(57)【要約】【課題】トランス素子のコイル間絶縁膜をＳｉＯ２で形成すると、形成範囲を規制するのが困難である。有機質絶縁材料を利用すれば形成範囲を自在に調整できが、厚くなってしまい、２次側コイルに生じる電圧が小さくなる。【解決手段】半導体基板上に、下側コイル１３５とコイル間絶縁膜１４０と上側コイル１５４の積層構造でトランス素子１５５が形成されている。コイル間絶縁膜１４０が絶縁性無機質粒子の集積物で形成されている絶縁層１４１ａを備えている。絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成すると、必要な耐圧特性を得るのに必要な厚みが薄くてすむ。従って、１次側コイル１５４と２次側コイル１３５の磁気的結合係数を高め、２次側コイル１３５に大きな電圧を生じさせることができる。しかも、絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成すると、コイル間絶縁膜の形成範囲を規制しやすい。【選択図】図２８
2009302268.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造で構成されているトランス素子が形成されており、
前記コイル間絶縁膜が、絶縁性無機質粒子の集積物で形成されていることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記半導体基板の一部の範囲に半導体回路が形成されており、
前記下側コイルが２次側コイルであり、
前記積層構造が、前記半導体回路が形成されていない範囲の前記半導体基板の表面上に配線層絶縁膜を介して積層されており、
前記配線層絶縁膜の厚みの中に、前記下側コイルの一方の端部を前記半導体回路の一方の電極に接続する配線と、前記下側コイルの他方の端部を前記半導体回路の他方の電極に接続する配線が形成されており、
前記絶縁性無機質粒子の集積物の周囲と表面が有機質絶縁膜で被覆されており、
前記有機質絶縁膜の表面上に、前記上側コイルが形成されていることを特徴とする請求項１の半導体装置。
【請求項３】
半導体基板上に、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造で構成されているトランス素子が形成されている半導体装置の製造方法であり、
表面が配線層絶縁膜で覆われている半導体基板上に前記下側コイルを形成する工程と、
前記下側コイルを取囲む範囲に、有機質絶縁材料によって、所定の厚みを持つ周囲絶縁膜を形成する工程と、
前記周囲絶縁膜によって取囲まれている前記下側コイルの上方領域に絶縁性無機質粒子群を充填する工程と、
充填した前記絶縁性無機質粒子群を固定する工程を備えている半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板上にトランス素子が形成されている半導体装置と、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１次側回路と２次側回路を絶縁するとともに、１次側回路から２次側回路に信号を伝達することがある。この場合、フォトカプラを利用することが多い。フォトカプラを利用すると、発光素子と受光素子の間を絶縁することができ、発光素子から受光素子に光信号を伝達することができる。
【０００３】
非特許文献１と非特許文献２に、半導体基板上に形成されているトランス素子が開示されている。トランス素子は、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造で構成されており、その積層構造が半導体基板上に形成されている。
半導体基板上にトランス素子を形成すれば、フォトカプラに素子に代えてトランス素子を利用することができる。フォトカプラに代えてトランス素子を利用するためには、下側コイルと上側コイルの間の絶縁特性が良好であり、下側コイルと上側コイルの間の磁気的結合が良好である必要がある。
【０００４】
非特許文献１では、下側コイルと上側コイルを絶縁するコイル間絶縁膜に有機質絶縁材料（具体的にはポリイミド）を用いる。有機質絶縁材料を用いると、コイル間に必要な耐圧特性を得るために厚いコイル間絶縁膜を必要とする。例えば５ｋｖ程度の絶縁耐力を得るために２０μｍ程度の厚みを必要とし、ＳｉＯ２を絶縁膜に用いる場合の２倍程度の厚みを必要とする。コイル間絶縁膜の厚みが厚いと、１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が低下する。非特許文献１の技術では、低い結合係数を補償するために、低抵抗の金属（具体的には金）でコイルを構成するが、それでも２次側コイルに生じる電圧が低い。
【０００５】
非特許文献２では、下側コイルと上側コイルを絶縁するコイル間絶縁膜にＳｉＯ２を利用する。コイル間絶縁膜にＳｉＯ２を用いる場合、必要な耐圧特性を得るための厚みは薄くてよい。例えば５ｋｖ程度の絶縁耐力を得るためには１０μｍ程度の厚みでよく、有機質絶縁材料をコイル間絶縁膜に用いる場合の１／２程度の厚みで足りる。コイル間絶縁膜の厚みが薄いと、１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が増大する。非特許文献２の技術では、２次側コイルに大きな電圧を生じさせることができる。
【０００６】
ＳｉＯ２をコイル間絶縁膜に用いる場合、その形成範囲を規制するためには、ドライエッチング技術を用いる必要がある。ＳｉＯ２をドライエッチングして除去する場合、エッチングが不完全な状態でエッチングを終了することを防止するために、オーバーエッチングすることが多い。
