JP4797980B2 - 薄膜トランスおよびその製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、渦巻き状の薄膜コイルが互いに対向してなる薄膜トランスとその製造方法に関する。

シリコンなどの半導体基板上に形成される薄膜トランスは、そのコイルが薄膜形成技術をもって形成されるため、小型化が可能なトランスとして知られ、半導体集積デバイスなどを構成する素子のひとつである。ここで、コイルには導電性配線（導体または半導体）が用いられ、コイルの形状は、コイルの長さ（または面積）当たりのインダクタンスを大きく、すなわち、大きなＱ値（Ｑ＝ωＬ／Ｒ、ω：角周波数、Ｌ：相互インダクタンス、Ｒ：コイル抵抗）を確保するために、渦巻き状（平面コイル状）に形成される。このようにして形成された薄膜トランスの一例を図５に示す。
図５は、従来の薄膜トランスの構成図であり、同図（ａ）は斜視図、同図（ｂ）は要部断面図である。同図（ａ）ではシリコン酸化膜１２は省略されている。またコイル導体１３、１４は簡単のために厚みは省略して描いている。
薄膜トランスはシリコン基板１１上に厚さが０．１〜２μｍのシリコン酸化膜１２ａが形成され、その表面側にアルミや銅などからなる導電性の金属材料がスパッタリング法または真空蒸着法などにより、厚さが１〜５μｍの金属膜として形成されている。この後、金属膜は、リソグラフィーで第１コイル導体１３の渦巻きパターンを転写し、エッチングの工程を経て、幅が１０〜１００μｍ、配線間隔（コイル導体間の距離）が１０〜１００μｍの第１コイル導体１３が形成され、この第１コイル導体１３を渦巻き状にして１次コイルを形成する。第１コイル導体１３のピッチＷはコイル導体の幅と配線間隔を合わせたもので第２コイル導体１４のピッチも同じである。
次に、その表面側に厚さが０．１〜３μｍのシリコン酸化膜１２ｂを形成した後に、第１コイル導体１３と同様な方法によって第２コイル導体１４を厚さ１〜５μｍで第１コイル導体１３の直上に同一パターンで形成して２次コイルとし、この２次コイルの表面側に厚さが１〜２μｍのシリコン酸化膜１２ｃを形成する。このようにして、シリコン酸化膜１２に埋め込まれた第１コイル導体１３、第２コイル導体１４で構成される薄膜トランスが形成される。
次に、第１コイル導体１３の両端および第２コイル導体１４の両端を電気的に接続が可能とする端子を形成するために、第１、第２コイル導体１３、１４の上部のシリコン酸化膜１２ｃをリソグラフィーおよびエッチングの工程により除去し、薄膜トランスを形成する。図５の薄膜トランスにおいて、１次、２次コイルのコイル巻数は共に４であり、また、２次コイルを１次コイルに対して上下方向に対向させて同一パターンで形成する。

このような構成の薄膜トランスは、例えば、１次コイルの両端に電流を流し、この電流に変化を与えると、１次コイルの周囲に発生している磁界が変化するため、２次コイルの両端に電位差が生じ、２次コイルに起電力が生じる。ここで、２次コイルに発生する誘導起電力（誘導電流）は、２次コイルの巻数に比例する。
また、１次コイルの巻数が多ければその周囲に発生する磁界が強調されるため、大きな起電力を誘導させることができる。

このように、相互インダクタンスの効果により起電力を得る薄膜トランスにおいては、１次、２次コイル相互のコイル巻数が増大すれば、各コイル線による磁界が強調されるため、インダクタンス量が増加し、結合係数としても大きくなるので、１次コイルから２次コイルへのエネルギー変換の効率が向上する。
また、特許文献１によると、平面インダクタなどに代表される磁気素子内の平面コイルを作成する際に、あらかじめ作製すべきコイル導体幅と等しい幅のスペースをとるようなパターンを作製しておき、それに基づいて下地表面にコイル導体を形成し、その後にコイル導体部分の表面全体を覆うように薄い絶縁層を形成し、最後に残りのスペース部分を金属材料で埋めて、コイルを製作することで、隣接するコイル導体間の絶縁膜の厚さを非常に薄くすることができて、高いＱ値を有する平面インダクタを製作できることことが開示されている。

