(57)【要約】【課題】従来よりも絶縁膜のクラックが抑制された半導体装置を実現する。【解決手段】第１磁性体１と、複数の絶縁層が積層されてなる絶縁膜２と、該絶縁膜２内に設けられ、複数のコイルが積層されてなるコイル層３と、接着層４と、第２磁性体５とを有し、この順に積層された半導体装置において、絶縁層をその直下に配置されたコイルコイルとの界面における歪み率よりもその伸び率が大きい材料により構成する。これにより、絶縁層とその直下に配置されたコイルとの間に線膨張係数差に起因する歪みが生じても、絶縁層は、その歪み以上に伸びることができ、当該歪みに追従することでクラックが抑制される。そのため、従来よりも絶縁膜のクラックが抑制された半導体装置となる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面（１ａ）を有する第１磁性体（１）と、
前記一面上に配置された絶縁膜（２）と、
前記絶縁膜の一部を介して前記第１磁性体上に配置された第１コイル（３１）と、前記第１コイル上に配置された第２コイル（３２）と、を有してなるコイル層（３）と、
前記絶縁膜上に配置された第２磁性体（５）と、を備え、
前記絶縁膜は、複数の絶縁層が積層されてなり、
複数の前記絶縁層の伸び率は、所定の温度範囲において、当該絶縁層の直下に配置された前記第１コイルもしくは前記第２コイルとの界面における歪み率よりも大きい半導体装置。
【請求項２】
前記絶縁膜は、２以上の自然数であるｍ個の絶縁層が積層されてなり、
前記コイル層は、ｍ個の前記絶縁層のうち前記一面に接する第１絶縁層（２１）上に配置されると共に、（ｍ−１）個もしくはｍ個のコイルが前記絶縁層を介して互いに離れて積層されてなり、
ｍ個の前記絶縁層のうち、積層方向に沿って前記第１磁性体から前記第２磁性体に向かって数えて１以上ｍ以下の任意の自然数であるｎ番目に配置された前記絶縁層を第ｎ絶縁層（２ｎ）とし、
ｍ個の前記コイルのうち、前記積層方向に沿って前記第１磁性体から前記第２磁性体に向かって数えて（ｎ−１）番目に配置された前記コイルを第（ｎ−１）コイル（３ｎ−１）として、
前記第ｎ絶縁層の伸び率は、所定の温度範囲において、該所定の温度範囲での前記第ｎ絶縁層とその直下に配置された前記第（ｎ−１）コイルとの界面における歪み率よりも大きい半導体装置。
【請求項３】
（ｍ−１）個もしくはｍ個の前記コイルのうち最も前記第２磁性体側に配置された前記コイルは、絶縁膜としても機能する絶縁接着層（９）に覆われており、
前記第２磁性体は、前記絶縁接着層に接して配置されている請求項２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記第２磁性体は、接着層（４）を介して前記絶縁膜および前記コイル層の上に配置されている請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記積層方向のうち前記第１磁性体側を下方向とし、その反対を上方向として、ｍ個の前記絶縁層のうち前記コイルよりも前記下方向に配置された前記絶縁層であって、前記第１絶縁層および第ｍ絶縁層（２ｍ）と異なる前記絶縁層は、複数の機能層が積層された構成とされており、
複数の前記機能層のうち最も前記上方向に配置された上方機能層は、その直下に配置された下方機能層よりも前記所定の温度範囲における伸び率が小さい請求項２ないし４のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項６】
前記上方機能層は、前記積層方向における厚みが１０ｎｍ以上であり、
複数の前記機能層のうち前記上方機能層の下に配置されている前記機能層の前記積層方向における厚みは、前記上方機能層の前記厚みの５〜１０倍の範囲内である請求項５に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記絶縁層は、ヤング率が０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下である請求項１ないし６のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項８】
前記所定の温度範囲における前記絶縁層は、伸び率が１０％以上である請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項９】
前記所定の温度範囲における前記絶縁層は、絶縁耐力が５０Ｖ／μｍ以上である請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記所定の温度範囲は、−５０℃以上２００℃以下の範囲内である請求項１ないし９のいずれか１つに記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイル形成領域を備える半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の半導体装置としては、例えば特許文献１に記載のものが挙げられる。特許文献１に記載の半導体装置は、非磁性体基板と、第１の磁性層と、絶縁層と該絶縁層内に設けられ、互いに離れて配置された渦巻き状の２つの薄膜コイルとを有してなるコイル層と、第２の磁性層とを有し、これらがこの順に積層されたコイル形成領域を備える。