JP3102125B2

JP3102125B2 - 薄膜磁気素子

Info

Publication number: JP3102125B2
Application number: JP04043607A
Authority: JP
Inventors: 明斎藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1992-02-28
Publication date: 2000-10-23
Anticipated expiration: 2015-10-23
Also published as: JPH05243048A; US5548265A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スパイラル状の薄膜コ
イルを有する薄膜磁気素子に関し、特に、その構造技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコンなどの半導体基板上に形成され
た半導体集積デバイスなどにおいては、薄膜トランスや
薄膜インダクタを有するものであっても、それらを構成
するコイルや磁心は薄膜形成技術によって形成される。
ここで、磁心には磁性膜が用いられる一方、コイルには
導電性配線が用いられるが、コイルの形状は、コイル長
さ（または面積）当たりのインダクタンスを大きく、す
なわち、大きなＱ値（ωＬ／Ｒ）を確保するためにスパ
イラル形状で形成される。たとえば、図８（ｂ）に示す
薄膜トランスにおいては、シリコン基板２０６の表面側
に、厚さが１〜２μｍのシリコン酸化膜２０５が形成さ
れ、その表面側に厚さが３〜５μｍの磁性膜２０４およ
び厚さが１〜２μｍのシリコン酸化膜２０８ａが形成さ
れている。

【０００３】さらに、シリコン酸化膜２０８ａの表面側
には、銅またはアルミニウムなどからなる高導電性の金
属材料がスパッタリング法または真空蒸着法などによっ
て成膜された後、この金属膜は、図８（ａ）に示すよう
に、スパイラル状にパターニングされて、２次コイル２
０２となる。従って、２次コイル２０２の断面は、図８
（ｂ）に示すように、その内周側から外周側に向かって
断続的に存在するようにみえる。さらに、それらの表面
側には、シリコン酸化膜２０８ｂが堆積された後に、１
次コイル２０１が２次コイル２０２と同様な方法によっ
て形成され、しかる後に、シリコン酸化膜２０８ｃおよ
び磁性膜２０３が形成される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
構造の薄膜トランスにおいては、そのコイル間に寄生キ
ャパシタが存在すること、コイルに寄生抵抗が存在する
こと、さらに、磁心の電磁誘導によって渦電流が発生す
ることに起因して、損失が大きいという問題点がある。
すなわち、薄膜トランスにおいて、１次コイル２０１と
２次コイル２０２とがシリコン酸化膜２０８ｂを介して
対向する状態にあるため、これらのコイル間に大きな容
量の寄生キャパシタが存在する。従って、薄膜トランス
を高周波回路に用いると、寄生キャパシタを通過する電
力の比率が高くなって、大きな損失が生じる。また、１
次コイル２０１および２次コイル２０２には寄生抵抗が
存在するため、それによって発生する損失を低減しない
限り、インダクタンスを維持したまま、シリコン基板２
０６に対する薄膜コイルの占有面積を小さくすることが
できない。さらに、薄膜トランスを高い周波数で用いる
と、薄膜トランスに渦電流が発生し、この渦電流による
熱損失は磁性膜に発生する渦電流損失が大きな比率を占
めている。

【０００５】以上の問題点に鑑みて、本発明の課題は、
薄膜磁気素子の構成要素の構造を改良して、その占有面
積を拡張することなく、インダクタンス以外の電気的成
分の影響を低減し、損失を低減可能な薄膜磁気素子を実
現することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を薄膜磁気素子
の寄生キャパシタを低減することよって解決するため
に、本発明に係る薄膜磁気素子において講じた第１の手
段は、基板の表面側に、その基板面方向にスパイラル状
に形成された導電性材料からなる第１の薄膜コイルと、
この薄膜コイルに絶縁膜を介して基板面方向にスパイラ
ル状に形成された導電性材料からなる第２の薄膜コイル
とを設け、第１の薄膜コイルと第２の薄膜コイルとは、
基板面に対する占有領域が略同位置である一方で、互い
に基板面方向にずれた状態で周回していると共に、互い
に内周側から外周側に向けての線幅の変化率が異なるス
パイラル形状に形成されていることを特徴とする。

