專利名稱：螺旋形電感器和變壓器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及螺旋形電感器(SPIRAL INDUCTOR)和變壓器(TRANSFORMER)。
背景技術(shù)：
手機等攜帶終端要求更小型而且具有高性能。為此，組裝于攜帶終端的例如高頻器件等裝置的小型化、高性能化得到發(fā)展。
在攜帶終端無線LAN(局域網(wǎng))，發(fā)射頻率多使用吉赫頻帶。過去，在利用吉赫頻帶的收發(fā)信的模擬回路中使用的半導(dǎo)體裝置形成在砷化鎵基板上。
然而，硅CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)的微細化得到發(fā)展，在硅基板上的可工作頻率提高，與此相隨，吉赫頻帶用的半導(dǎo)體裝置也可使用硅基板制作。通過形成于硅基板上，可比形成于砷化鎵基板上可更廉價地制造。另外，存在可在1塊基板上形成過去制作在硅基板上的數(shù)字回路和用于收發(fā)信的的模擬回路的優(yōu)點。
作為用于模擬回路的重要的無源元件，具有螺旋電感器。螺旋電感器的直徑為數(shù)10μm～數(shù)100μm，與晶體管等有源元件相比，占用非常大的面積。因此，為了使具有模擬回路的半導(dǎo)體裝置小型化，如可減小螺旋電感器，則更有效。
過去的標準的螺旋電感器由螺旋配線、下穿配線、及插塞配線形成，該螺旋配線由用配置成螺旋狀的導(dǎo)電膜層構(gòu)成的配線形成，該下穿配線從該螺旋配線的內(nèi)側(cè)的端部引出到外側(cè)，該插塞配線電連接螺旋配線和下穿配線。
螺旋電感器在設(shè)于半導(dǎo)體基板上的絕緣膜上形成。作為導(dǎo)電膜層，在砷化鎵基板上例如使用金或金合金，在硅基板上，例如使用鋁、鋁合金或銅等。
如上述那樣，通過硅CMOS的微細化，使得在可用于吉赫頻帶(GHz帶)的高頻模擬回路的制作中可使用硅基板，從而使半導(dǎo)體裝置的小型化得到發(fā)展，但為了進行半導(dǎo)體裝置的橫向的微細化，需要減小用于模擬回路的導(dǎo)電膜層的厚度。這樣，螺旋電感器小型化，但當減薄導(dǎo)電膜層的厚度時，螺旋電感器的電阻值增大，性能下降。
因此，作為其解決對策，過去提出有下述那樣的方法。
例如，在J.N.Burghartz等，“標準多級配線硅技術(shù)中的微波電感器和電容器”，IEEE TRANSACTION ON MICROWAVE THRORYAND TECHNOLOGYS，VOL.44，p.100-104，1996中示出的過去的螺旋電感器使用鋁和銅的合金的4層導(dǎo)電膜層制作。半導(dǎo)體基板使用硅基板，在其上的絕緣層上在其間夾有絕緣層地重疊第1導(dǎo)電膜層～第4導(dǎo)電膜層。螺旋配線由插塞配線并聯(lián)各導(dǎo)電膜層而形成。
這樣，通過并聯(lián)2層以上的導(dǎo)電膜層形成螺旋配線，從而降低螺旋配線的電阻值，提高螺旋電感器的性能。
在該過去的螺旋電感器中，下穿配線由第1導(dǎo)電膜層形成，與螺旋配線由插塞配線進行電連接。
另外，例如在日本特開平9-181264號公報所示的過去的螺旋電感器中，由第2導(dǎo)電膜層形成螺旋配線，由位于其下方的第1導(dǎo)電膜層形成下穿配線。另外，由形成第1導(dǎo)電膜層的下穿配線的區(qū)域以外的部分形成螺旋配線，與由第2導(dǎo)電膜層形成的螺旋配線并聯(lián)。
這樣，在該過去的螺旋電感器中，對于螺旋配線中的并聯(lián)多個導(dǎo)電膜層的部分，導(dǎo)電膜層實質(zhì)上變厚，所以，降低了電阻值。
然而，在這些過去的螺旋電感器中，下穿配線和與上述第2已有技術(shù)例的下穿配線交叉的區(qū)域的螺旋配線由較少的導(dǎo)電膜層形成，所以，該部分的電阻值不能下降。
另外，在大部分電流流到螺旋電感器的場合，存在以下那樣的問題。
