JP3661380B2 - 平面型インダクタ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気的エネルギーと磁気的エネルギーとの変換作用をもつ、インダクタ、トランス等の磁気誘導部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インダクタ、トランスに代表される磁気誘導部品の小型化要求が高まってきている。その理由として、電子情報機器、携帯用各種電子機器の小型軽量化に伴い、電源の小型軽量化が不可欠となってきていることが挙げられる。高品質の電源を得るための電源回路方式や、その中で用いられる制御用ＩＣ、スイッチング素子、整流素子等の能動素子の技術的進歩が著しい中で、これら電源回路の中に用いられるコイル、トランス、コンデンサ等の受動素子が占める容積の問題が浮き彫りにされてきている。特にインダクタやトランス等の磁気誘導部品は、集積回路と比べると体積が非常に大きいために、電子機器の小形化を図る上で最大の隘路になっている。
【０００３】
これら磁気誘導部品の小型化に対する今後の方向としては、チップ部品として限りなく小さくし、面実装により電源全体を小さくする方向と、シリコン基板上に薄膜で形成する方向の二つが考えられる。何れの場合においても、電磁変換効率の向上と、電磁干渉の防止が大きな課題である。
電磁変換効率の向上という点では、例えば特開平１−１５１２１１号公報に、セラミック基板の捲線を、積層して小型化を狙ったトランスの例が開示されている。一方例えば、特開平２−２７５６０６号公報に平面インダクタと称するコイル導体を平面上でスパイラル状に形成した薄膜インダクタや同様の薄膜トランスが開示されている。これらの従来技術からもわかるように、電子装置の全体構造を小形化し、かつ面実装等の組み立ての手間を極力省いて合理化できる点では、後者の方向が有利であると考えられる。
【０００４】
コイル導体を平面上でスパイラル状に形成した平面インダクタンスと称する特開平２−２７５６０６号公報の技術は本質は個別素子であるが、チップへの搭載に適する。しかし、これはポリイミドフィルムの両面に銅のコイルを形成したものであり、しかも、銅コイルの断面積は、３５μｍ×２５０μｍ、コイルのピッチ５００μｍというような、通常の集積回路の寸法を遙かに越えたものであって、数〜１０ｍｍ角の小形チップに集積回路とモノリシック化する（一体に作り込む）には無理がある。
【０００５】
近年、磁気誘導部品の小形化の要求に応えて、半導体技術の適用により、半導体基板上に磁気誘導部品を搭載した例も報告されている。発明者の同僚も特願平８−１４９６２６において、そのような平面型磁気誘導部品を考案した。
図９（ａ）ないし（ｃ）は、その提案に記載された平面型インダクタのコイル導体の製造工程部分を工程順に示した部分断面図である。
【０００６】
表面に酸化膜２が形成されたシリコンウェハ１上に磁性薄膜４を積層し、更に絶縁膜３で覆った上に、メッキの核となる例えば白金核５を薄く島状に蒸着する［図９（ａ）］。
中間絶縁膜６となる感光性ポリイミドを、コイル導体の高さであるｔ_c の厚さに形成する フォトマスクを使用して露光、現像をおこない、幅ｄ、間隔ｓの溝を形成する［同図（ｂ）］。
【０００７】
ポリイミドのキュア後、溝内にメッキによりコイル導体７となる銅を充填する［同図（ｃ）］。
この後、コイル導体７および中間絶縁膜６の上に絶縁膜を介して磁性薄膜を堆積して、断面がｔ_c ×ｄ、間隔がｓのコイルが形成される。
この方法は、マイクロマシーニング技術の中でもおこなわれている方法である。［ＬＩＧＡプロセスとよばれるものなど、例えば Menz, W. et al, Proc. IEEE Micro Mechanical Systems Workshops, p.69,(1991) ］
