JP2007537585A - 平面インダクターおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高いＱ値および低い直列抵抗を有するインダクターを提供する。
【解決手段】平面インダクターは基板（３００、３１０）の上に金属元素（１１−１４）を含み、該金属元素は、該元素の少なくとも一つの面（２）から該元素に沿っておよび該元素まで延びる少なくとも一個の溝（２０）を備える。該溝（単数または複数）（２０）は、基板（３００、３１０）の表面に対して略直角方向に延び、より高いＱ値を提供するとともに、より低い直列抵抗もまた達成される。インダクターは溝の付いた層（１１、１３、１４）および溝の付いていない層（１２）を含んでもよい。本発明はまたインダクターの製造方法にも関する。
【選択図】図２

Description

本発明はインダクター、とりわけ集積回路に用いられる種類の金属の平面インダクターに関する。

多くの種類のインダクターが公知である。集積回路（ＩＣ）において最も一般的なインダクターの種類は、螺旋または類似の構造を備えた平面インダクターである。図１Ａおよび１Ｂは、いわゆるビア２０１を介して金属インダクター２００に接続された先行技術のインダクター１００の平面図および垂直断面図である。製造技術および製造方法に応じて、インダクターは、通常は同一の金属から成る複数の（この場合二層の）金属層１０１および１０２から構成しうる。これは通常、たとえばＣＭＯＳまたはバイポーラＩＣを用いた集積回路を製造する場合にあてはまる。通常はいかなる場合においても、大部分の公知の先行技術のＩＣインダクターでは、金属部（またはより厳密に言えば、金属部分の各断面）は略長方形の断面を有する。

この種の半インダクター集積平面インダクターは通常、相対的に低いＱ値を有する。また近年これらインダクターはサブマイクロ工程で製造されるため、インダクターの直列抵抗が、携帯電話装置への適用といった高周波数の適用にとっては深刻な問題となりうる。

通常、直接抵抗を低下させるためには、導電性の良好な材料を用いてインダクターの金属層を形成する。また、幅の広い金属層を有するインダクターも使用しうるが、このような幅の広い層は、インダクターを形成する基板に対する寄生容量が大きい傾向がある。

さらに、インダクター自体から生成される熱も、電力増幅器といった高電流を伴う適用に発生するもう一つの問題である。

インダクターに高周波信号を印加する時、インダクターの直列抵抗は下記の式で表される表皮効果と関連している。

ここで、ρは抵抗率、ωは角周波数、ｆは周波数およびμは透過性である。

表皮効果の結果、高周波信号がインダクターの金属の表面近傍を流れる。このことはインダクターの高周波抵抗（コンダクタンス）がインダクターの金属の表面積に依存することを示唆している。ここでこの表面積が増加すると表皮効果は低下し、したがってインダクターの直列抵抗も低下する。

反対に、インダクターのＱ値は下記の式で表すことができる。

ここで、Ｌはインダクタンス、Ｒは抵抗、Ｓは表面積およびＩはインダクターの長さである。このようにしてＱ値もまた表面積に依存している。表面積が増加すると、Ｑ値は増加する。

高いＱ値は、多くの状況において重要である。たとえば高周波回路において、インダクターはたとえばフィルター中でマッチング部品として使用されることが多く、インダクターの周波数選択が重要である。Ｑ値の高い部品は良好な周波数特性を有する。

特開平８−２８８４６３号公報および特開平９−２５１９９９号公報はともに、「側面」に溝、すなわち、基板の表面に対して略平行方向に金属本体へと進入する溝を備えた、基板の上の金属インダクターを開示している。（これら溝は「水平」溝と呼ぶこともできる。）基本的に、これら溝が原因となって、表面積が若干増加し、このようにして直列抵抗の低下およびインダクターのＱ値の増加を提供しうる。しかし通常は、基板に対して直角方向（「垂直」方向）への金属層の延長は非常に小さい（多くの場合、０．５μｍ未満）。このように、これら先行技術文書に開示されたアプローチを使用すると、十分な「深さ」を有する（金属層の深くへと進入する）多数の溝を提供することは困難と思われる。

さらに、特開平８−２８８４６３号公報および特開平９−２５１９９９号公報はフォトリソグラフィを用いて形成される。定在波を生じさせる放射によって、穴が「型」の壁内に生成され、該「型」に金属が充填されると、金属の壁中に対応する溝を生じさせる。この方法は、集積回路用の平面インダクターを生成する従来方法の一部を形成するものでない。

