるアニールは通
常、かかる集積素子において回避されなければならな
い。容易軸を規定する１つの代替的な方法は、加えられ
た磁界において電気めっきを行うことである。例えば、
ヘルムホルツコイルを使用して、コイルの内径の半分よ
り多くの部分にわたって比較的均一な磁界を生成するこ
とができる。かかるコイルを用いて、約１５Ａの電流を
有する、約７５Ｇａｕｓｓまでの磁界を生成することが
できるが、それは使用される特定の装置に依存する。

【００３８】ＦｅＣｏＰ合金を電気めっきするのに適当
な典型的な浴組成が、表１に示されている。本明細書に
記載されたガイドラインに従って作成された、浴におけ
る多数の変化形態もまた可能である。C.Lowrieによる
「Iron Plating」、Metal Finishing、'99 Guidebook a
nd Directory Issue、Vol.97、No.1(1999)を参照のこ
と。

【００３９】

【表１】

【００４０】アスコルビン酸は、Ｆｅ⁺²からＦｅ⁺³への
酸化を遅らせる働きをするが、それにもかかわらず、そ
れは溶液中で起こる。この酸化を低減するのを助けるた
めには、めっき工程中に窒素スパージングを行うことも
有用である。Ｈ₂は望ましくない副作用として陰極で発
生するので、窒素の気泡が、高速の攪拌と組み合わされ
て、Ｈ₂の気泡をその形成時に取り除くのを助ける。こ
れは、めっきされる基板表面上のＨ₂気泡周辺に点欠陥
が形成されるのを低減する。（Ｎ₂を使用するため、酸
素を除去する界面活性剤の使用は、表面活性剤が発泡の
原因となるという点で望ましくない。）さらに、可溶性
の鉄陽極は（白金めっきされたニオビウム等の）不溶性
陽極に比べて好適である。なぜなら、そうでない場合は
Ｆｅ⁺³ビルドアップが発生し、それによって陰極が汚染
され電流効果が低減するからである。

【００４１】めっき溶液のｐＨを制御することは、本方
法の重要な側面である。特に、特定のｐＨより高い場合
は、水酸化鉄が電極表面で形成され、茶色く濁った堆積
物のめっきの原因となる可能性がある。ｐＨは通常、陰
極において水が減少する際に時間とともに上昇し、Ｈ₂
およびＯＨ^-を生成するので、緩衝剤の追加または連続
的な酸の追加のいずれかが、ｐＨを制御するために使用
されるべきである。表１に示されるような浴では、約３
のｐＨが維持された。（表１で示される浴は、めっき中
に酸の追加を必要とする、緩衝剤を用いていない浴であ
る。）また表面のｐＨは、浴中の電流密度および攪拌速
度により、その大半の（bulk）ｐＨと等しいか、あるい
はそれより大きくなり、このことも同様に考慮されなく
てはならない。

【００４２】本発明は、例示することを意図した以下の
実施例によりさらに明らかになるであろう。

【００４３】実施例実験状況シリコンウェハには、１２．５ｎｍのＴｉと５０ｎｍの
Ａｕからなるスパッタリングされたシード層が設けられ
た。シード層の典型的なシート抵抗は、０．９８ｏｈｍ
−ｃｍであった。１．０ｃｍの幅と約１１ｃｍの長さを
有するストリップが得られた。電子洗浄後、各ストリッ
プの一部は、耐酸ポリマー樹脂（３Ｍ（商品名）Ｋｅｌ
−Ｆ８００）のコーティングでマスクされた。アミルア
セテートに溶かしたポリマーの溶液は、金の表面に拡散
し、８５℃のエアオーブン中で乾燥し、一端をめっきの
ために４．０ｃｍ露出させ、もう一端を電気接続のため
に約２ｃｍ露出させた。さらに、中心に０．１６平方イ
ンチのホールを有する、３／４平方インチのサンプルが
調製され、次いで、インダクタンスおよび抵抗測定のた
めに、角を切り落とし六角形を形成した。ウェハ全体の
パターンをフォトリソグラフィックに規定した後、中心
の正方形ホールはＥＤＰ（エチレンジアミンピロカ
テコール）でエッチングされた。次いでウェハは、同一
のＴｉ／Ａｕシード層がスパッタリングされた後、正方
形に切られた。

【００４４】ブレーカー状のめっき容器が、極微の多孔
性焼結ガラスフリットを底から３ｍｍ上方をシールした
直径３インチのガラス管から作成された。フリットの底
部と容器の底部との間の空間はできるだけ小さくなるよ
うに作成され、それによって、容器の下の磁気攪拌装置
とフリットの上の攪拌バーとの間の結合が最大量となっ
た。ガラス管は容器に対してシールされ、フリットと底
部との間のギャップに接続し、Ｎ₂が溶液を通して気泡
化されることを可能にした。攪拌バーは、２インチの長
さで、３／８インチの直径を有し、５５０ＲＰＭでスピ
ンされた。

