JP5100086B2 - Inductor element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、インダクタおよびその製造方法に関する。より詳細には、半導体基板上に被着された導体薄膜で形成されたインダクタ素子と、その製造方法に関する。 The present invention relates to an inductor and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to an inductor element formed of a conductive thin film deposited on a semiconductor substrate and a manufacturing method thereof.
高周波デバイスに用いられるインダクタ素子において、高いQ値(Quality Factor)が求められる。しかしながら、シリコン半導体基板上に被着させた導体薄膜をパターニングして形成したインダクタ素子では、導体薄膜自体の導体損が高いこと、導電薄膜パターンおよび半導体基板の間に寄生容量が生じること等が原因で、高いQ値を得ることが難しい。 In an inductor element used for a high frequency device, a high Q value (Quality Factor) is required. However, in an inductor element formed by patterning a conductive thin film deposited on a silicon semiconductor substrate, the conductive thin film itself has a high conductor loss, and parasitic capacitance is generated between the conductive thin film pattern and the semiconductor substrate. It is difficult to obtain a high Q value.
また、システムオンチップ(SOC)と呼ばれる半導体装置では、ひとつのチップ内にデジタル信号回路、アナログ信号回路、高周波信号回路などの複数種類の信号回路が集積化される。このような半導体装置では、回路ブロック間の相互作用、特に、シリコン半導体基板を通してアナログ信号回路および高周波信号回路にカップリングされるデジタルスイッチングノイズがデバイス特性を低下させることが知られている。そのなかでも特に、インダクタ素子のように基板上で大きな面積を占有するRF受動素子は、シリコン半導体基板および受動素子の間で容易にカップリングが生じて特性が低下する。 In a semiconductor device called a system-on-chip (SOC), a plurality of types of signal circuits such as a digital signal circuit, an analog signal circuit, and a high-frequency signal circuit are integrated in one chip. In such a semiconductor device, it is known that interaction between circuit blocks, in particular, digital switching noise coupled to an analog signal circuit and a high-frequency signal circuit through a silicon semiconductor substrate deteriorates device characteristics. In particular, an RF passive element that occupies a large area on the substrate, such as an inductor element, is easily coupled between the silicon semiconductor substrate and the passive element, and the characteristics are degraded.
そこで、下記特許文献1には、シリコン半導体基板上に基板と同電位のポリシリコン層を形成して、その上に形成された導体薄膜によりインダクタ素子を形成することが記載される。これにより、インダクタ素子およびポリシリコン層の間の容量とポリシリコン層自体の抵抗とがインダクタ素子への寄生容量および寄生抵抗となるので、寄生抵抗および寄生容量を小さくできる。 Therefore, Patent Document 1 below describes that a polysilicon layer having the same potential as that of a substrate is formed on a silicon semiconductor substrate, and an inductor element is formed by a conductive thin film formed thereon. Thereby, the capacitance between the inductor element and the polysilicon layer and the resistance of the polysilicon layer itself become a parasitic capacitance and a parasitic resistance to the inductor element, so that the parasitic resistance and the parasitic capacitance can be reduced.
また、下記特許文献2には、半導体基板上に絶縁材料を充填した溝を形成して、その上にインダクタ素子を装荷することが記載される。これにより、半導体基板の絶縁性が向上され、インダクタ素子から基板への高周波電流のリーク、基板からインダクタ素子への誘導電流が防止され、インダクタ素子の損失が低減される。
しかしながら、特許文献1に記載の構造では、インダクタ素子を形成する導体薄膜およびポリシリコン層の間の寄生容量が大きくなり、大きな特性向上は得られない。また、特許文献2に記載の構造は、基板ノイズの遮断には寄与しない。 However, in the structure described in Patent Document 1, the parasitic capacitance between the conductive thin film and the polysilicon layer forming the inductor element becomes large, and a large characteristic improvement cannot be obtained. Further, the structure described in Patent Document 2 does not contribute to blocking the substrate noise.
