特開 2022-175770 絶縁素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022175770

(43)【公開日】2022-11-25

(54)【発明の名称】絶縁素子

(51)【国際特許分類】

   H01F 27/00 20060101AFI20221117BHJP

   H01F 17/00 20060101ALI20221117BHJP

   H01F 27/32 20060101ALI20221117BHJP

【ＦＩ】

H01F27/00 R

H01F17/00 A

H01F27/32 130

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021082450

(22)【出願日】2021-05-14

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317011920

【氏名又は名称】東芝デバイス＆ストレージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100157901

【弁理士】

【氏名又は名称】白井 達哲

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(74)【代理人】

【識別番号】100197538

【弁理士】

【氏名又は名称】竹内 功

(72)【発明者】

【氏名】阿久津 敏

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 和幸

(72)【発明者】

【氏名】菊地 拓雄

(72)【発明者】

【氏名】牧野 伸顕

(72)【発明者】

【氏名】大黒 達也

(72)【発明者】

【氏名】藤 慶彦

【テーマコード（参考）】

5E044

5E070

【Ｆターム（参考）】

5E044BB04

5E044BB10

5E070AA11

5E070AB08

5E070CB02

5E070CB20

(57)【要約】

【課題】第１コイルと第２コイルとの間の層間絶縁膜におけるアバランシェ降伏を抑制することができる絶縁素子を提供する。
【解決手段】絶縁素子は、第１コイルと、第２コイルと、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に設けられた層間絶縁膜と、を備える。前記層間絶縁膜は、第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられた第３層と、を有する。前記第１層は、前記第１コイルと前記第３層との間に設けられ、前記第２層は、前記第２コイルと前記第３層との間に設けられ、前記第３層のバンドギャップは、前記第１層のバンドギャップ及び前記第２層のバンドギャップよりも狭い。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１コイルと、
第２コイルと、
前記第１コイルと前記第２コイルとの間に設けられた層間絶縁膜と、
を備え、
前記層間絶縁膜は、第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられた第３層と、を有し、
前記第１層は、前記第１コイルと前記第３層との間に設けられ、
前記第２層は、前記第２コイルと前記第３層との間に設けられ、
前記第３層のバンドギャップは、前記第１層のバンドギャップ及び前記第２層のバンドギャップよりも狭い絶縁素子。

【請求項2】

前記第１層及び前記第２層は、酸化シリコン層であり、
前記第３層は、酸窒化シリコン層または窒化シリコン層である請求項１に記載の絶縁素子。

【請求項3】

前記第１層の厚さ及び前記第２層の厚さは、前記第３層の厚さよりも薄い請求項１または２に記載の絶縁素子。

【請求項4】

第１領域と第２領域とを有する基板と、
前記基板と前記層間絶縁膜との間に設けられた第１絶縁層と、
前記第１領域上の前記第１絶縁層内に設けられた第１導電層と、
前記層間絶縁膜上に設けられた第２絶縁層と、
前記第１領域上の前記第２絶縁層内に設けられた第２導電層と、
前記層間絶縁膜内に設けられ、前記第１導電層と前記第２導電層とを接続する第３導電層と、
をさらに備え、
前記第１コイルは、前記第２領域上の前記第１絶縁層内に設けられ、前記第１導電層と接続され、
前記第２コイルは、前記第２領域上の前記第２絶縁層内に設けられ、前記第２導電層とは接続されていない請求項１～３のいずれか１つに記載の絶縁素子。

【請求項5】

前記基板の前記第１領域は、前記第１導電層と接続された回路を有する請求項４に記載の絶縁素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、絶縁素子に関する。

【背景技術】

【0002】

一対のコイルと、一対のコイルの間に設けられた層間絶縁膜とを備え、電磁誘導を利用して一対のコイル間に信号を伝送する絶縁素子が知られている。一対のコイル間の層間絶縁膜には高電界がかかる場合があり、層間絶縁膜には高い信頼性が求められる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１５０２４１号公報

