JP2000508116A - 多層金属ポリマ構造を使用するｒｆトランス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コイル間の誘導性結合を増加すると同時にトランスのコイル間の容量性結合を低減する、コイル間に配置された誘電体材料と多層薄膜構造とを有する高周波用トランス。ガラスサブストレート２０１は、その上に被着形成された第１金属スパイラル３０１を有し、ポリマ絶縁体層６０１がその上に配置され第１金属スパイラルを包囲する。第２金属スパイラル７０１がポリマ層上に被着形成され、プロセスは次のポリマ材料の層へと継続する。異なる層の金属スパイラルの相互接続は、バイア９０２を有する選択的にエッチングされた溝を用いて行う。本発明は特にバルントランスに好適である。ポリマＢＣＢを誘電体として使用することにより、マイクロウェーブ及びＲＦ周波数を吸収することによる損失を極めて低くすると共に、この絶縁体はデバイスの各層間の誘導性結合を増加し容量性結合を大幅に低減する優れた特性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 多層金属ポリマ構造を使用するＲＦトランス 本発明は、標準エッチング及び蒸着技法を使用する高周波用トランスに関する 。 高周波且つ機能集積回路の進歩により、相互接続及びパッケージング技術がシ ステム性能を決定することとなった。従って、システムのデバイスの相互接続及 びパッケージングを改善することに焦点が当てられている。 ＲＦ(無線周波数)、マイクロ波及びミリ波技術では、システムの性能は種々の 方法により改善されている。本発明は、トランスに注目し、従来技術も、このト ランスに焦点を当てることとする。そこで、トランス及びインダクタの最近の技 術は、薄膜技術に注力されている。トランスに応用される薄膜技術の基本は次の 通りである。一般に、誘電体サブストレートは、表面に被着形成された金属パタ ーンを有し、トランスが必要とするインダクタを得ている。その後、誘電体層を 被着する。薄膜技術を使用して製造されたトランスは、サイドバイサイド(並置) 構造と共にマルチレベル(積層)構造の１次及び２次コイルを有するものが知られ ている。トランスの設計におけるドライビングファクタはシステムのＱである。 Ｑは電気回路のエネルギー変換効率の目安であり、トランス回路のＱは次式で表 わされる。 Ｑ＝ωＬ／Ｒ ここでωは角周波数であり、Ｌ及びＲは夫々コイルの全インダクタンス及び抵 抗値である。上式から理解される如く、ωが一定であると仮定すると、Ｌをでき る限り大きく、Ｒをできる限る小さくすることによりＱは高くなる。 他のトランスと同様に、薄膜トランスでは、１次巻線又はコイル内の電流の時 間的変化が２次巻線に電流を誘導することとなる。この誘導電流は、２次コイル の巻数に比例する。更に、１次巻線の巻数が多ければ多い程、１次コイルにより 生じる磁界の密度は高くなり、２次コイルに大きな電流を誘導することとなる。 従って、１次及び２次コイル間の相互インダクタンスにより電流を誘導するトラ ンスでは、コイルの巻数が多ければ多い程、各コイルにより生じる磁界密度は高 く なり、コイル間のインダクタンスも増加する。よって、コイル間の結合及び対応 するエネルギー変換も増加する。 Ｌ(インダクタンス)を増加するには、他のファクタと共に１次及び２次コイル の巻数の増加が必要であり、これは多くの場合トランスの面積(エリア)を増加す ることとなる。回路の各素子(エレメント)の占有面積を低減したい要求があるの で、斯る面積の増加はキャパシタンスなどの寄生電気効果を増加して高連動作性 能を損なう作用をする。更に、インダクタンスを増加する為に巻数を増加すると 、導体の長さが増加し、抵抗が増加してＱを低下することとなる。 従って、インダクタンスを増加し且つ抵抗を下げることにより高周波でＱを最 適化するトランスの提供が好ましい。 薄膜技術に基づくトランスの例はイトーなどの発明による米国特許第５，４２ ０，５５８号に開示されている。この米国特許には、薄膜技術に基づく各種構造 のトランスが開示されている。しかし、この米国特許に開示されるトランスは、 コイル層間の誘電体材料として二酸化シリコン(Ｓ_iＯ₂)の使用を開示する。