JP2007184483A - 集積化インダクタの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ヘリカル状の配線導体を複数層に亘って形成する場合に、その層数増加に伴うプロセス回数の増加を抑えて、全体に極めて少ないプロセスで、基板の厚み方向に延びるヘリカル状の配線導体からなる集積化インダクタを得る。
【解決手段】鋭角段差部Ｅａを備える所定深さのくぼみ１２を基板１１に形成し、この鋭角段差部を通る環状パターンＲＰを開口したレジスト膜を形成し、環状配線導体１６と環状絶縁層とを交互に形成してヘリカル状の配線導体を形成する。その後、環状パターン形成用レジスト膜を除去する。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば半導体基板上や絶縁体基板上に構成する集積化インダクタの製造方法に関するものである。

絶縁基板上に構成するインダクタ（インダクタンス素子）としては、基板上にスパイラル状に配線導体を形成し、内側の端部から何らかの絶縁手段を介してスパイラルの外側に導体を引き出すようにしたものがあった。また、線間容量の低減を目的として２層に亘ってスパイラル状の配線導体を形成したものが特許文献１に開示されている。

ここで特許文献１に示されているスパイラルインダクタについて図１を基に説明する。
図１（Ａ）はスパイラルインダクタの平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。絶縁体の基板１の上に１層目のスパイラルインダクタ２を形成し、その上部に２層目のスパイラルインダクタ４を、基板１上面の所定箇所に設けた複数の脚６によって支持し、中央部の接続用導体８を介して下部のスパイラルインダクタ２の中央部と電気的に接続している。
特開平５−１９０３３３号公報

ところが、図１に示したような従来のスパイラルインダクタでは、インダクタを構成する基板上の占有面積に対して得られるインダクタンスの値が小さいという問題、中心の空芯部分を広げると基板上の占有面積が大きくなるという問題、導体配線が内回りから外回りに向かうにつれて、その距離が長くなって高いＱ値が得られないという問題等があった。

一方、面積効率やＱ値の向上の面では配線導体をヘリカル状に形成することが好ましい。このようなヘリカル状のインダクタは、例えば多層基板を用いて各層ごとに一周分の配線導体を形成し、それを積層することによって配線導体をヘリカル状に厚み方向へ延ばすことによって構成できる。

しかし、半導体基板上にこのようなヘリカル状インダクタを構成したものは従来なかった。もちろん半導体基板上であっても、導電層と絶縁層を交互に積み重ねるようなプロセスを行えば不可能という訳ではない。しかし一周毎に導電層を層間で接続するためのプロセスが複雑となり、各層毎にレジスト膜形成・マスク露光・現像・導電層（または絶縁層）形成・レジスト膜除去といった一連のプロセスが必要となる。そのため従来技術では積層数の多いヘリカル状のインダクタを半導体基板上に構成することは実質上不可能であった。

そこでこの発明の目的は、ヘリカル状の配線導体を複数層に亘って形成する場合に、その層数増加に伴うプロセス回数の増加を抑えて、全体に極めて少ないプロセスで、基板の厚み方向に延びるヘリカル状の配線導体からなる集積化インダクタを得るものである。

この発明の集積化インダクタの製造方法は、
鋭角もしくは直角の段差部を備える所定深さのくぼみを基板に形成するくぼみ形成工程と、
前記くぼみの鋭角もしくは直角の段差部を通るとともに前記くぼみの内外を通る環状の領域を開口した環状パターン形成用レジスト膜を前記基板に形成する工程と、
前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で配線が不連続となるように配線導体を形成する環状配線導体形成工程と、
前記環状配線導体形成工程に続いて、前記くぼみの深さから前記環状配線導体の厚みを差し引いた厚さの絶縁層を前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で絶縁層が不連続となるように形成する環状絶縁層形成工程と、
前記環状絶縁層形成工程に続いて、前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で配線が不連続となるように配線導体を形成するとともに、当該配線導体の前記段差部の下面に位置する端部を下層の配線導体の前記段差部の上に位置する端部に導通させる上層環状配線導体形成工程と、
前記配線導体および前記絶縁層の形成後、前記環状パターン形成用レジスト膜を前記基板から除去する環状パターン形成用レジスト膜除去工程と、を備える。

