JP4413687B2 - トランス回路およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、通信用電子回路に適用可能なトランス回路およびその製造方法に係り、特にフェライトを使用することなくトランス機能を実現することによって、オンチップ・トランスでの応答周波数制限を排除できるため高周波数を扱うことができるようにしたトランス回路およびその製造方法に関する。

従来、１ＭＨｚ以下の周波数域で動作する電子部品においては、鉄を主成分とする材料で形成されたトランスを外付け部品として使用していた。しかし、鉄を用いたトランスでは、周波数が高くなると磁場起因の歪と機械的歪みとが結合することによって、電力損失が生じてしまう。また、このような鉄を用いたトランスでは、渦電流起因の損失を防ぐために鉄板を積層するなどの対策が行われた。このため、現在でも低周波トランスは鉄を用いて製造され広く利用されているが、高周波数域で高性能のトランスを製造することは困難であった。

このような鉄を用いたトランスの特性を改善するために、高周波数でも損失のない材料であるフェライトを使用したトランスが実用化され、ラジオのアンテナ回路やテレビ高周波トランスとして使用されている。現在でも数百ＭＨｚまでの周波数域では、フェライトの使用が有効であるため、フェライトを用いたトランスが受動部品の一つとして半導体デバイスと共に、プリント基板上に外付け部品として配置されている。

図１０は、従来のフェライトを用いたトランス２００を示す模式図である。この従来のトランス２００は、フェライト２０１と、このフェライト２０１に巻かれた第１の回路配線（電線コイル）２０２および第２の回路配線２０３とを備えて構成される。第１の回路配線２０２の電力が、この第１の回路配線２０２に電磁結合したフェライト２０１の磁気エネルギーに変換され、第２の回路配線２０３に伝達される。これにより交流成分（周波数成分）が、第１の回路配線２０２から第２の回路配線２０３に誘導伝達される。

近年、携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）および携帯電話器のような携帯用電子機器の増加とともに、このトランス部品を外付けではなくシリコン（Ｓｉ）チップ上に搭載したいというニーズが増大している。しかしながら、半導体製造プロセスにはフェライト薄膜を扱う工程がないことから、トランスがＳｉチップ上に形成されたオンチップ・トランスは製造されていない。また、半導体製造プロセスは、１００ｎｍ単位の微細構造を製造するための技術であるから、トランス製造のためにサイズおよび厚さが数ｍｍにおよぶフェライト膜を製造することは極めて困難であるから、大きなフェライトを半導体製造プロセスにより加工することができない。さらに、高価なトランジスタ等の能動素子を製造可能なＳｉチップ上に安価なトランスを搭載すると、Ｓｉチップ面積および空間を占有してしまうため、価格競争の原理に違反してしまう。このような理由によって、トランスは、大きさは様々であるものの、もっぱら大型で個別の外付け部品としてプリント基板上等に実装されたため、オンチップ・トランスは実現されなかった。

周波数がＭＨｚの時代からＧＨｚの時代にはいると、プリント基板から高周波雑音が発生するという問題と共に、このプリント基板に実装されたトランス等の外付け部品の接続抵抗と半導体装置の接続抵抗とのわずかな相違に起因して、トランス等の外付け部品と半導体装置とのマッチング特性がずれて制御できないという問題が発生した。このような問題を解決するために、フェライトを使った外付け部品を半導体（Ｓｉ）チップ中に混載したいという要求がでてきた。このような背景から簡単なインダクタに関しては半導体装置と同じ技術で製造するための開発が行われている（非特許文献１乃至３等参照）。

これら非特許文献１乃至３に記載されたインダクタの製造方法によれば、スパイラル（渦巻状）・インダクタのような簡単な受動素子を、トランジスタ等の能動素子が形成された半導体基板上に形成することができる。このため、インダクタ等の受動素子を外付け部品としてプリント基板上に実装した場合と比較して、電子部品を小型化することができる。
束原恒夫、他４名；電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８６−Ｃ，Ｎｏ７．Ｐ６７４ Yuu-Seok Choi, Eusik Yoon, and Jun-Bo Yoon; "Encapsulation of the Micromachined Air-suspended Inductors"，IEEE MTT-S Digest, P1637 (2003) Jonghae Kim et al.; "High-performance Three-dimensional On-chip Inductors in SOI CMOS technology for Monolithic RF Circuit Applications"，IEEE MTT-S Digest, P77(2003)

しかしながら、非特許文献１乃至３に記載されたインダクタの製造方法によれば、フェライト等の鉄酸化物を主成分とした磁性材料が使用されるトランスをオンチップで製造することができない。このため、上述の接続抵抗の相違に起因したマッチング特性のずれを回避することができない。