在將螺旋電感器用于例如無線通信的發(fā)送回路的那樣的大部分電流流動的回路的場合，與提高螺旋電感器的性能相比，防止電遷移(斷線)的發(fā)生成為更為重要的課題。電遷移由配線中的電子流使配線中的金屬原子移動、引起缺陷而發(fā)生。
在上述過去的螺旋電感器中的由較少導(dǎo)電膜層形成的部分，易于發(fā)生電遷移。具體地說，由上述J.N.Burghartz等人公開的螺旋電感器中的下穿配線、由日本特開平9-181264號公報公開的螺旋電感器中的下穿配線和與其交叉的螺旋配線的部分就屬于這樣的部分。因此，即使螺旋配線部分由2層或其以上的導(dǎo)電膜層形成，從可靠性考慮，在該螺旋電感器中，也僅是可在由1層形成的下穿配線部分流動的電流可流動。
在過去的螺旋電感器中，為了防止電遷移，可考慮以下那樣的方法。
1個方法是增大下穿配線的寬度，提高下穿配線部分的電遷移阻力。然而，當增大接近半導(dǎo)體基板的下穿配線的寬度時，下穿配線與半導(dǎo)體基板之間的寄生容量與其成比例地增加，螺旋電感器的性能降低。另外，由于螺旋配線與下穿配線的相向面積也增大，所以，存在于其間的寄生容量也增加，這也成為螺旋電感器的特性變差的原因。
作為別的方法，還具有這樣的方法，即，并聯(lián)最接近半導(dǎo)體基板的2層導(dǎo)電膜層，形成下穿配線，螺旋配線僅由最上層形成。按照該方法，下穿配線成為2層，電遷移的阻力增大。另外，與上述的方法相比，可抑制由下穿配線帶來的寄生容量的增加。然而，為了獲得與由2層形成螺旋配線的場合相同的電感，需要在增大配線的寬度的同時增大螺旋配線的直徑，從而需要使面積相應(yīng)增大。
為了這樣在過去的螺旋電感器中防止電遷移，寄生容量增加，性能變差，或螺旋配線的面積增大。即，存在必須犧牲性能或面積任一方的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了解決上述那樣的問題而作出的，其目的在于獲得可抑制電遷移、不降低螺旋電感器的性能而且小型的螺旋電感器。
本發(fā)明的螺旋電感器由在半導(dǎo)體基板上夾住絕緣體配置的n層(n≥2)的導(dǎo)電膜層形成；其中具有螺旋配線和下穿配線，該螺旋配線通過將電連接的沿上下方向鄰接的i層(2≤i≤n)的導(dǎo)電膜層配置成螺旋狀而形成，該下穿配線由電連接的沿上下方向鄰接的k層(1≤k≤n-1)的導(dǎo)電膜層形成，電連接于螺旋配線的內(nèi)側(cè)的端部；在螺旋配線與下穿配線交叉的部分，形成螺旋配線的導(dǎo)電膜層中的沿上下方向鄰接的j層(1≤j＜i)用作形成下穿配線的導(dǎo)電膜層，與下穿配線交叉的部分的螺旋配線中的寬度最狹小的部位的寬度比不與下穿配線交叉的部分的螺旋配線中的寬度最狹小的部位大。
這樣，可抑制電遷移，同時，不降低螺旋電感器的性能，而且可獲得小型的螺旋電感器。


圖1為本發(fā)明實施形式1的從上面觀看螺旋電感器的示意圖。
圖2為示出本發(fā)明實施形式1的螺旋電感器的配線的尺寸的圖。
圖3為本發(fā)明實施形式1的螺旋電感器的配線的透視圖。
圖4為本發(fā)明實施形式1的螺旋電感器的配線的分解透視圖。
圖5為圖1的A-B方向的斷面圖。
圖6為本發(fā)明實施形式2的從上面觀看螺旋電感器的示意圖。
圖7為本發(fā)明實施形式2的螺旋電感器的配線的透視圖。
圖8為本發(fā)明實施形式3的從上面觀看螺旋電感器的示意圖。
圖9為本發(fā)明實施形式3的螺旋電感器的透視圖。
圖10為本發(fā)明實施形式4的從上面觀看螺旋電感器的示意圖。
圖11為本發(fā)明實施形式4的螺旋電感器的配線的透視圖。
圖12為本發(fā)明實施形式4的簡化了螺旋電感器的圖。
圖13為本發(fā)明實施形式5的從上面觀看變壓器的示意圖。
圖14為本發(fā)明實施形式5的變壓器的透視圖。
圖15為本發(fā)明實施形式5的簡化了變壓器的圖。
具體實施例方式
