JP3927565B2 - 磁気コアを有するオンチップ・インダクタ - Google Patents

Description

本発明は集積回路チップ上のインダクタ（inductor）に関し、特に、集積回路チップ上に磁気コアを有するインダクタに関する。

近年の集積回路チップ設計では、インダクタ等の受動的電気デバイスを集積回路の一部としてチップ上に直接設けることがしばしば望まれる。インダクタは、様々なマイクロエレクトロニクス用途、例えば電圧制御発振器または電力増幅器で必要となる。

さらに、インダクタは、高周波（ＲＦ）回路、例えば、セルラ電話、無線モデム、および他の種類の無線通信機器などの装置に使用される高周波回路でしばしば使用される。キャパシタと直列または並列に接続されたインダクタは、周波数共振器（frequency resonator）を形成でき、または不要な信号をフィルタリングできる。

しかし、集積回路チップ上のスペースが限られ、チップ市場の競争が激しいため、オンチップ・インダクタ（on-chip inductor）は制限されたスペース内に納まり、かつ製造コストが安価である必要がある。このため、オンチップ・インダクタは、単位面積当りに高いインダクタンスを有することが望ましい。

空気コア（air core）を有する従来型のオンチップ・インダクタは多くの問題に直面している。通常は、それは、集積回路上で必要とするスペースが広くなる。しばしば、空気コア式オンチップ・インダクタのＱファクタは低くなり過ぎる。多くの従来型オンチップ・インダクタは、開磁場（open magnetic field）を有する空気コア・インダクタを含む。そのような設計では、干渉および／または不要な磁気結合が生じ、これにより不安定性の問題が生じる。さらに、従来技術の空気コア式オンチップ・インダクタは、体積抵抗率が低い近傍の金属または基板にしばしば渦電流（eddy current）を生じさせ、これはさらにインダクタのＱ値を低下させる。従来技術の空気コア式オンチップ・インダクタの他の欠点は、そのインダクタンスを調節できないということである。調節機能が欠如しているため、製造工程のばらつきが生じると、歩留りが低下する。最後に、従来技術の空気コア式オンチップ・インダクタは、周波数が極めて高い、すなわち１０ＧＨｚより高い用途に適していないが、それは、それらのサイズが大きいことで寄生容量が高くなり、自己共振周波数が動作周波数より低くなるからである。

本発明は、磁気コアを有するオンチップ・インダクタを提供する。磁気コアによりインダクタを小型化し、Ｑ値を高めることができる。インダクタの磁界は磁気コア中に取り込まれて、磁気閉ループを形成し、それにより回路の安定性が向上する。

本発明の一態様は、集積回路チップ上に形成されるインダクタである。このインダクタは、２つ以上の外部層と、上記２つ以上の外部層の間にある１つまたは複数の内部層と、上記１つまたは複数の内部層に含まれるインダクタ金属巻線ターン（inductor metal winding turn）と、磁性粒子を有するフォトレジスト・ペーストとを備えている。上記フォトレジスト・ペーストは、少なくとも部分的に上記２つ以上の外部層および上記１つまたは複数の内部層を形成する。

本発明の他の態様は、集積回路チップ上に形成されるインダクタであって、各層が第１部分および第２部分を含む２つ以上の外部層と、上記２つ以上の外部層の間にある１つまたは複数の内部層と、上記１つまたは複数の内部層に含まれるインダクタ金属巻線ターンと、上記２つ以上の外部層の上記第１および第２部分のそれぞれの上、ならびに上記１つまたは複数の内部層のそれぞれの上に配設された一連の磁性金属ストリップとを備えたインダクタである。上記第１部分および上記第２部分上の上記一連の磁性金属ストリップは、格子パターンを形成するように構成されている。

本発明の他の態様は、磁気コアを有するインダクタを形成する方法である。この方法は、各チャンバ内に１つまたは複数の金属が配設されている１つまたは複数のチャンバを準備するステップと、上記１つまたは複数の金属の蒸気を生成するように上記１つまたは複数の金属を加熱するステップと、上記１つまたは複数の金属の蒸気から磁性材料を形成するステップと、エッチング開口（etched opening）を有する少なくとも１つの酸化シリコン層を有する集積回路チップを準備するステップと、上記少なくとも１つの酸化シリコン層の上記エッチング開口内に上記磁性材料を堆積するステップとを含む。

本発明の他の態様は、集積回路チップ上に形成されるインダクタであって、２つ以上の外部層と、上記２つ以上の外部層の間にある１つまたは複数の内部層と、上記１つまたは複数の内部層中のインダクタ金属巻線ターンおよび制御巻線（control winding）と、上記２つ以上の外部層および上記１つまたは複数の内部層の各層に含まれる、軟磁性磁気コア部材および硬磁性磁気コア部材の少なくとも１つとを備えたインダクタである。