また、特許文献２によると、磁性膜上にコイル導体間スペースを構成する絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜をコイル導体間スペースの形状にパターニングする工程と、この絶縁膜のパターンを導体膜が選択的に成長できるように表面改質する工程と、この絶縁膜のパターンの隙間に選択的に導体膜を充填してコイル導体を形成する工程と、全面に絶縁膜を形成する工程と、この絶縁膜上に磁性膜を形成する工程で平面型磁気素子を製造することで、コイル導体間スペースの幅を小さくでき、かつ十分な厚さのコイル導体を有する高性能の平面型磁気素子を非常に簡単なプロセスで製造できる方法が開示されている。
特開平５−６８３２号公報 特開平６−７７０７２号公報

しかしながら、上述の図５の構造の薄膜トランスにおいては、１次コイルおよび２次コイルの巻数を増大させると薄膜トランス自体の面積が大きくなり、トランスの小型化を図る上で支障となるという問題がある。また、コイル巻数の増大はコイル線の長大化につながり、特に薄膜コイルにおいては、その抵抗値が一般的な導線の抵抗値に比して非常に大きいため、コイル線の長大化による抵抗値の増大がエネルギー損失の増大、すなわち、エネルギー変換効率の目安となるＱ値の低下を招来する可能性があるという問題がある。

このように、従来の薄膜トランスにおいては、そのエネルギー変換効率の向上を目的としたコイル巻数の増大とトランスの小型化とがトレードオフの関係にあり、また、コイル巻数の増大がエネルギー変換効率の低下を招く可能性が指摘されている。
また、前記の特許文献１、２では薄膜インダクタについての開示はあるが、薄膜トランスに関する具体的な記述はされていない。

この発明の目的は、前記の課題を解決して、占有面積を拡張することなく、エネルギー変換効率を容易に向上できる薄膜トランスとその製造方法を提供することにある。

前記の目的を達成するために、支持基板と、該支持基板上に形成された第１絶縁膜と、該第１絶縁膜に形成された細長状の溝と、該溝の側壁に形成された第１コイル導体と、該溝内に第２絶縁膜を介して形成され前記第１コイル導体と対向するように形成された第２コイル導体と、を備える構成とする。
また、前記支持基板が半導体基板もしくは絶縁基板であるとよい。

また、前記溝の平面形状が、渦巻き状（平面スパイラル状）であるとよい。
また、前記第１コイル導体が前記溝の側壁および底面に形成されるとよい。
また、前記絶縁膜が、シリコン酸化膜、ポリイミド膜もしくはレジスト膜のいずれかであるとよい。
また、前記第１コイル導体および前記第２コイル導体のそれぞれの端部にパッド電極が接続する構成とする。

また、支持基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜に細長状の溝を形成する工程と、
前記溝内を含む前記第１絶縁膜上に第１金属膜を形成する工程と、
該第１金属膜を異方性エッチングで除去し、前記溝の側壁に前記第１金属膜を残し第１コイル導体を形成する工程と、
前記溝を残して第１金属膜を第２絶縁膜で被覆する工程と、
前記第２絶縁膜上を第２金属膜で被覆し前記溝内を該第２金属膜で充填する工程と、
前記第２絶縁膜をストッパ層としてＣＭＰ法で前記溝内を充填した前記第２金属膜を残し、その他の箇所の前記第２金属膜を除去して、第２コイル導体を形成する工程と、
を備える製造方法とする。

また、支持基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜に細長状の溝を形成する工程と、
前記溝内を含む前記第１絶縁膜上に第１金属膜を形成する工程と、
前記第１絶縁膜をストッパ層としてＣＭＰ法で前記溝の側壁と底面の前記第１金属膜を残しその他の箇所の前記第１金属膜を除去して第１コイル導体を形成する工程と、
表面と、溝内の前記第１金属膜を第２絶縁膜で被覆する工程と、
前記第２絶縁膜上を第２金属膜で被覆し前記溝内を該第２金属膜で充填する工程と、
ＣＭＰ法で前記溝内を充填した前記第２金属膜を残し、その他の箇所の前記第２金属膜を除去して、第２コイル導体を形成する工程と、
を備える製造方法とする。