半導体基板上にトランス素子を形成する場合、同一半導体基板に、トランス素子と半導体回路を製造することがある。この場合、ＳｉＯ２の形成範囲を規制するためにＳｉＯ２をオーバーエッチングすると、半導体回路が損傷しやすい。半導体回路をＳｉＮで保護しておいても、ドライエッチグ技術によると、ＳｉＯ２のエッチング速度とＳｉＮのエッチング速度に大きな差を実現することが難しい。コイル間絶縁膜にＳｉＯ２を利用すると、半導体回路が損傷しないようにしながらＳｉＯ２の形成範囲を規制することが難しい。非特許文献２は、半導体基板にトランス素子のみを形成するのでコイル間絶縁膜にＳｉＯ２を利用することができるが、同一半導体基板内にトランス素子と半導体回路を形成する場合は、コイル間絶縁膜をＳｉＯ２で形成することが難しい。
【０００７】
【非特許文献１】iCoupler(R) Products with isoPowerTM Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Baoxing Chen, www.analog.com
【非特許文献２】Coreless transformer a new technology for half bridge driver IC’s, M.Munzer, W. Ademmer, B. Strzalkowski, K.T. Kaschani, PCIM 2003
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明では、コイル間絶縁膜を有機質絶縁材料で形成すると、コイル間絶縁膜の形成範囲を規制しやすいものの、必要な耐圧特性を得るために厚いコイル間絶縁膜を必要とすることから１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が低下し、２次側コイルに生じる電圧が低下するという問題を解決する。また、コイル間絶縁膜をＳｉＯ２で形成すると、必要な耐圧特性を得るために薄い絶縁膜ですむことから１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が向上するものの、コイル間絶縁膜の形成範囲を規制するためのエッチングによって半導体回路等が損傷しやすいという問題を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、半導体基板上にトランス素子が形成されている半導体装置に関する。そのトランス素子は、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造で構成されている。本発明の半導体装置は、コイル間絶縁膜が絶縁性無機質粒子の集積物で形成されていることを特徴とする。
【００１０】
絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成すると、有機質絶縁材料でコイル間絶縁膜を形成する場合に比して、同一の絶縁特性を得るのに必要な厚みが薄くてすむ。
絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成すると、１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数を高め、２次側コイルに大きな電圧を生じさせることができる
しかも絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成する場合、特定の範囲にのみコイル間絶縁膜を形成することもできれば、半導体回路等を損傷しない方法で絶縁性無機質粒子の集積物をエッチングして特定の範囲にコイル間絶縁膜を残存することもできる。コイル間絶縁膜を必要な範囲に規制しやすい。
絶縁性無機質粒子の集積物でコイル間絶縁膜を形成すると、コイル間絶縁膜が厚くなって１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が低下する問題も生じなければ、コイル間絶縁膜の形成範囲を規制する際に半導体装置の他の部位が損傷する問題も生じない。
【００１１】
本発明の一つの具体的態様では、半導体基板の一部の範囲に半導体回路が形成されており、下側コイルが２次側コイルである。下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造は、半導体回路が形成されていない範囲の半導体基板の表面上に、配線層絶縁膜を介して積層されている。配線層絶縁膜の厚みの中に、下側コイルの一方の端部を半導体回路の一方の電極に接続する配線と、下側コイルの他方の端部を半導体回路の他方の電極に接続する配線が形成されている。２次側コイルに生じた電圧を半導体回路に入力することができる。コイル間絶縁膜を形成している絶縁性無機質粒子の集積物の周囲と表面は、有機質絶縁膜で被覆されており、その有機質絶縁膜の表面上に上側コイルが形成されている。
【００１２】
本発明は、半導体基板上に下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造で構成されているトランス素子が形成されている半導体装置の製造方法をも提供する。
本発明の製造方法は、表面が配線層絶縁膜で覆われている半導体基板上に下側コイルを形成する工程と、有機質絶縁材料によって下側コイルを取囲む範囲に所定の厚みを持つ周囲絶縁膜を形成する工程と、周囲絶縁膜によって取囲まれている下側コイルの上方領域に絶縁性無機質粒子群を充填する工程と、充填した絶縁性無機質粒子群を固定する工程を備えている。