本発明の様々な実施形態のその他の特徴、効用および利点は、添付の図面で示す本発明の実施形態について述べた以下のさらなる説明から明らかになろう。

本発明を例示する目的で、現時点で好適な本発明の形態を図面に示す。しかし、本発明はそれらの図面に示された配置構成および装置構成そのものに限定されるものではないことを理解されたい。

本発明は、磁気コアを有するオンチップ・インダクタである。磁気コアによりインダクタを小型化し、Ｑ値を高めることができる。インダクタの磁界は磁気コア中に取り込まれて、磁気閉ループを形成し、それにより回路の安定性が向上する。一実施形態では、インダクタンスのレベルを制御できる。他の実施形態では、フェライトの使用により高速の用途が可能になる。本明細書で記載する様々な導電性、絶縁性、および磁性を有する層およびコアは当業者が周知の適切な方法を用いて形成してよく、その方法には、スパッタリング、電解メッキ、化学的気相堆積法、プラズマ増強化学的気相堆積法、物理的気相堆積法、等が含まれるが、それらに限定されない。

図１は、本発明の一実施形態によるオンチップ・インダクタ１０の代表的基本構造の断面図である。内部層１２が、外部層１４の間に配置されている。インダクタ金属巻線ターン１６が内部層１２中に配置され、本明細書で磁気コア１８と称する磁性部材の周囲に配置される。磁気コア１８はまた、インダクタ金属巻線ターン１６の外部に配置されている。さらに、外部層１４は磁気コア１８から形成されている。各外部層１４と内部層１２の間の間隙（gap）２０は、磁束飽和（magnetic flux saturation）を回避するのに役立つ。さらに、各間隙２０の幅が極めて小さいので、間隙の漏れ磁界は無視できる。他の実施形態では、各間隙２０の幅をゼロにして完全な磁気閉ループを形成し、それによりインダクタンスおよびインダクタのＱ値を最大に高め得る。一実施形態では内部層１２または外部層１４のいずれかまたは両方を１つより多く含む無数の構成のうちの任意の構成を含んでよいことを当業者は理解されよう。

図１に関して上述した構造を用いて、様々な磁気コア材料を有し、種々の性能特性を付与する本発明の代替実施形態を開発できる。図２および図３は、３層形態の層に含まれる特定の磁気コア部材を示している。図２に示すように、（詳細に後述するように）少なくとも外部層１４の表面２２は磁性材料粉を含むフォトレジスト・ペーストから実質的に形成されている。図３は、インダクタ金属巻線ターン(inductor metal wire turn)２８を囲む外部部材および中心部材２６を含む内部層１２を示している。外部部材および中心部材２６はまた、磁性材料粉を含むフォトレジスト・ペーストから形成される。さらに、典型的には酸化シリコンが外部部材および中心部材２６とインダクタ金属巻線ターン２８との間に配置されるが、他の材料も使用できることを当業者は理解されよう。

フォトレジスト・ペーストは、ペーストに含まれる磁性粉内部の個々の磁性粒子を電気的に絶縁する。電気的に絶縁することにより、フォトレジスト・ペースト中の磁性粒子間で高抵抗が形成される。その結果、渦電流は大幅に低減し、またはなくなり、それによりインダクタのＱ値は高く保持される。図２および３に示した構造は、金属系磁性材料と酸化鉄系磁性材料の両方を用いることができる。

本発明で使用される基本磁性材料には典型的に２つの種類がある。第１の種類は、Ｆｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｃｒ（クロム）等の金属材料を含んでいる。第２の種類は、酸化鉄系材料、すなわち、ＭｎＦｅ_２Ｏ_３、ＣｕＦｅ_２Ｏ_３、ＺｎＦｅ_２Ｏ_３、ＮｉＦｅ_２Ｏ_３等のフェライトを含む。磁性フォトレジスト・ペーストは典型的には、金属またはフェライト粉、すなわち磁性粉を、ＳＩＬＫまたはポリイミドなどの集積回路に適合するペーストと混合することによって生成される。磁性粉は、ナノメートル範囲の小サイズ粒子を有していてよい。

図１に示した構造は３つの層を有しているが、磁性ループの断面積を広め、かつインダクタの巻数を増やすために、４層以上の構造を使用してもよい。例えば、層１、２、５および６が図２に示したものであり、層３および４が図３に示したものである６層構造を作製してもよい。

