JPH0883717A - トランス素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 集積化が可能であって、小型化や製造が容易
なトランス素子を提供すること。 【構成】 トランス素子１は、半導体基板１０上の隣接
した位置に形成された一次導体１２および二次導体１４
と、これらの渦巻き中心を通るように環状に形成された
磁性体１６とを含んで構成されている。磁性体１６によ
って磁路が形成されて、一次導体１２と二次導体１４と
が磁気結合される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板を利用して
形成されたトランス素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、トランスは重要な回路構成部品
であり、構成する回路によっては必要不可欠な部品とい
える。例えば、コルピッツ型やベース同調型の変形回路
によって実現されＬＣ発振回路やトランス結合増幅器等
は、トランスを用いてはじめて実現できるものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のトラ
ンスは、鉄心や樹脂製のボビン等に一次および二次捲線
を巻き回すことにより形成されており、捲線を巻き回す
という機械的な構成により製造されるため小型化が難し
く、製造の手間がかかっていた。また、鉄心やボビンあ
るいは捲線を含む構造が集積化には不向きであり、回路
全体を集積化した場合であってもトランスだけは別部品
として外付けされていた。

【０００４】本発明は、このような課題に鑑みて創作さ
れたものであり、その目的は集積化が可能であって、小
型化や製造が容易なトランス素子を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１のトランス素子は、半導体基板上にほ
ぼ平面状に形成された渦巻き形状の一次導体と、前記半
導体基板上であって前記一次導体に隣接する位置にほぼ
平面上に形成された渦巻き形状の二次導体と、前記一次
導体および二次導体の各渦巻き中心を貫通するように環
状に形成された磁性体と、を備えることを特徴とする。

【０００６】請求項２のトランス素子は、請求項１のト
ランス素子において、前記磁性体は、前記一次導体と二
次導体の各一方の面側に形成された第１の磁性体膜と、
他方の面側に形成された第２の磁性体膜とにより形成さ
れており、これら第１および第２の磁性体膜を前記一次
導体の渦巻き中心および前記二次導体の渦巻き中心にお
いて連結することを特徴とする。

【０００７】請求項３のトランス素子は、半導体基板上
にほぼ平面状に形成された渦巻き形状の一次導体と、前
記半導体基板上であって前記一次導体とほぼ同心状に形
成された渦巻き形状の二次導体と、前記一次導体および
二次導体の各渦巻き中心を貫通するように環状に形成さ
れた磁性体と、を備えることを特徴とする。

【０００８】請求項４のトランス素子は、請求項３のト
ランス素子において、前記磁性体は、前記一導体および
二次導体の一方の面側に形成された第１の磁性体膜と、
他方の面側に形成された第２の磁性体膜とにより形成さ
れており、これら第１および第２の磁性体膜を前記一次
導体と二次導体の共通する渦巻き中心および渦巻き外周
部において連結することを特徴とする。

【０００９】請求項５のトランス素子は、請求項１〜４
のいずれかのトランス素子において、前記一次導体およ
び二次導体の各周回部分の合間であって前記磁性体によ
り覆われた部分に非磁性体材料を充填することを特徴と
する。

【００１０】請求項６のトランス素子は、請求項２，
４，５のいずれかのトランス素子において、前記磁性体
は、薄膜形成技術により形成することを特徴とする。

【００１１】

【作用】本発明によれば、半導体基板上に渦巻き形状の
一次導体と二次導体とが並べて、あるいはほぼ同心状に
形成されており、さらに各渦巻き中心を通って一巡する
ように磁性体が形成されている。したがって、半導体基
板上に形成した各導体を磁性体によって磁気的に結合し
たトランス素子を形成しており、半導体基板上に容易に
集積化を行うことができ、小型化も可能となる。

【００１２】特に、上述した磁性体は、薄膜形成技術を
利用して形成することが好ましい。例えば、一次導体お
よび二次導体の一方の面側に第１の磁性体膜を、他方の
面側に第２の磁性体膜を形成し、これら各磁性体膜の一
部を相互に連結することにより環状の磁性体を形成する
ことができ、薄膜形成技術を利用することにより、製造
工程の簡略化が可能であり、しかも半導体製造工程の一
部とすることもできる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を適用した一実施例のトランス
素子について、図面を参照しながら具体的に説明する。

