JP2004158598A - Mim capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体集積回路において結合回路に使用する容量の構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の半導体で構成されているMIM容量の従来の構造図を図5、図6に示す。
【0003】
図5において第1の電極1と第2の電極2と絶縁体3を備え、前記第1、第2の電極が前記絶縁体3を挟んだ構成を有しており、半導体基板5上に絶縁体4で分離されて形成されている(例えば特許文献1参照)。
【0004】
図6においては第1の電極1と第2の電極2と絶縁体3を備え、前記第1、第2の電極により前記絶縁体3を挟んだ構成を有しており、更に第2の電極2と半導体基板5の間には絶縁体4と絶縁体9で分離され、回路接地に接地された第3の電極8を設ける事で、前記第2の電極と半導体基板5の間を電気シールドする構成をしている。
【0005】
従来構造における図5、図6に示したMIM容量の等価回路をそれぞれ図9、図10に示す。
【0006】
図9において容量Cが図5における第1の電極と第2の電極の電極間容量であり、容量Csと抵抗Rsは第2の電極の半導体基板5に対する寄生素子である。
【0007】
図10において容量Cが図6における第1の電極と第2の電極の電極間容量であり、容量C2はシールド電極となる第3の電極と前記第2の電極間の容量であり、容量Csと抵抗Rsは前記第3の電極の半導体基板5に対する寄生素子であり、抵抗RIは前記第3の電極を回路接地に接続するために使用する配線の配線抵抗である。
【0008】
【特許文献1】
特開平7−326712号公報(第1頁、第1図)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
最近の通信分野ではGHz帯の高周波で動作する回路の利用が増え、MIM容量の高性能化が必要となってきている。例えば入出力回路等の整合回路で使用した場合、寄生素子の抵抗成分による損失が問題となるし、電圧制御発振器等で使用した場合は寄生素子の抵抗成分がQ値の劣化を招き発振器の性能を悪化させる。また、信号線路等に使用した場合も寄生素子の時定数の変動が伝送信号の遅延量を変動させシステムを不安定にするなどの問題が発生する。
【0010】
図6のように図5の第2の電極と半導体基板間に接地された第3の電極を付け加える構成により、第2の電極を半導体基板からシールドし第2の電極に付加される寄生容量を損失抵抗が無く、ばらつきの少ない容量に変換することができる。このことにより図10の容量Cの性能を向上させることができるが、図10の等価回路の容量C2を接地する配線の抵抗成分RIのために完全な対策とはなりえない。
【0011】
これらの、寄生素子の影響を取り除くために、本発明はMIM容量を使用する上で、これらの寄生容量の影響による回路性能の劣化を防ぐための技術を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
MIM容量を使用する上で、対基板寄生素子による損失等を削減するために、特に差動線路で使用する場合、2対の容量の半導体基板に近い側の電極と半導体基板間に前記2対の両方の容量から、寄生容量で結合状態にあり、更に前記2対の両方の基板側電極からの対基板への大半の電束を阻止できるぐらいの面積を持ち他の回路へは非接触の別の金属電極を設け、この非接触の電極が前記2対の容量に印加される同振幅、逆位相の信号からの、同量、逆位相の電荷の充放電を受けることでAC接地状態になり、このAC接地状態により非接触電極からの対基板寄生素子を無視する事ができ、結果として差動線路に挿入される2対の容量が対基板寄生素子の影響を受けないように構成する。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、図面を参照しながら説明する。
【0014】
図1に本発明の第1の実施形態を示す。図1において1は第1の容量の第1の電極、2は前記第1の容量の第2の電極、3,4,9は絶縁層、5は半導体基板、6は第2の容量の第1の電極、7は前記第2の容量の第2の電極、8は前記第1、第2の容量の両方の第2の電極面に対して同時に面対向する様に前記第1、第2の容量の両方の第2の電極と前記半導体基板5の間に設けられる第3の電極である。
【0015】
前記、図1の等価回路を図11に示す。
【0016】
図11において100は前記第1の容量、101は前記第2の容量、102は前記第1の容量に寄生素子として付加される前記第1の容量の第2の電極と前記第3の電極間の容量、103は前記第2の容量に寄生素子として付加される前記第2の容量の第2の電極と前記第3の電極間の容量、105は前記第3の電極と半導体基板間の寄生容量、104は前記寄生容量105の内部損失抵抗、106は前記第3の電極に相当する部分である。
【0017】
前記、図1に示した構造の本発明第1の実施形態における、容量対を図12に示すような差動回路に差動信号を入力するための結合容量として使用すると、図11の前記第1、第2の容量の各第2の電極に相当するポイントc点、d点に加わる信号が同振幅、逆位相になり、前記第1、第2の各第2の電極の寄生容量102,103を通して前記第3の電極106に充放電される電荷の和が相殺して零になる。このことにより前記第3の電極106の電位はAC接地状態となり、前記図11における前記第3の電極106と半導体基板間に存在する寄生素子104,105の影響を受けなくなり、半導体基板の影響による損失や容量のQ値の劣化が無くなり、差動信号としての2つの信号の位相のずれ、振幅の差等の問題が生じなくなり、高精度での高品質な回路設計が可能となる。
【0018】
図2に本発明の第2の実施形態を示す。
【0019】
図2において、1は第1の容量の第1の電極、2は第2の容量の第2の電極としても共用される前記第1、第2の容量の共通の第2の電極、3,4は絶縁層、5は半導体基板である。
【0020】
前記、図2の等価回路を図13に示す。
【0021】
図13において、201は第1の容量、202は第2の容量、203,204は前記第1の容量、前記第2の容量の共通の第2の電極と基板間の寄生容量と寄生容量の損失抵抗であり、205は前記第1の容量、前記第2の容量の共通の第2の電極に相当する。
【0022】
