JP2010034290A - 信号伝送集積回路装置およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入出力絶縁型の信号伝送集積回路装置において薄型に構成できるようにする。
【解決手段】磁気結合回路Ｚが、シリコン基板１上に絶縁膜２を介して軟磁性体３、薄膜導電体４、５、軟磁性体６の順に積層して構成されている。薄膜導電体４、５は、その平面形状が同一層内に渦巻き形状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、入出力の電気的絶縁を保持しつつ信号を伝送するための信号伝送集積回路装置およびその製造方法に関する。

この種の信号伝送集積回路装置としてフォトカプラが一般に知られている。このフォトカプラは、発光素子および受光素子が対向配置して構成され、入力信号が発光素子に通電されると発光素子が発光し、当該発光を受光素子が受光して受光信号を増幅するように構成され、一次側の入力信号が二次側に伝達されるように構成されている。尚、フォトカプラ以外では、コイルを磁気結合してデジタル信号を伝送する構成が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
特表２００１−５１３２７６号公報 特表２００１−５２１１６０号公報

昨今の情報社会では、より情報処理能力の向上が求められており、高速応答性能の向上、外乱に対する信号伝達の信頼性の向上が求められている。しかしながら、たとえ既存のフォトカプラを応用して高速応答性能の良い回路を実現したとしてもコスト増に繋がり実用的ではない。しかも、特許文献１、２記載の技術思想を適用したとしても構造が厚くなってしまい近年の薄型化の傾向に沿わないため好ましくない。

本発明は、薄型に構成できるようにした入出力絶縁型の信号伝送集積回路装置およびその製造方法を提供することにある。

請求項１に係る発明の信号伝送集積回路装置は、支持基板上に平面状に形成されたコイル状の第１薄膜導電体と、前記第１薄膜導電体と離間して配置され前記支持基板上に平面状に形成されたコイル状の第２薄膜導電体と、前記第１コイルに接続された送信回路と、前記第２コイルに接続された受信回路とを備え、前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、互いに同一層に配置され入出力絶縁型に形成されていることを特徴としている。

請求項８に係る発明の信号伝送集積回路装置の製造方法は、支持基板上にコイル状の第１薄膜導電体を形成すると同時に当該第１薄膜導電体とは平面方向に離間してコイル状の第２薄膜導電体を形成する工程を備えたことを特徴としている。

本発明によれば、第１薄膜導電体および第２薄膜導電体が互いに同一層に配置され入出力絶縁型に形成されているため薄型に構成できる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について図１ないし図１０を参照しながら説明する。尚、以下に示す参照図面は模式的に示すもので、各図面における構成要素の厚み、幅、長さ寸法やその比率などは実際の構造とは異なる。図２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）コイルによる磁気結合回路を適用した絶縁型デジタル入出力処理用の信号伝送集積回路装置Ａの平面図を模式的に示しており、図１は、当該図２中のＢ−Ｂ線に沿う構造断面を示しており、図３は、薄膜導電体によるコイルの構造を斜視図によって模式的に示している。

図１に示すように、信号伝送集積回路装置Ａは、支持基板としてのシリコン基板１上に絶縁膜２を介して磁気結合回路Ｚが形成されることによって構成されている。この磁気結合回路Ｚは、絶縁膜２の上面上に形成された平板状の軟磁性体３と、薄膜導電体４、５と、平板状の軟磁性体６とを備えている。なお、シリコン基板１を適用した実施形態を示すが、ガラスやセラミックなどの無機基板、エポキシ等を基材とする有機基板などの支持基板を必要に応じて適用できる。

絶縁膜２は、例えばシリコン酸化膜により構成されている。この絶縁膜２の上面上に形成された軟磁性体３は、例えばフェライトにより形成されている。この軟磁性体３は、ドーナツ円板型に成型されている。この軟磁性体３の上面上には、一次コイルとして薄膜導電体５、二次コイルとして薄膜導電体４が形成されている。