従来同様にフェライトが採用されたトランスをオンチップで製造するためには、以下の２つの課題が存在する。
１）鉄、コバルトおよびニッケルが含有された磁性材料としてのフェライトは、半導体製造プロセスに従来採用されてない。このため、オンチップ・トランスを製造するためであっても、従来の半導体製造プロセスでは、フェライトを使用できない。
２）フェライトを用いたトランスには応答周波数に限界があるため、ＧＨｚを超えて将来的に使用できる見込みがない。したがって、設備投資により新たにフェライト工程を準備したとしても資金回収は望めない。このため、フェライト工程を含む半導体製造プロセスを実施可能な設備が開発される可能性は極めて低い。よって、現状の半導体製造プロセスによりオンチップ・トランスを作る必要がある。

本発明は、上記課題を解決し、フェライト等の磁性材料を使用することなくトランス機能をオンチップで実現可能なトランス回路およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る第１のトランス回路は、第１の回路配線と、この第１の回路配線の交流成分を伝達可能に当該第１の回路配線より電気的に絶縁された第２の回路配線とを備えたトランス回路において、半導体基板上に形成された前記第１の回路配線と、上記第１の回路配線と電流方向が一致するように絶縁膜を介して当該第１の回路配線に少なくとも一部が上下に重なるように形成された前記第２の回路配線とを有し、この第１の回路配線は、その線幅方向中間部に凹部を形成し、この凹部内に、前記絶縁膜とこの絶縁膜上に配設される前記第２の回路配線を埋設していることを特徴とする。なお、本請求項以下の請求項に係る発明において、第１，第２の回路配線の少なくとも一部が重なるとは、これら第１，第２の回路配線が形成される半導体基板の形成面に対して垂直方向（上下方向）または水平方向（横方向）で重なる場合を含む。

本発明に係るトランス回路の製造方法は、半導体基板上に第１の回路配線を形成すると共に、この第１の回路配線の線幅方向中間部に凹部を形成する工程と、上記第１の回路配線の凹部内に、絶縁膜を形成する工程と、上記第１の回路配線の凹部内にて、上記絶縁膜上に第２の回路配線を形成して埋設する工程とを備えることを特徴とする。

本発明に係るトランス回路およびその製造方法によれば、半導体基板上に形成された第１の回路配線と第２の回路配線とが、絶縁膜により電気的に絶縁されると共に、電磁的には強く結合されるため、フェライトを使用することなく第１の回路配線と第２の回路配線との電磁気結合を密にすることができる。

本発明に係るトランス回路およびその製造方法によれば、半導体基板上に形成された第１の回路配線と第２の回路配線とが電気的に絶縁されると共に、電磁的には強く結合されるため、フェライトを使用することなく第１の回路配線と第２の回路配線との電磁気結合を密にすることができる。したがって、第１の回路配線または第２の回路配線に高周波電流を流した場合に、この第１の回路配線または第２の回路配線に流れた高周波電流と電流方向を共有する電磁誘導電流が、第２の回路配線または第１の回路配線に流れるようになるから、この第１の回路配線または第２の回路配線への入力電力を、第２の回路配線または第１の回路配線からの出力電力に変換することができるようになる。

したがって、従来のトランスでは必須であったフェライトを使用することなくトランス機能を実現することができるので、半導体製造プロセスによりオンチップ・トランスを容易に製造できるようになる。このため、従来のトランスを外付け部品としてプリント基板上に実装した場合と比較して、通信用デバイス等を安価に製造できるようになる。また、応答周波数を制限するフェライトを使用する必要がないため、第１の回路配線と第２の回路配線との電磁気結合の周波数制限を排除できる。よって、従来のトランスとは異なる特性を備えた通信用等のトランスを、半導体製造プロセスによるオンチップ・トランスとして容易に設計できるため、商品設計の自由度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について、添付の図面を参照して説明する。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るトランス回路１００の上面図であり、同図（ｂ）は、同図（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線切断部の端面図である（本発明に係る第1のトランス回路）。

図１（ａ）に示すように、本実施形態に係るトランス回路１００は、半導体基板１上に形成された第１の回路配線２と、この第１の回路配線２の交流成分を伝達可能に当該第１の回路配線２より絶縁膜３を介して電気的に絶縁された第２の回路配線４とを備えて構成され、この第１の回路配線２と電流方向が一致するように絶縁膜３を介して当該第１の回路配線に少なくとも一部が上下に重なるように第２の回路配線４が形成されて構成される。これによって、半導体基板１上に形成された第１の回路配線２と第２の回路配線４とが、絶縁膜３により電気的に絶縁されると共に電磁的には強く結合されるため、フェライトを使用することなく第１の回路配線２と第２の回路配線４との電磁気結合を密にすることができるようにしたものである。なお、第２の回路配線４の外面は、パッシベーション膜のような図示省略した電気絶縁膜により被覆されている。

図１（ｂ）に示すように半導体基板１には、そのデバイス形成層１ａの表面に、絶縁層１ｂが形成される。デバイス形成層１ａにはＩＣ（Integrated circuit）等の半導体デバイス（図示省略）が形成されている。