図４〜６は、オンチップ・インダクタ１０の代替実施形態を示している。インダクタ１０の実施形態１０は、金属系磁性材料からなるストリップを備えた３層構造を有している。これらの層は、特定のパターンを形成するように構成されている。層１および３はそれぞれ、図４に示す水平配列の磁性ストリップ３２を有する第１部分３０と、図５に示す垂直配列の磁性ストリップ３６を有する第２部分３４とを含んでいる。一実施形態では、磁性ストリップ３２および磁性ストリップ３６から形成された特定のパターンは、完全な直交格子パターンである。他の横断パターン（traverse pattern）も本発明が包含するものである。層２は、磁性材料の水平配列ストリップ３９で囲まれたインダクタ金属巻線ターン３８を含んでいる。

気相堆積法またはスパッタリングを用いて、図４〜６に示したインダクタ１０の実施形態で使用する金属系磁性材料を堆積してもよい。気相堆積法は高密度の磁性材料を生成するが、ただし、磁性材料がある構成で堆積されると、不要な高い渦電流が生じる。この問題に対処するために、ストリップ３２、３６および３９は、上述したインダクタ１０の各種層における特定のパターンで堆積する。このパターンにより渦電流が低減され、またはなくなり、それによりインダクタのＱ値は高く保持される。当業者は理解されようが、図４〜図６に示した実施形態と同じ利点を実現する限り、代替の層形成パターンも使用できる。

図７を参照すると、本発明は、酸化鉄系磁性材料を生成してインダクタ・コア上に堆積する方法を含んでいる。この方法により、インダクタ・コア上における磁性材料の調節可能かつ制御可能な化合物（compound）の堆積が可能になる。この方法の一部として、酸素環境４４で配置された箱状の第１チャンバ４０および第２チャンバ４２を含んだ処理装置が提供される。第１チャンバ４０は、電気ヒータ４８および金属要素５０を中に配置するチャンバ壁４６によって画定されている。チャンバ壁４６の一部は、調節可能な開口（aperture）５２を含んでいる。第２チャンバ４２は、電気ヒータ５４および金属要素５６を中に含むチャンバ壁５３によって画定されている。チャンバ壁５３の一部は、調節可能な開口６０を含んでいる。酸化鉄系磁性材料を生成する方法の一部として、酸化鉄系磁性材料が、インダクタ・コアを形成する酸化シリコン層６４のエッチング開口６２内に堆積される。

第１チャンバ４０と第２チャンバ４２は両方とも金属の蒸気（図示せず）を生成する。第１チャンバ４０および第２チャンバ４２の蒸気流はそれぞれ、調節開口５２および６０、ならびにヒータ４８および５４を流れる電流を調節することによって制御される。一実施形態では、金属５０および金属５６は、酸化鉄系磁性材料の二成分金属、例えば鉄およびニッケルである。酸素環境４４では、鉄蒸気およびニッケル蒸気により酸化鉄系磁性材料化合物、すなわちＮｉＦｅ_２Ｏ_３が形成される。この化合物は、酸化シリコン層６４のエッチング開口６２内に堆積される。当業者は理解されるであろうが、鉄およびニッケルの適切な流れは、酸素の密度および温度を制御することによって実現される。

図８、９および１０は、本発明のインダクタ１０のさらなる実施形態を示している。図８は、周波数が極めて高い、すなわち１０ＧＨｚを超える用途で使用するオンチップ・インダクタ構造７０の代表的な基本構造の断面図を示している。オンチップ・インダクタ構造７０は、外部層７４の間に内部層７２を含んでいる。インダクタ金属巻線ターン７６が内部層７２中に配置され、本明細書で軟磁性磁気コア７８と称する軟磁性部材の周囲に配設されている。図１のオンチップ・インダクタ構造１０とは異なり、オンチップ・インダクタ構造７０では、本明細書で硬磁性磁気コア７９と称する硬磁性部材がインダクタ金属巻線ターン７６の片側に隣接している。外部層７４は典型的には軟磁性磁気コア７８から構成される。典型的には、構造７０で使用する軟磁性材料と硬磁性材料は共にフェライト系のものであるが、ある用途では他の材料を用いてもよい。図１のように、内部層７２と各外部層７４の間に様々な間隙幅が存在してよい。さらに、代替実施形態では、内部層７２および外部層７４のいずれか、全て、または任意の組合せが１つより多く存在してよい。

