JP4059498B2

JP4059498B2 - 半導体装置

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Publication number: JP4059498B2
Application number: JP2003363943A
Authority: JP
Inventors: 裕之秦野
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2003-10-24
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2008-03-12
Anticipated expiration: 2023-10-24
Also published as: US20050088269A1; KR20050039575A; TW200515588A; US7167073B2; JP2005129736A; CN1610112A

Description

本発明は、コイルを内蔵した半導体装置に関する。

従来より、半導体装置に所望のインダクタンスを得るべく、１層のメタル配線層を渦巻き状に形成してなるコイルを内蔵した半導体装置が存在する。このような半導体装置に形成したインダクタ（コイル）の例を図６に示す。このインダクタ１０１は、１層のメタル配線層１１１の巻き数を増やすと占有面積が２次元的に増加するので、単位巻き数に要する占有面積およびメタル配線の長さは巻き数に応じて大きくなる。したがって、大きいインダクタンス値Ｌを得るためには、インダクタ１０１の占有面積が大きくなるのは勿論のこと、インダクタ１０１を構成するメタル配線が有する単位巻き数当たりの抵抗値Ｒも増大し、Ｑ＝ω_０×Ｌ／Ｒで表される共振の鋭さを表すＱの値も低下する（なお、ω_０は共振角周波数である）。図において、１１８は別のメタル配線層に形成した端子、１１３は１層のメタル配線層１１１と端子１１８を電気的に接続するための接続孔である。

これらを改善するものとして、コイルを立体的に形成することにより、巻き数を多くしても単位巻き数に要する占有面積およびメタル配線の長さを大きくしないインダクタを内蔵する半導体装置が提案されている（例えば特許文献１および２）。この立体的なインダクタの例を図７に示す。このインダクタ２０１は、下方のメタル配線層に形成された複数の断片２１１と上方のメタル配線層に形成された複数の断片２１２を図示しない層間絶縁膜を挟んでそれぞれ並行的に配置し、これら複数の断片２１１、２１２が直列接続となるよう接続孔２１３を介して接続することにより、立体的な螺旋状に形成したものである。このインダクタ２０１は、面積当たりの巻き数が多く、所定のインダクタンス値を得るためのメタル配線の長さも小さくできるので、上記Ｑの値も高くすることが可能になる。図において、２１９は始端となる断片２１１に接続した一方側端子、２１８は終端となる断片２１１に接続した他方側端子である。

また、インダクタンス値をさらに増加させようとするのであれば、図８に示すように、上方および下方のメタル配線層の断片２１１と断片２１２の間に、鉄系の導体層を挟んだ絶縁膜や鉄系物質を含有した酸化物膜などで形成された強磁性体コア２１５を配設する構造のインダクタ２０２が提案されている（例えば特許文献１および２）。このインダクタ２０２は、強磁性体コア２１５を通る磁束密度が高くなるので、インダクタンス値をさらに増加させることができる。

特開平６−２１３４７号公報特開平７−２７３２９２号公報

ところで、図８に示すような強磁性体コア２１５を有する立体的なインダクタ２０２は、強磁性体コア２１５を、上方および下方のメタル配線層の断片２１１と断片２１２の間に形成するという特別な工程を必要とするため、コストアップや低歩留まりになることが想定される。

一方、強磁性体コア２１５を有さないインダクタ２０１は、その占有面積を大きくすればインダクタンス値を大きくすることができるものの、半導体装置を実用上妥当なチップサイズにする場合、得られるインダクタンス値は強磁性体コアを有するインダクタ２０２に比較して小さいものとなる。

本発明は、以上の事由に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、特別な工程を必要とせずに立体的な螺旋形状のコイルを備えるインダクタの高効率化が図れ、インダクタンス値が大きくできる半導体装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る半導体装置は、半導体素子と、その半導体素子の電気的接続を行う厚さ方向の異なる位置に形成される第１、第２、第３のメタル配線層と、を有する半導体装置において、厚さ方向の中間に位置した第２のメタル配線層に形成されるコアと、コアに重合的に第１のメタル配線層の一部に形成される複数の第１断片と、コアに重合的でかつその延伸方向に対し第１断片と線対称な角度を有して第３のメタル配線層の一部に形成される複数の第３断片と、第２のメタル配線層の一部に形成されて平面位置が異なる２個の接続孔により第１断片および第３断片に接続される複数の接続用断片と、を設け、複数の第１断片および第３断片を交互に直列的に接続して螺旋状のコイルとし、このコイルとコアによりインダクタを形成してなることを特徴とする。

