JP5482152B2 - トランス素子とその製造方法 - Google Patents

Description

本願は、電気的に絶縁された電気回路間で信号伝送をおこなうトランス素子と、その製造方法に関する。

サージなどの急激な高電圧印加時に、過大な電流が通過しないように、電気的に絶縁された電気回路間で信号伝送をおこなう方式がある。この方式の一つとして、トランス素子による誘導性結合を利用したものがある。トランス素子は、より小型になってきており、トランス素子と集積回路との集積化が可能になってきている。以下、この小型のトランス素子をマイクロトランス素子と呼ぶ。

シリコン基板表面に、絶縁層、金属層からなる第１コイル、絶縁層、金属層からなる第２コイル、絶縁層がこの順序で積層されているマイクロトランス素子が従来用いられている。また、特許文献１では、半導体基板に形成された渦状の半導体層からなる第１コイルと、金属層からなる第２コイルと、第１コイルと第２コイルとを隔てる絶縁層とを備えたマイクロトランス素子が開示されている。

特開平７−１８３４６８号公報

特許文献１のように半導体基板上に形成した半導体層を第１コイルとして用いると、従来、シリコン基板と第１コイルとの間に形成されていた絶縁層をなくすことができ、これによってマイクロトランス素子を小型化することができる。一方で、半導体層は、金属層と比較して直列抵抗が高い。このため、金属層の第１コイルを単純に半導体層に置き換えると、マイクロトランス素子のゲイン又は耐容量カップリングノイズ特性が劣化する。

本願では、マイクロトランス素子を小型化することと、マイクロトランス素子の特性を確保することとを両立できるトランス素子を提供することを目的とする。

本願に係るトランス素子は、第１導電型の半導体層を備えた半導体基板と、第１導電型の半導体層の表面側に設けられた第２導電型の半導体層からなる半導体層コイルと、半導体層コイルと並列に接続されており、半導体層コイルのコイル配線間の第１導電型の半導体層に形成されたトレンチと、そのトレンチ内面に設けられたトレンチ絶縁膜と、そのトレンチ絶縁膜によって被覆されている導電層を有するトレンチコイルと、第１導電型の半導体層の表面側に設けられ、半導体層コイルおよびトレンチコイルを被覆するコイル絶縁層と、コイル絶縁層の表面に設けられており、半導体層コイルおよびトレンチコイルと対向している金属層コイルとを備えている。

このトランス素子では、第１導電型の半導体層の表面に並列接続された半導体層コイルとトレンチコイルとによって第１コイルが構成され、金属層コイルによって第２コイルが構成される。トレンチコイルは、半導体層コイルのコイル配線間の第１導電型の半導体層に設けられている。このため、半導体層と第1コイルの間の絶縁層をなくすことができ、マイクロトランス素子を小型化することができる。また、トレンチコイルと半導体層コイルが並列に接続されるため第１コイルの抵抗を低減でき、マイクロトランス素子のゲインおよび耐容量カップリングノイズといった特性を確保することができる。

このトランス素子では、半導体層コイルとコイル絶縁層との間に、半導体層コイルと接する金属化合物層が形成されていることが好ましい。金属化合物層は、シリサイド層であることが好ましい。

上記のトランス素子の製造方法は、第１導電型の半導体層にトレンチコイルを形成する第１工程と、第１工程で形成したトレンチコイルの間の第１導電型の半導体層に対してイオン注入を行って半導体層コイルを形成する第２工程とを含むことが好ましい。このような製造方法によれば、半導体層コイルを精度よく形成することが可能である。

実施例のマイクロトランス素子の第１コイルの平面図。 実施例のマイクロトランス素子の第２コイルの平面図。 図１および図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 実施例のマイクロトランス素子を備えた送受信装置。 図４に示す送受信回路の回路図。 変形例のマイクロトランス素子の第１コイルの平面図。

以下、本発明の実施例１について、図面を参照しながら説明する。実施例においては、第１導電型がｐ型であり、第２導電型がｎ型であるトランス素子を例示して説明する。

図１および図２は、実施例に係るマイクロトランス素子を示す図である。図１は、マイクロトランス素子１を、第１コイルを含む平面で切断した場合の平面図を示しており、図２は、第２コイルを含む平面で切断した場合の平面図を示している。図３は、図１および図２に示すマイクロトランス素子１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、マイクロトランス素子１、送信回路３、受信回路５を備えた送受信装置を概念的に示す図である。