Ｓ_i Ｏ₂は、製造できる厚さに限界があるので薄膜トランスの用途が限られる。 薄膜技法を用いると、Ｓ_iＯ₂は２ミクロンのオーダーの厚さに被着可能である 。これを超す厚さに二酸化シリコンを被着すると、膜に過度の機械的ストレスが 生じ、構造上の安定性に悪影響を生じる。絶縁体として二酸化シリコンを使用す るこの欠点は、他の欠点と共に誘電率が比較的高く且つ上述した以上の厚さの層 が得られないことである。その為に、垂直に重ね合わせたトランスの異なる層の トランス巻線間のキャパシタンス(静電容量)が誘電率に正比例し且つ巻線間の間 隔(即ち二酸化シリコン層の厚さ)に反比例する。トランスの用途では、トランス のコイル間の磁気的結合を最適化するのが好ましく、容量性結合による電気的結 合は好ましくない。そこで、時間的に変化する電流を有するインダクタは、イン トリンシック(真性)キャパシタンスを有し、このキャパシタンスが大きいと、そ れが使用できる帯域幅は狭くなる、特にＲＦやマイクロ波では、容量性結合はイ ンダクタと並列のキャパシタを有する等価回路となり、受動電子共振器を構成す ることとなる。共振周波数で、このＬＣ回路は放射を行い、損失を生じるので、 共振を避けるのが好ましい。 従って、インダクタンスやトランスの場合には、イントリンシックキャパシタ ンスを可能な限り低減し、共振器の共振周波数を使用周波数外へ上げることによ りトランスの使用可能帯域幅を広げるのが好ましい、トランスの容量性結合によ る影響をできる限り低減する為に、異なるレベルのコイル間の距離(即ち絶縁体 の厚さ)を増加し且つ絶縁体の誘電率をできる限り低下するのが好ましい。従っ て、必要とする小型化を図り且つ必要とするコイル間の誘導性結合を達成し、し かもコイル間の容量性結合を排除するトランスが好ましい。 上述した高周波用トランスは、コイル間に配置される低誘導電率材料の多層薄 膜構造であり、トランスのコイル間の容量性結合を最小にする。 その為に、ガラス製サブストレート上に被着された第１の金属スパイラル(ら 旋状態)を有する。この被着形成後に、好ましくはベンゾシクロブタン(ＢＣＢ) であるポリマ絶縁体の層を被着し、第１金属スパイラルを封止(エンキャプスト レート)する。次に、ＢＣＢ層上に第２金属スパイラルを被着形成する。そして ＢＣＢ内に選択的に開口するバイアを介して必要な相互接続を行う。このＢＣＢ により分離された複数の金属スパイラル製造工程及びバイアを介する必要な相互 接続を１次及び２次コイルが必要とする巻数に達するまで維続する。説明を簡単 にする為に、ここで説明するトランスは、サブストレート、第１金属コイル巻線 、第１ポリマ層、第２コイル巻線層、第３コイル巻線層及び第３ポリマ層の３層 の金属巻線を有するものとする。しかし、必要とする回路によって、層の数はこ れより多くても少なくても良いことは明らかである。換言すると、この製造工程 は、他の回路及び構造にも適用可能である。 コイル間の誘電体として好ましくはＢＣＢであるポリマを使用すると、ＲＦ及 びマイクロ波での吸収による低損失であり、しかもこの絶縁体は良好な誘導性結 合を行うと共に容量性結合を大幅に低減できるという機能上の効果を有する。更 に、このポリマはトランスの製造工程を容易且つ高信頼性とする。そこで、この ポリマは、金属の被着を容易にするべく比較的スムーズであり且つ標準化してい る大規模ＩＣ（ＬＳＩ）製造工程により容易に製造可能である。 これら好ましい材料及び製造工程により得られるトランスは、極めて小型化が 可能であり、大規模製造が可能である。キャパシタンスなどの寄生素子の悪影響 は低減されるので、ＲＦ及びマイクロ波領域で動作するトランスが容易に実現で きる。 本発明の目的の１つは、高周波、安価且つ小型のトランスを大量に製造できる ようにすることである。 本発明の特徴はバイア(相互接続穴)により選択的に相互接続される多層垂直構 造トランスを有することである。 本発明の更に他の特徴は、トランス巻線間に大きな誘導性結合と小さい容量性 結合を有するトランスを有することである。 また、本発明の他の特徴は、トランスの絶縁体が高周波で低損失であることで ある。 本発明の効果は、従来の製造技法に容易に適合できる材料で製造されるトラン スを有することである。 次に、本発明の実施例を添付図を参照して説明する。 