JP2006261536A

JP2006261536A - 半導体装置

Info

Publication number: JP2006261536A
Application number: JP2005079433A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Bairo; 正昭場色
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】半導体基板にトランスを形成した半導体装置において、磁束の漏洩を防止して、漏れ磁束に起因した不具合の発生を防止可能とした半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体基板上に積層した第１の絶縁層に設けた金属線と、この第１の絶縁層上にさらに積層した第２の絶縁層に設けた金属線とを上下方向に電気的に接続することにより螺旋状に配線して形成した第１の螺旋体と、この第１の螺旋体と同様に螺旋状に配線して形成した第２の螺旋体と、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間に、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を形成した中間絶縁層を設けて構成したトランスを備えた半導体装置であって、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を互いに接続して無端とする。磁性体は、中間絶縁層の透磁率よりも大きい透磁率を有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置に関するものであり、特にトランスを備えた半導体装置に関するものである。

従来、電子機器ではスイッチングレギュレータなどの直流電源回路を装備しており、このような直流電源回路には、交流電源から供給された交流電力を整流するダイオードブリッジなどの全波整流回路や、この全波整流回路から出力された電力を平滑化させる平滑回路などを設けている。

このような電子機器では常にさらなる小型化の要求があり、この小型化の要求に対応するために直流電源回路も小型化する必要がある。この小型化の一手法として、従来、ガラスエポキシ基板などの絶縁基板で構成したモジュール基板に所要の電子部品を装着して構成した直流電源回路を半導体基板で実現することにより、直流電源回路のさらなる小型化が可能である。

半導体基板で直流電源回路を構成しようとした場合には、半導体基板上にトランスを構成する必要があり、しかも、交流電力を高効率で伝達可能としたトランスを形成する必要がある。

このように半導体基板にトランスを形成する方法として、半導体基板上に２つのスパイラルインダクタを並列させて形成する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

スパイラルインダクタは、半導体基板上に設けた所要の半導体層の上面に螺旋状に巻き回した螺旋状配線を設けるとともに、この螺旋状配線の螺旋形状の略中央部分に磁性材料からなる芯部を設けて構成しており、一方のスパイラルインダクタを一次コイルとし、他方のスパイラルインダクタを二次コイルとして、一次コイルと二次コイルとを磁気的に結合させてトランスを形成可能としている。
特開２００１−２８４５３３号公報

しかしながら、スパイラルインダクタを用いてトランスを構成した場合には、スパイラルインダクタの芯部に生じる磁束の向きが半導体基板の厚み方向となることによって、磁束の漏れを防止する構成とすることが困難であり、しかも、漏れた磁束によって半導体基板に渦電流が生じるおそれがあり、半導体基板に構成した他の回路中の電気信号と緩衝して、回路の誤動作を生じさせるおそれがあった。

本発明者はこのような現状に鑑み、磁束の漏洩を防止して、漏れ磁束に起因した不具合の発生を防止可能としたトランスを半導体基板に構成すべく研究開発を行い、本発明を成すに至ったものである。

本発明のトランスを備えた半導体装置では、半導体基板上に積層した第１の絶縁層に設けた金属線と、この第１の絶縁層上にさらに積層した第２の絶縁層に設けた金属線とを上下方向に電気的に接続することにより螺旋状に配線して形成した第１の螺旋体と、この第１の螺旋体と同様に螺旋状に配線して形成した第２の螺旋体と、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間に、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を形成した中間絶縁層を設けて構成したトランスを備えた半導体装置であって、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を互いに接続して無端とした。

さらに、以下の点にも特徴を有するものである。すなわち、
（１）磁性体は、中間絶縁層の透磁率よりも大きい透磁率を有すること。
（２）第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体には、３つ以上の端子を設けたこと。
（３）第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体には、螺旋の巻数を調整する調整手段を設けたこと。

請求項１記載の発明によれば、半導体基板上に積層した第１の絶縁層に設けた金属線と、この第１の絶縁層上にさらに積層した第２の絶縁層に設けた金属線とを上下方向に電気的に接続することにより螺旋状に配線して形成した第１の螺旋体と、この第１の螺旋体と同様に螺旋状に配線して形成した第２の螺旋体と、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間に、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を形成した中間絶縁層を設けて構成したトランスを備えた半導体装置であって、第１の螺旋体及び第２の螺旋体を貫く磁性体を互いに接続して無端としたことによって、磁性体を輪状の閉曲線とすることができるので磁束の漏れが生じることを防止でき、トランスの効率を向上させることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の半導体装置において、中間絶縁層の透磁率よりも大きい透磁率を有する磁性体を用いることによって、磁束の漏れを確実に防止できる。