本方法によると、絶縁性無機質粒子群を利用して、薄いコイル間絶縁膜を必要な範囲にのみ形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によると、絶縁性無機質粒子群を利用してコイル間絶縁膜を形成するために、コイル間絶縁膜を薄くすることができ、１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数を増大することができ、２次側コイルに大きな電圧変化を発生させることができる。また、絶縁性無機質粒子群を利用してコイル間絶縁膜を形成するために、コイル間絶縁膜の形成範囲を容易に規制することができ、コイル間絶縁膜の形成範囲を規制する際に半導体装置の他の部位を損傷させることもない。特性のすぐれたトランス素子を備えた半導体装置を提供することが可能となる。
この半導体装置を利用すると、１次側回路と２次側回路の絶縁特性を高めながら、１次側回路から２次側回路に２次側回路で検出しやすい信号を伝達することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に説明する実施例の主要な特徴を整理しておく。
（特徴１）  半導体基板上に、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造が形成されており、下側コイルと上側コイルの少なくとも一方が、強磁性材料を含んでいる。
（特徴２）  下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造が、半導体回路が形成されている半導体基板のうちの半導体回路が形成されていない領域に形成されている。
鉄やモリブデン等に代表される強磁性材料を半導体装置に用いると、強磁性材料が周囲に移動して半導体装置の特性を悪化させやすいことから、強磁性材料を半導体装置内で使用することは好ましくないと認識されている。本発明では、その常識に反して、半導体装置内で強磁性材料を用いる。
鉄やモリブデン等に代表される強磁性材料を少なくとも一方のコイルに用いると、コイル間の磁気的結合係数（相互インダクタンス）が増大し、そのコイルの自己インダクタンスが増大する。その結果、一次側コイルに流れる電流の時間的変化に追従して２次側コイルに発生する電圧が増大する。コイル間絶縁膜に、厚い厚みを必要とする有機質絶縁材料を利用しても、２次側コイルに必要とされる大きさの電圧を発生させることができる。有機質絶縁材料を利用できることから、コイル間絶縁膜の形成範囲を容易に規制することができる。
しかも、トランス素子は、半導体回路を構成する半導体構造が形成されている領域から離れた位置の半導体基板上に形成されることから、強磁性材料が周囲に移動して半導体回路の特性を悪化させるという問題も生じない。
（特徴３）  下側コイルが、金属層の上側に強磁性材料層が積層された材料で形成されている。
この場合、強磁性材料層の下側に積層されている金属層がバリア層となり、強磁性材料が半導体基板内に染みこむ現象が抑制される。
（特徴４）  下側コイルが、２次側コイルである。
この場合、２次側コイルと半導体回路を接続しやすい。また２次側コイルが強磁性材料層を備えていることから、１次側コイルとの相互インダクタンスも高ければ、２次側コイルの自己インダクタンスも高く、２次側コイルに大きな電圧変化を生じさせることができる。
（特徴５）  上側コイルが金属層で形成されており、上側コイルの厚みが下側コイルの厚み（金属層とその上側に積層されている強磁性材料層の合計の厚み）よりも厚い。
この場合、１次側コイルの抵抗値が低く、大きな電流が流れやすい。２次側コイルに大きな電圧変化を生じさせることができる。
（特徴６）  コイル間絶縁膜が、有機質絶縁材料で構成されている。鉄やモリブデン等に代表される強磁性材料を少なくとも一方のコイルに用いると、１次側コイルと２次側コイルの磁気的結合係数が増大する。絶縁特性を確保するのに厚い膜を必要とする有機質絶縁材料を用いても、必要な信号伝達特性を得ることができる。もちろん、強磁性材料を含む材料でコイルを形成する技術と、絶縁性無機質粒子群を利用してコイル間絶縁膜を形成する技術を併用してもよい。
（特徴７）  トランス素子が、１次側回路から２次側回路に信号を伝達する。
（特徴８）  トランス素子が、電力を伝達する。
（特徴９）  半導体基板上に、下側コイルとコイル間絶縁膜と上側コイルの積層構造が形成されており、下側コイルと上側コイルの双方とも、強磁性材料を含んでいない。コイル間絶縁膜は、絶縁性無機質粒子の集積物で形成されている。
（特徴１０）  絶縁性無機質粒子をＳＯＧなどのシラノールを含む溶媒に懸濁させた溶液を、コイル間絶縁膜の形成範囲よりも広い範囲に塗布し、弱くベーキングして固定する。ついで弱くベーキングした絶縁性無機質粒子の集積物をエッチングし、コイル間絶縁膜の形成範囲の絶縁性無機質粒子の集積物を残存させる。その後に絶縁性無機質粒子の集積物を有機質絶縁物質で固定する。
（特徴１１）絶縁性無機質粒子は、シリカ粒子、アルミナ粒子、または窒化シリコン粒子である。
（特徴１２）絶縁性無機質粒子は、シリカ粒子、アルミナ粒子、および窒化シリコン粒子のうちの２種類以上の混合物である。
【実施例】
【００１５】
（第１実施例）
