JP5268345B2 - インダクタ - Google Patents

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Description

本発明は、半導体基板上に形成された絶縁膜上に金属層が螺旋状に形成されてなるインダクタと、その製造方法に関するものである。
近年、携帯電話やPDA(携帯情報端末)の普及に伴い、無線インターフェースを備える高周波回路を小型化する要求が強まっている。そのため、今まで半導体装置外、例えばプリント基板部分に取り付けられていた(つまり、外付け部品であった)インダクタ等の受動素子を、半導体装置内に収納する例が多くなってきた。また、インダクタは、LNA(Low Noise Amplifier )、PA(Power Amplifier)、RF(Radio Frequency)オシレータ等のRFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)設計への応用に必要な部品である。しかし、抵抗素子及び容量素子をチップ内に形成するのは比較的容易であるのに対し、インダクタについては誘導性を生じさせる構造として様々なものがあり、チップ内に形成するのは必ずしも容易ではない。
以下、従来の技術について図7(a)及び(b)を参照して説明する。図7(a)は螺旋状のインダクタの平面図を示し、図7(b)は、図7(a)のVIIb-VIIb'線による断面を示している。
図7(a)に示すように、インダクタ20は、インダクタ配線11が螺旋状のコイル形状となった構造を有する。また、その外側端子11aはヴィア12と配線14に、内側端子11bはヴィア13と配線15に、それぞれ接続しており、これにより電気的引き出しがなされている。また、図7(b)に示すように、インダクタ20(インダクタ配線11)は、半導体基板1上に形成された層間絶縁膜10中に設けられており、インダクタ配線11を幅方向に切断する断面形状は矩形である。
次に、螺旋状のインダクタの特性について説明する。一般にインダクタの特性を表す指標として、Q値が用いられている。例えば、直列共振LC回路において、Q値は共振周波数におけるインダクタ値を回路の直列抵抗で割った値により決定され、次の(式1)の形に表される。
Q=ωL/R …… (式1)
(式1)において、ωは2πf、πは円周率、fは周波数、Lはインダクタンス値、Rは抵抗値である。
Q値が大きな値であるほど、インダクタの電気特性が良いとされている。また、Q値が大きいことは回路の低消費電力化に寄与する。
図8に、一般的なインダクタのQ特性(周波数に対するQ値の変化)を示す。図8に示すように、Q値は周波数が増加するにつれて一旦は上昇するが、高周波ではインダクタと基板との間の容量結合による容量損失のために低下する。この結果として、Q特性は上に凸状の波形形状を示す。
また、(式1)から判るように、Q値を増大させるためには、インダクタの直列抵抗成分を低減すること及び容量損失を抑えることが効果的である。
特開2004−207602号公報(特に、第28頁、図25)
しかしながら、以上に説明した従来の構成において、次のような問題があった。
まず、駆動周波数が高くなるにつれて、表皮効果によりインダクタ配線の表面(図7(b)のインダクタ配線11のように断面が方形であれば、上面、下面及び両側面)近傍に電流が集中する傾向がある。また、インダクタの通電動作時に磁場が発生するため、螺旋状のインダクタの場合、インダクタの外側より内側の方が磁束密度が高くなり、インダクタ配線における平面形状の内部側に電流が集中する傾向がある。インダクタ配線の内部側において部分的に電流集中が生じると、実質的な直列抵抗成分が増加するため、インダクタのQ値が低下する。
また、インダクタの製造工程において、CMP(Chemical Mechanical Polishing)法によりインダクタ配線を形成する場合、その配線幅が広い(20μm以上)と、ディッシングの影響によって中央付近の配線膜厚が薄くなる。このことも、直列抵抗成分が増加し、インダクタのQ値が低下する原因となる。
よって、これらのことの解決が課題となっている。
以上に鑑みて、本発明は、インダクタ配線内部における実質的な直列抵抗成分の増加を防止すると共に、配線膜厚の工程ばらつきを低減し、Q値の向上したインダクタとその製造方法の提供を目的とする。