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【作用】上記第１の手段を講じた薄膜磁気素子において
は、第１の薄膜コイルと第２の薄膜コイルとを異なるス
パイラル形状、たとえば、第１の薄膜コイルと第２の薄
膜コイルとを、互いに内周側から外周側に向けての線幅
の変化率が異なるスパイラル形状に形成してあるため、
薄膜磁気素子の占有面積が拡張されない状態のまま、第
１の薄膜コイルと第２の薄膜コイルとは、互いに基板面
方向にずれた状態で周回し、それぞれが対向しない状
態、あるいは、それぞれの対向面積が狭い状態にある。
それ故、これらの薄膜コイル間に存在する寄生キャパシ
タの容量値が小さいので、薄膜磁気素子を高周波回路に
用いても、寄生キャパシタを通過する電力の比率が小さ
く、損失を低減できる。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【実施例】つぎに、図面に基づいて、本発明の実施例に
ついて説明する。

【００１３】〔実施例１〕図１は本発明の実施例１に係
る薄膜トランス（薄膜磁気素子）の要部を示す断面図で
ある。

【００１４】この図において、薄膜トランス１０は、他
のトランジスタ素子や薄膜キャパシタなど共に半導体集
積デバイスに形成された状態にあり、そのシリコン基板
１０６（基板）の表面側には、厚さが１〜２μｍのシリ
コン酸化膜１０５が形成され、その表面側に厚さが３〜
５μｍの磁性膜１０４（磁心）および厚さが１〜２μｍ
のシリコン酸化膜１０７ａが形成されている。さらに、
シリコン酸化膜１０７ａの表面側には、銅またはアルミ
ニウムなどからなる高導電性の金属材料がスパッタリン
グ法または真空蒸着法などによって成膜された後、この
金属膜は、従来の薄膜トランスの説明に用いた図８
（ａ）に示すように、スパイラル状にパターニングされ
て、線幅がＷで一定であって、配線部間スペースがＳで
一定の２次コイル１０２（第１の薄膜コイル）になって
いる。従って、２次コイル１０２の断面は、図１に示す
ように、その内周側から外周側に向かって断続的に存在
するようにみえる。さらに、その表面側に、シリコン酸
化膜１０７ｂが堆積された状態で、１次コイル１０１
（第２の薄膜コイル）が、線幅がＷで一定、かつ、配線
部間スペースがＳで一定のスパイラル形状に形成されて
おり、１次コイル１０１は、シリコン基板１０６に対し
て２次コイル１０２と同じ領域を占有する状態にある。

【００１５】ここで、１次コイル１０１も、シリコン酸
化膜１０７ｂの表面側に、銅またはアルミニウムなどか
らなる高導電性の金属材料がスパッタリング法または真
空蒸着法などによって成膜された後、スパイラル状にパ
ターニングされて形成されたものであるが、そのスパイ
ラル形状は２次コイル１０２と異なるスパイラル形状、
すなわち、２次コイル１０２と形成周期の位相がずれた
スパイラル形状になっており、１次コイル１０１のいず
れの配線部１０１ａも、２次コイル１０２の配線部１０
２ａの形成領域同士の間に位置している。その結果、１
次コイル１０１の配線部１０１ａは、２次コイル１０２
のいずれの配線部１０２ａに対してシリコン基板１０６
の基板面方向にずれた状態で周回している。

【００１６】また、１次コイル１０１の表面側には、シ
リコン酸化膜１０７ｃが形成され、このシリコン酸化膜
１０７ｃの表面側に磁性膜１０３（磁心）が形成されて
いる。さらに、シリコン酸化膜１０７ａ，１０７ｂ，１
０７ｃに対しては、その開口部（図示せず）を利用し
て、１次コイル１０１と２次コイル１０２とを接続する
接続用電極（図示せず）が形成されて、薄膜トランス１
０が構成されている。なお、磁性膜１０３，１０４とし
ては、一般にコバルト系または鉄系の高透磁率の軟磁性
材料が用いられる。

