(57)【要約】【課題】従来の薄膜トランスでは、下側コイルと上側コイルとの間の中間絶縁膜を薄いシリコン酸化膜で構成しているため、もっと高い絶縁耐圧が要求される薄膜トランスの場合には、この中間絶縁膜の厚さをもっと厚く形成する必要があった。【解決手段】本発明の薄膜トランス１０１は、シリコン基板１１上に形成されたシリコン酸化膜１０３上に、下側コイル１０４と上側コイル１０６とを中間絶縁膜１０５を介して対向配置し、下側コイル１０４は、シリコン基板１１に設けられた凹部１０２の底部に形成され、中間絶縁膜１０５は、凹部１０２を埋め込むように形成され、上側コイル１０６は、その中間絶縁膜１０５上に形成されている。【選択図】図１
2007165343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、下側コイルと上側コイルとを中間絶縁膜を介して対向配置して形成された薄膜トランスであって、下側コイルは、前記半導体基板に設けられた凹部の底部に形成され、前記中間絶縁膜は、前記凹部を埋め込むように形成され、上側コイルは、前記中間絶縁膜上に形成されたことを特徴とする薄膜トランス。
【請求項２】
前記中間絶縁膜は、ポリイミド樹脂で成ることを特徴とする請求項１に記載の薄膜トランス。
【請求項３】
前記半導体基板は、結晶軸が（１００）のシリコン基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜トランス。
【請求項４】
前記凹部は、開口部に向かって拡がるテーパ状の側壁を有し、前記下側コイルの両端からの引き出し部は、前記テーパ状の側壁に沿って前記半導体基板の主面まで引き出されたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の薄膜トランス。
【請求項５】
前記下側コイルが、スパイラル状コイルである場合、前記下側コイルは前記半導体基板上に形成された上層膜と下層膜の２層で成る絶縁膜上に形成され、前記スパイラル状コイルの内側端からの引き出し部は、前記上層膜と前記下層膜との膜間に形成され、かつ、スパイラル状コイルの内側端の位置に設けられた前記上層膜の開口部を通して、前記スパイラル状コイルの内側端と電気的に接続されたことを特徴とする請求項４に記載の薄膜トランス。
【請求項６】
前記下側コイルの引き出し部および上側コイルの引き出し部は、それぞれ、先端にワイヤボンディングパッドが一体的に形成されたことを特徴とする請求項４または５に記載の薄膜トランス。
【請求項７】
半導体基板上に、下側コイルと上側コイルとを中間絶縁膜を介して対向配置して形成された薄膜トランスの製造方法であって、
前記半導体基板に凹部を形成する工程と、
前記凹部の底部に、前記下側コイルを形成する工程と、
前記半導体基板の表面に液状の絶縁材料を塗布して前記凹部を埋め込んだ後、前記液状の絶縁材料を硬化させる工程と、
前記中間絶縁膜上に、前記上側コイルを形成する工程とを備えたことを特徴とする薄膜トランスの製造方法。
【請求項８】
前記中間絶縁膜は、ポリイミド樹脂で成ることを特徴とする請求項７に記載の薄膜トランスの製造方法。
【請求項９】
前記凹部の形成方法は、前記半導体基板を結晶軸が（１００）のシリコン基板とし、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液等のアルカリ系のエッチャントによる異方性エッチングを用いて、開口部に向かって拡がるテーパ状の側壁を有するように形成したことを特徴とする請求項７または８に記載の薄膜トランスの製造方法。
【請求項１０】
前記下側コイルの両端からの引き出し部は、前記テーパ状の側壁に沿って前記半導体基板の主面まで引き出されたことを特徴とする請求項９に記載の薄膜トランスの製造方法。
【請求項１１】
前記下側コイルが、スパイラル状コイルである場合、前記下側コイルは前記半導体基板上に形成された上層膜と下層膜の２層で成る絶縁膜上に形成され、前記絶縁膜を形成する工程は、前記下側コイルを形成する工程の前に、