【００４５】陽極は、５０Ｘ２５Ｘ１ｍｍの「プラトロ
ニック（Puratronic）」等級（９９．９９５％）の鉄製
シートから作成され、４．５Ｘ０．５Ｘ０．０２インチ
のＴｉ金属ストリップにボルト留めされた。めっき溶液
にさらされたＴｉは、市販のラッカーで絶縁されＦｅ⁺²
の酸化を防いだ。陽極およびＳｉ（Ｔｉ／Ａｕ）陰極の
頂部の双方は、めっき容器のテフロン（登録商標）製の
蓋（lid）から突出し、その蓋により適所に保持され
る。陽極の配置は、溶液の中心領域における磁気攪拌装
置からの渦の形成を抑制するのを助け、一方、溶液の周
辺の流れは陰極の表面に対して直角であり、横方向の厚
さ異方性を最小化した。Ｈｇ／Ｈｇ₂ＳＯ₄基準電極は、
めっきされる領域の頂部のすぐ上に配置される橋の端部
のフリットを用いて、飽和したＫ₂ＳＯ₂を含む塩橋を通
してめっき溶液に接続された。

【００４６】めっき溶液の組成は、上記の表１において
与えられる。化学薬品の純度は、プラトロニック等級
（９９．９９９％）がより低い等級のＣｕの存在によっ
て選択されたＣｏＳＯ₄・７Ｈ₂Ｏを除いては、試薬（Re
agent）等級であった。１リットルの溶液は、１５分間
Ｎ₂で攪拌し、次いで表１に示された順序で化学薬品を
追加することで、８００ｍｌの１８ＭΩの脱イオン水を
まず脱酸素化することによって調製された。最終的な溶
液は、０．２μｍのフィルタで濾過され、３．０２のｐ
Ｈを有し、とても暗い灰色となった。ｐＨは、希釈され
たＨ₂ＳＯ₄を必要ならば滴状で加えることによって、
３．０〜３．１の範囲で維持された。

【００４７】めっき実験は、電圧および電流を制御す
る、コンピュータ制御されたポテンシオスタット（放射
計ＩＭＴ１０１電気化学インタフェース、およびＤＥＡ
３３２デジタル電気化学分析器）を使用して行われた。
ヘルムホルツコイルは、めっき中に垂直磁界に加えるの
に使用され、磁気測定のための簡易磁軸を提供した。コ
イルは、約１６インチの外径と、１２・３／４インチの
内径と、１・１／２インチの厚さを有し、その軸に沿っ
て約７インチ分離された。１５Ａの電流で、約７５Ｇａ
ｕｓｓの磁界が、コイルの中心の約８インチの直径を有
する領域上に生成された。

【００４８】シリコンウェハストリップ上でのめっきの
後、電気活性領域を規定するのに使用されるポリマーコ
ーティングがアミルアセテートおよびアセトンで除去さ
れ、次いでストリップが、イソプロピルアルコール中で
リンスされ、およびＮ₂で送風乾燥（blow-dry）され
た。振動サンプル磁力計（ＶＳＭ）に使用されるか、あ
るいは基礎分析に使用されるサンプル（３Ｘ３ｍｍ）
は、ストリップの中心部から切り離され、基板の縁に沿
って厚さの変動を低減した。基礎分析は、波長分散Ｘ線
分光計を有する電子マイクロプローブによって行われ
た。めっき工程において固有の変動が、以下に示すよう
に、厚さと組成が異なるサンプルを生成したことに留意
されたい。

【００４９】実施例１保磁力（Ｈ_c）、非軸性磁気異方性（Ｈ_k）、および飽和
磁化（Ｂ_s）の測定は、ＶＳＭによって行われた。Ｎｉ
シート基準は、誘導読み取りの較正に使用された。各サ
ンプルは、容易軸および困難軸と平行な加えられた磁界
を用いて、９０度ずらして二度測定された。いくつかの
合金の保磁力および異方性特性は、以下に与えられる。
上述した厚さの変動のため、飽和磁化についての正確な
数字は、行った試験からは得られず、ＶＳＭデータに基
づいて得ることができた。Ｂ_s値は、約１６〜約１９ｋ
Ｇとして現れた。

【００５０】

【表２】

【００５１】実施例２いくつかのサンプルの抵抗率は、プログラム可能な自動
ＲＣＬ計（フィリップス型ＰＭ６３０４）を用いて、シ
ード層上の合金のストリップにわたる抵抗と、単独のシ
ード層とを測定し、それらを並列の抵抗器として扱うこ
とで判定された。接続は、カプトン（商品名）テープと
インジウムはんだを使用してストリップの長さを規定す
ることで行われた。平均の抵抗率は、約１２５μΩ−ｃ
ｍであった。