図１６に、第１実施例の半導体装置２を示す。半導体装置２は、半導体基板１０を備えており、半導体基板１０内に半導体回路１２が形成されている。半導体基板１０のうちの半導体回路１２が形成されていない範囲に、下側コイル（２次側コイル）３５と、コイル間絶縁膜４０と、上側コイル（１次側コイル）５４が積層されることによって構成されているトランス素子５５が形成されている。下側コイル（２次側コイル）３５は、金属層３３の表面に強磁性材料層３４が積層された材料で形成されており、自己インダクタンスも高ければ、上側コイル（１次側コイル）５４との相互インダクタンスも高い。また、上側コイル（１次側コイル）５４は厚く形成されており、抵抗が低く、大きな電流が流れる。そのために、厚いコイル間絶縁膜を使用することができ、有機質絶縁材料の層４１,４２を積層したコイル間絶縁膜４０が使用されている。
【００１６】
半導体基板１０の表面は、配線層絶縁膜２０で覆われている。配線層絶縁膜２０は、下絶縁膜２２と上絶縁膜２４で構成されており、配線層絶縁膜２０の厚みの中に、半導体回路１２の表面電極と下側コイル３５を接続する配線２６,２８が形成されている。すなわち、下側コイル３５に接続する半導体回路１２の表面電極に対応する位置の下絶縁膜２２にコンタクトウインドウ２６ａが形成されており、そのコンタクトウインドウ２６ａに配線２６が伸びている。また後記するように平面視すると渦巻き形状をしている下側コイルの内側の端部３５ｄに対応する位置の上絶縁膜２４にコンタクトウインドウ２６ｂが形成されており、そのコンタクトウインドウ２６ｂに配線２６が伸びている。配線２６は、半導体回路１２の表面電極と下側コイル３５の内側端部３５ｄを接続している。同様に、配線２８が、半導体回路１２の表面電極と下側コイル３５の外側の端部３５ｈを接続している。コイルの内側の端部３５ｄに接続する半導体回路１２の表面電極と、コイルの外側の端部３５ｈに接続する半導体回路１２の表面電極は、別の電極である。配線２６,２８によって、下側コイル３５に発生した電圧が半導体回路１２に伝達される。また、配線層絶縁膜２０の厚みの中に、半導体回路１２の表面電極と、半導体装置２の表面に露出している露出電極５３ｌを接続する配線２９も形成されている。半導体回路１２の表面には複数個の電極が形成されており、配線２６，２８，２９に接続されている表面電極は、別々である。
【００１７】
配線層絶縁膜２０の表面に、下側コイル（２次側コイル）３５と、金属膜３７と、金属膜３８が形成されている。より正確に説明すると、配線層絶縁膜２０の表面に下地金属膜３２が形成されており、下地金属膜３２の表面に、下側コイル３５を構成する金属層３３と、金属膜３７と、金属膜３８が形成されている。
金属層３３と金属膜３７と金属膜３８には、金メッキ膜、銅メッキ膜、あるいはアルミスパッタ膜等を利用することができる。
金属層３３と金属膜３７と金属膜３８を金メッキ膜で形成する場合には、配線層絶縁膜２０の表面にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みのチタン／タングステン合金の膜を形成し、その上にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みの金の膜を形成して下地金属膜３２とする。下地金属膜３２の表面には金をメッキすることができる。
金属層３３と金属膜３７と金属膜３８を銅メッキ膜で形成する場合には、配線層絶縁膜２０の表面にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みのチタンの膜を形成し、その上にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みの銅の膜を形成して下地金属膜３２とする。下地金属膜３２の表面には銅をメッキすることができる。
金属層３３と金属膜３７と金属膜３８をアルミスパッタ膜で形成する場合には、配線層絶縁膜２０の表面にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みのチタンの膜を形成し、その上にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みの窒化チタンの膜を形成して下地金属膜３２とする。下地金属膜３２の表面にはアルミニウムをスパッタすることができる。
下側コイル（２次側コイル）３５は、金属膜３３の表面に強磁性材料層３４を積層した材料で形成されている。金属膜３３は、金膜でもよいし、銅膜でもよいし、アルミ膜でもよい。
強磁性材料層３４は、Ｆｅ−Ｎｉ合金で形成されている。それに代えて、Ｆｅ−Ｎｉ―Ｍｏ合金を利用してもよい。下側コイル（２次側コイル）３５は、平面視したときに、４重の渦巻き形状に形成されており、図示３５ｄが内側の端部であり、図示３５ｈは外側の端部である。前記したように、下側コイル３５の内側の端部３５ｄは、配線２６を介して半導体回路１２に接続されており、下側コイル３５の外側の端部３５ｈは、配線２８を介して半導体回路１２に接続されている。金属膜３３の厚みは１μｍであり、強磁性材料層３４の厚みは０．３μｍである。下側コイル３５と金属膜３７と金属膜３８は、ＳｉＯ２の絶縁膜３１の厚みの中に形成されている。金属膜３７と金属膜３８の上部には、コンタクトウインドウが形成されている。
【００１８】
下側コイル３５と金属膜３７と金属膜３８の上方には、コイル間絶縁膜４０の下層４１と上層４２が形成されている。下層４１と上層４２は有機質絶縁材料（実施例ではポリイミド）で形成されており、いずれも１０μｍの膜厚にある。すなわち、コイル間絶縁膜４０は２０μｍの膜厚であり、上側コイル５４と下側コイル３５の間に５ｋｖの電圧がかかっても絶縁を維持することができる。
なお、金属膜３７と金属膜３８の上部のコイル間絶縁膜４０には、開口４０ｋ、４０ｌが形成されている。
【００１９】