【００１７】このような構成の薄膜トランス１０におい
て、１次コイル１０１と２次コイル１０２とは、配線部
１０１ａの半径方向への形成周期の位相と２次コイル１
０２の配線部１０２ａの半径方向への形成周期の位相と
が異なるスパイラル形状になっているため、薄膜トラン
ス１０に対するコイルの占有面積が拡張されない状態の
ままで、いずれの配線部１０１ａも配線部１０２ａに対
して完全にずれて、配線部１０１ａと配線部１０２ａと
は対向していない。従って、配線部１０１ａ（１次コイ
ル１０１）と配線部１０２ａ（２次コイル１０２）との
間に存在する寄生キャパシタの容量が極めて小さい。そ
れ故、薄膜トランス１０を高周波回路に用いても、寄生
キャパシタを通過する電力の比率が小さく、損失を低減
できる。

【００１８】なお、図８（ｂ）に示す従来の薄膜トラン
スの状態をずれ幅が０であるとした場合には、配線部１
０１ａと配線部１０２ａとの間におけるずれ幅ｄは、後
述する本例の変形例のように、０からＷ（線幅）＋Ｓ
（配線部間スペース）までの範囲に設定することも可能
である。

【００１９】〔実施例１の変形例〕図２（ａ）は本発明
の実施例１の変形例に係る薄膜トランス（薄膜磁気素
子）の要部を示す断面図である。ここで、本例の薄膜ト
ランスは、図８（ｂ）に示す従来の薄膜トランスの構造
から、ずれ幅ｄをＷ／２に設定した構造になっており、
その他の構造は、実施例１の薄膜トランスと同様になっ
ているため、対応する部分には同符号を付して、それら
の説明を省略する。

【００２０】この図においても、薄膜トランス１０ａ
は、そのシリコン基板１０６（基板）の表面側に、シリ
コン酸化膜１０５を介して形成された磁性膜１０４（磁
心）と、その表面側にシリコン酸化膜１０７ａを介して
形成されたスパイラル状の２次コイル１０２（第１の薄
膜コイル）と、その表面側にシリコン酸化膜１０７ｂを
介して形成された１次コイル１０１（第２の薄膜コイ
ル）と、その表面側にシリコン酸化膜１０７ｃを介して
形成された磁性膜１０３（磁心）とを有する。

【００２１】この薄膜トランス１０ａにおいては、１次
コイル１０１と２次コイル１０２とは、配線部１０１ａ
の半径方向への形成周期の位相と２次コイル１０２の配
線部１０２ａの半径方向への形成周期の位相とが異なる
スパイラル形状になっており、いずれの配線部１０１ａ
も配線部１０２ａに対してＷ／２の距離をずれた状態に
あるため、完全には対向していない。従って、配線部１
０１ａ（１次コイル１０１）と配線部１０２ａ（２次コ
イル１０２）との間に寄生する寄生キャパシタの容量が
小さいので、電力損失などを低減できる。しかも、配線
部１０１ａ（１次コイル１０１）と配線部１０２ａ（２
次コイル１０２）とが部分的に対向していることによっ
て、１次コイル１０１と二次コイル１０２との間におけ
る結合係数は比較的高いレベルにある。

【００２２】それ故、薄膜トランスを使用する回路にお
ける周波数レベルなどに応じて、実施例１に係る薄膜ト
ランス１０または本例の薄膜トランス１０ａ、さらには
その中間に相当する構造である実施例１の別の変形例と
して、図２（ｂ）に示すように、配線部１０１ａと配線
部１０２ａとのずれ幅ｄを３Ｗ／４に設定した薄膜トラ
ンス１０ｂなどを選択して形成することができる。従っ
て、回路に応じた寄生キャパシタの容量および結合係数
に設定できるので、回路設計における自由度が高い。

【００２３】〔実施例２〕図３は本発明の実施例２に係
る薄膜トランス（薄膜磁気素子）の要部を示す断面図で
ある。

【００２４】この図においても、薄膜トランス１１は、
そのシリコン基板１１６（基板）の表面側に、厚さが１
〜２μｍのシリコン酸化膜１１５を介して形成された厚
さが３〜５μｍの磁性膜１１４（磁心）と、その表面側
に厚さが１〜２μｍのシリコン酸化膜１１７ａを介して
形成された２次コイル１１２と、その表面側にシリコン
酸化膜１１７ｂを介して形成された１次コイル１１１
と、その表面側に形成された磁性膜１１３とを有する。
この薄膜トランス１１においても、１次コイル１１１お
よび２次コイル１１２は、いずれも、銅またはアルミニ
ウムなどからなる高導電性の金属材料がスパッタリング
法または真空蒸着法などによって成膜された後、この金
属膜がスパイラル状にパターニングされたものである。