前記、図2の構造の本発明第1の実施形態における容量を図14に示した差動信号間に挿入される容量Cのような条件で使用した場合においては、前記、図13の等価回路図の第2の電極205は端子eおよびfから前記第1の容量201と第2の容量202を通じて充放電される電荷の総和が零になるため、前記第2の電極205の電位がAC接地状態となり前記図2の第2の電極2と半導体基板5の間に存在する前記、図13の等価回路に示される寄生容量203と損失抵抗204の影響を受けなくなる。
【0023】
図3に本発明の第3の実施形態を示す。
【0024】
図3に示した実施形態は前記第1の請求項の実施形態の第3の電極を回路接地に接続するための取り出し配線を設け、前記第3の電極を回路設置に接続したものである。
【0025】
前記、第1の実施形態において第1の容量、第2の容量に加えられる信号に歪が含まれている場合や振幅が異なる場合、図11に示す前記第1の実施形態の第3の電極106にリップル電圧が発生し、前記図11における寄生素子104,105の影響を若干受けるため、前記第3の電極を回路接地に接続して、更に前記第3の電極のシールド効果を強化する構造を有し、前記第3の電極に接続される回路接地に対して、前記第1、第2の容量の各第2の電極から同一インピーダンスになるような構造で前記第3の電極に接地電位を接続することで、前記第1、第2の容量に加えられる2つの信号のバランスを保持する事ができる。
【0026】
図4に本発明の第4の実施形態を示す。
【0027】
図4に示した実施形態は前記第2の請求項の実施形態の第2の電極を回路接地に接続するための取り出し配線を設け、前記第2の電極を回路設置に接続したものである。
【0028】
前記、第2の実施形態において第1の容量、第2の容量に加えられる信号に歪が含まれている場合や振幅が異なる場合、図14に示す前記第2の実施形態の第2の電極205にリップル電圧が発生し、前記図14における寄生素子203,204の影響を若干受けるため、前記第2の電極を回路接地に接続する事でこの寄生素子の影響を無くす構造を有し、前記第2の電極に接続される回路接地に対して、前記第1、第2の容量の各第1の電極から同一インピーダンスになるような構造で前記第2の電極に接地電位を接続することで、前記第1、第2の容量に加えられる2つの信号のバランスを保持する事ができる。
【0029】
また、本発明1〜4の実施形態において、上部電極の上に更に別の電極を設けて、上部方向のシールド効果を得る構造にしてもよい。
【0030】
また、図2に示した第2の実施形態において、図8に示すように、第1の電極の周辺に第2の電極に接続されたガードを設けてシールド効果を増す構造にしてもよく、同様に第1の実施形態、第3の実施形態、第4の実施形態に対しても同様のガードを設けてもよい。
【0031】
【発明の効果】
以上のように本発明は、対基板寄生素子の影響を受けないような条件でのMIM容量を使用することが可能となり、高周波半導体集積回路において、より高い周波数、より精密な設計を可能とし、高周波半導体集積回路の特性を極めて向上させる事を可能とする手段を実現するための技術を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明におけるMIM容量において第1の実施形態を示す構造図
【図2】本発明におけるMIM容量において第2の実施形態を示す構造図
【図3】本発明におけるMIM容量において第3の実施形態を示す構造図
【図4】本発明におけるMIM容量において第4の実施形態を示す構造図
【図5】従来のMIM容量の構造図
【図6】従来のシールド方法を示すためのMIM容量の構造図
【図7】従来のMIM容量の使用方法を示すための容量構成図
【図8】本発明の実施形態を補足説明するためのMIM容量の構成図
【図9】従来の構造におけるMIM容量の等価回路図
【図10】従来のシールド方法を利用した場合のMIM容量の等価回路図
【図11】本発明の第1の実施形態におけるMIM容量の等価回路図
【図12】本発明の第1の実施形態の使用例を示す図
【図13】本発明の第2の実施形態におけるMIM容量の等価回路図
【図14】本発明の第2の実施形態の使用例を示す図
【符号の説明】
1,2,6,7,8 金属電極
3,4,9 絶縁層
5 半導体基板
10 コンタクト
11 ガード電極
100,101 本発明の第1の実施形態における電極間容量
102,103 本発明の第1の実施形態における寄生容量
104,105 本発明の第1の実施形態における寄生素子
106 本発明の第1の実施形態における第3の電極
201,202 本発明の第2の実施形態における電極間容量
203,204 本発明の第2の実施形態における寄生素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a structure of a capacitor used for a coupling circuit in a semiconductor integrated circuit.
[0002]
[Prior art]
FIGS. 5 and 6 show a conventional structure diagram of an MIM capacitor made of a conventional semiconductor.
[0003]
In FIG. 5, a
[0004]
In FIG. 6, a
[0005]
FIGS. 9 and 10 show equivalent circuits of the MIM capacitors shown in FIGS. 5 and 6 in the conventional structure, respectively.
[0006]
In FIG. 9, the capacitance C is the capacitance between the first electrode and the second electrode in FIG. 5, and the capacitance Cs and the resistance Rs are parasitic elements of the second electrode with respect to the
[0007]
In FIG. 10, the capacitance C is the capacitance between the first electrode and the second electrode in FIG. 6, the capacitance C2 is the capacitance between the third electrode serving as the shield electrode and the second electrode, and the capacitance Cs And a resistor Rs are parasitic elements of the third electrode with respect to the
