JP3993172B2 - 高周波受動素子 - Google Patents

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Description

本発明は半導体基板等の基板上に形成された高周波受動素子に関し、特にMMIC(マイクロ波モノリシックIC)における高周波受動素子の低損失化に適用しうるものである。
MMIC等に代表されるような半導体装置は、年々、小型化および高密度化が進みつつある。特に、半導体装置を構成する配線やインダクタ等の受動素子は、半導体装置の大部分の面積を占めることから、それら配線や受動素子のさらなる小型化および高密度化が望まれている。
スパイラルインダクタはプレーナ型インダクタンス素子の一種であり、MMICの回路素子として、インピーダンス整合、高周波チョークの用途に用いられる。プレーナ型インダクタンス素子には、上記スパイラルインダクタの他に、高インピーダンスライン、メアンダラインがある。ストレートライン(高インピーダンス)は、形成可能なライン幅の限界から、得られるインダクタンスは限られるので、高インダクタンスを得るには面積が大きくなる。また、メアンダラインは、小面積を得ようとすると隣接線路間の負の相互インダクタンスによるカップリングのために所望のインダクタンスを得るには面積が大きくなってしまう。両インダクタンス素子のこのような欠点に対して、スパイラルインダクタは小面積で高インダクタンスを得るのに有効である。
一般に、Si基板(半導体基板)を用いたスパイラルインダクタは、第2層配線(Auメッキ)で引き回し、スパイラルインダクタの中心から第2層配線と交差した第1層配線、あるいはエアブリッジを用いて引き出し配線を外部に引き出す構造となっている。
図6(a)は従来のスパイラルインダクタを上から見た平面図、図6(b)は同図(a)のD−D’線の断面図である。本従来例のスパイラルインダクタの配線、すなわち第1導体層に形成された配線、および第2導体層に形成された配線は、配線幅が5ミクロン、配線高さが1ミクロン、配線間隔が5ミクロンに設けられている。
このスパイラルインダクタは、図6(a),(b)に示すように、Si基板5の主面に第1配線金属2として蒸着によりTi/Pt/Auを形成した後、絶縁膜9としてSiN層を形成し、その後ビア3を開ける。スパイラル(渦巻き)状の形状に第2配線金属1をAuメッキにより形成し、上記のビア3で引き出し配線になる第2配線金属2に接続している。
なお、図6において、符号6はSi基板5の裏面に形成されたグラウンド導体層である。
特開2000−21635号公報 特開2001−223331号公報
しかし、従来のような構成では、Si基板5は、0.1〜100Ωcm程度の導電性を有しており、スパイラルインダクタは、第2配線金属1が絶縁膜(誘電体)9を通して寄生容量として働き、Q値を低下させてしまう。
なお、従来例の中であげた特許文献1および2においては、シリコン基板に空洞をあけることで、シリコン中のキャリアの相互誘導効果を抑え、また、シリコンの実効誘電率を低減している。ところが、大きな効果を得るためには深い溝が必要であること、空洞を埋めるために酸化膜でおおっているが、カバレージの問題から表面に大きな段差ができる、また、プロセスが複雑であることなどの問題がある。
本発明は、上記問題点に鑑みて、寄生容量を少なくできる高周波受動素子を提供することを目的とする。
本発明はスパイラルインダクタの寄生容量を小さくし、そのQ値を改善する構成を提供するものである。また、本発明はスパイラルインダクタに限らず、MIM(metal-insulate-metal)キャパシタや抵抗器にも用いることができ、その寄生容量を小さくするものである。
上記課題を解決するために、第1の発明の高周波受動素子は、基板と、基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、絶縁体層上に直接形成され、らせん状もしくは渦巻き状パターンに形成されたインダクタ導体層とを備えていて、スパイラルインダクタを構成している。
この構成によれば、基板とインダクタ導体層との間に存在する絶縁体層が、互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成されるので、絶縁体層の実効誘電率が、絶縁体層の本来の値より小さくなる。その結果、絶縁体層を誘電体とし、インダクタ導体層を一方の電極とする寄生容量を小さく抑えることが可能となる。その結果、寄生容量の存在によるQ値の低下を抑えることができる。
上記第1の発明の構成においては、基板と絶縁体層との間に引き出し配線導体層を設け、インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部の直下の位置で絶縁体層にビアホールを設け、ビアホールを通してインダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部を引き出し配線導体層と接続していることが好ましい。
この構成によれば、インダクタ導体層の中心側からの配線の引き出しが容易となる。
また、上記第1の発明の高周波受動素子においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心から周縁部へ向かって放射状に配置することが好ましい。