図１〜図３に示すように、マイクロトランス素子１は、下部基板１４と、下部基板１４の表面に接する絶縁層１２と、ｐ型の半導体層１０とを備えている。本実施例では、下部基板１４、絶縁層１２、半導体層１０を備えた半導体基板として、シリコン基板と表面シリコン層との間に絶縁層を挿入したＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いている。表面シリコン層（活性層）を半導体層１０とし、シリコン基板（ハンドル層）を下部基板１４とし、絶縁層（Ｂｏｘ層）を絶縁層１２として用いている。

ｐ型の半導体層１０の表面側には、ｎ型の半導体層である半導体層コイル１０１と、トレンチコイル１１０が形成されている。トレンチコイル１１０は、半導体層コイル１０１のコイル配線間のｐ型の半導体層１０に形成されている。トレンチコイル１１０は、半導体層１０に形成されたトレンチ１０２と、トレンチ１０２の内壁面に形成されているトレンチ絶縁膜１０３と、トレンチ絶縁膜１０３によって被覆されている導電層１０４とを備えている。導電層１０４と、ｐ型の半導体層１０および半導体層コイル１０１とは、トレンチ絶縁膜１０３によって隔てられている。トレンチコイル１１０はｐ型の半導体層１０を貫通しており、その上端はコイル絶縁層１６と接しており、その下端は絶縁層１２と接している。

半導体層コイル１０１の表面に接して、金属化合物層１０５が設けられており、その表面はコイル絶縁層１６によって覆われている。コイル絶縁層１６の表面には、金属層である金属層コイル１８が形成されており、その表面は絶縁層２０によって覆われている。半導体層コイル１０１およびトレンチコイル１１０と、金属層コイル１８とは、コイル絶縁層１６によって絶縁されており、互いに対応している。金属化合物層１０５は、シリサイド層である。シリサイド層の材料としては、チタンシリサイド（ＴｉＳｉｘ）、コバルトシリサイド（ＣｏＳｉｘ）、タングステンシリサイド（ＷＳｉｘ）、モリブデンシリサイド（ＭｏＳｉｘ）等のシリサイドを好適に用いることができる。

図１に示すように、半導体層コイル１０１は、ｐ型の半導体層１０の表面側に、渦状（平面スパイラル状）に形成されている。金属化合物層１０５も同様に、半導体層コイル１０１の表面に渦状に形成されている。また、トレンチコイル１１０は、ｐ型の半導体層１０の表面側の半導体層コイル１０１の間の領域に渦状に形成されている。トレンチコイル１１０の内部に設けられている導電層１０４も、トレンチコイル１１０と同様に、ｐ型の半導体層１０の表面側の半導体層コイル１０１の間の領域に渦状に形成されている。

図１、図４に示すように、半導体層コイル１０１の端部１０１ａとトレンチコイル１１０の端部１１０ａは、送信回路３の第１端子３１に接続しており、半導体層コイル１０１の端部１０１ｂとトレンチコイル１１０の端部１１０ｂは、送信回路３の第２端子３２に接続している。半導体層コイル１０１とトレンチコイル１１０とは、送信回路３の第１端子３１と第２端子３２との間に並列に接続されている。本明細書では、半導体層コイル１０１とトレンチコイル１１０とをあわせて、第１コイルと呼ぶ。本実施例では、第１コイルは送信回路３に接続されている。

図２および図３に示すように、金属層コイル１８は、コイル絶縁層１６の表面に、渦状に形成されている。金属層コイル１８の間には絶縁層２０が設けられている。本実施例では、トレンチコイル１１０の上方となる位置に金属層コイル１８が形成されており、半導体コイル１０１の上方となる位置に絶縁層２０が形成されている。図２、図４に示すように、金属層コイル１８の端部１８ａは、受信回路５の第１端子５１に接続しており、金属層コイル１８の端部１８ｂは、受信回路５の第２端子５２に接続している。本明細書では、金属層コイル１８を第２コイルと呼ぶ。本実施例では、第２コイルは受信回路５に接続されている。