このような構造とされることで、薄膜コイル内を通過する磁束量が高められるコイル形成領域を備え、小型を保ちつつも高い誘導起電力が得られる半導体装置となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４８７７１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の半導体装置は、例えば自動車などの車両に搭載され、コイルをトランスとして機能させる構成とされたものが知られているが、この場合、コイルに高電圧をかけても絶縁性を維持できるように絶縁層の厚みが厚くされる。この種の半導体装置は、非磁性体基板と磁性層との線膨張係数の差により、磁性層にクラックが生じたりすることがある。磁性層でのクラック発生は、磁性層での磁束漏れ、ひいてはインダクタンス低下の原因となる。
【０００５】
そこで、磁性層のクラックの抑制のため、絶縁層を非磁性体基板や磁性層に対して線膨張係数やヤング率などの物性値が所定の範囲となる絶縁性の材料により構成することが行われている。また、同様の目的で、絶縁層を軟らかい材料により構成することが検討されているが、この方法では、絶縁層の材料が従来よりも絶縁性の低い材料を多く含む構成となるため、絶縁性確保の観点から絶縁層の厚みを従来よりもさらに厚くする必要がある。
【０００６】
本発明者らがこの種の半導体装置について鋭意検討を行ったところ、非磁性体基板および磁性層の物性値に対して所定の物性値の材料により絶縁層を構成するだけでは、冷熱サイクル試験において絶縁層にクラックが生じ得ることが判明した。
【０００７】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、従来よりも絶縁層のクラックが抑制された信頼性の高いコイル形成領域を備える半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の半導体装置は、一面（１ａ）を有する第１磁性体（１）と、一面上に配置された絶縁膜（２）と、絶縁膜の一部を介して第１磁性体上に配置された第１コイル（３１）と、第１コイル上に配置された第２コイル（３２）と、を有してなるコイル層（３）と、絶縁膜上に配置された第２磁性体（５）と、を備える。このような構成において、絶縁膜は、複数の絶縁層が積層されてなり、複数の絶縁層の伸び率は、所定の温度範囲において、当該絶縁層の直下に配置された第１コイルもしくは第２コイルとの界面における歪み率よりも大きい。
【０００９】
これにより、所定の温度範囲において絶縁膜を構成する絶縁層が、当該絶縁層の直下に配置されたコイルとの界面の歪み率よりも大きい割合で伸びることができる材料により構成された構成となる。そのため、絶縁層とコイルとの界面の歪みに起因する絶縁層のクラックが抑制され、従来よりも絶縁層にクラックが生じにくく、信頼性の高い半導体装置となる。
【００１０】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の半導体装置におけるコイル形成領域を示す斜視図である。
【図２】図１中の一点鎖線に沿った断面を示す拡大断面図である。
【図３】第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図４】図３に続く第１実施形態の半導体装置の製造工程を示す図である。
【図５】従来の半導体装置において絶縁層でクラックが生じた様子を示す断面図である。
【図６】温度に対する絶縁層の伸び率および絶縁層の界面歪率をプロットしたグラフを示す図である。
【図７】半導体装置の冷熱サイクル試験の結果を示すものであって、（ａ）は比較例であり、（ｂ）は実施例である。
【図８】第２実施形態の半導体装置におけるコイル形成領域を示す断面図である。
【図９】第３実施形態の半導体装置におけるコイル形成領域を示す断面図である。
【図１０】第４実施形態の半導体装置におけるコイル形成領域を示す断面図である。
【図１１】第５実施形態の半導体装置におけるコイル形成領域を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
【００１３】
（第１実施形態）
第１実施形態の半導体装置Ｓ１について、図１〜図７を参照して述べる。本実施形態の半導体装置Ｓ１は、例えば、自動車などの車両に設けられる半導体装置などに適用される。図２は、図１中のII-II間の断面図である。
【００１４】
本実施形態の半導体装置Ｓ１は、図１もしくは図２に示すように、第１磁性体１と、絶縁膜２と、絶縁膜２に覆われたコイル層３と、接着層４と、第２磁性体５とを有し、これらがこの順に積層されたコイル形成領域を備える。
【００１５】
第１磁性体１は、図２に示すように、例えば、一面１ａを有する板状とされ、ニッケル、マンガン亜鉛、フェライト系などの磁性体材料により構成されている。第１磁性体１は、例えば、グリーンシート法などの任意の方法により形成される。
【００１６】
絶縁膜２は、例えば、Ａｌ２Ｏ３などの絶縁性の無機材料もしくはポリイミドやポリエーテルサルホン等の絶縁性の樹脂材料などにより構成される。絶縁膜２は、例えば、無機材料で構成される場合には、プラズマＣＶＤ（chemical vapor depositionの略）やスパッタリングなどの真空成膜法により形成され、樹脂材料で構成される場合には、スピンコート法やスリットコート法などの湿式成膜法により形成される。絶縁膜２は、本実施形態では、図２に示すように、第１磁性体１の一面１ａ上に第１絶縁層２１、第２絶縁層２２および第３絶縁層２３がこの順に積層された構成とされている。