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
コイルを前記の特開平２−２７５６０６号公報の例のように大きくしなければならない理由の一つに、Ｑ（＝ωＬ／Ｒ）値を高くできないすなわち、電磁変換効率の向上が困難である点が挙げられる。ここでωは角周波数、Ｌはインダクタンス、Ｒは抵抗である。
【０００９】
すなわち、従来から磁気誘導部品を小形化するには、先ず電子装置の動作周波数を上げて、小さなインダクタンス値でも所定のＱ値が得られるようにしているが、１ＭＨｚ以上の周波数領域では、磁気回路やコイル内の高周波損失のために磁気誘導部品のインダクタンス値Ｌが飽和し、抵抗値Ｒが増加するので、動作周波数を上げると、Ｑ値が飽和ないし逆に減少してくる。このため、動作周波数を上げてもＱ値を所定レベルに維持するために磁気誘導部品の体積を小さくできなくなってくる。特開平２−２７５６０６号公報の平面インダクタンスにおいて、銅コイルを大きくした理由の一つは、Ｑ値を高くするためであった。
【００１０】
Ｑ値を高くするためには、ωを高くすることは勿論であるが、Ｌの値をなるべく大きく、Ｒの値をなるべく小さくする必要がある。Ｌの値は、コイルのターン数、すなわちコイルのサイズにほぼ比例するため、小型化の方向とは逆になり制限がある。残されたＱ値の向上策は、Ｒ値をなるべく小さくすることである。Ｒの値をなるべく小さくするという点からもターン数、すなわちコイルのサイズは、なるべく小さくおさえるべきである。
【００１１】
Ｒは、直流抵抗と、交流抵抗成分とに分けられる。交流抵抗成分としては磁性膜に絡む渦電流成分やヒステリシス成分などのいわゆる鉄損、および交流磁界がコイル導体を横切ることによってコイル導体中を流れる電流を偏在させて生ずる磁気誘導型銅損がある。高周波化に伴い、このような交流抵抗成分の低減が不可欠である。
【００１２】
一般に、コイルの直流抵抗を低くするためには、抵抗率の低い導体材料の選択と、コイル長を短くすること、コイル断面積を大きくすることが考えられる。抵抗率の低い導体材料の選択は限られており、抵抗率の点で銅を用いるのが一般的である。コイル長については、一定のＬを得るためには、ある程度の長さが必要であり、制約がある。残りは、コイル断面積を大きくすることである。
【００１３】
前述の磁気誘導型銅損を考慮すると、コイル幅はなるべく狭い方が良いため、結局のところコイル厚を厚くする以外に方策は無い。
前項の製造方法の場合、コイル厚はメッキマスク（例えば感光性ポリイミド）の厚さで決まる。コイル厚を厚くしようと思えば、感光性ポリイミドを厚く塗布し、指向性の良い光源（ＳＯＲ光など）で露光しなければならない。
【００１４】
しかし、そのような方法で際限無く厚いコイルが実現できるわけではない。例えばメッキ厚が厚くなると、メッキ膜中の応力が大きく、基板としたシリコンウェハが反るなどの問題が生じる。シリコン基板の反りは、実際のプロセス上では大きな問題であり、例えば、パターン形成やチップ化などの後工程に支障を来すことになる。このため実際には、直径４インチのシリコンウェハ上に厚さが３０μｍ以上のコイル導体をもつ磁気誘導部品を作ることは極めて困難である。
【００１５】
このような現状に立脚して、本発明は集積回路等の半導体装置のチップ上に直接作り込むに適した薄膜積層構造をもち、コイル膜厚を厚くしてコイル部の損失、とりわけ直流損失を低減し、かつ製造の容易な平面型インダクタおよび平面型トランスを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題解決のため本発明の平面型インダクタは、一方の基板上に形成された平面コイルと、その平面コイルと面対称となるように他方の基板上に形成された平面コイルとをコイル面同士が電気的に接続されるように重ね合わされた構造であるものとする。
