JP2011082212A - マイクロトランス素子、信号伝達回路、及び半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マイクロトランス素子、信号伝達回路、及び半導体装置に係り、微細化を妨げることなくコイル断面積を大きく確保することにある。
【解決手段】半導体基板２０上に層間絶縁膜３０を挟んで下層コイル３２及び上層コイル３４が積層されたマイクロトランス素子１０において、下層コイル３２を、層間絶縁膜３０を挟んで積層された第１の金属配線４０及び第２の金属配線４２と、それら第１の金属配線４０及び第２の金属配線４２を層間絶縁膜３０を貫通して相互に連結したビアコンタクト４４と、からなるものとすると共に、上層コイル３４を、層間絶縁膜３０を挟んで積層された第３の金属配線５０及び第４の金属配線５２と、それら第３の金属配線５０及び第４の金属配線５２を層間絶縁膜３０を貫通して相互に連結したビアコンタクト４４と、からなるものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロトランス素子、信号伝達回路、及び半導体装置に係り、特に、基板上に層間絶縁膜を挟んで第１及び第２のコイルが積層されたマイクロトランス素子、並びに、該マイクロトランス素子を含む信号伝達回路及び半導体装置に関する。

従来、基板上に層間絶縁膜を挟んで上下に配置されたコイルインダクタを構成したマイクロトランス素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。このマイクロトランス素子は、送信回路が接続される送信側コイルと、受信回路が接続される受信側コイルと、を備えている。マイクロトランス素子は、基準電位の異なる送信回路と受信回路との間で両回路の絶縁性を維持しつつ信号を伝達するものである。かかるマイクロトランス素子において、送信回路から送信側コイルへパルス状の信号が供給されると、その送信側コイル回りに磁束が発生し、その磁束により受信側コイルに電圧が生ずる。この場合には、受信回路が受信側コイルに発生した電圧を検知する。従って、上記のマイクロトランス素子によれば、送信回路と受信回路との間の絶縁性を維持しつつ信号を伝達することが可能である。

特開２０００−２３２２０２号公報

ところで、マイクロトランス素子の重要な性能指標としては、ゲインと容量カップリングノイズとがあり、これらの性能指標の設計パラメータの一つに送信側コイル及び受信側コイルの寄生抵抗成分がある。このコイルの寄生抵抗成分の大部分を占める直列抵抗を軽減するためには、コイル断面積を大きくすること（厚膜化）が望ましい。しかし、上記したコイルには一般的に半導体製造プロセスで製造されたＡｌ−Ｃｕなどの金属配線が用いられるため、厚膜化が行われると、その微細化が妨げられてしまう。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、微細化を妨げることなくコイル断面積を大きく確保することが可能なマイクロトランス素子、信号伝達回路、及び半導体装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、基板上に層間絶縁膜を挟んで第１及び第２のコイルが積層されたマイクロトランス素子であって、前記第１及び第２のコイルのうち少なくとも一方のコイルは、層間絶縁膜を挟んで積層された第１及び第２の金属配線と、該第１及び第２の金属配線を層間絶縁膜を貫通して相互に連結したビアコンタクトと、からなるマイクロトランス素子により達成される。

この態様の発明において、基板上に層間絶縁膜を挟んで積層された第１及び第２のコイルのうち少なくとも一方のコイルは、層間絶縁膜を挟んで積層された第１及び第２の金属配線と、それらの金属配線を層間絶縁膜を貫通して相互に連結したビアコンタクトと、からなる。かかるコイル構造では、第１の金属配線と第２の金属配線とがビアコンタクトを介して連結されるので、コイルの断面積が大きくなる。このため、コイルの直列抵抗を軽減することが可能である。また、コイルを２層構造とすることでその断面積を大きくしたので、素子の微細化が妨げることは無い。従って、本発明によれば、微細化を妨げることなくコイル断面積を大きく確保することができる。