送信回路３は、電源を備えている。この電源によって送信回路３の第１端子３１と第２端子３２との間に電圧を印加すると、半導体層コイル１０１の端部１０１ａと端部１１０ｂとの間と、トレンチコイル１１０の端部１１０ａと端部１１０ｂとの間に、並列に電流が流れる。すなわち、送信回路３に接続された第１コイルに電流が流れる。

送信回路３の第１コイル（半導体層コイル１０１とトレンチコイル１１０）に電流が流れると、電磁誘導によって金属層コイル１８の端部１８ａと１８ｂとの間に電流が流れる。これによって、受信回路５に接続された第２コイルに電流が流れ、送信回路３に入力される信号が受信回路５に伝達される。

（マイクロトランス素子の製造方法）
本実施例に係るマイクロトランス素子は、半導体プロセスで一般に用いられている方法を用いて製造できるため、製造プロセスが複雑化することがない。半導体層コイル１０１は、例えば、ｐ型の半導体層１０に対して、ｎ型のドーパントをイオン注入し、その後、熱拡散処理することによって形成することができる。トレンチコイル１１０は、ｐ型の半導体層１０に対してトレンチエッチングを行い、トレンチ内に熱酸化等によってトレンチ絶縁膜１０３を形成した後、導電層１０４を充填することによって形成することができる。導電層１０４の材料としては、例えば、ドープドポリシリコンや、タングステン等の金属材料を用いることができる。

ｐ型の半導体層１０にトレンチコイル１１０を形成した後で、トレンチコイル１１０の間のｐ型の半導体層１０に対してイオン注入を行って半導体層コイル１０１を形成すると、半導体層コイル１０１を精度よく形成することが可能であるが、これに限定されない。例えば、ｐ型の半導体層１０の半導体層コイルを形成する領域の全体にｎ型の半導体層を形成した後、このｎ型の半導体層とｐ型の半導体層に対してトレンチを形成することによっても、半導体層コイル１０１とトレンチコイル１１０とを形成することは可能である。

（マイクロトランス素子の特性）
次に、図４に示すマイクロトランス素子１、送信回路３、受信回路５を備えた送受信装置の回路図である図５を用いて、トランス素子の特性について説明する。

トランス素子の重要な性能指標として、ゲインと容量カップリングノイズがあり、それぞれ下記の式（１）、式（２）によって表される。

ここで、ｋ：係合定数（0＜ｋ＜１）、Ｌ_１：送信コイル自己インダクタンス、Ｌ_２：受信コイル自己インダクタンス、Ｒ_１：送信コイル寄生抵抗、Ｒ_２：受信コイル寄生抵抗、Ｒ_{ｄｒｉｖｅｒ}：送信トランジスタ出力抵抗、Ｃ_ｃ：送受信コイル間容量、である。また、相互インダクタンスＭは、Ｍ＝ｋ（Ｌ_１・Ｌ_２）^１／２によって表される。

ゲインＧａｉｎは、送信回路で入力される入力信号電圧に対して、受信回路に出力される出力信号電圧として変換できる割合を示しており、大きいことが望ましい。式（１）に示すように、ゲインＧａｉｎは、送信コイル寄生抵抗Ｒ_１が小さいほど大きくなるので、送信コイル寄生抵抗Ｒ_１は小さいことが望ましい。

本実施例に係るマイクロトランス素子を用いると、送信コイル寄生抵抗Ｒ_１を低減することができる。これによって、式（１）に示すように、ゲインＧａｉｎを大きくすることができる。すなわち、入力信号電圧に対して、出力信号電圧として変換できる割合を大きくすることができる。

容量カップリングノイズΔＶ_２は、ＧＮＤ電位が変動した時に発生する受信信号側電圧の振幅を示す。容量カップリングノイズΔＶ_２は、トランス素子通信誤作動の原因となり、小さいことが望ましい。式（２）に示すように、容量カップリングノイズΔＶ_２は、受信コイル寄生抵抗Ｒ_２に比例するため、受信コイル寄生抵抗Ｒ_２は小さいことが望ましい。