また、前記環状絶縁層形成工程と前記上層環状配線導体形成工程とを交互に繰り返して、所定層数の前記配線導体を形成する。

前記環状絶縁層形成工程でその下層の環状配線導体の前記段差部の上に位置する端部に絶縁膜が形成される場合には、その絶縁膜を除去する。

前記上層環状配線導体形成工程でその下層の環状絶縁層の前記段差部の上に位置する端部に導体膜が形成される場合には、その導体膜を除去する。

また、基板上に２つの引出導体を設ける場合、前記基板上に下部引出導体および上部引出導体を含む導体配線を形成する工程と、
前記環状パターン形成用レジスト膜除去工程の後、前記環状絶縁層形成工程による最上層の前記絶縁層の高さまたは前記上層環状配線導体形成工程による最上層の配線導体の高さまで前記基板のほぼ全面に上部配線導体形成用のレジスト膜を形成する工程と、
前記上部配線導体形成用のレジスト膜の上面に、前記最上層の配線導体の端部と前記上部引出導体との間を導通させる上部配線導体を形成する工程と、
前記上部配線導体を形成した後、前記上部配線導体形成用のレジスト膜を除去する工程と、を備える。

また、前記上層環状配線導体形成工程より後の工程で前記絶縁層を除去する工程を備える。

この発明によれば次のような効果を奏する。
基板に形成した環状パターン形成用レジスト膜の上から環状配線導体と環状絶縁層を交互に形成するようにしたことによって、従来のようにレジスト膜形成・マスク露光・現像・配線導体または絶縁層の形成・レジスト膜除去といった一連のプロセスを環状配線導体や環状絶縁層の形成毎に繰り返す必要がなく、少なくとも厚み方向に延びるヘリカル状の配線導体部分を形成する際には、レジスト膜形成・マスク露光・現像・レジスト膜除去というプロセスは１回で済み、全体に少ない工程数で安価に製造できる。

また所定層数の環状配線導体および環状絶縁層を形成した後、基板のほぼ全面に配線導体形成用レジスト膜を形成し、その上面に最上層の配線導体の端部と上部引出導体との間を導通させる上部配線導体を形成した後、上部配線導体形成用レジスト膜を除去することによって、基板上に構成する他の回路との電気的接続を行えるようになる。

また、前記上層環状配線導体形成工程より後の工程で環状配線導体間の絶縁層を除去すれば、環状配線導体間の層間容量が低下するため、よりＱ値の高いインダクタが構成できる。

〈第１の実施形態〉
第１の実施形態に係る集積化インダクタの構造とその製造方法について図２〜図５を基に説明する。
図５は完成した集積化インダクタの構造を示す図であり、（Ｂ）はその平面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。基板１１は半導体基板または絶縁体基板であり、その上面に２つのくぼみ１２，１３を備えている。この例ではこの２つのくぼみ１２，１３の形成領域を通る環状配線導体１６および上層環状配線導体１８を形成している。基板１１には下部引出導体１５を形成していて、環状配線導体１６の一端がこの下部引出導体１５に導通している。環状配線導体１６の他端はその１つ上部の上層環状配線導体１８ａの一端に導通している。この上層環状配線導体１８ａの他端はその１つ上部の上層環状配線導体１８ｂの一端に導通している。このように順次複数の上層環状配線導体が導通していて、最上層の上層環状配線導体１８ｃの端部に引出導体１９を接続している。