【特許文献2】特開２０１５－１３８８７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、第１コイルと第２コイルとの間の層間絶縁膜におけるアバランシェ降伏を抑制することができる絶縁素子を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、絶縁素子は、第１コイルと、第２コイルと、前記第１コイルと前記第２コイルとの間に設けられた層間絶縁膜と、を備える。前記層間絶縁膜は、第１層と、第２層と、前記第１層と前記第２層との間に設けられた第３層と、を有する。前記第１層は、前記第１コイルと前記第３層との間に設けられ、前記第２層は、前記第２コイルと前記第３層との間に設けられ、前記第３層のバンドギャップは、前記第１層のバンドギャップ及び前記第２層のバンドギャップよりも狭い。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】実施形態の絶縁素子の模式断面図である。

【図2】（ａ）は、第１コイルと第２コイルとの間に電圧を印加したときの実施形態の層間絶縁膜のエネルギーバンド図であり、（ｂ）は、第１コイルと第２コイルとの間に電圧を印加したときの比較例の層間絶縁膜のエネルギーバンド図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。各図において、同じ構成には同じ符号を付している。

【0008】

図１は、実施形態の絶縁素子１の模式断面図である。

【0009】

絶縁素子１は、第１コイル３１と、第２コイル３２と、層間絶縁膜２０とを備える。層間絶縁膜２０は、第１コイル３１と第２コイル３２との間に設けられている。

【0010】

層間絶縁膜２０は、第１層２１と、第２層２２と、第３層２３とを有する。第１層２１は、第１コイル３１と第３層２３との間に設けられている。第２層２２は、第２コイル３２と第３層２３との間に設けられている。第３層２３は、第１層２１と第２層２２との間に設けられている。

【0011】

第３層２３のバンドギャップは、第１層２１のバンドギャップ及び第２層２２のバンドギャップよりも狭い。例えば、第１層２１及び第２層２２は、酸化シリコン層である。酸化シリコン層は、例えばＳｉＯ_２層である。第３層２３は、酸窒化シリコン層である。または、第３層２３は、窒化シリコン層である。

【0012】

第１層２１の厚さ及び第２層２２の厚さは、第３層２３の厚さよりも薄い。層間絶縁膜２０の全体の厚さは、例えば、約１０μｍである。第１層２１の厚さ及び第２層２２の厚さは、例えば、約２μｍである。

【0013】

絶縁素子１は、基板１０と、第１絶縁層４１と、第２絶縁層４２と、第３絶縁層４３と、第４絶縁層４４と、第１導電層６１と、第２導電層６２と、第３導電層６３と、保護膜４５とをさらに備える。

【0014】

基板１０は、例えば、シリコン基板である。基板１０は、第１領域１１と第２領域１２とを有する。基板１０の第１領域１１は、回路１５を有する。回路１５は、半導体集積回路を含む。回路１５は、例えば、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）回路を含む。

【0015】

基板１０上に第３絶縁層４３が設けられ、第３絶縁層４３上に第１絶縁層４１が設けられ、第１絶縁層４１上に層間絶縁膜２０が設けられ、層間絶縁膜２０上に第２絶縁層４２が設けられている。

【0016】

第１絶縁層４１は、基板１０と層間絶縁膜２０との間に設けられている。第１絶縁層４１は、例えば、酸化シリコン層である。

【0017】

第１導電層６１は、基板１０の第１領域１１上の第１絶縁層４１内に設けられている。第１導電層６１は、例えば図示しない導電ビアなどを介して、第１領域１１上において回路１５と電気的に接続されている。

【0018】

第１コイル３１は、基板１０の第２領域１２上の第１絶縁層４１内に設けられている。第１コイル３１と第１導電層６１は、例えば、同じ材料からなり、同時に形成される。第１コイル３１及び第１導電層６１は、例えば、銅を主に含む。第１コイル３１は、第１絶縁層４１内で例えば渦巻き状に形成されている。第１コイル３１は、第１絶縁層４１内に設けられた図示しない導電層を介して、第１導電層６１と電気的に接続されている。

【0019】

第２絶縁層４２は、層間絶縁膜２０上に設けられている。第１絶縁層４１と第２絶縁層４２との間に層間絶縁膜２０が設けられている。第２絶縁層４２は、例えば、酸化シリコン層である。

