JP4200631B2

JP4200631B2 - オンチップ・コイルとその製造方法

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Publication number: JP4200631B2
Application number: JP2000091130A
Authority: JP
Inventors: 研藤田; 寛法元
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2000-03-29
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2020-03-29
Also published as: JP2001284533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路中のインダクタンス素子や変圧器として使用されるオンチップ・コイルとその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体集積回路で用いられるオンチップ・コイルは、シリコン基板上の層間絶縁膜の間に、アルミニウムや銅の配線パターンを螺旋状に形成して構成されていた。典型的なオンチップ・コイルの構造は、円形または方形の螺旋状となっており、直径または１辺の長さが５０〜５００μｍ、巻き数が１〜１０回程度のものである。また、共振回路に用いられるオンチップ・コイルでは、抵抗値を小さくしてＱを高くするために、コイルを多層に形成してコイル間をプラグと呼ばれる層間配線で接続するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のオンチップ・コイルは、コイル内部が層間絶縁膜の誘電体で占められた空芯コイルとなっている。このため、インダクタンスの大きなコイルを形成するためには、コイルの巻き数を増やしたり寸法を大きくする必要があり、占有面積が大きくなるという課題があった。
本発明は、オンチップ・コイルの中心部や周囲に磁性体の芯を形成することによって前記従来技術が持っていた課題を解決し、占有面積が小さく、かつ大きなインダクタンスを有するオンチップ・コイルとその製造方法を提供するものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の内の第１の発明は、オンチップ・コイルにおいて、半導体基板上に形成された第１のコイル配線と、前記第１のコイル配線と同様の形状を有し、層間絶縁膜を介して前記第１のコイル配線に対向して形成された第２のコイル配線と、前記第１及び第２のコイル配線を電気的に並列接続するために、前記層間絶縁膜を貫通して形成された強磁性体金属による複数のプラグと、前記プラグが形成された層と同一層で前記第１及び第２のコイル配線の中央部に当たる位置に、該プラグと同じ強磁性体金属で形成された磁気コアとを備えている。
【０００５】
第１の発明によれば、以上のようにオンチップ・コイルを構成したので、次のような作用が行われる。
第１及び第２のコイル配線は、層間絶縁膜を貫通して形成された複数のプラグで並列接続されて１つの抵抗分の小さなコイルとなる。更に、コイル配線の中央部に強磁性体金属で形成された磁気コアが配置されているので、インダクタンスが大きくなる。
【０００７】
第２の発明は、オンチップ・コイルにおいて、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたコイル配線と、前記コイル配線の中央部に配置され、軟磁性体粒子を接着性材料で固化して形成された第１の磁気コアと、前記コイル配線の外周部を取巻くように配置され、前記第１の磁気コアと同じ材質の軟磁性体粒子を接着性材料で固化して形成された第２の磁気コアとを備えている。
第２の発明によれば、次のような作用が行われる。
コイル配線の中央部及び外周部に軟磁性体粒子を接着性材料で固化して形成された第１及び第２の磁気コアが配置されているので、インダクタンスが大きくなる。更に、外周部に配置された第２の磁気コアによって、外部に対する磁界の漏洩が小さくなる。
【０００８】
第３の発明は、半導体基板上に形成された第１のコイル配線と、層間絶縁膜を介して前記第１のコイル配線に対向して形成された第２のコイル配線と、前記第１及び第２のコイル配線を電気的に並列接続する複数のプラグとを有するオンチップ・コイルの製造方法において、前記第１のコイル配線が形成された半導体基板の表面に前記層間絶縁膜を形成した後、該層間絶縁膜に前記複数のプラグを形成するための開口部と前記第１及び第２のコイル配線の中央部に磁気コアを形成するための開口部とを形成する開口処理と、前記層間絶縁膜に形成された開口部に強磁性体金属を充填する充填処理とを行うようにしている。
