JP2008306007A - Inductor, wiring board, and semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、能動部品と受動部品とを有するチップ型の半導体装置において受動部品の1つとして用いられるオンチップ型のインダクタと、そのようなインダクタを有するチップ型の半導体装置とに関する。 The present invention relates to an on-chip type inductor used as one of passive components in a chip type semiconductor device having an active component and a passive component, and a chip type semiconductor device having such an inductor.
近年、無線LAN、Bluetooth(商標または登録商標)、地上デジタルテレビ放送など種々の高速なデジタル無線方式が実用化されている。その無線回路は、チップ型の半導体装置によって構成されることが多い。この種の半導体装置は、受動部品として、オンチップ型のインダクタを有している。このインダクタは、半導体基板に形成された渦巻き状のインダクタ素子を有している。オンチップ型のインダクタのインダクタンスは大きくとも数nHであるものの、GHz帯域で動作する無線回路に対しては実用的なインダクタンスである。 In recent years, various high-speed digital wireless systems such as wireless LAN, Bluetooth (trademark or registered trademark), and digital terrestrial television broadcasting have been put into practical use. The wireless circuit is often constituted by a chip-type semiconductor device. This type of semiconductor device has an on-chip inductor as a passive component. This inductor has a spiral inductor element formed on a semiconductor substrate. Although the inductance of the on-chip type inductor is at most several nH, it is a practical inductance for a radio circuit operating in the GHz band.
この種のインダクタにおいて、数nHのインダクタンスを実現するためには、数mmの配線長が必要である。しかし、この長さは、半導体基板に形成される他の配線に比べて長い。このため、大きな寄生抵抗が発生し、回路性能が低下する。また、インダクタの性能指標としてのQ値は、寄生抵抗によって低下する。このため、この点からも寄生抵抗は小さいことが望ましい。 In this type of inductor, a wiring length of several mm is necessary to realize an inductance of several nH. However, this length is longer than other wirings formed on the semiconductor substrate. For this reason, a large parasitic resistance is generated, and the circuit performance is degraded. Further, the Q value as an index of performance of the inductor is lowered due to parasitic resistance. For this reason, it is desirable that the parasitic resistance is small also in this respect.
この種のインダクタの1つである平面型インダクタは、図1(a)および(b)に示されるように、1層のインダクタ素子を有している。そして、図1(a)に示されるように、インダクタ素子Lが渦巻状を呈することによって、数mmの配線長を実現している。図1(b)を参照すると、このインダクタ素子Lは、インダクタ素子の直列寄生抵抗を低減するために、厚さに比べて幅が広い断面構造を持っている。ただし、数mmの長さのインダクタは、寄生抵抗は十分低いとはいえない。例えば、半導体基板上に形成可能な一般的な配線材料で形成された場合に、このようなインダクタは、数Ω〜数10Ωの抵抗値を持つ。尚、図1(b)において、符号ISは、絶縁層を示している。 As shown in FIGS. 1A and 1B, a planar inductor, which is one of this type of inductor, has a single-layer inductor element. As shown in FIG. 1A, the inductor element L has a spiral shape, thereby realizing a wiring length of several mm. Referring to FIG. 1B, the inductor element L has a cross-sectional structure that is wider than the thickness in order to reduce the series parasitic resistance of the inductor element. However, an inductor with a length of several mm cannot be said to have a sufficiently low parasitic resistance. For example, when formed of a general wiring material that can be formed on a semiconductor substrate, such an inductor has a resistance value of several Ω to several tens of Ω. In FIG. 1B, the symbol IS indicates an insulating layer.