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-7-326712 (
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the recent communication field, the use of circuits operating at a high frequency in the GHz band has increased, and it has become necessary to improve the performance of MIM capacitors. For example, when used in a matching circuit such as an input / output circuit, loss due to the resistance component of the parasitic element becomes a problem. When used in a voltage controlled oscillator, the resistance component of the parasitic element causes deterioration of the Q value, and the performance of the oscillator is deteriorated. Worsen. Also, when used for a signal line or the like, a problem occurs that the fluctuation of the time constant of the parasitic element fluctuates the amount of delay of the transmission signal and makes the system unstable.
[0010]
As shown in FIG. 6, by adding a grounded third electrode between the second electrode and the semiconductor substrate of FIG. 5, the second electrode is shielded from the semiconductor substrate to reduce the parasitic capacitance added to the second electrode. There is no loss resistance and it is possible to convert to a capacitance with little variation. This can improve the performance of the capacitor C of FIG. 10, but cannot be a complete measure due to the resistance component RI of the wiring that grounds the capacitor C2 of the equivalent circuit of FIG.
[0011]
In order to eliminate the influence of the parasitic element, the present invention provides a technique for preventing the deterioration of the circuit performance due to the influence of the parasitic capacitance when using the MIM capacitor.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to reduce the loss due to parasitic elements to the substrate when using the MIM capacitor, particularly when used in a differential line, the two pairs of electrodes between the electrode near the semiconductor substrate and the semiconductor substrate have two pairs of capacitors. From the two capacitances, are coupled by parasitic capacitances, and have an area large enough to block most of the electric flux from the two electrodes on the substrate side to the substrate and have no contact with other circuits. Another metal electrode is provided, and the non-contact electrode is charged and discharged with the same amount and opposite phase from the same amplitude and opposite phase signals applied to the two pairs of capacitors, thereby setting the AC ground state. In this AC ground state, parasitic elements to the substrate from the non-contact electrode can be ignored, and as a result, two pairs of capacitors inserted into the differential line are not affected by the parasitic elements to the substrate. .