前記の目的を達成するため、本発明に係るインダクタは、金属層からなり且つ螺旋状の平面形状に形成されたインダクタ配線を備え、インダクタ配線の幅方向の断面形状において、少なくとも平面形状の内部側端部における膜厚が中央部における膜厚よりも厚くなっている。ここで、インダクタ配線は、基板上に形成された絶縁膜上に形成しても良い。
言い換えると、幅方向の断面において少なくとも一方の端部が中央部よりも厚くなったインダクタ配線により、螺旋状の平面形状が構成されている。
尚、インダクタ配線の幅方向の断面形状において、平面形状の内部側端部における膜厚が外部側端部における膜厚よりも厚くなっていることが好ましい。
このような構成によると、インダクタの通電動作時に発生する磁場の影響、及び、高周波にて駆動する際の表皮効果等によりインダクタ配線におけるインダクタ内部側の表面近傍に電流が集中したとしても、当該部分において膜厚が厚くなっているために、実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。
また、インダクタ配線の幅方向の断面形状において、平面形状の内部側端部における膜厚及び外部側端部における膜厚がいずれも中央部における膜厚よりも厚くなっていることも好ましい。
このようにすると、インダクタの通電動作時に発生する磁場の影響、及び、高周波において駆動する際の表皮効果等により、インダクタ配線におけるインダクタ内部側及び外部側の表面近傍に電流が集中したとしても、当該部分において膜厚が厚くなっているために、実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。
前記の目的を達成するため、本願発明に係るインダクタの製造方法は、半導体基板上に絶縁膜を形成する工程(a)と、絶縁膜に、螺旋状の平面形状を有する第1の溝を形成する工程(b)と、第1の溝を第1の金属層によって埋め込むことにより、第1のインダクタパターンを形成する工程(c)と、絶縁膜上に、第1のインダクタパターンの上面に沿って延び且つ第1のインダクタパターンよりも幅の広い第2のインダクタパターンを第2の金属層により形成する工程(d)とを備え、工程(d)において、第1のインダクタパターン上に、第2のインダクタパターンにおける平面形状の内部側端部を配置して、第1のインダクタパターン及び第2のインダクタパターンからなるインダクタ配線を構成する。
本発明のインダクタの製造方法によると、螺旋状の平面形状の内部側端部が厚くなったインダクタ配線を備える本発明のインダクタを製造することができる。このようなインダクタによると、既に説明した通り、動作時における実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。
更に、該インダクタの製造方法によると、第1の溝に埋め込まれた第1の金属層からなる第1のインダクタパターンと、第1の溝よりも幅の広い第2のインダクタパターンとを別の工程において形成する。第2のインダクタパターンをエッチング等によって形成することにより、CMP工程におけるディッシング(凹み)を避けるための対策としてインダクタ配線の線幅を制約することは不要となり、膜厚の工程ばらつきを低減することができる。
また、第1のインダクタパターンを形成するための第1の溝を、ヴィアホールと同時に形成すると共に、第2のインダクタパターンとなる第2の金属層を他の配線と同時に形成することにより、インダクタ製造のための工程追加は不要である。これにより、製造コストの増加を防いで安価にインダクタを製造することができる。
尚、工程(b)において、第1の溝に並走する螺旋状の平面形状を構成するように第2の溝を更に形成し、工程(c)において、第2の溝を第1の金属層によって埋め込むことにより第3のインダクタパターンを更に形成し、工程(d)において、第3のインダクタパターン上に、第2のインダクタパターンにおける平面形状の外部側端部を配置して、第1のインダクタパターン、第2のインダクタパターン及び第3のインダクタパターンからなるインダクタ配線を構成することも好ましい。
このようにすると、第1のインダクタパターンと第3のインダクタパターンとがそれぞれ平面形状の内部側端部及び外部側端部に一致するように第2のインダクタパターンが形成され、螺旋状の平面形状を有するインダクタ配線が構成される。つまり、幅方向について、両端部分の膜厚が中央部分の膜厚よりも厚くなった断面形状を有するインダクタ配線からなるインダクタを形成することができる。これにより、インダクタ配線の幅方向の断面において両端部に電流が集中しても実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる本発明のインダクタを製造することができる。
