Brevet FR2842018A3 — publié le 20040109

FR 2842018 A3 20040109 FR 0208253 A 20020702 -1 MICRO-COMPOSANT INCLUANT UN ELEMENT INDUCTIF DU TYPE INDUCTANCE OU TRANSFORMATEUR. 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 de composant peut notamment être utilisé dans les applications du type radio10 fréquence, et par exemple dans le domaine des télécommunications. 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 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 d'interconnexion réalisés dans le substrat du circuit intégré. 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 sous l'appellation de "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 coefficient d'inductance par la résistance de l'enroulement. 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 certaines applications radiofréquences. 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 nécessite des procédés de réalisation relativement complexes. Un des objectifs de l'invention est de permettre le fonctionnement d'inductances ou de transformateurs à haute fréquence, tout en conservant des propriétés satisfaisantes, notamment en ce qui concerne leur facteur de qualité. 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 de couches élémentaires électriquement isolantes. 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 de chaque couche élémentaire magnétique. 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 présent qu'au niveau de l'intérieur de l'enroulement. 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 l'enroulement métallique. 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 de l'ordre de 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 d'actuation de systèmes à base de structures micro électromécaniques (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 éléments choisis parmi les lanthanides. En pratique, l'épaisseur de chaque couche de matériau de forte perméabilité peut être comprise entre 250 et 10000 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 en combinaison. -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 dans les couches du circuit intégré. Description sommaire des figures La manière dont l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, donné à titre 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 coupe transversale d'un micro-composant réalisé selon une variante d'exécution. Bien entendu, les épaisseurs des différentes couches illustrées aux figures sont données uniquement dans le but de permettre la compréhension de l'invention, et ne sont pas toujours en rapport avec les épaisseurs et dimensions réelles. 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 au sein de substrats. Dans la suite de la description, l'invention sera décrite plus précisément dans 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 multipliant le nombre d'enroulements nécessaires. 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 de passivation (3) qui est typiquement en 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 sans sortir du cadre de l'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), laissant apparaître la couche de métallisation (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 de silicium (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 isolants de niveaux d'interconnections des transistors dans les circuits intégrés. -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 d'interconnexion (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), qui peut par exemple être à base de TiN ou 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 plot d'interconnexion (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 technique connue sous le nom de 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, TiVFN, Mo, W, Ru, Rh. -8 Par la suite, on procède au dépôt d'une couche amorce de cuivre (16). Cette couche amorce (16) peut être déposée par les différentes techniques déjà évoquées. 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 (21) des zones latérales des futures spires de l'enroulement. Par la suite, on procède à l'élimination des couches de résine ayant permis de délimiter la partie basse des futures spires d'enroulement. 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 d'hydrogène ou d'ozone injecté par bullage. 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 comprise entre 3500C et 400'C et plus précisément entre 3800C et 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, ou bien encore un mélange de dioxyde de silicium et de nitrure de silicium (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 épaisseur comprise entre 100 et 10 000 Amgstrôms. 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 Ultra High Vaccum), ou encore 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, 28, 30, 32) pour former une structure feuilletée (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 de l'application souhaitée. 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 être superposées. 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 de l'ordre de 20 Angstrôms, réalisée par exemple en 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 Angstrôms, réalisées par exemple en 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 réaliser des inductances fonctionnant à des fréquences supérieures à 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 lithographie permettant de protéger la face supérieure de l'empilement (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 spires du futur enroulement. 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 dépôts s'effectuent comme évoqué précédemment. -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 que la partie supérieure. 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 se situant à l'extérieur de la spire de l'enroulement. Par la suite, on peut également procéder au dépôt d'une couche de passivation permettant de protéger l'enroulement métallique. Bien entendu, les différentes tranchées verticales (38) destinées à recevoir les parties latérales des spires sont implantées pour permettre de définir la succession des différentes spires de l'enroulement solénode. 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 éliminé pour ainsi définir un espace d'air entre le noyau et l'enroulement. 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, notamment en termes de facteur de qualité. -13 REVENDICATIONS 1/ Micro-composant incluant un élément inductif du type inductance ou transformateur, comportant un enroulement métallique de forme solénode, 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 (26, 28, 30, 32) de matériau de forte perméabilité magnétique, et de couches élémentaires électriquement isolantes (25, 27, 29, 31, 33). 2/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace compris entre le noyau magnétique et l'enroulement métallique est empli d'un matériau électriquement isolant (36). 3/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espace (59) compris entre le noyau magnétique (35) et l'enroulement métallique (42) est exempt de matière, le noyau se prolongeant (58) audelà des extrémités de l'enroulement de manière à reposer sur le substrat, ou les couches (6) le recouvrant. 4/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches élémentaires d'un matériau à forte perméabilité magnétique sont réalisées à partir d'alliages obtenus à base d'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. / Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches élémentaires d'un matériau à forte perméabilité magnétique sont réalisées à partir d'alliages obtenus à base d'éléments choisis dans le groupe comprenant le Cobalt, le Zirconium, le Tantale, le Cadmium, l'Hafnium, le Luthénium et une terre rare choisie parmi les lanthanides. -14 6/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches élémentaires d'un matériau à forte perméabilité magnétique sont réalisées à partir d'alliages 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 éléments choisis parmi les lanthanides. 7/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les couches élémentaires électriquement isolantes sont réalisées à partir de matériaux choisis dans le groupe comprenant SiO2, Hf2AI3O9, Hf2ZrO4, Si3N4, le benzocyclobutène, pris isolément ou en combinaison. 8/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque couche élémentaire de forte perméabilité magnétique est comprise entre 250 et 10000 Angstrôms. 9/ Micro-composant selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une couche (6) de matériau de faible permittivité relative interposée entre le substrat et l'empilement de couches élémentaires de forte perméabilité relative, situé sous l'enroulement métallique. DEPOSANT: MEMSCAP MANDATAIRE: Cabinet LAURENT & CHARRAS