下面為了更詳細地說明本發(fā)明，參照

用于實施本發(fā)明的最佳形式。
實施形式1圖1為實施形式1的從上面觀看螺旋電感器100的示意圖。圖3為螺旋電感器100的透視圖，圖4為用于說明配線間的位置關(guān)系的沿上下方向分割螺旋電感器100的透視圖。另外，圖5為圖1的A-B方向的斷面圖。
如圖3、圖4、圖5所示，螺旋電感器100在半導(dǎo)體基板80上設(shè)置形成第1金屬配線30、第2金屬配線40、第3金屬配線50的導(dǎo)電膜層。在各導(dǎo)電膜層間設(shè)置例如厚1μm的絕緣體90。第2金屬配線40如圖4所示那樣由金屬片40a、40b、40c形成。
另外，螺旋電感器100如圖4所示那樣由下穿配線10和螺旋配線20構(gòu)成。
下穿配線10如圖4所示那樣，通過由多個第1觸頭配線60并聯(lián)第1金屬配線30與金屬片40c而形成。
螺旋配線20如圖4所示那樣，在正下方具有下穿配線10的部位，僅由第3金屬配線50構(gòu)成，在正下方的沒有下穿配線10的部位，由第2觸頭配線70并聯(lián)第3金屬配線50與第2金屬配線40而形成。
圖2為示出螺旋電感器100的配線的尺寸的圖。如圖所示那樣，形成螺旋配線20的第3金屬配線50的寬度在正下方的沒有下穿配線10的直線部例如為20μm。另一方面，在正下方的存在下穿配線10的直線部例如設(shè)為30μm，寬度增大。
另外，關(guān)于第2金屬配線40，對形成螺旋配線20的部分(金屬配線40b、40c)將寬度形成為20μm，關(guān)于形成下穿配線10的部分(金屬配線40a)，形成30μm。形成下穿配線10的第1金屬配線30的寬度為30μm。
這樣，關(guān)于螺旋配線20，并聯(lián)第3金屬配線50與第2金屬配線40的部分形成為較窄的寬度(20μm)，僅由第3金屬配線50形成的部分形成得較寬(30μm)。另外，由第1金屬配線30和第2金屬配線40形成的下穿配線10的寬度為30μm。
通過增大這樣由較少的層形成的部分的寬度，在螺旋電感器100的任何部分，都可不發(fā)生電遷移。另外，按照該構(gòu)成，可避免下穿配線10的寬度變得過寬導(dǎo)致的寄生容量的增加的問題。另外，可進一步減小螺旋電感器100所占面積。
各配線的寬度從使螺旋電感器100小型化的觀點出發(fā)，最好選擇不發(fā)生電遷移的下限的寬度。
另外，在實施形式1中，如圖5所示那樣，螺旋電感器100由絕緣體90圍住，但如各金屬配線的構(gòu)造受到支承而且被絕緣，則也可為例如多個絕緣體的疊層構(gòu)造。另外，也可為一部分空心或包含與螺旋電感器100絕緣的導(dǎo)電體的構(gòu)造。
另外，各金屬配線與觸頭配線可由不同的材料形成，也可例如使用銅的金屬鑲嵌構(gòu)造那樣由相同材料同時形成。
另外，在該實施形式1中，雖然觸頭配線為圓筒狀的導(dǎo)電體，但如可電連接上下的配線間，則也可為其它形狀。例如，也可為由導(dǎo)電體充填沿螺旋配線的配線方向設(shè)置的槽的那樣的板狀的觸頭配線。
另外，也可通過綜合調(diào)整形成第1～第3的金屬配線的導(dǎo)電膜層的厚度，從而決定各配線構(gòu)造。例如，如使最上層(第3金屬配線50的導(dǎo)電膜層)增厚，則配線的寬度可更窄。
另外，在實施形式1中，作為半導(dǎo)體基板使用了硅基板，但例如也可使用SiGe基板或?qū)盈B了多種半導(dǎo)體的基板或在其間夾住絕緣體的SOI(絕緣體硅)那樣的基板。
如以上那樣按照該實施形式1，在具有3層的導(dǎo)電膜層的螺旋電感器100中，對于下穿配線10處于正下方的部位，增大配線寬度，以代替由1層的導(dǎo)電膜層形成螺旋配線20；對于正下方?jīng)]有下穿配線10的部位，減小配線的寬度，以代替由2層的導(dǎo)電膜層形成螺旋配線20，所以，可在螺旋電感器100的各部抑制電遷移，同時，不降低螺旋電感器100的性能，而且可抑制面積的增加。