請求項２に係る半導体装置は、請求項１に記載された半導体装置において、第２のメタル配線層は第１又は第３のメタル配線層よりも透磁率の高い物質が付加されていることを特徴とする。

請求項３に係る半導体装置は、請求項１または請求項２に記載された半導体装置において、コアをロ字状にするとともに、前記螺旋状のコイルとは別にコアに重合的な第２の螺旋状のコイルを設け、前記螺旋状のコイルを１次側または２次側コイル、第２の螺旋状のコイルを２次側または１次側コイルとするトランスを形成してなることを特徴とする。

請求項４に係る半導体装置は、請求項１または請求項２に記載された半導体装置において、前記螺旋状のコイルとは別にコアに重合的な第２の螺旋状のコイルを設け、前記螺旋状のコイルを１次側または２次側コイル、第２の螺旋状のコイルを２次側または１次側コイルとするトランスを形成し、１次側コイルを構成する第１断片および第３断片と、２次側コイルを構成する第１断片および第３断片とは、コアの延伸方向に対し交互に位置させていることを特徴とする。

請求項５に係る半導体装置は、請求項４に記載された半導体装置において、コアをロ字状にしたことを特徴とする半導体装置。

また、２層のメタル配線層のみ有する半導体装置を、半導体素子と、その半導体素子の電気的接続を行う厚さ方向の異なる位置に形成される第１、第２のメタル配線層と、を有する半導体装置において、並行的に位置するよう第１のメタル配線層の一部に形成される複数の第１断片と、並行的に位置するよう第２のメタル配線層の一部に形成される複数の第２断片と、を設け、複数の第１断片および第２断片を交互に直列的に接続して第１の螺旋状のコイルとし、複数の第１断片および第２断片を交互に直列的に接続して第１の螺旋状のコイルとは別の第２の螺旋状のコイルとして、第１の螺旋状のコイルを１次側または２次側コイル、第２の螺旋状のコイルを２次側または１次側コイルとするトランスを形成し、１次側コイルを構成する第１断片および第２断片と、２次側コイルを構成する第１断片および第２断片とは、１次側および２次側コイルの延伸方向に対し交互に位置させることでトランスを高効率にすることができる。

本発明の半導体装置は、半導体素子の厚さ方向の異なる位置に形成される３層のメタル配線層の中間のメタル配線層にインダクタのコアを形成し、それを取り巻くように立体的螺旋状のコイルを形成しているので、特別な工程を必要とせずにインダクタを高効率にし、インダクタンス値を大きくすることができる。また、インダクタとしてトランスを形成することもでき、さらに、１次側と２次側のコイルを接近して形成したものは、特別な工程を必要とせずにトランスを高効率にし、相互インダクタンス値を向上させることができる。