【００１７】
なお、絶縁膜２のクラックを抑制し、半導体装置Ｓ１の信頼性を向上させる観点から、本実施形態では、絶縁層２２、２３は、所定の範囲の伸び率である材料により構成されている。絶縁膜２を構成する材料の伸び率については、後ほど詳しく説明する。また、絶縁膜２は、ヤング率が０．１ＭＰａ以上２ＭＰａ以下の範囲内とされることが好ましい。絶縁膜２のヤング率が低すぎると、後述するコイル層３のパッド部へのワイヤボンディングが難しくなる一方で、絶縁膜２のヤング率が高すぎると、後述する伸び率が低くなり、信頼性が確保し難くなるためである。
【００１８】
コイル層３は、図２に示すように、第１絶縁層２１上であって、絶縁膜２の内部に配置されている。コイル層３は、本実施形態では、図２に示すように、第１磁性体１側に形成された第１コイル３１と、第２磁性体５側に形成された第２コイル３２とにより構成されている。コイル層３は、例えば、銅、金、アルミニウム等の金属材料で構成され、電解メッキなどにより形成される。
【００１９】
第１コイル３１および第２コイル３２は、本実施形態では、例えば平面コイルとされ、一面１ａに対する法線方向（以下「一面法線方向」という）から見て、内側の一端と外側の他端に外部電源などと電気的に接続される図示しないパッド部が形成されている。第１コイル３１および第２コイル３２は、本実施形態では、一面法線方向から見て、パッド部を除き、重なるように配置されると共に、第２絶縁層２２を介して電気的に独立している。つまり、コイル層３は、本実施形態では、第１コイル３１が一次コイル、第２コイル３２が二次コイルであり、全体としてトランスとして機能する。
【００２０】
なお、第１コイル３１および第２コイル３２の図示しないパッド部は、絶縁膜２に図示しない例えば円柱形状の溝とされたトレンチが形成されることで、少なくともその一部が第２磁性体５側において絶縁膜２から露出している。このトレンチは、その形状が任意とされるが、絶縁膜２の応力緩和の観点から、円柱形状などの角の無い形状の溝とされることが好ましい。また、このパッド部については、例えば四角形板状とされるが、他の任意の形状とされてもよい。
【００２１】
接着層４は、図２に示すように、絶縁膜２と第２磁性体５とを接着しており、例えば、湿式成膜法により形成される。接着層４は、例えばフェノール系樹脂、ビニル系樹脂、エポキシ系樹脂などの任意の有機系の粘着性材料により構成される。
【００２２】
第２磁性体５は、接着層４上に配置され、例えば、第１磁性体１と同様に板状とされ、ニッケル、マンガン亜鉛、フェライト系などの磁性体材料により構成されている。第２磁性体５は、第１磁性体１と同様に、例えばグリーンシート法などにより形成される。
【００２３】
以上が、半導体装置Ｓ１の基本的な構成である。なお、半導体装置Ｓ１は、トランスとして機能するコイル形成領域以外の領域に、図示しない任意の構成のトランジスタなどの素子やその駆動用配線などが形成されていてもよい。
【００２４】
次に、半導体装置Ｓ１の製造方法の一例について、図３、図４を参照して説明する。
【００２５】
まず、例えば、フェライト粉末などの磁性体材料とエポキシ樹脂などの樹脂バインダーとの混合物を図示しないグリーンシートに印刷し、図３（ａ）に示す一面１ａを有する板状の第１磁性体１を形成する。
【００２６】
続いて、例えば、ポリイミド樹脂などの絶縁性のある樹脂材料を溶かした溶液をスピンコート法などの湿式成膜により、一面１ａ上に塗布し、乾燥することで、図３（ｂ）に示す第１絶縁層２１を形成する。また、Ａｌ２Ｏ３などの無機材料を用いる場合には、第１磁性体１の一面１ａ上にプラズマＣＶＤやスパッタリングにより成膜することで、第１絶縁層２１を形成する。
【００２７】
なお、第１絶縁層２１は、後述するメッキ液およびレジスト剥離液、第２絶縁層２２を湿式成膜法により形成する場合には第２絶縁層２２の材料を溶かす溶媒に溶解しない材料により構成される。レジスト剥離液としては、例えばＴＭＡＨ（Tetramethyl Ammonium Hydroxideの略）が挙げられる。第２絶縁層２２の材料を溶かす溶媒としては、例えばＤＭＳＯ（Dimethyl Sulfoxideの略）が挙げられる。
【００２８】
次いで、図３（ｃ）に示すように、第１コイル３１を、例えば電解メッキ法により第１絶縁層２１上に形成する。具体的には、例えば、Ｔｉ／Ｃｕなどによる図示しないシード層をスパッタリングなどにより形成し、シード層上に感光性樹脂材料によりなるレジスト膜を形成する。その後、図示しないマスクを用いて、レジスト膜をフォトリソグラフィ法により所定のパターン形状とし、第１コイル３１を形成する領域のシード層をレジスト膜から露出させる。そして、メッキ液に浸漬して電界を印加することで、Ｃｕによりなる第１コイル３１が形成される。続けて、レジスト膜をレジスト剥離液により除去し、レジスト膜の除去により露出したシード層をエッチングにより除去することで、図３（ｃ）に示すように、所定のパターン形状とされた第１コイル３１が形成される。
【００２９】