また、第1の金属層及び第2の金属層は同一の金属材料からなることが好ましい。このようにすると、第1の金属層と第2の金属層との接触抵抗を低減することができる。
本発明に係るインダクタとその製造方法によれば、インダクタの通電動作時に発生する磁場からの影響、及び、高周波における表皮効果等によって、インダクタ配線におけるインダクタ内部側端部の表面近傍に電流が集中しても、当該部分における実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。また、膜厚の工程ばらつきを低減することができる。これらのことから、Q値を向上させたインダクタを実現することできる。
(第1の実施形態)
以下、本発明の第1の実施形態に係るインダクタついて、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態のインダクタ100の平面形状を示す図である。
図1に示す通り、インダクタ100は、インダクタ配線111が螺旋状のコイル形状となった構造を有する。インダクタ配線111は、外側の末端において外側端子111aを有しており、外側端子111aはヴィア112を介して配線114に接続している。同様に、内側の末端においてインダクタ配線111は内側端子111bを有しており、内側端子111bはヴィア113を介して配線115に接続している。
ここで、インダクタ配線111の幅方向断面における平面形状の内部側端部121は、他の部分よりも膜厚が大きくなっている。これについて以下に説明する。
図1のような螺旋状の平面形状を有するインダクタ100について、II-II'線における断面を図2(a)〜(c)に3種類例示する。いずれの場合も、半導体基板101上に形成された層間絶縁膜中に、インダクタ配線111が埋め込まれた構造となっている。また、螺旋状に形成されたインダクタ配線111を三回横切るような断面を示しているため、当然、図2(a)〜(c)においてはインダクタ配線111の断面が3つ現れている。
図2(a)の場合、インダクタ配線111の断面形状は、インダクタ100の内部側端部121が下方に凸になるように厚くなった形状である。図2(b)の場合、インダクタ100の内部側端部121が上方に凸になるように厚くなった形状である。図2(c)の場合、インダクタ100の内部側端部121が下方及び上方に共に凸になるように厚くなった形状である。
尚、いずれの場合も、それぞれ3つ現れているインダクタ配線111の断面は全て同じ形状を有している。但し、このように全て同じ断面形状である場合に限定するものではない。また、これらの凸になった部分は、後に説明する通り、CMP法により絶縁膜に設けた溝に金属材料を埋め込むことにより形成する。
以上のように、本実施形態のインダクタ100は、インダクタ配線111の幅方向断面において、インダクタ100の内部側端部121の膜厚が中央部及び外部側端部の膜厚よりも厚くなった構造を有する。このため、インダクタ100の通電動作時に発生する磁場からの影響、及び、高周波にて駆動する際の表皮効果等によって、インダクタ配線111におけるインダクタ100の内部側(内部側端部121の表面近傍)に電流が集中したとしても、実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。この結果、本実施形態のインダクタ100は、Q値を向上させたインダクタとなっている。
尚、以上に説明した断面形状(図2(a)〜(c))の場合、内部側端部121及びその他の部分はそれぞれ一定の膜厚を有しており、これらの境界に段差があって内部側端部121の方が厚くなった構造である。しかし、これには限らない。インダクタ配線111の幅方向の断面において、インダクタ100の平面形状の外部側よりも内部側の膜厚が大きくなっていればよいのであり、外部側から内部側に向かって段差無しに連続的に厚くなるような断面形状であっても良い。
(第2の実施形態)
以下、本発明の第2の実施形態に係るインダクタについて、図面を参照しながら説明する。図3は、本実施形態のインダクタ100aの平面形状を示す図である。図3に示すインダクタ100aにおいて、図1に示す第1の実施形態のインダクタ100と同様の構成要素については同じ符号を付している。インダクタ100aとインダクタ100との相違点は、インダクタ配線111の幅方向の断面形状である。インダクタ100aにおいて、インダクタ配線111における平面形状の内部側端部121に加え、平面形状の外部側端部122についても膜厚が大きくなっている。これについて、以下に説明する。