本発明は、表皮効果を考慮の上、インダクターの表面積を大幅に増加させることによって、（比較的）高いＱ値および（比較的）低い直列抵抗を有するインダクターを提供することを目的とする。

本発明の第１の実施態様は、基板の上に金属元素を含み、該金属元素が、該元素の少なくとも一方の表面から該元素へと該元素に沿って延びる少なくとも一個の溝を備えた平面インダクターに関する。本発明によると、該少なくとも一個の溝は、基板の表面に対して略直角の方向に元素へと延びることを特徴とする。該少なくとも一個の溝が基板の表面に対して略直角方向に元素へと延びる。

通常、インダクターを構成する金属元素（または層）の「幅」（すなわち、基板の表面に対して平行方向への該元素の一部の断面の延長部分）は、「高さ」（基板に対して直角方向への延長部分）よりも大きい。したがって、基板に対して直角方向に溝を作成することによって、上記に概説した目的（すなわち、金属元素の一般外側寸法を増加させることなく達成された金属表面積、すなわち基板の表面に対して平行な二次元平面において金属元素が閉める空間が大きいことを理由とする、高周波時の高いＱ値およびより低い直列抵抗）を達成するために十分な「深さ」および「幅」を有する溝を提供することがより簡単となる。

さらにこの態様において、溝は、平面インダクターを製造する従来の方法の枠内において、および上記に論じた先行技術の参考文献に開示された特定のフォトリソグラフィーを適用する必要なしに、簡単に生成することができる。

さらに、溝の幅および長さといった、金属元素の具体的な設計および寸法は、鋳造工程規則の範囲内でおよび従来の製造工程を用いて、インダクターの所望の特徴に応じて簡単に変化しおよび適応することができる。

このようにして本発明は、平面インダクターの導電性元素の有効表面積を増加させ、高周波数において、対応するインダクターの直列抵抗を低下させおよびＱ値を増加させる簡単に実装されおよび自由度の高い方法を提供する。

インダクターは、それぞれが基板と平行方向に延びる少なくとも二層の重なり合った（好ましくは同一の金属から成る）金属層を含むことによって、該層のうち少なくとも一層が一個または複数の該溝を備える層をなすインダクターであってもよい。インダクターを構成する金属元素の構造によって、従来の層構造ＩＣ工程を用いて溝を形成しおよびその（「高さ」または「深さ」といった）寸法を求めることができるため、この構造は有利でありうる。これによって従来の工程を用いた簡単な実装、および溝の寸法の選択における実装の簡単な自由度を提供する。「より深い」溝を得るために、追加の「溝の付いた」層を単に追加することができる。

好適な実施形態の説明から簡単に理解できるように（後述部を参照）、また、層の使用は、「溝の付いた」および「溝の付いていない」層を選択的に塗布することによって、溝の寸法を厳密に求めることが可能になる。

当然のことながら一枚の金属層を使用して、溝を、たとえば該金属層中で該溝を所望の深さまでエッチングすることによって提供することも可能である。しかしこの方法は、たとえば、溝の所望の寸法を厳密に求めるやり方に関してはあまり好ましくないと思われる。

インダクターが重なり合った層に基づく平面インダクターである場合、一層またはそれ以上の該層は該溝（単数または複数）を備えていなくてもよい；溝の付いたおよび溝の付いていない層の数の選択は、表面積の最適化および（所定幅等を有する層中における所定の工程によって得ることができる溝の数といった）工程要件に基づいてもよい。当業者は、工程、材料および寸法の要件に鑑みると、層および溝の最適数およびそれらの寸法を選択することができる。

たとえばインダクターが金属層から構成されている場合、溝（単数または複数）は、該層の全体を該層の第１の表面から該層の第２の表面へと延び、該インダクターの別の層まで到達してもよい。このようにしてインダクターは、完全に溝の付いた層（内部で溝が一方の表面から反対の表面へと到達する層）および全く溝のない層から構成されてもよい。溝の深さは溝の付いた層の高さの合計に厳密に相当する。

インダクターが、溝（単数または複数）が、該インダクターの一表面から、該層のうち少なくとも二層の全体に到達し、溝を備えていない層まで到達している、少なくとも三層の金属層を含んでもよい。