【００２５】本例においては、１次コイル１１１または
２次コイル１１２を形成すべき銅またはアルミニウムの
金属膜をスパイラル状にパターニングするにあたって、
１次コイル１１１および２次コイル１１２のいずれを
も、内周側から外周側に向けての線幅が変化するスパイ
ラル形状に形成されている。そして、いずれのコイル
も、最内周の半径が約５００μｍ、最外周の半径が約５
０００μｍ、配線間のスペースが約５μｍ、巻線数が２
０周、厚さが約５μｍに設定されている。また、１次コ
イル１１１の配線部１１１ａの線幅は、内周側から外周
側に向かって、Ｗ₁₁，Ｗ₁₂・・・・Ｗ₁₄，Ｗ₁₅と拡張さ
れた状態となっており、２次コイル１１２の配線部１１
２ａの線幅は、内周側から外周側に向かって、Ｗ₂₁，Ｗ
₂₂・・・・Ｗ₂₇，Ｗ₂₈と拡張された状態となっている。
ここで、１次コイル１１と２次コイル１２とは、互いに
内周側から外周側に向けての線幅の変化率が異なる構造
になっているため、配線部１１１ａと配線部１１２ａと
は、ずれた状態にあるため、互いに完全に対向した状態
にない。このため、配線部１１１ａ（１次コイル１１
１）と配線部１１２ａ（２次コイル１１２）との間に寄
生する寄生キャパシタの容量が極めて小さいので、電力
損失などが小さい。しかも、配線部１１１ａ（１次コイ
ル１１１）と配線部１１２ａ（２次コイル１１２）とが
部分的に対向していることによって、１次コイル１１１
と二次コイル１１２との間における結合係数も比較的高
いレベルにある。それ故、薄膜トランスを使用する回路
における周波数レベルなどに応じて、１次コイル１１１
および２次コイル１１２の内周側から外周側に向かって
の線幅の変化率を任意に設定することによって、結合係
数と寄生キャパシタンスとの比を回路に対応したレベル
とすることができるので、回路設計における自由度が高
い。

【００２６】さらに、本例に示す薄膜トランス１１にお
いて、１次コイル１１と２次コイル１２とは、互いに内
周側から外周側に向けての線幅の変化率が異なるスパイ
ラル形状に形成されているため、いずれのコイルにおい
ても、内周側からの周回数をｎ（但し、ｎは２以上の整
数）としたときに、線幅Ｗ_{m ,n}はｎの関数として、Ｗ
_{m ,n}＝Ｗ（ｎ）で表されると共に、その周囲長さをＣ
_{m ,n}とすると、周囲長さＣ_{m ,n}もｎの関数として、Ｃ
_{m ,n}＝Ｃ（ｎ）で表される。ここで、添字ｍは、いずれ
の側のコイルであるかを示す。従って、各コイルのスパ
イラル形状を、内周側からｎ周目における線幅Ｗ_{m ,n}に
対する周囲長さＣ_{m ,n}の比と、ｎ−１周目における線幅
Ｗ_{m ,n-1}に対する周囲長さＣ_{m ,n-1}の比との関係で示す
と、以下の一般式としても規定できる。