【0020】

第２導電層６２は、基板１０の第１領域１１上の第２絶縁層４２内に設けられている。

【0021】

第２コイル３２は、基板１０の第２領域１２上の第２絶縁層４２内に設けられている。第２コイル３２と第２導電層６２は、例えば、同じ材料からなり、同時に形成される。第２コイル３２及び第２導電層６２は、例えば、銅を主に含む。第２コイル３２は、第２絶縁層４２内で例えば渦巻き状に形成されている。第２絶縁層４２内において、第２コイル３２は第２導電層６２と接続されていない。

【0022】

第３導電層６３は、第１導電層６１と第２導電層６２との間の層間絶縁膜２０内に設けられ、第１導電層６１と第２導電層６２とを電気的に接続している。

【0023】

第１コイル３１と第１絶縁層４１との間にバリアメタル９１が設けられている。第１導電層６１と第１絶縁層４１との間にバリアメタル９３が設けられている。第２コイル３２と第２絶縁層４２との間にバリアメタル９２が設けられている。第２導電層６２と第２絶縁層４２との間にバリアメタル９４が設けられている。第３導電層６３と層間絶縁膜２０との間にバリアメタル９５が設けられている。

【0024】

バリアメタル９１～９５は、第１コイル３１、第２コイル３２、第１導電層６１、第２導電層６２、及び第３導電層６３に含まれる金属原子（例えば銅原子）の絶縁材料中への拡散を防ぐ。バリアメタル９１～９５として、例えば、Ｔａ、ＴａＮが用いられる。

【0025】

基板１０と第１絶縁層４１との間に第３絶縁層４３が設けられている。第３絶縁層４３は、例えば、酸化シリコン層である。第３絶縁層４３と第１絶縁層４１との間に、第１絶縁膜５１が設けられている。第１絶縁膜５１は、第３絶縁層４３及び第１絶縁層４１とは異なる材料の膜であり、例えば、窒化シリコン膜である。

【0026】

第１絶縁層４１と、層間絶縁膜２０の第１層２１との間に、第２絶縁膜５２が設けられている。第２絶縁膜５２は、第１絶縁層４１及び第１層２１とは異なる材料の膜であり、例えば、窒化シリコン膜である。

【0027】

層間絶縁膜２０の第２層２２と、第２絶縁層４２との間に、第３絶縁膜５３が設けられている。第３絶縁膜５３は、第２層２２及び第２絶縁層４２とは異なる材料の膜であり、例えば、窒化シリコン膜である。

【0028】

第２絶縁層４２上に第４絶縁層４４が設けられている。第４絶縁層４４は、例えば、酸化シリコン層である。第２絶縁層４２と第４絶縁層４４との間に、第４絶縁膜５４が設けられている。第４絶縁膜５４は、第２絶縁層４２及び第４絶縁層４４とは異なる材料の膜であり、例えば、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）膜である。

【0029】

第４絶縁層４４上に保護膜４５が設けられている。保護膜４５は、絶縁膜であり、例えば、窒化シリコン膜や、ポリイミドのような有機膜である。

【0030】

第４絶縁膜５４上に第１パッド７１と第２パッド７２が設けられている。第１パッド７１及び第２パッド７２は、金属材料からなる。第１パッド７１及び第２パッド７２は、例えば、アルミニウムを主に含む。

【0031】

第４絶縁膜５４には、第２コイル３２に達する第１開口部５４ａが形成される。第１パッド７１の一部は、第１開口部５４ａ内にも形成され、第２コイル３２と接続されている。第１パッド７１の上面は第４絶縁層４４及び保護膜４５から露出される。第１パッド７１の上面には、第１金属ワイヤ８１が接合される。第２コイル３２は、第１パッド７１を介して、第１金属ワイヤ８１と電気的に接続されている。

【0032】

また、第４絶縁膜５４には、第２導電層６２に達する第２開口部５４ｂが形成される。第２パッド７２の一部は、第２開口部５４ｂ内にも形成され、第２導電層６２と接続されている。第２パッド７２の上面は第４絶縁層４４及び保護膜４５から露出される。第２パッド７２の上面には、第２金属ワイヤ８２が接合される。第２導電層６２は、第２パッド７２を介して、第２金属ワイヤ８２と電気的に接続されている。