この構成によれば、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり、特性が向上する。
また、上記第1の発明の高周波受動素子においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、前記インダクタ導体層の端面に沿って、かつ前記インダクタ導体層の端面から一定の距離離して形成することが好ましい。
この構成によれば、表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
第2の発明の高周波受動素子は、基板と、基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、絶縁体層上に形成されたキャパシタ下部電極導体層と、キャパシタ下部電極導体層上に形成されたキャパシタ誘電体層と、キャパシタ誘電体層上に直接形成されたキャパシタ上部電極導体層とを備えていて、キャパシタを構成している。
この構成によれば、基板とキャパシタ下部電極導体層との間に存在する絶縁体層が、互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成されているので、絶縁体層の実効誘電率が、絶縁体層の本来の値より小さくなる。その結果、絶縁体層を誘電体とし、キャパシタ下部電極導体層を一方の電極とする寄生容量を小さく抑えることが可能となる。
上記第2の発明の構成においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、キャパシタ下部電極導体層の中心から周縁部へ向かって放射状に配置することが好ましい。
この構成によれば、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり、特性が向上する。
また、上記第2の発明の構成においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、キャパシタ下部電極導体層の端面に沿って、かつキャパシタ下部電極導体層の端面から一定の距離離して形成することが好ましい。
この構成によれば、表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
第3の発明の高周波受動素子は、基板と、基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、絶縁体層上に直接形成された抵抗導体層とを備えていて、抵抗器を構成している。
この構成によれば、基板と抵抗導体層との間に存在する絶縁体層が、互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成されているので、絶縁体層の実効誘電率が、絶縁体層の本来の値より小さくなる。その結果、絶縁体層を誘電体とし、抵抗導体層を一方の電極とする寄生容量を小さく抑えることが可能となる。
上記第3の発明の構成においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、抵抗導体層の中心から周縁部へ向かって放射状に配置することが好ましい。
この構成によれば、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり、特性が向上する。
また、上記第3の発明の構成においては、絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起を、抵抗導体層の端面に沿って、かつ抵抗導体層の端面から一定の距離離して形成することが好ましい。
この構成によれば、表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
本発明の高周波受動素子は、基板上に形成した絶縁体層が互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成されているので、絶縁体層を誘電体とする寄生容量を容易に低減でき、かつ、十分な機械的強度を得ることができる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態について、図1を用いて詳しく説明する。
図1(a)は本発明の第1の実施の形態であるスパイラルインダクタ(高周波受動素子)の一例を上から見た平面図であり、図1(b)は同図(a)のA−A’線における断面図である。
このスパイラルインダクタは、図1(a),(b)に示すように、Si基板5の主面に第1配線金属層2として蒸着によりTi/Pt/Auによる引き出し配線(引き出し配線導体層)が形成されている。この第1配線金属層2上にSiN層からなる絶縁体層(絶縁膜)4が形成されており、その上にAuメッキによる第2配線金属層1によりインダクタ導体層が形成されている。このインダクタ導体層は、スパイラルインダクタを構成するためにらせん状もしくは渦巻き状パターンに形成されている。
上記の絶縁体層4は、Si基板5上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の直線状の絶縁突条から構成される。これらの絶縁突条は、平行に配置されている。