ところで、上記したマイクロトランス素子において、前記ビアコンタクトは、穴状又はスリット状に形成されていることとしてもよい。

また、上記したマイクロトランス素子において、前記第１のコイルが、前記第２のコイルに比べて前記基板に近い位置に配置され、前記第１及び第２の金属配線と前記ビアコンタクトとからなり、かつ、複数回巻かれた螺旋状の平面構造を有し、該第１のコイルの中心部からの引き出し配線は、前記第１及び第２の金属配線のうち一方の金属配線と同じ配線層に形成されていることとしてもよい。

尚、上記のマイクロトランス素子は、前記基板に近い位置に配置される前記第１のコイルに、信号を送信する信号送信回路が電気的に接続され、かつ、前記基板から遠い位置に配置される前記第２のコイルに、信号を受信する信号受信回路が電気的に接続されている信号伝達回路に含まれるものであればよい。

更に、２つのチップが互いに上記のマイクロトランス素子を介して電気的に接続される半導体装置であって、該マイクロトランス素子が、信号を生成して該マイクロトランス素子を駆動するドライバが形成された前記チップ側に配置されている半導体装置は、微細化を妨げることなくコイル断面積を大きく確保することができる。

本発明によれば、微細化を妨げることなくコイル断面積を大きく確保することができる。

本発明の一実施例であるマイクロトランス素子を含む信号伝達回路及び半導体装置の構成図である。 本実施例の信号伝達回路及び半導体装置の断面構造である。 本実施例のマイクロトランス素子の等価回路図である。 本実施例のマイクロトランス素子の有するコイルの上面図である。 本実施例のマイクロトランス素子を図４に示すIII−IIIで切断した際の断面図である。 本実施例のマイクロトランス素子の有するコイルを構成するビアコンタクトの平面図である。 本実施例のマイクロトランス素子の有するコイルの平面図である。 本実施例のマイクロトランス素子を図７に示すIV−IVで切断した際の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係るマイクロトランス素子、信号伝達回路、及び半導体装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例であるマイクロトランス素子１０を含む信号伝達回路１２及び半導体装置１４の構成図を示す。また、図２は、本実施例の信号伝達回路１２及び半導体装置１４の断面構造を示す。本実施例の半導体装置１４は、ＳｉやＳｉＣ，ＧａＡｓなどの半導体からなる信号伝達回路１２を備えている。信号伝達回路１２は、信号送信回路１６及び信号受信回路１８を備えていると共に、マイクロトランス素子１０を備えている。信号伝達回路１２は、信号送信回路１６からマイクロトランス素子１０を介して信号受信回路１８へ信号伝達を行う回路である。

信号送信回路１６及び信号受信回路１８は、互いに基準電位の異なる回路同士である。信号送信回路１６は、半導体基板２０上に設けられており、第１のチップ２２上に形成されている。信号送信回路１６は、例えば比較的高電位の電源電圧ＶＣＣ１と接地電圧ＧＮＤとの間で伝送すべき信号に応じた信号を生成して送信する。また、信号受信回路１８は、半導体基板２４上に設けられており、第２のチップ２６上に形成されている。信号受信回路１８は、例えば比較的低電位の電源電圧ＶＣＣ２と接地電圧ＧＮＤとの間で信号送信回路１６からの信号を受信する。

信号送信回路１６が形成された第１のチップ２２と信号受信回路１８が形成された第２のチップ２６とは、互いに上記のマイクロトランス素子１０を介して電気的に接続されている。マイクロトランス素子１０は、そのマイクロトランス素子１０を駆動するドライバ（すなわち信号送信回路１６）が形成された第１のチップ２２側に配置されている。マイクロトランス素子１０は、半導体基板２０上に形成されている。

マイクロトランス素子１０は、半導体基板２０上において層間絶縁膜３０を挟んでコイル３２及びコイル３４が積層された構造を有している。コイル３２及びコイル３４は、半導体基板２０上でその順に配置されており、互いに対向配置されている。マイクロトランス素子１０は、コイル３２，３４を支持する機能を有しており、異なる配線層に２つのスパイラルインダクタを形成している。以下、半導体基板２０に近い位置に配置されたコイル３２を下層コイル３２と、半導体基板２０から遠い位置に配置されたコイル３４を上層コイル３４と、それぞれ称す。

