片上磁性結(jié)構(gòu)及其形成方法
【專利摘要】本公開涉及片上磁性結(jié)構(gòu)及其形成方法，其中一種片上磁性結(jié)構(gòu)包括磁性材料，包括基于磁性材料的總原子數(shù)、在從約80至約90原子百分比范圍中的鈷，基于磁性材料的總原子數(shù)、在從約4至約9原子百分比范圍中的鎢，基于磁性材料的總原子數(shù)、在從約7至約15原子百分比范圍中的磷，以及基本上分散遍布磁性材料的鈀。
【專利說(shuō)明】
片上磁性結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及磁性材料，并且更具體地涉及用于小型化功率轉(zhuǎn)換器的磁性材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 用于功率轉(zhuǎn)換器件的技術(shù)正從分立部件的板上聚集過(guò)渡至越來(lái)越小尺寸的功率 轉(zhuǎn)換部件的緊湊型封裝聚集。然而，可能需要采用額外的分立電感性部件補(bǔ)充小型化緊湊 型封裝。
[0003] 片上電感性部件包括高能量密度的材料，諸如磁性材料?；阼F氧體的材料和金 屬合金是磁性材料的示例。這些材料可以具有范圍從數(shù)百納米(nm)至幾個(gè)微米的厚度。然 而，鐵氧體材料通常在高溫(例如高于800 °C)下處理，這與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯 片布線處理溫度不兼容。NiFe、CoFe和CoZrTa是磁性合金的示例。
[0004] 可以由真空沉積技術(shù)(例如濺射）、電極沉積、以及水性溶液中化學(xué)沉積而沉積磁 性材料。真空沉積方法可以用于沉積大量各種磁性材料。因?yàn)槠涓叱练e速率、保形覆蓋率和 低成本，電極沉積用于厚金屬薄膜的沉積。然而，真空方法可以遭受低沉積速率、不良的保 形覆蓋率，并且得到的磁性薄膜難以圖案化。
[0005] 與鐵氧體材料相比，磁性合金可以具有較高的磁導(dǎo)率和磁通量密度，這對(duì)于實(shí)現(xiàn) 用于片上器件的高能量密度是必需的。然而，磁性合金的電阻率可以是低的（例如小于50微 歐姆(μΩ )·厘米(cm))。此外，因?yàn)樵S多片上器件工作在高頻率(例如高于10兆赫茲(MHz)) 下，可以在磁性核心內(nèi)感應(yīng)出大的渦流電流。渦流電流是在導(dǎo)體內(nèi)由改變的磁場(chǎng)感應(yīng)生成 的圓環(huán)電流并且導(dǎo)致在高頻下的高AC損耗。減小渦流電流的一種方法是增大軟磁材料的電 阻率以使得渦流電流被限制在每個(gè)單獨(dú)磁性層內(nèi)。此外較薄的磁性層具有較大的有效磁 阻，這導(dǎo)致較小的渦流電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種片上磁性結(jié)構(gòu)包括磁性材料，包括基于磁性材料的總 原子數(shù)目的在從約80至約90原子百分比（at. % )范圍內(nèi)的鈷、基于磁性材料的總原子數(shù)目 的在從約4至約9at. %范圍內(nèi)的媽、基于磁性材料的總原子數(shù)目的在從約7至約15at. %范 圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布磁性材料的鈀。
[0007] 根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于形成片上磁性結(jié)構(gòu)的方法包括，采用鈀激活磁性種子 層，磁性種子層位于半導(dǎo)體襯底之上；以及將磁性合金化學(xué)鍍至鈀上以形成Pd/C 〇WP層；其 中Pd/CoWP層包括基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約80至約90at. %范圍內(nèi)的鈷、基于磁性 材料的總原子數(shù)的在從約4至約9at. %范圍內(nèi)的鎢、基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約7至 約15at. %范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布磁性材料的鈀。
[0008] 此外，根據(jù)另一實(shí)施例，一種用于形成片上磁性結(jié)構(gòu)的方法包括，采用鈀激活磁性 種子層，磁性種子層位于半導(dǎo)體襯底之上；以及在磁場(chǎng)偏置的存在下將磁性合金化學(xué)鍍至 鈀上以形成薄膜;其中薄膜包括基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約80至約90at. %范圍內(nèi) 的鈷、基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約4至約9at. %范圍內(nèi)的鎢、基于磁性材料的總原子 數(shù)的在從約7至約15at. %范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布磁性材料的鈀。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 在說(shuō)明書的結(jié)論處特別地指出并在權(quán)利要求中清楚地要求保護(hù)了視作本發(fā)明的 主題。結(jié)合附圖從以下詳細(xì)說(shuō)明書使得本發(fā)明的前述和其他特征以及優(yōu)點(diǎn)變得明顯，其中：