以下、本発明の最良の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施形態である半導体装置に内蔵されるインダクタ５を示す平面図である。この半導体装置は、ＭＯＳトランジスタあるいはバイポーラトランジスタ等の半導体素子と、その半導体素子の電気的接続を行う厚さ方向の異なる位置に形成される第１、第２、第３のメタル配線層を有する。また、各メタル配線層の相互間には、後述する層間絶縁膜２２、２３が介装されている。インダクタ５は、厚さ方向の中間に位置した第２のメタル配線層の一部に棒状に形成されたコア１５と、厚さ方向の下方に位置した第１のメタル配線層の一部に形成されたメタル配線の複数の第１断片１１と、厚さ方向の上方に位置した第３のメタル配線層の一部に形成されたメタル配線の複数の第３断片１２と、により形成される。詳しくは、第１断片１１は、コア１５に重合的でかつその延伸方向に対し所定角度、例えば、６０°程度を有し所定間隔をおいて並行的に位置するよう形成する。第３断片１２は、コア１５に重合的でかつその延伸方向に対し、第１断片１１と線対称的な所定角度、例えば、６０°程度を有し所定間隔をおいて並行的に位置するよう形成する。この両断片１１、１２は、各端部が互いに重合する位置にあるようにし、その重合する範囲内の層間絶縁膜２２に接続孔１４、層間絶縁膜２３に接続孔１３を設けている。そして、第２のメタル配線層の一部に、接続孔１４、１３を通って両断片１１、１２に接触（接続）するように接続用断片１６を設けている。したがって、複数の第１断片１１および第３断片１２を交互に直列的に接続して立体的な螺旋状のコイル１０が形成され、このコイル１０がコア１５を取り巻いた構成のインダクタ５として形成されるのである。コイル１０の端末となる第１断片１１には第３のメタル配線層の一部に形成される端子１８、１９が接続される。このコイル１０と端子１８、１９の接続も、接続孔１４、１３を通る接続用断片１６にて行う。

図２はこのインダクタ５における切断線Ａ−Ａに沿った断面図である。半導体装置は、厚さ方向に、図において下方より、半導体基板２０、下地絶縁膜２１、第１断片１１を含む第１のメタル配線層、接続孔１４を設けた層間絶縁膜２２、コア１５と接続用断片１６を含む第２のメタル配線層、接続孔１３を設けた層間絶縁膜２３、第３断片１２と端子１８、１９（図示せず）を含む第３のメタル配線層を有する。層間絶縁膜２２、２３には、シリコン酸化膜が用いられている。また、接続用断片１６は、接続孔１４、１３を通り、第１断片１１、第３断片１２、端子１８、１９（図示せず）に接触（接続）している。

このように、コア１５は第２のメタル配線層に形成され、コイル１０により取り巻かれている。このコア１５は、上方および下方のメタル配線層の断片間に形成するという特別な工程によって得られる別体の強磁性体コアでないために、インダクタ５が実現できるインダクタンス値は非常に大きいというものではない。具体的には、メタル配線層は、一般に、アルミニウムあるいは銅を主要な材料とし、これらは比透磁率がほぼ真空と同じ１であり、強磁性体に比べてかなり小さい。しかし、このメタル配線層は、シリコン酸化膜の比透磁率である約０．５５に比べれば高い上に、鉄またはコバルト等の透磁率の高い物質を適量に付加することで、比透磁率をさらに高くすることが可能である。したがって、インダクタ５は、特別な工程を必要としないことに重点を置きつつ、効率を高め、インダクタンス値の増大化を図ったものである。

図３の（ａ）は、半導体装置を構成する回路１ａの回路例であり、図３の（ｂ）はその平面図である。この回路１ａは、同一半導体基板上に形成される半導体素子９と上記インダクタ５とから構成される。この半導体素子９はＣＭＯＳインバータ回路を構成しており、Ｐ型の拡散層３５とシリサイド層３３によりＰ型ＭＯＳトランジスタが、Ｎ型の拡散層３６とシリサイド層３４によりＮ型ＭＯＳトランジスタが、それぞれ形成されている。入力ＩＮの引き込みメタル配線４５および半導体素子（ＣＭＯＳインバータ回路）９の出力とインダクタ５の一端を接続するメタル配線４６は、第３のメタル配線層に形成されている。メタル配線４５から後述のメタル配線３７、３８までのメタル配線３９および後述のメタル配線４１、４２からメタル配線４６までのメタル配線４３は、第２のメタル配線層に形成されている。メタル配線３９からシリサイド層３３、３４までの前述のメタル配線３７、３８、拡散層３５、３６からメタル配線４３までの前述のメタル配線４１、４２、電源配線３１、およびＧＮＤ配線３２は、第１のメタル配線層に形成されている。以上の第１、第２、第３のメタル配線層の間はそれぞれの接続孔を通って接続されている。そして、インダクタ５の他端は出力ＯＵＴとして、第３のメタル配線層の引き出しメタル配線４９に接続されている。インダクタ５の構造は、前述の通りである。このように、半導体装置は、半導体素子９と同じメタル配線層を用い、すなわち、特別な製造工程を必要とせずに、インダクタ５を内蔵することができる。