第１の回路配線２は、この半導体基板１の絶縁層１ｂ上に形成され、その両端には一対の端子２１，２２が形成されている。これら端子２１，２２は、半導体デバイス形成層１ａに形成された配線１ｃに接続され、この配線１ｃを介して半導体デバイスと接続される。この第１の回路配線２上には絶縁膜３が形成され、この絶縁膜３上にて、第１の回路配線２と電流方向が一致するように第２の回路配線４が、少なくともその一部が第１の回路配線１に重なるように形成されている。第２の回路配線４の両端には一対の端子４１，４２が形成されている。

これにより、半導体基板１上に形成された第１の回路配線２と第２の回路配線４とが、絶縁膜３により電気的に絶縁されると共に、電磁的には強く結合されるため、フェライトを使用することなく第１の回路配線２と第２の回路配線４との電磁気結合を密にすることができる。

このように構成されたトランス回路１００において、例えば第１の回路配線２に高周波電流が流れ、その端子２１から端子２２に向かって電流が流れると、この第１の回路配線２と絶縁膜３を介して電磁気的に結合された第２の回路配線４には、電磁誘導された電流が、第１の回路配線２と同じ方向、即ち、端子４１から端子４２に向かって流れる。

この物理現象は、クロストークとよばれて一種の障害の原因でもあったため、従来の半導体設計においては、誘導電流の発生を防止するための構造が採用されてきた。本実施形態においては、いわゆるクロストークを効率よく起こさせる。

これによって、第１の回路配線２に高周波電流を流した場合に、第２の回路配線４には、第１の回路配線２に流れた高周波電流と電流方向を共有するように、誘導電流が流れる。このため、この第１の回路配線２への入力電力を、第２の回路配線４からの出力電力に変換することができるようになる。したがって、第１の回路配線２の電力を第２の回路配線４に効率的に伝達することができる。

このように、本実施形態に係るトランス回路１００によれば、従来のトランスでは必須であったフェライトを使用することなくトランス機能を実現することができる。よって、従来の半導体製造プロセスによりオンチップ・トランスを容易に製造できるようになる。このため、従来の外付けトランスをプリント基板上に実装した場合に問題であったトランスと半導体装置とのマッチング特性のずれを完全に回避できるようになるので、通信用デバイス等を高性能かつ安価に製造できるようになる。また、応答周波数を制限するフェライトを使用する必要がないため、第１の回路配線２と第２の回路配線４との電磁気結合の周波数制限を排除できる。したがって、従来のトランスとは異なる特性を備えた通信用等のトランスを、半導体製造プロセスによるオンチップ・トランスとして容易に設計できるため、商品設計の自由度を向上させることができる。

また、第２の回路配線４は絶縁膜３を介して第１の回路配線２に殆ど重なり合っており、その重なり合う面積が広いので、その分、第１，第２の回路配線２，４同士の電磁結合を増強し、電力の伝達ないし変換効率を向上させることができる。

なお、本実施形態においては、第１の回路配線２上に絶縁膜３を形成し、この絶縁膜３上に第２の回路配線４を配置する構成としたが、これら第１および第２の回路配線２，４の配置を、上下逆にしてもよく、これによっても上記実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、上記第１の実施形態では、第２の回路配線４の殆どを絶縁膜３を介して第１の回路配線２上に重なるように形成しているが、これら第１，第２の回路配線２，４は、少なくともその一部が重なり合っていれば、これら第１，第２の回路配線２，４を電磁結合することができる。

次に、上記第１の実施形態に係るトランス回路１００の製造方法について説明する。

先ず、シリコン・ウエハ等の半導体基板１に、公知の半導体製造プロセスにより、ＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体デバイス（図示省略）と、この半導体デバイスに接続するための配線１ｃとを形成する。この配線１ｃは、例えば、半導体デバイスに接続するためのパッド等であって、本実施形態においては、半導体デバイスを保護するためのパッシベーション膜を含めたシリコン・ウエハ等をデバイス形成層１ａとする。

このように半導体デバイスが形成されたデバイス形成層１ａ表面に、例えば、感光性ポリイミドまたはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ：Polymethylmethacrylate，いわゆるアクリル樹脂）のように厚膜化可能な絶縁膜を、例えば、３０μｍ成膜することによって、絶縁層１ｂの膜厚を５μｍ以上１２０μｍ以下となるように形成する。

このように形成された絶縁層１ｂに、例えば、Ｘ線リソグラフィによりコンタクトホールを開口する。次に、このコンタクトホール内に、公知のアルミニウム（ＡＬ）のスパッタリングまたは銅（Ｃｕ）のメッキ等によって、例えば、厚さが１μｍ乃至１０μｍとなるように、好ましく５μｍの厚さでメタル膜を形成する。これによりコンタクトホールにもメタルが埋め込まれるので、半導体デバイスへの電気的接続（コンタクト）も同時に形成することが可能となる。