[0010] 圖1是具有粘附層、種子層和保護(hù)層的襯底的截面圖；
[0011] 圖2是具有圖案化在種子層上的光刻抗蝕劑掩模的圖1的襯底的截面圖；
[0012] 圖3是具有已圖案化的保護(hù)層、種子層和粘附層的圖2的襯底的截面圖；
[0013] 圖4是已經(jīng)移除了抗蝕劑層和保護(hù)層的圖3的襯底的截面圖；
[0014]圖5是已經(jīng)鈀激活了種子層的圖4的襯底的截面圖；
[0015] 圖6是具有形成在已鈀激活的層上的化學(xué)鍍層的圖5的襯底的截面圖；
[0016] 圖7A是示出了對(duì)于所沉積的Pd/CoWP層作為所施加場(chǎng)的函數(shù)的磁矩的曲線圖；
[0017] 圖7B是示出了在以200°C退火1小時(shí)之后對(duì)于Pd/CoWP層作為所施加場(chǎng)的函數(shù)的磁 矩的曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本文公開了化學(xué)鍍方法以及由該方法形成的材料。方法和材料用于形成片上磁性 結(jié)構(gòu)，諸如片上電感器或變壓器結(jié)構(gòu)，例如閉合磁輒(yoke)或屏蔽板片結(jié)構(gòu)。
[0019] 在一個(gè)實(shí)施例中，片上磁性結(jié)構(gòu)包括磁性材料，包括基于磁性材料的總原子數(shù)的 在從約80至約90at. %范圍內(nèi)的鈷、基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約4至約9at. %范圍內(nèi) 的媽、基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約7至約15at. %范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布 磁性材料的鈀。材料稱作Pd/CoWP材料或?qū)印?br>[0020] 以下定義和縮寫用于解釋權(quán)利要求和說(shuō)明書。如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"包括 comprises, comprising, includes， including， ）、 ( has, having, )、 vl 含"（〃contains〃or〃containing，〃)或其任何其他變形，意在覆蓋非排他性的包含物。例如， 包括要素的列表的合成物、混合物、工藝、方法、物品、或設(shè)備不必僅限定于這些要素，而是 可以包括未明確列出或這些合成物、混合物、工藝、方法、物品、或設(shè)備所固有的其他要素。
[0021] 如在此所使用的，在要素或部件之前的冠詞"一"（"a"和"an")意在非限制性的涉 及要素或部件的多個(gè)示例(也即發(fā)生的事件）。因此，"一"（〃a〃和〃an")應(yīng)該解讀為包括一個(gè) 或至少一個(gè)，并且要素或部件的單數(shù)形式也包括復(fù)數(shù)形式，除非數(shù)目明顯地意味著為單數(shù)。
[0022] 如在此使用的，術(shù)語(yǔ)"發(fā)明"或"本發(fā)明"是非限定性術(shù)語(yǔ)，并且并非意在涉及特定 的本發(fā)明任何單個(gè)特征方面，而是包括如說(shuō)明書和權(quán)利要求書中所述的所有可能特征方 面。
[0023]如在此所使用的，修飾所采用的本發(fā)明的成分、組分或反應(yīng)物的數(shù)量的術(shù)語(yǔ)"約" 涉及數(shù)值數(shù)量的變化，其可以例如通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量和用于制造濃縮物或溶液的液體處理工序 而發(fā)生。此外，變化可以由測(cè)量工序中無(wú)意的誤差、用于制造成分或執(zhí)行方法等等的反應(yīng)物 的制造、來(lái)源或純度中的差異而發(fā)生。在一個(gè)特征方面中，術(shù)語(yǔ)"約"意味著在所記錄的數(shù)值 的10%內(nèi)。在另一特征方面中，術(shù)語(yǔ)"約"意味著在所記錄數(shù)值的5%內(nèi)。另外，在另一特征方 面中，術(shù)語(yǔ)"約"意味著在所記錄數(shù)值的10、9、8、7、6、5、4、3、2或1%內(nèi)。
[0024]如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"原子百分比"、"原子％"和"at. 意味著純物質(zhì)的原子數(shù) 除以化合物或合成物的原子總數(shù)再乘以1 〇〇。
[0025]應(yīng)該理解的是，片上磁性結(jié)構(gòu)將根據(jù)具有晶圓或半導(dǎo)體襯底的給定示意性體系結(jié) 構(gòu)而描述。然而，其他體系結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)、襯底材料、工藝特征和步驟可以改變。
[0026]也應(yīng)該理解的是，當(dāng)諸如層、區(qū)域或襯底的元件被稱作是在另一元件"上"或"之 上"時(shí)，其可以直接地在另一元件上或者也可以存在插入元件。相反地，當(dāng)元件被稱作"直接 地在另一元件上"或"直接地在另一元件之上"時(shí)，不存在插入的元件。
[0027]也應(yīng)該理解的是，當(dāng)元件被稱作"連接"或"耦合"至另一元件時(shí)，其可以直接地連 接或耦合至另一元件，或者可以存在插入元件。相反地，當(dāng)元件被稱作"直接地連接"或"直 接地親合"至另一元件時(shí)，不存在插入元件。