螺旋電感器100不限于具有3層導(dǎo)電膜層的構(gòu)成，如為2層或其以上，則也可具有任意層數(shù)的導(dǎo)電膜層。即使在具有3層或其以上的導(dǎo)電膜層的場合，也不需要將其所有的導(dǎo)電膜層用于螺旋配線，只要使用2層或其以上的任意的導(dǎo)電膜層形成螺旋配線即可。此時，最好使用從半導(dǎo)體基板離開的上層的導(dǎo)電膜層構(gòu)成螺旋電感器，從而可減少半導(dǎo)體基板與螺旋電感器之間的寄生容量，可獲得更高性能的螺旋電感器。
實施形式2螺旋電感器的外形不限于實施形式1那樣的四邊形，也可為五邊形或其以上的邊數(shù)的多邊形。另外，螺旋電感器的2個端子的方向不限于如實施形式1那樣的180度。
例如也可如圖6和圖7所示螺旋電感器200那樣，由八邊形的形狀朝90度的方向引出端子。關(guān)于圖中的符號，與圖1和圖3相同的符號表示相同的構(gòu)成要素。
如圖所示那樣，對于下穿配線10處于正下方的直線部分(八邊形的1邊)，配線寬度比在正下方?jīng)]有下穿配線10的直線部分大。
這樣，無論螺旋電感器的外形和端子的方向如何，都可獲得與實施形式1同樣的效果。
實施形式3另外，螺旋電感器的外形也可如圖8和圖9所示螺旋電感器300那樣由曲線形成。關(guān)于圖中的符號，與圖1和圖3相同的符號表示相同的構(gòu)成要素。
如圖8所示那樣，通過由第2觸頭配線70連接第2金屬配線40與第3金屬配線50，從而在形成螺旋配線20的部位，圖的上半部的配線寬度變窄。對于僅由第2金屬配線40形成螺旋配線20的部位，按一定的較寬的寬度形成。
配線寬度不同的部分相互的連接最好如圖8和圖9所示那樣平滑地改變配線寬度地連接。
螺旋電感器300的對電遷移的阻力在螺旋配線各部(2層部分和1層部分)按寬度最窄的部分的值考慮即可。
這樣，即使螺旋電感器的外形由曲線形成，也可獲得與實施形式1同樣的效果。
實施形式4實施形式1～3都為2端子螺旋電感器，但也可在螺旋電感器的途中具有1個或其以上的引出線。
圖10為本發(fā)明實施形式4的從上面觀看螺旋電感器40的示意圖。圖11為螺旋電感器400的透視圖。螺旋電感器400具有2層導(dǎo)電膜層，由上側(cè)的導(dǎo)電膜層形成第2金屬配線41，由下側(cè)的導(dǎo)電膜層形成第1金屬配線31。
螺旋電感器400具有第1下穿配線11(端子Y)和第2下穿配線12(端子Z)。端子Z為從螺旋配線的途中的引出線，端子Y為螺旋配線的內(nèi)側(cè)的端的端子。螺旋電感器400可如圖12所示那樣簡化地表示。
第1下穿配線11和第2下穿配線12由第2金屬配線31的一部分形成。
另外，螺旋配線在第1下穿配線11和第2下穿配線12處于正下方的部位僅由第2金屬配線41形成。對于其它部分，由第1觸頭配線61并聯(lián)第2金屬配線41與第1金屬配線31形成。
螺旋配線的配線寬度在第1下穿配線11和第2下穿配線12處于正下方的直線部比正下方?jīng)]有的直線部寬。
通過形成為這樣的構(gòu)造，可獲得與實施形式1同樣的效果。
關(guān)于分別形成其端子的下穿配線，最好分別設(shè)定與流動的電流量相應(yīng)的配線寬度。
另外，最好由使兩端的端子X、Y中的利用2層的金屬配線構(gòu)成的外側(cè)的端子流過更多電流地設(shè)定。這樣，可減少在第1下穿配線11中流動的電流量，所以，可抑制第1下穿配線11的配線寬度。這樣，可抑制第1下穿配線11和半導(dǎo)體基板或第1下穿配線11與其上的下穿配線間的寄生容量，可獲得更高性能的螺旋電感器。
實施形式5實施形式1～4都為一個螺旋電感器的例子，但即使為組合2個螺旋電感器的變壓器也可由同樣的構(gòu)造獲得同樣的效果。
圖13為本發(fā)明實施形式5的從上面觀看變壓器500的示意圖。另外，圖14為變壓器500的透視圖。
