JP2009038297A

JP2009038297A - 半導体装置

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Publication number: JP2009038297A
Application number: JP2007203148A
Authority: JP
Inventors: Toyohiko Kuno; 豊彦久野
Original assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Current assignee: Asahi Kasei Electronics Co Ltd
Priority date: 2007-08-03
Filing date: 2007-08-03
Publication date: 2009-02-19

Abstract

【課題】従来技術に比較して、漏洩磁束が抑えられた高い変換効率を実現するインダクタを集積化した半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体集積回路１ａを備えた基板１と、半導体集積回路１ａを備えた基板１の上に形成された第１の絶縁層２と、第１の絶縁層２の上に形成された第１の導電層３と、第１の導電層３の上に形成された第２の絶縁層４と、第２の絶縁層４の上に形成された磁性体層５と、磁性体層５の上に形成された第３の絶縁層６と、第３の絶縁層６の上に形成された第２の導電層７とを有する半導体装置であって、第１の導電層３および第２の導電層７は各所定部で電気的に接続されて基板１の主面に平行に閉磁路を形成する巻線を構成し、該巻線と磁性体層５とがトロイダルコイルを形成し、該トロイダルコイルと半導体集積回路１ａが電気的に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路と共通の基板上にインダクタを集積化した半導体装置に関する。

近年バッテリーで駆動する携帯型情報端末の市場拡大につれて、より小型で効率の良い電源デバイスが求められている。即ち、携帯型情報端末では、表示デバイスである液晶モジュールで比較的高い電圧が要求される一方、高演算能力を求められるＣＰＵコアは微細化によって低電圧駆動化される傾向にあるため、バッテリーから供給される単一電源電圧を、端末内の各モジュールが要求する、異なる電源電圧に効率良く変換することが可能な電源デバイスの需要が増大している。

上述のような電源デバイスは半導体集積回路により構成されるが、このような電源デバイスを動作させるためには、チョークコイルあるいはトランスコイルといった受動部品が必要である。
この種の受動部品は一般にディスクリート素子として構成されており、実装基板上で一定の面積を占有することから、限られた面積に多くの機能を実装することが求められる携帯型情報端末においては、電源デバイスの省面積化が大きな技術課題となっている。

例えば、特許文献１には表面実装型磁気素子が開示されているが、ここに開示された技術では受動部品の低背薄型化は達成されているものの、実装基板上の面積を必要とする点では未だ改善の余地が残されている。
即ち、チョークコイルあるいはトランスコイルといった受動部品を実装基板上から排除して電源デバイス上に集積化することは究極の省面積化であるが、特許文献１に開示された提案の限りでは、上述のようなコイル集積化デバイスの実現を目標とするにはなお数多くの未検討の課題を残している。

また、特許文献２には平面スパイラルコイルを集積化したデバイスが開示されている。一般に平面スパイラルコイルは簡易な構造で集積化も容易とされているが、その一方で磁気効率は低いためにインダクタンスが小さく、また平面スパイラルコイルが形成する磁気回路は開磁路となるため、磁気シールドを平面スパイラルコイルの上下に配する必要がある。

この場合、磁気シールドの膜厚については、薄い場合には平面スパイラルコイルからの磁束が収束しきれず漏洩磁束が発生するリスクが高い一方、厚い場合には集積化に必要な微細加工が困難になるといった問題点がある。
特に漏洩磁束については、周辺に配置された他の半導体集積回路への電磁干渉（以下ＥＭＩと略す）の原因となるため、デバイスを高密度に実装して間隙に余裕の無い携帯型情報端末においては洩磁束の抑制に関する要求が一層厳しくなる。

即ち、漏洩磁束を抑えるためには磁気シールドの膜厚を十分に厚くする必要があるが、一方で集積化に必要な微細加工は非常に困難になるため、携帯型情報端末に適用される場合の要求水準を満たす実用的なコイル集積化デバイスは未だ実現されていない。
特開２００１−２４４１２３号公報特開２００２−００８９２０号公報

従来技術では、平面スパイラルコイルを電源デバイス上に集積化していたため、漏洩磁束に由来するＥＭＩ対策が問題となっていた。本発明は、従来技術に比較して漏洩磁束が抑えられた高い変換効率を実現するコイル集積化デバイスを成す半導体装置を提供することを目的としている。