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
[0014]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a first electrode of a first capacitor, 2 is a second electrode of the first capacitor, 3, 4, and 9 are insulating layers, 5 is a semiconductor substrate, and 6 is a second electrode of a second capacitor. One
[0015]
FIG. 11 shows the equivalent circuit of FIG.
[0016]
In FIG. 11, 100 is the first capacitor, 101 is the second capacitor, and 102 is a second capacitor between the second electrode and the third electrode of the first capacitor which is added to the first capacitor as a parasitic element. , A
[0017]
When the capacitance pair in the first embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 1 is used as a coupling capacitance for inputting a differential signal to a differential circuit as shown in FIG. The signals applied to the points c and d corresponding to the second electrodes of the first and second capacitors have the same amplitude and opposite phases, and the
[0018]
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention.
[0019]
In FIG. 2, 1 is a first electrode of a first capacitor, 2 is a common second electrode of the first and second capacitors, which is also used as a second electrode of a second capacitor. 4 is an insulating layer and 5 is a semiconductor substrate.
[0020]
FIG. 13 shows the equivalent circuit of FIG.
[0021]
In FIG. 13,
[0022]
When the capacitance according to the first embodiment of the present invention having the structure shown in FIG. 2 is used under conditions such as the capacitance C inserted between the differential signals shown in FIG. 14, the equivalent circuit shown in FIG. In the
[0023]
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
[0024]
In the embodiment shown in FIG. 3, an extraction wiring for connecting the third electrode of the first embodiment to a circuit ground is provided, and the third electrode is connected to a circuit installation.
[0025]
In the case where the signal added to the first capacitance and the second capacitance in the first embodiment includes distortion or has a different amplitude, the third electrode of the first embodiment shown in FIG. Since a ripple voltage is generated at 106 and slightly affected by the
[0026]
FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention.
[0027]
In the embodiment shown in FIG. 4, a lead-out wire for connecting the second electrode of the second embodiment to circuit ground is provided, and the second electrode is connected to a circuit installation.
[0028]
In the second embodiment, when a signal added to the first capacitor and the second capacitor includes distortion or a different amplitude, the second electrode of the second embodiment shown in FIG. Since a ripple voltage is generated at 205 and slightly affected by the
[0029]
Further, in the embodiments of the
[0030]
Further, in the second embodiment shown in FIG. 2, as shown in FIG. 8, a structure may be adopted in which a guard connected to the second electrode is provided around the first electrode to increase the shielding effect. Similarly, similar guards may be provided for the first, third, and fourth embodiments.
[0031]
【The invention's effect】
As described above, the present invention makes it possible to use the MIM capacitor under conditions that are not affected by the parasitic element with respect to the substrate, enabling higher frequency and more precise design in a high-frequency semiconductor integrated circuit, It is an object of the present invention to provide a technique for realizing means capable of extremely improving the characteristics of a high-frequency semiconductor integrated circuit.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram showing a first embodiment of a MIM capacitor according to the present invention; FIG. 2 is a structural diagram showing a second embodiment of a MIM capacitor according to the present invention; FIG. 3 is a third diagram showing a MIM capacitor according to the present invention; FIG. 4 is a structural diagram showing a fourth embodiment of an MIM capacitor according to the present invention; FIG. 5 is a structural diagram of a conventional MIM capacitor; FIG. 6 is an MIM for showing a conventional shielding method; FIG. 7 is a structural diagram of a capacitor. FIG. 8 is a structural diagram of a MIM capacitor for illustrating a method of using a conventional MIM capacitor. FIG. 8 is a structural diagram of a MIM capacitor for supplementary explanation of an embodiment of the present invention. FIG. 10 is an equivalent circuit diagram of the MIM capacitor when a conventional shielding method is used. FIG. 11 is an equivalent circuit diagram of the MIM capacitor according to the first embodiment of the present invention. No. FIG. 13 is a diagram showing an example of use of the second embodiment. FIG. 13 is an equivalent circuit diagram of a MIM capacitor according to the second embodiment of the present invention. FIG. 14 is a diagram showing an example of use of the second embodiment of the present invention. ]
1, 2, 6, 7, 8
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