先ず、前記下層膜を形成する工程と、
次に、前記下層膜上に、前記スパイラル状コイルの内側端からの引き出し部と成る導電体部分を形成する工程と、
次に、その上に前記上層膜を形成する工程と、
次に、前記上層膜のスパイラル状コイルの内側端が形成される予定位置に開口部を設ける工程と、
を備えたことを特徴とする請求項７から１０のいずれかに記載の薄膜トランスの製造方法。
【請求項１２】
前記下側コイルの引き出し部および上側コイルの引き出し部は、それぞれ、先端にワイヤボンディングパッドが一体的に形成されたことを特徴とする請求項１０または１１に記載の薄膜トランスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上に、下側コイルと上側コイルとを中間絶縁膜を介して対向配置して形成された薄膜トランスおよびその製造方法に関し、特に、下側コイルと上側コイルとの間に高絶縁耐圧が要求される薄膜トランスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、発光素子と受光素子とを組み合わせて光によって信号を伝達するフォトカプラが知られているが、近年、磁気を利用して信号の伝達をするカプラが開発されている。磁気を利用したカプラは、フォトカプラと同等以上の特性を備える上、低消費電力や高いデータレートや低価格というメリットがあり着目されている。
【０００３】
このような磁気を利用したカプラとしての半導体装置の概略構成は、図６に示すように、入／出力信号をエンコード／デコードするドライバＩＣチップ１，２と、入力信号を磁気に変換して出力側に伝達する薄膜トランスを形成した半導体チップ３（以降、単に薄膜トランスと呼ぶ）とを備えている。通常、このようにドライバＩＣ１，２と薄膜トランス３とは、別々の半導体チップ上に形成される。
【０００４】
尚、図６において、１は入力側ドライバＩＣチップ、２は出力側ドライバＩＣチップ、３は薄膜トランス、４はモールド樹脂、５はＡｕワイヤ、６はリードである。
【０００５】
従来の薄膜トランスの一例を、概略構成を示す図７を用いて説明する。図７（ａ）は、平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ−Ａ線の断面図である。
【０００６】
図７において、１０は従来の薄膜トランス、１１はシリコン基板、１２ａ，１２ｂ，１２ｃはシリコン酸化膜、１３は下側（１次側）コイル、１３ａ，１３ｂは下側（１次側）コイルの両端、１４は上側（２次側）コイル、１４ａ，１４ｂは上側（２次側）コイルの両端である。
【０００７】
尚、この例では、下側コイルとして１次側コイル、上側コイルとして２次側コイルで説明するが限定するものではなく反対であってもよい。
【０００８】
従来の薄膜トランス１０は、シリコン基板１１の表面に形成されたシリコン酸化膜１２ａ上に下側（１次側）コイル１３が形成されている。そして、さらに、その上に形成されたシリコン酸化膜１２ｂを介して上側（２次側）コイル１４が形成されている。そして、その上をカバー膜としてのシリコン酸化膜１２ｃで被覆した格好となっている。
【０００９】
ここで、シリコン酸化膜１２ａ，１２ｂ，１２ｃの厚さ、および、Ａｌで成る下／上側（１，２次側）コイル１３，１４の厚さは、それぞれ２μｍである。
【００１０】
また、下／上側（１，２次側）コイル１３，１４の平面形状は、コイル長さ（または面積）当りのインダクタンスを大きくするためスパイラル状とし、互いに対応した位置に形成されている。
【００１１】
このような薄膜トランス１０は、下側（１次側）コイル１３に電流を流し、この電流に変化を与えると、下側（１次側）コイル１３の周囲の磁界が変化するため、上側（２次側）コイル１４に起電力を生じさせ、磁気を利用した信号伝達ができる。
【００１２】
次に、上記のような薄膜トランス１０の製造方法を同じく図７を参照しながら説明する。
【００１３】
先ず、シリコン基板１１の表面にシリコン酸化膜１２ａ（厚さ２μｍ）を、熱酸化法で形成する。
【００１４】