図５に示したインダクタ２０のさらに詳細な構成およびその製造方法について以降順次説明する。

図２は基板の構造と環状パターンについて示す図である。この図２に示すように、基板１１の上面には底面（内部）が平坦で周囲に段差部を有する２つのくぼみ１２，１３を形成している。この２つのくぼみを通る環状パターンＲＰに沿って環状配線導体１６を形成している。くぼみ１２の周囲の段差部のうち丸印Ｅａで示す箇所は鋭角（断面形状が逆テーパー状）の段差部、丸印Ｅｏで示す部分は鈍角（断面形状がテーパー状）の段差部である。また、くぼみ１３の段差部は全周囲に亘って鈍角であり、丸印Ｅｏで示す部分は鈍角の段差部である。

この図２では基板１１上に下部引出導体１５および環状配線導体１６を形成した状態のみを示している。（後に示すレジスト膜等はここでは図示していない。）下部引出導体１５はくぼみ１２の底面に形成している。この下部引出導体１５は他の回路に接続されるので、このくぼみ１２の外方へ延びるが、ここでは説明上、下部引出導体１５の端部をくぼみ１２の底面部分で止めている。

環状配線導体１６の一方端（始端）は下部引出導体１５から延び、図２（Ａ）において右回りに延びてその他方端（終端）は上記くぼみの鋭角段差部Ｅａで終わっている。

図２（Ｂ）に示すように、環状配線導体１６の一方端の高さと他方端の高さはくぼみ１２の段差分だけ異なっているので、環状配線導体１６の一方端と他方端とはこの鋭角段差部で分離されている。

図３は上記集積化インダクタの製造工程順の各工程での状態を示す断面図である。また図４は図３に続く工程での断面図である。これらの断面図は全て図５（Ｂ）のＡ−Ａ部分および図２（Ａ）のＡ−Ａ部分での断面図である。

（１）図３（Ａ）に示す基板１１は例えばシリコン基板やＧａＡｓ基板であり、三辺が鈍角段差部、一辺が鋭角段差部であるくぼみ１２と、四辺が鈍角段差部であるくぼみ１３を形成する。くぼみ１２のように、鋭角段差部と鈍角段差部の両方を有するくぼみはエッチングを２回に分けて行う。例えばくぼみ１２の形成領域に四辺の段差部が鋭角（断面逆テーパー形状）のくぼみをドライエッチングにより形成し、続いてくぼみ１２の三辺部分の段差部が鈍角となるように、その部分をウエットエッチングする。

上記２回のエッチングのいずれも、基板１１上にレジスト膜の塗布・マスク露光・現像・エッチングの工程で行い、レジスト膜はアセトンなどにより除去する。
ここまでがくぼみ形成工程である。

なお、くぼみ１３については環状配線導体の一方端と中央部付近との高さを同じにするために形成しているだけであり、このくぼみ１３が無くて単に平坦であってもよい。

（２）図３では示していないが、次に基板１１上に下部引出導体１５を形成する。例えば他の配線パターンと同時に通常のフォトリソグラフィにより形成する。

（３）次に、図３（Ｂ）に示すように、環状パターン形成用レジスト膜１４を基板１１上に形成する。すなわち図２に示した。環状パターンＲＰの開口を有する（環状パターンＲＰの内側と外側にレジスト膜が存在するように）レジスト膜を形成する。具体的には基板１１上の全面に厚膜加工用のレジスト膜を所定厚さでスピンナーコーティングし、マスク露光・現像・エッチングの各工程によってレジスト膜のパターニングを行う。この環状パターン形成用レジスト膜１４の厚みはレジスト膜上の成膜材料とリフトオフ法で除去可能なようにインダクタの厚さ以上とする。

（４）その後、基板上の上側表面にＴｉ膜を下地として成膜し、その表面にＡｕ膜を成膜することによって、環状パターンＲＰに沿った（Ｔｉ＋Ａｕ）膜からなる環状配線導体１６を形成する。この工程が環状配線導体形成工程である。

上記環状配線導体１６の形成に際して、リフトオフが可能なほど、垂直方向に成膜できる、蒸着装置やスパッタリング装置等を用いて（Ｔｉ＋Ａｕ）膜を成膜する。このとき段差部の側面に導体膜が殆ど付着しないので、図２に示したように、くぼみ１２の鋭角段差部Ｅａ部分で環状配線導体１６の始端と終端が連続することはない。