【０００９】
第４の発明は、半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたコイル配線を有するオンチップ・コイルの製造方法において、前記半導体基板上に前記絶縁膜を介して前記コイル配線を形成した後、前記絶縁膜に前記コイル配線の中央部に磁気コアを形成するための開口部を形成する開口処理と、前記絶縁膜に形成された開口部に軟磁性体粒子及び接着性溶剤の混合物を充填する充填処理と、前記絶縁膜の開口部に充填した混合物を熱によって固化して前記磁気コアを形成する形成処理とを行うようにしている。
【００１０】
第５の発明は、第４の発明の開口処理において、前記絶縁膜に前記コイル配線の中央部に第１の磁気コアを形成するための開口部を形成すると共に、該コイル配線の外周部に第２の磁気コアを形成するための開口部を形成するようにしている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図１（ａ），（ｂ）は、本発明の第１の実施形態を示すオンチップ・コイルの構成図であり、同図（ａ）は表面からコイル部を透視した平面図、及び同図（ｂ）は同図（ａ）におけるＡ−Ａ線による断面図である。
このオンチップ・コイルは、半導体集積回路のコイル形成領域に設けられるもので、図１（ｂ）に示すように、シリコン基板１上に形成された酸化シリコン等の絶縁膜２の上に、矩形の螺旋状に形成されたコイル配線３ａを有している。コイル配線３ａは、例えば窒化チタン／チタン／アルミニウムシリコン銅合金／チタン／窒化チタンの積層構造の厚さ０．５〜１μｍ程度の導電層で形成されている。配線の幅は５〜２０μｍで、コイルの外側の辺の長さは、一般的に５０〜５００μｍ程度となっている。図１（ａ）に示すコイル配線３ａの巻き数は２回であるが、所望のインダクタンスに応じて１〜１０回程度の巻き数に形成される。
【００１２】
コイル配線３ａの上には、この配線幅等に応じて５〜４０μｍ間隔で、鉄、コバルトまたは鉄コバルト合金等の強磁性体金属による複数のプラグ４を介して、このコイル配線３ａと同じ形状のコイル配線３ｂが接続されている。
絶縁膜２の上には、コイル配線３ａとプラグ４を埋め込むように、酸化シリコン等の層間絶縁膜５が形成されている。コイル配線３ａの中央部の層間絶縁膜５は、このコイル配線３ａと同程度の厚さとなっており、その上にプラグ４と同じ材質の磁気コア６が、このプラグ４と同程度の厚さで埋め込まれている。更に、コイル配線３ｂ、層間絶縁膜５及び磁気コア６の表面には、保護絶縁膜７が形成されている。
【００１３】
図２（ａ）〜（ｆ）は、図１のオンチップ・コイルの製造方法を示す工程図である。このオンチップ・コイルは、次のような工程１〜工程６で製造される。
（１）工程１
シリコン基板１の表面を酸化して酸化シリコン等の絶縁膜２を形成する。更に、この絶縁膜２の表面に、窒化チタン、チタン、アルミニウムシリコン銅合金、チタン、及び窒化チタンを順次、スパッタリング法で蒸着し、厚さ０．５〜１μｍ程度の積層構造の導電層３を形成する。
（２）工程２
導電層３の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この導電層３をエッチングすることにより、コイル配線３ａを形成する。
【００１４】
（３）工程３
絶縁膜２及びコイル配線３ａの表面に、気相堆積法によって酸化シリコン等の層間絶縁膜５を形成する。
（４）工程４
層間絶縁膜５の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この層間絶縁膜５を弗化炭素と酸素の混合ガスを用いてドライエッチングし、コイル中央部の磁気コア用の開口部５Ａと、コイル配線３ａ上のプラグ用の開口部５Ｂを形成する。なお、コイル中央部の開口部５Ａの深さは、コイル配線３ａの表面よりも若干深く、かつ絶縁層２に達しないような深さに設定する。
【００１５】
（５）工程５
開口部５Ａ，５Ｂが形成された層間絶縁膜５の表面全体に、この開口部５Ａ，５Ｂが埋まるように鉄等の強磁性体金属をめっきによって堆積した後、層間絶縁膜５上に堆積した強磁性体金属を化学的機械研磨によって除去する。これによって、コイル配線３ａ上にプラグ４が形成されると共に、コイル中央部に磁気コア６が形成される。
【００１６】
（６）工程６
プラグ４及び磁気コア６が埋込まれた層間絶縁膜５の表面に、工程１と同様に、窒化チタン、チタン、アルミニウムシリコン銅合金、チタン、及び窒化チタンを順次、スパッタリング法で蒸着することにより、厚さ０．５〜１μｍ程度の積層構造の導電層を形成する。形成された導電層の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この導電層をエッチングすることにより、コイル配線３ｂを形成する。そして、コイル配線３ｂ、層間絶縁膜５及び磁気コア６の表面に保護絶縁膜７を形成し、図１のオンチップ・コイルが完成する。