この後、このメタル膜を、公知の半導体製造プロセスによりパターニングすることによって、第１の回路配線２を半導体基板１上に形成する。ここで、第１の回路配線２の線幅およびサイズは設計により任意に設定可能である。

次に、第１の回路配線２上に絶縁膜３を形成する。この絶縁膜３の形成方法の一例としては、半導体製造プロセスに通常使用される公知のＣＶＤ法（化学気相成長法）を適用することができ、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）またはシリコン窒化膜（ＳｉＮ）を２ｎｍ以上の膜厚で形成する。第１の回路配線２としてＡＬを採用した場合、絶縁膜３を１００ｎｍ以上の膜厚で成膜することによって、ＡＬウイスカの生成に起因した回路配線のショートを防止できるので、回路配線の信頼性が向上する。

最後に、第１の回路配線２と電流方向を一致可能に、この第１の回路配線２に一部重ねて絶縁膜３上に第２の回路配線４を形成する。このとき、上述した第１の回路配線２の形成方法と同様に、絶縁膜３上に公知のＡＬスパッタリングまたはＣｕメッキ等によって、厚さが１μｍ乃至１０μｍ、好ましくは５μｍの２層目のメタル膜を形成し、１対１露光を用いたフォトリソグラフィ工程と、公知のメタル・エッチング工程とを適用して回路配線形状と端子形状とをパターニングする。

ここで、例えば、キセノン（Ｘｅ）ランプ等の光源を備えたコンタクトアライナのような１対１露光を用いたフォトリソグラフィ工程を採用することによって、第１の回路配線２による１μｍ乃至１０μｍの段差が存在する２層目のメタル膜であっても、回路配線形状と端子形状とを高精度にパターニングすることが可能となる。この１対１露光は、焦点深度の高いＸ線による露光であるとき、より高精度に第２の回路配線４を加工することが可能となる。

したがって、２層目のメタル膜形成前の平坦化工程を省略できるので、高価なＣＭＰ（Chemical Mechanical Polish）装置を導入する必要がなく、安価なＣＭＰ-ｌｅｓｓプロセスによるトランス形成が可能となる。

このように本実施形態に係るトランス回路１００の製造方法によれば、ＡＬまたはＣｕ等のメタルを設計通りに容易に配線することが可能となる。また、２つの回路配線２，４を電気的に絶縁するための酸化膜または窒化膜等を、半導体製造プロセスを利用して精度よく成膜することが可能となる。

なお、本実施形態においては、ＡＬまたはＣｕ等のメタル膜単層からなる配線層により第１および第２の回路配線２，４を形成したが、これら第１および第２の回路配線２，４の配線幅に応じた信頼性確保のために、チタン（Ｔｉ）またはタンタル（Ｔａ）およびこれらの窒化膜（ＴｉＮ，ＴａＮ）からなるバリアメタルをＡＬまたはＣｕ等のメタル膜に重ねた積層膜を採用することも設計上可能である。

ところで、従来周知のトランス２００は、例えば１次側の第１の回路配線２０２の入力電力を２次側の第２の回路配線２０３の出力として電気絶縁して伝達する。変換効率の制限はあるが、第１の回路配線２０２の電圧と第２の回路配線２０３の電圧とは、各々の回路配線の巻き数で設計される。従来、フェライト２０１を用いたトランス２００では、各々の回路配線２０２，２０３の線幅が太くて近づけられなくても（遠く離れていても）、回路配線の電気エネルギーと磁気エネルギーとをフェライト２０１により交換させることによって、第１の回路配線２０２から第２の回路配線２０３への電力伝達を可能にさせるものであった。

これに対し、本実施形態に係るトランス回路１００によれば、第１の回路配線２と第２の回路配線４とを、空間だけを利用して電磁的に強く結合可能な配置を作りだしたので、第１の回路配線２と第２の回路配線４との電磁気結合をフェライトを用いずに密にすることができる。このために、フェライトは不要となるため、周知の半導体製造技術でトランス回路１００を製造できると共に、製造されたトランス回路１００では、電磁気結合における周波数の制限がなくなる。したがって、従来のトランス２００とは異なる特性を備えた通信用トランスを、半導体製造プロセスによるオンチップ・トランスとして容易に設計できるため、商品設計の自由度を向上させることができる。

なお、上述のトランス回路１００では、第１の回路配線２の端子２１，２２と、第２の回路配線４の端子４１，４２とは、図１（ａ）に示すように、トランス回路１００の同一側（図１（ａ）では下側）に配置されているが、図２に示したトランス回路１０１のように、第１の回路配線２の端子２１，２２と、第２の回路配線４の端子４１ａ，４２ａとを相互に反対側に位置するように構成してもよい。これによっても、トランス回路１００と同様に、第１の回路配線２に高周波電流が流れ、端子２１ａから端子２２ａに向かって電流が流れると、この第１の回路配線２と絶縁膜３を介して電磁気的に結合された第２の回路配線４には、電磁誘導された電流が、端子４１ａから端子４２ａに向かって流れる。したがって、トランス回路１０１は、トランス回路１００と同じ作用効果を奏することができる。