その後、図３（ｄ）に示すように、第１絶縁層２１およびその上に形成された第１コイル３１を覆う第２絶縁層２２を、例えば第１絶縁層２１と同様の手順で形成する。次に、図４（ａ）に示すように、第２絶縁層２２上に第２コイル３２を、例えば第１コイル３１と同様の手順で形成する。そして、図４（ｂ）に示すように、第２絶縁層２２および第２コイル３２を覆う第３絶縁層２３を、例えば第１絶縁層２１と同様の手順で形成する。これにより、絶縁層２１、２２、２３が積層されてなる絶縁膜２、および絶縁膜２内に配置されるコイル層３が形成される。
【００３０】
なお、第２絶縁層２２は、第１絶縁層２１と同様に、メッキ液やレジスト剥離液等に溶解しない材料により構成される。第３絶縁層２３は、接着層４の材料を溶かす溶媒に溶解しない材料により構成される。
【００３１】
続いて、図４（ｃ）に示すように、例えば、第３絶縁層２３上にフェノール系樹脂などの樹脂材料を溶かした溶液を湿式成膜法により塗布して乾燥することにより接着層４を形成する。
【００３２】
次いで、例えば、第１磁性体１と同様の手順で別途第２磁性体５を形成する。なお、この第２磁性体５には、第１コイル３１および第２コイル３２の図示しないパッド部上に配置される領域に貫通孔を形成しておく。この貫通孔は、例えば図示しない金型などを用いることにより形成されることができる。
【００３３】
その後、第２磁性体５を接着層４に貼り付け、第２磁性体５の貫通孔から露出した接着層４および絶縁膜２をレーザなどで除去し、図示しないパッド部を絶縁膜２から露出させることで、図４（ｄ）に示す半導体装置Ｓ１を製造できる。
【００３４】
なお、上記の製造工程は、あくまで一例であり、これに限定されるものではない。例えば、別途作製した第２磁性体５に接着層４を設けた後、これを第３絶縁層２３に貼り付けるなどの工程が採用されてもよいし、他の任意のプロセスが採用されてもよい。
【００３５】
次に、磁性体との線膨張係数差が小さい材料により絶縁膜が構成された従来の半導体装置（以下「従来の半導体装置」という）における絶縁膜でのクラックの発生について、図５を参照して説明する。
【００３６】
図５では、従来の半導体装置における絶縁膜７でのクラックＸの発生を示しており、見易くするため、第１磁性体６、絶縁膜７およびコイル層８以外の構成要素については省略している。
【００３７】
従来の半導体装置は、図５に示すように、第１磁性体６と、絶縁膜７と、コイル層８と、図示しない第２磁性体とを有してなり、第１磁性体６の一面６ａ上に絶縁膜７、コイル層８および第２磁性体が積層された構成とされている。
【００３８】
絶縁膜７は、図５に示すように、当該絶縁膜７内に形成されたコイル層８のうちパッド部８１ａ、８２ａを当該絶縁膜７から露出させるためのトレンチ７ａ、７ｂが形成されている。トレンチ７ａ、７ｂは、第１磁性体６と図示しない第２磁性体とを繋ぐ方向に沿って形成されており、円柱形状の溝とされている。
【００３９】
コイル層８は、図５に示すように、第１磁性体６側に配置された一次コイル８１と、図示しない第２磁性体側に配置された二次コイル８２とを有してなる。一次コイル８１および二次コイル８２は、平面コイルとされ、一面６ａに対する法線方向から見て内側の端部に図示しない外部電源等との電気的な接続に用いられるパッド部８１ａ、８２ａを備える。また、一次コイル８１および二次コイル８２は、一面６ａに対する法線方向から見て外側の端部にも同様に図示しないパッド部を備える。パッド部８１ａ、８２ａは、図示しない第２磁性体側において絶縁膜７および第２磁性体から露出している。
【００４０】
本発明者らが従来の半導体装置について冷熱サイクル試験による信頼性評価を行ったところ、図５に示すように、絶縁膜７のうちパッド部８１ａ、８２ａ近傍にクラックＸが生じることが判明した。このようなクラックＸが発生すると、一次コイル８１と二次コイル８２との間の絶縁性が確保できなくなり、短絡が生じるなどの不具合が生じるため、信頼性の観点から好ましくない。
【００４１】
なお、ここでいう「冷熱サイクル試験」は、例えば、半導体装置を１５０℃に加熱して５分間保持する加熱した後、該半導体装置を−４０℃に冷却して５分間保持する冷熱工程を任意の回数だけ繰り返す試験である。
【００４２】
次に、絶縁膜２を構成する材料の伸び率とこれによる効果について説明する。
【００４３】
本発明者らは、上記した従来の半導体装置における絶縁膜７でのクラック発生の原因を絶縁膜７のうちトレンチ７ａ、７ｂ近傍に応力が集中しやすい点、および絶縁膜７とコイル層８との線膨張係数に起因してこれらの界面に歪みが生じる点にあると考えた。本発明者らは、鋭意検討の結果、複数の絶縁層を積層して絶縁膜とし、絶縁層を該絶縁層の直下に配置されるコイルと該絶縁層との界面の歪み率（以下「界面歪率」という）よりも伸び率が大きい材料で構成することで絶縁膜のクラックが抑制できることを見出した。
【００４４】
なお、「伸び率」は、日本工業規格（ＪＩＳ）で定める引張試験にて、例えばＪＩＳ Ｋ ７１２７などで定められた試験片を所定の力により所定の速度で引っ張った際の寸法変化量を計測することにより算出される。また、絶縁層を構成する絶縁性材料の試験片は、例えば、Ｃｕ製の基板上に湿式成膜法により２０〜５０μｍ程度の厚みの絶縁層を形成した後、Ｃｕ製の基板を任意の酸性溶液などで溶解させて除去するなどの方法により作製される。