【００５２】周波数の関数としてのインダクタンスおよ
びＡＣ抵抗は、ＨＰ１６４５４磁気材料測定固定オプシ
ョンを有するＨＰ４３９６ネットワーク／インピーダン
ス分析器を使用して、上述した六角形のサンプルについ
て測定された。周波数の関数としてのインダクタンスお
よび抵抗は、種々の膜厚について、図４および図５に示
されている。特にそれらの図において、線図は、上から
順に、２０．２μｍ、１５．６μｍ、９．８９μｍ、
８．１３μｍ、５．９６μｍ、３．９６μｍ、３．９３
μｍ、１．７７μｍの厚さである。

【００５３】本発明の他の実施形態は、本明細書を考慮
し、本明細書に記載された本発明を実施することで、当
業者には明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１ａ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｂ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｃ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｄ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｅ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｆ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｇ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図１ｈ】本発明の方法の一実施形態を説明する図であ
る。

【図２】本発明にしたがって形成されたデバイスを説明
する図である。

【図３】図３（ａ）および（ｂ）は、本発明による金シ
ード層エッチング技術を説明する図である。

【図４】本発明のＦｅＣｏＰ合金についての、インダク
タンス対周波数を説明する図である。

【図５】本発明のＦｅＣｏＰ合金についての、抵抗対周
波数を説明する図である。

【符号の説明】

１０、５２基板１２絶縁層１４回路１６、１８ビア２０接地２２、２６、２８、３２、３６フォトレジスト層２４、３０、３８、７４シード層２７、４０、５４、５６磁心３４、７６コイル５０素子６０、６２、６４中間フォトレジスト層７０磁気材料８０酸化物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ロバートウィリアムフィラズアメリカ合衆国 07920 ニュージャーシィ，ブリッジウォーター，ブロッサムドライヴ 26 (72)発明者トリフォンエム．リアコポーロスアメリカ合衆国 11754 ニューヨーク, キングスパーク，アパードックロード 76エー (72)発明者アッシュラフワジーロトフィアメリカ合衆国 08807 ニュージャーシィ，ブリッジウォーター，シャファーロード 48 Ｆターム(参考） 5E049 AA01 AA09 AC01 BA14 5F038 AV06 AZ04 EZ20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】デバイスを形成する方法であって、集積回路デバイスを備える基板を提供するステップと、前記基板の上に、第１のパターニングされたフォトレジ
スト層を形成するステップと、前記第１のパターニングされたフォトレジスト層によっ
て規定されたパターンで、磁気材料層または導電材料層
を形成するステップと、前記磁気材料層または前記導電材料層の上に、絶縁およ
びプレーナ化（planarizing）フォトレジスト層を形成
するステップと、前記絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層の上に、第
２のパターニングされたフォトレジスト層を形成するス
テップと、前記第２のパターニングされたフォトレジスト層によっ
て規定されたパターンで、磁気材料層または導電材料層
を形成するステップと、を含む方法。
【請求項２】前記第２のパターニングされたフォトレ
ジスト層によって規定されたパターンで形成された前記
磁気材料層または前記導電材料層の上に、第２の絶縁お
よびプレーナ化フォトレジスト層を形成するステップ
と、前記第２の絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層の上
に、第３のパターニングされたフォトレジスト層を形成
するステップと、前記第３のパターニングされたフォトレジスト層によっ
て規定されたパターンで、磁気材料層または導電材料層
を形成するステップと、をさらに含む、請求項１に記載
の方法。
【請求項３】前記磁気材料層は、前記第１のパターニ
ングされたフォトレジスト層によって規定されたパター
ンで形成され、前記導電材料層は、前記第２のパターニ
ングされたフォトレジスト層によって規定されたパター
ンで形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記第２のパターニングされたフォトレ
ジスト層によって規定されたパターンで形成された前記
導電材料層の上に、第２の絶縁およびプレーナ化フォト
レジスト層を形成するステップと、前記第２の絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層の上
に第３のパターニングされたフォトレジスト層を形成す
るステップと、前記第３のパターニングされたフォトレジスト層によっ
て規定されたパターンで、磁気材料層を形成するステッ
プと、をさらに含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】前記第１のパターニングされたフォトレ
ジスト層を形成する前に、前記基板表面上に絶縁および
