JP3909799B2 - 半導体集積回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばスイッチング電源用チョークコイルやトランスなどの各種高周波部品に使用される平面型磁気素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、マルチメディア時代の到来とともに、各種の携帯用電子機器は、LSI技術によるところの電子回路の集積度の向上、部品実装技術の進展、さらにリチウム電池やニッケル水素電池などの高エネルギ電池の登場とあいまって、電子機器の高機能化、小型化、薄型化、軽量化が進められている。
【0003】
ところで、このような電子機器の電源部には安定化電源部としてスイッチング電源が用いられるが、このようなスイッチング電源は高い電力変換効率を維持しながら小型軽量化することが困難とされており、そのサイズ、重量、コストのいずれについても、機器全体の中でそれの占める割合が上昇の一途を辿っている。そこで、最近この対策として電源のスイッチング周波数を高めて小型のインダクタやトランス、コンデンサなどの電源用部品を使用可能とすることにより、小型軽量化を実現することが考えられるようになってきた。
【0004】
スイッチング周波数が上昇し、GHz帯となると、回路のスペックが変化しないと仮定して、要求されるインダクタンス、キャパシタンスの絶対値は小さくなる。外付け部品によりこれらに対応しようとした場合、外付けであるため、IC内部とこれらの素子との接続に伴う寄生容量、寄生インダクタンスが外付け部品の容量、インダクタンスに対し無視することが不可能となってきており、そのためIC精度向上のためには、インダクタ、キャパシタをIC内部に設けることが必要になってきている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
インダクタの性能を表す指数としてQ値(Quality Factor)なるものがある。この指数は、
【0006】
【数1】
【0007】
と表されるが、高Q値のインダクタを得るためには、Lを大きくするか、あるいはRを小さくすることが必要である。しかし、Rを大きくすることなくLを大きくするには、大面積のLを作成する必要があり、IC自体が大きくなってしまう。また、基板/導体間の寄生容量が大きくなってしまう。従って、Rを小さくする必要がある。
【0008】
本発明はこれを鑑み、コイルの高周波抵抗を小さくし、高いQ値のインダクタを得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の半導体集積回路は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたインダクタとを備え、前記インダクタのコイル部は、隣接するコイル部と異なる高さで前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成され、かつ前記コイル部には、前記隣接するコイル部に流れる電流と同一方向に電流が流されることを特徴とする。
【0010】
また本発明の別の態様の半導体集積回路装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたインダクタと、を備え、前記インダクタのコイル部が電流の流れる方向に沿って分割され、前記コイル部の複数に分割されたそれぞれの部分が異なる高さで前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成されるとともに、隣接するコイル部との間においては分割された部分同士が前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成され、かつ隣接する前記コイル部にそれぞれ同一方向の電流が流れることを特徴とする。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し詳細に説明する。
【0015】
(参考例1)図1は本発明のインダクタの参考例1を示す平面図であり、図2はA−A´における断面図である。図2に示すように、このインダクタは矩形のコイル断面の中央部分が陥没したような形状になっており、陥没部分の深さはbである。これはインダクタ断面の矩形の高さHよりも小さくなっている。この断面形状は配線層の下に形成された層間絶縁膜の表面形状を反映させることにより形成される。あるいは図2の凹凸形状を意図的に形成してもよい。
【0016】
このインダクタの断面形状による効果を図16に示した従来のコイル構造と比較して示す。コイルに交流電流を流すときには渦電流効果により抵抗が増大する。表皮効果による導体内部の電界は、導体表面からZの位置における次の電界強度の式で表すことができる。
【0017】
【数2】
【0018】
δ:表皮深さ、 μ:導体の透磁率、 σ:導体の導電率、
ω:電界の周波数
この式で、虚部は電界強度に寄与せず、電界の実効値は実部となる。導体表面(Z=0)での比抵抗をρとすると、Zにおける実効的な比抵抗ρZは、
【0019】
【数3】
【0020】
となり、Zの増大とともに大きくなる。
【0021】
さらに、図2において、L>Hと仮定すると、コイルの比抵抗ρcase2は、
【0022】
【数4】
【0023】