【００１４】〔第１実施例〕図１は、半導体基板上に形
成された第１実施例のトランス素子の概略を示す図であ
る。

【００１５】同図に示すトランス素子１は、半導体基板
１０上に形成された渦巻き形状の一次導体１２と、この
一次導体１２と隣接した位置に形成された渦巻き形状の
二次導体１４と、一次導体１２と二次導体１４の各渦巻
き中心間を覆うように形成された絶縁性磁性体１６とを
含んで構成されている。

【００１６】半導体基板１０は、例えばｎ型シリコン基
板（ｎ−Ｓｉ基板）やその他の半導体材料（例えばゲル
マニウムやアモルファスシリコン等の非晶質材料）が用
いられる。また、一次導体１２および二次導体１４は、
アルミニウムや金等の金属薄膜あるいはポリシリコン等
の半導体材料を渦巻き形状に形成している。

【００１７】なお、図１に示した半導体基板１０には、
トランス素子１の他にトランジスタ，ダイオード等の能
動素子や抵抗，コンデンサ等の受動素子が形成されてお
り、トランス素子１の一次導体１２および二次導体１４
と他の各素子とが配線されてＩＣやＬＳＩ等が構成され
ているが、説明を簡単なものとするため、トランス素子
１のみに着目して図示してある。

【００１８】図２は、図１に示したトランス素子１の一
次導体１２および二次導体１４の形状をさらに詳細に示
した図である。

【００１９】同図に示すように、一次導体１２は、所定
ターン数（例えば約４ターン）の渦巻き形状に形成され
ており、その両端には２つの一次端子電極２２，２４が
接続されている。同様に、二次導体１４は所定ターン数
（例えば約４ターン）の渦巻き形状に形成されており、
その両端には２つの二次端子電極２６，２８が接続され
ている。

【００２０】図３は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、一
次導体１２と二次導体１４とを含む絶縁性磁性体１６の
横断面が示されている。

【００２１】同図に示すように、半導体基板１０表面に
絶縁性の磁性体膜１８ａおよび絶縁性の非磁性体膜２０
が形成されており、その表面に一次導体１２および二次
導体１４がそれぞれ形成されている。そして、これら一
次導体１２と二次導体の各中心部を貫くようにさらに表
面に絶縁性の磁性体膜１８ｂが被覆形成されている。こ
れら２つの磁性体膜１８ａ，１８ｂによって一次導体１
２と二次導体１４の共通の磁路となる環状の磁性体１６
が形成されている。

【００２２】例えば、磁性体膜１８ａ，１８ｂとして
は、ガンマ・フェライトやバリウム・フェライト等の各
種磁性体膜を用いることができる。特に、磁気記憶媒体
として一般的なガンマ・フェライトは、半導体基板１０
の面方向と平行に微小磁石を並べたような磁化方向を有
しており、一次導体１２と二次導体１４とを磁気的に結
合する際に好都合となる。また、バリウム・フェライト
を用いる場合には、塗布により磁性体膜を形成すること
ができるため製造が容易となる。

【００２３】また、磁性体膜１８ａ，１８ｂの材質や形
成方法については各種のものが考えられ、例えばＦｅＯ
等を真空蒸着して磁性体膜を形成する方法や、その他分
子線エピタキシー法（ＭＢＥ法），化学気相成長法（Ｃ
ＶＤ法），スパッタ法等を用いて磁性体膜を形成する方
法等がある。

【００２４】なお、図３に示した絶縁性の非磁性体膜２
０は、磁性体膜１８ａとほぼ同じ膜厚を有しており、さ
らにそれらの表面において一次導体１２と二次導体１４
のそれぞれをほぼ同一高さに形成するためのものであ
る。したがって、一次導体１２および二次導体１４に多
少の段差が生じてもよい場合には、非磁性体膜２０を形
成せずに、半導体基板１０上に直接一次導体１２および
二次導体１４の一部を形成するようにしてもよい。

【００２５】また、磁性体膜１８ａ表面の一次導体１２
および二次導体１４の各周回部分の間には絶縁膜３０が
形成されている。このように部分的に絶縁膜３０を充填
して各周回部分間の磁性体膜１８ａ，１８ｂを排除する
ことにより、各周回部分間に生じる漏れ磁束を最小限に
抑えることができるため、一次導体１２によって発生し
た磁束は、そのほとんどが二次導体１４と交差するよう
になる。

