JP2006066769A - Inductor and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はインダクタ、特にオンチップインダクタ及びその製造方法に関し、より具体的には、半導体基板に対して水平方向を軸に巻かれる複数のスパイラル構造からなるオンチップインダクタ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an inductor, in particular, an on-chip inductor and a manufacturing method thereof, and more specifically to an on-chip inductor having a plurality of spiral structures wound around a semiconductor substrate in the horizontal direction and a manufacturing method thereof.
携帯機器等の小型化・高機能化が進み、高周波回路のインダクタ素子を半導体基板上に設けることが行われている。このようなオンチップインダクタでは、十分なインダクタンスが得られ、高い自己共振周波数とQ値であることが望まれると同時に、チップ自体の小型化のためにチップ占有面積を少なくすることが望まれている。 With the progress of miniaturization and higher functionality of portable devices and the like, high frequency circuit inductor elements are provided on a semiconductor substrate. In such an on-chip inductor, it is desired that a sufficient inductance is obtained and that a high self-resonance frequency and a Q value are obtained, and at the same time, it is desired to reduce the chip occupation area in order to reduce the size of the chip itself. Yes.
従来のオンチップインダクタの例を図1に示す。図1は、従来のオンチップインダクタの概要を説明するため模式的な斜視図である。図1(a)は、半導体基板上に半導体基板に対して垂直方向を軸に複数回巻いた配線パターンを有するスパイラル型のインダクタである。図1(b)は、半導体基板上に配線パターンを曲折して設けるメアンダ型のインダクタである。また、図1(c)は、半導体基板に対して水平方向を軸に複数回巻いた配線パターンを有するソレノイド型インダクタである。 An example of a conventional on-chip inductor is shown in FIG. FIG. 1 is a schematic perspective view for explaining an outline of a conventional on-chip inductor. FIG. 1A shows a spiral type inductor having a wiring pattern wound on a semiconductor substrate a plurality of times around the axis perpendicular to the semiconductor substrate. FIG. 1B shows a meander type inductor in which a wiring pattern is bent on a semiconductor substrate. FIG. 1C shows a solenoid type inductor having a wiring pattern wound around a semiconductor substrate a plurality of times around the horizontal direction.
図1(a)のスパイラル型インダクタの場合、スパイラルの中心端から引き出しパターンが必要であり、この引き出しパターンがスパイラルを横切るように配置せざるを得ないため、インダクタンスが減少するという問題があった。また、図1(b)のメアンダ型のインダクタの場合は、近傍の曲折する各配線に流れる電流の向きがそれぞれ逆向きになるため、相互インダクタンスを打ち消してしまい、インダクタンスが減少するという問題があった。さらに、これらのインダクタは、得られるインダクタンスに対してチップ占有面積が大きかった。また、図1(c)のソレノイド型インダクタは、スパイラル型インダクタ等に比べるとチップ占有面積が小さくなるが、インダクタンスを大きくしづらい。インダクタンスを大きくするためには巻数を増やせば良いが、巻数を増やすと結局チップ占有面積が大きくなってしまっていた。 In the case of the spiral inductor shown in FIG. 1A, a lead pattern is required from the center end of the spiral, and the lead pattern has to be arranged so as to cross the spiral, so that there is a problem that inductance is reduced. . In the meander type inductor shown in FIG. 1B, the directions of the currents flowing in the neighboring bent wirings are opposite to each other, so that the mutual inductance is canceled out and the inductance is reduced. It was. Further, these inductors have a large chip occupation area with respect to the obtained inductance. Further, the solenoid type inductor of FIG. 1C has a smaller chip occupation area than a spiral type inductor, but it is difficult to increase the inductance. In order to increase the inductance, the number of turns may be increased. However, increasing the number of turns eventually increased the chip occupation area.
そこで、非特許文献1や特許文献1や特許文献2等に示すように、半導体基板上に、半導体基板に対して垂直方向を軸に巻かれたスパイラルパターンと、これに対面して反対巻に巻かれたスパイラルパターンとを垂直方向に積層する積層スパイラル構造が考えられた。これらによれば、同一のチップ占有面積に対して大きなインダクタンスが得られるものであった。 Therefore, as shown in Non-Patent Document 1, Patent Document 1, and Patent Document 2, etc., a spiral pattern wound around a semiconductor substrate on the axis perpendicular to the semiconductor substrate, and oppositely wound in the opposite direction. A laminated spiral structure in which the wound spiral pattern is laminated in the vertical direction has been considered. According to these, a large inductance can be obtained for the same chip occupation area.
しかしながら、上記のような積層スパイラル構造では、インダクタンスは大きくできるものの、図1(a)に示すようなスパイラル型インダクタと同様なチップ占有面積を必要としていた。 However, although the inductance can be increased in the laminated spiral structure as described above, a chip occupation area similar to that of the spiral inductor as shown in FIG.
また、自己共振周波数を高くし難いという問題があった。自己共振周波数ωは、1/√(LC)で定義されるが、キャパシタンスCは、インダクタが寄生的に持つキャパシタンスである。半導体基板上にインダクタを形成した場合には、キャパシタンスCには配線・基板間容量と配線間容量が含まれる。したがって、積層スパイラル型は、半導体基板と配線パターンとの間の対向面積が広く寄生容量が大きいため、自己共振周波数が低くなってしまっていた。 There is also a problem that it is difficult to increase the self-resonance frequency. The self-resonant frequency ω is defined by 1 / √ (LC), and the capacitance C is a capacitance that the inductor has parasitically. When the inductor is formed on the semiconductor substrate, the capacitance C includes the wiring-substrate capacitance and the wiring capacitance. Accordingly, the laminated spiral type has a large opposing area between the semiconductor substrate and the wiring pattern and a large parasitic capacitance, so that the self-resonant frequency is low.