次に、シリコン酸化膜１２ａの上にスパッタリング法で、Ａｌで成る金属膜（厚さ２μｍ）を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を施し、所定のスパイラル状の下側（１次側）コイル１３を形成する。
【００１５】
次に、その上に、中間絶縁膜としてのシリコン酸化膜１２ｂ（厚さ２μｍ）をＣＶＤ法で形成する。
【００１６】
その後、下側（１次側）コイル１３と同様な方法によって、上側（２次側）コイル１４（厚さ２μｍ）を形成する。
【００１７】
次に、上側（２次側）コイル１４の上に、カバー膜としてのシリコン酸化膜１２ｃ（厚さ２μｍ）をＣＶＤ法で形成する。
【００１８】
最後に、下側（１次側）コイル１３の両端１３ａ，１３ｂおよび上側（２次側）コイル１４の両端１４ａ，１４ｂを電気的に接続可能とするため、上部のシリコン酸化膜１２ｂ，１２ｃをフォトリソグラフィおよびエッチング処理を施して除去し、薄膜トランス１０を形成する。（例えば、特許文献１参照）。
【００１９】
【特許文献１】特許３１４１５６２号  図２５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかしながら、上記のような薄膜トランスでは、下側コイルと上側コイルとの間の中間絶縁膜を２μｍ程度の薄いシリコン酸化膜で構成しているため、もっと高い絶縁耐圧（例えば、５ｋｖ程度）が要求される薄膜トランスの場合には、この中間絶縁膜の厚さをもっと厚く（例えば、２０μｍ程度）形成する必要があった。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の薄膜トランスは、半導体基板上に、下側コイルと上側コイルとを中間絶縁膜を介して対向配置して形成された薄膜トランスであって、下側コイルは、半導体基板に設けられた凹部の底部に形成され、中間絶縁膜は、凹部を埋め込むように形成され、上側コイルは、中間絶縁膜上に形成されたことを特徴とする薄膜トランスである。
【００２２】
本発明の薄膜トランスの製造方法は、半導体基板上に、下側コイルと上側コイルとを中間絶縁膜を介して対向配置して形成された薄膜トランスの製造方法であって、
半導体基板に凹部を形成する工程と、
凹部の底部に、下側コイルを形成する工程と、
半導体基板の表面に液状の絶縁材料を塗布して凹部を埋め込んだ後、液状の絶縁材料を硬化させる工程と、
中間絶縁膜上に、上側コイルを形成する工程とを備えたことを特徴とする薄膜トランスの製造方法である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の薄膜トランスおよびその製造方法によれば、半導体基板に凹部を設け、その凹部を埋め込むようにして、下側コイルと上側コイルとの間の中間絶縁膜を形成するようにしたので、安定した十分な厚さと平坦度を有した中間絶縁膜が成形性よく得られ、その結果、５ｋｖ程度の高絶縁耐圧を有する薄膜トランスが形成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、安定した十分な厚さと平坦度を有した中間絶縁膜を備えた高絶縁耐圧用の薄膜トランスを形成するという目的を、半導体基板に凹部を設け、その底部に下側コイルを形成し、その凹部を埋め込むように中間絶縁膜を形成し、その上に上側コイルを形成することで実現した。
【実施例】
【００２５】
本発明の薄膜トランスの一例を、概略構成を示す図１，図２を用いて説明する。図１（ａ）は、平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図である。また、図２は下側コイルと引き出し部の接続部の要部分解斜視図である。尚、図７と同一部分には同一符号を用いる。
【００２６】
図１，２において、１０１は本発明の薄膜トランス、１１はシリコン基板、１０２は凹部、１０３は第１の絶縁膜としての２層で成るシリコン酸化膜、１０３ａは下層膜、１０３ｂは上層膜、１０４は下側（１次側）コイル、１０４ａ，１０４ｂは先端にボンディングパッドを有する引き出し部、１０５は中間絶縁膜、１０６は上側（２次側）コイル、１０６ａ，１０６ｂは先端にボンディングパッドを有する引き出し部、１０７は上層膜に設けた開口部、１０８はカバー膜としてのシリコン酸化膜である。