図１は、バルントランスの構成図である。 図２は、本発明により製造されたバルントランスの平面図である。 図３乃至図１０は、本発明により製造されるトランスの順次選択された製造工 程を示す断面図である。 図１１は、バルントランスを使用するミキサの回路図である。 上述した如く、本発明は、ポリマ誘電体を用い、多層製造技術により製造され たトランスに関し、デバイスの寸法、価格及び信頼性において、利点を有し、大 規模での製造を容易にする。本発明に包含されるトランスに共通することは、垂 直に集層叉は集積された複数のコイルである多層デバイスを使用することである 。多層デバイスを使用するバルントランク、方向性カプラ、クアドラチャハイブ リッド及びパワーデバイダ等が本発明に含まれることは明らかである。ここに開 示する本発明の特徴は、本発明の基本プロセスを提供して各種回路を得ることで ある。即ち、金属ライン(線)、バイア、ボンドパッドその他必要な素子をここに 説 明する製造プロセスにより選択的に配置して、上述した高周波で使用可能な高誘 導性結合及び低容量性結合という利点を有するデバイスの製造を可能にする。 本発明の小型トランス回路は、好ましくは１ｍｍ²未満であって、単一のガラ ス製サブストレートウェハ上に極めて大規模に製造可能である。 説明の便宜上、本発明の実施例であるバルントランスにつき説明する。上述の 如く、本発明は、他の用途もあり、従って例示としてバルンにつき説明する。こ こで、所望トランスの回路は、スパイラル、バイア、ボンディングキャパシタな どの回路素子を選択的に配置することにより得られる。明らかに、所望相互接続 を素子とバイアの選択配置により行い、本発明の開示発明に基づき本発明に包含 される回路が当業者には容易に製造できよう。典型的なバルントランスの回路図 を図１に示す。ＲＦ及びマイクロ波用バルントランスは、シングルエンド入力を 等振幅且つ逆極性の１対の差動出力に変換する為に使用される。その為に、シン グルエンド入力端子１０１に電圧Ｖを印加すると、第１出力端子１０２に出力が 現われ、これと等振幅且つ逆極性の電圧が第２出力端子１０３に現れる。時間的 に変化する入力にあっては、出力端子１０２，１０３の出力は逆位相である。接 地(接地に対して０電位の基準端子)に対して不平衡である入力信号の場合、瞬時 出力平均電圧は０である。反対に、両出力端子１０２，１０３間に平行信号が印 加されると、入力端子には不平衡信号が現れることとなる。これが「バルン」の意 味である。バルントランスの用途は、ヘテロダイン受信機の如く他の用途にも適 用可能である。 次に図２を参照すると、本発明により製造されたバルントランスの平面図を示 す。ここで、入力ボンドパッド２０１、入力接地パッド２０２、出力接地パッド ２０３及び出力ボンドパッド２０４，２０５がサブストレートの表面に配置され ている。図２のトランス巻線は、トランスの上層にあり、３個の巻線２０５，２ ０６及び２０７がトランスの下２層の巻線のすぐ上に配置される(従って見えな い)。この構成により、所望巻数が得られ、インダクタンスが大きく、しかも電 流のクラウディングによりＱを犠牲とすることがない。これ即ち、もし(スパイ ラルの面を貫通する磁束がある領域において)コイルに開放領域があると、これ に対応 してＱの値が低下する。従って、寸法を低減する利点は、上述した理由でＱの低 下とのかね合いで決めなければならない。最後に、巻数の増加はインダクタンス を増加するのは事実であるが、両層間の容量性結合も増加するので、トランスの 自己共振周波数を下げることとなる。従って、巻数はインダクタンスの増加と、 容量性結合の増加とのかね合いで決めなければならない。 上述した事項の更に詳細は、１９９５年４月のマルチチップモジュールに関す る国際会議の「マイクロウェーブ用多層金属化の処理及び電気的キャラクテライ ゼーション」に記載されている。 図１０は、図２の線Ｘ-Ｘ’に沿うトランスの断面図を示す。ここでトランス 巻線は１００１乃至１０１１の３層として示され、バイア１０１２によりトラン スの層間の相互接続を行う。 図３乃至図９を参照して、本発明のバルントランスの好適実施例の製造工程を 説明する。上に述べた如く、バルントランスは単なる例示にすぎず、他のトラン スも可能であり、バルントランスを説明の便宜上一例として説明する。