【００１７】
このようにして形成されたオンチップ・コイルは、中央部に強磁性体金属による磁気コア６が配置されているので、そのインダクタンスは、磁気コアのない空芯コイルに比べて、この磁気コア６の比透磁率に比例して大きくなる。
８００〜９５０℃でアニール（焼きなまし）を施した鉄の比透磁率は１８０程度、鉄（５０％）とコバルト（５０％）の合金の比透磁率は８００程度であるが、アニールを施さない図１のような形状の磁気コア６の場合でも、１〜１０程度の実効的な比透磁率を得ることができる。
また、このオンチップ・コイルは、２層のコイル配線３ａ，３ｂを複数のプラグ４で並列接続した構成となっているので、抵抗分が小さくなる。
【００１８】
以上のように、この第１の実施形態のオンチップ・コイルは、コイル中央部に磁気コア６を有しているので、従来の空芯コイルに比べて大きなインダクタンスを得ることができる。また、２層のコイル配線３ａ，３ｂの間は、抵抗率があまり高くない（コイル配線３ａ等の１０倍以下）磁気コア６と同じ材料の複数のプラグ４で並列に接続している。これにより、コイルの抵抗分が小さくなり、Ｑを高くすることができる。
更に、プラグ４と磁気コア６は、同一の材料で構成しているので、同一工程で同時に形成することが可能になり、工程を増やすことなく、この磁気コア６を形成することができる。
【００１９】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態を示すオンチップ・コイルの断面図であり、図１中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
このオンチップ・コイルは、図１のオンチップ・コイルと同様に、半導体集積回路のコイル形成領域に設けられるもので、シリコン基板１上に形成された酸化シリコン等の絶縁膜２の上に、矩形の螺旋状に形成されたコイル配線３ａを有している。コイル配線３ａの上には、この配線幅等に応じた間隔で、アルミニウムや銅等の金属による複数のプラグ８を介して、このコイル配線３ａと同じ形状のコイル配線３ｂが接続されている。絶縁膜２の上には、コイル配線３ａとプラグ８を埋め込むように、酸化シリコン等の層間絶縁膜５が形成されている。更に、層間絶縁膜５及びコイル配線３ｂの表面には、保護絶縁膜７が形成されている。
【００２０】
また、コイル配線３ａ，３ｂの中央部の保護絶縁膜７及び層間絶縁膜５には、絶縁膜２に達する開口部が設けられ、この開口部の内部にポリイミドを溶剤として鉄または鉄ベリリウム化合物等の軟磁性体粒子を混合した磁気コア９が埋め込まれている。軟磁性体粒子の粒径は１μｍ程度であり、粒子密度は１×１０¹¹個／cm³程度である。尚、軟磁性体粒子の粒子密度に制限はなく、密度が高いほど高い透磁率が得られるので、インダクタンスを大きくすることができる。
【００２１】
図４（ａ）〜（ｃ）は、図３のオンチップ・コイルの製造方法を示す工程図である。このオンチップ・コイルは、次の工程１１〜工程１４で製造される。
（１）工程１１
従来のオンチップ・コイルと同様の製造方法により、シリコン基板１上にコイル配線を形成する。
即ち、まず、シリコン基板１の表面を酸化して酸化シリコン等の絶縁膜２を形成し、続いてこの絶縁膜２の表面に、窒化チタン、チタン、アルミニウムシリコン銅合金、チタン、及び窒化チタンを、順次スパッタリング法で蒸着して、厚さ０．５〜１μｍ程度の積層構造の導電層３を形成する。
【００２２】
次に、導電層３の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この導電層３をエッチングすることにより、コイル配線３ａを形成する。絶縁膜２及びコイル配線３ａの表面に、気相堆積法によって酸化シリコン等の層間絶縁膜５を形成する。層間絶縁膜５の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この層間絶縁膜５を弗化炭素と酸素の混合ガスを用いてドライエッチングし、コイル配線３ａ上にプラグ用の開口部を形成する。
【００２３】
開口部が形成された層間絶縁膜５の表面全体に、この開口部が埋まるようにアルミニウムまたは銅等の金属をめっきによって堆積した後、この層間絶縁膜５上に堆積した金属を化学的機械研磨で除去する。これによって、コイル配線３ａ上にプラグ８が形成される。
【００２４】
プラグ８が埋込まれた層間絶縁膜５の表面に、窒化チタン、チタン、アルミニウムシリコン銅合金、チタン、及び窒化チタンを、順次スパッタリング法で蒸着して積層構造の導電層を形成する。形成された導電層の上にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、この導電層をエッチングすることにより、コイル配線３ｂを残す。そして、コイル配線３ｂ及び層間絶縁膜５の表面に保護絶縁膜７を形成する。