下層コイル３２及び上層コイル３４はそれぞれ、複数回（後述の図３や図４では３回）巻かれた螺旋状の平面構造を有している。下層コイル３２には、上記の信号送信回路１６がチップ内配線３６により電気的に接続されている。信号送信回路１６は、生成した信号をチップ内配線３６を介して下層コイル３２へ供給する。下層コイル３２は、マイクロトランス素子１０の一次側コイルである。また、上層コイル３４には、上記の信号受信回路１８が外部配線３８により電気的に接続されている。上層コイル３４は、下層コイル３２に信号が供給された際に電磁誘導によりその供給信号に応じた信号を発生し、外部配線３８を介して信号受信回路１８へ送信する。上層コイル３４は、マイクロトランス素子１０の二次側コイルである。

次に、本実施例の信号伝達回路１２及び半導体装置１４の動作について説明する。

本実施例において、信号送信回路１６は、信号伝達回路１２が伝送すべき信号に応じた信号を生成し、チップ内配線３６を介してマイクロトランス素子１０の下層コイル３２へ供給する。下層コイル３２に信号送信回路１６からの信号が供給されると、電磁誘導によりマイクロトランス素子１０の上層コイル３４に下層コイル３２への入力信号に応じた信号が発生する。その発生した信号は、外部配線３８を介して信号受信回路１８へ送信される。信号受信回路１８は、上層コイル３４からの信号を受信する。従って、本実施例によれば、信号送信回路１６から信号受信回路１８へマイクロトランス素子１０を介して電磁誘導による非接触で信号伝達を行うことが可能である。

図３は、本実施例のマイクロトランス素子１０の等価回路を示す。ところで、マイクロトランス素子１０の重要な性能指標としは、ゲインと容量カップリングノイズとがある。ゲインＧは、入力信号電圧に対して出力信号電圧として変換できる割合を示し、次式（１）の如く表される。また、容量カップリングノイズΔＶ２は、ＧＮＤ電位が変動した時に発生する受信側信号電圧振幅を示し、次式（２）の如く表される。

但し、Ｍは相互インダクタンスであり、ｋは０＜ｋ＜１を満たす結合係数であり、Ｌ１は送信側コイル３２の自己インダクタンスであり、Ｌ２は受信側コイル３４の自己インダクタンスであり、Ｒ１は送信側コイル３２の寄生抵抗であり、Ｒ２は受信側コイル３４の寄生抵抗であり、Ｒｄは送信側トランジスタの出力抵抗であり、Ｃｃは送信側コイルと受信側コイルとの間の容量であり、また、Ｖ_ＧＮＤｈはＧＮＤ電位である。

このように、ゲインＧは、送信側コイル３２の寄生抵抗の関数であり、その寄生抵抗が大きいほど小さくなってしまう。また、容量カップリングノイズΔＶ２は、受信側コイル３４の寄生抵抗の関数であり、その寄生抵抗が大きいほど大きくなってしまう。これら各コイル３２，３４の寄生抵抗成分の大部分はそれぞれの直列抵抗である。従って、マイクロトランス素子１０のゲインＧを大きくするためには、送信側の下層コイル３２の直列抵抗を軽減することが有効であり、また、その容量カップリングノイズΔＶ２を小さくするためには、受信側の上層コイル３４の直列抵抗を軽減することが有効である。そして、それらの各抵抗の軽減のためには、コイル３２，３４の断面積を大きくすること（例えばその厚膜化を図ること）が望ましい。しかし、これらの各コイル３２，３４には一般的に半導体製造プロセスで製造されたＡｌ−Ｃｕなどの金属配線が用いられるため、厚膜化が行われると、素子の微細化が妨げられてしまう。

そこで、本実施例は、微細化を妨げることなくコイル３２，３４の直列抵抗成分を軽減する点に特徴を有している。以下、図４乃至図６を参照して、本実施例の特徴点について説明する。図４は、本実施例のマイクロトランス素子１０の有するコイル３２，３４の上面図を示す。図５は、本実施例のマイクロトランス素子１０を図４に示すIII−IIIで切断した際の断面図を示す。また、図６は、本実施例のマイクロトランス素子１０の有する各コイル３２，３４を構成するビアコンタクトの平面図を示す。尚、図６（Ａ）にはビアコンタクトがスリット状のロングコンタクトである場合を、また、図６（Ｂ）にはビアコンタクトが穴状のユニットコンタクトである場合を、それぞれ示す。