プレーナ化フォトレジスト層を形成するステップをさら
に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】前記導電材料層（単数または複数）は、
少なくとも５μｍの厚さを有するように形成され、前記
磁気材料層（単数または複数）は、少なくとも２μｍの
厚さを有するように形成される、請求項１に記載の方
法。
【請求項７】前記導電材料層（単数または複数）は、
少なくとも３０μｍの厚さを有するように形成され、前
記磁気材料層（単数または複数）は、少なくとも５μｍ
の厚さを有するように形成される、請求項６に記載の方
法。
【請求項８】前記磁気材料は、Ｃｏ_xＰ_yＦｅ_zの組成
の非晶質合金であり、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であ
り、ｘは５〜１５、ｙは１３〜２０、ｚはその残りであ
る、請求項１に記載の方法。
【請求項９】前記第１のパターニングされたフォトレ
ジスト層によって規定されたパターンで前記磁気材料層
または前記導電材料層が形成される、第１の電気めっき
シード層を形成するステップと、前記第２のパターニングされたフォトレジスト層によっ
て規定されたパターンで前記磁気材料層または前記導電
材料層が形成される、第２の電気めっきシード層を形成
するステップと、をさらに含む、請求項１に記載の方
法。
【請求項１０】前記第１のパターニングされたフォト
レジスト層によって規定されたパターンで前記導電材料
を形成する前記ステップ、および前記第２のパターニン
グされたフォトレジスト層によって規定されたパターン
で前記導電材料を形成する前記ステップのいずれか、ま
たは双方は、金属シード層を形成するステップと、前記シード層上で、前記導電材料を電気めっきするステ
ップと、前記第１または第２のパターニングされたフォトレジス
ト層を除去するステップと、前記電気めっきされた導電材料の表面を酸化させるステ
ップと、前記金属シード層を除去するステップと、前記酸化した表面を、前記導電材料から除去するステッ
プと、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】前記シード層は金を含み、前記導電材
料は銅を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】多層素子を備えるデバイスであって、集積回路デバイスを備える基板と、前記基板の上に形成される、第１の絶縁およびプレーナ
化フォトレジスト層と、前記第１の絶縁フォトレジスト層の上に形成される、第
１の磁気材料層または第１の導電材料層と、前記第１の磁気材料層または前記第１の導電材料層の上
に形成される、第２の絶縁およびプレーナ化フォトレジ
スト層と、前記第２の絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層の上
に形成される、第２の磁気材料層または第２の導電材料
層と、を備えるデバイス。
【請求項１３】前記素子は、前記第１の絶縁フォトレ
ジスト層の上にある前記第１の磁気材料層と、前記第２
の絶縁およびプレーナ化層の上にある第２の導電材料層
とを備え、該素子はさらに、前記第２の導電材料層の上に形成される、第３の絶縁お
よびプレーナ化フォトレジスト層と、前記第３の絶縁およびプレーナ化フォトレジスト層の上
に形成される、第３の磁気材料層と、を備える、請求項
１２に記載のデバイス。
【請求項１４】前記第１および第２の磁気材料層の少
なくとも一方は、Ｃｏ_xＰ_yＦｅ_zの組成の合金を含み、
ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であり、ｘは５〜１５、ｙ
は１３〜２０、ｚはその残りである、請求項１２に記載
のデバイス。
【請求項１５】前記導電材料層（単数または複数）
は、少なくとも５μｍの厚さを有するように形成され、
前記磁気材料層（単数または複数）は、少なくとも２μ
ｍの厚さを有するように形成される、請求項１２に記載
のデバイス。
【請求項１６】前記導電材料層（単数または複数）
は、少なくとも３０μｍの厚さを有するように形成さ
れ、前記磁気材料層（単数または複数）は、少なくとも
５μｍの厚さを有するように形成される、請求項１５に
記載のデバイス。
【請求項１７】前記素子は、誘導器または変圧器を備
える、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１８】Ｃｏ_xＰ_yＦｅ_zの組成の合金を含む磁
気素子を備え、ここで、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１００であり、ｘ
は５〜１５、ｙは１３〜２０、ｚはその残りであるデバ
イス。
【請求項１９】前記合金は、０．１〜０．５Ｏｅの保
磁力、１００〜１５０μΩ−ｃｍの電気抵抗率、および
約１６〜約１９ｋＧの飽和磁化を示す、請求項１８に記
載のデバイス。
【請求項２０】製品を製造する方法であって、基板の上に、金を含む金属シード層を形成するステップ
と、前記シード層の上に、パターニングされたフォトレジス
ト層を形成するステップと、前記パターニングされたフォトレジスト層によって規定
されたパターンで、前記シード層上に導電材料を電気め
っきするステップと、前記電気めっきするステップに続いて、前記パターニン
グされたフォトレジスト層を除去するステップと、前記フォトレジスト層を除去するステップに続いて、前
記導電材料の表面を酸化させるステップと、前記フォトレジスト層を除去するステップの後に、前記
シード層の露出された領域を除去するステップと、前記シード層の露出された領域を除去するステップに続
いて、前記酸化物を前記導電材料の表面から除去するス
テップと、を含む方法。
【請求項２１】前記シード層はチタンの層および金の
層を含み、前記導電材料は銅を含む、請求項２０に記載
の方法。