【００２６】このように、本実施例のトランス素子１
は、一次導体１２と二次導体１４の各渦巻き中心を通る
ように環状の磁性体１６（磁性体膜１８ａ，１８ｂ）が
形成されている。したがって、一次導体１２によって生
じた磁束は二次導体１４と交差し、これら２つの導体１
２，１４が磁気結合したトランスを形成する。

【００２７】特に、本実施例のトランス素子１は、その
構成要素である一次導体１２や二次導体１４あるいは磁
性体膜１８ａ，１８ｂ等を半導体基板１０上に薄膜形成
技術や半導体製造技術を用いて形成することができるた
め小型化および製造が容易となる。また、半導体基板１
０上には他の回路部品を形成することも可能であるた
め、トランス素子１とその他の回路部品とを一体形成す
る集積化にも適している。

【００２８】図４は、本実施例のトランス素子１の変形
例を示す図である。同図に示すトランス素子２は、二次
導体１４から中間タップ端子電極３２を引き出してい
る。このように、本実施例のトランス素子２は、必要に
応じて一次導体１２あるいは二次導体１４の任意の部分
から中間タップを引き出すことができ、しかも最後に一
次端子電極２２等を形成する工程において同時に中間タ
ップ電極３２も形成すればよいことから、工程をほとん
ど変えることなく中間タップを出すことができ、仕様が
異なる部品を製造する場合であっても製造工程の簡略化
・共用化が可能となる。

【００２９】〔第２実施例〕図５は、半導体基板上に形
成された第２実施例のトランス素子の概略を示す図であ
る。

【００３０】同図に示す第２実施例のトランス素子３
は、半導体基板１０上に形成された渦巻き形状の一次導
体１１２と、その外周を周回するように形成された二次
導体１１４と、これら一次導体１１２と二次導体１１４
の両方を覆うように形成された絶縁性磁性体１１６とを
含んで構成されている。

【００３１】図６は、図５に示したトランス素子３の一
次導体１１２および二次導体１１４の形状をさらに詳細
に示した図である。

【００３２】同図に示すように、内周側に位置する一次
導体１１２は、所定ターン数（例えば約４ターン）の渦
巻き形状に形成されており、その両端には２つの一次端
子電極１２２，１２４が接続されている。同様に、外周
側に位置する二次導体１１４は、所定ターン数（例えば
約２ターン）の渦巻き形状に形成されており、その両端
には２つの二次端子電極１２６，１２８が接続されてい
る。

【００３３】図７は、図６のＢ−Ｂ線拡大断面図であ
り、一次導体１１２と二次導体１１４を含む絶縁性磁性
体１１６の横断面が示されている。

【００３４】同図に示すように、半導体基板１０表面に
絶縁性の磁性体膜１１８ａを介して一次導体１１２およ
び二次導体１１４が形成されており、さらにその表面に
絶縁性の磁性体膜１１８ｂが被覆形成されている。これ
ら２つの磁性体膜１１８ａ，１１８ｂによって図５に示
した絶縁性磁性体膜１１６が形成されている。

【００３５】絶縁膜１３０は、非磁性体材料によって形
成されており、一次導体１１２および二次導体１１４の
各周回部分の間を覆っている。このようにして各周回部
分間の磁性体膜１１８ａ，１１８ｂを排除することによ
り、各周回部分間に生じる漏れ磁束を最小限に抑えるこ
とができる。

【００３６】このように、本実施例のトランス素子３
は、一次導体１１２と二次導体１１４とをほぼ同心状に
形成するとともに、これらを覆うように絶縁性磁性体１
１６（磁性体膜１１８ａ，１１８ｂ）が形成され、絶縁
性磁性体１１６によって一次導体１１２と二次導体１１
４とが磁気的に結合されている。したがって、一次導体
１１２によって生じた磁束は二次導体１１４と交差する
ことになり、これら２つの導体１１２，１１４が磁気結
合したトランスを形成する。

【００３７】また、本実施例のトランス素子３は、半導
体基板１０上に薄膜形成技術や半導体製造技術を用いて
形成することができるため製造が容易であり、さらに半
導体基板１０上には他の回路部品を形成することも可能
であるため、トランス素子３とその他の回路部品とを一
体形成する集積化にも適している。