なお、メタル配線層は、３層以上であれば、その内の任意の３層を第１、第２、第３のメタル配線層とすることが可能であることは勿論である。また、第１断片１１、第３断片１２は、コア１５の延伸方向に対する所定角度や個数を適宜に設定することが可能であることも勿論である。

次に、この立体的なインダクタ（立体的螺旋形状のコイル）を用いて、トランスを構成した例を説明する。図４は本発明の実施形態である半導体装置に内蔵されるトランス７を示す平面図である。トランス７は、第２のメタル配線層に形成されるコア５０をロ字状（トロイダル状）にするとともに、先の実施形態のコイル５をコア５０の一辺に、それと実質的に同じ構成であって別の第２のコイル６をコア５０の対向辺に、それぞれ取り巻くように設けることにより、コイル５を１次側（または２次側）コイル、第２のコイル６を２次側（または１次側）コイルとして形成している。したがって、１次側コイル５により発生した磁束（磁界）は、コア５０を通って２次側コイル６に伝達される。このトランス７は、コア５０が切れ目のないトロイダル状であるので磁界の漏れは少なく、１次側コイルと２次側コイルの結合は密である。図において、ＩＮａ、ＯＵＴａは１次側コイル５の入力端子および出力端子、ＩＮｂ、ＯＵＴｂは２次側コイル６の入力端子および出力端子である。

次に、１次側と２次側のコイルの結合をさらに密にしてトランスを高効率にし、相互インダクタンス値の向上を図った半導体装置について説明する。図５は本発明の実施形態である半導体装置に内蔵されるトランス８を示す平面図である。この半導体装置も、半導体素子の電気的接続を行う厚さ方向の異なる位置に形成される第１、第２、第３のメタル配線層を有する。また、各メタル配線層の相互間には、層間絶縁膜２２、２３が介装されている。トランス８は、厚さ方向の中間に位置した第２のメタル配線層に棒状に形成されるコア６５と、厚さ方向の下方に位置した第１のメタル配線層の一部に形成されたメタル配線の複数の第１断片６１と、厚さ方向の上方に位置した第３のメタル配線層の一部に形成されたメタル配線の複数の第３断片６２と、により１次側コイル６０が形成される。この１次側コイル６０と同様に、複数の第１断片７１と複数の第３断片７２とにより２次側コイル７０が形成される。詳しくは、１次側コイル６０を形成する第１断片６１は、コア６５に重合的でかつその延伸方向に対し所定角度、例えば、６０°程度を有し所定間隔をおいて並行的に位置するよう形成する。同じく、第３断片６２は、コア６５に重合的でかつその延伸方向に対し、第１断片６１と線対称的な所定角度、例えば、６０°程度を有し所定間隔をおいて並行的に位置するよう形成する。この両断片６１、６２は、各端部が互いに重合する位置にあるようにし、その重合する範囲内の層間絶縁膜２２に接続孔６４、層間絶縁膜２３に接続孔６３を設けている。そして、第２のメタル配線層の一部に、接続孔６４、６３を通って両断片６１、６２に接触（接続）するように接続用断片６６を設けている。したがって、複数の第１断片６１および第３断片６２を交互に直列的に接続して立体的な螺旋状のコイル６０が形成され、このコイル６０がコア６５を取り巻いた構成の１次側コイル６０として形成されるのである。また、１次側コイル６０と実質的に同様に、２次側コイル７０を構成する第１断片７１、第３断片７２、接続孔７４、７３、接続用断片７６を設け、複数の第１断片７１および第３断片７２を交互に直列的に接続して立体的な螺旋状のコイル７０が形成され、このコイル７０がコア６５を取り巻いた構成の２次側コイル７０として形成される。ここで重要なことは、１次側コイル６０を構成する第１断片６１および第３断片６２と、２次側コイル７０を構成する第１断片および第３断片とは、コア６５の延伸方向に対し交互に位置させていることである。つまり、コア６５の延伸方向において１次側コイル６０の長さ内に２次側コイル７０がほぼ納まっているのである。図において、ＩＮａ、ＯＵＴａは１次側コイル６０の入力端子および出力端子、ＩＮｂ、ＯＵＴｂは２次側コイル７０の入力端子および出力端子である。

