JP2005064308A - 可変インダクタ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体基板上に形成可能であり、Ｑ値の劣化が少なく、インダクタンスの変化量が大きい可変インダクタを提供する。
【解決手段】半導体処理工程により半導体基板１上にスパイラルインダクタ２が形成される。インダクタ２の磁束４を変化させることが可能な位置に、磁束可変手段である導体板３と、それを移動させるためのアクチュエータとを配置する。アクチュエータを用いて、インダクタの例えば上方近傍で導体板を水平移動させることで、磁束を変化させる。また、２段インダクタの間で導体板を水平移動させてインダクタンスを変化させることも可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は可変インダクタに関し、特に、Ｑ値の劣化が少なく、インダクタンスの可変範囲が広い半導体基板上に形成可能な可変インダクタに関する。

近来の携帯電話端末の高性能化に伴い、携帯端末は部品点数が増える一方、端末の小型化も望まれるため、小さいスペースに多くの部品を詰め込まなければならなくなっている。このため、これまでＬＳＩの半導体基板上に形成することが難しかった素子等を小型化して半導体基板上に作成可能なＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術が注目されている。

また、複数の通信方式へ対応する携帯電話端末も存在するが、これらは複数の発振源や複数の電圧制御発振器を搭載しており、端末が大型化する問題もあった。

このような状況の中で、受動素子、特にインダクタについてもオンチップ化が望まれていた。そして、個々の部品偏差を吸収したり、回路に組み込んだ後に、そのインダクタンスを調整したりすることが可能な、可変インダクタも種々のタイプのものが開発されている。

例えば、特許文献１に記載のものは、引出し電極とコイルの間に設けられたトリミング電極をレーザビーム等で焼き切ることで、インダクタンスを変化させる小型の可変インダクタである。

また、特許文献２や特許文献３は、インダクタ上方に設けられる磁性体層を、圧電体板や梁電極を用いて上下に移動させることで、コイルで発生する磁束が、遠ざかったり近づいたりした磁性体層により変化されてインダクタンスを可変させる小型の可変インダクタである。

さらに、特許文献４は、ループとグラウンド・プレーンとの間の幾何学的関係を変化させることで、インダクタのインダクタンスを変化させるオンチップ可変インダクタである。

さらにまた、特許文献５は、インダクタの下方にループ状の配線層を設け、このループ状の配線層を開放／短絡するためのトランジスタを作動させることで、その開放時と短絡時の磁界の変化によりインダクタンスを変化させるオンチップ可変インダクタである。

特開２００１−２９１６１６号公報 特開平０６−０９６９５７号公報 特開平０８−２０４１３９号公報 特開２００１−０７６９３５号公報 特開平０８−１６２３３１号公報

しかしながら、上記特許文献１の可変インダクタは、トリミング電極を用いるため、一旦レーザビーム等でトリミング電極を焼き切った場合には、元に戻すことはできない不可逆的な可変インダクタである。したがって、一旦変更したインダクタンスを再度調整できない場合が生じ、使用範囲、使用目的が限定されてしまっていた。

また、インダクタのクオリティを示す基準の一つとして、Ｑ値がある。Ｑ値は簡単に言えば、素子の損失の少なさを示すものであり、高ければ高いほど好ましいとされる。Ｑ値は、インダクタに発生する寄生容量や寄生抵抗によっても減少する。したがって、なるべくインダクタに対する寄生容量や寄生抵抗を減らす必要がある。なお、Ｑ値はωＬ／Ｒで表わされるため、インダクタンスＬが小さくなれば、Ｑ値自体は当然低くはなる。本明細書中では、インダクタンスの変化に伴うＱ値の変化ではなく、他の要因、具体的には寄生容量や寄生抵抗等によるＱ値の劣化を問題としている。

特許文献２や特許文献３の可変インダクタでは、インダクタの配線とその上方の移動層との間の寄生容量が大きいと考えられるのでＱ値が低くなってしまう。また、磁束密度の変化量が少ないため、インダクタンスの変化量も非常に少ないものであった。さらに、寄生容量が大きいと無駄に自己共振周波数を低くしてしまう問題も生じ得る。この場合、インダクタとして利用できる周波数帯域が狭まってしまう。