以上で、従来と同様の空芯のオンチップ・コイルが形成される。
【００２５】
（２）工程１２
保護絶縁膜７の表面にホトリソグラフィ法でエッチング用のマスクを形成し、例えば２５％に希釈した弗酸を用いて、この保護絶縁膜７及び層間絶縁膜５をエッチングし、絶縁膜２まで達する開口部７Ａを形成する。
【００２６】
（３）工程１３
開口部７Ａが形成されたシリコン基板１の表面に、ポリイミドを溶剤として軟磁性体粒子を混合した混合物をスピンコート法で塗布し、この開口部７Ａに充填する。混合物の塗布後、３００℃程度で約１０分間アニールし、ポリイミドを固化する。
【００２７】
（４）工程１４
シリコン基板１表面全体に塗布されて固化したポリイミドを、保護絶縁膜７が現われるまでヒドラジンで除去する。これにより、工程１２で形成した開口部７Ａに、ポリイミドで固定された軟磁性体粒子による磁気コア９が残り、図３のオンチップ・コイルが完成する。
【００２８】
このようにして形成されたオンチップ・コイルは、中央部に磁気コア９が配置されているので、そのインダクタンスは、磁気コアのない空芯コイルに比べて、この磁気コア９の比透磁率に比例して大きくなる。
鉄化合物の比透磁率は一般的に１００以上であるが、図３のような形状の磁気コア９の場合でも、２程度の実効的な比透磁率を得ることができる。
また、このオンチップ・コイルは、２層のコイル配線３ａ，３ｂを複数の金属プラグ８で並列に接続した構成となっているので、抵抗分が小さくなる。
【００２９】
以上のように、この第２の実施形態のオンチップ・コイルは、コイル中央部に磁気コア９を有しているので、大きなインダクタンスを得ることができる。更に、２層のコイル配線３ａ，３ｂを金属のプラグ８で並列に接続しているので抵抗分が小さくなり、Ｑを高くすることができる。
更に、工程１３において、ポリイミドと軟磁性体粒子の混合物をスピンコート法で塗布することによって、コイル中央部に磁気コア９を形成しているので、磁性体を蒸着したり気相成長法で形成する方法に比べて短時間に形成することができる。また、磁気コア９を構成する軟磁性体粒子のアニールは、ポリイミドに混合する前に、最適な条件で行うことができるので、この磁気コア９の比透磁率を増加させることができる。
【００３０】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態を示すオンチップ・コイルの断面図であり、図３中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
このオンチップ・コイルは、コイル配線３ａ，３ｂの中央部に形成された磁気コア９に加えて、このコイル配線３ａ，３ｂの周囲にも磁気コア１０を設けたものであり、その他の構成は、図３と同様である。
【００３１】
このようなオンチップ・コイルは、中央部及び外周部に軟磁性体粒子による磁気コア９，１０が配置されているので、第２の実施形態と同様に、そのインダクタンスは、磁気コアのない空芯コイルに比べて、この磁気コア９，１０の比透磁率に比例して大きくなる。
また、このオンチップ・コイルは、２層のコイル配線３ａ，３ｂを複数の金属プラグ８で並列に接続した構成となっているので、抵抗分が小さくなる。
以上のように、この第３の実施形態のオンチップ・コイルは、第２の実施形態と同様の利点に加えて、コイル外周部に磁気コア１０を配置しているので、外部に漏れる磁界の影響を小さくすることができるという利点がある。
【００３２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形が可能である。この変形例としては、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のようなものがある。
（ａ）コイルの寸法や材料は、例示したものに限定されず所望のコイルの特性に応じて、適切なものを使用することができる。
（ｂ）コイルの形状は矩形に限らず、円形の螺旋状に形成しても良い。また、コイル配線層の数は、２に限定されず、更に多数のコイル配線をプラグで接続するようにしても良い。
【００３３】
（ｃ）インダクタンス素子としてのオンチップ・コイルについて説明したが、２つのコイルを磁気的に結合するように形成して、変圧器を構成するようにしても良い。