本発明では、閉磁路を形成するトロイダルコイルを半導体デバイス上に集積化することで、漏洩磁束が抑えられた高い変換効率を実現するインダクタを集積化した半導体装置を具現する。以下に本発明の具体的な手段を詳述する。
請求項１に係る半導体装置は、半導体集積回路を備えた基板と、前記半導体集積回路を備えた基板の上に形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の上に形成された第１の導電層と、前記第１の導電層の上に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の上に形成された磁性体層と、前記磁性体層の上に形成された第３の絶縁層と、前記第３の絶縁層の上に形成された第２の導電層とを有する半導体装置であって、前記第１の導電層および前記第２の導電層は各所定部で電気的に接続されて前記基板の主面に平行に閉磁路を形成する巻線を構成し、該巻線と前記磁性体層とがトロイダルコイルを形成し、該トロイダルコイルと前記半導体集積回路が電気的に接続されていることを特徴とする。

本発明では、公知の半導体プロセスによる薄膜形成及び微細加工技術を駆使することで、半導体集積回路を備えた基板の上にトロイダルコイルを集積化している。前記第１の導電層および前記第２の導電層が各所定部で電気的に接続されてコイルを成し磁性体の外周をスパイラル状に周回するような所謂トロイダル構造のコイルとした為に、このコイルで生じた磁束は、磁性体層で形成された磁気コアに収束され、漏洩した磁束も基板に対して水平に磁路を形成するため、漏れ磁束が基板に対して垂直に磁路を形成する従来の平面スパイラルコイルと比較してＥＭＩを抑制することができる。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の半導体装置において、前記磁性体層が、所定の間隙により複数に分割されていることを特徴とする。
即ち、磁性体層が導電性を有する場合、トロイダルコイルで発生する交番磁界により、磁性体層で渦電流が発生するが、間隙によって磁束に直交する磁性体の断面積を細分化することによって渦電流を抑制できる。

細分化の方法としては、磁性体層を多層構成にする方法もあるが、積層方法が複雑になり製造プロセスが煩雑になるため、請求項２に記載の発明では、磁性体層を、例えばトロイダルコイルの縁と平行になるように形成された間隙で分割している。
この磁性体層の間隙は、公知の微細加工技術により容易に形成することができる。間隙の数は、トロイダルコイルに入力される電流値、駆動周波数、磁性体層の厚み、及び幅などを勘案して算定することができるが、少なくとも１つの間隙を導入することで、間隙導入前に比べて磁性体層の渦電流発生を効果的に抑制することができる。

次に、図面を参照しつつ、本発明の半導体装置の特徴を従来の技術との対比において概説する。
図１は、上述のように基板上に集積化したトロイダルコイルを含む本発明の半導体装置の一例を表す斜視図である。
また、図２は、図1の半導体装置のＸ−Ｘ断面図である。図２に矢線図示されたところから、図1の半導体装置におけるトロイダルコイルに通電したときのＸ−Ｘ断面における磁場分布が判読される。

図１および図２において、参照符号１は基板、１ａは半導体集積回路、２は第１の絶縁層、３は第１の導電層、４は第２の絶縁層、６は第３の絶縁層、７は第２の導電層であるが、これら各部については後述する。
図１および図２から概要が容易に理解されるとおり、本発明におけるトロイダルコイルは、図２の磁性体層５に対し、上部配線（第２の導電層）７と、下部配線（第１の導電層）３とが電気的に接続された状態で巻きついた構造をなしている。

図２において、トロイダルコイルを形成する上部配線７には紙面奥方向、下部配線３には紙面手前方向となるように通電すると、磁気コア（磁性体層）５の内部を貫通するように紙面右から左方向に矢線図示されたような磁場が発生する。
ここで磁気コア５が巻線構造内に連続して配置してあれば、トロイダルコイルの特徴たる特性の通りに、磁束は巻線構造内から漏洩することなく閉磁路が形成され得る。

一方、図１６は、基板上に集積化した一般的な平面スパイラルコイルの斜視図である。図１と図１６を対比して明らかな通り、図1のトロイダルコイルでは第１の導電層３および第２の導電層７が各所定部で電気的に接続されてコイルを成し磁性体の外周をスパイラル状に周回するような所謂トロイダル構造を有しているのに対し、図１６の平面スパイラルコイルでは、コイルを成す上部導体７０は基板１の主面における面内方向に渦巻き状に周回する如く形成されている。

図１７は、図１６の平面スパイラルコイルに通電した時のＹ−Ｙ断面における磁場分布を示す図である。図１７に矢線図示された通り、平面スパイラルコイルによる磁場は基板１内や絶縁層２の上方空間に或る程度広がって分布することになる。
即ち、図１７において、平面スパイラルコイルを形成する配線（上部導体７０）に紙面奥方向に通電した場合には、この配線７０を流れる図示方向の電流によって紙面の面内方向に時計回りの開磁路の磁場が発生する。この状況では、必ず基板１に対して直交する磁束が存在するため、このままでは基板１上に半導体集積回路を配置できないことは明らかである。