コイル間絶縁膜４０の表面に、上側コイル（１次側コイル）５４と、シールド用電極５３ｋと、露出電極５３ｌが形成されている。より正確に説明すると、コイル間絶縁膜４０の表面に下地金属膜５２に形成されており、下地金属膜５２の表面に、上側コイル５４を形成する金属層５３と、シールド用電極５３ｋと、露出電極５３ｌが形成されている。
金属層５３とシールド用電極５３ｋと露出電極５３ｌには、金メッキ膜あるいは銅メッキ膜等を利用することができる。
金属層５３とシールド用電極５３ｋと露出電極５３ｌを金メッキ膜で形成する場合には、コイル間絶縁膜４０の表面にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みのチタン／タングステン合金の膜を形成し、その上にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みの金の膜を形成して下地金属膜５２とする。下地金属膜５２の表面には金をメッキすることができる。
金属層５３とシールド用電極５３ｋと露出電極５３ｌを銅メッキ膜で形成する場合には、コイル間絶縁膜４０の表面にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みのチタンの膜を形成し、その上にスパッタ法によって２００ｎｍ程度の厚みの銅の膜を形成して下地金属膜５２とする。下地金属膜５２の表面には銅をメッキすることができる。
【００２０】
上側コイル（１次側コイル）５４は、下地金属膜５２の表面に金属膜５３を積層して形成されている。金属膜５３と、シールド用電極５３ｋと、露出電極５３ｌは、金膜でもよいし、銅膜でもよい。
上側コイル（１次側コイル）５４は、図２９に示すように、平面視したときに、４重の渦巻き形状に形成されており、図示５４ａが外側の端部であり、図示５４ｆが内側の端部である。１次側コイル５４の外側端部５４ａと内側端部５４ｆは、配線６２，６４によって１次側回路６６に接続されている。１次側回路６６は、配線６２，６４にパルス状電圧を出力する。コイルのインダクタンス成分によって、１次側コイル５４に流れる電流は、
三角波となる。すなわち、緩やかに上昇して急速に減少する。電流値の急速減少によって２次側コイル３５の内側端部３５ｄと外側端部３５ｈの間に大きな電圧が誘導される。この誘導電圧が半導体回路１２に入力される。半導体回路１２は、入力した電圧を閾値電圧と比較し、パルス波を出力する。１次側回路６６の送り出すパルス状電圧が２次側回路のパルス波に変換される。１次側コイル５４とコイル間絶縁膜４０と２次側コイル３５で構成されるトランス素子５５によって、１次側回路６６から２次側回路（半導体回路）１２に信号が伝達される。１次側回路６６は低電圧系であり、２次側回路１２は高電圧系である。トランス素子５５は、低電圧系の１次側回路６６と高電圧系の２次側回路１２を絶縁する。トランス素子５５は、２０μｍの膜厚のコイル間絶縁膜４０を用いているので、１次側回路６６と２次側回路１２の間に５ｋｖの電圧がかかっても絶縁を維持することができる。
上記では、トランス素子５５で信号を伝達するが、トランス素子５５で電力を伝達してもよい。２次側コイル３５に生じる電圧で駆動できる素子に対しては、トランス素子５５から給電することができる。
【００２１】
図示の５３ｋは、トランス素子５５と半導体回路１２の間をシールドするための導体であり、接地して用いる。図２９に示すように、シール用導体５３ｋはトランス素子５５の形成範囲を取り囲んでいる。図示の５３ｌは露出電極であり、ここに配線することによって配線２９を介して半導体回路１２に接続することができる。図示の５１は、絶縁性の保護膜である。保護膜５１には、１次側コイル５４の外側端部５４ａと、１次側コイル５４の内側端部５４ｆと、露出電極５３ｌに対応する位置に、開口５１ａ、５１ｆ、５１ｌが形成されている。
【００２２】
次に、半導体装置２の製造プロセスを説明する。
図１は、半導体基板１０内に半導体回路１２を形成した段階を示す。
図２は、コンタクトウインドウ２６ａ，２８ａ，２９ａを持つ下絶縁膜２２を形成した段階を示す。
図３は、下絶縁膜２２の表面に、配線２６,２８,２９を形成した段階を示す。配線は、半導体回路１２の表面に形成されている電極に導通する。
図４は、コンタクトウインドウ２６ｂ，２８ｂ，２９ｂを持つ上絶縁膜２４を形成した段階を示す。上絶縁膜２４は、下絶縁膜２２と配線２６,２８,２９を覆う。
図５は、下地金属膜３２を全面に形成した段階を示す。
図６は、金属層３３を全面に形成した段階を示す。金属層３３は、金で形成してもよいし、銅で形成してもよいし、アルミで形成してもよい。金属層３３は、コンタクトウインドウ２６ｂ，２８ｂ，２９ｂ内にも伸び、配線２６,２８,２９に導通する。金属層３３は１μｍ程度の厚みとする。
図７は、下側コイル３５の形成範囲のみを露出させる保護膜３６を形成し、その後に強磁性材料層３４を形成した段階を示す。この実施例では、ＦｅとＮｉを同時にスパッタすることによってＦｅ―Ｎｉの合金層３４を積層する。Ｆｅ―Ｎｉ―Ｍｏ合金を形成してもよい。Ｆｅ―Ｎｉの合金層３４の厚みは０．３μｍ程度とする。
図８は保護膜３６を除去し、さらに、２次側コイル３５と金属膜３７と金属膜３８を形成する部分以外を、ドライエッチングした段階を示す。この段階で、強磁性材料層３４と金属層３３と下地金属膜３２が一括してパターンニングされる。この段階で、下側コイル３５と金属膜３７と金属膜３８の平面形状がパターニングされる。また、この段階で、下側コイル３５の内側端部３５ｄが配線２６によって半導体回路１２に接続され、下側コイル３５の外側端部３５ｈが配線２８によって半導体回路１２に接続され、金属膜３８が配線２９によって半導体回路１２に接続される。下側コイル３５は、平面視したときに４重の渦巻き形状に形成される。各周はほぼ円形であってもよいし、多角形であってもよい。