【００１７】
そのようにすれば、これまでの製造限界の二倍の厚さのコイル導体を、プロセス上の問題も無く容易に実現できる。
特に、それぞれの基板と平面コイルとの間に高透磁率の磁性薄膜を有するものとする。
そのようにすれば、磁束密度が高められ、磁束を有効に収束できる。
【００２０】
そのようにすれば、これまでの製造限界の二倍の厚さのコイル導体をもつ平面型トランスを、プロセス上の問題も無く容易に実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、実施例を参照しながら本発明の実施の形態を詳細に説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例（以下実施例１と記す。以下同様）の平面型インダクタのおよそ半分の部分断面図である。
【００２２】
図１において、シリコンウェハ２１上に酸化膜２２とポリイミドからなる絶縁膜２３を介して、ＣｏＨｆＴａＰｄの磁性薄膜２４が積層されており、その磁性薄膜２４を覆うポリイミドからなる絶縁膜２３の上に、コイルが形成されている。図では、コイルの断面のコイル導体２７および１７と、その間のポリイミドの中間絶縁膜２６および１６の断面が示されている。コイル導体２７および１７は、インジウム半田１８で接合されている。コイル導体１７と中間絶縁膜１６との上には、ポリイミドの絶縁膜１３を介してＣｏＨｆＴａＰｄの磁性薄膜１４が積層され、更にその上をポリイミドの絶縁膜１３が覆っている。２９ａは、コイル導体２７と接続導体２９ｂで接続されたリード接続のための電極である。図示されない左側部分は、中心線Ａ−Ａについてほぼ対称であるが、もう一つの電極が導体コイル２７の中央部から取り出されている点が違っている。
【００２３】
この実施例１の平面型インダクタは、コイル導体１７と中間絶縁膜１６から上の上部チップＣh と、コイル導体２７と中間絶縁膜２６から下の下部チップＣｌとが接合されたものである。
図２（ａ）ないし（ｆ）および図３（ａ）ないし（ｄ）は、実施例１のインダクタの上部チップＣh の製造方法を説明するための製造工程順の部分断面図である。以下、その製造方法について工程順に説明する。
【００２４】
Ｓｉ基板（直径４インチ）１１上に絶縁膜１３ａとしてポリイミドを３μｍ塗布し、キュアする［図１（ａ）］。
ＣｏＨｆＴａＰｄの磁性薄膜１４をスパッタ法で３μｍ成膜する［同図（ｂ）］。
ポジ型フォトレジスト２０を塗布しパターンを形成する［同図（ｃ）］。
【００２５】
フォトレジスト２０をマスクとして王水で磁性薄膜１４のエッチングをおこなった後、アセトンに浸漬してフォトレジスト２０を除去する［同図（ｄ）］。
層間の絶縁膜１３ｂとしてポリイミドを塗布し、キュアする［同図（ｅ）］。ポリイミド膜厚は、１０μｍである。
絶縁膜１３ｂ上に無電解メッキの核となる白金（Ｐｔ）核１５をスパッタ法で０．４ｎｍ形成する［同図（ｆ）］。
【００２６】
中間絶縁膜１６となる感光性ポリイミドを塗布、露光し、メッキの型となるコイルパターンを形成し、キュアする［図３（ａ）］。ポリイミドの膜厚はキュア前で４０μｍ、キュア後で２５μｍである。メッキ型の寸法は例えば、内寸８０μｍ、間隔７０μｍである。
無電解銅メッキをおこない、メッキの型の底部に銅を０．２μｍ析出させ、電解メッキ用の通電層１７ａとする［同図（ｂ）］。
【００２７】
電解銅メッキをおこない、コイル導体１７を形成する。コイル導体１７の厚さは中間絶縁膜１６と同じく２５μｍである［同図（ｃ）］。
ニッケルＮ（Ｎｉ）とインジウム半田（Ｉｎ／Ｓｎ＝５０／５０）をそれぞれ０．２μｍ、２μｍの厚さに順次電解メッキする［同図（ｄ）］。