これらの薄膜導電体４、５は、平面的に離間して同一層に配置されており同一製造工程にて成膜される。薄膜導電体４、５は、例えば銅、アルミまたは金などの導電性材料によって平面渦巻き状に数ターン乃至数１０ターン形成されている。薄膜導電体４、５は、それらの平面方向幅が数［μｍ］（例えば８［μｍ］）であり、膜厚が０．数［μｍ］（例えば、０．３［μｍ］）程度に構成されている。これらの薄膜導電体４、５は、所定距離のギャップとなる絶縁体７を挟んで側方向（平面方向）に対向配置されており、ほぼ同一形状に形成されている。

薄膜導電体４、５の外側周および内側周には絶縁体７が形成されている。この絶縁体７は、例えばポリイミドなどの材料によって薄膜導電体４、５の内外側面を覆うように形成されている。
薄膜導電体４、５の上面および絶縁体７の上面はほぼ同一高さに成形されており、当該薄膜導電体４、５および絶縁体７の上面上には軟磁性体６が形成されている。この軟磁性体６は、例えばフェライトによって形成されており、その外形がドーナツ円板型に成型されている。

軟磁性体３は、薄膜導電体４、５の下面に沿って形成されており、軟磁性体６は薄膜導電体４、５の上面に沿って形成されているため、薄膜導電体４、５は有効に磁気結合するように構成でき、薄膜導電体４に通電したときに発生する磁束を極力外部に漏らさないように構成できる。

シリコン基板１の表層には、送信回路８、受信回路９が構成されている。これらの送信回路８および受信回路９は、シリコン基板１の表面方向に磁気結合回路Ｚを挟んで互いに離間して構成されており、これにより入出力絶縁性を向上している。これらの送信回路８、受信回路９は、それぞれ入力回路、出力回路が構成されているものであり、本実施形態の特徴には特に関係しないため図中のシリコン基板１上および当該基板１内の電気的構造については省略している。

薄膜導電体４の上面上にはその外周側および内周側に位置して２つ（複数）の貫通電極１０が形成され、当該２つの貫通電極１０間に薄膜導電体４による渦巻コイルが形成されている。これらの貫通電極１０は、軟磁性体６を貫通して軟磁性体６の上面から上方に突出して構成されている。薄膜導電体５の上面上には２つ（複数）の貫通電極１１が形成されており、当該２つの貫通電極１１間に薄膜導電体５による渦巻コイルが形成されている。これらの貫通電極１１は、軟磁性体６を貫通して軟磁性体６の上面から上方に突出して構成されている。

貫通電極１０と受信回路９との間にはボンディングワイヤ１２が引出線として形成されており、貫通電極１１と送信回路８との間にはボンディングワイヤ１３が引出線として形成されている。したがって、受信回路９と薄膜導電体４とは貫通電極１０を通じて電気的に接続されており、送信回路８と薄膜導電体５とは貫通電極１１を通じて電気的に接続されている。

このような磁気結合回路Ｚは、図示しない樹脂製のパッケージに収容されており、送信回路８、受信回路９から図示しない配線を通じて各種端子に接続されている。このようにして信号伝送集積回路装置Ａが構成されている。

上記構造の製造方法について説明する。製造工程は入れ替えて必要に応じて適用しても良い。尚、送信回路８、受信回路９の各半導体構造、電気的構造については本実施形態の特徴とは関係しないため、その説明を省略する。

厚さ数１００μｍ程度に構成された単結晶のシリコン基板１において所望の半導体プロセスを用いて送信回路８、受信回路９の電気的構成を半導体により形成した後、図４に示すように、シリコン基板１上にシリコン酸化膜などの絶縁膜２を形成する。この絶縁膜２の厚さは、磁気結合回路Ｚとシリコン基板１との間の電気的な絶縁性が確保できる程度の膜厚であれば良く、例えば、５００［ｎｍ］〜数［μｍ］程度が好ましい。尚、シリコン基板１に代えて、ガラスやセラミックの無機基板、エポキシ等を基材とする有機基板を支持基板として必要に応じて適用しても良いが、この場合は、絶縁膜２を形成する必要はない。なお、シリコン基板１を適用した場合には、送信回路８、受信回路９の少なくとも一部または全部の電気的構成要素を所望の半導体プロセスによって内部に実装できるため小型化できる。