上記の第2配線金属層1と前記の第1配線金属層2に形成された引き出し配線とはスパイラルの中心で絶縁体層4に穴をあけたビアホール3を介して互いに接続されている。つまり、インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部の直下の位置で絶縁体層4にビアホール3が設けられ、ビアホール3を通してインダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部が引き出し配線導体層と接続されている。図1において、符号6は、Si基板5の裏面に形成されたグラウンド導体層である。
図1では、絶縁体層4は、一定の間隔をあけて平行に配置した多数の絶縁突条で構成していたが、一定の間隔をあけて縦横に整列配置した多数の絶縁突起で構成してもよい。
図2は本実施の形態のスパイラルインダクタの製造方法を示した工程順断面図である。以下、図2を参照しながら製造方法を説明する。
まず、図2(a)に示す裏面にグラウンド導体層6を有するSi基板5に対して、図2(b)に示すように、蒸着によりTi/Pt/Auによりスパイラルインダクタの引き出し配線導体層となる第1配線金属層2を形成する。
つぎに、図2(c)に示すように、位相シフト露光法やEB露光法などで非常に幅の狭いスリット状のレジスト7を形成する。この工程は、一般に高周波用のパワーFETに用いられているマルチフィンガのゲート作成工程と同じであり、ごく一般的にサブミクロン(例えば0.2μm)の幅で狭いピッチ(例えば0.6μm)で形成が可能である。櫛の溝深さは深いほど実効誘電率の低減効果は大きくなるが、後の工程でエッチング除去する際の条件で決定される。
つぎに、図2(d)に示すように、SiO2やSiNなどの誘電率の小さな絶縁膜8をこのレジスト7上に例えばTEOS等でちょうどレジスト7が覆われる程度に形成する。この際、ドライエッチングなどで表面をレジスト7の上部が出るまでエッチングする。
つぎに、図2(e)に示すように、第1配線金属層2の真上の位置にビアホール3を形成し、ビアホール3内に金属を埋め込む。
つぎに、図2(f)に示すように、Auメッキにより第2配線金属層1を形成し、スパイラル状パターンに加工する。この第2配線金属層1はスパイラルインダクタとして機能する。この第2配線金属層1は、ビアホール3の位置がスパイラルインダクタの中心側端部となるようにパターン加工される。
つぎに、図2(g)に示すように、ウェットエッチングによりレジスト7を除去する。これにより、多数の絶縁突条が平行に並んで配置されて各絶縁突条間にスリットを有する絶縁体層4の上にスパイラルインダクタを構成するインダクタ導体層がのる形になる。
なお、本実施の形態では、Si基板5上に形成されたスパイラルインダクタについて説明しているが、SiGe、GaAs、GaN等の他の半導体基板、あるいは、アルミナ等のセラミック基板、樹脂基板においても同様にスパイラルインダクタを構成できるのは言うまでもない。
また、本実施の形態では、Ti/Pt/Au、Auメッキ等の金属配線により引き出し配線層、およびインダクタ導体層が構成されているが、他の導体金属でも同様の効果が得られるのはいうまでもない。
また、絶縁体層4の物質に関しても他の誘電体材料により構成されていても同様の効果がある。
本実施の形態では、絶縁突条が平行に配置されているが、絶縁突条を高周波受動素子の中央部から周縁部に向かって放射状に配置することで、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり特性が向上する。
本実施の形態では、絶縁体層4を構成する絶縁突条が平行に配置されているが、たとえば図7(a),(b)に示すように、絶縁突条を、その上に形成されている金属、つまり第2配線金属層1の端面に沿って、かつ、金属の端面から一定の距離を離して形成してもよい。このように構成することにより表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層4の影響が小さくなり、特性が向上する。
なお、図7(a)は本発明の第1の実施の形態であるスパイラルインダクタ(高周波受動素子)の他の例を上から見た平面図であり、図7(b)は同図(a)のE−E’線における断面図を示している。
また、本実施の形態において、ウェットエッチングに用いる材料および温度、時間等を適切にすることで、絶縁突条の断面形状を図5に示すように逆台形状、つまり先端部が太幅で根元部が細幅にすることができる。これによって、スパイラルインダクタを構成するインダクタ導体層の保持密着性が向上し、しかも下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
また、絶縁突条を形成する方法としてSiナノ結晶やSiGe等のデポジション、またはレーザーアブレーション法にて形成し、選択エッチングする方法を用いても同様の構成が得られるのは言うまでもない。
また、本実施の形態の高周波受動素子では、一般的に用いられる0.1〜100Ωcm程度比抵抗の基板を使用しているが、より高抵抗の基板を用いても同様であるのは言うまでもない。
(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態について、図3を用いて詳しく説明する。