このように加工されたメッキ厚さが２５μｍ程度のシリコンウェハは、顕在化する程の反りを示さず、比較的フラットである。そのコイル導体側の部分平面図の例を図６（ａ）に示す。この例ではコイル形状は６ターンの正方形スパイラルであるが、更にターン数の多いものもある。以上のようにして作製されたものをダイシングしたチップを上部チップＣｈと呼ぶことにする。
【００２８】
この一連の加工に用いられたマスク系列とコイルの部分が鏡像関係にあるマスク系列を用いて同様にして下部チップＣｌを得る。下部チップＣｌの平面図は、図６（ｂ）に示すように上部チップＣｈと鏡像関係にある配置を示し、コイル部分の断面構造は基本的に上部チップＣｈと同一である。ただし、コイルの中心部とコイルの最外周端部に設けられた電極からの引出し配線を設ける（この場合下部チップＣｌから引き出す）必要がある関係上、製造工程が上部チップＣｈの場合と若干異なる。
【００２９】
以下この点について図４（ａ）ないし（ｅ）および図５（ａ）ないし（ｄ）で説明する。
上部チップＣｈと異なり、基板として厚さ１μｍの酸化膜２２を形成したＳｉウェハ（直径４インチ）２１を用いる。上部チップＣｈと同様な方法で酸化膜２２上に無電解メッキの核となる白金（Ｐｔ）核２５を０．４ｎｍ形成する［図４（ａ）］。
【００３０】
次に絶縁膜２３ａとして感光性ポリイミドを３μｍ塗布、露光し、パターニングをおこなう［同図（ｂ）］。
絶縁膜２３ａの無い部分に、上部チップＣh と同様にして銅の無電解メッキおよび電解メッキをおこない（膜厚３μｍ）、コイルの電極および引出し配線２９ａ等を形成する［同図（ｃ）］。
【００３１】
次に絶縁膜２３ｂとしてポリイミドを３μｍ塗布し、キュアする［同図（ｄ）］。
引き続きＣｏＨｆＴａＰｄの磁性薄膜２４をスパッタ法で３μｍ成膜し、ポジ型フォトレジストを塗布しパターンを形成した後、フォトレジストをマスクとして王水でエッチングをおこない、磁性薄膜２４のパターン形成をする。その後アセトンに浸漬してフォトレジストを除去する［同図（ｅ）］。
【００３２】
スパッタ法により酸化けい素膜（３μｍ）３０を堆積し、パターニングしてポリイミドのエッチングマスクとする［図５（ａ）］。
次にこの酸化けい素膜３０のマスクを用いて、下地の銅の引出し配線２９ａまで貫通したスルーホールを形成した後、ふっ酸で酸化けい素膜３０を除去する［同図（ｂ）］。
【００３３】
そのスルーホールに電解メッキで銅を９μｍ埋め込み、接続導体２９ｂとする［同図（ｃ）］。それ以降は、上部チップＣｈの製造工程の図２（ｆ）以降と同様にし、チップ化して下部チップＣｌとする［図５（ｄ）］。
上部チップＣｈと下部チップＣｌとのコイル導体が重なるように、図６（ａ）、（ｂ）のＢ側同士を位置合わせしてリフロー（１２０℃、１０秒間）することにより図１の平面型インダクタが完成する。上部チップＣｈの少なくとも一部の寸法を下部チップＣｌより小さい寸法とし、下部チップＣｌの電極が上部チップＣｈの外側にはみ出すようにすると接続に便利である。
【００３４】
以上のような方法で、従来の限界の二倍近い厚さ５０μｍのコイル導体をもつインダクタが実現できた。これにより、交流抵抗成分を増すことなく、直流抵抗が、約１／２に低減できた。
各チップＣｈ、Ｃｌとしてはコイル導体の厚さが２５μｍであったので、ウェハの反りがその後の工程に支障を来すという問題もなく製造できた。しかも例えば数ｍｍ角のサイズにチップ化した後では、その反りが無視できる程小さくなる上、互いに逆に反った二つを接合しているので、平面型インダクタとしては全く問題ない。
【００３５】
［参考例１］
図７は第一の参考例の平面型インダクタの断面図である。
実施例１の平面型インダクタは、コイル導体の直流成分の抵抗を低減することを主題としたが、本参考例は直流成分の抵抗低減に加えて、交流抵抗成分の一つである磁気誘導型銅損、すなわちコイル導体中の渦電流損の低減をも意図したものである。