図９は、下側コイル３５と金属膜３７と金属膜３８の周囲と表面をＳｉＯ２で被覆した段階を示す。なお、金属膜３７と金属膜３８の上部には開口が形成されている。
図１０は、有機質絶縁材料（本実施例ではポリイミド）の溶液を塗布して光を照射して固定することによってコイル間絶縁膜４０の下層４１を形成した段階を示す。１度の塗布で１０μｍの膜厚が得られる。この段階では、溶液を全面に塗布し、金属膜３７の上方領域と、金属膜３８の上方領域には光を照射しない。これに代えて、金属膜３７の上方領域と、金属膜３８の上方領域には溶液を塗布しない方式を採用してもよい。インクジェット技術によって、溶液を塗布する領域と塗布しない領域を制御することが可能となっている。
図１１は、有機質絶縁材料（本実施例ではポリイミド）の溶液を再び塗布して光を照射して固定することによってコイル間絶縁膜４０の上層４２を形成した段階を示す。２回途付することによって、合計２０μｍのコイル間絶縁膜４０が得られる。なお、金属膜３７と金属膜３８の上部には無機質絶縁材料の溶液を塗布しない。あるいは、金属膜３７と金属膜３８の上部には、光を照射しない。
図１２は、コイル間絶縁膜４０の表面に下地金属膜５２を形成した段階を示す。下地金属膜５２は下地金属膜３２と同一プロセスで形成される。
図１３は、後で金属膜５３を形成する範囲に開口５５ａ等が形成されている保護膜５５を形成した段階を示す。保護膜５５には、１次側コイルを形成する範囲に対応する開口５５ａ〜５５ｊ、シールド用電極５３ｋを形成する範囲に対応する開口５５ｋ、露出電極５３ｌを形成する範囲に対応する開口５５ｌを形成する。
図１４は、保護膜５５の開口５５ａ〜５５ｊ、開口５５ｋ、開口５５ｌにおいて露出する下地金属膜５２の表面に金属膜５３をメッキした段階を示す。金属膜５３は、金で形成してもよいし、銅で形成してもよい。厚みが５μｍ以上の金メッキで金属膜５３を形成するのが好ましい。その場合、金属膜５３で形成する１次側コイルの抵抗が十分に低くなり、２次側コイルに大きな電圧を発生させることができる。
図１５は、保護膜５５を除去した段階を示す。この段階で、平面形状がパターニングされている上側コイル５４とシールド用電極５３ｋと露出電極極５３ｌが形成される。この段階では、金属膜５３で覆われていない下地金属膜５２もエッチングする。
図１６は、保護膜５１を形成した段階を示す。保護膜５１には、１次側コイル５４の外側端部５４ａと、１次側コイル５４の内側端部５４ｆと、露出電極５３ｌに対応する位置に、開口５１ａ、５１ｆ、５１ｌを形成する。
以上によって半導体装置２が完成する。この半導体装置を配線６２,６４によって１次側回路６６に接続すると、意図した利用が可能となる。
図２９は、半導体装置２の平面図を示している。図１６は、Ａ−Ａ線断面に相当している。
【００２３】
この実施例では、下側コイル３５がＦｅ―Ｎｉの合金層３４を含んでいるために、上側コイル５４との相互インダクタンスも高ければ、下側コイル３５の自己インダクタンスも高い。下側コイル３５と上側コイル５４の磁気的結合係数が高い。さらに、１次側コイル５４が厚くて抵抗値が低いために、大きな電流が流れやすい。以上によって、２次側コイル３５に大きな電圧変化を生じさせることができる。そのために厚いコイル間絶縁膜４０が利用でき、有機質絶縁材料でコイル間絶縁膜を形成することができる。パターンニングが容易な有機質絶縁材料でコイル間絶縁膜４０を形成することができるので、必要なところにのみコイル間絶縁膜４０を形成することができる。
本実施例では、露出電極５３ｌを形成しているが、シールド用電極５３よりも半導体回路１２側には、コイル間絶縁膜４０を形成しないこともできる。その場合、絶縁膜３１の表面に金属膜３８が露出している状態が得られ、そこにワイヤボンディングすることもできる。半導体回路１２側にコイル間絶縁膜４０を形成しないと、通常の半導体装置を同様にボンディングすることができる。半導体回路１２側にコイル間絶縁膜４０を形成しない技術にも固有のメリットが存在する。
【００２４】
（第２実施例）
図２８に、第２実施例の半導体装置４を示す。半導体装置４も、半導体基板１０を備えており、半導体基板１０内に半導体回路１２が形成されている。半導体基板１０のうちの半導体回路１２が形成されていない範囲に、下側コイル（２次側コイル）１３５と、コイル間絶縁膜１４０と、上側コイル（１次側コイル）１５４が積層されることによって構成されているトランス素子１５５が形成されている。コイル間絶縁膜１４１ａは、絶縁性無機質粒子を集積したものであり、ポリイミドの半分の厚みで同等の絶縁特性を発揮する。半導体装置４は薄いコイル間絶縁膜１４１ａを使用するために、下側コイル１３５と上側コイル１５４の磁気的結合係数が高い。そのために、下側コイル１３５と上側コイル１５４を金属のみで形成することができ、強磁性材料を使用する必要がない。
【００２５】
以下では、第１実施例と相違する点を中心に説明する。ＳｉＯ２の絶縁膜１３１（第１実施例では３１）よりも深い部分の構造は、第１実施例と第２実施例で共通である。ただし、下側コイル１３５は、下地金属膜３２と金属膜３３のみで形成されており、強磁性材料層が利用されていない。
コイル間絶縁膜１４０は、絶縁性無機質粒子を集積した絶縁膜１４１ａと、その表面を覆っている薄い有機質絶縁膜１４２ａで形成されており、合計の厚みは１２μｍである。第２実施例のコイル間絶縁膜１４０は、第１実施例のコイル間絶縁膜４０よりも薄い。