【００４５】
また、「界面歪率」は、絶縁膜を構成する絶縁層（例えば第２絶縁層２２）とその直下に配置され、該絶縁層に直接覆われているコイル（例えば第１コイル３１）との界面における歪みの度合いを評価する指標である。「界面歪率」は、直接の測定が困難であるため、絶縁膜のヤング率、ポアソン比、線膨張係数を用いた有限要素法による熱応力シミュレーションにより導出した数値である。
【００４６】
具体的には、界面歪率は、材料の構成式を有限要素法で解くことが可能な公知のシミュレーションソフト（例えばANSYS社製Mechanical）を用いて、絶縁層のヤング率、ポアソン比、および線膨張係数を入力して算出される。界面歪率の数値が大きいほどコイルとこれを覆う絶縁層との界面における歪みの度合いが大きくなるため、界面歪率の数値が大きい場合における絶縁膜は、クラックが発生しやすくなる。しかし、本発明者らの鋭意検討の結果、当該界面歪率が大きくても、これ以上の伸び率の材料で絶縁層を構成することにより、絶縁膜の信頼性を向上できることが判明した。この詳細は後ほど説明する。
【００４７】
なお、絶縁層のヤング率およびポアソン比は、例えば、上記の伸び率の測定での説明と同様の手順で作製したサンプルについて、超音波法(パルスエコーオーバーラップ法)などの任意の弾性率測定を行うことにより導出される。線膨張係数は、例えば、ＴＭＡ法（Thermomechanical  analysis）などの任意の測定を行うことにより導出される。
【００４８】
具体的には、第２絶縁層２２は、その直下に配置される第１コイル３１との界面歪率よりも伸び率が大きい材料により構成される。第３絶縁層２３は、その直下に配置される第２コイル３２との界面歪率よりも伸び率が大きい材料により構成される。これにより、冷熱サイクル試験を行っても絶縁膜２のクラックが抑制され、信頼性の高いコイル構造を備える半導体装置となる。
【００４９】
次に、絶縁膜２の伸び率と、絶縁膜２とコイル層３との界面歪率との関係について、図６、図７を参照して説明する。
【００５０】
図６では、本実施形態の半導体装置Ｓ１に相当する実施例および従来の半導体装置に相当する比較例における絶縁膜を構成する絶縁層の伸び率と該絶縁層の界面歪率との関係を示している。図７では、第２磁性体側から観察した結果を示している。
【００５１】
なお、絶縁層の界面歪率は、絶縁膜２のうち最も応力が大きくなるトレンチの近傍におけるシミュレーションにより導出される。具体的には、このトレンチの近傍とは、上面視にて、絶縁膜２のうち例えば円柱形状の溝とされたトレンチの外側に位置する部分であって、コイル層３のうち四角形板状とされたパッド部の四隅上に位置する部分である。また、コイル層３のパッド部が四角形板状と異なる形状、例えば円板状とされた場合には、例えばパッド部が該円板の最大幅を辺とする四角形板状とされたと仮定して、その四隅上に位置する部分に相当する部分をトレンチの近傍と定める。このようにして絶縁層の界面歪率をシミュレーションにより導出する。
【００５２】
実施例および比較例は、いずれも２つの磁性体と、２つの磁性体に挟まれた絶縁膜と、該絶縁膜内に設けられ、２つの平面コイルにより構成されたコイル層とを有してなる構造とされている。比較例は、図６に示すように、絶縁膜を構成する絶縁層が、−４０℃よりも高い温度においては、絶縁層の界面歪率よりも伸び率が大きく、−４０℃以下では、絶縁層の界面歪率よりも伸び率が小さい材料により構成されている。一方、実施例は、図６に示すように、絶縁膜を構成する絶縁層が−４０℃〜１５０℃の範囲内において絶縁層の界面歪率よりも伸び率が大きい材料により構成されている。
【００５３】
実施例および比較例の絶縁層は、いずれも主として例えばポリエーテルサルホンにより構成され、添加剤を含有している。これらの絶縁層は、添加剤の種類が変えられることでその伸び率が調整されている。
【００５４】
なお、実施例および比較例の絶縁層は、上記のように添加剤以外の主成分がほぼ同じであって、当該添加剤による絶縁層のヤング率への寄与が小さく、そのヤング率がほぼ同じになることから、その界面歪率もほぼ同じ、すなわち誤差範囲内である。そのため、図６では、実施例および比較例それぞれに対応する界面歪率を１つにまとめた形で示している。また、図６に示す界面歪率の最大値は、−４０℃における１０％であった。
【００５５】
実施例および比較例について冷熱サイクル試験を行った結果、比較例では図７（ａ）に示すように絶縁膜にクラックが生じたのに対し、実施例では図７（ｂ）に示すようにクラックが発生しなかった。
【００５６】
これは、コイルとこれを覆う絶縁層との間に線膨張係数差に起因する歪みが生じた場合において、当該絶縁層がその歪み以上に伸びることができる材料により構成されることで、界面の歪みに追従でき、クラックが抑制されるためであると考えられる。
【００５７】
具体的には、第１コイル３１を覆う第２絶縁層２２は、第１コイル３１との間に歪みが生じても、この歪みよりも伸びることができる材料により構成されることで、この歪みに追従できる。第２コイル３２を覆う第３絶縁層２３は、第２コイル３２との間に歪みが生じても、伸び率がこの歪み以上の材料で構成されることで、この歪みに追従できる。その結果、絶縁層２２、２３でのクラックが抑制され、絶縁膜２のクラックが抑制されたと考えられる。
【００５８】