さらに、Q値を高くし難いという問題もある。積層スパイラル構造の場合、磁束は半導体基板に対して垂直方向になるが、導電性の高い基板材料を使った場合、この垂直方向の磁束が基板で打ち消されてしまうため、インダクタンスが減少する。したがって、Q値はωL/Rで定義されるため、インダクタンスLが減少するとQ値も減少してしまう。 Furthermore, there is a problem that it is difficult to increase the Q value. In the case of the laminated spiral structure, the magnetic flux is perpendicular to the semiconductor substrate. However, when a highly conductive substrate material is used, the magnetic flux in the perpendicular direction is canceled out by the substrate, so that the inductance is reduced. Therefore, since the Q value is defined by ωL / R, when the inductance L decreases, the Q value also decreases.
また、通常、半導体基板上の再配線層等にオンチップインダクタを形成する場合、半導体基板との間の寄生容量を減らすために、なるべく半導体基板から離れた位置、すなわち最上層の配線層を用いる。しかしながら、積層スパイラル構造の場合には、下層のスパイラル構造が半導体基板により近くなるため、寄生容量が増えてしまい、自己共振周波数が低くなってしまっていた。基板と配線パターンとの間の対向面積が広いため、配線パターンが半導体基板により近くなる影響は大きく、スパイラル構造を積層することが自己共振周波数に大きく影響していた。 In general, when an on-chip inductor is formed in a rewiring layer or the like on a semiconductor substrate, a position as far as possible from the semiconductor substrate, that is, the uppermost wiring layer is used in order to reduce parasitic capacitance with the semiconductor substrate. . However, in the case of the laminated spiral structure, since the lower spiral structure is closer to the semiconductor substrate, the parasitic capacitance is increased and the self-resonant frequency is lowered. Since the facing area between the substrate and the wiring pattern is wide, the influence that the wiring pattern becomes closer to the semiconductor substrate is large, and the lamination of the spiral structure has a large influence on the self-resonant frequency.
本発明は、斯かる実情に鑑み、チップ占有面積が小さく、自己共振周波数やQ値を高くできるインダクタ及びその製造方法を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention intends to provide an inductor having a small chip occupying area and capable of increasing a self-resonant frequency and a Q value, and a manufacturing method thereof.
上述した本発明の目的を達成するために、本発明によるインダクタは、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く右巻に巻かれる右巻スパイラル構造と、右巻スパイラル構造に対面するように配置され、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く左巻に巻かれる左巻スパイラル構造と、右巻スパイラル構造の中心端と左巻スパイラル構造の中心端とが接続される接続部、又は、右巻スパイラル構造の外側端と左巻スパイラル構造の外側端とが接続される接続部とを具備するものである。 In order to achieve the above-described object of the present invention, an inductor according to the present invention faces a right-handed spiral structure and a right-handed spiral structure wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate. The left-handed spiral structure wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate is connected to the center end of the right-handed spiral structure and the center end of the left-handed spiral structure. A connecting portion or a connecting portion to which the outer end of the right-handed spiral structure and the outer end of the left-handed spiral structure are connected is provided.
また、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造は、その巻軸が等しくても良い。 The right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure may have the same winding axis.
さらに、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造は、それぞれ半導体基板に垂直な平面内で巻かれていても良い。 Furthermore, the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure may each be wound in a plane perpendicular to the semiconductor substrate.
またさらに、巻軸方向から見て、右巻スパイラル構造を流れる電流の向きと左巻スパイラル構造を流れる電流の向きが等しいことが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the direction of the current flowing through the right-handed spiral structure and the direction of the current flowing through the left-handed spiral structure are equal when viewed from the winding axis direction.
また、右巻スパイラル構造の配線と左巻スパイラル構造の配線のうち電流の向きが等しい配線が、それぞれ近傍に位置していることが好ましい。 Further, it is preferable that the wirings having the same current direction among the wirings of the right-handed spiral structure and the wirings of the left-handed spiral structure are positioned in the vicinity.
さらに、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造を複数有し、該複数の右巻及び左巻スパイラル構造はそれぞれ交互に配置され、スパイラル構造の外側端が一方側で隣り合うスパイラル構造の外側端と接続され、スパイラル構造の中心端が反対側で隣り合うスパイラル構造の中心端と接続されても良い。 Furthermore, it has a plurality of right-handed spiral structures and left-handed spiral structures, and the plurality of right-handed and left-handed spiral structures are alternately arranged, and the outer ends of the spiral structures are adjacent to the outer ends of the spiral structures adjacent on one side It may be connected and the center end of the spiral structure may be connected to the center end of the spiral structure adjacent on the opposite side.
また、該オンチップインダクタは、入出力対称であっても良い。 The on-chip inductor may be input / output symmetric.
さらに、スパイラル構造は、再配線層に設けられても良い。 Furthermore, the spiral structure may be provided in the rewiring layer.
また、スパイラル構造は、多層基板とビアにより構成されても良い。 Further, the spiral structure may be configured by a multilayer substrate and vias.
ここで、多層基板は、その間に磁性体又は低誘電体からなる絶縁体層を有するものであっても良い。 Here, the multilayer substrate may have an insulating layer made of a magnetic material or a low dielectric material between them.