請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体には、３つ以上の端子を設けたことによって、複数種類の電圧を出力可能とすることができる。

請求項４記載の発明によれば、請求項１または請求項２に記載の半導体装置において、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体には、螺旋の巻数を調整する調整手段を設けたことによって、製造工程中に生じたバラツキによる出力電圧のバラツキを抑制でき、所望の出力電圧を精度よく出力可能とすることができる。

本発明の半導体装置は、半導体基板上に１の螺旋体と、第２の螺旋体と、この第１の螺旋体と第２の螺旋体をその延設方向に貫く無端の環状とした磁性体とからなるトランスを備えた半導体装置であり、半導体装置内にトランスを設けることによって、直流電源回路を半導体基板に形成して、直流電源装置の小型化を図ることができる。

また、トランスを必要とするその他の回路、たとえば移動体通信分野における高周波回路、スイッチング電源で使用される高周波トランスを用いる回路、発振用トランスを用いる回路、オーディオ機器などにおけるオーディオ用トランスを用いる回路、パルストランスを用いる回路などの小型化を図ることができる。

特に、第１の螺旋体と第２の螺旋体は、所定の金属線を設けた第１絶縁層上に所定の金属線を設けた第２絶縁層を積層し、第１の絶縁層の金属線と第２の絶縁層の金属線を電気的に接続することによって螺旋状の配線を行って形成するとともに、第１の絶縁層と第２の絶縁層の間には磁性体を形成した中間絶縁層を介設することにより極めて容易に、かつ精度よくトランスを構成できる。

また、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体によって生起される磁束は、半導体装置を構成する半導体基板の平面と略平行に生起されるので、この磁束によって生起された渦電流が他の回路中の電気信号と緩衝するおそれのある領域を、ほとんどの場合、半導体基板の厚み方向の領域として、渦電流の生成による影響を比較的小さくすることができる。

さらに、中間絶縁層に形成する磁性体は、中間絶縁層の透磁率よりも大きい透磁率を有するようにしていることによって、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体で生起した磁束を磁性体に閉じこめやすくして磁束の漏れを生じにくくすることができ、エネルギー損失の少ないトランスとすることができる。

このトランスにおいて、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体に３つ以上の端子を設けることによって、複数種類の電圧を出力可能とすることができる。

また、第１の螺旋体及び／または第２の螺旋体には、螺旋の巻数を調整する調整手段を設けておくことにより、製造バラツキに起因した出力電圧のバラツキを調整手段によって調整でき、所望の出力電圧を精度よく出力可能とすることができる。

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。

図１は、本実施形態の半導体装置のトランス部分を示した概略模式図である。図１に示すように、半導体基板上に第１螺旋体10と第２螺旋体20とをそれぞれ形成し、各螺旋体10,20の内部を螺旋体の延設方向に貫いて磁性体30を無端の環状に設けることによりトランスを構成している。

本実施形態では、第１螺旋体10を一次コイル、第２螺旋体20を二次コイルとしており、図１中、10aは第１入力端子、10bは第２入力端子、20aは第１出力端子、20bは第２出力端子である。

このように、第１螺旋体10と第２螺旋体20とに磁性体30を貫通させることにより、第１螺旋体10と第２螺旋体20との磁気的結合の結合度合いを向上させることができ、トランスの効率を飛躍的に向上させることができる。

特に、第１螺旋体10と第２螺旋体20は、後述するように複数の絶縁層を利用して形成しており、磁性体30は、第１螺旋体10と第２螺旋体20を形成するために積層した絶縁層の一つに環状に形成している。

したがって、磁性体30を通る磁束を半導体基板に対して平行とすることができ、この磁性体30中に生じた磁束が生起する渦電流による同一基板上に形成された他の回路への干渉を抑制できる。

他の実施形態として、図２に示すように、直線状とした磁性体30の一領域に第１螺旋体10と第２螺旋体20とを併設することもできる。

または、図３に示すように、たとえば二次コイルとして巻数の異なる複数の第２螺旋体20',20"を設け、いずれの第２螺旋体20',20"を使用するかによって出力電圧を選択可能とすることもできる。図３中、20'aは第２螺旋体20'の第１出力端子、20'bは第２螺旋体20'の第２出力端子、20"aは第２螺旋体20"の第１出力端子、20"bは第２螺旋体20"の第２出力端子である。

図３のトランスでは、二次コイル側に複数の第２螺旋体20',20"を設けているが、一次コイル側にも複数の第１螺旋体10を設けてもよい。

あるいは、図４に示すように、第２螺旋体20の所要の位置に３つ以上の複数の出力端子20cを接続して、いずれか２つの出力端子20cを選択することにより所要の出力電圧が得られるようにしてもよい。同様に、第１螺旋体10にも所要の位置に３つ以上の複数の入力端子10cを接続してもよい。

