JP2000331830A - 平面型磁気素子一体型半導体デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製造工程が少なく、良品率の高い平面型磁気
素子一体型半導体素子を提供する。 【解決手段】 集積回路２１上に平面型磁気素子２２を
電気的に接続して一体型にするために、両者をコンタク
トホール６を有する絶縁膜を介して接合するとき、その
コンタクトホール６の側壁形状が順傾斜を持つようにす
ることで、工程を減らし良品率を高める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、サーフェイスマ
イクロマシーニング技術、ＩＣ製造技術を活用すること
により平面型に製作される平面インダクタ（薄膜インダ
クタ）や平面トランスのような平面型磁気素子、特にこ
のような平面型磁気素子が集積回路と電気的に接続され
た平面型磁気素子一体型半導体デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノート型パソコンや携帯電話に代
表されるマルチメディア機器を始め、各種電子機器の小
型化が盛んに進められている。これに伴い、その電源部
の小型化の研究も活発に行なわれており、その主要部品
であるインダクタやトランスなどの磁気素子の小型化実
現のために、それらの磁気素子をサーフェイスマイクロ
マシーニング技術、ＩＣ製造技術を利用して平面型，薄
膜型に製造する試みが多くなされている。

【０００３】平面型インダクタの最も一般的な例とし
て、例えば図４に示すものがある。なお、同図（ａ）は
組立分解図、（ｂ）は断面図を示す。すなわち、シリコ
ン（Ｓｉ）等の基板上に絶縁膜を形成し（図示なし）、
その上に下部磁性膜４，下部絶縁膜５，平面コイル（導
体部）８，絶縁膜１０，上部磁性膜１１の順に形成す
る、いわゆる平面コイルを磁性膜でサンドイッチ状に挟
み込んだ構造のものであり、積層平面型インダクタとい
われる。また、磁性体がコイルよりも外側にあり、コイ
ルが磁性膜の中にあることから、外鉄型または内部コイ
ル型インダクタとも呼ばれている。

【０００４】平面コイルの形状としては、つづら折り
型，ミアンダー（ｍｅａｎｄｅｒ）型，スパイラル型な
ど様々なパターンが用いられる。これらのコイルパター
ンのうち、単位面積当たりのインダクタンス値を最も大
きくできるのはスパイラル型であることから、同じイン
ダクタンス値を得るためには、より小型化が可能なスパ
イラル型が最も適しているといえる。このような構成の
平面型インダクタは、使用する周波数帯域において充分
高いＱ値を持つことが必要である。平面型インダクタの
Ｑ値は、コイル抵抗をＲ、インダクタをＬ、ω＝２πｆ
（ｆ：周波数）とすると、 Ｑ＝ωＬ／Ｒ で表わされる。インダクタのＱ値を高くするためにはコ
イルの抵抗を低く（小さく）し、インダクタンスを大き
くすることが必要である。

【０００５】インダクタンスを決定する要素としては、
コイルの大きさとターン数が重要であり、平面インダク
タの場合、一般的には数ｍｍ角以上の大きさを必要とさ
れる。また、抵抗を小さくするためには、コイルの大き
さとターン数が一定の場合、コイルの厚さを厚くする必
要がある。近年、このような要望にこたえる平面インダ
クタとして、コイルの一辺が４ｍｍ角以上であり、コイ
ルの直流抵抗を低減するために、スパイラル型に電解め
っきで銅を成膜し、３０μｍ以上の厚いコイル導体を持
ったメッキ方式のインダクタが多く報告されている（例
えば、特開平４−３６３００６号公報，信学技報ＰＥ９
６−１４など参照）。

【０００６】平面インダクタは、例えば電源回路を構成
する主要素子であるが、従来のバルク磁性体を用いたイ
ンダクタ素子に代えて平面インダクタを使用すること
で、電源回路の薄膜化，小型化を図った例が報告されて
いる。このような平面インダクタを電源回路に用いる場
合、電源回路を構成する制御ＩＣ，ＭＯＳＦＥＴ，ダイ
オード，コンデンサなどを、例えばプラスチック基板上
に外付けし、平面インダクタも他の素子と同様に外付け
する方法（ハイブリッド方式）をとるのが一般的であ
る。

【０００７】電源回路をさらに小型化するには、制御Ｉ
ＣやＭＯＳＦＥＴなどの集積回路と磁気素子を一体で形
成する必要がある。このような磁気素子一体型半導体デ
バイスとして、アルミニウム（Ａｌ）をスパッタで成膜
し、エッチングでコイル形状に加工したコイル膜厚６．
１μｍ、磁性膜膜厚１．４μｍの積層型平面インダクタ
を、集積回路上に形成した発振回路の例も報告されてい
る（第22回応用磁気学会学術講演概要集２２ａＢ−４参
照）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、平面イ
ンダクタには、直流抵抗を低減するため、コイル導体の
厚さは厚いことが望まれる。しかし、上記のＡｌスパッ
タ膜のエッチング法で膜厚の厚いコイル導体を形成する
ことは、スパッタ膜の応力による基板の反りや、エッチ
ング法によるためのコイル占有率の低下などを生じるた
め、電源用の平面インダクタ形成法としては適していな
い。厚いコイル導体を形成するためには、メッキのシー
ド層を薄膜でスパッタした基板上に、厚膜のフォトレジ
ストや感光性ポリイミドなどをパターニングし、それを
メッキの型とした電解メッキ法で形成する方法が適切で
ある。その場合、集積回路と磁気素子とは、その間に絶
縁膜が必要であり、また、両素子を電気的に接続するた
めに、コンタクトホールを形成する必要がある。図５に
コンタクトホール形成手順の従来を示す。これは、マス
ク１３を用いたエッチング法などによってコンタクトホ
ール１４を形成し、そのコンタクトホール部にメッキを
することで、電気的に接続するものである。なお、１は
半導体基板、２は電極、３は絶縁膜、４は磁性膜を示
す。