このトランス８は、１次側コイルと２次側コイルが交互に巻回した状態であって極めて近接しているので、磁界の漏れに起因する相互インダクタンス値の減少をさらに防止することができる。また、コア６５は、図５においては棒状であるが、上述の通り、トロイダル状にすることが望ましい。また、２次側のコイルを２つ以上とすることも可能である。また、１次側コイルおよび２次側コイルの巻数、すなわち、各断片の数、あるいは各断片のコア１５の延伸方向に対する所定角度等を適宜に設定することが可能であることも勿論である。

また、半導体装置が２層（第１および第２）のメタル配線層のみ有する場合などは、トランス８の構造と同様に、第１のメタル配線層の一部に形成される複数の第１断片と第２のメタル配線層の一部に形成される複数の第２断片とを交互に直列的に接続して１次側および２次側コイルとし、コアを有さないトランスを形成することが可能である。その場合でも、１次側コイルと２次側コイルが交互に巻回した状態であって極めて近接しているので、磁界の漏れに起因する相互インダクタンス値の減少を防止し、トランスを高効率にすることができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置に内蔵されるインダクタの平面図。同上のインダクタの断面図（図１の切断線Ａ−Ａに沿った断面図）。同上の半導体装置を構成する回路例を示すもので、（ａ）は回路図。（ｂ）は平面図。同上のインダクタを用いたトランスの平面図。同上のインダクタを用いた別のトランスの平面図。背景技術のインダクタの平面図。背景技術の別のインダクタの平面図。背景技術のさらに別のインダクタの平面図。

符号の説明

５インダクタ
１０コイル
１１第１のメタル配線層に形成されたメタル配線の第１断片
１２第３のメタル配線層に形成したメタル配線の第３断片
１３、１４接続孔
１５第２のメタル配線層に形成されたコア

Claims

半導体素子と、その半導体素子の電気的接続を行う厚さ方向の異なる位置に形成される第１、第２、第３のメタル配線層と、を有する半導体装置において、
厚さ方向の中間に位置した第２のメタル配線層に形成されるコアと、
コアに重合的に第１のメタル配線層の一部に形成される複数の第１断片と、
コアに重合的でかつその延伸方向に対し第１断片と線対称な角度を有して第３のメタル配線層の一部に形成される複数の第３断片と、
第２のメタル配線層の一部に形成されて平面位置が異なる２個の接続孔により第１断片および第３断片に接続される複数の接続用断片と、を設け、
複数の第１断片および第３断片を交互に直列的に接続して螺旋状のコイルとし、このコイルとコアによりインダクタを形成してなることを特徴とする半導体装置。
請求項１に記載された半導体装置において、
第２のメタル配線層は第１又は第３のメタル配線層よりも透磁率の高い物質が付加されていることを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２に記載された半導体装置において、
コアをロ字状にするとともに、前記螺旋状のコイルとは別にコアに重合的な第２の螺旋状のコイルを設け、前記螺旋状のコイルを１次側または２次側コイル、第２の螺旋状のコイルを２次側または１次側コイルとするトランスを形成してなることを特徴とする半導体装置。
請求項１または請求項２に記載された半導体装置において、
前記螺旋状のコイルとは別にコアに重合的な第２の螺旋状のコイルを設け、前記螺旋状のコイルを１次側または２次側コイル、第２の螺旋状のコイルを２次側または１次側コイルとするトランスを形成し、
１次側コイルを構成する第１断片および第３断片と、２次側コイルを構成する第１断片および第３断片とは、コアの延伸方向に対し交互に位置させていることを特徴とする半導体装置。
請求項４に記載された半導体装置において、
コアをロ字状にしたことを特徴とする半導体装置。