更に、高いQ値を有し、基板を介したノイズの影響を受け難いインダクタ素子として、ボンディングワイヤを利用することも提案されている。しかしながら、ウェハプロセスで製造される集積回路にボンディングワイヤを別途組み込むことと、生産性を低下させるという課題がある。 Furthermore, it has also been proposed to use a bonding wire as an inductor element that has a high Q value and is not easily affected by noise through the substrate. However, there is a problem that a bonding wire is separately incorporated in an integrated circuit manufactured by a wafer process and productivity is lowered.
上記課題を解決するために、本発明の第1の形態として、半導体基板をエッチングして、半導体基板の面方向に平行な面が周囲から離間した柱状部を形成する工程と、柱状部の面に導体層を形成する工程とを備えるインダクタ素子の製造方法が提供される。これにより、基板に対する導体面積の割合が大きくなり、基板の寄生容量に起因するQ値の低下が少ないインダクタを製造できる。また、基板ノイズの影響からも逃れられる。 In order to solve the above-mentioned problem, as a first embodiment of the present invention, a step of etching a semiconductor substrate to form a columnar portion whose surface parallel to the surface direction of the semiconductor substrate is separated from the surroundings, and a surface of the columnar portion And a step of forming a conductor layer on the inductor element. Thereby, the ratio of the conductor area with respect to a board | substrate becomes large, and an inductor with little fall of Q value resulting from the parasitic capacitance of a board | substrate can be manufactured. Moreover, it can escape from the influence of substrate noise.
また、上記製造方法において、柱状部を形成する工程は、半導体基板を厚さ方向に薄くした薄化領域を形成する工程、および、薄化領域に一対の貫通穴を形成してもよい。これにより、Q値の高いインダクタを、半導体プロセスで製造できる。従って、所望の仕様を精度よく実現できると共に、量産にも適している。 In the manufacturing method, the step of forming the columnar portion may be a step of forming a thinned region in which the semiconductor substrate is thinned in the thickness direction, and a pair of through holes in the thinned region. Thereby, an inductor having a high Q value can be manufactured by a semiconductor process. Therefore, the desired specification can be realized with high accuracy and is suitable for mass production.
更に、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、貫通穴の内面に導体層を被着させる工程を有してもよい。これにより、導体面積を一層広くして、インダクタ素子の導体損を低減できる。 Furthermore, in the above manufacturing method, the step of forming the conductor layer may include a step of depositing the conductor layer on the inner surface of the through hole. Thereby, the conductor area can be further increased and the conductor loss of the inductor element can be reduced.
また、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、柱状部の面の全周に導体層を被着させる工程を有してもよい。これにより、基板上の占有面積が小さいにもかかわらず、導体面積が更に広く、寄生容量および導体損の低いインダクタを製造できる。 Moreover, in the said manufacturing method, the process of forming a conductor layer may have the process of depositing a conductor layer on the perimeter of the surface of a columnar part. As a result, it is possible to manufacture an inductor having a larger conductor area and a lower parasitic capacitance and conductor loss even though the occupied area on the substrate is small.
また、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、高周波電流が流れる深さと等しい厚さに導体層を形成する工程を有してもよい。これにより、導体層の膜厚を小さくして、材料を節約できると共に、製造に要する時間を節約できる。 In the manufacturing method, the step of forming the conductor layer may include a step of forming the conductor layer to a thickness equal to a depth through which the high-frequency current flows. Thereby, the film thickness of the conductor layer can be reduced to save material, and the time required for manufacturing can be saved.
また、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、金属薄膜により導体層を形成する工程を有してもよい。これにより、導体損の低いインダクタを容易に製造できる。 Moreover, in the said manufacturing method, the process of forming a conductor layer may have the process of forming a conductor layer with a metal thin film. Thereby, an inductor with low conductor loss can be manufactured easily.
