JPS61196505A

JPS61196505A - インダクタンス構造体

Info

Publication number: JPS61196505A
Application number: JP3687585A
Authority: JP
Inventors: Soichi Ito; 伊藤　荘一
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1985-02-26
Filing date: 1985-02-26
Publication date: 1986-08-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明はインダクタンス構造体に関し、特に多層導体に
よるインダクタンス構造体に関する。

〔従来の技術〕

平板上に形成された導体によるインダクタンス構造体に
は、従来より、導体を平板に平行ならず巻き状に形成す
る方法があり、その巻き数でインダクタンスの大きさを
調整していた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、この様なうす巻き構造によるインダクタ
ンス形成方法では、巻数を増す毎に所要面積の増加率が
加速され、また、磁束が平板面に垂直な方向に生ずるた
め、磁束密度を高めるための磁芯を平板上に有効に設置
することが難かしく、これらの事情から大きなインダク
タンス値を得ることが困難であった。

本発明は、かかる従来の欠点をとり除くべく、巻数増加
に伴う所要面積の増加率を低減し、かつ、磁芯を有効に
挿入できる構造を採ることによって大きなインダクタン
ス値をより小さな面積で得ることのできる方法を提示す
るものである。

〔問題を解決するだめの手段〕

すなわち、本発明によるインダクタンスの形成方法では
、互いに絶縁膜で隔てられた複数の導体層を有し、所望
の位置で前記絶縁膜に開孔を設けて層の異なる導体間を
接続することができる多層平板に於て、前記複数の導体
層の少なくとも１つに、複数の導体細条をほぼ平行に設
け、それらに同じ向きに電流が流れるようにそれらと他
の導体配線とを接続する。このようにすると磁束の方向
が磁芯の形成が容易な基板面に平行な方向に一致するの
で生じる磁束密度を高めることが容易になり、かつ、巻
数、すなわちほぼ平行する導体細条の本数の増加と所要
面積の増加とは互いに直線の関係になり、所要面積が巻
数増加と共に加速的に増加することがなくなる。すなわ
ち、従来構造のものに比して大きなインダクタンス値を
より小さな面積で得ることが可能になる。

〔実施例〕

次に本発明について適用例の図を参照しながら説明する
。

第１図は本発明を適用した代表的な一例である。

第１図に於て、点線が示すバタン１は第１層目の導体に
形成された配線バタン、２は第３層目の導体層に形成さ
れた配線バタン、３は第１層配線１と第３層配線２とを
接続するための層間絶縁膜の開孔を示し、同部分には、
後に第２図で明らかにするように、開孔３の平面段差が
急峻で、段切れ等により直接に第３層配線と第１層配線
とを接続することが困難な場合には、第２層目に形成さ
れる導電層が介在しても良い。４は第２層目に形成され
た透磁率の高い、Ｎｉ、Ｆｅ等の材料による磁芯である
。同図に於て、開孔３の部分では第１層配線バタンと第
３層配線バタンとはほぼ同一形状で重なっているために
、第１層配線を示す点線は記されていない。さて、以上
の説明から明らかなように、第１図は磁芯４を中心に持
つラセン状コイルを形成している。今仮に、第１図の工
の方向に電流が流れたとすると、第１図のΦの方向に磁
束が生ずる。同磁束Φは、磁芯４の層と平行な方向に生
ずるので、磁芯４に透磁率の高い材料を適用することに
よって、磁束Φを高めることができ、この結果、高い自
己インダクタンスを有するコイルを形成することができ
る。