變壓器500由端子W與端子X的組形成1個螺旋電感器，由端子Y與端子Z的組形成另一螺旋電感器。變壓器500可如圖15所示那樣簡化地表示。
另外，變壓器500具有2層的導(dǎo)電膜層，由上側(cè)的導(dǎo)電膜層形成第2金屬配線42，由下側(cè)的導(dǎo)電膜層形成第2金屬配線32。
第1下穿配線13(端子X)和第2下穿配線14(端子Z)由第2金屬配線32的一部分形成。另外，螺旋配線在第1下穿配線13和第2下穿配線14處于正下方的部位僅由第2金屬配線42形成。對于其它部分，通過由第1觸頭配線62并聯(lián)第2金屬配線42與第1金屬配線32而形成。
螺旋配線的配線寬度在第1下穿配線13和第2下穿配線14處于正下方的直線部(圖中垂直方向的配線)比正下方?jīng)]有的直線部(圖中水平方向的配線)更寬。
通過形成為這樣的構(gòu)造，在變壓器500也可獲得與實施形式1相同的效果。
在由直線狀的配線構(gòu)成螺旋配線的場合，可采用與下穿配線交叉的寬度較寬的直線部分的一部分由較少的配線層形成的構(gòu)造(例如實施形式1或?qū)嵤┬问?等)，或如實施形式5那樣與下穿配線交叉的寬度較大的直線部分的整體由較少的配線層形成的構(gòu)造。
在任一構(gòu)造中，可抑制電遷移。另外，螺旋電感器的占有面積沒有差別。然而，在前者中，由于金屬配線較寬的部分接近導(dǎo)體基板，所以，寄生電阻可降低，但寄生容量增加。另外，在后者中，存在寄生容量降低而其電阻增大的得失。
為此，在使用螺旋電感器或變壓器的回路的工作頻率較低的場合，選擇前者，在工作頻率較高的場合選擇后者，從而可在該頻率降低影響更大的寄生成分的效果。
產(chǎn)業(yè)上利用的可能性如以上那樣，本發(fā)明的螺旋電感器適合于抑制電遷移、實施高性能、小型的螺旋電感器。
權(quán)利要求
1.一種螺旋電感器，在半導(dǎo)體基板上由夾住絕緣體配置的n層(n≥2)的導(dǎo)電膜層形成；其特征在于具有螺旋配線和下穿配線；該螺旋配線通過將電連接的沿上下方向鄰接的i層(2≤i≤n)的上述導(dǎo)電膜層配置成螺旋狀而形成，該下穿配線由電連接的沿上下方向鄰接的k層(1≤k≤n-1)的上述導(dǎo)電膜層形成，電連接于上述螺旋配線的內(nèi)側(cè)的端部；在上述螺旋配線與下穿配線交叉的部分，形成上述螺旋配線的導(dǎo)電膜層中的沿上下方向鄰接的j層(1≤j＜i)用作形成所述下穿配線的導(dǎo)電膜層，與所述下穿配線交叉的部分的螺旋配線中的寬度最狹小的部位的寬度比不與所述下穿配線交叉的部分的螺旋配線中的寬度最狹小的部位的寬度大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的種螺旋電感器，其特征在于具有第2下穿配線，該第2下穿配線由電連接的沿上下鄰接的h層(1≤h≤n-1)的導(dǎo)電膜層形成，電連接到上述螺旋配線的兩端以外的部位；在上述螺旋配線與上述第2下穿配線交叉的部分，形成上述螺旋配線的導(dǎo)電膜層中的沿上下方向鄰接的m層(1≤m＜i)用作為形成上述下穿配線的導(dǎo)電膜層，與上述第2下穿配線交叉的部分的螺旋配線中寬度最窄的部位的寬度比不與上述下穿配線交叉的部分的螺旋配線中寬度最窄的部位的寬度大。
3.一種變壓器，組合2個權(quán)利要求1或2所述的螺旋電感器。
全文摘要
螺旋電感器在螺旋配線與下穿配線交叉的部分將形成螺旋配線的導(dǎo)電膜層中的至少1層用于下穿配線的形成，由較少的導(dǎo)電膜數(shù)形成的交叉部分的螺旋配線的寬度比由較多的導(dǎo)電膜數(shù)形成的不交叉的部分的螺旋配線大。
文檔編號H01L23/522GK1639812SQ03804558
公開日2005年7月13日 申請日期2003年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月4日
發(fā)明者橋詰靖之, 西川和康 申請人:三菱電機株式會社