さらに、特許文献４の可変インダクタも、特許文献２や特許文献３と同様に、寄生容量が大きいと考えられるため、Ｑ値が低く、また、インダクタンスの変化量も少ないものであった。

またさらに、特許文献５の可変インダクタの場合、インダクタの直下近傍に閉ループ配線層を設けているため、寄生容量が大きくなり、Ｑ値にも影響を及ぼし、また、周波数帯域も狭くなると考えられる。さらに、短絡／開放のためのスイッチとしてＭＯＳＦＥＴを利用しているが、ＭＯＳＦＥＴのＯＮ抵抗は数ｋΩ程度と、金属線の抵抗がせいぜい数Ωに対して桁で大きいため、インダクタのＱ値が極端に低くなるとも考えられる。

本発明は、斯かる実情に鑑み、半導体基板上に形成可能であり、Ｑ値の劣化が少なく、インダクタンスの変化量が大きい可変インダクタを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による可変インダクタは、半導体処理工程により前記半導体基板上に形成されるインダクタと、前記インダクタの磁束を変化させることが可能な位置に設けられる磁束可変手段とを具備するものである。

ここで、磁束可変手段は、導体板と該導体板を移動させるアクチュエータとを具備するものである。

また、磁束可変手段は、前記アクチュエータを用いて前記導体板を前記インダクタの上方又は下方又は側方近傍で水平移動させることで、磁束を変化させるものである。

また、インダクタは上下又は左右２段インダクタからなり、前記磁束可変手段は、前記アクチュエータを用いて前記導体板を前記上下又は左右２段インダクタの間で水平移動させることで、磁束を変化させるものであっても良い。

またさらに、導体板は、前記インダクタとの間の寄生容量が少なく、前記インダクタのインダクタンスの変化量が大きくなるような幅寸法を有するものであっても良い。

ここで、導体板は、前記インダクタの中央空洞部分の幅と同じ幅寸法を有するものであっても良い。

また、アクチュエータは、ＭＥＭＳマイクロアクチュエータを用いることが可能である。

さらにまた、磁束可変手段はトランジスタからなり、該トランジスタのキャリア密度の変化による導電率の変化を利用して、前記インダクタの磁束を変化させるものであっても良い。

本発明の可変インダクタは、導体板挿入前は、通常のインダクタと同程度のＱ値が得られるという効果がある。また、導体板を連続的に挿入していくため、インダクタンスを連続的に変化させることが可能である。さらに、導体板挿入後も、インダクタの導体板による遮蔽部分に対する抵抗の増加はほぼ無視できるため、Ｑ値の劣化は無い。寄生容量に対しても、本発明では、導体板とインダクタの配置を工夫することで、寄生容量を減らすことが可能となる。

したがって、本発明の可変インダクタは、Ｑ値の劣化が少なく、インダクタンスの変化量も大きいため、様々な用途に利用可能であるという利点がある。

また、例えば携帯電話端末内で使われる電圧制御発振器等にはインダクタが用いられるが、これに本発明の可変インダクタを用いることで、電圧制御発振器をワンチップで構成することが可能となる。本発明の可変インダクタは、その変化量が大きいため、携帯電話端末で用いられる８００ＭＨｚ帯、１．５ＧＨｚ帯、ＰＨＳで用いられる１．９ＧＨｚ帯、さらには無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）で用いられる２．４ＧＨｚ帯等、広い帯域を一つのＬＳＩで実現できるようになる。従来では、複数の通信方式を一つの端末で実現するためにはそれぞれの通信方式に適した周波数帯の電圧制御発振器をそれぞれ携帯端末に組み込まなければならず、携帯端末が大型化する問題があったが、本発明によれば、一つのＬＳＩで実現可能なため、携帯端末を非常に小さく製造可能となるという利点もある。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の可変インダクタの第１実施例を説明するために用いられる図である。図１（ａ）は、本発明の可変インダクタの導体板を挿入する前の上面概略図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のｂ−ｂ線の部分の側断面図、図１（ｃ）は、本発明の可変インダクタの導体板を挿入した後の上面概略図、図１（ｄ）は図１（ｃ）のｄ−ｄ線の部分の側断面図である。