図4(a)〜(c)は、図3のIV-IV'線における断面の3つの例である。
第1の実施形態の場合、インダクタ配線111の幅方向の断面において、インダクタ100の内部側端部121の膜厚が大きくなった構造を有していた。これに対し、本実施形態のインダクタは、インダクタ配線111におけるインダクタの内部側端部121に加えて、外部側端部122についても中央部よりも厚くなった形状を有している。つまり、インダクタ配線111の幅方向の断面形状において、両端部の膜厚が中央部の膜厚よりも厚くなっている。
特に、図4(a)の場合、インダクタ配線111の断面形状は、インダクタ配線111の幅方向の両端部(内部側端部121分及び外部側端部122)が下方に凸になるように厚くなった形状である。図4(b)の場合、両端部が上方に凸になるように厚くなった形状である。図4(c)の場合、両端部がいずれも下方及び上方に凸になるように厚くなった形状である。
以上のように、本実施形態のインダクタ100aは、インダクタ配線111の幅方向断面において、インダクタ100aの内部側端部121の膜厚及び外部側端部122の膜厚が中央部の膜厚よりも大きくなった構造を有する。このため、インダクタ100aの通電動作時に発生する磁場からの影響、及び、高周波にて駆動する際の表皮効果等によって、インダクタ配線111における幅方向の両端部の表面近傍に電流が集中したとしても、実質的な直列抵抗成分の増加を抑制することができる。この結果、本実施形態のインダクタ100は、Q値を向上させたインダクタとなっている。
尚、以上に説明した断面形状(図4(a)〜(c))の場合、内部側端部121、外部側端部122及び中央部分はそれぞれ一定の膜厚を有しており、その境界に段差があって、内部側端部121及び外部側端部122の方が中央部分よりも厚くなった構造である。しかし、これには限らない。インダクタ配線111の幅方向の断面において、インダクタ100の中央部分よりも両端部分の膜厚が大きくなっていればよいのであり、中央部分から内部側及び外部側に向かってそれぞれ段差無しに連続的に厚くなるような断面形状であっても良い。
(第3の実施形態)
以下に、第3の実施形態として、本発明に係るインダクタの製造方法について、図面を参照しながら説明する。図5(a)〜(d)は、インダクタの具体例としての図2(a)に示す断面構造を有するインダクタの製造工程を説明する図である。
まず、図5(a)に示す構造を形成する。つまり、半導体基板101上に層間絶縁膜102が形成され、その上には絶縁膜104が形成されている。また、半導体基板101において、インダクタを形成するためのインダクタ部とAと、配線を形成するための配線部Bとが設定されている。配線部Bにおいては、層間絶縁膜102中に下層配線103が形成されている。
次に、図5(b)に示す工程を行う。ここでは、インダクタ部Aにおいて、絶縁膜104に対し、第1のインダクタパターンを形成するための第1の溝105を形成する。これと共に、配線部Bにおいて、絶縁膜104に対し、ヴィアホール106を形成する。
この際、第1の溝105は、図1に示すインダクタ配線111の内部側端部121に対応する平面形状に形成する。
次に、図5(c)に示す工程を行う。ここでは、第1の溝105及びヴィアホール106にそれぞれ第1の金属材料を埋め込むことにより、第1の金属層からなる第1のインダクタパターン107及びヴィアプラグ117を形成する。
次に、図5(d)の工程を行う。ここでは、第1のインダクタパターン107上及びヴィアプラグ117上を含む絶縁膜104上に第2の金属膜を堆積した後、フォトエッチング法により不要部分を除去することにより、インダクタ部Aにおいて第2のインダクタパターン108を形成すると共に、配線部Bにおいて上部配線109を形成する。
これにより、第1のインダクタパターン107と、これに沿って延びる第2のインダクタパターン108とによって、インダクタ配線111(図1等を参照)が構成される。ここで、第2の金属膜からなる第2のインダクタパターン108は、その幅を第1のインダクタパターン107よりも大きくすると共に、螺旋状の平面形状の内部側端部を第1のインダクタパターン107上に合わせて形成する。この結果、インダクタ配線111の幅方向断面におけるインダクタの内部側端部121の膜厚が外部側端部の膜厚よりも厚くなったインダクタが形成される。
この後、インダクタ配線111を覆うように絶縁膜104上に別の絶縁膜を形成すると、図2(a)に示すのと同様の構造が得られる。