なお、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造は、1.5巻又は2.5巻であれば良い。 Note that the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure may be 1.5 turns or 2.5 turns.
また、本発明のオンチップインダクタを形成する方法は、半導体基板上に、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く右巻に巻かれる右巻スパイラル構造を提供する過程と、右巻スパイラル構造に対面するように配置され、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く左巻に巻かれる左巻スパイラル構造を提供する過程とからなるものである。そして、右巻スパイラル構造を提供する過程及び左巻スパイラル構造を提供する過程は、半導体基板上に直接又は間に他の層を介して、第1絶縁体層を形成する過程と、第1絶縁体層上に、第1配線層を形成する過程と、第1配線層上に、第2絶縁体層を形成する過程と、第2絶縁体層内に、第1ビアを形成する過程と、第2絶縁体層上に、第2配線層を形成する過程と、第2配線層上に、第3絶縁体層を形成する過程と、第3絶縁体層内に、第2ビアを形成する過程と、第3絶縁体層上に、第3配線層を形成する過程と、第3配線層上に、第4絶縁体層を形成する過程と、第4絶縁体層内に、第3ビアを形成する過程と、第4絶縁体層上に、第4配線層を形成する過程とを具備する。そして、各第1乃至第4配線層は、第2配線層と第3配線層間が、第2ビアで接続され、第1配線層と第3配線層間が、第1ビアと第2ビアとで接続され、第1配線層と第4配線層間が、第1ビアと第2ビアと第3ビアとで接続され、右巻スパイラル構造の中心端と左巻スパイラル構造の中心端とが接続され、又は、右巻スパイラル構造の外側端と左巻スパイラル構造の外側端とが接続されるように、パターンニングされれば良い。 The method of forming an on-chip inductor according to the present invention includes a process of providing a right-handed spiral structure on a semiconductor substrate, the right-handed spiral structure being wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate. And a process of providing a left-handed spiral structure that is disposed so as to face the spiral structure and wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate. The process of providing a right-handed spiral structure and the process of providing a left-handed spiral structure include a process of forming a first insulator layer directly or between other layers on a semiconductor substrate, and a first insulation. Forming a first wiring layer on the body layer; forming a second insulator layer on the first wiring layer; forming a first via in the second insulator layer; Forming a second wiring layer on the second insulating layer; forming a third insulating layer on the second wiring layer; and forming a second via in the third insulating layer. A step of forming a third wiring layer on the third insulating layer, a step of forming a fourth insulating layer on the third wiring layer, and a third via in the fourth insulating layer. And a step of forming a fourth wiring layer on the fourth insulator layer. In each of the first to fourth wiring layers, the second wiring layer and the third wiring layer are connected by the second via, and the first wiring layer and the third wiring layer are connected by the first via and the second via. The first wiring layer and the fourth wiring layer are connected by the first via, the second via, and the third via, and the center end of the right-handed spiral structure and the center end of the left-handed spiral structure are connected, Alternatively, patterning may be performed so that the outer end of the right-hand spiral structure and the outer end of the left-hand spiral structure are connected.
ここで、第1乃至第4配線層は、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造が、それぞれ半導体基板に垂直な平面内で巻かれるようにパターンニングされていれば良い。 Here, the first to fourth wiring layers may be patterned so that the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure are each wound in a plane perpendicular to the semiconductor substrate.
さらに、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造を複数提供する過程を具備し、該複数の右巻及び左巻スパイラル構造はそれぞれ交互に配置され、スパイラル構造の外側端が一方側で隣り合うスパイラル構造の外側端と接続され、スパイラル構造の中心端が反対側で隣り合うスパイラル構造の中心端と接続されるように、各第1乃至第4配線層がパターンニングされても良い。 And providing a plurality of right-handed spiral structures and left-handed spiral structures, wherein the plurality of right-handed and left-handed spiral structures are alternately arranged, and the spiral structure has an outer end adjacent on one side. The first to fourth wiring layers may be patterned so that the center end of the spiral structure is connected to the center end of the adjacent spiral structure on the opposite side.
さらに、第3絶縁体層を形成する過程は、その間にさらに、第5配線層を形成する過程と、第5配線層上に、第5絶縁体層を形成する過程と、第5絶縁体層内に、第4ビアを形成する過程と、第5絶縁体層上に、第6配線層を形成する過程とを具備しても良く、各第2配線層、第5配線層及び第6配線層は、第5配線層と第6配線層間が、第4ビアで接続され、第2配線層と第6配線層間が、第2ビアと第4ビアで接続されるようにパターンニングされれば良い。 Further, the process of forming the third insulator layer includes a process of forming a fifth wiring layer, a process of forming a fifth insulator layer on the fifth wiring layer, and a fifth insulator layer. A process for forming a fourth via and a process for forming a sixth wiring layer on the fifth insulator layer. The second wiring layer, the fifth wiring layer, and the sixth wiring may be provided. If the layer is patterned so that the fifth wiring layer and the sixth wiring layer are connected by the fourth via, and the second wiring layer and the sixth wiring layer are connected by the second via and the fourth via. good.
本発明のインダクタ及びその製造方法には、得られるインダクタンスに対するチップ占有面積を小さくすることが可能であり、自己共振周波数やQ値を高くすることが可能であるという利点がある。 The inductor and the manufacturing method thereof according to the present invention have an advantage that the chip occupation area with respect to the obtained inductance can be reduced, and the self-resonance frequency and the Q value can be increased.