[0028] 可以以圖形計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言而創(chuàng)建用于集成電路芯片的設(shè)計(jì)并且存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī) 存儲(chǔ)媒介中，諸如盤、帶、物理硬驅(qū)動(dòng)或虛擬硬驅(qū)動(dòng)(例如存儲(chǔ)存取訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)）。如果設(shè)計(jì)者 并未制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，設(shè)計(jì)者可以通過(guò)物理機(jī)制（例如通過(guò)提供存 儲(chǔ)了設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)媒介的副本)或電子地(例如通過(guò)互聯(lián)網(wǎng))將得到的設(shè)計(jì)直接地或間接地發(fā) 送至這些實(shí)體。所存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)隨后轉(zhuǎn)換為用于制造光刻掩模的合適的格式(例如GDSII)，其 可以包括所討論的將要形成在晶圓上的芯片設(shè)計(jì)的多個(gè)副本。光刻掩模定義了將要被刻蝕 或另外處理的晶圓的區(qū)域(和/或其上的層）。
[0029] 如在此所述的方法可以用于制造集成電路芯片。得到的集成電路芯片可以由制造 者以原始晶圓形式而分布(作為具有多個(gè)未封裝芯片的單個(gè)晶圓），作為裸片，或者以已封 裝形式。當(dāng)已封裝時(shí)，芯片安裝在單個(gè)芯片封裝中（例如具有固定至母板或其他更高層級(jí)載 板的引線的塑料載板)或者在多芯片封裝中（例如具有表面互連或埋設(shè)互連的任一或兩者 的陶瓷載板）。依照任何制造或封裝形式，芯片隨后與其他芯片、分立電路元件和/或其他信 號(hào)處理器件集成作為諸如母板的中間產(chǎn)品或者終端產(chǎn)品的一部分。終端產(chǎn)品可以是包括集 成電路芯片的任何產(chǎn)品，范圍從玩具和其他低端應(yīng)用至具有顯示器、鍵盤或其他輸入裝置 以及中央處理器的高級(jí)計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。
[0030] 說(shuō)明書中對(duì)本發(fā)明原理的"一個(gè)實(shí)施例"或"一實(shí)施例"以及其他變形例的參考意 味著，結(jié)合實(shí)施例所述的特定特征、結(jié)構(gòu)、特性等等包括在本發(fā)明原理的至少一個(gè)實(shí)施例 中。因此，出現(xiàn)在說(shuō)明書全文中各個(gè)位置處的短語(yǔ)"在一個(gè)實(shí)施例中"或"在一實(shí)施例中"以 及任何其他變形例的出現(xiàn)不必均涉及相同的實(shí)施例。
[0031] 如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"電阻"意味著與流過(guò)導(dǎo)體的電流的通道相反。在此緊接在 沉積之后以及在退火之后采用磁控管儀器M700 4點(diǎn)探針獲得薄膜電阻測(cè)量值。利用所涉及 的總薄膜厚度而從薄膜電阻率計(jì)算平均電阻率。種子層和電鍍層具有不同的電阻率，并且 層電阻率可以在單個(gè)層厚度內(nèi)變化。然而，對(duì)于代表性總厚度的平均數(shù)值是在電氣使用中 相關(guān)的電阻率的特性。
[0032] 如在此使用的，術(shù)語(yǔ)"矯頑性(coercivity)"或"H。"是鐵磁材料承受外部磁場(chǎng)而并 未變得退磁的能力的度量。因此，矯頑性是在磁化已經(jīng)驅(qū)動(dòng)至飽和之后將該材料的磁化減 小至零所需的所施加磁場(chǎng)的強(qiáng)度。矯頑性以?shī)W斯特(〇e)或安培/米為單位計(jì)量。具有高矯頑 性的鐵磁材料稱作"硬"磁材料。具有低矯頑性的材料是"軟"磁材料。通過(guò)測(cè)量材料的磁滯 回線(也稱作磁化曲線）而確定矯頑性。在此使用振動(dòng)樣本磁強(qiáng)計(jì)(VSM)MicroSense型號(hào)10 對(duì)約1平方英寸樣本執(zhí)行磁滯回線測(cè)量。所施加的磁場(chǎng)從-l〇〇〇e改變至+1000e。其中數(shù)據(jù)線 跨零所施加的磁場(chǎng)是矯頑性。
[0033]如在此所使用的，術(shù)語(yǔ)"磁各向異性"意味著材料磁性的方向相關(guān)性。取決于磁場(chǎng) 相對(duì)于材料晶格的朝向，較低或較高的磁場(chǎng)以達(dá)到飽和磁化是必需的。"易磁化軸線(easy axis)"是晶體內(nèi)小的所施加磁場(chǎng)沿著該方向足以達(dá)到飽和磁化的方向。"難磁化軸線(hard axis)"是晶體內(nèi)需要大的所施加磁場(chǎng)沿著該方向以達(dá)到飽和磁化的方向。
[0034] 現(xiàn)在參照附圖，其中相同的數(shù)字表示相同或類似的元件并且初始地參照?qǐng)D1 一圖 6,示意性地示出了用于形成片上磁性部件的無(wú)電鍍工藝。磁性部件可以是電感器、變壓器、 磁輒、磁體等等。