なお、絶縁膜２のうち第２絶縁層２２および第３絶縁層２３は、所定の温度範囲、例えば−５０℃以上２００℃以下の範囲内において伸び率が１０％以上の材料により構成されることが好ましい。絶縁膜２は、上記のように、伸び率が１０％以上の材料でその一部が構成されることで、コイル３１、３２との界面歪率以上となり、コイル３１、３２との間の歪みに起因するクラックが抑制されるためである。
【００５９】
なお、界面歪率のシミュレーションによる導出に用いる温度変化の値は、絶縁膜２にかかる温度の上限、すなわち製造工程における絶縁膜２の形成時の加熱温度をｔmaxとし、任意の温度をtaとして、ｔmax−taで定義されている。つまり、この温度変化の値は、この任意の温度が所定の温度範囲の下限であるときに最大となる。例えば、加熱温度が１８０℃、任意の温度が−４０℃の場合、温度変化は２２０℃となる。
【００６０】
上限温度を基準温度にした理由は、室温を基準温度とした場合、歪み量の算出において伸展および収縮の両方を考慮する必要があるのに対し、上限温度を基準温度にした場合、歪み量の算出において収縮だけを考慮すればよく、シンプルな系となるためである。つまり、上限温度を基準とした場合、それ未満の温度では第２絶縁層２２が基準に比べて収縮していることとなる。具体的には、絶縁膜２は、真空成膜法もしくは湿式成膜法により成膜され、その後加熱されることで形成される、すなわち加熱による寸法変化が最も大きい状態で形成される。そのため、絶縁膜２は、この加熱温度未満の温度では、基準である上限温度における絶縁膜２の寸法を基準とした場合、相対的にすべて収縮していることとなる。
【００６１】
このようにして、算出した絶縁層２２、２３の界面歪率よりも伸び率が大きい材料により絶縁層２２、２３を構成すればよい。なお、絶縁膜２は、例えば車載用途のようにコイル層３に高電圧が印加される場合には、絶縁耐力が５０Ｖ／μｍ以上とされることが好ましい。
【００６２】
本実施形態によれば、所定の温度範囲において絶縁膜２を構成する絶縁層２２、２３がその直下に配置されたコイル３１、３２との界面の歪み率以上に伸びることができる材料により構成された構造となる。これにより、温度変化に伴う絶縁層２２、２３とコイル３１、３２との界面の歪みが発生しても、絶縁層２２、２３を構成する材料がこの歪み以上に伸びることができる、すなわち、この歪みに追従にできるため、絶縁膜２でのクラックが抑制される。よって、従来よりも絶縁膜のクラックが生じにくく、信頼性の高いコイル構造を備える半導体装置となる。
【００６３】
また、絶縁膜２の伸び率を規定することにより、絶縁膜２の厚みを必要以上に厚くする必要がなくなり、製造工程における反りが低減され、従来よりも製造工程でのハンドリング性、すなわちプロセス流動性の高い半導体装置となる効果も期待される。
【００６４】
（第２実施形態）
第２実施形態の半導体装置Ｓ２について、図８を参照して述べる。図８では、上記第１実施形態における図２に相当する部分における断面を示しており、後述する機能層同士の界面を破線で示している。
【００６５】
半導体装置Ｓ２は、図８に示すように、上記第１実施形態と同様に第１磁性体１、第１絶縁層２１、第１コイル３１、第２絶縁層２２、第２コイル３２、第３絶縁層２３、接着層４、第２磁性体５がこの順に積層された構成とされている。半導体装置Ｓ２は、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２それぞれが２つの機能層により積層された構成とされている点で、上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【００６６】
第１絶縁層２１は、本実施形態では、図８に示すように、第１機能層２１１と第２機能層２１２とが第１磁性体１側からこの順に積層された構成とされている。
【００６７】
第１機能層２１１は、図８に示すように、第１磁性体１上に配置され、本実施形態では、絶縁性の無機材料もしくは有機材料により構成されており、絶縁層としての役割を果たす。第１機能層２１１は、第２機能層２１２により覆われるため、第１コイル３１の形成工程にて用いられるメッキ液およびレジスト剥離液（以下「メッキ液等」という）に溶ける絶縁性材料により構成されてもよい。
【００６８】
第２機能層２１２は、図８に示すように、第１機能層２１１を覆っており、上記メッキ液等に溶解しない材料により構成され、第１機能層２１１を保護する機能を果たす。第２機能層２１２は、ピンホールが形成されること、すなわち第１機能層２１１が部分的に露出することを防止するため、一面法線方向における膜厚（以下、単に「膜厚」という）が１０ｎｍ以上とされる。
【００６９】
第２絶縁層２２は、本実施形態では、図８に示すように、第１機能層２２１と第２機能層２２２とが第１磁性体１側からこの順に積層された構成とされている。
【００７０】
第１機能層２２１は、図８に示すように、第１絶縁層２１上に配置され、本実施形態では、絶縁性の無機材料もしくは有機材料により構成されている。第１機能層２２１は、第１機能層２１１と同様に、絶縁層としての役割を果たすが、第２機能層２２２により覆われるため、メッキ液等に溶ける絶縁性材料により構成されてもよい。
【００７１】