第２図は、第１図に示すＡ−Ｂでの断面構造を示し、１
は基板、２は第１層目の導体層に形成された配線、３は
第１層目の導体層と第２層目との間に設けられた層間絶
縁膜、７は第３層目の導体層に形成された配線、４は第
２層目に形成された透磁率の高い材料からなる磁芯、５
は、磁芯４が形成されているのと同一層に形成された第
１層配線２と第３層配線７との接続の中介をする導電層
、６は第２層目と第３層０導体層との間に設けられた層
間絶縁膜、８は保護膜、９．１０はそれぞれ、第１層配
線２と導電層５、導電層５と第３層配線７とを接続する
ための開孔部分を示す。第２図に於て、２．４．７がそ
れぞれ第１図の１．４．２に対応し、また第２図９．１
０が第１図３に対応する。

第２図に於て、接続の中介を行う導電層５は、第１図の
説明で既に述べたように必要な場合に設けられるが、磁
芯４が導電性の材料である場合、それと同じもので形成
されても良く、特にその場合には、開孔９，１０での第
１層配線、及び第３層配線と、導電層５との密着性、及
び電気的接触を良くするために導電層５（或いはそれと
磁芯４との双方）の底面と上面とにそれらとは異なる材
質の薄い層が設けられても良い。また同様の目的のため
に、第１層配線２の上面、又は第３層配線７の下面に前
記と同様の薄い膜が設けられても良く、特にこの場合薄
い膜は開孔９，１０の近傍にだけ設けられても良い。ま
た、基板１は半導体基板であって、そこにトランジスタ
や抵抗等の素子が形成されており、それらと本発明によ
るインダクタンス形成系とが接続されて回路を構成する
ものであっても良い。更にまた、特にインダクタンス形
成部分に導入される電流が高周波でるり、高いインダク
タンス値が不要である場合や、磁芯材料のヒステリシス
特性に起因するノイズ発生が問題になる場合等には、磁
芯は設置されなくても良い。この場合、第３層配線７は
第２層目に形成された配線であっても良く、この時は明
らかに導電層５は不要である。

第３図は第１図の適用例の、特に磁芯の形を変えた一例
である。第３図の１及び１′は第１層配線、２は第３層
配線、３は第１層配Ｒ１ｂ或いは１′と第３層配線２と
を接続するための開孔、４は第２層目に形成された磁芯
である。特に第３図適用例が第１図と異なる点灯、磁芯
を日の字形にすることにより磁気回路が閉じられている
点である。このように透磁皐の高い材料で磁気閉回路を
設けることによって外部へのもれ磁束の量を減すること
ができ、電磁誘導による近隣回路へのノイズの影響を低
減することができる。このように日の字形磁芯を用いる
場合、コイルの引き出し線は、磁芯が存在する部分の上
層を通過するか下層を通過するかで磁束を強めるか弱め
るかいづれかに作用するが、インダクタンスを大きくす
るにはそれを強める側に引き出し線が布設されるのが好
ましく、第３図の適用例ではその原理に適うべく磁芯の
底面をぬける第１層配線１′がコイルの引き出し線とな
っている。尚、磁気回路を閉じるには、日の字形の磁芯
を用いる他に、口の字形や円形、それに第４図に示す方
法など、さまざまな方法がある。

また、第３図はコイルを形成する配線パタンも第１図の
それと若干異なるが、これは、コイル形成が必ずしも第
１図（また、第３図）の適用例に限定されるものでない
ことを示すもので本質的には、より大きなインダクタン
ス値を得るために、より小さい所要面積でより多くの巻
数が得られるバタンであるのが良い。一方、第３図適用
例の断面構造、及び構成は、第２図を用いて第１図の適
用例について説明したのと同等である。