図3(a)は本発明の第2の実施の形態であるMIM(metal-insulator-metal)キャパシタ(高周波受動素子)の一例を上から見た平面図であり、図3(b)は同図(a)のB−B’線における断面図である。
このMIMキャパシタは、図3(a),(b)に示すように、Si基板5の主面にSiN層からなる絶縁体層(絶縁膜)4が形成されており、その上に第1配線金属層1として蒸着によりTi/Pt/Auによるキャパシタ下部電極(キャパシタ電極導体層)が形成されている。この第1配線金属層2上にSiN層からなる絶縁膜(キャパシタ誘電体層)10が形成されており、その上にAuスパッタにより第2配線金属層9によるキャパシタ上部電極(キャパシタ上側電極導体層)が形成されている。この第2配線金属層9によるキャパシタ上部電極と第1配線金属層1に形成されたキャパシタ下部電極とは絶縁膜10とともに、キャパシタを構成している。
上記の絶縁体層4は、Si基板5上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の直線状の絶縁突条から構成される。これらの絶縁突条は、平行に配置されている。
本実施の形態では、Si基板5上に形成されたMIMキャパシタについて説明しているが、SiGe、GaAs、GaN等の他の半導体基板、あるいは、アルミナ等のセラミック基板、樹脂基板においても同様にMIMキャパシタを構成できるのは言うまでもない。
また、本実施の形態ではTi/Pt/Au、Au等の金属配線により、キャパシタ下部電極およびキャパシタ上部電極が構成されているが、他の導体金属でも同様の効果が得られるのはいうまでもない。
また、絶縁体層4の物質に関しても他の誘電体材料により構成されていても同様の効果があるのはいうまでもない。
本実施の形態では、絶縁突条が平行に配置されているが、絶縁突条を高周波受動素子の中央部から周縁部に向かって放射状に配置することで、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり特性が向上するのは言うまでもない。
本実施の形態では、絶縁突条が平行に配置されているが、図7(a),(b)の構成と同様に、絶縁突条を、その上に形成されている金属の端面に沿って、かつ、金属の端面から一定の距離を離して形成してもよい。このように構成することにより表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
また、本実施の形態において、ウェットエッチングに用いる材料および温度、時間等を適切にすることで、スリットの形状を図5に示すように逆台形、つまり先端部が太幅で根元部が細幅にすることができる。これによって、MIMキャパシタを構成するキャパシタ下部電極の保持密着性が向上し、しかも下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
また、絶縁突条を形成する方法としてSiナノ結晶やSiGe等のデポジション、またはレーザーアブレーション法にて形成し、選択エッチングする方法を用いても同様の構成が得られるのは言うまでもない。
また、本実施の形態の高周波受動素子では、一般的に用いられる0.1〜100Ωcm程度比抵抗の基板を使用しているが、より高抵抗の基板を用いても同様であるのは言うまでもない。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態について、図4を用いて詳しく説明する。
図4(a)は本発明の第3の実施の形態である抵抗器(高周波受動素子)の一例を上から見た平面図であり、図4(b)は同図(a)のC−C’線における断面図である。
この抵抗器は、図4に示すように、Si基板5の主面にSiN層からなる絶縁体層(絶縁膜)4が形成されており、抵抗となるAu等の金属体11が形成されている。この抵抗となる金属体11の上にAuスパッタにより引き出し配線(引き出し配線導体層)13が形成されている。この引き出し配線13と上記の抵抗となる金属体11とはコンタクトホール12を介して接続されている。
上記の絶縁体層4は、Si基板5上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の直線状の絶縁突条から構成される。これらの絶縁突条は、平行に配置されている。
本実施の形態では、Si基板5上に形成された抵抗器について説明しているが、SiGe、GaAS、GaN等の他の半導体基板、あるいは、アルミナ等のセラミック基板、樹脂基板においても同様に抵抗器を構成できるのは言うまでもない。
また、本実施の形態ではAu等の金属配線により抵抗導体層が構成されているが、他の導体金属でも同様の効果が得られるのはいうまでもない。
また、絶縁体層4の物質に関しても他の誘電体材料により構成されていても同様の効果があるのはいうまでもない。
本実施の形態では、絶縁突条が平行に配置されているが、絶縁突条を高周波受動素子の中央部から周縁部に向かって放射状に配置することで、下部誘電体である絶縁体層の電磁界の乱れが少なくなり特性が向上する。
本実施の形態では、絶縁突条が平行に配置されているが、図7(a),(b)の構成と同様に、絶縁突条を、その上に形成されている金属の端面に沿って、かつ、金属の端面から一定の距離を離して形成してもよい。このように構成することにより表皮効果により電界集中している部分を避けることができ、下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