また、前記支持基板が半導体基板であり、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜がシリコン酸化膜であるとよい。
また、前記第２コイル導体を形成した後、表面を第３絶縁膜で被覆し、該第３絶縁膜にコンタクトホールを形成し、前記第１コイル導体の端部および第２コイル導体の端部とコンタクトホールを介して接続するパッド電極を形成する工程を備えるとよい。

この発明によれば、渦巻き状の薄膜トランスにおいて、支持基板上の絶縁膜に溝を形成して、その溝内に１次コイルおよび２次コイルを形成することによって、占有面積を増加することなく、エネルギー変換効率の向上ができる。

実施の形態を以下の実施例で説明する。

図１は、この発明の第１実施例の薄膜トランスの構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図である。同図（ａ）は、同図（ｂ）のＸ２−Ｘ２線で切断した要部平面図である。
半導体基板であるシリコン基板１上に形成したシリコン酸化膜によりなる絶縁膜２、５、７（これらの番号はシリコン酸化膜にも付す）内に渦巻き状（平面スパイラル状）の１次コイルを構成する第１コイル導体４、２次コイルを構成する第２コイル導体６が互いに横方向に対向するように形成する。これは絶縁膜２に形成した渦巻き状の溝３内に第１コイル導体４と第２コイル導体６を形成することで得られる。表面には保護膜であるシリコン窒化膜８が被覆される。第１コイル導体４の幅は２．５μｍ、厚さは０．５μｍであり、第２コイル導体６の幅は２．５μｍで厚さは１μｍである。第１コイル導体４と第２コイル導体６の間隔は０．２μｍで、渦巻きの間隔は１μｍである。第１、第２コイル導体４、６は例えば銅で形成する。また、本実施例では、絶縁膜２はシリコン酸化膜であるがポリイミド膜やレジスト膜などであってもよい。本発明品ではコイル導体４、６の幅は垂直方向となり、占有面積に影響するのはコイル導体４、６の厚さである。

図５に示す従来の薄膜トランスを上記のコイル諸元で製作した場合は、従来品では、コイル導体のピッチＷは、コイル導体の幅＋コイル導体同士の間隔(渦巻き間隔)＝２．５μｍ＋１μｍ＝３．５μｍである。
一方、本発明品の場合は、第１コイル導体４（又は第２コイル導体６）のピッチＴは、第１コイル導体４の厚さ（１μｍ）×２＋第２コイル導体６の厚さ＋第１、第２コイル導体４、６の間隔（０．２μｍ）×２＋渦巻き間隔＝１μｍ＋１μｍ＋０．４μｍ＋１μｍ＝３．４μｍとなり従来品の方が占有面積が同程度となるが、第１、第２コイル導体４、６の重なりが大きくなる分、従来品よりＱ値が大きくなる。

また、エネルギー変換効率を高めるために、絶縁膜２の膜厚を厚くして溝を深くすることでコイル導体の幅を広くして、エネルギー変換効率を容易に高めることができる。ただし、そのときの絶縁膜２としてはシリコン酸化膜より膜厚を大きくできるポリイミド膜やレジスト膜などを用いるとよい。
また、前記シリコン基板１は支持基板の役割をしているので、絶縁膜２にポリイミド膜やレジスト膜を用いる場合などは、シリコン基板以外に、例えば、フェライトなどの絶縁性磁性基板やプラスチックスなどの絶縁基板を用いても構わない。絶縁性磁性基板を用いると磁束密度が高まりエネルギー変換効率をシリコン基板などより高めることができる。

図２は、図１の薄膜トランスの製造方法を示す工程図であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
シリコン基板１表面側にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって厚さが３μｍのシリコン酸化膜２を形成し、リソグラフィーおよびエッチングによって、幅２．４μｍ、間隔１μｍ、深さ２．５μｍの渦巻き状の溝３を形成する。続いて、スパッタリング法によって、厚さが０．５μｍの銅をシリコン酸化膜３上に形成し、異方性のドライエッチングによって、銅をエッチングして、溝３内の側壁の銅を残し底部の銅と溝以外の箇所の銅を除去し、１次コイルを構成する第１コイル導体４を形成する（同図（ａ））。