[0035] 參照?qǐng)D1，任選的粘附層120沉積至襯底110上，襯底可以是任何半導(dǎo)體襯底。粘附 層120用于改進(jìn)種子層130和襯底110之間的粘附。粘附層120可以包括鉻、錳、鎢、鉬、釕、鈀、 鉑、銥、錸、銠、鋨、鈦、鉭、氮化鎢、氮化鉬、氮化鈦、氮化鉭、氮化釕、氮化銥、氮化錸、氮化銠、 氮化鋨、氮化錳、或其任意組合。盡管，可以在粘附層120中使用其他材料。種子層130沉積至 襯底11 〇或粘附層120上。襯底110可以是晶圓的一部分，或者可以是獨(dú)立的襯底。襯底110可 以包括硅或其他襯底材料，例如GaAs、InP、SiC或其任意組合。
[0036]種子層130可以使用物理氣相沉積(PVD)工藝(例如濺射)或化學(xué)/電解沉積工藝形 成?？梢栽诜N子層130沉積期間施加偏置磁場(chǎng)以產(chǎn)生磁各向異性。種子層130包括金屬，例如 金屬或金屬與磁性或非磁性層的組合。種子層130可以包括鎳、鈷、鐵、錳、硼、磷、鉑、鈀、釕、 銥、銠、錸、鎢、鉬、鈦、鉭、銅、金或其任意組合。在一個(gè)實(shí)施例中，種子層130包括在從約60至 約95原子百分比范圍內(nèi)的量的鎳、以及在從約5至約40原子百分比范圍內(nèi)的量的鐵。例如， 種子層130可以包括約80wt.%的鎳以及約20wt.%的鐵(Ni 8QFe2Q)。種子層130可以具有至 少約60nm的厚度。因?yàn)殁Z激活（以下在圖5中描述)刻蝕約10-20nm的種子層130,種子層130 無(wú)法太薄。當(dāng)種子層太薄時(shí)，沉積其上的化學(xué)鍍的薄膜甚至在低溫下對(duì)矯頑力的退化更敏 感。因此，不受理論約束，相信沉積在非常薄的種子層上的薄膜的粘附和應(yīng)變不足以產(chǎn)生穩(wěn) 定的非晶微結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致在低溫下磁性的退化。在一個(gè)實(shí)施例中，種子層130厚度從約50至約 70nm。在另一實(shí)施例中，種子層130厚度從約45至約95nm。另外，在另一實(shí)施例中，種子層130 厚度從約10至約200nm，或至少約40nm厚。
[0037] 任選地，可以利用頂層或保護(hù)層140以保護(hù)種子層130。頂層140可以包括例如鈦， 盡管可以利用任何金屬或非金屬?？梢郧『迷诨瘜W(xué)鍍之前移除無(wú)源頂層140以確保原始的 種子層130表面。
[0038] 參照?qǐng)D2,抗蝕劑210諸如光致抗蝕劑施加至種子層130或者頂層140的表面，如果 利用的話。如將要描述的，圖案化抗蝕劑210以獲得種子層130的所需形狀。
[0039] 參照?qǐng)D3,執(zhí)行種子層130的光刻圖案化。光刻圖案化包括將圖案化的抗蝕劑210轉(zhuǎn) 移至粘附層和頂層120、140,如果利用的話。在任何情形中，使用抗蝕劑210圖案化種子層 130。可以利用濕法刻蝕以從場(chǎng)區(qū)域310移除種子層130(以及任選地粘附層120)。可以移除 抗蝕劑210和未處理頂層140以暴露合適形狀的原始種子層，其上可以形成化學(xué)沉積的結(jié) 構(gòu)。也可以利用其他方法以圖案化或暴露合適的種子層130部分。
[0040] 參照?qǐng)D4,移除抗蝕劑210(掩模），并且移除頂層140,如果存在的話。對(duì)種子層130 執(zhí)行鈀激活。鈀激活包括將襯底110浸沒(méi)在含有鈀的溶液中。例如，可以使用硫酸鈀溶液。可 以使用其他含鈀溶液以及鈀鹽和化合物。合適的鈀鹽的非限定性示例包括氯化鈀、溴化鈀、 碘化鈀、醋酸鈀、硝酸鈀、或其任意組合。激活溶液中鈀的量是在從約百萬(wàn)分之(ppm)50至約 百萬(wàn)分之60范圍內(nèi)的量。在另一特征方面中，激活溶液中鈀的量是從約10至約1 OOppm。在示 例性實(shí)施例中，在酸的存在下，添加鈀鹽至種子層。合適的酸的示例包括硫酸、鹽酸、硝酸、 或其任意組合。用于鈀激活的復(fù)現(xiàn)時(shí)間和溫度通?？梢愿淖?。
[0041] 參照?qǐng)D5,含鈀溶液溶解了一部分種子層130,并且在種子層130上產(chǎn)生鈀納米顆粒 的薄層作為激活層510(激活種子層）。
[0042] 參照?qǐng)D6,在種子層130的激活層510上形成化學(xué)鍍層610?；瘜W(xué)鍍層610是磁性合 金，包括鈷、鎢和磷，并且得到的Pd/C 〇WP材料620包括基本上分散遍布化學(xué)鍍層610的鈀。化 學(xué)鍍層610可以選擇性地化學(xué)鍍?cè)趫D案化種子層130上以形成片上磁性結(jié)構(gòu)，諸如磁輒、線 圈或其他結(jié)構(gòu)。Pd/C 〇WP材料620為非晶或基本非晶。另一方面，Pd/C〇WP材料620是軟性或基 本上軟性的材料，并且具有小于l.〇〇e的H。。在其他實(shí)施例中，Pd/CoWP材料620具有小于50e 的Hc。
[0043] 在另一實(shí)施例中，Pd/C〇WP材料620沒(méi)有粒狀結(jié)構(gòu)（例如晶粒），或者基本上沒(méi)有粒 狀結(jié)構(gòu)。然而，在其他實(shí)施例中，Pd/C 〇WP材料620沒(méi)有晶狀結(jié)構(gòu)（例如晶體或納米晶體），或 者基本上沒(méi)有晶狀結(jié)構(gòu)。