以上のように、本実施形態のインダクタの製造方法によると、インダクタ配線111の膜厚を増加する部分(増厚部)である第1のインダクタパターン107と、それ以外の部分(本体部)である第2のインダクタパターン108とを別の工程にて形成する。また、第2のインダクタパターン108はフォトエッチング等により形成する。このようにすると、CMP工程におけるディッシング(凹み)対策としてインダクタ配線の幅を制約することは不要となり、また、膜厚の工程ばらつきを低減することができる。
更に、第1の溝105とヴィアホール106、第1のインダクタパターン107とヴィアプラグ117、第2のインダクタパターン108と上部配線109とをそれぞれ同時に形成することにより、本実施形態の構造のインダクタを形成するために新しい工程を追加することは不要である。よって、追加工程のためのコストがかからず、安価にインダクタを製造することができる。
(第4の実施形態)
以下に、第4の実施形態として、本発明に係る別のインダクタの製造方法について図面を参照しながら説明する。図6(a)〜(d)は、インダクタの具体例としての図4(a)に示す断面構造を有するインダクタの製造工程を説明する図である。
まず、図6(a)に示す構造を形成する。これは、第3の実施形態における図5(a)の構造と同様であるため説明は省略する。
次に、図6(b)に示す工程を行う。ここでは、インダクタ部Aにおいて、絶縁膜104に対し、第1のインダクタパターン107aを形成するための第1の溝105aと、第3のインダクタパターン107bを形成するための第2の溝105bとを形成する。これと共に、配線部Bにおいて、絶縁膜104に対し、ヴィアホール106を形成する。
この際、第1の溝105aは、図3に示すインダクタ配線111の内部側端部121に対応する平面形状に形成する。また、第2の溝105bは、同じく図3に示すインダクタ配線111の外部側端部122に対応する平面形状に形成する。このため、第1の溝105a及び第2の溝105bは並走するようにして2重になった螺旋状の平面形状を構成する。
次に、図6(c)示す工程を行う。ここでは、第1の溝105a、第2の溝105b及びヴィアホール106にそれぞれ第1の金属材料を埋め込むことにより、第1の金属層からなる第1のインダクタパターン107a、第3のインダクタパターン107b及びヴィアプラグ117を形成する。
次に、図6(d)に示す工程を行う。ここでは、第1のインダクタパターン107a、第3のインダクタパターン107b上及びヴィアプラグ117上を含む絶縁膜104上に第2の金属膜を堆積した後、フォトエッチング法により不要部分を除去することにより、インダクタ部Aにおいて第2のインダクタパターン108を形成すると共に、配線部Bにおいて上部配線109を形成する。
これにより、第1のインダクタパターン107a及び第3のインダクタパターン107bと、これらに沿って延びる第2のインダクタパターン108とによって、インダクタ配線111(図3等を参照)が構成される。ここで、第2の金属膜からなる第2のインダクタパターン108は、その幅を第1のインダクタパターン107a及び第3のインダクタパターン107bよりも大きくする。また、螺旋状の平面形状の内部側端部を第1のインダクタパターン107a上に、外部側端部を第3のインダクタパターン107b上に、それぞれ合わせて配置する。この結果、インダクタ配線111におけるインダクタの内部側端部121及び外部側端部122の膜厚がいずれも中央部分の膜厚よりも厚くなったインダクタが形成される。
この後、インダクタ配線111を覆うように絶縁膜104上に別の絶縁膜を形成すると、図4(a)に示すのと同様の構造が得られる。
以上のように、本実施形態のインダクタの製造方法によると、インダクタ配線111の膜厚を増加する部分(増厚部)である第1のインダクタパターン107a及び第3のインダクタパターン107bと、それ以外の部分(本体部)である第2のインダクタパターン108とを別の工程にて形成する。また、第2のインダクタパターン108はエッチング等により形成する。このようにすると、CMP工程におけるディッシング(凹み)対策としてインダクタ配線の幅を制約することは不要となり、また、膜厚の工程ばらつきを低減することができる。
更に、第1の溝105a及び第2の溝105bとヴィアホール106、第1のインダクタパターン107a及び第3のインダクタパターン107bとヴィアプラグ117、第2のインダクタパターン108と上部配線109とをそれぞれ同時に形成することにより、本実施形態の構造のインダクタを形成するために新しい工程を追加することは不要である。よって、追加工程のためのコストがかからず、安価にインダクタを製造することができる。