上記のとおり、トランス素子の特性向上において、送信コイル寄生抵抗Ｒ_１、受信コイル寄生抵抗Ｒ_２はいずれも小さいことが好ましい。本実施例によれば、送信コイルと受信コイルのうち、いずれか一方（例えば受信コイル）に低抵抗な金属層コイルである第２コイルを用いた場合であっても、他方（例えば送信コイル）として用いる第１コイルは、半導体層コイルと並列に接続されたトレンチコイルを備えているため、第１コイルの抵抗値も小さくすることができる。半導体基板に設けられた半導体層コイルおよびトレンチコイルを備えた第１コイルを用いることによって、マイクロトランス素子を小型化するとともに、第１コイルを低抵抗化することができる。このため、マイクロトランス素子の小型化と、ゲインを大きくすること、容量カップリングノイズを小さくすることとを両立できる。

また、本実施例では、半導体層コイルに接する金属化合物層がさらに設けられている。金属化合物層によって第１コイルの抵抗値がさらに低減されるため、ゲインをより大きく、もしくは容量カップリングノイズをより小さくすることができる。

上記の実施例では、図１、図２に示すように、半導体層コイル、トレンチコイル、金属層コイルは四角形状の渦状であったが、これに限られない。例えば、図６に示すマイクロトランス素子７のように、円形状の半導体層コイル７０１とトレンチコイル７１０がｐ型の半導体層７０の表面に形成されていてもよい。円形状の他、三角形状、六角形状等のその他の多角形状であってもよい。半導体層コイル、トレンチコイル、金属層コイルは多重の渦形状であることが好ましい。

また、図３では、トレンチコイルは、ｐ型の半導体層を貫通していたが、これに限られない。例えば、トレンチコイルの深さがｐ型の半導体層の深さの半分程度であり、トレンチコイルの下端は、ｐ型の半導体層の裏面側に積層されている絶縁層に接触していなくてもよい。また、本実施例では、マイクロトランス素子の材料としてＳＯＩ基板を用いたが、ＳＯＩ基板を用いなくともよい。

また、上記の実施例では、半導体コイルとトレンチコイルとを備えた第１コイルを送信回路に接続し、金属層コイルを備えた第２コイルを受信回路に接続しているが、第１コイルを受信回路に接続し、第２コイルを送信回路に接続して用いることも可能である。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、７ マイクロトランス素子
３ 送信回路
５ 受信回路
１０、７０ ｐ型の半導体層
１２ 絶縁層
１４ 下部基板
１６ コイル絶縁層
１８ 金属層コイル
２０ 絶縁層
３１ 送信回路の第１端子
３２ 送信回路の第２端子
５１ 受信回路の第１端子
５２ 受信回路の第２端子
１０１、７０１ 半導体層コイル
１０２ トレンチ
１０３ トレンチ絶縁膜
１０４ 導電層
１０５ 金属化合物層
１１０、７１０ トレンチコイル

Claims (4)

1. 第１導電型の半導体層を備えた半導体基板と、
   前記第１導電型の半導体層の表面側に設けられた第２導電型の半導体層からなる半導体層コイルと、
   前記半導体層コイルと並列に接続されており、前記半導体層コイルのコイル配線間の前記第１導電型の半導体層に形成されたトレンチと、前記トレンチ内面に設けられたトレンチ絶縁膜と、前記トレンチ絶縁膜によって被覆されている導電層を有するトレンチコイルと、
   前記第１導電型の半導体層の表面側に設けられ、前記半導体層コイルおよび前記トレンチコイルを被覆するコイル絶縁層と、
   前記コイル絶縁層の表面に設けられており、前記半導体層コイルおよび前記トレンチコイルと対向している金属層コイルとを備えた、トランス素子。
2. 前記半導体層コイルと前記コイル絶縁層との間に、前記半導体層コイルと接する金属化合物層が形成されている、請求項１に記載のトランス素子。
3. 前記金属化合物層はシリサイド層である、請求項２に記載のトランス素子。
4. 請求項１に記載のトランス素子の製造方法であって、
   第１導電型の半導体層にトレンチコイルを形成する第１工程と、
   第１工程で形成したトレンチコイルの間の第１導電型の半導体層に対してイオン注入を行って半導体層コイルを形成する第２工程とを含む、トランス素子の製造方法。

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