第２機能層２２２は、第２機能層２１２と同様に、メッキ液等やＤＭＳＯなどの溶媒に溶けない材料により構成され、第１機能層２２１をこれらから保護する役割を果たす。第２機能層２２２は、第２機能層２１２と同様の観点から、その膜厚が１０ｎｍ以上とされる。
【００７２】
なお、第１機能層２２１は、第２機能層２２２の膜厚の５〜１０倍の膜厚とされることが好ましい。これは、膜厚が薄すぎると第１コイル３１による段差を埋めることができず、絶縁性が確保しにくくなる一方で、膜厚が厚すぎると第２絶縁層２２の応力が大きくなってウエハの反りの原因となりうるためである。
【００７３】
また、本実施形態では、積層方向のうち第１磁性体１側を下方向とし、その反対を上方向として、コイルの直下に配置される第２機能層２１２、２２２は、その下方向に配置される第１機能層２１１、２２１よりも伸び率が小さい材料で構成される。言い換えると、絶縁層２１、２２は、コイルから下側に向かうにつれて伸び率が大きくなる構成とされる。これにより、第１機能層２１１、２２１は、第２機能層２１２、２２２よりも伸びることができる材料により構成され、第２機能層２１２、２２２との界面の歪みに追従でき、クラックの発生が抑制される。
【００７４】
なお、本発明者らの実験結果によれば、このような構成とされた場合の結果として、絶縁層２１、２２は、コイルから下側に向かうにつれてヤング率が大きくなる構成であった。
【００７５】
本実施形態によれば、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２は、異なる機能を有する２つの機能層、すなわち絶縁性のある第１機能層２１１、２２１と耐溶媒性のある第２機能層２１２、２２２とにより構成されている。このように機能分離された２つの機能層により絶縁層が構成された本実施形態の半導体装置Ｓ２は、上記第１実施形態と同様の効果が得られる構造となる。
【００７６】
（第３実施形態）
第３実施形態の半導体装置Ｓ３について、図９を参照して述べる。図９は、上記第１実施形態における図２に相当する部分における断面図である。
【００７７】
半導体装置Ｓ３は、図９に示すように、第３絶縁層２３および接着層４に代わって絶縁接着層９が配置されている点が上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【００７８】
絶縁接着層９は、第２絶縁層２２および第２コイル３２を覆うと共に、その上に第２磁性体５が配置されており、絶縁および接着の２つの役割を果たす層である。絶縁接着層９は、例えば、接着性のある任意の樹脂材料に任意の絶縁性材料を添加した構成とされ、スピンコートやダイコートなどの湿式成膜法により形成される。なお、絶縁性材料は、仕様等に応じてその添加量などが適宜変更されてもよい。
【００７９】
本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られると共に、第３絶縁層２３および接着層４が絶縁接着層９に置き換わることで、第２絶縁層２２と第２磁性体５との間の膜厚が薄くされた構成となる。そのため、第１磁性体１と第２磁性体５との間隔が短くなり、インダクタンスが向上し、磁気特性の高い半導体装置となる。また、第３絶縁層２３および接着層４が絶縁接着層９に置き換わることで、製造工程が少なくなり、より簡便に製造できる構成の半導体装置となる。
【００８０】
（第４実施形態）
第４実施形態の半導体装置Ｓ４について、図１０を参照して述べる。図１０は、上記第１実施形態における図２に相当する部分における断面図である。
【００８１】
半導体装置Ｓ４は、図１０に示すように、第１磁性体１の厚みが上記第１実施形態に比べて薄くされると共に、第１磁性体１が接着層１０を介して支持基板１１上に配置されている点が上記第１実施形態と相違する。
【００８２】
接着層１０は、接着層４と同様の任意の接着性の材料により構成され、支持基板１１と第１磁性体１とを接着している。接着層１０は、接着層４と同様に、例えば湿式成膜法により形成される。
【００８３】
支持基板１１は、例えば、ガラスなどの無機材料やガラスエポキシなどの樹脂材料により構成された磁性を持たない基板である。支持基板１１に第１磁性体１が貼り付けられることで、第１磁性体１は、支持体として機能できるほどの厚み、すなわちコイルの磁束を高めるのに必要な厚みを超える厚みとされる必要がなくなる。
【００８４】
本実施形態では、第１実施形態と同様の結果が得られると共に、第１磁性体１を必要以上に厚くする必要がなくなる。
【００８５】
（第５実施形態）
第５実施形態の半導体装置Ｓ５について、図１１を参照して述べる。図１１は、上記第１実施形態における図２に相当する部分における断面図である。
【００８６】
半導体装置Ｓ５は、図１１に示すように、絶縁膜２が２以上の自然数であるｍ個の絶縁層を有してなり、コイル層３が（ｍ−１）個のコイルを有してなり、これらが交互に積層された構成とされている点で上記第１実施形態と相違する。本実施形態では、この相違点について主に説明する。
【００８７】
絶縁膜２は、図１１に示すように、本実施形態では、第１磁性体１から第２磁性体５に向かって、第１絶縁層２１、第２絶縁層２２、・・・、第（ｍ−１）絶縁層（２ｍ−１）、第ｍ絶縁層２ｍがこの順に積層された構成とされている。
【００８８】