となる。2H+2Lの項はコイル表面の導体表面長を表している。ここで、アルミニウムを用いた配線で1GHzの電流を用いた場合、δ≒3μmとなり、比抵抗は2H+2Lの項に大きく依存する。図2と図16のそれぞれの断面のコイルの比抵抗を比較すると、図2の場合、上の式において2H+2Lの項が2(2b+L+H)に置き換わるので、
【0024】
【数5】
【0025】
だけ比抵抗は小さくなる。ここでρcase1は通常構造(図16)、ρcase2は本提案構造(図2)における比抵抗である。
【0026】
次に参考例1につき、シミュレーションで求めた効果を図3に示す。図3はコイル導体の材料をAl、導体幅Lを10μm、導体厚さHを1μm、凹部の幅aを6μmとした場合の凹部の深さ(b)と比抵抗の関係を示している。図3によれば、bを大きくするに応じて比抵抗は反比例的に小さくなるため、インダクタのQ値は大幅に向上する。
【0027】
(参考例2)図4は本発明の参考例2である、複数に分割されたコイルの平面図であり、図5はB−B´における断面図である。図5においては分割されたコイルがそれぞれ、相対する面において接触しているように描かれているが、実際には分割されたコイルのそれぞれはある程度の距離が置かれている。また、図4、5では1つのコイルを3分割しているが、2分割であってもよいし、また4分割以上であっても構わない。
【0028】
図6に、コイルに鎖交する磁界のコイル形成面における分布を示す。図6のデータについては、幅10μm、コイル間距離1μm、コイル厚さ2μm、コイル中心部距離8μmであるコイルに1アンペアの電流を流すことによって得ている。図に示されているとおり、コイル中心部における磁界が最大値となっており、コイルの外側に向かうに従って磁界が小さくなっていることがわかる。そしてコイルのある部分において磁界が極大値となっていることもわかる。この磁界が渦電流の発生の主な原因となるため、コイル幅を小さくすることにより、効果的に渦電流を抑制できる。
【0029】
図4のインダクタと図16のインダクタとのインピーダンスの比較を[表1]に示す。
【0030】
【表1】
【0031】
[表1]に示すとおり、Rtotalが2.96から2.60へと大きく改善されていることがわかる。以上より、コイルを分割することにより、渦電流を抑制することができる。
【0032】
(第1の実施の形態)図7は本発明の第1の実施の形態である、隣接したコイルのそれぞれが互いに異なる平面上に形成されたコイルの平面図であり、図8はC−C´における断面図である。図9は渦電流のコイル形成面に対する平行方向成分の分布を示す図である。図10は図8に示すコイルの磁力線の分布を示す図である。
【0033】
本実施の形態では、高さの異なる2つの平面に交互にコイル導体を形成することにより、図10に示すようにコイルに鎖交する磁束分布が変化し、コイル形成面に対し垂直な磁束成分が低減し、面内分布が大きくなる。この結果、渦電流のコイル形成面に対して垂直な成分が増加し平行な成分が減少する。渦電流損失は渦電流の大きさの2乗に比例するため、トータルの渦電流損失は低減する。つまりコイルに鎖交する垂直磁束成分を小さくすることで渦電流を低減できる。
【0034】
本実施の形態を表す図9には、一例として幅10μm、厚さ2μm、コイル間隔が1μmのAlコイルを、高さが2μmの差がある2つの平面に交互に形成された構造が示されている。この断面構造のインダクタと、従来の断面構造を有するインダクタとのインピーダンスの比較を[表2]に示す。
【0035】
【表2】
【0036】
図10に示すとおり、従来構造と比較し、渦電流のコイル形成面に対し平行な成分の減少が見られる。また、[表2]に示すとおり、Rtotalが2.94から2.75へと改善されていることがわかる。これは、前述のとおり、本実施の形態ではそれぞれを互いに異なる平面上に形成することにより、渦電流のコイル形成面に対し垂直な成分が増加し、平行な成分が減少するため、コイル内全体として、渦電流が低減することによるものと考えられる。
【0037】
(第2の実施の形態)図11は本発明の第2の実施の形態である、複数に分割され、かつ分割されたコイルのそれぞれが互いに異なる平面上に形成されたコイルの平面図であり、図12はD−D´における断面図である。図12においては分割されたコイルがそれぞれ、角部において接触しているように描かれているが、実際には分割されたコイルのそれぞれはある程度の距離が置かれている。また、図11、12では1つのコイルを3分割しているが、2分割であってもよいし、また4分割以上であっても構わない。
【0038】
本実施の形態では、参考例2と同様、導体表面長が長くなるため、参考例2の効果を満たすことが期待される。さらに、高さの異なる2つの平面に交互にコイル導体を形成することにより、コイルに鎖交する磁束分布が変化し、コイル形成面に対し垂直な磁束成分が低減し、面内分布が大きくなる。この結果、渦電流のコイル形成面に対して垂直な成分が増加し平行な成分が減少する。渦電流損失は渦電流の大きさの2乗に比例するため、トータルの渦電流損失は低減する。つまりコイルに鎖交する垂直磁束成分を小さくすることで渦電流を低減できる。
【0039】
本実施の形態における磁力線の分布図を図13に示す。磁力線は上下非対称となっており、磁束の垂直成分が小さくなっていることがわかる。従って、渦電流による抵抗値の上昇は小さいものと考えられる。
【0040】