ガラスサ ブストレートは好ましくはホウケイ酸(ボロシリケート)であり、約４．１の比誘 電率を有し、損失角はマイクロ波領域で約０．００２のオーダーである。第１金 属層の細線の被着を助ける為に、アモルファス(非晶質)ガラスサブストレートを 研磨し、表面を平坦に仕上げる。図３はバルントランスのボンドパッド３０１と キャパシタ３０２用の金属の被着を示す。本発明のすべての金属層は標準化され たリフトオフ技法により製造され、金属のエッチングの必要性及びエッチングに よるアンダーカットの欠点を排除する。このリフトオフ技法は、負のプロファイ ルを有する適当なフォトレシストを使用し、標準的な蒸着(エバポレーション)技 法を用いて金属を被着する。フォトレシストの負のプロファイルは、レシストの 極性を反転してポストエキスポジャ(露光後)ベーキングを行うことにより得る。 蒸着した金属は、サブストレート表面に直交方向に被着されるので、レジストの 負のプロファイルにより、レジスト上の金属と、サブストレート上の金属との間 の破断を保証する。次に、レジスト上の金属をウェットジェットにより除去し、 レジストを除きサブストレート上にクリーンな金属パターンを残す。本発明のト ラ ンスの金属線は、幅２５ミクロン厚さ２-５ミクロンのオーダーである。第１層 の金属層は、好ましくはＴｉ-Ｐｔ-Ａｕ-Ｔｉであり、ワイヤボンドパッド３０ １、下側キャパシタ板３０２及びアンダパス導体に使用される。チタン(Ｔｉ)は 接着力の強化に使用され、ｐｔは拡散バリヤとして使用され且つＡｕは標準ワイ ヤボンディング工程とのコンバチビリティを保つ為に使用される。コイル巻線及 びキャパシタの上面板の好適金属はＴｉ-Ｐｔ-Ａｇ-Ｐｔ-Ｔｉである。次善の材 料として銀(Ａｇ)の代りに金(Ａｕ)を使用することができるが、これは製造コス トの上昇を招く。更に、別の材料としては、上述の金属線に使用したものがある 。例えば、Ｃｒ-Ｃｕ-Ｃｒと同様ＴｉＷ-Ａｕ-Ｔｉｗ及びＡｌも本発明に含まれ るものである。 図３に示す第１金属層を被着すると、好ましくは窒化シリコン(ＳｉＮ)である 適当な誘電体４０１を被着する。図４に示す如く、ＳｉＮ膜はキャパシタ３０２ の絶縁体及びクロスオーバー(被覆)として作用する。このＳｉＮ膜は、ＰＥＣＶ Ｄ(プラズマエンハンスドＣＶＤ)により３００℃で被着形成される。その後、標 準のフォトリソグラフィ及びプラズマエッチング技法を用いて電気コンタクトを 必要とする場所にＳｉＮ膜４０１をエッチングする。第１金属層の完了後に、ト ランスの第１層の金属トランス巻線５０１を上述の技法で実行する。 ＳｉＮ膜の被着形成後に、ポリマ絶縁体の第１層６０１を被着する。この層６ ０１は好ましくはＢＣＢであるが、感光性叉は非感光性ポリイミド等の他の材料 であってもよい。ＢＣＢ層の被着形成後に、レベル相互間接続の為のバイア及び ボンドパッド接続を行う。ＢＣＢの被着形成及びバイアエッチングを１９９３年 １１月発光のIEEE Transactions Components,Hybrids and Manufacturing Techn ology Vol.16,No.７のピー・チノイ及びジェームスタジェドッド著の「ベンゾシ クロブタン誘電体を使用するマルサレベル相互接続のプロセス及びミクロウェブ キャラクテライゼーション」及び１９９５年４月マルチチップモジュールに関す る国際会議の「マイクロウェーブ用多層金属化のプロセス及び電気的キャラクテ ライゼーション」に開示する技術ににより実行する。既に述べた如くＢＣＢ材料 は0・002の比較的低損失角を有し且つ比較的低い２．６５のオーダーの誘 電率を有し、上述したトランスの利点を有する。ＢＣＢ層は、３ミクロンの厚さ に被着形成するのが好ましいが、この層は20ミクロンまでの厚さであっても良い 。更に、ＢＣＢは(約０．１％のオーダーの)低吸湿率を有し、上述したチノイ等 の記事中で述べた利点に加えて、環境により電気的特性が変化せず、水との反応 性が高い銀金属に匹敵する。最後に、本発明の範囲には２種のＢＣＢが含まれる ことに注目されたい。先ず、第１のバージョンは、感光性であり、バイア６０２ は直接露光してパターン形成でき、第２のバーションは非感光性であり、フォト レシスト叉は金属マスクによりバイア６０２をプラズマエッチングする。