【０００９】しかし、図５のような方法では、次のよう
な問題がある。 マスクパターンを形成するための工程が新たに必要で
ある。 集積回路上の電極材料によってマスク材料が限定され
る。 コンタクトホールの側壁が、図5(４)または（５）の
ように曲線的なＲを持つ形状となるため、特にその上部
でスパッタのつきまわりが悪く、集積回路上の電極への
メッキ液の回り込みによる電極腐食が生じ、良品率が低
下する。 したがって、この発明の課題は少ない工程で良品率の高
い平面型磁気素子一体型半導体デバイスを提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、半導体基板上に形成され
た集積回路上に、スパイラル平面型コイル，絶縁体およ
び前記スパイラル平面コイルを挟み込む軟磁性体薄膜を
積層してなる平面型磁気素子を、コンタクトホールを有
する絶縁膜を介して形成し、そのコンタクトホールの側
壁形状が順傾斜をもつことを特徴とする。この請求項1
の発明では、前記コンタクトホールを感光性絶縁材料の
ドライエッチング法により形成することができる（請求
項２の発明）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第1の実施の形
態を示す構成図で、同図（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面
図を示す。すなわち、図1（ａ）に示すような半導体基
板の上面に形成した集積回路21の上に、電気的に接続す
るための、図1（ｂ）に符号6で示すコンタクトホールを
持つ絶縁膜３を介して平面型磁気素子２２を形成するに
あたり、そのコンタクトホール６の側壁形状に順傾斜を
持たせ、コンタクトホール部へのメッキ用シード層とな
るスパッタ膜のつきまわりを良好にするものである。

【００１２】図２は製造手順の説明図である。まず、集
積回路を形成した基板1上に、絶縁膜３を形成する。絶
縁膜としては、シリコン酸化膜や、シリコン窒化膜など
の、スパッタリングや真空蒸着などの成膜方法で形成で
きる絶縁膜や、ポリイミド樹脂などを適用する。これら
の絶縁膜は後工程でエッチングできる材料であることが
必要である。次に、下部磁性膜４を成膜し、エッチング
などでパターニングする。次にコンタクトホール６を形
成する。

【００１３】図3はコンタクトホールの形成手順の詳細
図である。まず、感光性ポリイミドなどの感光性絶縁材
料をパターニングし、絶縁膜５を形成する。このとき、
集積回路の電極2とインダクタを電気的につなぐための
コンタクトホール６を形成する穴パターン６ａを形成す
る。穴パターン６ａの側壁形状は、露光時間を短くする
ことで、順テーパ（順傾斜）を持つ形状にすることがで
きる。このあと、等方性のドライエッチングを行なうこ
とにより、コンタクトホール形成用の穴パターンの下部
にある絶縁膜３をエッチングし、コンタクトホール６ｂ
を形成する。

【００１４】コンタクトホールの側壁の傾斜は、絶縁膜
５の穴パターン６ａの傾斜をそのまま反映し、また、上
部のエッジ部分6ｃには等方性のエッチングであること
から、必然的にＲが形成される。加えて、このコンタク
トホール形成方法では、絶縁膜５の膜厚を厚くしておけ
ば、そのまま下部磁性膜４とコイル導体8の層間絶縁膜
として使用できるため、マスク材料の剥離などの必要が
ない。つまり、省工程となるだけでなく、集積回路上の
電極材料もほとんど限定されることもない。

【００１５】次に、コイル導体8を電解メッキで形成す
る。まず、電解メッキの通電層７を成膜，パターニング
し、コイル形状にパターニングする。次に、感光性ポリ
イミドをパターニングし、メッキ型９を形成し、電解メ
ッキでコイル導体8を形成する。コイル導体を形成する
方法としては、感光性ポリイミドではなく、フォトレジ
ストをメッキ型とするメッキ法でも良い。次いで、コイ
ル導体8上にポリイミドなどを塗布し、上部絶縁膜１０
を形成する。コイルから電極取り出しが必要な場合は、
パターニングして電極取り出し口１２を形成する。この
とき、感光性ポリイミドなどを用いると、電極取り出し
口と絶縁膜を同時に形成することができる。最後に、下
部絶縁膜と同様の工程で、上部絶縁膜を形成して平面イ
ンダクタ一体型半導体デバイスが形成される。以上のよ
うなコンタクトホール形成方法を用いることにより、集
積回路上へ平面型磁気素子を形成する際、電解メッキ法
を用いても電極材料への腐食などを生じず、少ない工程
で、安定したデバイスを得ることができる。