また、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、柱状部の前記面にCr層を被着させる工程、および、Cr層に重ねてAu層を被着させる工程を有してもよい。これにより、Au層の付着強度を向上させることができると共に、Auの基板への拡散を抑制できる。 Moreover, in the said manufacturing method, the process of forming a conductor layer may have the process of depositing a Cr layer on the said surface of a columnar part, and the process of depositing Au layer on a Cr layer. Thereby, the adhesion strength of the Au layer can be improved and the diffusion of Au into the substrate can be suppressed.
また、上記製造方法において、導体層を形成する工程が、スパッタ法によりCr層を形成する工程、および、メッキ法によりAu層を形成する工程を有してもよい。これにより、立体的な柱状部の表面全体にCr層およびAu層を一括して成膜できる。 In the manufacturing method, the step of forming the conductor layer may include a step of forming a Cr layer by a sputtering method and a step of forming an Au layer by a plating method. Thereby, the Cr layer and the Au layer can be collectively formed on the entire surface of the three-dimensional columnar portion.
更に、本発明の第2の形態として、上記の製造方法で製造されたインダクタ素子が提供される。これにより、材料コストおよび製造コストが低く、小型であるにもかかわらずQ値の高いインダクタが供給される。 Furthermore, as a second aspect of the present invention, an inductor element manufactured by the above manufacturing method is provided. As a result, the material cost and the manufacturing cost are low, and an inductor having a high Q value is supplied despite its small size.
また更に、本発明の第3の形態として、半導体基板をエッチングすることにより形成され、半導体基板の面方向に平行な面が周囲から離間した柱状部と、柱状部の面に被着された導体層とを備えるインダクタ素子が提供される。これにより、半導体プロセスを利用して、材料コストおよび製造コストが低く、小型であるにもかかわらずQ値の高いインダクタが供給される。また、基板ノイズの影響も受け難い。 Still further, as a third embodiment of the present invention, a columnar part formed by etching a semiconductor substrate and having a plane parallel to the plane direction of the semiconductor substrate spaced from the periphery, and a conductor attached to the surface of the columnar part An inductor element comprising a layer is provided. As a result, a semiconductor process is used to provide an inductor having a high Q value despite its low material cost and low manufacturing cost and small size. In addition, it is less susceptible to substrate noise.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。従って、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. Therefore, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1から図14は、ひとつの実施形態に係るインダクタ素子300の製造過程を手順毎に示す図である。なお、図4、図6、図8および図10は、それぞれ、図3、図5、図7および図9に示す斜視図に対応する断面図である。また、これらの図において、共通の構成要素には共通の参照番号を付して、重複する説明を省く。
FIG. 1 to FIG. 14 are diagrams showing the manufacturing process of the
図1は、加工対象100である半導体基板110の形状を示す斜視図である。ただし、以下に単一のインダクタ素子300の製造について説明するが、この半導体基板110は、後述するように、大きな半導体ウェハ410の一部であってもよい。
FIG. 1 is a perspective view showing the shape of a
図2は、薄化領域120の形成に用いるレジスト層200を形成する工程を示す斜視図である。同図に示すように、レジスト層200は、半導体基板110の下面において、薄化する領域が露出するように、中央部分が抜けたパターンで形成される。これにより、薄化領域120となる領域を選択的に加工できる。
FIG. 2 is a perspective view showing a process of forming a