[0044] 襯底110沉浸在化學(xué)鍍?cè)≈幸孕纬苫瘜W(xué)鍍層610和得到的Pd/C〇WP材料620 Wd/ CoWP材料620可以是薄膜。Pd/CoWP材料620包括在從約80至約90原子百分比范圍內(nèi)的鈷、在 從約4至約9原子百分比范圍內(nèi)的鎢、以及在從約7至約15原子百分比范圍內(nèi)的磷。在一個(gè)特 征方面中，鈷以從約81至約86原子百分比范圍內(nèi)的量存在于Pd/C 〇WP材料620中。在另一特 征方面中，鎢以從約4至約7原子百分比范圍內(nèi)的量存在于Pd/CoWP材料620中。在另一特征 方面中，磷以在從約9至約14原子百分比范圍內(nèi)的量存在于Pd/CoWP材料620中。鈷可以以在 從約80、81、82、83、84、85、86、87、88、89至90原子百分比的任意范圍內(nèi)的量而存在。鎢可以 以約為或者在從約4、5、6、7、8至9原子百分比的任意范圍內(nèi)的量而存在。磷可以以約為或者 在從約7、8、9、10、11、12、13、14至15原子百分比的任意范圍內(nèi)的量而存在。
[0045] Pd/CoWP材料620的厚度通?？梢愿淖儭Ｔ谝粋€(gè)特征方面中，Pd/CoWP材料620的厚 度在從約1至約2微米的范圍內(nèi)。在另一特征方面中，Pd/CoWP材料620的厚度在從約100nm至 約2.5微米的范圍內(nèi)。另外，在另一特征方面中，Pd/CoWP材料620的厚度在從約200nm至約 1.2微米的范圍內(nèi)。
[0046] 在場(chǎng)偏置的存在下執(zhí)行化學(xué)鍍。設(shè)備可以包括用于施加場(chǎng)偏置的永久磁體，場(chǎng)偏 置通?？梢愿淖?。在一個(gè)實(shí)施例中，場(chǎng)偏置在鍍工藝期間為從約0.9至約1.1特斯拉?；瘜W(xué)溶 液放置在磁極之間?；瘜W(xué)溶液可以加熱至恒定的溫度。將要化學(xué)鍍的襯底110隨后放置在化 學(xué)溶液內(nèi)。隨后采用種子層130、以及任選地粘附層120和頂層140涂覆襯底110的表面。在所 施加磁場(chǎng)的存在下沉積種子層130以制造具有磁各向異性的薄膜。沉積時(shí)間和溫度通常可 以改變。
[0047] 在鈀激活種子層上的鈷、鎢和磷的以上所公開范圍提供了具有高電阻率和高磁通 量的Pd/CoWP磁性材料。通常，在具有高磁通量的材料中電阻率可以折衷。在CoWP材料中，添 加磷可以減小磁通量。盡管添加鎢增大電阻率，但僅僅單獨(dú)組合鈷、鎢和磷無(wú)法提供小型化 片上功率轉(zhuǎn)換器所需的磁通量和電阻率的組合。因此，令人驚訝地，在此所述的用于以所述 比例并且在鈀激活的種子層上化學(xué)鍍鈷、鎢和磷的層的方法提供了具有所需性質(zhì)的Pd/ CoWP材料。如所述的金屬的緩慢沉積、以及使用鈀以激活種子層提供了其中鈀基本上分散 遍布CoWP化學(xué)鍍層610的磁性材料。與其他已知的方法和材料相反，鈀通常用作在化學(xué)鍍磁 性材料層的基底上剩余的種子層。并不受限于理論，相信使得鈀基本上分散遍布鈷、鎢和磷 層有助于磁性材料的有利性質(zhì)。
[0048]在鈀激活之后，鈀種子成核位置也釘扎了 Pd/C〇WP的微結(jié)構(gòu)，并且保持其非晶至至 少200°C的溫度。Pd/C〇WP材料內(nèi)晶?；蚓w形成導(dǎo)致磁性不穩(wěn)定的薄膜。在一個(gè)實(shí)施例中， 在此所述的Pd/CoWP從約室溫至200°C基本上是非晶的。在另一實(shí)施例中，Pd/CoWP從約150 至約240°C基本上是非晶的。
[0049] 化學(xué)溶液包括鈷、鎢和磷的來(lái)源，其可以是其任何化合物或鹽。沉積時(shí)間和溫度通 常可以改變。在示例性實(shí)施例中，沉積速率從約1至l〇nm每分鐘，并且沉積時(shí)間從約50至約 200分鐘。在另一示例性實(shí)施例中，沉積溫度從約75至約120°C。
[0050] 合適的鈷源的非限定性示例包括鈷鹽，包括硫酸鈷、七水合硫酸鈷、硝酸鈷、醋酸 鈷、碳酸鈷、檸檬酸鈷、乙酰丙酮絡(luò)鈷、羧酸鈷(例如醋酸鈷、甲酸鈷、丙酸鈷、丁酸鈷、戊酸鈷 和己酸鈷），或其任意組合。鈷源可以包括在廣泛濃度范圍中。在一個(gè)實(shí)施例中，濃度從約50 _摩爾(mM)至lOOmM。在另一實(shí)施例中，濃度從約60mM至80mM。
[00511合適的鎢源的非限定性示例包括鎢鹽。在一個(gè)實(shí)施例中，鎢鹽包括堿金屬或堿土 金屬的陽(yáng)離子基團(tuán)。合適的鎢鹽的非限定性示例包括鎢酸鈉、鎢酸鉀、鎢酸鎂、鎢酸鈣、或其 任意組合。鎢源可以包括在廣泛濃度范圍中。在一個(gè)實(shí)施例中，濃度從約200mM至約700mM。 在另一實(shí)施例中，濃度從約300mM至約500mM。
[0052] 化學(xué)鍍?nèi)芤喊自?，其也可以用作還原劑。合適的磷源/還原劑的非限定性示例 包括次磷酸鈉或一水合次磷酸鈉。次磷酸鈉可以包括在廣泛濃度范圍中。在一個(gè)實(shí)施例中， 濃度從約100mM至約500mM。在另一實(shí)施例中，濃度從約250mM至約450mM。
[0053] 化學(xué)鍍?nèi)芤嚎梢园ㄌ砑觿T如緩沖劑、絡(luò)合劑、穩(wěn)定劑或表面活性劑的一個(gè)或 多個(gè)。合適的緩沖劑的非限定性示例包括硼酸、碳酸、磷酸、及其鹽、以及其混合物。合適的 緩沖劑的其他示例包括哌啶鹽和絡(luò)合物，甲胺鹽和絡(luò)合物，N-環(huán)己基-3-氨基丙烷硫磺酸 (CAPS)鹽和絡(luò)合物，4-(環(huán)己基氨基)-1-丁烷硫磺酸(CABS)鹽和絡(luò)合物，或其任意組合。選 擇緩沖劑的濃度以實(shí)現(xiàn)約8.0至10.0的所需pH。