次に、第４図は、第３図に示した磁芯４を第３図の縦方
向に多数連ねて次に第４図には、第３図に示した適用例
の一つの変形例を示す。第４図１は第１層配線、２及び
τは第３層配線、３は第１層配線と第３層配線とを接続
するための開孔、４は第２層目に形成された磁芯である
。当適用例の断面構造は基本的に第２図に示したものと
変わりはないが、特に第４図の構造で特徴的な点はコイ
ル状のトポロジカルな形成方法にある。すなわち、第４
図に示す右上部のインダクタンス形成系への導入部より
第３層配線２で本体に流れ込んだ電流工（太線矢印で示
されている）はまず磁芯４の上部を通過してそれと交叉
すると、開孔部を通じてすぐ第１層配線に入り、磁芯４
の底部を通りぬけるようにそれと交叉すると、再び開孔
部を経て第３層配線にあが゛す、磁芯４の上部を通過す
る、・・・・・・といったことをくり返した後、折り返
して戻る配線は既に通過した配線と隣接する位置で磁芯
４に対する通過する側（上面が底面か）が逆になり、隣
接する配線層が第３層配線であれば折り返し径路では第
１層配線を、第１層配線であれば第３層配線を用いる。

そして、このようなやり方を何度もくり返す。ラセン状
コイルによらず、このようにすることによっても互いに
隣接する配線の電流が誘起する起磁力の方向を一致させ
ることができる（以下、このようなコイル状を１ねじ抄
ラセンＩと記す）。一方、第４図に於ても第３図の適用
例と同じく、磁気回路を閉じるために磁芯４は蛇行しな
がらも閉じたひとつづきの環状を形成している。

第４図に示した適用例を空間的なイメージで模式的に示
したものを第５図に示す。第５図に於て、１はコイルの
導体部分を示し、それは第４図に於る、第１層配線１と
第３層配線２、それに開孔部分３とで形成されるひとつ
づきの導電路に対応する。また第５図２は磁芯を示し、
第４図に於る磁芯４に対応する。そして、第５図の導体
部分１に示し九矢印の方向に電流工が流れた場合に生ず
る磁束Φの方向を、磁芯２に添って記した矢印で示す。

このような亀ねじれラセンｌによってインダクタンス形
成を行うのは、通常の電磁石の如く、磁芯の回りに何層
にも積み重ねてコイルを巻くことには、本発明の層状導
体による場合、限度があるからである。

尚、既に第１図の適用例で説明した如く、第４図（又第
５図）の適用例に於ても、磁芯は場合によって設置され
なくても良く、その場合２層配線系によるインダクタン
ス形成体が出来上るが、第４図の適用例では磁芯がとり
除かれるとそれまで磁芯外部との透磁率の差によって起
磁力のシリーズ接続が優性であったがくずれ、もとより
あったもれ磁束の全体への寄与が大きく見えてくる結果
、インダクタンス値は透磁率の減少分以上に小さく減少
する。但し第１図、第３図に示す適用例の様に起磁力発
生部が直線状である場合には、この減少効果はかなり軽
度におさえられる。

第６図は本発明の別の適用例を模式的に表わしたもので
、１は導電系を、２は磁芯を示す。そして導体部分１上
に記された矢印の方向に電流工が流れる時、磁芯２に添
って記さｎた矢印の方向に磁束Φが生じる。同図の導電
系２の形成方法はトポロジカルには第４図（又は第５図
）のものと同一であり、鷺ねじれラセンｌに依っている
が、それを基板平面に平行な方向にではなく、垂直の方
向にではなく、垂直の方向に多層化することによって形
成している点が特徴的である。従って、磁芯２も多層化
され、この時起磁力をシリーズ接続にＥまた状態で磁気
回路を閉じるために第６図に示すような形が用いられて
いる。第６図に示した模式図を具体的に実現する一例を
第７図に示す。

第７図に於ては、１は第１層目に形成された配線バタン
、３は第３層目に形成された配線バタン、２は第１層配
線と第３層配線とを接続する為の開孔、５は第５層目に
形成された配線バタン、４は第３層配線と第５層配線と
を接続するための開孔、７は第７層目に形成された配線
バタン、６は第５層配線と第７層配線とを接続するため
の開孔、８は第２層目に形成された磁芯パタン、１０は
第４層目に、１２は第６層目にそれぞれ形成された磁芯
パタン、９は第２層の磁芯８と第４層の磁芯１０とを接
続する為の開孔、１１は第４層と第６層の各磁芯を接続
するための開孔である。第７図の適用例では、配線の層
間接続のための開孔２．４．６及び磁芯を層間で接続す
る為の開孔９，１１は、それぞれ開孔部分で生ずる段差
が急便化しない様に同一位置に重ねることをさけた状態
で描かれているが、もちろんこれらは、上記問題等がな
ければ同一位置に重ねて開孔してもいっこうに構わない
。