次に、ＣＶＤ法によって、厚さが０．２μｍのシリコン酸化膜５で表面を被覆し、スパッタリング法によって、厚さが０．５μｍの銅をシリコン酸化膜５上に形成し、溝３内のシリコン酸化膜５で被覆された凹部１０を銅で充填し、シリコン酸化膜５をストッパ層としてＣＭＰ法によって凹部１０に充填された銅以外を除去し、凹部１０の銅を残して２次コイルを構成する第２コイル導体６を形成する（同図（ｂ））。

次に、ＣＶＤ法によって、厚さが１μｍのシリコン酸化膜７を形成し、リソグラフィーおよびエッチングによって図示しない箇所の１次コイルおよび２次コイルのコンタクトホールを形成し、スパッタリング法により、チタンを形成しその上に厚さが１μｍのアルミを形成する。続いて、リソグラフィーおよびエッチングによって、１次コイルおよび２次コイルの図示しないパッド電極を形成し、ＣＶＤ法によって、厚さが１μｍのシリコン窒化膜８を形成する。このシリコン窒化膜８は薄膜トランスの表面保護膜となる。続いて、リソグラフィーおよびエッチングによって、図示しないパッド電極部を開口する（同図（ｃ））。

このようにして形成された渦巻き状の１次コイル、２次コイルのコイル導体４、６は溝３内で２次コイルの両側に１次コイルが対向するように形成されるので、１次コイルと２次コイルの重なりが大きくなり伝達効率が向上し、相互インダクタンスが高くなり、Ｑ値が向上して前記したようにエネルギー変換効率を高めることができる。
この構造においては、コイル導体４、６の基板垂直方向（図面の上下方向）の長さ（コイル導体４、６の幅に相当する）を長くすることで、１次コイルと２次コイルの重なりが大きくなり、面積を増加することなくＱ値を向上することが可能となる。また、コイル導体の基板垂直方向の長さを長くすることで、１次コイルおよび２次コイルの断面積が増加し、コイル抵抗が減少する効果もある。

図３は、この発明の第２実施例の薄膜トランスの構成図であり、同図（ａ）は要部平面図、同図（ｂ）は同図（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図である。同図（ａ）は、同図（ｂ）のＸ２−Ｘ２線で切断した要部平面図である。
図１との違いは、溝３の底部にも第１コイル導体９となる銅膜を形成した点である。こうすることで、第１コイル導体９の抵抗値を図１の薄膜トランスの第１コイル導体４よりも小さくできて、エネルギー変換効率を高めることができる。

図４は、図３の薄膜トランスの製造方法を示す工程図であり、同図（ａ）〜同図（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図である。
シリコン基板１表面側にＣＶＤ法によって厚さが３μｍのシリコン酸化膜２を形成し、リソグラフィーおよびエッチングによって、渦巻き状に幅２．４μｍ、間隔１μｍ、深さ２．５μｍの溝３を形成する。続いて、スパッタリング法によって、厚さが０．５μｍの銅をシリコン酸化膜２上に形成し、ＣＭＰ法で溝３以外の銅を除去し、溝３内の側壁と底部の銅を残して、１次コイルを構成する第１コイル導体９を形成する（同図（ａ））
次に、ＣＶＤ法によって、厚さが０．２μｍのシリコン酸化膜５で表面を被覆し、スパッタリング法によって、厚さが０．５μｍの銅をシリコン酸化膜５上に形成し、溝３内のシリコン酸化膜５で被覆された凹部１０を銅で充填し、シリコン酸化膜５をストッパとしてＣＭＰ法によって凹部１０に充填された銅以外を除去し、凹部１０の銅を残して２次コイルを構成する第２コイル導体６を形成する（同図（ｂ））。