[0054] 合適的絡(luò)合劑的非限定性示例包括檸檬酸、乳酸、酒石酸、琥珀酸、草酸、氨基酸、 其鹽、以及其混合物。絡(luò)合劑的濃度通?？梢愿淖?。在一個(gè)實(shí)施例中，絡(luò)合劑的濃度從約 250mM至750mM。在示例性實(shí)施例中，絡(luò)合劑的濃度從約400至約600mM。
[0055] 合適的表面活性劑包括非離子表面活性劑。合適的非離子表面活性劑的非限定性 示例包括聚山梨醇酯、聚乙二醇(PEG)，4-(l，l，3,3-四甲基丁基)苯酚/聚(氧乙烯)聚合物， 聚(氧乙烯)-聚(氧丙烯)嵌端共聚物等等，以及其混合物。在一個(gè)實(shí)施例中，表面活性劑以 從約2.5至約7.5ppm的量而存在。在示例性實(shí)施例中，表面活性劑以從約4至約6ppm的量而 存在。
[0056] 合適的穩(wěn)定劑的非限定性示例包括鉛鹽，諸如乙酸鉛合硝酸鉛，鎘鹽，諸如醋酸鎘 合硝酸鎘，或其任意組合。在一個(gè)實(shí)施例中，穩(wěn)定劑以從約〇. 01至約〇. 5ppm范圍內(nèi)的量而存 在。在示例性實(shí)施例中，穩(wěn)定劑以從約0.05至約lOppm的量而存在。
[0057]在化學(xué)鍍之后，在磁場(chǎng)偏置的存在下在真空熔爐中執(zhí)行退火。用于退火的時(shí)間和 溫度通?？梢愿淖儭Ｔ谝粋€(gè)實(shí)施例中，化學(xué)鍍的襯底在從約125至250°C的溫度下以從約15 至60分鐘的時(shí)間而退火。額外地，化學(xué)鍍的襯底進(jìn)一步在形成氣體或氮?dú)鈿夥罩型嘶鹬?00 至250°C以便于誘導(dǎo)應(yīng)力弛豫并且評(píng)估對(duì)于在退火后狀態(tài)中磁性質(zhì)的影響。
[0058]在200°C退火1小時(shí)之后，在此所述的Pd/C〇WP薄膜維持它們的磁性質(zhì)，或是磁穩(wěn)定 的。例如，在沉積之后以及在退火至200 °C之后的難磁化軸線Hc中的差異小于約0.50e。在一 些實(shí)施例中，在沉積并退火至200 °C之后難磁化軸線Hc中的差異小于0.8、0.7、0.6、0.5、 0.4、0.3、0.2和0.10e，指示了退火之后維持磁性質(zhì)。在另一實(shí)施例中，難磁化軸線H。小于 1.00e。而在另一實(shí)施例中，Pd/CoWP對(duì)于至少200°C至少1小時(shí)退火是磁穩(wěn)定的。
[0059] Pd/CoWP薄膜也在退火之后維持高電阻率。在一個(gè)實(shí)施例中，在退火之后電阻率至 少為ΙΙΟμΩ ·〇ιι。在另一實(shí)施例中，電阻率在退火之后至少為100μΩ ·〇ιι。而在另一實(shí)施例 中，在退火之后電阻率至少為105、至少115、至少120或至少125μΩ · cm。
[0060]
[0061 ]示例 1
[0062] 硅晶圓在永磁體的磁極之間沉浸在雙層夾套的玻璃燒杯內(nèi)的化學(xué)溶液中。以下的 表格1示出了化學(xué)鍍?cè)〕煞?。在化學(xué)鍍期間施加約1特斯拉的場(chǎng)偏置。使用加熱器以將在燒 杯的外套層中循環(huán)的水加熱至恒定溫度。硅晶圓相對(duì)于鍍工藝表面朝向?yàn)榕c磁通量線一 致。采用Ni8QFe2Q的納米厚度的氣相沉積種子層涂覆娃晶圓。在施加磁場(chǎng)的存在下沉積NiFe 種子層。
[0063] 表格 1
[0064]
[0065] 示例 2
[0066] 在示例1中電鍍之后，樣本在沿著易磁化軸線施加的1特斯拉磁場(chǎng)的存在下在真空 熔爐中退火。將退火溫度設(shè)置為200或250°C達(dá)一小時(shí)。在恒定氮?dú)饬飨率褂?°C/分鐘的升 溫速率，以及5 °C /分鐘的冷卻速率。
[0067] 示例 3
[0068] 評(píng)估并未施加磁場(chǎng)的在NiFe/Ti種子上生長(zhǎng)的具有140nm Pd/CoWP層的樣本的磁 性質(zhì)。由鈀溶液刻蝕NiFe種子的初始厚度的多于一半。鈀離子與易于溶解的鐵交換(沉積）。 因此，NiFe/Pd種子的界面稍微粗糙，這反映在并未采用磁場(chǎng)而沉積的140nm薄Pd/CoWP薄膜 的磁性質(zhì)中。觀察到對(duì)于所沉積矯頑力(?)的高數(shù)值(9.OOe)以及對(duì)于各向異性磁場(chǎng)(Hk)的 高數(shù)值（~250e)。當(dāng)薄膜在1特斯拉磁場(chǎng)中在150 °C下退火時(shí)，難磁化軸線的Hc改進(jìn)至 7.00e。隨著進(jìn)一步退火至250°C，磁性質(zhì)并未退化至比所電鍍薄膜的性質(zhì)更差。因此，得出 結(jié)論，140nm Pd/CoWP層對(duì)于250°C也是磁穩(wěn)定的。
[0069]示例4
[0070]評(píng)估了厚度范圍從150至l，000nm的薄膜。表格2中示出了成分和厚度。樣本?乂01_ 5、6、D3、7、8、D4在較低溫度（與90 °C相比為70 °C )下處理以評(píng)估沉積溫度的效應(yīng)。對(duì)于CoWP 和Pd/CoWP樣本測(cè)量薄膜電阻和電阻率。CoWP的電阻率測(cè)量約為73至95μΩ · cm，并且Pd/ CoWP薄膜的對(duì)應(yīng)的電阻率測(cè)量在105和149μΩ · cm之間，這在對(duì)于片上電感器的所需電阻 率范圍內(nèi)。
[0071] 表格 2
[0072]
[0073]
[0074] 示例 5
[0075] 評(píng)估了退火至200°C并且使用乙酸鉛作為穩(wěn)定劑的效果。表格3示出了用于沉積 CoWP和Pd/C〇WP薄膜的試驗(yàn)參數(shù)。在溶液中并未采用乙酸鉛作為穩(wěn)定劑而電鍍了一些樣本。 樣本在200 °C或在250 °C下退火。