【００２７】
尚、この例では、下側コイルとして１次側コイル、上側コイルとして２次側コイルで説明するが限定するものではなく反対であってもよい。
【００２８】
本発明の薄膜トランス１０１のシリコン基板１１の表面には、凹部１０２（深さ２２μｍ）が設けられている。そして、その凹部１０２の内面を含むシリコン基板１１の表面には第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜１０３が形成されている。尚、シリコン基板１１は、結晶軸が（１００）のシリコン基板である。
【００２９】
そして、その凹部１０２の底部には、Ａｌで成るスパイラル状の下側（１次側）コイル１０４（厚さ２μｍ）が形成されている。
【００３０】
ここで、シリコン酸化膜１０３は、下層膜１０３ａ（厚さ１μｍ）と上層膜１０３ｂ（厚さ１μｍ）の２層で構成されている。そして、下側（１次側）コイル１０４の内側端からの引き出し部１０４ａ（厚さ２μｍ）は、下層膜１０３ａと上層膜１０３ｂとの層間に形成され、下側（１次側）コイル１０４の内側端の位置の上層膜１０３ｂに設けた開口部１０７を通して下側（１次側）コイル１０４と電気的に接続されている。
【００３１】
尚、この引き出し部１０４ａと下側（１次側）コイル１０４との交差部分では、下側（１次側）コイル１０４が引き出し部１０４ａの厚さ分だけ持ち上げられた格好となるが問題とならないレベルである。
【００３２】
そして、下側（１次側）コイル１０４の上には、凹部１０２を丁度、埋め込むようにポリイミド樹脂で成る中間絶縁膜１０５が形成されている。
【００３３】
そして、さらに、その中間絶縁膜１０５の上に、上側（２次側）コイル１０６が形成されている。
【００３４】
ここで、凹部１０２の深さは、その深さによって決定される中間絶縁膜１０５の厚さが下側（１次側）コイル１０４と上側（２次側）コイル１０６との間に所望の絶縁耐圧が得られる厚さとなる深さとする。（凹部１０２の深さが２２μｍ、下側（１次側）コイル１０４の厚さが２μｍの場合、中間絶縁膜１０５の厚さは、２０μｍ（＝２２μｍ−２μｍ）となる。）
【００３５】
また、凹部１０２は、上に開いたテーパを有する側壁を有している。そして、下側（１次側）コイル１０４の内側端および外側端からの引き出し部１０４ａ，１０４ｂは、そのテーパ状の側壁に沿ってシリコン基板１１の主面まで引き出されている。そして、その引き出し部１０４ａ，１０４ｂの先端部には、それぞれボンディングパッドが一体的に形成されている。
【００３６】
一方、上側（２次側）コイル１０６の内側端の引き出し部１０６ａは、シリコン基板１１主面と面一の中間絶縁膜１０５の表面上の上側（２次側）コイル１０６の内側端の位置にボンディングパッドとして形成されている。そして、外側端からの引き出し部１０６ｂは、そのまま、シリコン基板１１主面の所定位置まで引き出され、その先端部にはボンディングパッドが一体的に形成されている。
【００３７】
そして、それらの上には、ボンディングパッドの部分のみを開口したカバー膜としてのシリコン酸化膜１０８（厚さ１μｍ）が形成されている。
【００３８】
このような薄膜トランス１０１は、下側（１次側）コイル１０４に電流を流し、この電流に変化を与えると、下側（１次側）コイル１０４の周囲の磁界が変化するため、上側（２次側）コイル１０６に起電力を生じさせ、磁気を利用した信号伝達ができる。
【００３９】
次に、上記のような薄膜トランス１０１の製造方法を図３，図４を用いて説明する。尚、図３，４は薄膜トランスの製造フローを模式的に示す断面図である。
【００４０】
先ず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１１の表面に凹部１０２（深さ２２μｍ）を形成し、その凹部１０２の内面を含むシリコン基板１１の表面に第１の絶縁膜の下層膜１０３ａとしてのシリコン酸化膜（厚さ１μｍ）を熱酸化法で形成する。