インダクターは、溝を備えていない層が溝を備えた層の間に挟まれている、少なくとも三層の金属層を含んでもよい。

インダクターは、螺旋形状のインダクター、すなわち（基板の面内に）螺旋形状を有するインダクターであってもよい。好ましくは、溝（単数または複数）は、インダクターの螺旋形状に対応する螺旋形状も有し、すなわち、溝はインダクターの経路に追従する。

溝は好ましくは略平面内に配置される。

（層から構成されるかまたは構成されない）金属元素は、略長方形の断面を有しうる。

表面積を十分増加させるため、溝は、金属元素の「高さ」の少なくとも５０％に相当する程度まで（すなわち、基板の表面に垂直方向への延長部分まで）金蔵元素へと延びてもよい。

溝が金属元素の「高さ」の少なくとも７５％に相当する程度まで金属元素へと延びることが好ましい。

本発明の別の実施態様は、
金属元素を基板の上に塗布しまたは蒸着する工程；および
該金属元素に溝を提供する工程
を含む、平面インダクターを製造する方法に関する。

本発明の本実施態様によると、溝は基板の表面に対して略垂直方向に金属元素へと延びるようにされる。

金属元素を基板の上に塗布する工程が、少なくとも一層の金属層を基板の上に塗布する工程を含んでもよく；および
金属元素に溝を提供する工程が、
該少なくとも一層の金属層の上に非金属材料を塗布する工程；
該非金属材料中に溝を形成し、該溝は該非金属材料製の隔壁によって分離されている工程；
該溝に金属を充填し、これによって溝の付いた金属層を形成する工程
を含んでもよい。

図２Aおよび２Bは、本発明の実施形態による、いわゆるビア２０１によって金属インダクター２００に接続された螺旋形状の平面インダクター１のそれぞれ平面図および垂直断面図である。インダクターは、（アルミニウム、銅またはタングステンといった）同一金属から成る二層の金属層１１および１２から構成される螺旋形状の金属元素を含む。インダクターは、該元素の一方の表面２から該元素へと、金属元素に沿って、基板の表面に対して略直角方向に延びる。（一方、金属層は基板の表面と平行に、基板に沿って延びる。）図示した実施形態において、溝は金属層のうち一層１１を通過し、他方の金属層１２の表面に到達する。

このようにすると、図２Aおよび２Bを図１Aおよび１Bを比較すると、溝を組み込むことによって、螺旋形経路の延長方向における長さ単位あたりのインダクターの金属表面が、インダクターの一般外側寸法（高さ、長さ、幅）のいずれも、またはインダクターの各「巻き線」の断面の高さおよび幅、または螺旋に続く巻き線と巻き線との間の距離にも変化なく増加したことは明らかである。金属表面が増加したため、上述したようにインダクターの直列抵抗は減少しそのQ値は増加した。

溝の具体的な寸法は多くの因子に依存してもよく、装置の最適な性能および製造工程の簡便さを得るために変化してもよい。

図２Aおよび２Bに示す構造は、（図示しない）基板の上に金属インダクター２００の層を塗布することを開始して形成することができる。次に、（図示しない）絶縁層を塗布し（通常は、該絶縁層は二酸化ケイ素または何らかの誘電体から成る）、該絶縁層に穴が形成され、穴は（アルミニウム、銅またはタングステンといった）金属で充填され、ビア２０１を形成する。絶縁層の上部には、「溝の付いていない」金属層１２が塗布され、その上部には「溝の付いた」金属層１１が塗布される。

図２Aおよび２Bに示す実施形態では、溝は金属元素の全部まで到達せず、該元素を上側の金属層１２の高さに相当する所定の深さまで貫通のみである。当然のことながら、金属元素の上側の表面２（「溝の付いた」表面）を反対側の表面３（図２Bの「溝の付いていない」表面）まで最後まで溝を貫通させることによって、図３Aに示すように互いに分離した平行な金属経路または金属の糸を形成してもよい。本実施形態は場合によっては、実装がより簡単であってもよいが、図３Aと３Bとを比較するとわかるように最大の金属表面を提供しない。