次に、ＣＶＤ法によって、厚さが１μｍのシリコン酸化膜７を形成し、リソグラフィーおよびエッチングによって１次コイルおよび２次コイルの図示しないコンタクトホールを形成し、スパッタリング法により、チタンを形成し、その上に厚さが１μｍのアルミを形成する。続いて、リソグラフィーおよびエッチングによって、１次コイルおよび２次コイルの図示しないパッド電極を形成し、ＣＶＤ法によって、厚さが１μｍのシリコン窒化膜８を形成する。このシリコン窒化膜８は薄膜トランスの表面保護膜となる。続いて、リソグラフィーおよびエッチングによって、図示しないパッド電極部を開口する（同図（ｃ））。

図１は、この発明の第１実施例の薄膜トランスの構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図 図１の薄膜トランスの製造方法を示す工程図であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図 この発明の第２実施例の薄膜トランスの構成図であり、（ａ）は要部平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ１−Ｘ１線で切断した要部断面図 図３の薄膜トランスの製造方法を示す工程図であり、（ａ）〜（ｃ）は工程順に示した要部製造工程断面図 従来の薄膜トランスの構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は要部断面図

符号の説明

１ シリコン基板
２、５、７ 絶縁膜（シリコン酸化膜にも同一番号を付す）
３ 溝
４、９ 第１コイル導体
６ 第２コイル導体
８ シリコン窒化膜
１０ 凹部
Ｔ ピッチ

Claims (10)

1. 支持基板と、該支持基板上に形成された第１絶縁膜と、該第１絶縁膜に形成された細長状の溝と、該溝の側壁に形成された第１コイル導体と、該溝内に第２絶縁膜を介して形成され前記第１コイル導体と対向するように形成された第２コイル導体と、を備えることを特徴とする薄膜トランス。
2. 前記支持基板が半導体基板もしくは絶縁基板であることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランス。
3. 前記溝の平面形状が、渦巻き状であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランス。
4. 前記第１コイル導体が前記溝の側壁および底面に形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の薄膜トランス。
5. 前記絶縁膜が、シリコン酸化膜、ポリイミド膜もしくはレジスト膜のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランス。
6. 前記第１コイル導体および前記第２コイル導体のそれぞれの端部にパッド電極が接続することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の薄膜トランス。
7. 支持基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜に細長状の溝を形成する工程と、
   前記溝内を含む前記第１絶縁膜上に第１金属膜を形成する工程と、
   該第１金属膜を異方性エッチングで除去し、前記溝の側壁に前記第１金属膜を残し第１コイル導体を形成する工程と、
   前記溝を残して第１金属膜を第２絶縁膜で被覆する工程と、
   前記第２絶縁膜上を第２金属膜で被覆し前記溝内を該第２金属膜で充填する工程と、
   前記第２絶縁膜をストッパ層としてＣＭＰ法で前記溝内を充填した前記第２金属膜を残し、その他の箇所の前記第２金属膜を除去して、第２コイル導体を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする薄膜トランスの製造方法。
8. 支持基板上に第１絶縁膜を形成し、該第１絶縁膜に細長状の溝を形成する工程と、
   前記溝内を含む前記第１絶縁膜上に第１金属膜を形成する工程と、
   前記第１絶縁膜をストッパとしてＣＭＰ法で前記溝の側壁と底面の前記第１金属膜を残しその他の箇所の前記第３金属膜を除去して第１コイル導体を形成する工程と、
   表面と、溝内の前記第１金属膜を第２絶縁膜で被覆する工程と、
   前記第２絶縁膜上を第２金属膜で被覆し前記溝内を該第２金属膜で充填する工程と、
   ＣＭＰ法で前記溝内を充填した前記第２金属膜を残し、その他の箇所の前記第２金属膜を除去して、第２コイル導体を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする薄膜トランスの製造方法。
9. 前記支持基板が半導体基板であり、前記第１絶縁膜および前記第２絶縁膜がシリコン酸化膜であることを特徴とする請求項７または８に記載の薄膜トランスの製造方法。
10. 前記第２コイル導体を形成した後、表面を第３絶縁膜で被覆し、該第３絶縁膜にコンタクトホールを形成し、前記第１コイル導体の端部および第２コイル導体の端部とコンタクトホールを介して接続するパッド電極を形成する工程を備えることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の薄膜トランスの製造方法。

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