本実施例のマイクロトランス素子１０において、送信側の下層コイル３２は、半導体基板２０上に層間絶縁膜３０を挟んで上下に積層された第１の金属配線４０及び第２の金属配線４２と、それら金属配線４０，４２を層間絶縁膜３０を貫通して相互に連結するビアコンタクト４４と、からなる。金属配線４０，４２はそれぞれ、半導体基板２０上において互いに異なる配線層に形成されている。

金属配線４０，４２は共に、アルミニウムや銅などの金属により構成されており、複数回巻かれた螺旋状の互いに略同じ形状を有している。第１の金属配線４０と第２の金属配線４２とは、半導体基板２０上でその順に配置されており、互いに対向配置されている。第１の金属配線４０と第２の金属配線４２とは、層間絶縁膜３０を貫通するビアコンタクト４４を介して互いに連結されている。ビアコンタクト４４は、バリアメタル層やメッキ層からなり、半導体基板２０上に積層された第１の金属配線４０と第２の金属配線４２とを電気的に接続させる機能を有している。

尚、ビアコンタクト４４は、図６（Ａ）に示す如く、金属配線４０，４２の延びる方向に沿ってスリット状に形成されたロングコンタクトであってもよいし、また、図６（Ｂ）に示す如く、金属配線４０，４２の延びる方向に所定間隔を空けて上下に貫通した穴状に形成されたユニットコンタクトであってもよい。ビアコンタクト４４の形状がスリット状のものである場合は、そのビアコンタクト４４の横幅は、金属配線４０，４２の横幅以下であればよい。また、ビアコンタクト４４の形状が穴状のものである場合は、その穴は、上方から見て、図６（Ｂ）の如く断面四角形状であってもよいし、断面円状や断面楕円状であってもよい。

また、受信側の上層コイル３４は、半導体基板２０上に層間絶縁膜３０を挟んで上下に積層された第３の金属配線５０及び第４の金属配線５２と、それら金属配線５０，５２を層間絶縁膜３０を貫通して相互に連結するビアコンタクト５４と、からなる。金属配線５０，５２はそれぞれ、半導体基板２０上において互いに異なる配線層に形成されている。

金属配線５０，５２は共に、アルミニウムや銅などの金属により構成されており、複数回巻かれた螺旋状の互いに略同じ形状を有している。第３の金属配線５０と第４の金属配線５２とは、半導体基板２０上でその順に配置されており、互いに対向配置されている。第３の金属配線５０と第４の金属配線５２とは、層間絶縁膜３０を貫通するビアコンタクト５４を介して互いに連結されている。ビアコンタクト５４は、バリアメタル層やメッキ層からなり、半導体基板２０上に積層された第３の金属配線５０と第４の金属配線５２とを電気的に接続させる機能を有している。

尚、ビアコンタクト５４は、上記のビアコンタクト４４と同様に、図６（Ａ）に示す如く、金属配線５０，５２の延びる方向に沿ってスリット状に形成されたロングコンタクトであってもよいし、また、図６（Ｂ）に示す如く、金属配線５０，５２の延びる方向に所定間隔を空けて上下に貫通した穴状に形成されたユニットコンタクトであってもよい。ビアコンタクト５４の形状がスリット状のものである場合は、そのビアコンタクト５４の横幅は、金属配線５０，５２の横幅以下であればよい。また、ビアコンタクト５４の形状が穴状のものである場合は、その穴は、上方から見て、図６（Ｂ）の如く断面四角形状であってもよいし、断面円状や断面楕円状であってもよい。

かかるマイクロトランス素子１０において、送信側の下層コイル３２は、複数の層に形成された金属配線４０，４２がビアコンタクト４４を介して電気的に接続された構造を有している。また、受信側の上層コイル３４は、複数の層に形成された金属配線５０，５２がビアコンタクト５４を介して電気的に接続された構造を有している。かかる構造においては、各コイル３２，３４がそれぞれ二層の金属配線で構成されるため、単層の金属配線で構成される構造と比較して、各コイル３２，３４の断面積が大きくなる。