さて、第７図は多くのバタンか重なり合っており複雑で
あるので、第７図Ｃ−Ｄでの断面図を第８図に示し、そ
れによって導電系に１ねじれラインｌが形成されている
ことを説明する。第８図に於ては、１は第１層配線、２
及び２′は第１層配線と第３層配線を接続する為の開孔
、３は第３層配線、４及び４′は第３層配線と第５層配
線を接続する為の開孔、５は第５層配線、６及び６′は
第５層配線と第７層配線を接続する為の開孔、７は第７
層配線、８，１０．１２はそれぞれ第２層目、第４層目
、第６層目に形成された磁芯で、以上に述べた第８回の
１〜１２及び？　４／、　　６／は第７図のＣ−Ｄでの
同一番号に内容が対応している。一方、第８回１３は基
板、１４〜１９はそれぞれ番号順に１〜２゜２〜３．３
〜４，４〜５．５〜６，６〜７層間の層間絶縁膜、２０
は表面保護膜である。次に２１゜２２．２３はそれぞれ
、第１層配線と第３層配線、第３層配線と第５層配線、
第５層配線と第７！配線との接続の中介をする導電層で
ある。さて、第８図に於て、電流の流路は第１層配線１
よりたどると（以下第８図の番号のみで記す）２．２１
．２’。

３、４．２２．４’、　５．６．２３．　ｅ′、　７の
ように形成されており、第７層配線７の先は第７図で明
らかなように隣接する部分の第５層配線に、層間部間孔
を結て到り、その位置では第８図を中央で左右反転した
断面構造で第３層配線、第１層配線と順次下るように接
続がなされる。また第１層配線１も第７図で明らかな如
く、隣接する第３層配線に接続しており、その位置で第
５層配線に接続してインダクタンス形成部分から外部に
到る。

以上の説明より、第７図に於ては第６図に示した、磁芯
を囲む気ねじれラセンｌ状の電流流路が実現されている
ことは明らかであろう。一方、磁気回路に関して説明す
ると、第７図に於て、第２層目に形成された磁芯８は丁
度Ｔ字を９０°左に倒し丸形をしており、その右側（Ｔ
字の底部）で開孔９によって、第４層目に形成された磁
芯１０に接続し、磁芯１０は左右に長い矩形をしていて
、第７図の左側で開孔１１により第６層目に形成された
磁芯１２に接続する。磁芯１２はカタカナのヨの字をし
ており、その左側の上端、下端部双方で開孔１１によ抄
ひとたび小さい矩形である磁芯１０に接続し、次に開孔
９によって、当初のＴの字を９０°左に倒した状態の上
端部、下端部に双方が接続する。これで磁気閉回路が出
来上っていることは明らかであり、また導体系に囲まれ
る部分で起磁力がシリーズに接続されていることも明ら
かである。ところで、開孔９，１１に於ては、磁気的な
接続を行なわなければならないが、これには直接に第２
層と第４層、第４層と第６層の磁芯を接続しても良いし
、或いはそうすると開孔部の段差が急峻になり、磁芯材
料が断切れを起す、等の問題を伴う場合は、透磁率の高
い材料を中介の媒体として開孔部分に設置しても良い。

また磁気抵抗が大きくなるが、開孔を設けないままであ
っても良い。ただこの場合、以下に述べる磁芯を設置し
ない場合の状態が幾分優性になり、インダクタンス値は
低下する。