【００２７】（Ｃ_{m ,n} ／Ｗ_{m ,n} ）＝ｋ・（Ｃ_{m ,n-1} ／Ｗ_{m ,n-1} ）そこで、上記一般式におけるスパイラル形状を規定する
パラメータであるｋを０．７５から１．２５までの範囲
で変えて、種々のスパイラル形状の薄膜コイルを形成
し、パラメータｋと、各薄膜コイルの抵抗Ｒ，自己イン
ダクタンスＬおよびＱ値（ωＬ／Ｒ）との各関係を検討
した。ここで、ｋとスパイラル形状との関係は、たとえ
ば、以下のとおりである。ｋが大きいということは、内
周側から外周側に向かうにつれて、周囲長さＣ_{m ,n}が延
長される度合いに比較して、線幅Ｗ_{m ,n}が拡張される度
合いが大きいということである。逆に、ｋが小さいとい
うことは、内周側から外周側に向かうにつれて、周囲長
さＣ_{m ,n}が延長される度合いに比較して、線幅Ｗ_{m ,n}が
拡張される度合いが小さいということである。従って、
ｋ＝１であれば、周囲長さＣ_{m ,n}が延長されるに伴っ
て、同じ比率で線幅Ｗ_m _,nが拡張されることになる。ま
た、ｋが１以上であれば、必然的に外周側の線幅Ｗ_{m ,n}
が拡張されたスパイラル形状になる。このようなｋで規
定されるスパイラル形状を有する各薄膜コイルについて
検討した結果のうち、図４にはｋと薄膜コイルの自己イ
ンダクタンスＬとの関係を、図５にはｋと薄膜コイルの
抵抗Ｒとの関係を、図６にはｋと薄膜コイルのＱ値（ω
Ｌ／Ｒ）との関係を示す。

【００２８】その結果、図４に実線２１で示すように、
ｋと薄膜コイルの自己インダクタンスＬとの関係におい
て、ｋが小さな値の場合には、自己インダクタンスに大
きく寄与する周囲長さが長い外周側で線幅Ｗが減縮され
ていくため、互いに密結合となるので、自己インダクタ
ンスが大きくなる一方、ｋが大きな値の場合には自己イ
ンダクタンスが小さくなる。

【００２９】これに対して、図６に実線２３で示すよう
に、ｋと薄膜コイルの寄生抵抗Ｒとの関係において、ｋ
が１の場合には、スパイラル形状を同心円形状であっ
て、いずれの円周も電気的に直列接続している状態に見
做すと、いずれの円周上においても、線幅Ｗ_{ｍ，ｎ}に
対する周囲長さＣ_{ｍ，ｎ}の比の変化率が１に近い状
態、すなわち、抵抗値が同等である状態にある。従っ
て、ｋの値が約１のとき、抵抗Ｒを最小値とすることが
でき、その近傍範囲においては、従来の薄膜コイルに比
較して約８０％の抵抗値にまで低減でき、薄膜コイルに
寄生する抵抗Ｒに起因する損失を低減できる。

【００３０】その結果、図５に実線２２で示すように、
ｋとＱ値（ωＬ／Ｒ）との関係において、ｋが約０．９
２のときに、Ｑ値は最大値を示し、薄膜コイルとしては
最適な状態となる。しかも、ｋの値を約０．８から約
１．２までの範囲、すなわち、薄膜コイルの半径方向に
おいて、内周側からｎ周目における線幅に対する周囲長
さの比がｎ−１周目における線幅に対する周囲長さの比
に対して約０．８倍から約１．２倍までの範囲に設定す
ることによって、磁気コイルのＱ値を最適な条件に設定
できる。

【００３１】従って、この構造によれば、本例の薄膜ト
ランス１１のように、１次コイル１１１と２次コイル１
１２のｋの値を異なる値とすることによって、それぞれ
の配線部１１１ａ（１次コイル１１１）と配線部１１２
ａ（２次コイル１１２）との間に寄生する寄生キャパシ
タの容量を低減できるのに加えて、ｋの値を約０．８か
ら１．２までの範囲に設定することによって、１次コイ
ル１１１と２次コイル１１２のＱ値を高いレベルとする
こともできる。

【００３２】なお、本例においては、上記のスパイラル
形状をもつ薄膜コイルを薄膜トランス１１に用いた場合
で説明したが、これに限らず、薄膜コイルを薄膜インダ
クタに適用しても、Ｑ値の大きな薄膜インダクタを構成
することができる。

【００３３】〔実施例３〕図７は本発明の実施例３に係
る薄膜インダクタ（薄膜磁気素子）の要部を示す平面図
である。

【００３４】本例においても、薄膜インダクタ１２の基
板の表面側には、絶縁膜を介して、スパイラル状に形成
された導電性材料からなる薄膜コイル１２２と、この薄
膜コイル１２２の表面側に絶縁膜を介して形成された磁
性膜１２１（磁心）とが形成されており、この磁性膜１
２１は、薄膜コイル１２２の内周側に相当する位置から
外周側に向かって放射状に設けられた磁性膜非形成領域
１２３によって均等に分割された状態にある。