図2に示す状態において、イオンミリング、ケミカルエッチング等により半導体基板110の厚さを薄くする加工をする。なお、薄化加工後は、レジスト層200は除去される。
In the state shown in FIG. 2, the
図3は、半導体基板110形成された薄化領域120の形状を示す斜視図である。同図に示すように、薄化領域120は、半導体基板110の下面において、その中央部分に形成される。図4は、図3に示す半導体基板110のX−X断面を示す断面図である。同図に示すように、薄化領域120において、半導体基板110は、その厚さが約100μmに減じられている。
FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the
図5は、薄化領域120を形成した半導体基板110に対して、貫通穴130を形成する場合に用いるレジスト層210を装荷する工程を示す斜視図である。また、図6は、図5に示す半導体基板110のX−X断面を示す断面図である。これらの図に示すように、レジスト層210は、半導体基板110の上面に装荷される。ここで、レジスト層210は、インダクタの中心となる部分の上部に設けられる。図6に示した例において、薄化領域120に対応した領域のレジスト層210が抜かれ、薄化領域120の中央を縦断する一定幅の領域にレジスト層210が残されたパターンが形成されている。従って、レジスト層210が抜かれた領域は、2つの領域に分かれている。また、例えば、中央のレジスト層210の面方向に沿った幅は約100μmにする。
FIG. 5 is a perspective view showing a process of loading the
図5に示す状態において、イオンミリング、ケミカルエッチング等により、半導体基板110に貫通穴130を形成する。また、貫通穴加工後は、レジスト層210は除去される。
In the state shown in FIG. 5, the through
図7は、レジスト層210を利用して貫通穴130が形成された半導体基板110の形状を示す斜視図である。また、図8は、図7に示す半導体基板110のX−X断面を示す断面図である。
FIG. 7 is a perspective view showing the shape of the
これらの図に示すように、レジスト層210を利用して加工された半導体基板110は、その厚さを減じられた薄化領域120の更に内側に、一対の貫通穴130を有する。換言すれば、一対の貫通穴130に挟まれた領域には、柱状部140が形成される。なお、柱状部140の上面は、半導体基板110の周囲の表面から離隔している。
As shown in these drawings, the
図9は、上記のように加工した半導体基板110に形成する導体層の下地となるCr層310の形状を示す図である。また、図10は、図9に示す半導体基板110のX−X断面を示す断面図である。
FIG. 9 is a diagram showing the shape of the
同図に示すように、半導体基板110の表面全体に、スパッタ法等によりCr層310が被着される。このCr層310は数μm程度の厚さを有することが好ましい。なお、Cr層310はCVD法により形成されてもよい。後述するAu層320を、このCr層310を下地として被着させることにより、Au層320の付着強度を向上させることができる。また、緻密なCr層310が障壁となるので、Au層320の材料が半導体材料で形成された柱状部140に拡散することも防止できる。
As shown in the figure, a
図11は、上記のようにCr層310を形成した半導体基板110の柱状部140にAu層320を被着させる場合に用いるレジスト層220を形成する工程を示す断面図である。同図に示すように、レジスト層220は、柱状部140以外の領域において、半導体基板110の表面に形成される。従って、レジスト層220の中央には、半導体基板110の面方向に垂直な断面が四角の柱状部140が、半導体基板110の面方向に沿って形成され、その側面が露出されている。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing a step of forming a resist
図12は、半導体基板110にAu層320を形成する工程を示す断面図である。同図に示すように、Au層320を形成する領域にはすでにCr層310が形成されているので、メッキ法により膜厚が数十μmのAu層320を形成することができる。
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a process of forming the
なお、メッキ法等によると、膜厚が数十μmのメッキ層を形成できるが、製造したインダクタ素子300がマイクロ波帯域で使用される場合は、導体層の内部で電流が流れる領域は表面から数μm程度である。従って、Au層320の厚さは、電流が流れる深さまであればよい。具体的には、Au層320の厚を、2μm程度の膜厚で均一に形成すればよい。
According to the plating method or the like, a plating layer with a film thickness of several tens of μm can be formed. However, when the manufactured
なお、前記したように、図11までの段階において、半導体基板110の表裏は、薄化領域120以外の領域をレジスト層220によりマスクされている。従って、スパッタ法により柱状部140のAuを表面に被着させて、Au層320を形成することもできる。
As described above, in the steps up to FIG. 11, regions other than the thinned
以上のような手順により、柱状部140の表面には筒状のAu層320が形成される。この筒状のAu層320は、周波電流が流れる有効断面積が広いインダクタとして用いることができる。このようなインダクタは、周囲の誘電体(半導体基板110)から離れているので、高いQ値を有する。また、内部が略等電位となるので誘電損失が低く、半導体基板110の柱状部140の存在にもかかわらずQ値の低下が少ない。ただし、後述するように、柱状部140を取り除くことにより、一層高い特性を得ることもできる。
By the procedure as described above, the