図３Aおよび３Bは、図２Aおよび２Bの断面とちょうど同じく、それぞれ、二層の金属層１１および１２／１２ａをそれぞれ含み、（基板の表面に対して直角な）「垂直の」溝を備えた平面インダクターの断面を示す。しかし、図３Ａにおいて溝はインダクターの上側の表面から下側の表面へと延びる。図３Ａおよび３Ｂにおいて、ａは下側の層１２／１２ａの高さを表し（本明細書中で出願人らは、水平方向に延びる基板表面の上にインダクターが位置すると仮定する）、ｂは上側の層１１の高さを表し、ｓは溝の幅を表し、およびｗは溝によって分離される金属元素の幅を表す。

インダクターの断面の金属部の全周囲Ｐは下記の方法で計算することができる。
Ｐ_3A＝４×［２×（ａ＋ｂ＋ｗ）］＝８×（ａ＋ｂ＋ｗ）

インダクターへと距離ｂ（すなわち、上側の層１１までであって下側の層１２は貫通しない）のみ延びる溝を有する図３Ｂのインダクターは
Ｐ_3B＝２×（４ｗ＋３ｓ）＋２×（ａ＋ｂ）＋６ｂ＝２ａ＋８ｂ＋８ｗ＋６ｓ

このよう外周の差は
Ｐ_3B−Ｐ_3A＝２ａ＋８ｂ＋８ｗ＋６ｓ−（８ａ＋８ｂ＋８ｗ）＝６（ｓ−ａ）
である。

実際の実施形態において、「ｓ」を「ａ」よりも大きくする（実際は多くの場合ａは０．５μｍ未満である）ことのほうが簡単な場合が多い。これによって、金属元素の全部（層の全体を）を貫通していない溝を用いてより大きな外周が得られる。

また、金属インダクターが接続される隣接する金属線と金属インダクターとの接続も考慮しなければならない。溝のない接触層は、端部においてより良好な接続特性を提供するため有利でありうる。

図４Ａおよび４Ｂは追加の層を含む代替的な設計を示す。図４Ａでは、追加の層１３は層１２の上に載置され、「より高い」インダクターおよび「より深い」溝を提供した。図４Ｂは、追加的な層１４が、溝の付いていない層１２の「下」面に追加された（溝の付いた層と層との間に溝の付いていない層を有する「サンドイッチ」構造を生成する）実施形態を示す。層の数、およびどの層に溝を付けるかは、インダクターにとって好ましい特定の特性を鑑みて、利用可能な空間を鑑みて、および所望の製造工程を鑑みて、決定することができる。

当然のことながら、インダクターの金属部は必ずしも複数の層から構成されていない。該層まで到達する溝が形成された単一の層を含む（状況に応じて、上側の表面から下側の表面まで全部を貫通する場合も）金属部もまた、本発明の実施に役立つ。しかし、複数の層を使用することは実際的な見地からみて有利でありうる。その理由は、部品を製造するこの方法−すなわち、所望の高さに到達するまで複数の層を塗布する方法は、たとえば従来のＣＭＯＳまたはバイポーラＩＣ処理において一般に使用されているからである。

このような工程の例の概略が図５Ａ−５Ｅに示され、該図は、製造工程の後続するステップにおける、本発明の実施形態による平面螺旋形状のインダクターの断面のうちいくつかの断面図である。

図５Ａは、二酸化ケイ素の層３１０がシリコン基板３０２の上に蒸着された第１の工程を示す。

第２の工程では、第１の金属層が二酸化ケイ素層の上側の層の部分に塗布され、結果を図５Ｂに示す。

図５Ｃは、後続する工程において、該第１の金像層と後続の層との間に絶縁を提供するため、第２の二酸化ケイ素の層３２０が第１の二酸化ケイ素の層３１０および第１の金属層１２に塗布される様子を示す。

後続する工程では、該第２の二酸化ケイ素の層３２０中に溝３３０が従来の方法で形成され、これによって図５Ｄに示す構造が生成され、該構造では該溝３３０が二酸化ケイ素から成る隔壁３２５によって分離されている。

次に金属をこれら溝３３０に塗布し、これによって層１１（「溝の付いた」層）および１２（「溝の付いていない」溝）によって形成された金属インダクター中の溝２０に対応する二酸化ケイ素３２５によって分離された第２の金属層１１を提供する。

こうしてこのような方法で、たとえば従来のＣＭＯＳまたはバイポーラＩＣ工程を用いて層を追加することによって、任意の数の層および該層を通って延びる溝を有する平面インダクターを達成することができる。