次に、図５に示すように、例えばフェライトによる軟磁性体３をその外形がドーナツ円板型になるように成型する。なお、ドーナツ円板型に代えて円板型に形成しても良い。次に、図６に示すように、軟磁性体３の上面上に、銅、アルミニウムまたは金などの導電性材料を用いて薄膜導電体４、５を同時に形成する。この成膜方法としては、スパッタ法、蒸着法、或いはメッキ法を用いる。このときの薄膜導電体４、５は、図３等に示すように平面形状が渦巻き状に隣り合う形状に成膜される。

次に、図７に示すように、薄膜導電体４、５の内側面、外側面を覆うように絶縁膜７を形成する。次に、図８に示すように、薄膜導電体４、５の上面および絶縁体７の上面上に軟磁性体６を形成する。次に、図１に示すように、軟磁性体６に貫通孔を形成し、当該貫通孔内に貫通電極１０、１１を埋込み形成する。次に、ボンディングワイヤ１２を受信回路９と貫通電極１０とに接続し、ボンディングワイヤ１３を送信回路８と貫通電極１１とに接続する。その後、エポキシ樹脂などの外装材により射出成型して全体を覆うようにパッケージすることによって集積回路装置Ａを形成できるが、その詳細説明は省略する。

尚、図１の構成では、薄膜導電体４、５の上面および下面のみに沿って軟磁性体３、６が形成されているが、図１の信号伝送集積回路装置Ａの磁気結合回路Ｚに代わる図９の信号伝送集積回路装置Ａ２の磁気結合回路Ｚ２に示すように、薄膜導電体４の最外側脇４ａ、最内側脇４ｂの側部および／または薄膜導電体５の最内側脇５ａの側部に位置して当該薄膜導電体４、５を覆う内外周に軟磁性体６（または３）を設けて構成しても良い。

送信回路（入力回路）８から薄膜導電体５に１００ｋＨｚ〜１００ＭＨｚ（例えば１００ｋＨｚ）程度の交流信号またはパルス信号を印加すると、当該薄膜導電体５が磁界を発生し、当該磁界が薄膜導電体４に誘起電圧を発生させる。薄膜導電体４および５は所定の相互インダクタンスを有して相互結合する。すなわち、薄膜導電体５は一次コイルとして機能し、薄膜導電体４は二次コイルとして機能する。

図１０は、薄膜導電体４、５の層を覆うようにフェライト（軟磁性体）を設けた場合の磁気結合率のシミュレーション結果を示しており、一次側の薄膜導電体５に流す電流を１００ｋＨｚの１ｍＡの所定の交流電流とし、二次側の薄膜導電体４との磁気結合率を観察している。尚、シミュレーション条件としては、薄膜導電体４、５間の間隔は１０μｍとしている。

この図１０に示すように、磁気結合率は、軟磁性体３、６の有無に応じて大きく変化し、図１に示すように軟磁性体３、６を薄膜導電体４、５の上面および下面に沿って設けた場合と、図９に示すように内外側周囲にも設けた場合とではほぼ変わらない。したがって、軟磁性体３、６を設けると磁気結合率を向上できることがわかる。

本実施形態によれば、薄膜導電体４、５は、互いに同一層に配置され入出力絶縁型に形成されているため薄型化できる。また、軟磁性体３、６が薄膜導電体４、５の上面および下面に沿って当該薄膜導電体４、５の平面層を覆うように形成されているため磁気結合率を向上できる。また、薄膜導電体４、５はその平面形状が渦巻き状に隣り合うように配設されているため、磁気結合率を向上できる。シリコン基板１上に絶縁膜２、軟磁性体３を介して薄膜導電体４、５を平面方向に離間して同時に形成しているため工程を削減できる。

（第２の実施形態）
図１１は、本発明の第２の実施形態を示すもので、前述実施形態と異なるところは、一次側および二次側の薄膜導電体を矩形波状に沿って形成したところにある。前述実施形態と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。磁気結合回路Ｚを微細化しながら磁気結合率を稼ぐためには、薄膜導電体４、５の長さを稼ぎながら小型化することが望まれる。そこで、本実施形態では薄膜導電体４、５を平面的に同一層としながら折り返して構成した形態を示す。尚、図中のＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交交差する方向を示している。