このため、本実施例によれば、送信側の下層コイル３２に電流が流れる際の直列抵抗Ｒ１を軽減することができ、その結果として、マイクロトランス素子１０のゲインＧを大きくすることができる。また、受信側の上層コイル３４に電流が流れる際の直列抵抗Ｒ２を軽減することができ、その結果として、マイクロトランス素子１０の容量カップリングノイズΔＶ２を小さくすることができる。尚、コイル３２，３４の直列抵抗の軽減を図るうえでは、ビアコンタクト４４，５４を図６（Ｂ）に示す如く穴状のユニットコンタクトとする構造よりも、スリット状のロングコンタクトとする構造の方が有利である。

また、上記したマイクロトランス素子１０の構造においては、各コイル３２，３４がそれぞれ二層の金属配線で構成されるため、それらのコイル３２，３４がそれぞれ単層の金属配線で構成される構造と異なり、コイル断面積を大きく確保するうえで配線層の厚膜化を図ることは不要であり、その結果として、複数回巻かれた螺旋形状の各コイル３２，３４それぞれの配線間の隙間を狭くすることが可能である。

従って、本実施例によれば、マイクロトランス素子１０の微細化を妨げることなく、コイル断面積を大きく確保することが可能となっており、コイル３２，３４の直列抵抗を軽減することが可能となっている。これにより、マイクロトランス素子１０の性能向上を図ることが可能となっている。

ところで、本実施例においては、マイクロトランス素子１０のコイル３２，３４が複数回巻かれた螺旋状の平面構造を有するが、特に下層コイル３２については、その中心部と信号送信回路１６とを電気的に接続するチップ内配線３６をコイル３２の螺旋外へ引き出す必要がある。ここで、チップ内配線３６をコイル３２の螺旋外へ引き出す手法としては、コイル３２の金属配線４０，４２が設けられる配線層とは別に新たな配線層を設けて、その新たな配線層にチップ内配線３６を形成することが考えられる。しかし、かかる手法では、チップ内配線３６のための新たな配線層を設けることが必要となり、チップの厚肉化・肥大化が招来してしまう。

図７は、本実施例のマイクロトランス素子１０の有する下層コイル３２の平面図を示す。尚、図７（Ａ）には第１の金属配線４０部分における平面図を、また、図７（Ｂ）には第２の金属配線４２部分における平面図を、それぞれ示す。また、図８は、本実施例のマイクロトランス素子１０を図７に示すIV−IVで切断した際の断面図を示す。

そこで、本実施例において、下層コイル３２の中心部から信号送信回路１６へ向けて引き出される引き出し配線（すなわち、チップ内配線３６）は、半導体基板２０上において、下層コイル３２の上下に積層された金属配線４０，４２のうちの一方の金属配線（図８においては第２の金属配線４２）と同じ配線層に形成されており、チップ内配線３６の一部は、金属配線４０，４２の片方と同じ配線層に形成されている。すなわち、金属配線４０，４２の一方（図８においては第１の金属配線４０）は、半導体基板２０上においてその中心部側から外周部にかけて途切れることのない配線からなるが（図７（Ａ）参照）、金属配線４０，４２の他方（図８においては第２の金属配線４２）は、半導体基板２０上においてその中心部側から外周部にかけて途切れがある配線からなる（図７（Ｂ）参照）。尚、このように金属配線４０，４２の他方に途切れた部分があっても、それ以外の部分では両配線４０，４２はビアコンタクト４４を介して電気的に接続されているので、コイル３２としての機能は満たされる。

かかるマイクトランス素子１０の構造においては、層間絶縁膜３０を挟んで金属配線４０，４２が積層されることのないコイル３２の部位が一部に存在する一方で、チップ内配線３６のための新たな配線層を設けることが不要となるので、配線層を増加させることなくコイル３２の中心部からの引き出し配線を有効に配策することが可能である。従って、本実施例によれば、チップの肥大化を招くことなくマイクロトランス素子１０の機能（信号伝達機能）を適切に確保しつつ、コイル断面積をできるだけ大きくすることが可能となっている。