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。なお、図示例等では基本的に半導体集積回路上の多層配線層や再配線層に形成されるオンチップインダクタについて説明するが、本発明はこれに限定されず、集積回路上だけでなく多層プリント基板等、実装基板に形成されるインダクタであっても構わない。したがって、本明細書中における用語「多層基板」には、多層配線層や再配線層、多層プリント基板等の、複数の層からなるあらゆるものが含まれる。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. In the illustrated example and the like, the on-chip inductor formed in the multilayer wiring layer and the rewiring layer on the semiconductor integrated circuit is basically described. However, the present invention is not limited to this, and the multilayer printed circuit is not limited to the integrated circuit. It may be an inductor formed on a mounting substrate such as a substrate. Therefore, the term “multilayer substrate” in the present specification includes all of a plurality of layers such as a multilayer wiring layer, a rewiring layer, and a multilayer printed board.
図2は、本発明のオンチップインダクタを示す模式的な斜視図である。本発明のオンチップインダクタは、図2に示すように、右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造を、それらの中心端で接続したものである。右巻スパイラル構造は、配線層4とビア30,20,10、配線層1とビア11,21、配線層3とビア22、配線層2からなり、半導体基板に対して水平方向を軸に平面内で1巻より多く右巻に巻かれている構造となっている。また、左巻スパイラル構造は、右巻スパイラル構造に対面するように配置されており、配線4’とビア31’,21’,11’、配線1’とビア10’,20’、配線3’とビア22’、配線2’からなり、半導体基板に対して水平方向を軸に平面内で1巻より多く左巻に巻かれている構造となっている。 FIG. 2 is a schematic perspective view showing the on-chip inductor of the present invention. As shown in FIG. 2, the on-chip inductor of the present invention is a structure in which a right-handed spiral structure and a left-handed spiral structure are connected at their center ends. The right-handed spiral structure includes a wiring layer 4 and vias 30, 20, 10, a wiring layer 1 and vias 11 and 21, a wiring layer 3 and vias 22, and a wiring layer 2. It has a structure in which more than 1 volume is wound in the right volume. Further, the left-handed spiral structure is arranged so as to face the right-handed spiral structure, and the wiring 4 ′ and the vias 31 ′, 21 ′, 11 ′, the wiring 1 ′, the vias 10 ′, 20 ′, and the wiring 3 ′. And a via 22 'and a wiring 2', and is structured to be wound more than one turn in a left turn in a plane with the horizontal direction as an axis with respect to the semiconductor substrate.
そして、右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造の中心端の配線2,2’が、ビア22と22’の間の中間のところで接続されている。中間で対称的に接続することで、オンチップインダクタは入出力対称となる。図示例では配線2と配線2’は中心で接続されて入出力対称となるように構成しているが、本発明はこれに限定されず、ビア22と22’の間で左右どちらかにオフセットして構成しても勿論構わない。また、図示例では右巻スパイラル構造の中心端と左巻スパイラル構造の中心端が接続される構成になっているが、本発明はこれに限定されず、外側端同士、すなわち、右巻スパイラル構造の配線4と左巻スパイラル構造の配線4’が中央又は左右どちらかで接続されている構成であっても構わない。 The wirings 2 and 2 'at the center ends of the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure are connected in the middle between the vias 22 and 22'. By connecting symmetrically in the middle, the on-chip inductor is input / output symmetric. In the illustrated example, the wiring 2 and the wiring 2 ′ are connected to each other at the center and are symmetric with respect to the input / output. However, the present invention is not limited to this and is offset to the left or right between the vias 22 and 22 ′. Of course, it may be configured. In the illustrated example, the center end of the right-handed spiral structure and the center end of the left-handed spiral structure are connected. However, the present invention is not limited to this, and the outer ends, that is, the right-handed spiral structure. The wiring 4 and the left-handed spiral structure wiring 4 ′ may be connected at the center or at the left and right.
以下に図3を用いて本発明のオンチップインダクタの製造方法を具体的に説明する。図3は、本発明のオンチップインダクタの右巻スパイラル構造の部分の側断面図である。まず、半導体基板50、例えばSi基板上に、第1絶縁体層51を堆積する。絶縁体層としては、例えばSiO2を用いる。なお、絶縁体層として、磁性体や低誘電体を用いても良い。次に、第1絶縁体層51上にアルミニウム等の導電性物質層52を堆積し、パターンニングすることで、第1配線層1を形成する。導電性物質としては、アルミニウム以外に金や銅等、低抵抗率物質を使用することも可能である。そして、導電性物質層52上に、第2絶縁体層53を堆積する。さらに、第2絶縁体層53の所定の場所に第1ビア10,11を形成する。これらのビアにより後に形成する配線間を接続することで、半導体基板に対して水平方向を軸に巻かれるスパイラル構造が形成できるようにする。そして、第2絶縁体層53上に導電性物質層54を堆積し、第2配線層2をパターンニング形成する。さらに、導電性物質層54上に、第3絶縁体層55を堆積し、第2ビア20,21,22を形成する。なお、図示例では第3絶縁体層55は他の絶縁体層よりも膜厚が厚くなっているが、これは第2配線層と第3配線層の距離が近いと相互インダクタンスを打ち消してしまうので、ある程度の距離を設けるためである。これは、他の絶縁体層と同様の膜厚の他の絶縁体層や他の配線層を複数層用いることにより実現しても勿論構わない。本明細書中では、これらをまとめて第3絶縁体層55と呼ぶ。次に、第3絶縁体層55の上に、導電性物質層56を堆積し、パターンニングすることで第3配線層3を形成する。さらに第4絶縁体層57を堆積し、ビア30を形成する。そして、導電性物質層58を堆積し、第4配線層4を第4絶縁体層57上にパターンニング形成する。このようにして各配線層がビアにより接続され、半導体基板に対して水平方向を軸に右巻に巻かれるスパイラル構造が形成される。具体的には、第2配線層2と第3配線層3がビア22で接続され、第1配線層1と第3配線層3がビア11とビア21とで接続され、第1配線層1と第4配線層4がビア10とビア20とビア30とで接続されている。このように、本発明のオンチップインダクタのスパイラル構造は、多数の絶縁体層と配線層からなる多層基板とビアを用いて構成される。 