【００４１】
ここで、凹部１０２の形成方法は、結晶軸が（１００）のシリコン基板１１に、ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液等のアルカリ系のエッチャントによる異方性エッチングを行う。この方法によると、平坦な凹部１０２の底面が得られることに加えて、シリコン基板１１の結晶方位による開口部に向かって拡がるテーパ状の側壁が得られる。このテーパ状の側壁は、下側（１次側）コイルの引き出し部をシリコン基板１１の主面まで引き出す際に、その形成において好適である。
【００４２】
次に、図３（ｂ）に示すように、下層膜１０３ａの上に下側（１次側）コイル１０４の内側端からの引き出し部１０４ａを形成する。形成方法は、スパッタリング法で、Ａｌで成る金属膜（厚さ２μｍ）を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を施し、その先端部にボンディングパッドを有する引き出し部１０４ａを形成する。
【００４３】
次に、図３（ｃ）に示すように、その上に第１の絶縁膜の上層膜１０３ｂとしてのシリコン酸化膜（厚さ１μｍ）をＣＶＤ法で形成する。このように、引き出し部１０４ａを下層膜１０３ａと上層膜１０３ｂとの層間に形成することで、このあと上層膜１０３ｂ上に形成する下側（１次側）コイルのコイル部との絶縁性を確保する。
【００４４】
次に、図４（ｄ）に示すように、このあと形成する下側（１次側）コイルの内端部の位置の上層膜１０３ｂに、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を施し、開口部１０７を形成する。
【００４５】
次に、図４（ｅ）に示すように、下側（１次側）コイル１０４を形成する。形成方法は、スパッタリング法で、Ａｌで成る金属膜（厚さ２μｍ）を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を施し、所定のスパイラル状コイルを形成する。
【００４６】
その際、同時に開口部１０７を通して、下側（１次側）コイル１０４の内側端と引き出し部１０４ａとは電気的に接続される。また、下側（１次側）コイル１０４の外側端からの引き出し部は、テーパ状の側壁に沿ってシリコン基板１１の主面の所定位置まで引き出される。そして、その引き出し部の先端部には、ボンディングパッドが一体的に形成される。
【００４７】
次に、図４（ｆ）に示すように、シリコン基板１１の表面に絶縁材料として液状のポリイミド樹脂を塗布して、凹部１０２を埋め込む。塗布方法は、回転塗布装置（図示せず）にシリコン基板１１を吸着保持し、液状のポリイミド樹脂をシリコン基板１１の表面に滴下しつつ回転させ、この回転によって生じる遠心力を利用してポリイミド樹脂をシリコン基板１１全面に均一に押し広げる。液状のポリイミド樹脂は凹部１０２の内部を充填するのに好適である。
【００４８】
その後、ポリイミド樹脂を熱硬化させる。尚、ここでは、熱硬化性のポリイミド樹脂で説明したが、感光性のポリイミド樹脂であってもよい。
【００４９】
次に、図５（ｇ）に示すように、ＣＭＰ法により、硬化したポリイミド樹脂を凹部１０２が丁度、埋め込まれる高さまで除去して中間絶縁膜１０５を形成する。これにより、中間絶縁膜１０５の表面とシリコン基板１１の主面とは、ほぼ面一となる。
【００５０】
次に、図５（ｈ）に示すように、上側（２次側）コイル１０６を形成する。形成方法は、スパッタリング法で、Ａｌで成る金属膜（厚さ２μｍ）を形成した後、フォトリソグラフィおよびエッチング処理を施し、所定のスパイラル状コイルを形成する。
【００５１】
ここで、上側（２次側）コイル１０６の内側端の引き出し部１０６ａは、そのまま中間絶縁膜１０５表面上にボンディングパッドとして形成される。そして、外側端からの引き出し部は、ほぼ面一のシリコン基板１１主面の所定位置まで引き出される。そして、その先端部にボンディングパッドが一体的に形成される。
【００５２】