【００３６】
実施例１で製作した下部チップＣｌの製造工程で電解銅メッキ（図５（ｃ）したところでチップ化する( 下部チップＣｌ2 ）。同様にして図６（ａ）のパターンで、下部チップＣｌ2 と同様の引出し電極をもつ構造の上部チップＣｈ2 を製作し、それらの下部チップＣｌ2 と上部チップＣｈ2 とをポリイミド（厚さ３μｍ）膜５０を介して接着する。接着後、上部チップＣｈ2 と、下部チップＣｌ2 の電極にリード付けをし、各リードを共通にして入出力端子とする。コイル部分は並列接続された構造となる。
【００３７】
この参考例１の平面型インダクタでは、実施例１のものと比べて導体が二分割されたことになるので、渦電流損が低減される。コイル電流の分割は、一般にはインダクタンス値の低下を引き起こすが、本構造の場合、２枚の磁性薄膜にサンドイッチされた中での分割であり、磁気的に密に結合しているため、インダクタンス値の低下は無視できる。
【００３８】
［参考例２］
図８は、第二の参考例の平面型トランスの断面図である。
この場合は、参考例１と同様にして上部チップＣｈ3 と下部チップＣｌ3 とをポリイミド（厚さ３μｍ）膜６０を介して接着後、上部チップＣｈ3 と、下部チップＣｌ3 のリード端子をそれぞれ独立に引出し、それぞれ１次端子、２次端子とすることにより１：１のトランスとした。なお、１：ｎのトランスは、ターン数の異なるチップを組み合わせることで容易に製造できる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、互いに面対称となる平面コイルを重ね合わせることにより、従来製造方法の限界の二倍の厚さのコイル導体を、プロセス上の問題も無く容易に実現できる。その結果、抵抗が低減されて、Ｑ値の高いすなわち高効率の磁気誘導部品が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例１の平面インダクタの部分断面図
【図２】（ａ）ないし（ｆ）は実施例１の平面インダクタの上側部分の製造工程順の部分断面図
【図３】（ａ）ないし（ｄ）は図２（ｆ）に続く実施例１の平面インダクタの上側部分の製造工程順の部分断面図
【図４】（ａ）ないし（ｅ）は実施例１の平面インダクタの下側部分の製造工程順の部分断面図
【図５】（ａ）ないし（ｄ）は図４（ｅ）に続く実施例１の平面インダクタの下側部分の製造工程順の部分断面図
【図６】（ａ）は本発明実施例１の平面インダクタの上側部分の部分平面図、（ｂ）は下側部分の部分平面図
【図７】 参考例１の平面トランスの部分断面図
【図８】 参考例２のインダクタの部分断面図
【図９】従来の磁気誘導部品のコイル部分の製造工程順の断面図
【符号の説明】
１、１１、２１ シリコンウェハ
２、２２ 酸化膜
３、１３、１３ａ、１３ｂ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ 絶縁膜
４、１４、２４ 磁性薄膜
５、１５、２５ 白金核
６、１６、２６ 中間絶縁膜
７、１７、２７ コイル導体
１８ インジウム半田
１９ａ 電極
１９ｂ 接続導体
２０ フォトレジスト
３０ 酸化けい素膜
５０、６０ ポリイミド膜
Ｃh 、Ｃh2、Ｃh3 上部チップ
Ｃl 、Ｃl2、Ｃl3 下部チップ

Claims (2)

1. 一方の基板上に形成された平面コイルと、その平面コイルと面対称となるように他方の基板上に形成された平面コイルとをコイル面同士が電気的に接続されるように重ね合わされた構造であることを特徴とする平面型インダクタ。
2. それぞれの基板と平面コイルとの間に磁性薄膜を有することを特徴とする請求項１記載の平面型インダクタ。

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