[0076] 所沉積的CoWP層的電阻率約為92μΩ · cm，而所沉積的Pd/CoWP具有118μΩ · cm的 電阻率。具有Pd/C〇WP的另一樣本具有ΙΙΟμΩ · cm的所沉積的電阻率。多于Ιμπι厚度的Pd/ CoWP薄膜的電阻率并未隨著退火至200 °C而改變。如通過(guò)透射電子顯微鏡(TEM)分析所確定 的，發(fā)現(xiàn)非晶材料的再結(jié)晶是熱不穩(wěn)定性(未示出）的成因。因此，電阻率的維持指示沒(méi)有發(fā) 生Pd/CoWP層的再結(jié)晶。
[0077]圖7A示出了在1特斯拉磁場(chǎng)的存在下所沉積的800nm Pd/CoWP層的磁性測(cè)量(易磁 化軸線710，難磁化軸線720)。難磁化軸線H。是0.790e;并且
[0078]圖7B示出了退火至200°C達(dá)1小時(shí)之后的Pd/CoWP層（易磁化軸線730,難磁化軸線 740)。難磁化軸線Hc是0.650e。因此，所沉積Pd/CoWP層的軟磁性質(zhì)隨著熱退火至200°C達(dá)1 小時(shí)而改進(jìn)了或者保持了近似恒定。對(duì)于1.18mm厚的Pd/CoWP層獲得了類似的結(jié)果（未示 出）（Hc = 0.770e如所沉積的，并且200°C的退火之后達(dá)1小時(shí)的Hc = 0.740e)。
[0079] 然而，當(dāng)CoWP的化學(xué)物并未包含乙酸鉛作為穩(wěn)定劑時(shí)，甚至退火至200°C誘導(dǎo)了大 晶粒生長(zhǎng)(未示出）JEM分析揭露晶粒生長(zhǎng)至約300^^1.706的矯頑力H。的數(shù)值也指示了存 在晶粒。
[0080] 示例6
[0081] 為了進(jìn)一步評(píng)估乙酸鉛對(duì)于熱穩(wěn)定性和晶粒生長(zhǎng)的影響，對(duì)存儲(chǔ)了多于1月的鍍 CoWP和Pd/C〇WP薄膜執(zhí)行TEM。包含鉛的薄膜是非常穩(wěn)定的。薄膜也是非晶的。然而，不包含 鉛的薄膜呈現(xiàn)出顯著的晶粒生長(zhǎng)。
[0082] 在此使用的術(shù)語(yǔ)僅是為了描述特定實(shí)施例的目的并且并非意在限制本發(fā)明。如在 此所使用的，單數(shù)形式"一"、"一個(gè)"和"該"意在也包括復(fù)數(shù)形式，除非上下文明確給出相反 指示。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，當(dāng)在該說(shuō)明書中使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)"包括"（"comprises"和/或 "comprising"）規(guī)定了所述特征、整數(shù)、步驟、操作、元素和/或部件的存在，但是并未排除一 個(gè)或多個(gè)其他特征、整數(shù)、步驟、操作、元件、部件和/或其群組的存在或添加。
[0083]所附權(quán)利要求中的對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)、材料、動(dòng)作和所有裝置或步驟加功能要素的等價(jià) 形式意在包括用于與如具體所請(qǐng)求保護(hù)的其他請(qǐng)求保護(hù)要素結(jié)合而執(zhí)行功能的任何結(jié)構(gòu)、 材料或動(dòng)作。已經(jīng)為了示意和說(shuō)明的目的展示了本發(fā)明的說(shuō)明書，但是并非意在以所公開 形式窮舉或限定于本發(fā)明。許多修改例和變形例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的，并未脫 離本發(fā)明的精神和范圍。選擇并描述實(shí)施例以便于解釋本發(fā)明和特定應(yīng)用的原理，并且使 得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)τ诰哂腥邕m用于特定預(yù)期用途的各個(gè)修改例的各個(gè)實(shí)施例而理 解本發(fā)明。
[0084] 在此所示的流程圖僅是一個(gè)示例?？梢源嬖趯?duì)于在此所述該視圖或步驟(或操作） 的許多修改而并未脫離本發(fā)明的精神。例如，可以以不同順序執(zhí)行步驟，或者可以添加、刪 除或修改步驟。所有這些改變視作是請(qǐng)求保護(hù)的本發(fā)明的一部分。
[0085] 為了示意性說(shuō)明目的已經(jīng)展示了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例的說(shuō)明，但是并未意在窮舉 或限定于所公開實(shí)施例。許多修改例和變形例對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是明顯的，而并未脫 離所述實(shí)施例的范圍和精神。選擇在此所使用的術(shù)語(yǔ)以最佳地解釋實(shí)施例的原理、實(shí)際應(yīng) 用或?qū)τ谑袌?chǎng)上找到技術(shù)的技術(shù)改進(jìn)，或者使得本領(lǐng)域其他技術(shù)人員能夠理解在此所公開 的實(shí)施例。