本実施形態のトランスにおける第２螺旋体20には、図５に回路図で示すように、第２螺旋体20の螺旋の巻数を調整する調整手段40を設けている。

調整手段40は、一端を第２螺旋体20に接続するとともに他端を第２出力端子20bに接続したヒューズ41を所定数並列に接続して構成しており、いずれか一つのヒューズ41以外のヒューズ41には所要の電圧を印加して切断することにより、所要の出力電圧を出力可能としている。

このように、調整手段40を設けたことによって、半導体製造技術を利用した第１螺旋体10及び第２螺旋体20、さらには磁性体30の形成におけるバラツキによって第２螺旋体20から出力される電圧に生じるバラツキを調整し、所要の電圧の出力を可能とすることができる。

以下において、図１に示したトランスの製造方法を説明する。図６〜図１２は、図１のＸ−Ｘ断面の模式図である。

まず、図６に示すように、半導体基板Ｂの表面には、減圧CVD法で50〜200nm程度の膜厚とした酸化膜を形成した後に、TEOS(Tetla-Ethyl-Ortho-Silicate)を原料としたHDP-CVD法(高密度プラズマ化学気相成長法)などで1500〜2500nm程度の膜厚とした酸化膜を形成し、さらにCMP(化学的機械的研磨)により表面を平坦化して第１絶縁層Z1を形成している。本実施形態では、半導体基板Ｂには、P型(100)シリコン基板を用いている。

次いで、第１絶縁層Z1の上面には、スパッタ法を用いてTiN/Ti/ALCu/Ti/TiN/Ti＝100〜200nm/5〜20nm/400〜600nm/5〜20nm/20〜40nm/5〜20nmと所要の金属膜を積層して、図６に示すように、第１金属層M1を形成している。

次いで、この第１金属層M1の上面にはレジストを塗布し、既知のフォトリソグラフィー技術により所要のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて第１金属層M1をドライエッチングすることにより下層金属線m1を形成している（図７参照）。

下層金属線m1の形成後、第１絶縁層Z1の上面にはHDP-CVD法(高密度プラズマ化学気相成長法)などで500〜1000nm程度の膜厚とした酸化膜からなる中間絶縁層Zmを形成している。この中間絶縁層ZmはCMP(化学的機械的研磨)を用いて平坦化している（図７参照）。

次いで、中間絶縁層Zmの上面にはレジストを塗布し、既知のフォトリソグラフィー技術により所要のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて中間絶縁層Zmをドライエッチングすることにより下層金属線m1の一部を露出させたコンタクトホールh1を形成している（図７参照）。

次いで、中間絶縁層Zmの上面にはスパッタ法を用いてTi/TiN/Ti＝15〜30nm/20〜50nm/15〜30nmと所要の金属膜を積層し、さらにスパッタ法を用いてタングステン膜を例えば400〜1000nm程度の膜厚となるように形成することによりコンタクトホールh1を埋め戻し、その後、ドライエッチングによる全面エッチバックを行うことにより、図７に示すように、コンタクトホールh1部分に第１メタルコンタクトC1を形成している。

第１メタルコンタクトC1の形成後、中間絶縁層Zmの上面にはスパッタ法を用いて鉄またはコバルトからなる磁性体膜（図示せず）を100〜1000nm程度の膜厚に形成し、この磁性体膜の上面に形成した所要のレジストパターンを用いて磁性体膜をドライエッチングすることにより、図８に示すように、環状の磁性体30を形成している。

磁性体30の形成後、中間絶縁層Zmの上面には、スパッタ法を用いてTiN/Ti/ALCu/Ti/TiN/Ti＝100〜200nm/5〜20nm/400〜600nm/5〜20nm/20〜40nm/5〜20nmと所要の金属膜を積層して、図９に示すように、第２金属層M2を形成している。

磁性体30と第２金属層M2とでエッチングの選択比が取れない場合は、酸化膜などの第２金属層M2と選択比のある材料で磁性体30をあらかじめ被覆しておくことが望ましい。

次いで、この第２金属層M2の上面にはレジストを塗布し、既知のフォトリソグラフィー技術により所要のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて第２金属層M2をドライエッチングすることにより中間金属線m2を形成している（図１０参照）。

中間金属線m2の形成後、中間絶縁層Zmの上面にはHDP-CVD法(高密度プラズマ化学気相成長法)などで500〜1000nm程度の膜厚とした酸化膜からなる第２絶縁層Z2を形成している。この第２絶縁層Z2はCMP(化学的機械的研磨)を用いて平坦化している（図１０参照）。