寄生抵抗を低減する策として、非特許文献1には、多層直列接続方式のインダクタが開示されている。このインダクタは複数層のインダクタ素子を有し、これらインダクタ素子が並列接続されている。図2を参照すると、多層直列接続方式のインダクタにおいて、インダクタ素子片L11、L12、およびL13は、相互に、相似した形状を呈し、図2には表れていないが、中心点に関してずれの無い向きに、絶縁層ISを介した三層に亘って配置されている。また、インダクタ素子片L11、L12、およびL13は、ビアP1、P2を介して相互に並列接続されている。したがって、共通の入力端子INから入った信号は、並列接続されたインダクタ素子片L11、L12、およびL13を通って、共通の出力端子OUTから出力される。多層直列接続方式のインダクタは、複数のインダクタ素子が並列接続されているため、1つの配線層によってインダクタを形成するよりも抵抗値が低減される。
As a measure for reducing the parasitic resistance, Non-Patent
一方、特許文献1には、多層直列接続方式のインダクタが提案されている。このインダクタは複数層のインダクタ素子を有し、これらインダクタ素子が直列接続されている。図3を参照すると、多層直列接続方式のインダクタにおいて、インダクタ素子片L11、L12、およびL13は、相互に、相似した形状を呈し、中心点Xに関してずれの無い向きに、絶縁層ISを介した三層に亘って配置されている。即ち、インダクタ素子片L11は、実線で表された層を一周回している。インダクタ素子片L12は、粗い破線で表された中層を一周回している。インダクタ素子片L13は、密な破線で表された下層を一周回している。また、インダクタ素子片L11、L12、およびL13は、ビアA、Bを介して相互に直列接続されている。したがって、インダクタ素子片L11の一端に形成された端子INから入った信号は、直列接続されたインダクタ素子片L11、L12、およびL13を通って、インダクタ素子片L13の一端に形成された端子OUTから出力される。多層直列接続方式のインダクタは、配線層の実効的な膜厚が小さいため、表皮効果の影響が小さい。さらに、各インダクタ素子片は直列接続のため、それぞれに流れる電流値が等しい。よって、多層直列接続方式のインダクタに比べて表皮効果による直列抵抗の増大が小さいという特徴がある。
On the other hand,
また、配線材料に銅(Cu)を用いる場合には製造工程の都合上、広い配線幅にすることが困難であるという実情にある。図4(a)および(b)は、このような配線幅の制限を回避し得るインダクタの構造例を示す。図4(a)および(b)を参照すると、インダクタ素子L’は、図1(a)および(b)に示されインダクタ素子Lと同様に、絶縁層IS上を二周回している。ただし、インダクタ素子L’の配線幅は、図1(a)および(b)に示されインダクタ素子Lよりも広い。これは、インダクタ素子L’が、単純な平板ではなく、巻回方向に添って断続的に略1/4周延びた複数のスリットSを持っているからである。このようにインダクタ素子にスリットを設けることにより、配線材料が銅の場合であっても、通常可能な配線幅よりも広い配線幅を実現できる。 In addition, when copper (Cu) is used as the wiring material, it is difficult to make a wide wiring width due to the manufacturing process. FIGS. 4A and 4B show examples of inductor structures that can avoid such a wiring width limitation. Referring to FIGS. 4A and 4B, the inductor element L ′ makes two turns on the insulating layer IS in the same manner as the inductor element L shown in FIGS. 1A and 1B. However, the wiring width of the inductor element L ′ is wider than that of the inductor element L shown in FIGS. This is because the inductor element L 'is not a simple flat plate but has a plurality of slits S extending intermittently about ¼ around the winding direction. By providing the inductor element with the slits in this way, even if the wiring material is copper, it is possible to realize a wiring width wider than the wiring width that is normally possible.