前者は 製造が容易であり、後者は平面化が良好であり且つ厚くコーティングできる。平 面化が良好であると、より細い金属線が形成でき、層を厚くすると容量性結合が 低減可能である。本発明では、好適技法はポリマ、例えばＢＣＢの下２層を感光 性として容易に製造可能とする一方、上層は好ましくはＢＣＢの非感光性ポリマ とし、トランスの全体構造をより平坦化する。 トランスの残りの層は、上述の技法を反復することにより行うことができる。 そこで、図７は第２層のトランス巻線701と金属化バイア303の完成した金属化( メタライゼーション)を示す。図８に示す如く、ＢＣＢ８０１の次の層を被着形 成してエッチングしてバイア８０２を得る。最後に、巻線９０１の第３層を図９ に示す如く被着形成し且つバイア９０２を金属化してＢＣＢ１０１３の最終層を 図１０に示す如く被着形成し、バイア１０１４をエッチングする。金属化された バイア３０３及び９０２を夫々層６０１及び８０１にエッチングし、トランス回 路が必要とするコイル巻線５０１，７０１及び９０１間の電気的接続を行う。バ イア１０１４はワイヤボンドパッドを開きストリートを切ってウェハを個別ダイ 叉は回路にダイス叉は切断する。最後に、ガラスサブストレートの下面に金属被 着することによりトランスの接地面１０１５を形成する。 好適実施例であるバルントランスは次のようにして製造される。ボンドパッド ３０１とキャパシタ３０２の下面板は、ＳｉＮの被着層を有する。その後、コイ ル巻線５０１とキャパシタ５０２の上面板及びクロスオーバー５０３を被着形成 する。これにより、トランスのＶ−出力１０３を形成する。更に、共振キャパシ タが、コイル巻線５０１とクロスオーバー５０３がボンドパッド３０１とキャパ シタ３０２の下面板と重なる部分に形成される。次に、金属コイル７０１を被着 形成して、バイア３０３を介して入力巻線を作る。 最後に、バイア４０２は、Ｖ+出力巻線１０２を形成する。図１１は、トラン シーバ回路でのバルントランスの典型使用例を示す。そこで、バルン１１０４は シリコンショットキリングクァド1103に接続され、これは更に第２バルントラン ス1101に接続される。 動作を説明すると、ＲＦ入力１１０２からの高周波信号が局部発信器１１０５ からのわずかに低周波と混合され、ＩＦ(中間周波数)出力１１０６において一連 のマルチプル周波数を取り出し且つフィルタして所望信号出力を取り出す。実際 には、ダイスしパッケージされたバルンがＢＣＢの如き共通サブストレートに取 付けられ、必要に応じて共通サブストレート上の他の回路コンポーネント、能動 、受動デバイスに接続する。 以上、本発明を詳述したが、本発明の課題や精神を維持して種々の変形が可能 である。そこで、高周波で低損失であり、低容量性結合で、しかも大規模製造技 法に容易に適用できる他のポリマがある。これらも本発明に属すると解すべきで ある。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．サブストレート、該サブストレート上に被着形成された第１金属スパイラル 、前記サブストレート及び前記第１金属スパイラス上に被着形成された誘電体材 料層、及び該誘電体層上に被着された第２金属スパイラルを含み、前記第１及び 第２金属スパイラルは電気的に接続され、 前記誘電体層はポリマ絶縁体層であることを特徴とするトランス。 ２．前記ポリマ絶縁体は、ベンゾシクロブタンであることを特徴とする請求項１ のトランス。 ３．前記ポリマ絶縁体は、損失角約０．００２及び誘電率約２．６５であること を特徴とする請求項１のトランス。 ４．前記誘電体層は、感光性ベンゾシクロブタンであり、更に非感光性ポリマ層 が前記ベンゾシクロブタン層上及び前記第２金属スパイラル上に被着形成されて いることを特徴とする請求項１のトランス。 ５．前記金属スパイラル間の前記電気的相互接続は選択的に開口するバイアによ り行うことを特徴とする請求項１のトランス。 ６．前記ポリマ絶縁体層は約２．６５の誘電率を有することを特徴とする請求項 ５のトランス。 ７．前記ポリマ絶縁体は、約0.002の損失角を有する請求項１のトランス。 ８．前記非感光性ポリマ層は前記第２コイルを実質的に包囲することを特徴とす る請求項４のトランス。