一方、図１８は、図１６および図１７における平面スパイラルコイル７０の上下に軟磁性体からなる磁気シールドを配置した時のＹ−Ｙ断面における磁場分布を示す図である。図１８に矢線図示された通り、平面スパイラルコイル７０の下側（基板１上の絶縁層２の上側）に軟磁性体層９ａを、また、平面スパイラルコイル７０の上側に軟磁性体層９ｂをそれぞれ配する。

図１８のような構造では、磁束は磁気シールド９ａおよび９ｂ内に収束されるが、平面スパイラルコイル７０から発生する磁場は、必ず基板１に対して直交する磁束を有するため、例えば磁気シールド９ａおよび９ｂの端面から漏洩した磁束は、隣接して配置された別の半導体集積回路に影響を及ぼすという不具合が生じる。
これに対し、図１および図２を参照して概説した本発明の半導体装置では図１６ないし図１８を参照して説明した従来の技術における不具合が一掃される。

本発明によれば、閉磁路を形成するトロイダルコイルを半導体デバイス上に集積化することにより、漏洩磁束が抑えられ、変換効率の高いインダクタを集積化した半導体装置が具現される。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳述することにより本発明を明らかにする。
図３は、本発明の第１の実施の形態による半導体装置の平面図である。
図４は、図３の半導体装置の斜視図である。
図５は、図４の半導体装置のＡ−Ａ断面図である。
図６は、図４の半導体装置のＢ−Ｂ断面図である。
図７は、図４の半導体装置のＣ−Ｃ断面図である。

第１の実施の形態による半導体装置は、半導体集積回路１ａを備えた基板１と、半導体集積回路１ａを備えた基板１の上に形成された第１の絶縁層２と、第１の絶縁層２の上に形成された第１の導電層３と、第１の導電層２の上に形成された第２の絶縁層４と、第２の絶縁層４の上に形成された磁性体層５と、磁性体層５の上に形成された第３の絶縁層６と、第３の絶縁層６の上に形成された第２の導電層７とを含んで構成されている。

図３および図４を参照して明らかなように、本例では、第２の導電層７は、複数の導体片より成る一群の導体として基板１の主面に略平行な第３の絶縁層６上に総じて環状のパターンを成して分布する如く配列されている。
また、第１の導電層３は、上述のように配された第２の導電層７と対を成す如くして基板１の主面に略平行な第１の絶縁層２上に総じて環状のパターンを成して分布する如く配列されている。

これら第１の導電層３と第２の導電層７とは、図５および図７を参照して明らかなように、第２の絶縁層４と第３の絶縁層６に設けられた開孔ＴＨを通じて相互に所定部で電気的に接続され、半導体集積回路１ａを備えた基板１（その主面）に対して平行に閉磁路を形成する巻線構造を形成する。
図５および既述の図２を併せ参照して明らかなように、上述の巻線構造内には、磁性体層５で形成された磁気コアが配されている。

この結果、磁性体である磁気コア５の外周を第１の導電層３および第２の導電層７を成す導体各部が上述のように接続されて形成された巻線構造がスパイラル状に周回するような構造となり、トロイダルコイルが形成される。
このトロイダルコイルは、第１の導電層３より第１の絶縁層２に設けられた開孔ＴＨを通じて、半導体集積回路１ａを備えた基板１に設けられた接続パッド８と電気的に接続されている。

ここで、第１及び第２の導電層３，７が、電気めっき法で形成されたＣｕであることが好ましい。即ち、電源デバイスの変換効率を高めるためには、トロイダルコイルの寄生抵抗を下げることも重要である。最も導電性の高い材料はＡｇであるが、コスト的に安価であることと薬剤取り扱いの容易さから、第１及び第２の導電層３，７は電気めっき法で形成されたＣｕであることが好ましい。
また、磁性体層５が、少なくともＣｏとＦｅを含む軟磁性体であることが好ましい。
即ち、フェライトなどの酸化物磁性体は薄膜化が困難であり、微細加工技術との親和性も相対的に低いために集積化には制約が大きい。一方、金属軟磁性体は酸化物磁性体に比較して薄膜化が容易であり、微細加工技術との親和性も酸化物磁性体に比して高い。