また、本実施の形態において、ウェットエッチングに用いる材料および温度、時間等を適切にすることで、絶縁突条の断面形状を図5に示すように逆台形状、つまり先端部が太幅で根元部が細幅にすることができる。これによって、抵抗器を構成する抵抗導体層の保持密着性が向上し、しかも下部誘電体である絶縁体層の影響が小さくなり、特性が向上する。
また、絶縁突条を形成する方法としてSiナノ結晶やSiGe等のデポジション、またはレーザーアブレーション法にて形成し、選択エッチングする方法を用いても同様の構成が得られるのは言うまでもない。
また、本実施の形態の高周波受動素子では、一般的に用いられる0.1〜100Ωcm程度比抵抗の基板を使用しているが、より高抵抗の基板を用いても同様であるのは言うまでもない。
本発明にかかる高周波受動素子は、寄生容量を少なくできるという効果を有し、MMIC等に組み込む場合に好適である。
(a),(b)は本発明の実施の形態1における高周波受動素子の構成を示す平面図および断面図である。 (a)〜(g)は本発明の実施の形態2における高周波受動素子の製造工程を示す工程順断面図である。 (a),(b)は本発明の実施の形態2における高周波受動素子の構成を示す平面図および断面図である。 (a),(b)は本発明の実施の形態3における高周波受動素子の構成を示す平面図および断面図である。 逆台形型のオーバーハングにエッチングされた状態を示す絶縁体層の断面図である。 (a),(b)は従来のスパイラルインダクタの構成を示す平面図および断面図である。 (a),(b)は本発明の実施の形態1における高周波受動素子の他の例の構成を示す平面図および断面図である。
符号の説明
1 第2層配線
2 第1層配線
3 ビア
4 絶縁体層
5 Si基板
6 グラウンド導体層
7 レジスト
8 絶縁膜
9 第2配線金属層
10 絶縁膜
11 抵抗となる金属体
12 コンタクトホール
13 引き出し配線

Claims (10)

  1. 基板と、前記基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、前記絶縁体層上に直接形成され、らせん状もしくは渦巻き状パターンに形成されたインダクタ導体層とを備えた高周波受動素子。
  2. 前記基板と前記絶縁体層との間に引き出し配線導体層を有し、前記インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部の直下の位置で前記絶縁体層にビアホールを有し、前記ビアホールを通して前記インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心側端部が前記引き出し配線導体層と接続されている請求項1記載の高周波受動素子。
  3. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記インダクタ導体層におけるらせんもしくは渦巻きの中心から周縁部へ向かって放射状に配置されている請求項1記載の高周波受動素子。
  4. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記インダクタ導体層の端面に沿って、かつ前記インダクタ導体層の端面から一定の距離離して形成されている請求項1記載の高周波受動素子。
  5. 基板と、前記基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、前記絶縁体層上に直接形成されたキャパシタ下部電極導体層と、前記キャパシタ下部電極導体層上に形成されたキャパシタ誘電体層と、前記キャパシタ誘電体層上に形成されたキャパシタ上部電極導体層とを備えた高周波受動素子。
  6. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記キャパシタ下部電極導体層の中心から周縁部へ向かって放射状に配置されている請求項5記載の高周波受動素子。
  7. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記キャパシタ下部電極導体層の端面に沿って、かつ前記キャパシタ下部電極導体層の端面から一定の距離離して形成されている請求項5記載の高周波受動素子。
  8. 基板と、前記基板上に互いに所定間隔をあけた状態で形成された多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起から構成される絶縁体層と、前記絶縁体層上に直接形成された抵抗導体層とを備えた高周波受動素子。
  9. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記抵抗導体層の中心から周縁部へ向かって放射状に配置されている請求項8記載の高周波受動素子。
  10. 前記絶縁体層を構成する多数の絶縁突条もしくは多数の絶縁突起は、前記抵抗導体層の端面に沿って、かつ前記抵抗導体層の端面から一定の距離離して形成されている請求項8記載の高周波受動素子。
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