残留磁束密度および保磁力（coercive force）は、本発明で使用する磁性材料の２つの典型的種類を分類するのに用いる２つの磁気特性パラメータである。第１の種類の磁性材料は、残留磁束密度が低く保磁力が小さい軟磁性材料である。軟磁性材料は、本発明のインダクタのインダクタンスを高め、Ｑ値を向上するために使用される。第２の種類の磁性材料は、残留磁束密度が高く保磁力が大きい硬磁性材料である。硬磁性材料は、本発明で動作点に対するバイアス磁界を設定するために使用される。

当業者は理解するであろうが、フェライトなどの酸化鉄系磁性材料は典型的には、周波数が極めて高い用途で使用される。しかし、その初期透磁率（initial permeability）は、外部磁界Ｈがゼロでは極めて小さくなる。そのため、外部磁界を透磁率が高くなる動作点に設定することが必要となる。実際上は、軟磁性材料および硬磁性材料を共に含むオンチップ・インダクタ構造７０がキュリー温度、すなわち３００℃〜６００℃を超えた温度まで加熱された場合、硬磁性磁気コア７６に使用された硬磁性材料はその磁性を失うか、または自発磁化を示す。したがって、オンチップ・インダクタ構造７０を含む集積回路チップをパッケージングした場合、その集積回路チップは、硬磁性磁気コア７９中の硬磁性材料を活性化するために外部磁界を必要とする。再磁化された硬磁性磁気コア７９はフェライトに対してバイアス磁界を設定する。バイアス磁界は、透磁率をフェライトの必要な動作点まで高める。フェライトは、極めて高い周波数で（すなわち１００ＧＨｚより高くまで）動作できるように、体積抵抗率が極めて高くかつ極めて低損失であり得る。フェライトの相対透磁率がゼロ磁界ではほぼ１である、すなわち初期透磁率が１に近いので、オンチップ・インダクタ構造７０は、相対透磁率が比較的高い動作点にバイアス磁界を設定する必要がある。オンチップ・インダクタ構造７０はまた、バイアス磁界を変化させることによりフェライトの相対透磁率を調節するのに必要な条件を実現する。さらに、図１に示した実施形態と同様に、図８に示した実施形態は、軟磁性材料および硬磁性材料が使用されている他の構成を含んでよい。

図９および１０は、インダクタのインダクタンスを調節可能にするオンチップ・インダクタ構造８０の代表的基本構造の断面図を示す。オンチップ・インダクタ構造８０は、外部層８４の間に内部層８２を含んでいる。インダクタ金属巻線ターン８６が内部層８２中に配置され、本明細書で軟磁性磁気コア８８と称する軟磁性部材の周囲に配設されている。図１および８に示した構造とは異なり、制御巻線９０がインダクタ金属巻線ターン８６の片側に隣接している。図９に示す実施形態では、制御巻線９０は、軟磁性磁気コア９４と称する軟磁性部材と硬磁性磁気コア９６と称する硬磁性部材を共に有するコア９２の周囲に配設されている。外部層８４は典型的には軟磁性磁気コア８８で構成されている。言うまでもないが、図１０に示すように、他の実施形態では、コア９２は軟磁性部材９４のみを含むものでもよい。図９および１０に示した構造で用いられる軟磁性材料と硬磁性材料は共に典型的にはフェライト系であるが、ある用途では他の材料が使用されてよい。上述の実施形態と同様、図９および図１０に示した構造は、内部層８２と外部層８４の間に様々な間隙幅を含み得る。さらに、内部層８２および外部層８４それぞれが１つより多く設けられてもよい。

実際上は、制御巻線９０に印加されるＤＣ電流が、軟磁性磁気コア８８とコア９２の両方に用いるフェライト磁性材料の動作点に達するのに必要なバイアス磁界を生成する。透磁率は電流を調節することにより調整可能であり、その結果インダクタンスが同様に調節可能になる。

本発明のオンチップ・インダクタは様々な利点を提供する。インダクタのコアに磁性材料を使用することにより、インダクタのサイズは縮小され、Ｑ値は高くなる。本発明では、インダクタの磁界は磁気コア内に取り込まれ、それにより他のチップ構成部品との干渉が抑えられる。インダクタ・コアでフェライトを使用することにより、インダクタは極めて高い周波数で動作することが可能になる。最後に、制御巻線を用いてＤＣ磁気バイアスを変化させることにより、インダクタのインダクタンスを制御または調節できる。

本発明を特定の実施形態により説明したが、本発明はそのように限定されるものではないことを理解されよう。逆に本発明は、特許請求の範囲に定義した本発明の精神と範囲内に含まれる代替形態、変更形態および均等物すべてを包含するものと意図される。