コイル層３は、図１１に示すように、本実施形態では、第１磁性体１から第２磁性体５に向かって、第１コイル３１、第２コイル３２、・・・、第（ｍ−１）コイル（３ｍ−１）がこの順に積層された構成とされている。コイル層３は、第１磁性体１から数えて１以上ｍ未満の任意の自然数であるｎ番目の第ｎコイル３ｎよりも第１磁性体１側のコイルが１次コイルとされ、第ｎコイル３ｎから第２磁性体５側のコイルが２次コイルとされ、全体としてトランスとして機能する。なお、１次コイルおよび２次コイルは、図示しない接続部により積層方向において隣接するコイル同士が接続され、それぞれ１つのコイル構造とされている。
【００８９】
半導体装置Ｓ５は、図１１に示すように、第ｎコイル３ｎが第ｎ絶縁層２ｎ上に配置され、第（ｎ−１）コイル（３ｎ−１）が第ｎ絶縁層２ｎに覆われた構成とされている。本実施形態でも、上記第１実施形態と同様に、第ｎ絶縁層２ｎは、その直下に配置された第（ｎ−１）コイル（３ｎ−１）と第ｎ絶縁層２ｎとの界面歪率よりも伸び率が大きい材料により構成されている。半導体装置Ｓ５は、１以上（ｍ−１）以下の自然数のｎの範囲内で上記の関係が成立する構成とされる。これにより、第ｎ絶縁層２ｎは、第（ｎ−１）コイル（３ｎ−１）との界面に歪みが生じてもこの歪み以上に伸びることができる材料で構成されているため、歪みに追従でき、クラックの発生が抑制される。
【００９０】
本実施形態によれば、絶縁膜２およびコイル層３の層数が増えた構成とされることでインダクタンスが向上すると共に、上記第１実施形態と同様に、ウエハの反りが低減され、絶縁膜２のクラックが抑制された信頼性の高い半導体装置となる。
【００９１】
（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態に示した半導体装置は、本発明の半導体装置の一例を示したものであり、上記の各実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。
【００９２】
（１）例えば、上記第２実施形態では、第１絶縁層２１および第２絶縁層２２が２つの機能層により構成された例について述べたが、これに限られず、３つ以上の機能層により構成されていてもよい。
【００９３】
この場合、例えば、３つの機能層により第１絶縁層２１が構成された場合、第１磁性体１側から順にそれぞれ伸び率、絶縁性、耐溶媒性と異なる機能を有する機能層が積層された構成とされてもよい。
【００９４】
このとき、第１絶縁層２１を構成する機能層は、特に限定するものではないが、第２磁性体５側から第１磁性体１側に向かってヤング率が小さくなる構成とされることが好ましい。つまり、積層方向のうち第２磁性体５側を上として、複数の機能層のうち最も上に配置された上方機能層は、その直下に配置された下方機能層よりもヤング率が大きいことが好ましい。
【００９５】
（２）上記第２実施形態では、第１絶縁層２１が２つの機能層２１１、２１２により構成された例について説明したが、第１絶縁層２１は、耐溶媒性のある機能層２１２のみで構成されてもよい。この場合、第２機能層２１２は、第１コイル３１との界面歪率よりも伸び率が大きい材料で構成される。なお、第２絶縁層２２は、２つの機能層２２１、２２２で構成される。
【００９６】
（３）上記した各実施形態および他の実施形態は、それぞれ組み合わせた構成とされてもよい。例えば、第２実施形態の半導体装置Ｓ２が支持基板１１上に配置された構成とされてもよいし、第５実施形態の半導体装置Ｓ５のうち第１絶縁層２１および第ｍ絶縁層２ｍと異なる絶縁層が複数の機能層が積層された構成とされてもよい。また、第３実施形態における絶縁接着層９を第５実施形態の半導体装置Ｓ５に採用してもよい。この場合、ｍ個のコイルとｍ個の絶縁層とが交互に繰り返し積層され、第ｍ絶縁層２ｍ上に第ｍコイル３ｍが配置され、これらを絶縁接着層９が覆う構成となる。このように、上記した各実施形態および他の実施形態を適宜組み合わせた構成の半導体装置とされてもよい。
【００９７】
（４）上記各実施形態および他の実施形態では、コイル層３が一次コイルと二次コイルとによりなり、トランスとして機能する例について説明したが、コイル層３は、積層されたすべてのコイルが接続され、インダクタとして機能する構成とされてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１    第１磁性体
２    絶縁膜
２１  第１絶縁層
２ｎ  第ｎ絶縁層
３    コイル層
３１  第１コイル
３ｎ  第ｎコイル
４    接着層
５    第２磁性体
９    絶縁接着層
【図１】
2019102667.tif 000003
【図２】
2019102667.tif 000004
【図３】
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【図４】
2019102667.tif 000006
【図５】
2019102667.tif 000007
【図６】
2019102667.tif 000008
【図７】
2019102667.tif 000009
【図８】
2019102667.tif 000010
【図９】
2019102667.tif 000011
【図１０】
2019102667.tif 000012
【図１１】
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