絶縁性無機質粒子を集積した絶縁膜１４１ａの周囲は、有機質絶縁膜１４３で取り囲まれている。
コイル間絶縁膜１４０が薄いために、上側コイル１５４と下側コイル１３５の相互インダクタンスが高い。そのために、２次側コイル１３５に強磁性材料を使用しないでも、２次側コイル１３５に大きな電圧が発生する。
【００２６】
次に、半導体装置４の製造プロセスを説明する。
図６までは第１実施例と共通であり、重複説明を省略する。この実施例では、強磁性材料層を形成しない。そこで、図６の段階でエッチングを実施する。
図１７は、図６の段階でエッチングをした段階を示している。この段階で、金属膜３３のみならず、下地金属膜３２までエッチングされる。この段階で、下側コイル１３５と金属膜１３７と金属膜１３８の平面形状がパターニングされる。下側コイル１３５は４重の渦巻き形状にパターンニングされる。各周はほぼ円形であってもよいし、多角形であってもよい。この段階で、下側コイル１３５の内側端部１３５ｄが配線２６によって半導体回路１２に接続され、下側コイル１３５の外側端部１３５ｈが配線２８によって半導体回路１２に接続され、金属膜１３８が配線２９によって半導体回路１２に接続される。
図１８は、下側コイル１３５と金属膜１３７と金属膜１３８の周囲と表面をＳｉＯ２で被覆した段階を示す。金属膜１３７と金属膜１３８の表面も、ＳｉＯ２で被覆されている。金属膜１３７と金属膜１３８の上方に開口を形成する必要はない。
図１９は、有機質絶縁材料（本実施例ではポリイミド）の溶液を塗布し、光を照射して溶液を硬化し、絶縁層１４３を形成した段階を示す。この段階では、溶液を全面に塗布し、下側コイル１３５の上方領域と、金属膜１３７の上方領域と、金属膜１３８の上方領域には光を照射しない。これに代えて、下側コイル１３５の上方領域と、金属膜１３７の上方領域と、金属膜１３８の上方領域には溶液を塗布しない方式を採用してもよい。インクジェット技術によって、溶液を塗布する領域と塗布しない領域を制御することが可能となっている。上記の処理によって、下側コイル１３５の上方領域に窪み１４３ａが形成され、金属膜１３７の上方領域に窪み１４３ｋが形成され、金属膜１３８の上方領域に窪み１４３ｌが形成される。
図２０は、絶縁層１４３に表面に、絶縁性無機質粒子（この実施例ではシリカ粒子）の層１４１を充填した段階を示す。シリカ粒子に代えて、アルミナ粒子あるいは窒化シリコン粒子を充填してもよい。この段階では、絶縁性無機質粒子をＳＯＧなどのシラノールを含む溶媒に懸濁させた溶液を用いる。溶液を塗布した後、絶縁性無機質粒子を弱くベーキングして固定する。ＳＯＧなどのシラノールを含む溶媒に懸濁させた溶液を用いると、ベーキングした際に溶媒が除去されるだけでなく、絶縁性無機質粒子間に酸化物が生成して絶縁性無機質粒子同士を固定することができる。
図２１は、下側コイル１３５の形成範囲に相当する絶縁性無機質粒子層１４１の表面に保護膜１４４を形成した段階を示す。保護膜となる液体を全面に塗布しておき、下側コイル１３５の形成範囲にだけ光を照射することによって、保護膜１４４を形成することができる。
図２２は、保護膜１４４の表面からウエットエッチングした段階を示す。下側コイル１３５の形成範囲外の絶縁性無機質粒子層１４１が除去される。絶縁性無機質粒子層１４１は弱くベーキングされているので、ウエットエッチングすることができる。窪み１４３ｋと窪み１４３ｌでは、ＳｉＯ２層１３１が露出するまでエッチングされるが、ＳｉＯ２層１３１はエッチングされない。ＳｉＯ２層１３１は、ウエットエッチング工程において金属膜１３７と金属膜１３８をプロテクトする。その後にドライエッチングして絶縁層１４３の隙間に露出しているＳｉＯ２層１３１を除去して金属膜１３７と金属膜１３８の表面を露出させる。
以上では、絶縁性無機質粒子層１４１を全面に形成しておいてから除去することによって形成範囲を規制しているが、図１９に示されている窪み１４３ａの内側にのみ、絶縁性無機質粒子を懸濁させた溶液を塗布してもよい。インクジェット技術によって、溶液を塗布する領域と塗布しない領域を制御することが可能となっている。窪み１４３ａを取り囲んでいる絶縁層１４３は、絶縁性無機質粒子層１４１の平面形状を規制する周囲絶縁膜ということができる。
図２３は、下側コイル１３５の形成範囲に残存している絶縁性無機質粒子層１４１ａの表面に有機質絶縁材料（本実施例ではポリイミド）の溶液を塗布し、光を照射して溶液を硬化し、絶縁層１４２ａを形成した段階を示す。絶縁層１４２ａは、非常に薄くてよい。本実施例では２μｍの厚みに形成する。絶縁性無機質粒子層１４１ａと絶縁層１４２ａによってコイル間絶縁膜１４０が形成される。コイル間絶縁膜１４０の膜厚は約１２μｍであり、第１実施例のコイル間絶縁膜４０の厚みの半分である。絶縁性無機質粒子層１４１ａの絶縁能力が高く、約１０μｍの膜厚で約５ｋｖの電圧を絶縁する。絶縁層１４２ａは、絶縁性無機質粒子層１４１ａを固定する効果をも備えている。
図２４は、コイル間絶縁膜１４０の表面に下地金属膜１５２を形成した段階を示す。下地金属膜１５２は下地金属膜３２と同一プロセスで形成される。
図２５は、後で金属膜１５３を形成する範囲に開口１５５ａ等が形成されている保護膜１５５を形成した段階を示す。保護膜１５５には、１次側コイルを形成する範囲に対応する開口１５５ａ〜５５ｊ、シールド用電極１５３ｋを形成する範囲に対応する開口１５５ｋ、露出電極１５３ｌを形成する範囲に対応する開口１５５ｌを形成する。