図１に示すように、本発明の可変インダクタは、半導体基板１上に、一般的な製造工程によりスパイラルインダクタ２が形成されている。そして、その近傍に導体板３が移動可能に設けられている。導体板３は、図示していないアクチュエータ等により移動される。なお、スパイラルインダクタの近傍とは、スパイラルインダクタ２により発生する磁束４を変化させることが可能な位置を意味する。言い換えれば、導体板は、相互磁気誘導を生ずる位置に設けられていることを意味する。

ここで、スパイラルインダクタ２や導体板３の材料としては、銅を用いた。しかしながら、本発明はこれに限定されず、導体であれば金やアルミ等、種々の材料を利用可能であることは勿論である。

なお、明細書中、半導体基板とは、通常のＬＳＩを製作するＳｉやＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）と呼ばれる基板、半導体材料としてはＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＧａＮなどであっても良い。図１では模式的に描いているために、半導体基板上に直接インダクタを形成しているように示しているが、半導体基板とスパイラルインダクタの間にＳｉＯ_２などの絶縁膜が挟まれていても構わない。また、スパイラルインダクタは、いわゆる多層配線の形成された半導体基板でもよい。そのときは、半導体基板とインダクタの間に多層配線層が形成されている。

図１（ａ）に示すように導体板３が位置する場合には、図１（ｂ）に示すように、磁束４はほとんど変化を受けず、スパイラルインダクタ２のインダクタンスは、本来有するインダクタンスとほぼ同等となる。そして、図１（ｃ）に示すように、導体板３をスパイラルインダクタ２上に水平移動させていくと、導体板３の表面ではインダクタ２による磁束４を受けて渦電流が発生し、インダクタ２からの磁束４を相殺する方向に磁束が発生する。したがって、磁束線が減少し、インダクタ２の磁束４が変化してインダクタンスが減少する。したがって、図１（ｄ）に示すように、導体板３によって、結果的に磁束４を遮断するような作用が生ずる。

図２に、導体板の移動距離に対するインダクタンスの変化を表わすグラフを示す。図示のように、導体板の移動距離が大きくなればなるほど、即ち、インダクタを覆う導体板の面積が大きくなればなるほど、インダクタンスは減少していく。インダクタにより発生する磁束は、導体板をインダクタ上に移動させなければ何も影響を及ぼさないため、本来インダクタが有するインダクタンスが得られる。そして、導体板を移動させることにより、磁束を大きく変化させることが可能となる。したがって、本発明の可変インダクタによれば、約１０％〜３０％程度、若しくはそれ以上のインダクタンスの変化量を実現することが可能となる。

上述のように、本発明の可変インダクタは、半導体基板上に形成されるインダクタの磁束を変化させることが可能な位置に磁束可変手段として導体板を設ける点に特徴がある。したがって、図示例ではインダクタの上方に導体板を設けた例を示したが、本発明はこれに限定されず、インダクタの下方に設けられても勿論構わない。また、上述の例ではスパイラルインダクタを示したが、本発明はこれに限定されず、再配線技術等により立体的に形成されたソレノイドコイルであっても良い。例えば半導体基板上にソレノイドコイルを立てた状態で形成すれば、その上方又は下方で導体板を水平移動させれば上述の例と同様の効果が得られる。また、ソレノイドコイルを寝かせた状態で形成すれば、その側方で導体板を水平移動させても同様の効果が得られる。