第７図に於ても、今までの適用例と同様、磁芯は省かれ
ても良いが、この様にすると、第４図での説明で行なっ
たのと同様の理由から起磁力をシリーズに接続している
磁気回路が実質的にｔ′！！とんど無くなり、インダク
タンス値は透磁率の減少分以上に小さくなる。

さて、第６図に示した構造と同様の考え方で、任意数の
層数について、インダクタンス形成体を作ることができ
る。それを第９図、第１０図に模式的に示す。

第９図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）および（Ｄ）それぞ
れ、磁芯層が１層、２層、３層、４層の場合について、
鬼ねじれラセンｌの構成と、磁芯の磁気閉回路の構成の
一例とを示しており、１は導電系、２は磁芯である。

第１０図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）および（Ｄ）は、
それぞれ第９図（Ａ）、　（Ｂ）、　（Ｃ）および（Ｄ
）に対応するインダクタンス形成体の、磁束に直交する
平面での断面イメージで、ここでは磁芯のみ板状（の断
面）で描かれており、１．２は共に第９図（Ａ）、　（
Ｂ）、　（Ｃ）、　（Ｄ）のそれと同じである。特に３
は、磁束の生ずる方向が一致する電流の方向をとること
のできる、部分的に不規則な１ねじれラセンＩの１飛び
Ｉが生じても構わないことを示すもので、実際、層状に
形成されたコイルでは、第９図の縦方向の長さ、すなわ
ち層の厚さは、横方向の長さに比して非常に短いため、
インダクタンスに寄与する割合は非常に小さい。

（Ａ）〜（Ｄ）と同様のルールが磁芯層が５層以上のも
のについても適用できることは第９図から明らかである
。尚、（Ａ）は第３図、（Ｃ）は第６図（又は第７図）
のものと同じである。

以上、第１図〜第１０図にて説明したいろいろな適用例
の他にも、種々形態が考えられる。以下では、図による
説明を省略するが、例えば、磁芯を第３層に行き、第２
層配線と第４層配線でラセン状コイルを形成し、更に第
１層配線と第５層配線とでその上に更にもう１重にラセ
ン状コイルを形成してそれら相互を接続した２重巻きコ
イルや、平面形状が口の字形、乃至円形をしだ磁芯の全
辺（乃至全円周）にラセン状コイル葡形成（７たもの、
またこれを平面に垂直な方向に形成するべく第２層と第
５層に磁芯を置き磁芯両端を磁気的に接続して環状をな
し、第２層の磁芯には、第１層配線と第３層配線によっ
てラセン状コイルの形成を行ない、第５層の磁芯には第
４層配線と第６ｆ−配線とによってラセン状コイルを形
成してそれら相互をシリーズに接続したもの、更に、部
分的にラセン状若しくは１ねじれラセンｌ状の径（本発
明では磁束に直交する方向の平面上の巾）の異なるもの
、等々が本発明の適用例として考えられる。

〔発明の効果〕

以上に述べた本発明の多くの適用例から明らかなように
、本発明によるインダクタンス形成方法に依れば、巻数
の増加とその為の所要面積の増加とは直線状の関係にあ
り、インダクタンス値を大きくするために巻数を増やし
ても、加速的に所要面積が増えることがない。また磁束
が基板面と平行な方向に生ずるので、同じく基板面に平
行な方向に容易に設けることのできる磁芯を効率的に使
用することができ、特に磁芯の形状は平面パタンによっ
て自在に作成できるので起磁力をシリーズに接続するこ
とのできる形状を持つ磁芯が容易に得られ、更に、それ
を平面上パタンの周囲の情況に応じて変形することもで
きる。それにまた磁芯を設置するか否かが、磁芯パタン
を形成するか否かで自由に選択できる。また、多層化す
ることによってインダクタンス形成体を小形化し、一定
の基板面積当りのインダクタンス値を大きくすることが
できる。以上に述べた種々の利点から、例えば、従来は
とんどなされていなかった、集積回路チップ上にインダ
クタンスを設置することが本発明によって景品に行なえ
るようになる。しかも、集積回路チップ上の配線系工程
のみで本パタンは形成できるので多層配線技術を用いれ
ば基板に形成されるトランジスタ、ダイオード、抵抗、
それに拡散形コンデンサ等とチップ面を共有させること
ができ、特に前述した通り本発明によるインダクタンス
形成体は、形状の変形が自由に行なえるＯで集積回路チ
ップ面に存在する回路形成の為の配線パタンと相互に平
面スペースの調整をつけることも容易に行なえる。すな
わち、多層配線技術と共に本発明を集積回路チップに適
用した場合、集積度の向上を妨げない。