【0033】

第１コイル３１は、第１導電層６１、第３導電層６３、第２導電層６２、及び第２パッド７２を介して、第２金属ワイヤ８２と電気的に接続されている。

【0034】

第２コイル３２には、第１金属ワイヤ８１及び第１パッド７１を通じて、外部回路または外部機器から電気信号が印加される。第２コイル３２には、例えば、高周波のデジタル信号が印加される。

【0035】

第２コイル３２に電気信号が印加されることで磁界が発生し、この磁界により第１コイル３１に誘導電流が発生する。これにより、第２コイル３２から第１コイル３１へ信号が伝送される。逆に、第２金属ワイヤ８２、第２パッド７２、第２導電層６２、第３導電層６３、及び第１導電層６１を通じて第１コイル３１に印加された信号を、電磁誘導により第２コイル３２に伝送することもできる。例えば半導体集積回路である回路１５と、回路１５よりも高電圧で動作する外部回路（または外部機器）との間を、層間絶縁膜２０で絶縁しつつ、信号の伝送を行うことができる。

【0036】

第１コイル３１と第２コイル３２との間の信号伝送時、層間絶縁膜２０には電界がかかる。

【0037】

図２（ｂ）は、第１コイル３１と第２コイル３２との間に電圧を印加したときの比較例の層間絶縁膜１２０のエネルギーバンド図である。相対的に、第２コイル３２が高電位であり、第１コイル３１が低電位である。

【0038】

比較例においては、層間絶縁膜１２０として１層の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層を用いている。層間絶縁膜１２０にかかる電界が高電界の場合、エネルギーバンドの傾きが大きくなり、電子が高速に加速され、アバランシェ降伏が発生する懸念がある。

【0039】

これに対して、図２（ａ）は、第１コイル３１と第２コイル３２との間に電圧を印加したときの実施形態の層間絶縁膜２０のエネルギーバンド図である。相対的に、第２コイル３２が高電位であり、第１コイル３１が低電位である。

【0040】

本実施形態によれば、層間絶縁膜２０は、第１層２１と第２層２２との間に、これらよりもバンドギャップが狭い第３層２３を設けた構成にしている。このため、層間絶縁膜２０を構成する原子に対する電子の衝突回数を上記比較例に比べて増やすことができる。すなわち、電子が高エネルギーに加速されないうちに、層間絶縁膜２０を構成する原子に衝突する頻度が高くなる。これにより、層間絶縁膜２０におけるアバランシェ降伏を抑制し、層間絶縁膜２０の信頼性を高くできる。この結果、絶縁素子１の破壊を抑制することができる。

【0041】

なお、相対的に、第２コイル３２を低電位にし、第１コイル３１を高電位にした場合においても、第１層２１と第２層２２との間に、これらよりもバンドギャップが狭い第３層２３を設けた構成にすることで、電子の衝突回数を比較例に比べて増やすことができ、層間絶縁膜２０におけるアバランシェ降伏を抑制することができる。

【0042】

本実施形態では、例えば、第１層２１及び第２層２２として酸化シリコン層を用い、第３層２３として酸窒化シリコン層を用いている。酸窒化シリコンは、酸化シリコンに比べて、電界に依存せずに、通過電荷量に依存して破壊しやすい傾向がある。通過電荷量は、絶縁膜が破壊に至るまでに絶縁膜を通過した電荷量である。

【0043】

したがって、第１層２１の厚さ及び第２層２２の厚さは、第３層２３への電子の注入を抑制するのに十分な厚さでよい。第１層２１と第２層２２を必要以上に厚くしなくてよい。これにより、第１層２１及び第２層２２の厚さの増大に伴う膜応力の増大によるクラックの発生を抑制することができる。

【0044】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0045】

１…絶縁素子、１０…基板、１１…第１領域、１２…第２領域、１５…回路、２０…層間絶縁膜、２１…第１層、２２…第２層、２３…第３層、３１…第１コイル、３２…第２コイル、４１…第１絶縁層、４２…第２絶縁層、４３…第３絶縁層、４４…第４絶縁層、４５…保護膜、６１…第１導電層、６２…第２導電層、６３…第３導電層、７１…第１パッド、７２…第２パッド

【図1】

【図2】