また、上記環状配線導体形成工程において、垂直成膜性が不完全で、くぼみ１２の鋭角段差部の側面にも導体膜または絶縁膜が形成されてしまう場合には、別のチャンバーに移してドライエッチングまたはウエットエッチングすること等により、その側面の導体膜または絶縁膜を除去すればよい。このような処理を行う場合にも環状パターン形成用レジスト膜１４はそのまま用いればよく、複数枚のマスクを準備する必要はない。

（５）次に、図３（Ｃ）に示すようにＳｉＯ2膜を成膜することによって環状絶縁層１７を形成する。この時の絶縁層１７の厚みは、図に示したくぼみ１２の深さから環状配線導体１６の厚み分を差し引いた厚さとする。したがってくぼみ１２内の絶縁層１７の上面は基板１１の上面と同一高さである。この工程が環状絶縁層形成工程である。

このとき、段差部Ｅａの上に位置している環状配線導体１６の端部にも絶縁膜が薄く形成されてしまう場合がある。そのような時には別のチャンバーに移して軽くドライエッチングするかウェットエッチングして、その絶縁膜を除去すればよい。

（６）続いて図３（Ｄ）に示すように、絶縁層１７の上部に上層環状配線導体１８を、上記環状配線導体１６の形成と同様に（Ｔｉ＋Ａｕ）膜の成膜によって形成する。この時、上層環状配線導体１８の一端が下層の環状配線導体１６の端部と同一高さで導通する。この工程が上層環状配線導体形成工程である。

このとき、段差部Ｅａの上に位置している絶縁層１７の端部にも導体膜が薄く形成されてしまう場合がある。そのような時には別のチャンバーに移して軽くドライエッチングするかウェットエッチングして、その導体膜を除去すればよい。

（７）その後、図３（Ｅ）に示すようにＳｉＯ2膜を成膜することによって環状絶縁層１７を形成する。この工程も環状絶縁層形成工程であり、下部の上層環状配線導体１８の端部に絶縁膜が形成された場合には上述と同様の方法でその絶縁膜を除去すればよい。

（８）上記環状絶縁層１７の形成と上層環状配線導体１８の形成を交互に繰り返すことによって所定層数（所定巻回数）のヘリカル状の環状配線導体を形成する。図４（Ａ）は環状配線導体を４層分形成した状態を示している。

（９）その後、図４（Ｂ）に示すように環状パターン形成用レジスト膜１４とその上に形成された導体膜および絶縁膜を有機溶剤や剥離液により除去する。この工程がレジスト膜除去工程である。

（１０）続いて、最上層の上層環状配線導体１８ｃの端部付近に導通する引出導体１９を形成する。

上記各層の形成は導体膜として（Ｔｉ＋Ａｕ）、絶縁膜としてＳｉＯ2等を同一チャンバー内で成膜できる２元以上のスパッタリング装置などを用いる。そのため、環状パターン形成用レジスト膜１４をそのまま用いて上記導体膜の成膜と絶縁膜の成膜を交互に繰り返し、全体的に連続して行うことができる。

なお、環状パターン形成用レジスト膜１４の上面にもスパッタリングによって上記環状配線導体１６、環状絶縁層１７、上層環状配線導体１８が順に形成されるが、それらについては図示していない。これらの不要な膜は、図４（Ｂ）に示したように環状パターン形成用レジスト膜１４を基板１１から除去した段階で除去（リフトオフ）される。

上記くぼみ１２の鋭角にした段差部の角度は、上記環状配線導体および環状絶縁層がその段差部の側面に形成されないように定める。一般に段差が鋭角になるほど側面へ膜が付きにくくなるが、上記環状配線導体および環状絶縁層が鋭角段差部の側面に形成されないのであれば、段差部の角度は直角であってもよい。