本明細書の説明および請求項全体において、単語「含む」および「含んでいる」といったこの単語の変形は、他の混和物、部品、数、工程を除外することを意図していない。

本発明はインダクター、とりわけ集積回路に用いられる種類の金属の平面インダクターに利用することができる。

最先端の技術による金属の平面螺旋形状のインダクターの平面図および断面図をそれぞれ示す図。 本発明の実施形態による金属の平面螺旋形状のインダクターの平面図および断面図をそれぞれ示す図。 本発明の二つの代替実施形態の断面を示す図。 本発明のさらに別の二つの実施形態の断面を示す図。 本発明の好ましい実施形態による製造工程の後続するステップにおける、本発明の実施形態による平面インダクターの断面の断面図。

符号の説明

３００、３１０・・基板、１１−１４・・金属元素、２０・・溝、１１、１３、１４・・溝の付いた層、１２・・溝の付いていない層。

Claims (14)

1. 基板（３００、３１０）の上に金属元素（１１−１４）を含み、前記金属元素は、前記元素の少なくとも一方の表面（２）から前記元素へと前記元素に沿って延びる少なくとも一個の溝（２０）を備えた平面インダクターであって、前記少なくとも一個の溝（２０）が基板の表面に対して略直角方向に元素へと延びたことを特徴とする平面インダクター。
2. 金属元素が、それぞれが基板と平行方向に延びる少なくとも２層の重なり合った金属層（１１、１２、１３、１４）を含むことによって、前記層のうち少なくとも一層（１１、１３、１４）が前記少なくとも一個の溝（２０）を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の平面インダクター。
3. 前記層のうち少なくとも一層（１２）が前記少なくとも一個の溝を備えていないことを特徴とする、請求項２に記載の平面インダクター。
4. 前記層（１１、１３、１４）のうち少なくとも第１の層中において、前記少なくとも一個の溝が、前記インダクターの前記層の全体を前記層の第１の表面から前記層の第２の表面へと延び、前記インダクターの第２の（１２）層まで到達したことを特徴とする、請求項２および３のいずれかに記載の平面インダクター。
5. 金属元素が、前記少なくとも一個の溝（２０）が、前記層のうち少なくとも二層（１１，１３）の全体を、前記インダクターの一表面（２）から、前記少なくとも一個の溝を備えていない層（１２）まで到達した、少なくとも三層の金属層（１１、１２、１３）を含んだことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
6. 金属元素が、前記少なくとも一個の溝を備えていない層（１２）が前記少なくとも一個の溝（２０）を備えた層（１１、１４）の間に挟まれている、少なくとも三層の金属層（１１，１２，１４）を含んだことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
7. インダクターが螺旋形状を有し、前記少なくとも一個の溝も同じくインダクターの螺旋形状に対応した螺旋形状を有することを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
8. 前記少なくとも一個の溝が複数の溝（２０）を含んだことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
9. 前記溝が互いに略平行であることを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
10. 前記金属元素が略長方形の断面を有したことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
11. 溝が、金属元素の高さの少なくとも５０％に相当する程度まで、基板の表面に対して直角方向に金属元素へと延びたことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
12. 溝が、金属元素の高さの少なくとも７５％に相当する程度まで、基板の表面に直角方向に金属元素へと延びたことを特徴とする、前記いずれかの請求項に記載の平面インダクター。
13. 金属元素（１１、１２）を基板（３００、３１０）の上に塗布する工程；および
    前記金属元素に溝（２０）を提供する工程
    を含み、
    溝（２０）が基板（３００、３１０）の表面と略直角方向に金属元素へと延びるようにされたことを特徴とする方法。
14. 金属元素を基板（３００、３１０）の上に塗布する工程が、少なくとも一層の金属層（１２）を基板の上に塗布する工程を含み；および
    金属元素に溝を提供する工程が、
    前記少なくとも一層の金属層（１２）の上に非金属材料（３２０）を塗布する工程；
    前記非金属材料中に溝（３３０）を形成し、前記溝は前記非金属材料（３２０）製の隔壁（３２５）によって分離されている工程；
    前記溝（３２５）に金属を充填し、これによって溝の付いた金属層（１１）を形成する工程
    を含んだことを特徴とする請求項１３の方法。

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