図３は本発明の第２の実施形態に係るトランス回路１０２の要部上面図である。このトランス回路１０２において、第２の回路配線４は、第１の回路配線２よりも巻数が多い渦巻きコイル４ａにより構成される。また、第２の回路配線４ａは上記トランス回路１００と同様に、端子４１，４２ｂを有する。但し、一方の端子４２ｂには、図示しないコンタクトにより渦巻きコイル中央部から引き出された引き出し端子４３と接続されて構成される。一方の端子４２ｂと引き出し端子４３とは、第１の回路配線２と同層に形成された配線４４により接続される。これによって、複数の回路配線２，４の配置に自由度を与えることができる。なお、第２の回路配線４の外面は、図示省略した電気絶縁膜により被覆されている。

次に、このように第２の回路配線４ａの巻き数を第１の回路配線２の巻き数よりも多くした理由を説明する。一般に、高周波回路では、電力を伝達するとき電圧を高くしたいという設計要求がある。現在の半導体デバイス技術では、例えば、１Ｖ程度の低い電圧で高周波を作ることはできるが、この高周波を電磁波として放射するためには、より高い電圧に変換する必要がある。このためには第２の回路配線４ａから高い電圧が得られるように巻き数を増やして何回も電力を伝達するようにし、かつ、得られた高い電圧が直列に接続されるように構成する。

図３に示したトランス回路１０２では、第２の回路配線４ａは、第１の回路配線２上を約３周する構成であるので、第１の回路配線２から３回の電力供給を受けることができる。従って、第１の実施形態のトランス回路１００が１回の電力供給を受けたのと比較して、約３回分の供給電力を受けることになり、単純な１周回より高い電圧が得られる。これにより高い電圧への変換が可能となるので、第２の回路配線４ａを図示しないアンテナに接続し、変換後の高電圧による電波の放射が可能になる。したがって、高耐圧のトランジスタを開発しなくても電磁波の放射が可能となる。このため、本実施形態に係るトランス回路１０２を低電圧デバイス上に搭載した場合であっても、高電圧の電力に変換して電波放射を容易とすることができるので、携帯電話、PDAおよび車載用ナビゲーション・システム（いわゆるカーナビ）等の携帯用電子機器に通信用トランスとして搭載して好適である。

なお、第１の回路配線２および第２の回路配線４ａの巻き数（周回数）は設計事項で任意に決めてよい。たとえば、図４に示したトランス回路１０３のように、第１の回路配線２ａの周回数を約３周とし、第２の回路配線４ｂの周回数を４周乃至５周となるように、第１の回路配線２ａの端子２１ａ，２２ａを配置し、第２の回路配線４ｂに端子４１，４２ｃを設けるように構成してもよい。この構成によって、より高い電圧への高効率変換が可能となる。また、第１の回路配線２ａの周回数（巻き数）を第２の回路配線４ａの周回数よりも少なくしてもよい。

図３および図４に示したトランス回路１０２，１０３のように、第２の回路配線４ａ，４ｂの巻数が第１の回路配線２，２ａの巻数より多い場合、第２の回路配線４ａ，４ｂの配線幅は、第１の回路配線２，２ａの配線幅より細く形成されることになる。このとき、第２の回路配線４ａ，４ｂを形成するためのフォトリソグラフィ工程において、第２の回路配線４ａ，４ｂをパターニングするために、レジストＲにより直線パターン４Ｂが露光される。このとき、直線パターン４Ｂを構成するレジストＲのアスペクト比が２より大きく、かつ、直線パターン４Ｂの間隔が狭いと、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、レジストＲがパターン現像時に表面張力により倒れることが知られている。この問題を解決するために、図５（ｃ）に示すように、第１の回路配線２，２ａ、第２の回路配線４ａ，４ｂの直線パターン４Ｂにおいて、例えば、レジストＲの幅を１００ｎｍとし、レジストＲの間隔４Ｓを２００ｎｍとして、レジストＲの間隔４ＳをレジストＲの幅より２倍以上に広くすることによって、レジストＲの倒壊を防止ないし低減することができる。このとき、例えば、第１の回路配線２，２ａの配線幅を３０μｍとすることによって、この第１の回路配線２，２ａ上に巻数が１００周となる第２の回路配線４ａ，４ｂを形成することが可能となる。

また、図５（ｄ）および（ｅ）に示すように、直線パターン４Ｂの少なくとも一部を屈曲させることによっても、レジストＲの倒壊を防止ないし低減することができる。このとき、好ましくは、同図（ｄ）に示すように、直線部分の１μｍ間隔でレジストＲに屈曲点を設けるか、または、同図（ｅ）に示すように、１μｍ周期で屈曲部を設けるように構成することが望ましい。