環状絶縁層１７はＳｉＯ2等の蒸着可能な絶縁材料では一般に誘電率が比較的高いので層間容量が問題となる場合にはこの環状絶縁層１７を除去する。具体的にはＢＨＦなどによるウエットエッチングによって環状絶縁層１７を除去する。これによって図５に示したとおりの集積化インダクタ２０を構成する。

このように環状絶縁層１７がなくなると上層環状配線導体１８が宙に浮く形になるが、配線導体自体の剛性と最上層の上層環状配線導体端部の保持によってそのままインダクタとしての利用は可能である。

なお、構造的な強度を向上させるためには、上記絶縁層１７を除去した後、比誘電率の低い別の絶縁材料を環状配線導体間に充填（塗布）すればよい。

〈第２の実施形態〉
次に、第２の実施形態に係る集積化インダクタの構造および製造方法について図６〜図１３を基に説明する。
この第２の実施形態は、最上層の上層環状配線導体から導体を引き出す部分の構造と、その製造方法についてより具体的に示すものである。

図６〜図１３の各図において、（Ｂ）は各工程での上面図、（Ａ）は（Ｂ）におけるＡ−Ａ部分の断面図である。
この第２の実施形態に係る集積化インダクタの製造方法を工程順に説明する。
（１）図６は第１の実施形態で図４（Ｂ）に示した状態とほぼ同様であり、基板１１上に複数の環状配線導体と絶縁層の積層体からなるインダクタ２０を構成した状態である。

但し、第１の実施形態と異なり、後に最上層の上層環状配線導体と導通するＡｕ膜からなる上部引出導体２１を基板１１上に形成している。インダクタ２０の製造工程については第１の実施形態で示したとおりである。

（２）その後、図７に示すように上部引出導体２１の上部が開口Ｈ１として開口された下層レジスト膜２２を形成する。レジスト膜としては一般的なポジ型レジストを用い、レジスト膜の塗布・マスク露光・現像という一般的な工程で開口Ｈ１を形成する。

（３）次に、図８に示すように、上記下層レジスト膜２２の全面にＡｕの成膜により導体膜２３を形成する。この段階で最上部の上層環状配線導体１８ｃは導体膜２３と導通する。

（４）その後、図９に示すように、図９（Ｂ）において丸印Ｅで示す最上層の上層環状配線導体の端部まで、上部引出導体２１の上部から延びる開口Ｈ２を有する上層レジスト膜２４を形成する。この上層レジスト膜としては一般的なポジ型レジストを用い、レジスト膜の塗布・マスク露光・現像という一般的な工程で開口Ｈ２を形成する。

（５）続いて図１０に示すように、上層レジスト膜２４の開口Ｈ２部分にＡｕの選択メッキ膜２５を形成する。これにより上記開口Ｈ２部分を選択メッキ膜で充填する。

（６）その後、図１１に示すように、上記上層レジスト膜２４を有機溶剤や剥離液により除去し上記導体膜２３を露出させる。

（７）その後、図１２に示すように、基板全体を各種金属用エッチャント（例えばＡｕであればＫＩ溶液）に浸漬してエッチングすることにより上記露出した導体膜２３を除去して上記選択メッキ膜２５部分を残す。これによりその部分を上部配線導体２６とする。

（８）その後、図１３に示すように、上記下層レジスト膜２２を有機溶剤や剥離液により除去する。これにより最上層の上層環状配線導体１８ｃの端部と上部引出導体２１との間を上部配線導体２６でブリッジした構造を得る。

以上のようにして基板１１上の下部引出導体１５と上部引出導体２１との間にインダクタ２０が接続された構造が得られる。

第２の実施形態では、図７・図８に示したように、最上層に絶縁層１７が形成されている状態で基板のほぼ全面に上部配線導体形成用のレジスト膜を形成したが、最上層に配線導体１７が形成されている状態で基板のほぼ全面に上部配線導体形成用のレジスト膜を形成し、以降同様にして上層レジスト膜２４の形成、選択メッキ膜２５の形成、上部配線導体２６の形成を行ってもよい。