【００３５】このような構成の薄膜インダクタ１２にお
いては、磁性膜１２１は薄膜コイル１２２の内周側に相
当する位置を中心とする円周方向で均等に分割された状
態にあるため、磁性膜１２１に電磁誘導によって渦電流
が発生しても、渦電流の経路が分断されている。その結
果、渦電流が低減される結果、薄膜インダクタ１２にお
ける損失（渦電流損失）が小さい。

【００３６】なお、以上の実施例１ないし実施例３につ
いては、代表的な薄膜磁気素子について説明したもので
あり、薄膜トランスまたは薄膜インダクタなどの他に、
磁気ヘッドなどにも適用可能である。また、それらの薄
膜磁気素子を構成するにあたっては、実施例１ないし実
施例３に示した構成を組み合わせた構成としてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上のとおり、本発明に係る薄膜磁気素
子においては、第１の薄膜コイルと第２の薄膜コイルと
は、基板面に対する占有領域が略同位置である一方で、
互いに基板面方向にずれた状態で周回していると共に、
互いに内周側から外周側に向けての線幅の変化率が異な
るスパイラル形状に形成されていることを特徴とする。
従って、本発明によれば、第１の薄膜コイルと第２の薄
膜コイルとが完全に対向する状態にないため、これらの
コイル間に寄生する寄生キャパシタの容量が小さいの
で、薄膜磁気素子を高周波回路に用いても、寄生キャパ
シタを通過する電力の比率が小さく、薄膜磁気素子の占
有面積を拡張することなく、損失を低減できるという効
果を奏する。

【００３８】

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る薄膜トランスの要部を
示す断面図である。

【図２】（ａ）は本発明の実施例１の変形例に係る薄膜
トランスの要部を示す断面図、（ｂ）は本発明の実施例
１のさらに別の変形例に係る薄膜トランスの要部を示す
断面図である。

【図３】本発明の実施例２に係る薄膜トランスの要部を
示す断面図である。

【図４】図３に示す薄膜トランスにおける薄膜コイルの
スパイラル形状を規定するパラメータｋと自己インダク
タンスＬとの関係を示すグラフ図である。

【図５】図３に示す薄膜トランスにおける薄膜コイルの
スパイラル形状を規定するパラメータｋと抵抗Ｒとの関
係を示すグラフ図である。

【図６】図３に示す薄膜トランスにおける薄膜コイルの
スパイラル形状を規定するパラメータｋとＱ値との関係
を示すグラフ図である。

【図７】本発明の実施例３に係る薄膜インダクタの要部
を示す平面図である。

【図８】（ａ）は従来の薄膜トランスにおける薄膜コイ
ルの平面形状を示す概念図、（ｂ）はそのＡ−Ｂ線にお
ける断面図である。

【符号の説明】

１０，１０ａ，１０ｂ，１１・・・薄膜トランス１２・・・薄膜インダクタ１０１，１１１・・・１次コイル（第２の薄膜コイル）１０１ａ，１０２ａ，１１１ａ，１１２ａ・・・配線部１０２，１１２・・・２次コイル（第１の薄膜コイル）１０３，１０４，１１３，１１４，１２１・・・磁性膜
（磁心）１２２・・・薄膜コイル１２３・・・磁性膜非形成領域

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面側に、その基板面方向にスパ
イラル状に形成された導電性材料からなる第１の薄膜コ
イルと、この薄膜コイルに絶縁膜を介して前記基板面方
向にスパイラル状に形成された導電性材料からなる第２
の薄膜コイルと、を有する薄膜磁気素子において、前記
第１の薄膜コイルと前記第２の薄膜コイルとは、基板面
に対する占有領域が略同位置である一方で、互いに前記
基板面方向にずれた状態で周回していると共に、互いに
内周側から外周側に向けての線幅の変化率が異なるスパ
イラル形状に形成されていることを特徴とする薄膜磁気
素子。