図１１は、図２に代わる平面図を模式的に示している。この図１１に示すように、一次コイルとしての薄膜導電体５は矩形波状に形成されており、薄膜導電体４は薄膜導電体５から所定間隔だけ離間した状態で片側脇に沿って矩形波状に形成されている。具体的には、薄膜導電体５は、Ｙ方向の正方向に直線状に延伸し、当該延伸端部からＸ方向の正方向に屈曲して直線状に延伸し、さらに、当該延伸端部からＹ方向の逆方向に折り返して直線状に延伸し、さらに、当該延伸端部からＸ方向の正方向に屈曲して直線状に延伸し、これらの延伸要素を繰り返すことでＸ方向の正方向に延びるように配置されている。薄膜導電体４も薄膜導電体５と同様の形状であるためその具体的な構造の説明を省略する。

矩形波状に対向配置している理由は、一次側の薄膜導電体５と二次側の薄膜導電体４とが対向する対向長を稼ぐためである。これらの薄膜導電体４、５間のコイル間隔をＷ１とし、波状に隣り合う薄膜導電体４間のコイル間隔をＷ２とし、同様に隣り合う薄膜導電体５間のコイル間隔をＷ３とする。

図１２は、コイル間隔Ｗ１を１０［μｍ］で一定とし、コイル間隔Ｗ２、Ｗ３およびコイル数（薄膜導電体４、５のＹ方向折り返し数）を変化させた場合の磁気結合率変化のシミュレーション結果を示している。また、図１３〜図１６は、コイル間隔Ｗ２、Ｗ３を一定にした場合の薄膜導電体４、５の周辺に生じる磁界分布を概略的に示している。これらの図１３〜図１６におけるシミュレーション結果は、図１１のＣ−Ｃ線に沿うＸＺ断面における薄膜導電体４、５の周囲の磁界分布を示している。

図１２に示すように、フェライト（軟磁性体３、６）を設置している場合には、設置していない場合に比較して格別に磁気結合率を向上できることがわかる。これは、図１３〜図１６に磁束分布を比較して示すように、軟磁性体３、６の作用によって漏れ磁束が少なくなるためである。また、コイル数（薄膜導電体４、５のＹ方向折り返し数）を変化させ偶数回（２回、４回）Ｙ方向延設部を設けた場合に磁気結合率を格別に向上できることがわかる。これは、図１５（ａ）の領域Ｋ１、図１５（ｂ）の領域Ｋ２、図１６（ａ）の領域Ｋ３、図１６（ｂ）の領域Ｋ４に着目すればわかるように、二次コイルを構成する薄膜導電体４の折り返し延設部に与えられる磁界が、狙いの左側の薄膜導電体５の延設部からの磁界よりも、その次段の右側の薄膜導電体５の延設部からの磁界の方が強くなり電流が打ち消し合う方向に働いてしまうためである。したがって、偶数回折り返して電流を極力打ち消し合わないように構成するのが良い。

また、図１２に示すように、コイル数（折り返し数）は４回よりも２回の方が磁気結合率を向上できることがわかる。これは、図１５（ａ）および図１６（ａ）を比較すればわかるように、コイル数（折り返し数）２回の場合は、特に薄膜導電体４、５の配置を軟磁性体３、６の中央から左寄りで非対称に配置し３回目以降の折り返し延設部を当該シミュレーション範囲内に設けていないためであり、コイル数（折り返し数）は２回の方が磁界の打ち消し合いを極力防ぐことができる。したがって、図１５（ａ）に示すように、軟磁性体３、６のＸ方向配置を非対称とすると良い。

例えば、図１５（ａ）に示すように、薄膜導電体４、５の折り返し数を２回として軟磁性体３、６の中央から左（一方）寄りに配置し、薄膜導電体４、５および軟磁性体３、６をこの構造のままＸ方向に繰り返し形成することで磁気結合率を最大限高めることができる。
図１７は、矩形波状の薄膜導電体４、５を矩形波状に形成された状態において環状に設けている変形例を示している。この図１７に示すように薄膜導電体４、５を環状（例えば、円環状、矩形の環状）に設けることで平面的な構成領域を削減できる。