なお、導体板をインダクタに被せる場合、インダクタの全体を覆う寸法であれば最もインダクタが減少することになる。しかしながら、導体板とインダクタの配線間には、寄生容量が発生する。この寄生容量はインダクタの並列容量となるため、寄生容量が大きくなるとＱ値が劣化してしまう。また、自己共振周波数も低くなってしまい、その結果、インダクタとして利用できる周波数帯域が狭くなってしまう。したがって、導体板とインダクタとの間の距離をなるべく離すことが望ましい。また、距離を離すことができない場合には、導体板の寸法は、インダクタンスの変化量と寄生容量とのトレードオフになるので、インダクタとの間の寄生容量が少なく、インダクタンスの変化量が大きくなるような幅寸法を有するように決定されれば良い。例えばインダクタの中央の空洞部分の幅と同じ寸法幅を有するように導体板を構成すれば、インダクタの配線との寄生容量は最小限に抑えられつつ、インダクタンスの変化量を大きくすることが可能となる。

また、導体板を移動させるためのアクチュエータは、種々のものが利用可能であるが、半導体基板上に形成可能なアクチュエータとしては、静電アクチュエータや串歯アクチュエータ等のＭＥＭＳマイクロアクチュエータが好ましい。より好ましくは、導電板を大きく動かせるように、移動距離が大きいものである。

次に、図３を用いて本発明の可変インダクタの第２実施例を説明する。図３は、本発明の上下２段インダクタの側断面図である。図示のように、半導体基板１の表面及び裏面にそれぞれ逆巻きのインダクタ２，２’を形成し、これらのインダクタにより発生する磁束を垂直にするために、コンタクトホール５によりインダクタ２，２’を接続して一つのインダクタとする。そして、上下２段インダクタの間で導体板３を水平移動させる。このように構成することでも、上記の第１実施例と同様の効果が得られ、インダクタンスを変化させることが可能となる。また、上下間の幅を広く取ることで、インダクタの配線と導体板との間に発生する寄生容量を減らすことが可能である。

また、図４に示すように、左右２段インダクタであっても同様の効果が得られる。図４は、例えば再配線技術等により作成されたソレノイドコイルの左右２段インダクタを表わしており、図４（ａ）はその上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ線の部分の側断面図である。図示のように、各コイル２，２’間は接続され、一つのインダクタとされており、その接続部中央には窪みが設けられている。この窪みの部分に本発明による導体板３が設けられている。そして、左右２段インダクタの間で、この導体板３を移動させることで、磁束を変化させてインダクタンスを可変とすることが可能となる。寄生容量を考慮した場合、コイル間の幅を広げれば広げるほど、コイルと導体板との間の寄生容量が減少するが、左右２段インダクタであれば、上下２段インダクタに比べてインダクタ間の距離を容易に広く設計することが可能である。

これまで説明してきた実施例は、磁束可変手段として導体板と導体板を移動させるアクチュエータとを具備する例について説明してきたが、以下に説明する本発明の可変インダクタの第３実施例は、磁束可変手段としてトランジスタを用いるものである。図５を用いて本発明の可変インダクタの第３実施例を説明する。図５は、第３実施例の可変インダクタの側断面図である。図示のように、半導体基板上にゲート電極３０、ソース・ドレイン電極３１を形成することでＭＯＳＦＥＴを作成する。この上に、所定の絶縁層等を介してスパイラルインダクタ２を形成する。ソース・ドレイン電極間のチャネル３２によりスパイラルインダクタ２で発生する磁束を変化させる。すなわち、本実施例は、ＭＯＳＦＥＴのＯＮ／ＯＦＦ制御により、チャネルのキャリア密度の変化により導電率が変化するので、この変化を利用してインダクタの磁束を変化させるものである。なお、ゲート電極３０が低抵抗の材料で構成されていると、磁束が遮断されてしまい、チャネル部分での導電率変化の効果が小さくなってしまう。したがって、ゲート電極３０は高抵抗であるほうが、チャネル導電率変化によるインダクタンスの値の変動率が大きいので、変化率の大きな可変インダクタを望む場合、ゲート電極３０としては、高抵抗材料を用いることが好ましい。