本発明の一実施形態による磁気コア式インダクタの断面図である。 本発明の一実施形態による一磁気コア式インダクタの最上層の平面図である。 本発明の一実施形態による一磁気コア式インダクタの中央層の平面図である。 本発明の一実施形態による一磁気コア式インダクタの最上層の平面図である。 本発明の一実施形態による一磁気コア式インダクタの中間層の平面図である。 本発明の一実施形態による一磁気コア式インダクタの中央層の平面図である。 本発明の磁気コア層を作製するための装置の概略図、および磁気コア層を作製するのに使用する部材の断面図である。 本発明の一実施形態による本発明の一実施形態の硬磁性部材によるバイアス磁界を有するフェライト磁気コア式インダクタの断面図である。 本発明の一実施形態による、軟磁性部材と硬磁性部材を共に含むコアの周りに配設した制御巻線を有する磁気コア式インダクタの断面図である。 本発明の一実施形態による、軟磁性部材を含むコアの周りに配設した制御巻線を有する磁気コア式インダクタの断面図である。

符号の説明

１０ オンチップ・インダクタ
１２ 内部層
１４ 外部層
１６ インダクタ金属巻線ターン
１８ 磁気コア
２０ 間隙
２２ 表面
２６ 中心部材
２８ インダクタ金属巻線ターン
３２ 磁性ストリップ
３０ 第１部分
３４ 第２部分
３６ 磁性ストリップ
３８ インダクタ金属巻線ターン
３９ ストリップ
４０ 第１チャンバ
４２ 第２チャンバ
４４ 酸素環境
４６ チャンバ壁
４８ 電気ヒータ
５０ 金属要素
５２ 開口
５３ チャンバ壁
５４ 電気ヒータ
５６ 金属要素
６０ 開口
６２ エッチング開口
７０ オンチップ・インダクタ構造
７２ 内部層
７４ 外部層
７６ インダクタ金属巻線ターン
７８ 軟磁性磁気コア
７９ 硬磁性磁気コア
８０ オンチップ・インダクタ構造
８２ 内部層
８４ 外部層
８６ インダクタ金属巻線ターン
８８ 軟磁性磁気コア
９０ 制御巻線
９２ コア
９４ 軟磁性磁気コア

Claims (10)

1. 集積回路チップ上に形成されるインダクタであって、
   各層が第１部分および第２部分を含む２つの外部層と、
   前記２つの外部層の間にある内部層と、
   前記内部層に含まれるインダクタ金属巻線ターンと、
   前記２つの外部層の前記第１および第２部分のそれぞれの上、ならびに前記内部層の上に配設された磁性金属ストリップ配列と
   を備えており、前記各層の前記第１部分および前記第２部分上の前記磁性金属ストリップ配列は、互いに格子パターンを形成するように構成されている、インダクタ。
2. 前記格子パターンは直交格子パターンである、請求項１に記載のインダクタ。
3. 前記内部層の上の前記磁性金属ストリップ配列は実質的に前記インダクタ金属巻線ターンを囲む、請求項１に記載のインダクタ。
4. 前記２つの外部層の各層と前記内部層との間に間隙をさらに有する、請求項１に記載のインダクタ。
5. 前記内部層は、前記インダクタ金属巻線ターンの片側に隣接する制御巻線をさらに含む、請求項１に記載のインダクタ。
6. 前記制御巻線は、軟磁性部材のみを含むコアまたは軟磁性部材と硬磁性部材を含むコアの周囲に配設される、請求項５に記載のインダクタ。
7. 第１の磁性金属ストリップ配列が配設される第１の外部層と、
   第２の磁性金属ストリップ配列が配設される第１の中間層であって、前記第１の磁性金属ストリップ配列と前記第２磁性金属ストリップ配列は互いに格子パターンを構成する、第１の中間層と、
   金属巻線ターンと第３磁性金属ストリップ配列が配設された内部層と、
   第４磁性金属ストリップ配列が配設される第２の中間層と、
   第５磁性金属ストリップ配列が配設される第２の外部層であって、前記第５磁性金属ストリップ配列と前記第４磁性金属ストリップ配列は互いに格子パターンを構成する、第２の外部層と、
   を集積回路チップ上に順番に積層して形成されるインダクタ。
8. 前記第１磁性金属ストリップ配列と前記第２磁性金属ストリップ配列とは互いに直交格子パターンを構成し、前記第４磁性金属ストリップ配列と前記第５磁性金属ストリップ配列とは互いに直交格子パターンを構成する、請求項７に記載のインダクタ。
9. 前記第１の中間層と前記内部層の間に第１の間隙と、前記第２の中間層と前記内部層の間の第２の間隙と、をさらに備える、請求項７に記載のインダクタ。
10. 前記内部層は複数の層からなる、請求項７に記載のインダクタ。

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