次いで、第２絶縁層Z2の上面にはレジストを塗布し、既知のフォトリソグラフィー技術により所要のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて第２絶縁層Z2をドライエッチングすることにより中間金属線m2の一部を露出させたコンタクトホールh2を形成している（図１０参照）。

次いで、第２絶縁層Z2の上面にはスパッタ法を用いてTi/TiN/Ti＝15〜30nm/20〜50nm/15〜30nmと所要の金属膜を積層し、さらにスパッタ法を用いてタングステン膜を例えば400〜1000nm程度の膜厚となるように形成することによりコンタクトホールh2を埋め戻し、その後、ドライエッチングによる全面エッチバックを行うことにより、図１０に示すように、コンタクトホールh2部分に第２メタルコンタクトC2を形成している。

第２メタルコンタクトC2の形成後、第２絶縁層Z2の上面にはスパッタ法を用いてTiN/Ti/ALCu/Ti/TiN/Ti＝100〜200nm/5〜20nm/400〜600nm/5〜20nm/20〜40nm/5〜20nmと所要の金属膜を積層して、図１１に示すように、第３金属層M3を形成している。

次いで、この第３金属層M3の上面にはレジストを塗布し、既知のフォトリソグラフィー技術により所要のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを用いて第３金属層M3をドライエッチングすることにより、図１２に示すように、上層金属線m3を形成している。

上層金属線m3の形成後、図１３に示すように、第２絶縁層Z2の上面にはHDP-CVD法(高密度プラズマ化学気相成長法)などで酸化膜を500〜1000nm程度の膜圧とした層間膜Z3を形成した後、オーバーコートZ4を施している。

このように、所要の絶縁層を積層しながら第１メタルコンタクトC1及び第２メタルコンタクトC2を用いて上下方向にも電気的に接続することにより、第１螺旋体10、第２螺旋体20を螺旋状に形成することができる。

他の実施形態として、図１４に示すように、磁性体30を設けた絶縁層を２回連続して形成することにより、磁性体30を二重に形成してもよく、さらに多重に形成してもよい。

また、他の実施形態として、図１５に示すように、磁性体30を絶縁膜に対して埋め込みによって形成するものであり、上記したように、下層金属線m1と第１メタルコンタクトC1を形成した中間絶縁層Zmの上面に中間金属線m2を形成した後、第２絶縁層Z2'を形成し、この第２絶縁層Z2'をパターンニングして第２メタルコンタクトC2を形成した後に、第２絶縁層Z2'を再度パターンニングして磁性体30'の埋込形成を行っているものである。

磁性体30'を埋め込むための開口を形成する場合には、ドライエッチングによって形成しており、このドライエッチングのストッパーをあらかじめ設けておくことが望ましく、本実施形態では、磁性体30'の埋込領域の下方側にも中間金属線m2を設けてストッパーとしている。

その後、再度、中間絶縁層Zmの製造工程を再度繰り返して二次下層金属線m1'と二次第１メタルコンタクトC1'を形成した中間絶縁層Zm'を形成し、上層金属線m3、第２絶縁層Z2、層間膜Z3、オーバーコートZ4を逐次形成している。

本発明に係る半導体装置のトランス部分の概略模式図である。他の実施形態の概略模式図である。他の実施形態の概略模式図である。他の実施形態の概略模式図である。調整手段の説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。本発明に係る半導体装置のトランス部分の製造工程説明図である。他の実施形態の製造工程説明図である。他の実施形態の製造工程説明図である。

符号の説明

10 第１螺旋体
20 第２螺旋体
30 磁性体
10a 第１入力端子
10b 第２入力端子
20a 第１出力端子
20b 第２出力端子
40 調整手段
41 ヒューズ

Claims

半導体基板上に積層した第１の絶縁層に設けた金属線と、この第１の絶縁層上にさらに積層した第２の絶縁層に設けた金属線とを上下方向に電気的に接続することにより螺旋状に配線して形成した第１の螺旋体と、
この第１の螺旋体と同様に螺旋状に配線して形成した第２の螺旋体と、
前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層の間に、前記第１の螺旋体及び前記第２の螺旋体を貫く磁性体を形成した中間絶縁層を設けて構成したトランスを備えた半導体装置であって、
前記第１の螺旋体及び前記第２の螺旋体を貫く磁性体を互いに接続して無端としたトランスを備えた半導体装置。
前記磁性体は、前記中間絶縁層の透磁率よりも大きい透磁率を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置。
前記第１の螺旋体及び／または前記第２の螺旋体には、３つ以上の端子を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。
前記第１の螺旋体及び／または前記第２の螺旋体には、螺旋の巻数を調整する調整手段を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置。