尚、第3の実施形態及び第4の実施形態において、第1の金属層及び第2の金属層は異なった金属材料を用いて形成することも、同じ金属材料を用いて形成することも可能である。但し、同じ金属材料を用いると接触抵抗を低減することができるため、同じ材料を用いることがより望ましい。
更に、第3の実施形態及び第4の実施形態において、下層配線103等の形成工程については何ら限定するものではない。また、半導体基板101、層間絶縁膜102その他の種々の構成要素について、材料、形成方法、形成条件、寸法等、特に限定するものではない。
尚、図2(b)及び(c)、図4(b)及び(c)のように、上方に凸になることにより膜厚の大きくなった部分を有するインダクタ配線を形成する場合、第2のインダクタパターン108を形成した後に、上方に凸になった部分(増厚部)を形成すればよい。
例えば、第3の実施形態において、図3(d)の工程の後に第2のインダクタパターン108を覆うように別の絶縁膜を形成し、続いて第2のインダクタパターン108の上面が露出するまで平坦化する。その後、第1のインダクタパターン107を形成するのと同様に、絶縁膜形成、該絶縁膜に対する(第1のインダクタパターン107の上方における)溝形成、該溝に対する金属材料埋め込みを順次行うことにより、第2のインダクタパターン108の内部側部分上に増厚部を形成する。これにより、図2(c)に示す構造を形成することができる。
以上説明したように、本発明のインダクタはQ値が向上しており、高周波用集積回路の半導体装置に内蔵されたインダクタ、特に、高周波動作の性能向上が要求されるインダクタとその製造方法として有用である。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインダクタ100の平面形状を示す図である。 図2(a)〜(c)は、いずれもインダクタ100のII-II'線における断面構造を例示する図である。 図3は、本発明の第2の実施形態に係るインダクタ100aの平面形状を示す図である。 図4(a)〜(c)は、いずれもインダクタ100aのIV-IV'線における断面構造を例示する図である。 図5(a)〜(d)は、本発明の第3の実施形態に係るインダクタの製造方法を説明する図である。 図6(a)〜(d)は、本発明の第4の実施形態に係るインダクタの製造方法を説明する図である。 図7(a)及び(b)は、従来のインダクタ20の平面形状及びそのVII-VII'線による断面構造を示す図である。 図8は、インダクタのQ値と周波数との相関を示す図である。
符号の説明
100 インダクタ
100a インダクタ
101 半導体基板
102 層間絶縁膜
103 下層配線
104 絶縁膜
105 第1の溝
105a 第1の溝
105b 第2の溝
106 ヴィアホール
107 第1のインダクタパターン
107a 第1のインダクタパターン
107b 第3のインダクタパターン
108 第2のインダクタパターン
109 上部配線
111 インダクタ配線
111a 外側端子
111b 内側端子
112 ヴィア(外側端子の引出し用)
113 ヴィア(内側端子の引出し用)
114 配線(外側端子の引出し用)
115 配線(内側端子の引出し用)
117 ヴィアプラグ
121 内部側部分
122 外部側部分

Claims (4)

  1. 金属層からなり且つ螺旋状の平面形状に形成されたインダクタ配線を備え、
    前記インダクタ配線の幅方向の断面形状において、少なくとも前記平面形状の内部側端部における膜厚が中央部における膜厚及び外部側端部における膜厚よりも厚くなっていることを特徴とするインダクタ。
  2. 請求項1において、
    前記インダクタ配線の幅方向の断面形状は、前記内部側端部から前記中央部を経て前記外部側端部に至る一定の膜厚を有する第1領域と、前記内部側端部のみに配置され、前記第1領域から凸となるように前記断面形状を厚くする第2領域とからなることを特徴とするインダクタ。
  3. 請求項2において、
    前記第1領域を形成する金属層と前記第2領域を形成する金属層とは同一の金属材料からなることを特徴とするインダクタ。
  4. 請求項2において、
    前記第1領域を形成する金属層と前記第2領域を形成する金属層とは異なる金属材料からなることを特徴とするインダクタ。
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