また一方、基板全面に本発明によるインダクタンス形成
体を構成することで、ディスクリートなインダクタンス
デバイスを得ることもできる。この細字方面への応用が
可能であり、本発明の持つ効果はすこぶる大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の代表的な適用例を示す平面図で、１は
第１層配線、２は第３層配線、３は、第１層配線と第３
層配線を接続する為の開孔、４は第２層に設けられた透
磁率の高い材料によりなる磁芯である。第２図は、第１
図Ａ−Ｂでの断面図である。第３図、第４図共に本発明
の別の適用例を示す平面図である。第５図は第４図の構
造を空間的イメージで模式的に表わした図である。第６
図は本発明のまた別の適用例を模式的に示した図である
。第７図は第６図を具体的に実現した平面図である。第
８図は第７図Ｃ−Ｄでの断面図である。第９図は本発明
の１つの適用方法を一般的に表わした図で（Ａ）〜（Ｉ
））は空間的イメージでの模式図で１は導電系、２は磁
芯を表わし、第１０図は第７図にそれぞれ対応したもの
で、磁束に垂直な面での断面を模式的に表わした図であ
る。代理人　弁理士　　内　原　　　晋　　　ゝ第１図Ｌ」罵５　図第４−　図嶌６図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）互いに絶縁膜で隔てられた複数の導体層を有し、
所望の位置で前記絶縁膜に開孔を設けて層の異なる導体
間を接続することができる多層平板に於て、前記複数の
導体層の少なくとも１つに、複数の導体細条が並設され
、当該導体細条のうち、導体層が同一であるものには同
じ向きに電流が流れるようにそれらと他の導体層配線と
の接続がなされてなるインダクタンス構造体。
（２）並設された導体細条は、透磁率の高い材料により
なる板状片と層を隔てて交叉してなることを特徴とする
特許請求の範囲第（１）項記載のインダクタンス構造体
。
（３）２つの導体層に設けられた導体細条が互いに層間
絶縁膜の開孔部を通じて接続され、ラセン状コイルをな
すことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項又は第（
２）項記載のインダクタンス構造体。
（４）３つ以上の導体層に並設された導体細条に流れる
電流の方向が、それら導体細条が設けられた隣接する層
間で互いに逆向きになるように導体細条相互が層間絶縁
膜の開孔部を通じて接続されてなることを特徴とする特
許請求の範囲第（１）項又は第（２）項記載のインダク
タンス構造体。
（５）透磁率の高い材料によりなる板状片は、少なくと
も１ケのくりぬかれた面を有することを特徴とする特許
請求の範囲第（２）項、第（３）項又は第（４）項記載
のインダクタンス構造体。
（６）複数の層にそれぞれ設けられた透磁率の高い材料
によりなる板状片は、層間膜の開孔部を通じて互いに接
続され、少くとも１ケの環状を形成することを特徴とす
る特許請求の範囲第（２）項、第（３）項、第（４）項
又は第（５）項記載のインダクタンス構造体。
（７）多層平板は集積回路チップよりなり、当該チップ
上で構成される回路にインダクタンス構造体が接続され
てなることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項、第
（２）項、第（３）項、第（４）項、第（５）項又は第
（６）項記載のインダクタンス構造体。