また磁性体層５の厚みは、トロイダルコイルの入力電流と巻き線構造が定まっていれば、磁性体層５の磁束飽和密度から算出できる。即ち、磁束飽和密度の大きな金属軟磁性体を用いれば磁性体層５の厚みは相対的に薄くすることができるため、２Ｔと大きい磁束飽和密度を持つことで知られているＣｏとＦｅを少なくとも含む軟磁性体を磁性体層に導入することにより、磁性体層を薄膜化して生産性を高めることができる。
更にまた、磁性体層５は、電気めっき法で形成された軟磁性体であることが好ましい。
即ち、磁性体層５を用いてトロイダルコイルを形成するためには、少なくとも１０μｍ以上の膜厚が必要であり、かかる厚膜を生産性良く供するためには、電気めっき法を用いることが好ましい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態の斜視図については既述の図４と変わりが無いため、図４を第２の実施の形態の説明に援用する。
図８は、本発明の第２の実施の形態による半導体装置の斜視図（図４）のＡ−Ａ断面図である。
第２の実施の形態による半導体装置では、第２の絶縁層４の上に形成された磁性体層５について、磁性体層５が、既述のトロイダルコイルの縁と平行になるように形成された３つの間隙Ｖ，Ｖにより４分割されている。

導電性を有する磁性体層５にトロイダルコイルで発生する交番磁界が作用することによってその内部に渦電流が生じるが、この渦電流を抑制するために、公知の微細加工技術によりトロイダルコイルの磁気コアを形成するに際して、磁気コア内に間隙Ｖ，Ｖを設けて磁気コアを複数の部分に分割している。
即ち、間隙Ｖ，Ｖによって磁束に直交する磁性体の断面積を細分化することによって渦電流を抑制する。

この場合、間隙Ｖ，Ｖの数は、トロイダルコイルに入力される電流値、駆動周波数、磁性体層の厚み、及び幅などから任意に決めることができるので、間隙Ｖ，Ｖの数は本例のように３つに限定されるものではない。
図９は、図１ないし図８を参照して説明した本発明の実施の形態に適用される上部配線（第２の導電層）７のより詳細な平面図である。図９の平面図では、上部配線（第２の導電層）７とその周辺に配された複数のボンディングパッドＢＰ，ＢＰが表されている。

図１０は、図１ないし図８を参照して説明した本発明の実施の形態における半導体装置の基板１に形成されている半導体集積回路１ａを例示する図である。
図７を参照して既述のように、本発明の実施の形態における半導体装置では、基板１に形成されている半導体集積回路１ａとトロイダルコイルを成す第１の導電層３とは、第１の絶縁層２に設けられた開孔ＴＨを通じて、接続パッド８で電気的に接続されている。

図１１、図１２、および、図１３は、本発明に係る他の例におけるトロイダルコイルを形成する上部配線（第２の導電層）７を表す平面図である。
本発明に係るトロイダルコイルでは、コイルによって生起する磁場が外部に漏洩しないような閉磁路を形成することが肝要である。
このような要請を充足するトロイダルコイルを形成する上部配線（第２の導電層）７の平面形状は、既述のような回転対称形の形状に限定されるものではない。
即ち、図１１の様な楕円形状のもの、図１２の様な直線部と円弧状の部分とを含む環状のもの、図１３の様な複数の直線部と四隅の曲線部とを含むもの等々であっても良い。
次に、本発明を実施例により詳細に説明する。

（実施例１）
半導体集積回路を備えたＳｉ基板上に、感光性ポリイミドを１０μｍ塗布した後、この半導体集積回路を備えた基板に設けられた接続パッドが開孔するように、感光・現像処理を実施して、大気中で３５０℃で焼成し、５μｍの厚みを有する第１の絶縁層を得た。
上述のようにして得られた第１の絶縁層を焼成した後、スパッタ法にて、膜厚６０ｎｍのＴｉＷ、および、膜厚６００ｎｍのＣｕのめっき下地を形成して、公知のセミアディティブ法により１５μｍの厚みを有するＣｕ電解めっきからなる第１の導電層を得た。
次いで、感光性ポリイミドを２０μｍ塗布した後、上述の第１の導電層の所定の位置が開孔するように、感光・現像処理を実施して、大気中で３５０℃で焼成し、１０μｍの厚みを有する第２の絶縁層を得た。

この第２の絶縁層を焼成した後、スパッタ法にて膜厚６０ｎｍのＴｉＷ、および、膜厚６００ｎｍのＣｕのめっき下地を形成し、公知のセミアディティブ法により１５μｍの厚みを有するＣｏＮｉＦｅ電解めっきからなる磁性体層を得た。
次いで、感光性ポリイミドを２０μｍ塗布した後、上述の第１の導電層の所定の位置が開孔するように、感光・現像処理を実施して、大気中で３５０℃で焼成し、１０μｍの厚みを有する第３の絶縁層を得た。