図６（ａ）は本発明の第３の実施形態に係るトランス回路１０４の上面図、図６（ｂ）は同図（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線切断部の端面図、同図（ｃ）はその要部拡大図である。図６（ａ）に示すように、トランス回路１０４は上記図２で示すトランス回路１０１と同様に、第１の回路配線２ｂ、その端子２１，２２、第２の回路配線４ｃ、その端子４１ａ，４２ａを具備するように構成される。

また、図６（ｂ），（ｃ）に示すように第１の回路配線２ｂは、その線幅方向中間部にて図中上端開口の凹部２ｃを形成し、この凹部２ｃ内面に、絶縁膜３ａ、第２の回路配線４ｃをこの順に順次積層形成している。これによって、第１の回路配線２ｂ内に絶縁膜３ａと第２の回路配線４ｃが埋設される。

一般に、高周波では１ＭＨｚを超えると表皮効果が発生するため、電流の通路が周波数の平方根に反比例して配線外側（表面側）に追いやられる。一方、低い周波数では、電流は配線内を一様に流れる。したがって、このトランス回路１０４によれば、第２の回路配線４ｃは、絶縁膜３ａを介して第１の回路配線２ｂ内に埋没しているので、第２の回路配線４ｃの配線左右側面と下面との３面から電磁誘導を受けることになる。このために、第２の回路配線４ｃは第１の回路配線２ｂから電磁誘導を受ける面積が増大するので、これら第１，第２の回路配線２ｂ，４ｃ同士の電磁結合を増強することができる。したがって、電力伝達効率をより一層向上させることが可能となる。

図７（ａ）は、本発明の第４の実施形態に係るトランス回路１０５の上面図であり、図７（ｂ）は、同図（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線切断部の端面図である（本発明に係る第２のトランス回路）。本実施形態に係るトランス回路１０５は、図７に示すように、第１の回路配線２ｄと、この第１の回路配線２ｄの交流成分を伝達可能に当該第１の回路配線２ｄより電気的に絶縁された第２の回路配線４ｄとを備えたトランス回路であって、半導体基板１上に形成された上記第１の回路配線２ｄと、上記第１の回路配線２ｄと電流方向が一部一致するように当該第１の回路配線２ｄと同一配線層に並置されると共に、その巻数が当該第１の回路配線２ｄの巻数と相違する渦巻きコイルからなる上記第２の回路配線４ｄとを有することによって、１層配線だけでトランス回路を形成することができるようにしたものである。ここで並置とは、第1の回路配線２ｄと第２の回路配線４ｄとが互いに交差しない配置をいう。

トランス回路１０５は、半導体基板１上に形成され、上述したトランス回路１００の製造方法において、ＰＭＭＡ等により形成された絶縁膜１ｂ上に成膜されたＡＬまたはＣｕ等のメタル膜を公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によりパターニングすることによって、同一配線層に形成された第１の回路配線２ｄおよび第２の回路配線４ｄを備えて構成される。

第１の回路配線２ｄは、その両端部に１対の端子２１ｄ，２２ｄを備え、これらの端子２１ｄ，２２ｄは、第１の実施形態として上述したトランス回路１００における第１の回路配線２の端子２１，２２と同様に、図示しない半導体デバイスに接続されて構成される。

第２の回路配線４ｄは、その両端部に１対の端子４１ｄ，４２ｄを備え、第１の回路配線２ｄと電流方向が一部一致するように第１の回路配線２ｄと同一配線層に渦巻きコイルとして形成される。

第２の回路配線４ｄは、その一部が、第１の回路配線２ｄの近傍に形成される磁場空間に存在するように、例えば第１の回路配線２ｄの配線高さＨに相当する距離範囲に配置される。第１の回路配線２ｄの配線高さＨには、プロセス上の限界があり、アスペクト比２程度が限界であることから、配線幅が５μｍであった場合には、配線高さＨは１０μｍ程度が限界となる。このため、この配線高さＨに相当する距離範囲に配置可能なコイルの巻数は制限されるため、トランス回路１００と比較して、トランス回路１０５は設計自由度が低くなる。

しかしながら、この距離Ｈ内に配置される回路部分４ｄｎの配線幅Ｗａを、第１の回路配線２ｄにより形成される磁場空間に存在しない回路部分４ｄｗの配線幅Ｗｂよりも細く（Ｗａ＜Ｗｂ）なるように微細に加工することによって、第１の回路配線２ｄによる磁場空間内に多数の回路配線部分を配置できるので、高効率で電力伝達できると共に、磁場空間外では低抵抗で誘導電流を流すことができるようになる。