図13は、Cr層310およびAu層320の内部から柱状部140を除去する工程を示す断面図である。同図に示すように、Cr層310およびCr層310に積層されたAu層320の内部から、半導体材料により形成された柱状部140を取り除くことにより空芯にして、インダクタ素子300としての特性を向上させることができる。なお、Cr層310およびAu層320は化学的に安定しているので、半導体材料を除去する任意のエッチング剤、例えばKOHを用いたエッチングにより柱状部140を除去できる。
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a step of removing the
図14は、上記のような一連の工程を経て製造された筒状のインダクタ素子300の形状を単独で示す斜視図である。同図に示すように、このインダクタ素子300は、内部が中空で、角筒状のCr層310と、その表面に積層されたAu層320とを備える。従って、空芯のインダクタ素子300として良好な特性を有する。
FIG. 14 is a perspective view independently showing the shape of a
図15は、複数のインダクタ素子300を1枚の半導体ウェハ410から一括して製造する工程を示す図である。Siウェハ等のウェハプロセス技術によれば、数100μm程度の寸法の微小な構造物を再現性よく製造できる。従って、図1から図14までを参照して説明した方法によれば、図15に示すように、1枚の半導体ウェハ410上において、複数の加工対象100を一括して加工できる。これにより、前記した良好な特性を有するインダクタ素子300を、高い生産性で工業的に製造して供給できる。
FIG. 15 is a diagram showing a process of manufacturing a plurality of
なお、図13および図14において、インダクタ素子300から柱状部140が取り除かれているが、これを取り除かずに使用してもよい。また、図1から図14のインダクタ素子300の柱状部140は断面が四角の四角柱であるが、これに限られず、円柱等であってもよい。
13 and 14, the
こうして製造されたインダクタ素子の中心部分は非導電体なので、基板からの寄生容量およびノイズの影響を受けなにくい。従って、高いQ値を有するインダクタ素子として動作する。更に、このインダクタ素子は金属導体により形成されるので導体損が小さく、この点からも高いQ値が得られる。また更に、ウェハプロセスで製造できるので、集積回路と同じ設備で効率よく製造できる。 Since the central portion of the inductor element manufactured in this way is a non-conductor, it is not easily affected by parasitic capacitance and noise from the substrate. Therefore, it operates as an inductor element having a high Q value. Further, since the inductor element is formed of a metal conductor, the conductor loss is small, and a high Q value can be obtained from this point. Furthermore, since it can be manufactured by a wafer process, it can be efficiently manufactured with the same equipment as the integrated circuit.
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることは当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. Further, it is apparent from the description of the scope of claims that the embodiment added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
100、400 加工対象、110 基板、120 薄化領域、130 貫通穴、140 柱状部、200、210、220、230 レジスト層、300 インダクタ素子、310 Cr層、320 Au層、410 半導体ウェハ 100, 400 processing target, 110 substrate, 120 thinned region, 130 through hole, 140 columnar part, 200, 210, 220, 230 resist layer, 300 inductor element, 310 Cr layer, 320 Au layer, 410 semiconductor wafer
Claims (12)
前記柱状部の前記面に導体層を形成する工程と、
前記柱状部を除去する工程と
を備えるインダクタ素子の製造方法。 Etching the semiconductor substrate to form a columnar portion whose surface parallel to the surface direction of the semiconductor substrate is separated from the surroundings;
Forming a conductor layer on the surface of the columnar portion ;
A method of manufacturing an inductor element, comprising: removing the columnar part .
前記柱状部の前記面に導体層を形成する工程とForming a conductor layer on the surface of the columnar part;
を備えるインダクタ素子の製造方法。A method of manufacturing an inductor element comprising:
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