The method for manufacturing the on-chip inductor according to the present invention will be specifically described below with reference to FIG. FIG. 3 is a cross-sectional side view of the right-hand spiral structure portion of the on-chip inductor of the present invention. First, a first insulator layer 51 is deposited on a semiconductor substrate 50, for example, a Si substrate. As the insulator layer, for example, SiO 2 is used. Note that a magnetic material or a low dielectric material may be used as the insulator layer. Next, a conductive material layer 52 such as aluminum is deposited on the first insulator layer 51 and patterned to form the first wiring layer 1. As the conductive material, a low resistivity material such as gold or copper can be used in addition to aluminum. Then, a second insulator layer 53 is deposited on the conductive material layer 52. Further, the first vias 10 and 11 are formed at predetermined positions of the second insulator layer 53. By connecting between wirings to be formed later by these vias, it is possible to form a spiral structure wound around the semiconductor substrate in the horizontal direction. Then, a conductive material layer 54 is deposited on the second insulator layer 53, and the second wiring layer 2 is formed by patterning. Further, a third insulator layer 55 is deposited on the conductive material layer 54 to form second vias 20, 21, and 22. In the illustrated example, the third insulator layer 55 is thicker than the other insulator layers, but this cancels the mutual inductance when the distance between the second and third wiring layers is short. This is to provide a certain distance. Needless to say, this may be realized by using a plurality of other insulator layers and other wiring layers having the same thickness as the other insulator layers. In the present specification, these are collectively referred to as a third insulator layer 55. Next, a conductive material layer 56 is deposited on the third insulator layer 55 and patterned to form the third wiring layer 3. Further, a fourth insulator layer 57 is deposited, and the via 30 is formed. Then, a conductive material layer 58 is deposited, and the fourth wiring layer 4 is patterned on the fourth insulator layer 57. In this way, the wiring layers are connected by vias, and a spiral structure is formed that is wound clockwise with the horizontal direction as an axis with respect to the semiconductor substrate. Specifically, the second wiring layer 2 and the third wiring layer 3 are connected by the via 22, the first wiring layer 1 and the third wiring layer 3 are connected by the via 11 and the via 21, and the first wiring layer 1 And the fourth wiring layer 4 are connected by the via 10, the via 20, and the via 30. As described above, the spiral structure of the on-chip inductor according to the present invention is configured by using a multilayer substrate and vias each including a large number of insulator layers and wiring layers.
各配線層は、同じレベルに左巻スパイラル構造の配線層もあり、右巻スパイラル構造と同様にビアによりそれぞれ接続され、半導体基板に対して水平方向を軸に左巻に巻かれるスパイラル構造が形成される。そして、右巻スパイラル構造の中心端である第2配線層2と、左巻スパイラル構造の中心端(図示せず)が同レベルのところで接続されるように第2配線層がパターンニングされている。 Each wiring layer also has a left-handed spiral structure wiring layer at the same level, and is connected by vias in the same way as the right-handed spiral structure, forming a spiral structure that is wound left-handed around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate Is done. The second wiring layer is patterned so that the second wiring layer 2 that is the center end of the right-handed spiral structure and the center end (not shown) of the left-handed spiral structure are connected at the same level. .
図4を用いて、各配線層の配線パターンを説明する。図4(a)は、右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造の巻軸が等しく、各スパイラル構造が半導体基板に対して垂直平面内に巻かれるようにパターンニングされた、本発明のオンチップインダクタの各配線層の配線パターンを示す上面模式図である。本発明のオンチップインダクタは、基本的に4つの配線層から構成され、各配線層の配線パターンは図示のように右巻スパイラル構造用の配線と左巻スパイラル構造用の配線の配線長が等しくなるようにパターンニングされ、ビアが所定位置に設けられる。このように、配線1〜配線4で構成される右巻スパイラル構造と、配線1’〜配線4’で構成される左巻スパイラル構造が絶縁体層上に形成される。なお、上述のように、第2配線層と第3配線層の間は、十分な距離を設けることが好ましい。 A wiring pattern of each wiring layer will be described with reference to FIG. FIG. 4A shows an on-chip inductor according to the present invention in which the winding axes of the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure are equal and each spiral structure is patterned so as to be wound in a vertical plane with respect to the semiconductor substrate. It is an upper surface schematic diagram which shows the wiring pattern of each wiring layer. The on-chip inductor of the present invention is basically composed of four wiring layers, and the wiring pattern of each wiring layer has the same wiring length for the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure as shown in the figure. The vias are provided at predetermined positions. Thus, the right-handed spiral structure composed of the wirings 1 to 4 and the left-handed spiral structure composed of the wirings 1 ′ to 4 ′ are formed on the insulator layer. As described above, it is preferable to provide a sufficient distance between the second wiring layer and the third wiring layer.