図２６は、保護膜１５５の開口１５５ａ〜１５５ｊ、開口１５５ｋ、開口１５５ｌにおいて露出する下地金属膜１５２の表面に金属膜１５３をメッキした段階を示す。金属膜１５３は、金で形成してもよいし、銅で形成してもよい。
図２７は、保護膜１５５を除去した段階を示す。この段階で、平面形状がパターニングされている上側コイル１５４とシールド用電極１５３ｋと露出電極極１５３ｌが形成される。この段階では、金属膜１５３で覆われていない下地金属膜１５２もエッチングする。
図２８は、保護膜１５１を形成した段階を示す。保護膜１５１には、１次側コイル１５４の外側端部１５４ａと、１次側コイル１５４の内側端部１５４ｆと、露出電極１５３ｌに対応する位置に、開口１５１ａ、１５１ｆ、１５１ｌを形成する。
以上によって半導体装置４が完成する。この半導体装置を配線６２,６４によって１次側回路６６に接続すると、意図した利用が可能となる。
【００２７】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
第１実施例の特徴と第２実施例の特徴を併せ持つ実施例も可能である。すなわち、強磁性材料層３４を利用するコイル３５と、薄いコイル間絶縁膜１４１ａの両者を用いる実施例も可能である。この場合、２次側コイルで非常に大きな電圧変化を得ることができる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図３】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図４】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図５】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図６】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図７】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図８】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図９】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１０】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１１】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１２】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１３】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１４】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１５】第１実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１６】完成した第１実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図１７】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１８】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図１９】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２０】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２１】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２２】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２３】第第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２４】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２５】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２６】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２７】第２実施例の半導体装置の製造プロセスを示す。
【図２８】完成した第２実施例の半導体装置の断面図を示す。
【図２９】第１実施例の半導体装置の平面図を示す。
【符号の説明】
【００２９】
２、４：半導体装置
１０：半導体基板
１２：半導体回路
２０：配線層絶縁膜
２２：下層
２４：上層
２６，２８，２９：配線
３０：絶縁膜
３２：下地金属膜
３３：金属膜
３４：強磁性材料層
３５：下側コイル（２次側コイル）
４０：コイル間絶縁膜
４１：下層
４２：上層
５２：下地金属膜
５３：金属膜
５４：上側コイル（１次側コイル）
１３２：下地金属膜
１３３：金属膜
１３５：下側コイル（２次側コイル）
１４０：コイル間絶縁膜
１４１ａ：絶縁性無機質粒子層
１４２ａ：有機質絶縁層
１５２：下地金属膜
１５３：金属膜
１５４：上側コイル（１次側コイル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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