なお、第１・第２の実施形態では、環状パターンが矩形である例を示したが、これは円形、長円形、楕円形、角に丸みをもつ矩形や多角形などであってもよい。

特許文献１に示されている従来のインダクタの構成を示す図である。 第１の実施形態に係る集積化インダクタの環状パターンについて示す図である。 同集積化インダクタの製造方法の各工程での断面図である。 同集積化インダクタの製造方法の各工程での断面図である。 完成した集積化インダクタの構成を示す断面図および平面図である。 第２の実施形態に係る集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。 同集積化インダクタの所定の製造工程での断面図および平面図である。

符号の説明

１１−基板
１２，１３−くぼみ
１４−環状パターン形成用レジスト膜
１５−下部引出導体
１６−環状配線導体
１７−環状絶縁層
１８−上層環状配線導体
１９−引出導体
２０−インダクタ
２１−上部引出導体
２２−下層レジスト膜
２３−導体膜
２４−上層レジスト膜
２５−選択メッキ膜
２６−上部配線導体
Ｅａ−鋭角の段差部
Ｅｏ−鈍角の段差部
Ｈ１，Ｈ２−開口
ＲＰ−環状パターン

Claims (6)

1. 鋭角もしくは直角の段差部を備える所定深さのくぼみを基板に形成するくぼみ形成工程と、
   前記くぼみの鋭角もしくは直角の段差部を通るとともに前記くぼみの内外を通る環状の領域を開口した環状パターン形成用レジスト膜を前記基板に形成する工程と、
   前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で配線が不連続となるように配線導体を形成する環状配線導体形成工程と、
   前記環状配線導体形成工程に続いて、前記くぼみの深さから前記環状配線導体の厚みを差し引いた厚さの絶縁層を前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で絶縁層が不連続となるように形成する環状絶縁層形成工程と、
   前記環状絶縁層形成工程に続いて、前記環状パターン形成用レジスト膜の開口部の底に、前記段差部で配線が不連続となるように配線導体を形成するとともに、当該配線導体の前記段差部の下面に位置する端部を下層の配線導体の前記段差部の上に位置する端部に導通させる上層環状配線導体形成工程と、
   前記配線導体および前記絶縁層の形成後、前記環状パターン形成用レジスト膜を前記基板から除去する環状パターン形成用レジスト膜除去工程を備えた集積化インダクタの製造方法。
2. 前記環状絶縁層形成工程と前記上層環状配線導体形成工程とを交互に繰り返して、所定層数の前記配線導体を形成する請求項１に記載の集積化インダクタの製造方法。
3. 前記環状絶縁層形成工程は、その下層の環状配線導体の前記段差部の上に位置する端部に形成された絶縁膜を除去する工程を含んでいる請求項１または２に記載の集積化インダクタの製造方法。
4. 前記上層環状配線導体形成工程は、その下層の環状絶縁層の前記段差部の上に位置する端部に形成された導体膜を除去する工程を含んでいる請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の集積化インダクタの製造方法。
5. 前記基板上に下部引出導体および上部引出導体を含む導体配線を形成する工程を含み、
   前記環状パターン形成用レジスト膜除去工程の後、前記環状絶縁層形成工程による最上層の前記絶縁層の高さまたは前記上層環状配線導体形成工程による最上層の配線導体の高さまで前記基板のほぼ全面に上部配線導体形成用のレジスト膜を形成する工程と、
   前記上部配線導体形成用のレジスト膜の上面に、前記最上層の配線導体の端部と前記上部引出導体との間を導通させる上部配線導体を形成する工程と、
   前記上部配線導体を形成した後、前記上部配線導体形成用のレジスト膜を除去する工程と、
   を備えた、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の集積化インダクタの製造方法。
6. 前記上層環状配線導体形成工程より後の工程で前記絶縁層を除去する工程を備えた請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の集積化インダクタの製造方法。

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