本実施形態によれば、薄膜導電体４、５は、その平面形状が矩形波状に隣り合うように配設されているため、薄膜導電体４、５の長さを稼ぎながら小型化することができ、磁気結合回路Ｚを微細化しながら磁気結合率を稼ぐことができる。また、薄膜導電体４、５が矩形波状にＹ方向に偶数回折り返して構成されているため、磁気結合率を向上できる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に示す変形または拡張が可能である。
軟磁性体３としては、フェライトに代えて、鉄シリコン（Ｆｅ−Ｓｉ）、鉄シリコンアルミニウム合金（センダスト）、ニッケル鉄合金（パーマロイ）、または、鉄（Ｆｅ）基、コバルト（Ｃｏ）基によるアモルファス合金を適用しても良い。この場合、スパッタ法、蒸着、あるいはメッキ法などにより形成すると良い。薄膜導電体４、５と軟磁性体３、６との間にはシリコン酸化膜、シリコン窒化膜などの無機膜、ポリイミド等の有機膜などの絶縁膜を設けて構成しても良い。軟磁性体３、６が薄膜導電体４、５間に入りこむことを極力防止でき磁気結合率を向上できる。

シリコン基板１などの支持基板、絶縁膜２と、軟磁性体３との密着性の向上や、軟磁性体３の拡散防止のため、当該絶縁膜２および軟磁性体３間にチタン（Ｔｉ）などの密着膜（図示せず）をバリア膜として形成しても良い。薄膜導電体４、５は、その平面形状が渦巻状でも矩形波状でもさらにその組合せ形状で形成されていても良い。

本発明の第１の実施形態について信号伝送集積回路装置の構造を模式的に示す縦断面図 磁気結合回路の構造を模式的に示す平面図 薄膜導電体の構造を示す斜視図 一製造段階について模式的に示す図１相当図（その１） 一製造段階について模式的に示す図１相当図（その２） 一製造段階について模式的に示す図１相当図（その３） 一製造段階について模式的に示す図１相当図（その４） 一製造段階について模式的に示す図１相当図（その５） 変形例を示す図１相当図 磁気結合率のシミュレーション結果を示す図 本発明の第２の実施形態を示す図２相当図 図１０相当図 磁束分布のシミュレーション結果を示す図（その１） 磁束分布のシミュレーション結果を示す図（その２） 磁束分布のシミュレーション結果を示す図（その３） 磁束分布のシミュレーション結果を示す図（その４） 本発明の第３の実施形態を示す図２相当図

符号の説明

図面中、Ａ、Ａ２は信号伝達集積回路装置、Ｚ、Ｚ２は磁気結合回路、１はシリコン基板（支持基板）、２は絶縁膜、３、６は軟磁性体、４、５は薄膜導電体、７は絶縁体、８は送信回路、９は受信回路を示す。

Claims (8)

1. 支持基板上に平面状に形成されたコイル状の第１薄膜導電体と、
   前記第１薄膜導電体と平面的に離間して配置され前記支持基板上に平面状に形成されたコイル状の第２薄膜導電体と、
   前記第１コイルに接続された送信回路と、
   前記第２コイルに接続された受信回路とを備え、
   前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、互いに同一層に配置され入出力絶縁型に形成されていることを特徴とする信号伝送集積回路装置。
2. 前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体を覆うように軟磁性体が設けられていることを特徴とする請求項１記載の信号伝送集積回路装置。
3. 前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、その平面形状が渦巻き状に隣り合うように配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の信号伝送集積回路装置。
4. 前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、その平面形状が矩形波状に隣り合うように配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の信号伝送集積回路装置。
5. 前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、矩形波状に偶数回折り返して構成されていることを特徴とする請求項４記載の信号伝送集積回路装置。
6. 前記第１薄膜導電体および第２薄膜導電体は、矩形波状に形成された状態において環状に設けられていることを特徴とする請求項４または５記載の信号伝送集積回路装置。
7. 前記軟磁性体は、フェライトにより形成されていることを特徴とする請求項２ないし６の何れかに記載の信号伝送集積回路装置。
8. 支持基板上にコイル状の第１薄膜導電体を形成すると同時に当該第１薄膜導電体とは平面方向に離間してコイル状の第２薄膜導電体を形成する工程を備えたことを特徴とする信号伝送集積回路装置の製造方法。

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