（ｄ）図３及び図５のオンチップ・コイルでは、磁気コア９，１０として、軟磁性体粒子をポリイミドを溶剤として混合しているが、ポリイミドに代えて、アニール時に蒸発したり体積の減少を伴う有機系の材料を使用しても良い。これにより、アニールによって軟磁性体粒子の密度が高くなり、比透磁率が高くなって大きなインダクアンスが得られるので、コイルの小形化が可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、第１の発明によれば、層間絶縁膜を貫通して第１及び第２のコイル配線を並列接続する複数のプラグを有しているので、抵抗分の小さなコイルが得られる。更に、コイル配線の中央部に強磁性体金属で形成された磁気コアが配置されているので、小形で大きなインダクタンスが得られる。
【００３５】
第２の発明によれば、コイル配線の中央部に軟磁性体粒子で形成された第１の磁気コアが配置され、このコイル配線を取巻くように第１の磁気コアが配置されている。このため、インダクタンスが大きく、かつ外部に対する磁界の漏洩が小さいオンチップ・コイルが得られる。
第３の発明によれば、開口処理において、複数のプラグと磁気コア用の開口部を同時に形成すると共に、充填処理によってこれらの開口部に同時に強磁性体金属を充填している。これにより、製造工程を増やすことなく第１の発明のオンチップ・コイルを製造することができる。
【００３６】
第４及び第５の発明によれば、従来の方法で空芯コイルを形成した後、開口処理によって、コイル配線の中央部または外周部の絶縁膜に磁気コアを形成するための開口部を形成する。また、充填処理によって、この絶縁膜に形成された開口部に軟磁性体粒子及び接着性溶剤の混合物を充填する。更に、形成処理によって、充填した混合物を加熱固化して磁気コアを形成している。これにより、第２または第３の発明のオンチップ・コイルにおける磁気コアを、短時間で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すオンチップ・コイルの構成図である。
【図２】図１のオンチップ・コイルの製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の第２の実施形態を示すオンチップ・コイルの断面図である。
【図４】図３のオンチップ・コイルの製造方法を示す工程図である。
【図５】本発明の第３の実施形態を示すオンチップ・コイルの断面図である。
【符号の説明】
１シリコン基板
２絶縁膜
３ａ，３ｂコイル配線
４，８プラグ
５層間絶縁膜
６，９，１０磁気コア
７保護絶縁膜

Claims

半導体基板上に形成された第１のコイル配線と、
前記第１のコイル配線と同様の形状を有し、層間絶縁膜を介して前記第１のコイル配線に対向して形成された第２のコイル配線と、
前記第１及び第２のコイル配線を電気的に並列接続するために、前記層間絶縁膜を貫通して形成された強磁性体金属による複数のプラグと、
前記プラグが形成された層と同一層で前記第１及び第２のコイル配線の中央部に当たる位置に、該プラグと同じ強磁性体金属で形成された磁気コアとを、
備えたことを特徴とするオンチップ・コイル。
半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたコイル配線と、
前記コイル配線の中央部に配置され、軟磁性体粒子を接着性材料で固化して形成された第１の磁気コアと、
前記コイル配線の外周部を取巻くように配置され、前記第１の磁気コアと同じ材質の軟磁性体粒子を接着性材料で固化して形成された第２の磁気コアとを、
備えたことを特徴とするオンチップ・コイル。
半導体基板上に形成された第１のコイル配線と、層間絶縁膜を介して前記第１のコイル配線に対向して形成された第２のコイル配線と、前記
第１及び第２のコイル配線を電気的に並列接続する複数のプラグとを有するオンチップ・コイルの製造方法において、
前記第１のコイル配線が形成された半導体基板の表面に前記層間絶縁膜を形成した後、該層間絶縁膜に前記複数のプラグを形成するための開口部と前記第１及び第２のコイル配線の中央部に磁気コアを形成するための開口部とを形成する開口処理と、
前記層間絶縁膜に形成された開口部に強磁性体金属を充填する充填処理とを、
行うことを特徴とするオンチップ・コイルの製造方法。
半導体基板上に絶縁膜を介して形成されたコイル配線を有するオンチップ・コイルの製造方法において、
前記半導体基板上に前記絶縁膜を介して前記コイル配線を形成した後、前記絶縁膜に前記コイル配線の中央部に磁気コアを形成するための開口部を形成する開口処理と、
前記絶縁膜に形成された開口部に軟磁性体粒子及び接着性溶剤の混合物を充填する充填処理と、
前記絶縁膜の開口部に充填した混合物を熱によって固化して前記磁気コアを形成する形成処理とを、
行うことを特徴とするオンチップ・コイルの製造方法。
前記開口処理は、前記絶縁膜に前記コイル配線の中央部に第１の磁気コアを形成するための開口部を形成すると共に、該コイル配線の外周部に第２の磁気コアを形成するための開口部を形成することを特徴とする請求項４記載のオンチップ・コイルの製造方法。