【００３８】図８は、本実施例のトランス素子３の変形
例を示す図である。上述したトランス素子３は、一次導
体１１２の外周を取り巻くように二次導体１１４を配置
したが、図８に示すトランス素子４は、これら２種類の
導体１１２，１１４が交互に周回するように渦巻き形状
に形成されている。

【００３９】このように、一次導体１１２と二次導体１
１４とを交互に周回させた場合であっても、一次導体１
１２によって生じる磁束が二次導体１１４を貫くことに
かわりはなく、これら２つの導体１１２，１１４を磁気
結合させたトランス素子４を形成することができる。

【００４０】図９は、上述した本実施例のトランス素子
３および４の他の変形例を示す図である。上述したトラ
ンス素子３，４は、一次導体１１２と二次導体１１４と
がほぼ同一面上に形成されていたが、図９に示したトラ
ンス素子５は、これら２つの導体１１２，１１４が重ね
て形成されている。

【００４１】また、図１０は図９のＣ−Ｃ線拡大断面図
である。同図に示すように、重ねて形成される一次導体
１１２と二次導体１１４の間およびこれらの各周回部分
間には絶縁膜１３０が形成されており、２種類の導体１
１２，１１４間の電気的絶縁を保つとともに、各周回部
分間での漏れ磁束の発生を最小限に抑えている。

【００４２】このように、一次導体１１２と二次導体１
１４とを重ねて形成した場合であっても、一次導体１１
２によって生じる磁束が二次導体１１４を貫くことにか
わりはなく、これら２つの導体１１２，１１４を磁気結
合させたトランス素子５を形成することができる。

【００４３】また、導体１１２，１１４を重ねて形成し
た場合にはそれらの占有面積を小さくすることができる
ことから、トランス素子５の全体を小型化することがで
き、これを用いた回路全体の小型化に寄与することにも
なる。

【００４４】以上説明したように、ほぼ同心状であって
ほぼ平行にあるいは重ねて形成された一次導体１１２と
二次導体１１４とを絶縁性磁性体１１６で覆うことによ
り、これら２つの導体１１２と１１４とを磁気結合させ
てトランス素子３，４，５を形成することができる。

【００４５】特に、一次導体１１２，二次導体１１４お
よびそれらを覆う絶縁性磁性体１１６は半導体基板１０
上に形成されているため、半導体基板を利用したＩＣ化
やＬＳＩ化に適しており、トランス素子を含む回路全体
の一体形成、およびこれに伴う回路全体の小型化が可能
となる。

【００４６】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００４７】例えば、上述した各実施例では、半導体基
板１０上に一次導体１２等を形成する場合を例にとり説
明したが、セラミックス等の絶縁性あるいは導電性の各
種基板上に形成するようにしてもよい。このように、半
導体基板以外の基板上にトランス素子を形成した場合で
あっても、一次導体１２あるいは１１２と二次導体１４
あるいは１１４とを磁気結合させたトランス素子を薄膜
形成技術等を利用して製造できる利点に変わりはなく、
大量生産および素子の小型化が可能となる。

【００４８】また、上述した実施例では、磁性体膜１８
ａ，１８ｂあるいは１１８ａ，１１８ｂとして絶縁性材
料を用いたが、メタル粉（ＭＰ）のような導電性材料を
用いるようにしてもよい。但し、このような導電性の磁
性体膜を上述した絶縁性の磁性体膜１８ａ等に置き換え
て使用すると、一次導体１２等の各周回部分が短絡され
て一次捲線あるいは二次捲線として機能しなくなるた
め、一次導体１２等の各導体と導電性の磁性体膜との間
を電気的に絶縁する必要がある。この絶縁方法として
は、一次導体１２等を酸化して絶縁酸化膜を形成する方
法や、化学気相法等によりシリコン酸化膜あるいは窒化
膜を形成する方法等がある。

【００４９】特に、メタル粉等の導電性材料は、ガンマ
−フェライト等の絶縁性材料に比べると透磁率が大きい
ため飽和しにくい利点がある。

【００５０】また、上述した第１実施例では、一次導体
１２と二次導体１４とをほぼ同じ形状に形成した場合を
示したが、これら各導体１２，１４の巻き数比（捲線
比）を１対１から１対ｎあるいはｎ対１に変えてもよ
い。このように巻き数比を変える場合であっても、半導
体製造工程におけるマスク形状を変えるだけで対応する
ことができることから、仕様の変更等を容易に行うこと
ができる利点がある。