図12に示すような、コイル幅9μmのコイルを3分割し、それぞれを互いに異なる平面上に形成した断面構造のインダクタと、図16に示すような従来の断面構造を有するインダクタとのインピーダンスの比較を[表3]に、また渦電流のコイル形成面に垂直な方向の成分について従来構造と比較したものを図14にそれぞれ示す。
【0041】
【表3】
【0042】
図14に示すとおり、第2の実施の形態における渦電流のコイル形成面に平行な方向の成分については、ピーク値が約2/3になり、大きく減少していることがわかる。また、[表3]に示すとおり、Rtotalが2.96から2.45へと改善されており、参考例2、第1の実施の形態以上に改善されていることがわかる。これは、前述のとおり、本実施の形態では、単にコイルを分割しただけでなく、それぞれを異なる平面上に形成したことによるものと考えられる。
【0043】
以上より、コイルを分割することにより、導体表面長が大きくなるため、コイルの比抵抗が小さくなる。さらに分割されたコイルをそれぞれ異なる平面上に形成したことにより、渦電流を抑制することができるため、コイルの抵抗を減らすことが可能となり、全体として大幅なコイル抵抗の減少を実現することができる。
【0044】
第4の実施の形態のインダクタの製造方法を図15に示す。まず、図15(a)に示すように半導体基板上の絶縁膜(第1の絶縁膜)表面に第1配線層と同一の層をパターニングすることにより第1のコイル10を形成する。そして、図15(b)に示すように第1のコイル10上に第1の層間絶縁膜11を形成する。
【0045】
第1の層間絶縁膜11形成後、第1のコイル端部が露出するようにコンタクトホール13(貫通孔)を開口する。開口後、図15(c)に示すように第1の層間絶縁膜11表面に第2配線層と同一の層をパターニングすることにより第2のコイル12を形成する。その際、コンタクトホール13は第2配線層と同一の層により埋め込まれる。
【0046】
本製造方法では、第1配線層と同一のパターンマスクを用いて第1のコイルをパターニングし、第2配線層と同一のパターンマスクを用いて第2のコイルをパターニングすることになるため、工程数を増やすことなく半導体チップ上にインダクタが搭載された構造の半導体装置を製造することが可能となる。
【0047】
【発明の効果】
本発明により、コイル抵抗を抑制することが可能となり、高いQ値のインダクタを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例1のインダクタの上面図。
【図2】図1のA−A´における断面図。
【図3】図1のインダクタの比抵抗を示す図。
【図4】本発明の参考例2のインダクタの上面図。
【図5】図4のB−B´における断面図。
【図6】コイルに鎖交する磁界のコイル形成面における分布図。
【図7】本発明の第1の実施の形態のインダクタの上面図。
【図8】図8のC−C´における断面図。
【図9】図8に示すインダクタ中に発生する渦電流のコイル形成面に平行な方向の成分を示す図。
【図10】図8に示すインダクタの磁力線の分布を示す図。
【図11】本発明の第2の実施の形態のインダクタの上面図。
【図12】図11のD−D´における断面図。
【図13】図11に示すインダクタの磁力線の分布を示す図。
【図14】図11に示すインダクタ中に発生する渦電流のコイル形成面に平行な方向の成分を示す図。
【図15】本発明の第1の実施の形態のインダクタの製造方法を示す図。
【図16】従来のインダクタの断面図。
【図17】従来のインダクタの磁力線の分布を示す図。
【符号の説明】
10 第1のコイル
11 第1の層間絶縁膜
12 第2のコイル
13 コンタクトホール
Claims (4)
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたインダクタと、
を備え、
前記インダクタのコイル部は、隣接するコイル部と異なる高さで前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成され、かつ前記コイル部には、前記隣接するコイル部に流れる電流と同一方向に電流が流されることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 前記コイル部と、前記コイル部と異なる高さで前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成された隣接するコイル部は、コンタクトを介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置。
- 半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたインダクタと、
を備え、
前記インダクタのコイル部は電流の流れる方向に沿って分割され、前記コイル部の複数に分割されたそれぞれの部分が異なる高さで前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成されるとともに、隣接するコイル部との間においては分割された部分同士が前記半導体基板の表面方向に互いにずれて形成され、かつ隣接する前記コイル部にそれぞれ同一方向の電流が流れることを特徴とする半導体集積回路装置。 - 前記インダクタは、高周波部品に使用されることを特徴とする請求項1乃至3記載の半導体集積回路装置。
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