そして、最後に、図５（ｉ）に示すように、ボンディングパッドの部分のみを開口したカバー膜としてのシリコン酸化膜１０８（厚さ１μｍ）をＣＶＤ法で形成し、薄膜トランス１０１が形成される。
【００５３】
尚、上記では、下側（１次側）コイル，上側（２次側）コイルの形成方法をシリコン基板１１表面に金属膜をスパッタリング法で堆積させ、その後、フォトレジストとエッチング処理を施してパターニングする方法で説明した。しかし、凹部の深さが深いために金属膜のみを堆積させただけでは、フォトレジスト塗布が困難である場合には、シリコン基板１１の表面に金属膜を堆積させた後に、さらにＣＶＤ法でその金属膜上にシリコン酸化膜などを堆積させ、その後、フォトレジストおよびエッチング処理を施してパターニングするようにしてもよい。
【００５４】
また、上記では、下側コイルおよび上側コイルの形成方法として、スパッタリング法で説明したが、特にこれに限るものではなく真空蒸着法を用いてもよいことは言うまでもない。また、硬化したポリイミド樹脂を除去する方法をＣＭＰ法で説明したが、エッチバック法であっても構わない。
【００５５】
このような形成方法によると、平面上に液状のポリイミド樹脂を所望の厚さが得られるまで重ね塗りする方法と比較して、多数回の重ね塗り工程および乾燥工程を必要とすることなく、成形性よく安定した厚さと平坦度が得られる。そして、その結果、５ｋｖ程度の高絶縁耐圧を有する薄膜トランス１０１が形成できる。また、ボンディングパッドがすべて、ほぼ同一平面上に形成されるため組立時のボンディング作業が容易となる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、安定した十分な厚さと平坦度を有した中間絶縁膜を備えた高絶縁耐圧を要求される薄膜トランスおよびその製造方法に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の薄膜トランスの一例の概略構成を示す平面図および断面図
【図２】本発明の薄膜トランスの下側コイルと引き出し部の接続部の要部分解斜視図
【図３】本発明の薄膜トランスの製造フローを模式的に示す断面図
【図４】本発明の薄膜トランスの製造フローを模式的に示す断面図
【図５】本発明の薄膜トランスの製造フローを模式的に示す断面図
【図６】磁気を利用したカプラとしての半導体装置の概略構成図
【図７】従来の薄膜トランスの一例の概略構成を示す平面図および断面図
【符号の説明】
【００５８】
１    入力側のドライバＩＣチップ
２    出力側のドライバＩＣチップ
３    薄膜トランス（薄膜トランスを形成した半導体チップ）
４    モールド樹脂
５    Ａｕワイヤ
６    リード
１０    従来の薄膜トランス
１１    シリコン基板
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ    シリコン酸化膜
１３    下側（１次側）コイル
１３ａ，１３ｂ    下側（１次側）コイルの両端
１４    上側（２次側）コイル
１４ａ，１４ｂ    上側（２次側）コイルの両端
１０１    本発明の薄膜トランス
１０２    凹部
１０３    第１の絶縁膜としてのシリコン酸化膜
１０３ａ    下層膜
１０３ｂ    上層膜
１０４    下側（１次側）コイル
１０４ａ，１０４ｂ    下側（１次側）コイルの両端
１０５    中間絶縁膜
１０６    上側（２次側）コイル
１０６ａ，１０６ｂ    上側（２次側）コイルの両端
１０７    開口部
１０８    カバー膜としてのシリコン酸化膜
【図１】
2007165343.tif 000003
【図２】
2007165343.tif 000004
【図３】
2007165343.tif 000005
【図４】
2007165343.tif 000006
【図５】
2007165343.tif 000007
【図６】
2007165343.tif 000008
【図７】
2007165343.tif 000009