【００５１】また、上述した第２実施例では、一次導体
１１２と二次導体１１４の両方の全体を絶縁性磁性体１
１６で覆うようにしたが、一部のみを覆って磁路を形成
するようにしてもよい。また、第２実施例では一次導体
１１２と二次導体１１４の巻き数比を約２対１とした場
合を説明したが、巻き数比を１対１あるいはそれ以外に
設定してもよい。

【００５２】また、上述した各実施例では、半導体基板
１０上に他の回路部品とともにトランス素子１等を形成
する場合を例にとり説明したが、トランス素子１等を単
体で形成するようにしてもよい。

【００５３】

【発明の効果】上述したように本発明によれば、半導体
基板上に渦巻き形状の一次導体と二次導体とが並べて、
あるいはほぼ同心状に形成されており、さらに各渦巻き
中心を通って一巡するように磁性体が形成されている。
したがって、半導体基板上に形成した各導体を磁性体に
よって磁気的に結合したトランス素子を形成しており、
半導体基板上に容易に集積化を行うことができ、小型化
も可能となる。

【００５４】また、上述した磁性体は薄膜形成技術を利
用して形成することが好ましく、一次導体および二次導
体の一方の面側に第１の磁性体膜を、他方の面側に第２
の磁性体膜を形成し、これら各磁性体膜の一部を相互に
連結することにより環状の磁性体を形成することがで
き、薄膜形成技術を利用することにより、製造工程の簡
略化が可能であり、しかも半導体製造工程の一部とする
こともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一実施例のトランス素子の概略構造を示す図
である。

【図２】図１のトランス素子の詳細構造を示す図であ
る。

【図３】図２のＡ−Ａ線断面図である。

【図４】第１実施例の変形例を示す図である。

【図５】第２実施例のトランス素子の概略構造を示す図
である。

【図６】図５のインダクタ素子の詳細構造を示す図であ
る。

【図７】図６のＢ−Ｂ線拡大断面図である。

【図８】第２実施例のトランス素子の変形例を示す図で
ある。

【図９】第２実施例のトランス素子の他の変形例を示す
図である。

【図１０】図９のＣ−Ｃ線拡大断面を示す図である。

【符号の説明】

１，２，３，４，５ トランス素子 １０ 半導体基板 １２ 一次導体 １４ 二次導体 １６ 絶縁性磁性体 １８ａ，１８ｂ 磁性体膜 ２２，２４ 一次端子電極 ２６，２８ 二次端子電極

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上にほぼ平面状に形成された
   渦巻き形状の一次導体と、 前記半導体基板上であって前記一次導体に隣接する位置
   にほぼ平面上に形成された渦巻き形状の二次導体と、 前記一次導体および二次導体の各渦巻き中心を貫通する
   ように環状に形成された磁性体と、 を備えることを特徴とするトランス素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、 前記磁性体は、前記一次導体と二次導体の各一方の面側
   に形成された第１の磁性体膜と、他方の面側に形成され
   た第２の磁性体膜とにより形成されており、これら第１
   および第２の磁性体膜を前記一次導体の渦巻き中心およ
   び前記二次導体の渦巻き中心において連結することを特
   徴とするトランス素子。
3. 【請求項３】 半導体基板上にほぼ平面状に形成された
   渦巻き形状の一次導体と、 前記半導体基板上であって前記一次導体とほぼ同心状に
   形成された渦巻き形状の二次導体と、 前記一次導体および二次導体の各渦巻き中心を貫通する
   ように環状に形成された磁性体と、 を備えることを特徴とするトランス素子。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記磁性体は、前記一次導体および二次導体の一方の面
   側に形成された第１の磁性体膜と、他方の面側に形成さ
   れた第２の磁性体膜とにより形成されており、これら第
   １および第２の磁性体膜を前記一次導体と二次導体の共
   通する渦巻き中心および渦巻き外周部において連結する
   ことを特徴とするトランス素子。
5. 【請求項５】 請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記一次導体および二次導体の各周回部分の合間であっ
   て前記磁性体により覆われた部分に非磁性体材料を充填
   することを特徴とするトランス素子。
6. 【請求項６】 請求項２，４，５のいずれかにおいて、 前記磁性体は、薄膜形成技術により形成することを特徴
   とするトランス素子。