このように構成されたトランス回路１０５において、第１の回路配線２ｄに高周波電流が流れ、例えばその端子２１ｄから端子２２ｄに向けて電流が流れると、この第１の回路配線２ｄと図示しない絶縁膜を介して電磁気的に結合された第２の回路配線４ｄには、上述のトランス回路１００と同様に、電磁誘導された電流が、第１の回路配線２ｄと同じ方向に、すなわち、端子４１ｄから端子４２ｄに向けて流れる。

したがって、本実施形態に係るトランス回路１０５によれば、上述のトランス回路１００等と同じ作用効果を奏することができるうえに、同一配線層内にトランス回路１０５を形成することができるので、製造工程を短縮できる。このため、より廉価にオンチップ・トランスを提供することができるようになる。

なお、本実施形態において、トランス回路１０５は、ＰＭＭＡなどの絶縁膜上に形成される構成としたが、トランス回路１０５は、半導体基板１表面に５乃至１２０ｕｍの膜厚で形成されたどのような絶縁膜上に形成されたものであっても、渦電流に起因した電力損失を発生することなく、第１の回路配線２ｄから第２の回路配線４ｄに高効率に電力伝達することが可能となる。

また、本実施形態においては、第１の回路配線２ｄが直線状であり、第２の回路配線４ｄが多数周回された渦巻きコイル状である構成としたが、第１および第２の回路配線２ｄ，４ｄの形状は、任意に設計可能であって、第２の回路配線４ｄの巻数が、第１の回路配線４ｄの巻数と相違する渦巻きコイルからなる構成であれば、上述した作用効果を奏することが可能となる。

図８は、図７に示したトランス回路１０５を応用したトランス回路１０６を示す上面図である。このトランス回路１０６は、上記トランス回路１０５と同様に、半導体基板１上に形成され、絶縁膜１ｂ上に成膜されたＡＬまたはＣｕ等のメタル膜を公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によりパターニングすることによって、それぞれ同一配線層に形成された第１の回路配線２ｄと、複数の第２の回路配線４ｄ１，４ｄ２とを備えて構成される。

トランス回路１０５とトランス回路１０６との相違点は、トランス回路１０６においては、第１の回路配線２ｄにより形成される磁場空間に第２の回路配線４ｄが複数配置される点にある。これによって、トランス回路１０５と比較して複数倍の効率で電力変換できるようにしたものである。

このトランス回路１０６において、第１の回路配線２ｄは、トランス回路１０５と同様に構成される。一方、第２の回路配線４ｄは、第１の回路配線２ｄと近接させて複数、例えば２個の渦巻きコイル４ｄ１，４ｄ２として形成される。これら渦巻きコイルに係る第２の回路配線４ｄ１，４ｄ２は、その両端部に各々１対の端子４１ｄ１，４２ｄ１と端子４１ｄ２、４２ｄ２とを備え、第１の回路配線２ｄと電流方向が一部一致するように第１の回路配線２ｄによる磁場空間にその一部が存在するように配置される。

このように構成されたトランス回路１０６において、第１の回路配線２ｄに高周波電流が流れ、その端子２１ｄから端子２２ｄに向けて電流が流れると、一方の第２の回路配線４ｄ１には、電磁誘導された電流が端子４１ｄ１から端子４２ｄ１に向けて流れる。また、他方の第２の回路配線４ｄ２にも、電磁誘導された電流が端子４１ｄ２から端子４２ｄ２に向けて流れる。したがって、２個の第２の回路配線４ｄ１，４ｄ２には、第１の回路配線２ｄと同じ方向に各々誘導電流が流れることになる。

このように、トランス回路１０６によれば、第１の回路配線２ｄにより当該第１の回路配線２ｄの周囲円筒状に形成される磁場空間のうち当該第１の回路配線２ｄと同一平面内（左右方向）に存在する磁場エネルギーを、第１の出力回路に係る第２の回路配線４ｄ１と、第２の出力回路に係る第２の回路配線４ｄ２との両回路から電気エネルギーとして取り出すことができる。このため、トランス回路１０６では、上述のトランス回路１０５と比較して、電力変換効率を約２倍に向上させることが可能となる。

図９は、図７に示したトランス回路１０５を応用したトランス回路１０７を示す上面図である。このトランス回路１０７は、第１の回路配線２ｅの少なくとも一部を屈曲させることによって、第１の回路配線２ｅから第２の回路配線４ｅへ伝達できる電気エネルギー（電力）を増大させることができるようにしたものである。

このトランス回路１０７は、トランス回路１０５と同様に半導体基板１上に形成され、絶縁膜１ｂ（図１（ｂ）参照）上に成膜されたＡＬまたはＣｕ等のメタル膜を公知のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によりパターニングすることによって、同一配線層に形成された第１の回路配線２ｅおよび第２の回路配線４ｅを備えて構成される。トランス回路１０７とトランス回路１０５との主な相違点は、トランス回路１０７においては、第１の回路配線２ｅはその一部が屈曲されて配線長がより長く構成され、第２の回路配線４ｅが、第１の回路配線２ｅの屈曲形状に沿って配置された点にある。