尚、上記の実施例においては、半導体基板２０が特許請求の範囲に記載した「基板」に、送信側の下層コイル３２及び受信側の上層コイル３４が特許請求の範囲に記載した「第１のコイル」及び「第２のコイル」に、第１〜第４の金属配線４０，４２，５０，５２が特許請求の範囲に記載した「第１の金属配線」及び「第２の金属配線」に、チップ内配線３６が特許請求の範囲に記載した「引き出し配線」に、信号送信回路１６が特許請求の範囲に記載した「ドライバ」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、送信側の下層コイル３２及び受信側の上層コイル３４の双方を共に、層間絶縁膜３０を挟んで積層される２つの金属配線と、両金属配線を相互に連結するビアコンタクトと、からなるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、何れか一方のコイル３２，３４のみを、層間絶縁膜３０を挟んで積層される２つの金属配線と、両金属配線を相互に連結するビアコンタクトと、からなるものとしてもよい。

また、上記の実施例においては、コイル３２，３４を、層間絶縁膜３０を挟んで積層される２つの金属配線と、両金属配線を相互に連結するビアコンタクトと、からなるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、層間絶縁膜３０を挟んで積層される３つ以上の金属配線と、それらの金属配線を相互に連結するビアコンタクトと、からものとしてもよい。尚、この場合は、何れか一の金属配線と同じ配線層に中心部からの引き出し配線を形成することとすればよく、他の配線層では金属配線を形成することとすればよい。

また、上記の実施例においては、マイクロトランス素子１０を、信号送信回路１６が設けられた半導体基板２０上に形成・配置することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、信号受信回路１８が設けられた半導体基板２４上に形成・配置することとしてもよい。

更に、上記の実施例においては、マイクロトランス素子１０の半導体基板に近い下層側に送信側のコイル３２を配置し、かつ、半導体基板から遠い上層側に受信側のコイル３４を配置することとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体基板に近い下層側に受信側のコイル３４を配置し、かつ、半導体基板から遠い上層側に送信信側のコイル３２を配置することとしてもよい。

１０ マイクロトランス素子
１２ 信号伝達回路
１４ 半導体装置
１６ 信号送信回路
１８ 信号受信回路
２０，２４ 半導体基板
２２，２６ チップ
３０ 層間絶縁膜
３２，３４ コイル
３６ チップ内配線
３８ 外部配線
４０，４２，５０，５２ 金属配線
４４，５４ ビアコンタクト

Claims (5)

1. 基板上に層間絶縁膜を挟んで第１及び第２のコイルが積層されたマイクロトランス素子であって、
   前記第１及び第２のコイルのうち少なくとも一方のコイルは、層間絶縁膜を挟んで積層された第１及び第２の金属配線と、該第１及び第２の金属配線を層間絶縁膜を貫通して相互に連結したビアコンタクトと、からなることを特徴とするマイクロトランス素子。
2. 前記ビアコンタクトは、穴状又はスリット状に形成されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロトランス素子。
3. 前記第１のコイルが、前記第２のコイルに比べて前記基板に近い位置に配置され、前記第１及び第２の金属配線と前記ビアコンタクトとからなり、かつ、複数回巻かれた螺旋状の平面構造を有し、
   該第１のコイルの中心部からの引き出し配線は、前記第１及び第２の金属配線のうち一方の金属配線と同じ配線層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロトランス素子。
4. 前記基板に近い位置に配置される前記第１のコイルに、信号を送信する信号送信回路が電気的に接続され、かつ、前記基板から遠い位置に配置される前記第２のコイルに、信号を受信する信号受信回路が電気的に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載のマイクロトランス素子を含む信号伝達回路。
5. ２つのチップが互いに請求項１乃至３の何れか一項記載のマイクロトランス素子を介して電気的に接続される半導体装置であって、
   該マイクロトランス素子が、信号を生成して該マイクロトランス素子を駆動するドライバが形成された前記チップ側に配置されていることを特徴とする半導体装置。

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