このように、ＭＯＳＦＥＴのチャネルのキャリア密度の変化による導電率の変化を利用して、インダクタの磁束を変化させることで、これまで説明してきた可変インダクタと同様の効果が得られる。但し、上述の第１実施例や第２実施例では、インダクタンスの可変は連続的であったが、本実施例では、遮蔽するかしないかの何れかであるため、非連続的な可変となる。しかしながら、トランジスタを縦に多段に、或いは横に複数形成すること等により、ある程度連続的な可変も実現可能である。

本実施例では、ＭＥＭＳ等のコストのかかる製造工程を経ることなく、一般的な半導体処理工程により可変インダクタを製造可能となる。なお、キャリア密度の変化により導電率が変化すれば良いため、ＦＥＴだけでなく、バイポーラトランジスタ等でも本実施例は実現可能である。また、インダクタはスパイラルインダクタに限定されず、再配線技術等で作成したソレノイドインダクタ等であっても勿論構わない。

なお、本発明の可変インダクタは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、半導体基板上に形成されるインダクタは、直接形成されるものに限定されず、再配線層で形成されるインダクタであっても良い。また、導体板を移動させるアクチュエータは、移動範囲がある程度大きく取れるものであれば如何なるものであっても構わない。さらに、導体板の設置位置や移動範囲に関しては、インダクタの磁束を変化させることが可能であれば、如何なるものであっても構わない。

図１は、本発明の可変インダクタの第１実施例を説明するために用いられる図である。 図２は、本発明の可変インダクタの、導体板の移動距離に対するインダクタンスの変化を表わすグラフである。 図３は、本発明の可変インダクタの第２実施例である上下２段インダクタの側断面図である。 図４は、本発明の可変インダクタの第２実施例の他の構成例である左右２段インダクタの上面図及び側断面図である。 図５は、本発明の可変インダクタの第３実施例を説明するために用いられる図である。

符号の説明

１ 半導体基板
２ インダクタ
３ 導体板
４ 磁束
５ コンタクトホール
３０ ゲート電極
３１ ソース・ドレイン電極
３２ チャネル

Claims (8)

1. 半導体基板上に形成される可変インダクタであって、該可変インダクタは、
   半導体処理工程により前記半導体基板上に形成されるインダクタと、
   前記インダクタの磁束を変化させることが可能な位置に設けられる磁束可変手段と、
   を具備することを特徴とする可変インダクタ。
2. 請求項１に記載の可変インダクタにおいて、前記磁束可変手段は、導体板と該導体板を移動させるアクチュエータとを具備することを特徴とする可変インダクタ。
3. 請求項２に記載の可変インダクタにおいて、前記磁束可変手段は、前記アクチュエータを用いて前記導体板を前記インダクタの上方又は下方又は側方近傍で水平移動させることで、磁束を変化させることを特徴とする可変インダクタ。
4. 請求項２に記載の可変インダクタにおいて、前記インダクタは上下又は左右２段インダクタからなり、前記磁束可変手段は、前記アクチュエータを用いて前記導体板を前記上下又は左右２段インダクタの間で水平移動させることで、磁束を変化させることを特徴とする可変インダクタ。
5. 請求項２乃至請求項４の何れかに記載の可変インダクタにおいて、前記導体板は、前記インダクタとの間の寄生容量が少なく、前記インダクタのインダクタンスの変化量が大きくなるような幅寸法を有することを特徴とする可変インダクタ。
6. 請求項５に記載の可変インダクタにおいて、前記導体板は、前記インダクタの中央空洞部分の幅と同じ幅寸法を有することを特徴とする可変インダクタ。
7. 請求項２乃至請求項６の何れかに記載の可変インダクタにおいて、前記アクチュエータは、ＭＥＭＳマイクロアクチュエータであることを特徴とする可変インダクタ。
8. 請求項１に記載の可変インダクタにおいて、前記磁束可変手段はトランジスタからなり、該トランジスタのキャリア密度の変化による導電率の変化を利用して、前記インダクタの磁束を変化させることを特徴とする可変インダクタ。