このように構成されたトランス回路１０７において、第１の回路配線２ｅに高周波電流が流れ、その端子２１ｄから端子２２ｄに向けて電流が流れると、第２の回路配線４ｅには、電磁誘導された電流が端子４１ｅから端子４２ｅに向けて流れる。したがって、第２の回路配線４ｅには、第１の回路配線２ｅと同じ方向に誘導電流が流れることになる。

このため、トランス回路１０７によれば、第１の回路配線２ｅにより当該第１の回路配線２ｅの周囲２次元平面状に形成される磁場空間をより多く利用することができるから、１周回（サイクル）で伝達される電磁エネルギーをより一層増大させることができる。

なお、上記第４〜第６の実施形態に係るトランス回路１０５，１０６，１０７を示す図７〜図９では、絶縁膜３を図示省略しているが、第１の回路配線２ｄ，２ｅと第２の回路配線４ｄ，４ｄ１，４ｄ２，４ｅの外面には、全て電気絶縁膜が被覆されている。したがって、第１の回路配線２ｄ，２ｅと、第２の回路配線４ｄ，４ｄ１，４ｄ２，４ｅとの間には電気絶縁膜が介在されている。

上述したトランス回路１０５，１０６，１０７を低電圧デバイス上に搭載した場合、トランス回路１０２，１０３を搭載した場合と同様に、より高電圧の電力に変換して電波放射を容易とすることができるので、携帯電話、PDAおよび車載用ナビゲーション・システム（いわゆるカーナビ）等の携帯用電子機器に通信用トランスとして搭載して好適であることはいうまでもない。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るトランス回路の上面図、（ｂ）は同図（ａ）のＩｂ−Ｉｂ線切断部の端面図。 図１（ａ），（ｂ）で示す第１の実施形態の変形例の要部上面図。 本発明の第２の実施形態に係るトランス回路の上面図。 第２の実施形態の変形例を示す要部平面図。 （ａ）は本発明の第１，第２の実施形態における第１，２の回路配線の直線パターンを構成するレジストの一部上面図、（ｂ）は同図（ａ）の概略正面図、（ｃ）は同図（ａ）で示すレジストの倒壊を防止するために隣り合うレジスト同士の間隔を拡大した一例の部分上面図、（ｄ）は同レジストの倒壊を防止するための他例の部分上面図、（ｅ）は同レジストの倒壊を防止するためのさらに他の例の部分上面図。 （ａ）は本発明の第３の実施形態に係るトランス回路の上面図、（ｂ）は同図（ａ）のＶＩｂ−ＶＩｂ線切断部の端面図、（ｃ）は同図（ｂ）の要部拡大図。 （ａ）は本発明の第４の実施形態に係るトランス回路の上面図、（ｂ）は同図（ａ）のＶＩＩｂ−ＶＩＩｂ線切断部の端面図。 本発明の第５の実施形態に係るトランス回路の上面図。 本発明の第６の実施形態に係るトランス回路の上面図。 従来のトランス回路の斜視図。

符号の説明

１…半導体基板、２，２ａ，２ｂ，２ｄ，２ｅ…第１の回路配線、３，３ａ…絶縁膜、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ…第２の回路配線、１００〜１０７…トランス回路。

Claims (6)

1. 第１の回路配線と、この第１の回路配線の交流成分を伝達可能に当該第１の回路配線より電気的に絶縁された第２の回路配線とを備えたトランス回路において、
   半導体基板上に形成された前記第１の回路配線と、
   上記第１の回路配線と電流方向が一致するように絶縁膜を介して当該第１の回路配線に少なくとも一部が上下に重なるように形成された前記第２の回路配線とを有し、
   この第１の回路配線は、その線幅方向中間部に凹部を形成し、この凹部内に、前記絶縁膜とこの絶縁膜上に配設される前記第２の回路配線を埋設していること
   を特徴とするトランス回路。
2. 上記第２の回路配線は、その巻数が上記第１の回路配線の巻数と相違する渦巻きコイルからなることを特徴とする請求項１に記載のトランス回路。
3. 請求項１または２に記載されたトランス回路が搭載された携帯用電子機器。
4. 半導体基板上に第１の回路配線を形成すると共に、この第１の回路配線の線幅方向中間部に凹部を形成する工程と、
   上記第１の回路配線の凹部内に、絶縁膜を形成する工程と、
   上記第１の回路配線の凹部内にて、上記絶縁膜上に第２の回路配線を形成して埋設する工程と
   を備えることを特徴とするトランス回路の製造方法。
5. 上記第２の回路配線を形成する工程は、１対１露光を用いたフォトリソグラフィ工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のトランス回路の製造方法。
6. 上記１対１露光は、Ｘ線による露光であることを特徴とする請求項５に記載のトランス回路の製造方法。

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