図4(b)は、右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造が接続される第2層目の配線層の配線パターンが非対称形になっており、オンチップインダクタが入出力非対称になっている配線パターンを示す上面模式図である。同図のように、入出力非対称なインダクタであっても勿論構わない。 FIG. 4B shows a wiring in which the wiring pattern of the second wiring layer to which the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure are connected is asymmetrical, and the on-chip inductor is asymmetrical between input and output. It is an upper surface schematic diagram which shows a pattern. Of course, an input / output asymmetric inductor may be used as shown in FIG.
このように構成されたオンチップインダクタと従来のソレノイド型インダクタとの相互インダクタンスの影響について、図5を用いて説明する。図5は、従来のソレノイド型インダクタと本発明のインダクタにおける、相互インダクタンスの影響を説明するための図であり、図5(a)が従来のソレノイド型インダクタの模式的な斜視図及びその配線部分の断面図、図5(b)が本発明のインダクタの斜視図及びその配線部分の断面図である。図示のように、本発明の配線は、巻軸方向から見てスパイラル構造を流れる電流の向きが等しく、図5(b)に示すように各配線がそれぞれ近傍に位置している。したがって、図5(a)に示す従来のソレノイド型インダクタのように一列に並んでいる配線に比べて、本発明では各配線を近傍に位置させているため、1本に対して3本の配線による相互インダクタンスを大きくすることが可能となる。 The influence of the mutual inductance between the on-chip inductor thus configured and the conventional solenoid inductor will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining the influence of mutual inductance in the conventional solenoid type inductor and the inductor of the present invention. FIG. 5A is a schematic perspective view of the conventional solenoid type inductor and its wiring portion. FIG. 5B is a perspective view of the inductor of the present invention and a cross-sectional view of the wiring portion thereof. As shown in the figure, the wiring of the present invention has the same direction of the current flowing through the spiral structure when viewed from the winding axis direction, and each wiring is located in the vicinity as shown in FIG. Therefore, as compared with the wiring arranged in a line as in the conventional solenoid type inductor shown in FIG. 5A, in the present invention, each wiring is located in the vicinity, so that three wirings per one. The mutual inductance due to can be increased.
図1に示したスパイラル型、メアンダ型、ソレノイド型のインダクタと、本発明のインダクタの各特性のシミュレーション結果を表1に示す。表1から分かるように、本発明のインダクタは、最もチップ占有面積が少ない。また、チップ占有面積が少ないにもかかわらず、インダクタンスLは十分に得ることが可能であり、チップ占有面積が小さいことにより、基板抵抗によるQ値の減少も防ぐことが可能である。さらに、自己共振周波数も十分高い特性が得られることが分かる。 Table 1 shows the simulation results of the characteristics of the spiral type, meander type, and solenoid type inductors shown in FIG. As can be seen from Table 1, the inductor of the present invention has the smallest chip occupation area. Further, although the chip occupation area is small, the inductance L can be sufficiently obtained, and since the chip occupation area is small, it is possible to prevent the Q value from being reduced due to the substrate resistance. Furthermore, it can be seen that a sufficiently high characteristic can be obtained for the self-resonant frequency.
なお、より大きなインダクタンスを得たい場合には、チップ占有面積はそのままでも電流の流れる向きが等しい配線間の距離を狭くしたり、電流の流れる向きが異なる配線間の距離を広くしたりすれば良い。さらに、巻数を増やしたり、配線長を長くしたりすることでもインダクタンスを向上可能である。また、配線材料に、低抵抗率物質、例えば金や銅を用いたり、配線の幅や厚みを大きくしたりすることで、Q値を向上することも可能である。さらに、配線間に磁性体や低誘電体からなる絶縁体層を設けることで、インダクタンスやQ値、自己共振周波数を向上させることも可能である。 In order to obtain a larger inductance, the distance between wirings with the same direction of current flow can be reduced even if the chip occupation area remains the same, or the distance between wirings with different current flow directions can be increased. . Further, the inductance can be improved by increasing the number of turns or increasing the wiring length. Further, the Q value can be improved by using a low resistivity substance such as gold or copper as the wiring material or by increasing the width or thickness of the wiring. Furthermore, it is possible to improve inductance, Q value, and self-resonance frequency by providing an insulating layer made of a magnetic material or a low dielectric material between wirings.
ここで、本発明のスパイラル構造の巻数を増やす例を、図6及び図7を用いて説明する。図6は、本発明のオンチップインダクタの変形例であり、スパイラル構造を複数設けた例を説明するための模式的な斜視図である。図示のように、この例では各スパイラル構造が対面するように配置され、半導体基板に対して水平方向を軸に巻かれる右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造を2個ずつ交互に4個設けたものである。右巻スパイラル構造に隣り合う左巻スパイラル構造は中心端で接続され、その反対側で隣り合う右巻スパイラル構造とは外側端で接続され、一連に繋がるように構成されている。これによりインダクタンスの向上が図れる。しかも、この場合でもチップ占有面積は従来の例に比べて小さくすることが可能である。 Here, an example of increasing the number of turns of the spiral structure of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a schematic perspective view for explaining an example in which a plurality of spiral structures are provided, which is a modification of the on-chip inductor of the present invention. As shown in the figure, in this example, the spiral structures are arranged so as to face each other, and four right-handed spiral structures and two left-handed spiral structures that are wound around the semiconductor substrate in the horizontal direction are provided alternately. Is. The left-handed spiral structure adjacent to the right-handed spiral structure is connected at the center end, and the right-handed spiral structure adjacent to the right-handed spiral structure on the opposite side is connected at the outer end to be connected in series. As a result, the inductance can be improved. In addition, even in this case, the chip occupation area can be made smaller than in the conventional example.