この第３の絶縁層を焼成した後、スパッタ法にて膜厚６０ｎｍのＴｉＷ、および、膜厚６００ｎｍのＣｕのめっき下地を形成して、公知のセミアディティブ法により１５μｍの厚みを有するＣｕ電解めっきからなる第２の導電層を得た。
以上の製造プロセスにより、外径２５００μｍ及び内径９００μｍの磁気コアに、３３巻の巻線構造を備えたトロイダルコイルを作成した。

図１４は、上述の実施例１の方法により作成したトロイダルコイルをＬＣＲメータにて評価した結果を示す図である。
この実施例１によるトロイダルコイルは、３ＭＨｚまで３．２μＨのインダクタンスを安定的に示した。
また、このトロイダルコイルを、Ｓｉ基板に設けた５ＭＨｚで駆動するＤＣＤＣコンバータ回路の出力パッドに接続して評価したところ、変換効率８５％、リップル電圧１００ｍＶ以下の特性を得ることができた。

（実施例２）
実施例１と同じ製造プロセスにより、外径２５００μｍ及び内径９００μｍの磁気コアに、３３巻の巻線構造を備えたトロイダルコイルを作成した。ただし磁気コアにはトロイダルコイルの縁と平行になるように等間隔に３本の間隙を設けて、同幅の同心円４本からなる形状の磁気コアを得た。
図１５は、上述の実施例２の方法により作成したトロイダルコイルをＬＣＲメータにて評価した結果を示す図である。
この本実施例２によるトロイダルコイルは、６ＭＨｚまで３．１μＨのインダクタンスを安定的に示した。
このトロイダルコイルを、Ｓｉ基板に設けた５ＭＨｚで駆動するＤＣＤＣコンバータ回路の出力パッドに接続して評価したところ、変換効率９０％、リップル電圧１００ｍＶ以下の特性を得ることができた。

本発明の半導体装置は、デバイスを高密度に実装して間隙に余裕の無い携帯型情報端末などの分野で好適に利用できる。

基板上に集積化したトロイダルコイルを含む本発明の半導体装置の一例を表す斜視図である。図１のＸ−Ｘ断面図である。本発明の第１の実施の形態による半導体装置の平面図である。図３の半導体装置の斜視図である（但し、第２の実施の形態の説明に援用）。図４の半導体装置のＡ−Ａ断面図である。図４の半導体装置のＢ−Ｂ断面図である。図４の半導体装置のＣ−Ｃ断面図である。本発明の第２の実施の形態による半導体装置の斜視図（図４）のＡ−Ａ断面図である。図１ないし図８の本発明の実施の形態に適用される上部配線のより詳細な平面図である。図１ないし図８の本発明の実施の形態における半導体装置の基板に形成されている半導体集積回路を例示する図である。本発明に係る他の例におけるトロイダルコイルを形成する上部配線を表す平面図である。本発明に係る他の例におけるトロイダルコイルを形成する上部配線を表す平面図である。本発明に係る他の例におけるトロイダルコイルを形成する上部配線を表す平面図である。実施例１のトロイダルコイルのインダクタンス特性を示す図である。実施例２のトロイダルコイルのインダクタンス特性を示す図である。基板上に集積化した一般的な平面スパイラルコイルの斜視図である。図１６の平面スパイラルコイルに通電した時のＹ−Ｙ断面における磁場分布を示す図である。図１６および図１７における平面スパイラルコイルの上下に軟磁性体からなる磁気シールドを配置した時のＹ−Ｙ断面における磁場分布を示す図である。

符号の説明

１：半導体集積回路を備えた基板
１ａ：半導体集積回路
２：第１の絶縁層
３：第１の導電層
４：第２の絶縁層
５：磁性体層
６：第３の絶縁層
７：第２の導電層
８：接続パッド

Claims

半導体集積回路を備えた基板と、前記半導体集積回路を備えた基板の上に形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層の上に形成された第１の導電層と、前記第１の導電層の上に形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層の上に形成された磁性体層と、前記磁性体層の上に形成された第３の絶縁層と、前記第３の絶縁層の上に形成された第２の導電層とを有する半導体装置であって、前記第１の導電層および前記第２の導電層は各所定部で電気的に接続されて前記基板の主面に平行に閉磁路を形成する巻線を構成し、該巻線と前記磁性体層とがトロイダルコイルを形成し、該トロイダルコイルと前記半導体集積回路が電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。
前記磁性体層が、所定の間隙により複数に分割されていることを特徴とする請求項１記載の半導体装置。