【００１６】〔実施例〕次に、実施例について説明す
る。まず、半導体基板を用いて、集積回路を形成する。
ここでは、電源用の制御ＩＣとＭＯＳＦＥＴを形成した
基板を用いた。ＩＣ製作終了後の半導体基板上に絶縁膜
として、ポリイミドを塗布・焼成する。膜厚は任意で良
いが、ＩＣ基板の表面を平坦にするため、ここでは５μ
ｍとした。

【００１７】次に、磁性膜をスパッタ法で成膜し、エッ
チングでパターニングする。磁性膜の膜厚は９μｍであ
る。次いで、感光性ポリイミドなどの感光性絶縁材料を
パターニングし、磁性膜とコイル導体間の絶縁膜とコン
タクトホール形成用の穴パターンとを形成する。膜厚は
１５μｍとした。このときの穴パターンの側壁形状は、
約45度の順テーパを持つように条件を設定した。続け
て、酸素とフロンを用いたプラズマエッチングでドライ
エッチングすることで、集積回路上に形成された電極上
に、平面インダクタと集積回路を電気的に接続するため
のコンタクトホールを形成する。このときの側壁形状も
同様の約45度であった。

【００１８】コイル導体の電解メッキ時のシード層とな
るチタンおよび金をスパッタで成膜し、エッチングでコ
イル形状にパターニングする。このときのスパッタ膜の
つきまわりは、良好であった。メッキシード層のコイル
パターンにあわせて感光性ポリイミドをパターニング
し、コイル導体のメッキ型を形成する。メッキ型の膜厚
は３５μｍである。電解メッキでコイル導体を形成す
る。コイルの膜厚はメッキ型とあわせ約３５μｍとし
た。その上に感光性ポリイミドをパターニングし、上部
磁性膜との層間絶縁膜を形成する。層間絶縁膜の膜厚は
１０μｍである。その上に上部磁性膜をスパッタし、エ
ッチングでパターニングする。以上で、薄膜リアクトル
が完成する。リアクトルと電気的に接続されていないＡ
ｌパッドは、プラズマによるポリイミドの深堀エッチン
グを行なって、露出させた。

【００１９】最後に、磁性膜のウエハー内の場所による
磁性膜特性のバラツキを抑制するために、回転磁場中熱
処理を行ない、また、一軸磁気異方性を誘導するため
に、静止磁場中熱処理を行なった。製作したインダクタ
のターン数は１６ターン、コイル導体幅93μｍ、コイル
厚３５μｍ、コイル間隔幅２０μｍ、コイル部の大きさ
４×４ｍｍ、コイル部の全厚さ５３μｍ、制御ＩＣ，Ｍ
ＯＳＦＥＴを含む半導体デバイスの大きさは４×５ｍｍ
である。平面インダクタと集積回路の電極との電気的接
続は良好であり、電極腐食などの現象は生じなかった。
小型化と薄膜化が同時に達成されている。

【００２０】本実施例では平面インダクタを例とした
が、平面トランスなども同様の製造方法で形成すること
ができる。また、磁性膜の有無に関係なく、電解メッキ
法でコイルを形成するすべての素子に適用可能である。
さらに、電源用の集積回路に限定されることなく、フィ
ルタ回路をはじめとする、磁気素子を必要とする半導体
デバイス一般に適用できることは勿論である。

【００２１】

【発明の効果】この発明によれば、集積回路上に平面イ
ンダクタを形成するに当たり、両者を電気的に接続する
ためのコンタクトホールの側壁形状に順傾斜を持たせた
ので、少ない工程で、良品率の良い磁気素子一体型半導
体デバイスを得ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態を示す構成図である。

【図２】図１の製造工程説明図である。

【図３】図２におけるコンタクトホールの形成手順の詳
細図である。

【図４】平面型磁気素子の一般的な例を示す構成図であ
る。

【図５】図４の製造工程説明図である。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…電極、３，５，１０…絶縁膜、
４，１１…磁性膜、６，６ｂ…コンタクトホール、６ａ
…穴パターン、６ｃ…エッジ部分、７…メッキの通電
層、８…コイル導体、９…メッキ型、１２…電極取り出
し口、２１…集積回路、２２…平面型磁気素子。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 27/04 Ｈ０１Ｌ 27/04 Ｌ 21/822

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に形成された集積回路上
   に、スパイラル平面型コイル，絶縁体および前記スパイ
   ラル平面コイルを挟み込む軟磁性体薄膜を積層してなる
   平面型磁気素子を、コンタクトホールを有する絶縁膜を
   介して形成し、そのコンタクトホールの側壁形状が順傾
   斜をもつことを特徴とする平面型磁気素子一体型半導体
   デバイス。
2. 【請求項２】 前記コンタクトホールを感光性絶縁材料
   のドライエッチング法により形成することを特徴とする
   請求項1に記載の平面型磁気素子一体型半導体デバイ
   ス。