さらに、図7に示すように、右巻スパイラル構造及び左巻スパイラル構造自体の巻数を増やすことも可能である。図2等に示す本発明のスパイラル構造では、1巻以上、具体的には1.5巻のスパイラルとなっているが、図7のオンチップインダクタの場合、それ以上の2.5巻のスパイラル構造となっている。このように巻数を増やすことも可能である。ただし、スパイラルの中心付近では、反対方向に電流が流れる配線同士の間隔が狭くなるため、相互インダクタンスを打ち消してしまわないように、間隔が十分に開くように構成することが好ましい。 Further, as shown in FIG. 7, the number of turns of the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure itself can be increased. In the spiral structure of the present invention shown in FIG. 2 and the like, the spiral is one or more turns, specifically 1.5 turns, but in the case of the on-chip inductor of FIG. It has a structure. It is also possible to increase the number of turns in this way. However, in the vicinity of the center of the spiral, the interval between the wirings through which current flows in the opposite direction is narrowed. Therefore, it is preferable that the interval be sufficiently wide so as not to cancel the mutual inductance.
次に、本発明のオンチップインダクタのスパイラル構造の他の変形例を説明する。図8は、本発明のオンチップインダクタの他の変形例の各配線層の配線パターンを説明するための上面模式図である。この例では、配線1〜配線4で構成される右巻スパイラル構造と配線1’〜配線4’で構成される左巻スパイラル構造とが、巻軸は一致しているが、各スパイラル構造が、それぞれ平面内で巻かれておらず、中心に行くに従い右巻スパイラル構造と左巻スパイラル構造が互いに近づくように巻かれている。これにより、各配線間の寄生容量を減少させることが可能となり、自己共振周波数を高くすることが可能となる。ただし、相互インダクタンスは減少するため、Q値も減少してしまう。したがって、これらの構成は用途に応じて種々選択すれば良い。 Next, another modification of the spiral structure of the on-chip inductor of the present invention will be described. FIG. 8 is a schematic top view for explaining a wiring pattern of each wiring layer according to another modification of the on-chip inductor of the present invention. In this example, the right-handed spiral structure composed of the wiring 1 to the wiring 4 and the left-handed spiral structure composed of the wiring 1 ′ to the wiring 4 ′ have the same winding axis. Each is not wound in a plane, and the right-handed spiral structure and the left-handed spiral structure are wound closer to each other toward the center. As a result, the parasitic capacitance between the wirings can be reduced, and the self-resonance frequency can be increased. However, since the mutual inductance decreases, the Q value also decreases. Therefore, these configurations may be variously selected depending on the application.
さらに、図9(a)に示すように、半導体基板に垂直な平面内で巻かれるが、各スパイラル構造の巻軸が一致せず、オフセットされた構成であっても良い。このように構成した場合でも、Q値やインダクタンスとのトレードオフはあるものの、自己共振周波数を高くすることが可能となる。さらに、図9(b)に示すように、非平面内で巻かれ、巻軸も一致しないように各スパイラル構造を構成しても良い。 Furthermore, as shown in FIG. 9A, the winding is performed in a plane perpendicular to the semiconductor substrate. However, the winding axes of the spiral structures may not coincide with each other and may be offset. Even in such a configuration, the self-resonance frequency can be increased although there is a trade-off with the Q value and the inductance. Furthermore, as shown in FIG. 9B, each spiral structure may be configured so that it is wound in a non-planar manner and the winding axes do not coincide.
以上説明したように、本発明のオンチップインダクタでは、チップ占有面積を小さくすることができるため、配線と半導体基板間の対向面積を小さくすることが可能であり、さらにその距離を広く取ることが可能なため、自己共振周波数を高くすることが可能である。また、半導体基板に対して水平方向を軸に巻かれるスパイラル構造であるため、垂直方向を軸に巻かれた場合と異なり、磁束が基板で打ち消されてしまうというようなことが起きず、半導体基板の導電性に対してQ値の影響は受けにくいものとなる。 As described above, in the on-chip inductor of the present invention, the chip occupation area can be reduced, so that the facing area between the wiring and the semiconductor substrate can be reduced, and the distance can be increased. Since it is possible, the self-resonant frequency can be increased. Also, since the spiral structure is wound around the semiconductor substrate in the horizontal direction, unlike the case where the substrate is wound around the vertical direction, the magnetic flux is not canceled by the substrate. It becomes difficult to be influenced by the Q value with respect to the conductivity.
なお、本発明のオンチップインダクタ及びその製造方法は、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、上述の例では、本発明のオンチップインダクタは多層基板や再配線層に設けることを説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばMEMS技術により3次元配線で構成しても構わない。 Note that the on-chip inductor and the manufacturing method thereof according to the present invention are not limited to the illustrated examples described above, and it is needless to say that various changes can be made without departing from the gist of the present invention. For example, in the above-described example, the on-chip inductor of the present invention is provided on a multilayer substrate or a rewiring layer. However, the present invention is not limited to this, and may be configured with three-dimensional wiring by, for example, MEMS technology. Absent.