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種片上磁性結(jié)構(gòu)，包括： 磁性材料，包括基于所述磁性材料的總原子數(shù)的在從約80至約90原子百分比范圍內(nèi)的 鈷、基于所述磁性材料的總原子數(shù)的在從約4至約9原子百分比范圍內(nèi)的鎢、基于所述磁性 材料的總原子數(shù)的在從約7至約15原子百分比范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布所述磁性 材料的鈀。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述磁性材料是基本上非晶的。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述磁性材料的電阻率至少是100微歐 姆·厘米。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述磁性材料進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)金 屬的種子層。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述一個(gè)或多個(gè)金屬是鎳、鈷、鈀、銅、鈦、 或其任意組合。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述磷在從約9至約11原子百分比的范圍 內(nèi)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述片上磁性結(jié)構(gòu)是磁輒或線圈。8. -種用于形成片上磁性結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括： 采用鈀激活磁性種子層，所述磁性種子層位于半導(dǎo)體襯底之上；以及 將磁性合金化學(xué)鍍至所述鈀上以形成Pd/C〇WP層； 其中所述Pd/C〇WP層包括基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約80至約90原子百分比范圍 內(nèi)的鈷、基于所述磁性材料的總原子數(shù)的在從約4至約9原子百分比范圍內(nèi)的鎢、基于所述 磁性材料的總原子數(shù)的在從約7至約15原子百分比范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布所述 磁性材料的鈀。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述磁性種子層包括鎳和鐵。10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述片上磁性結(jié)構(gòu)是電感器。11. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述Pd/C〇WP層是非晶的。12. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述磁性種子層的厚度至少為40nm。13. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述Pd/CoWP層在至少200 °C長(zhǎng)達(dá)至少1小時(shí)是磁 性穩(wěn)定的。14. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的片上磁性結(jié)構(gòu)，其中所述鈷在從約81至約86原子百分比的范 圍內(nèi)。15. -種用于形成片上磁性結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括： 采用鈀激活磁性種子層，所述磁性種子層位于半導(dǎo)體襯底之上；以及 在磁場(chǎng)偏置的存在下將磁性合金化學(xué)鍍至所述鈀上以形成膜； 其中所述膜包括基于磁性材料的總原子數(shù)的在從約80至約90原子百分比范圍內(nèi)的鈷、 基于所述磁性材料的總原子數(shù)的在從約4至約9原子百分比范圍內(nèi)的鎢、基于所述磁性材料 的總原子數(shù)的在從約7至約15原子百分比范圍內(nèi)的磷、以及基本上分散遍布所述磁性材料 的鈀。16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述磷在從約9至約14原子百分比的范圍內(nèi)。17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述鎢在從約4至約7原子百分比的范圍內(nèi)。18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述膜的電阻率至少為110微歐姆?厘米。19. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中采用包括鉛的沉積溶液執(zhí)行化學(xué)鍍。20. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述膜是軟磁材料。
【文檔編號(hào)】H01F10/13GK106024266SQ201610169775
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年3月23日
【發(fā)明人】H·迪利吉安尼, W·J·加拉格, A·J·科洛克, E·J·奧蘇利萬(wàn), L·T·羅曼基烏, 王乃剛
【申請(qǐng)人】國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司