1,1’ 第1配線層
2,2’ 第2配線層
3,3’ 第3配線層
4,4’ 第4配線層
10,11,20,21,22,30,10’,11’,20’,21’,22’,31’ ビア
50 半導体基板
1, 1 '1st wiring layer 2, 2' 2nd wiring layer 3, 3 '3rd wiring layer 4, 4' 4th wiring layer 10, 11, 20, 21, 22, 30, 10 ', 11', 20 ', 21', 22 ', 31' Via 50 Semiconductor substrate
Claims (17)
半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く右巻に巻かれる右巻スパイラル構造と、
前記右巻スパイラル構造に対面するように配置され、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く左巻に巻かれる左巻スパイラル構造と、
前記右巻スパイラル構造の中心端と前記左巻スパイラル構造の中心端とが接続される接続部、又は、前記右巻スパイラル構造の外側端と前記左巻スパイラル構造の外側端とが接続される接続部と、
を具備することを特徴とするインダクタ。 An inductor formed on a semiconductor substrate, the inductor comprising:
A right-handed spiral structure wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate;
A left-handed spiral structure that is disposed so as to face the right-handed spiral structure and is wound left-handed more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate;
A connection portion where the center end of the right-handed spiral structure and the center end of the left-handed spiral structure are connected, or a connection where the outer end of the right-handed spiral structure and the outer end of the left-handed spiral structure are connected And
An inductor comprising:
前記半導体基板上に、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く右巻に巻かれる右巻スパイラル構造を提供する過程と、
前記右巻スパイラル構造に対面するように配置され、半導体基板に対して水平方向を軸に1巻より多く左巻に巻かれる左巻スパイラル構造を提供する過程と、
を具備し、
前記右巻スパイラル構造を提供する過程及び左巻スパイラル構造を提供する過程は、
前記半導体基板上に直接又は間に他の層を介して、第1絶縁体層を形成する過程と、
前記第1絶縁体層上に、第1配線層を形成する過程と、
前記第1配線層上に、第2絶縁体層を形成する過程と、
前記第2絶縁体層内に、第1ビアを形成する過程と、
前記第2絶縁体層上に、第2配線層を形成する過程と、
前記第2配線層上に、第3絶縁体層を形成する過程と、
前記第3絶縁体層内に、第2ビアを形成する過程と、
前記第3絶縁体層上に、第3配線層を形成する過程と、
前記第3配線層上に、第4絶縁体層を形成する過程と、
前記第4絶縁体層内に、第3ビアを形成する過程と、
前記第4絶縁体層上に、第4配線層を形成する過程と、
を具備し、
各前記第1乃至第4配線層は、
前記第2配線層と第3配線層間が、前記第2ビアで接続され、
前記第1配線層と第3配線層間が、前記第1ビアと第2ビアとで接続され、
前記第1配線層と第4配線層間が、前記第1ビアと第2ビアと第3ビアとで接続され、
前記右巻スパイラル構造の中心端と前記左巻スパイラル構造の中心端とが接続され、又は、前記右巻スパイラル構造の外側端と前記左巻スパイラル構造の外側端とが接続される、
ように、パターンニングされる、
ことを特徴とするインダクタの製造方法。 A method of forming an inductor on a semiconductor substrate, the method comprising:
Providing a right-handed spiral structure on the semiconductor substrate, the right-handed winding being wound more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate;
Providing a left-handed spiral structure that is arranged to face the right-handed spiral structure and is wound left-handed more than one turn around the horizontal direction with respect to the semiconductor substrate;
Comprising
The process of providing the right-handed spiral structure and the process of providing the left-handed spiral structure are as follows:
Forming a first insulator layer directly or between other layers on the semiconductor substrate;
Forming a first wiring layer on the first insulator layer;
Forming a second insulator layer on the first wiring layer;
Forming a first via in the second insulator layer;
Forming a second wiring layer on the second insulator layer;
Forming a third insulator layer on the second wiring layer;
Forming a second via in the third insulator layer;
Forming a third wiring layer on the third insulator layer;
Forming a fourth insulator layer on the third wiring layer;
Forming a third via in the fourth insulator layer;
Forming a fourth wiring layer on the fourth insulator layer;
Comprising
Each of the first to fourth wiring layers is
The second wiring layer and the third wiring layer are connected by the second via,
The first wiring layer and the third wiring layer are connected by the first via and the second via,
The first wiring layer and the fourth wiring layer are connected by the first via, the second via, and the third via,
The center end of the right-handed spiral structure and the center end of the left-handed spiral structure are connected, or the outer end of the right-handed spiral structure and the outer end of the left-handed spiral structure are connected,
So that it is patterned,
An inductor manufacturing method characterized by the above.
第5配線層を形成する過程と、
前記第5配線層上に、第5絶縁体層を形成する過程と、
前記第5絶縁体層内に、第4ビアを形成する過程と、
前記第5絶縁体層上に、第6配線層を形成する過程と、
を具備し、
各前記第2配線層、第5配線層及び第6配線層は、
前記第5配線層と第6配線層間が、前記第4ビアで接続され、
前記第2配線層と第6配線層間が、前記第2ビアと第4ビアで接続される、
ように、パターンニングされる、
ことを特徴とするインダクタの製造方法。 17. The method according to any one of claims 13 to 16, wherein the step of forming the third insulator layer further includes
Forming a fifth wiring layer;
Forming a fifth insulator layer on the fifth wiring layer;
Forming a fourth via in the fifth insulator layer;
Forming a sixth wiring layer on the fifth insulator layer;
Comprising
Each of the second wiring layer, the fifth wiring layer, and the sixth wiring layer is
The fifth wiring layer and the sixth wiring layer are connected by the fourth via,
The second wiring layer and the sixth wiring layer are connected by the second via and the fourth via;
So that it is patterned,
An inductor manufacturing method characterized by the above.
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