しかし、多層直列接続方式のインダクタにおいては、このインダクタをGHz帯域で使用する場合に、表皮効果の影響によって直列抵抗の上昇が起こる。表皮深さは、インダクタを1GHzで使用するときに数μmであるため、半導体基板上の配線の幅や厚さと同程度となり、影響が無視できない。特に、図2(a)および(b)に示されたような接続構造においては配線の実効的な膜厚が増加しているものとみなせるため、表皮効果の影響が大きい。このように、低周波帯域では直列抵抗が低くとも、GHz帯域では低周波帯域ほどの直列抵抗低減効果が発揮できないことは、例えば非特許文献2において報告されている。
However, in the multilayer series connection type inductor, when this inductor is used in the GHz band, the series resistance rises due to the skin effect. Since the skin depth is several μm when the inductor is used at 1 GHz, it is about the same as the width and thickness of the wiring on the semiconductor substrate, and the influence cannot be ignored. In particular, in the connection structure as shown in FIGS. 2A and 2B, since the effective film thickness of the wiring can be regarded as increasing, the influence of the skin effect is large. Thus, for example, Non-Patent
また、多層直列接続方式のインダクタにおいては、インダクタの両端の端子が設けられるインダクタ素子片(配線層)が異なるため、両端子からインダクタを見たときの特性が非対称となるという問題がある。 In addition, the multi-layer series connection type inductor has a problem that the characteristics when the inductor is viewed from both terminals are asymmetric because the inductor element pieces (wiring layers) provided with the terminals at both ends of the inductor are different.
また、配線材料に銅(Cu)を用いる場合に、通常の配線幅よりも広い配線幅を実現するためにスリットを設けた構造においては、スリット分の占有面積が余分に必要である。これは、オンチップ型のインダクタや、そのようなインダクタを有するチップ型の半導体装置の小型化を阻害する。 In addition, when copper (Cu) is used as the wiring material, in the structure in which the slit is provided in order to realize a wiring width wider than the normal wiring width, an extra area occupied by the slit is required. This hinders downsizing of on-chip inductors and chip-type semiconductor devices having such inductors.
それ故、本発明の課題は、高周波帯域においても寄生抵抗が低く、入出力端子からインダクタを見たときの特性が対称的であり、小型なオンチップ型のインダクタを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a small on-chip type inductor having a low parasitic resistance even in a high-frequency band and having a symmetrical characteristic when viewed from the input / output terminal.
本発明によれば、チップ型の半導体装置に用いられるオンチップ型のインダクタであって、絶縁層を介した複数の層に亘って入力端子から出力端子まで螺旋状にそれぞれ延びた偶数個のインダクタ素子を有し、前記偶数個のインダクタ素子は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されていることを特徴とするインダクタが得られる。 According to the present invention, on-chip type inductors used in a chip type semiconductor device, each including an even number of inductors that spirally extend from an input terminal to an output terminal across a plurality of layers via an insulating layer The even number of inductor elements are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristic including the Q value viewed from the input terminal and the one viewed from the output terminal are An inductor characterized by being connected in parallel so as to be substantially the same can be obtained.
本発明によればまた、前記偶数個のインダクタ素子は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されており、前記偶数個のインダクタ素子のうちの半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの最上層にあると共に、前記出力端子が最下層にあり、前記偶数個のインダクタ素子のうちの残り半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの前記最下層にあると共に、前記出力端子が前記最上層にあり、前記偶数個のインダクタ素子それぞれの前記入力端子が相互に接続されていると共に、前記出力端子が相互に接続されているインダクタが得られる。 According to the present invention, the even number of inductor elements are substantially congruent with each other in a plan view, and are arranged without substantially deviating from each other in the rotation direction with respect to a common center point. Half of the inductor elements, the input terminal is in the uppermost layer of the plurality of layers, the output terminal is in the lowermost layer, and the remaining half of the even number of inductor elements The inductor element has the input terminal at the lowermost layer of the plurality of layers, the output terminal at the uppermost layer, and the input terminals of the even number of inductor elements are connected to each other. And an inductor in which the output terminals are connected to each other.
前記偶数のインダクタ素子はそれぞれ、前記入力端子から前記出力端子まで順次直列に接続された複数のインダクタ素子片によって構成されており、前記複数のインダクタ素子片は、前記複数の層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアを介して接続されていてもよい。 Each of the even number of inductor elements is composed of a plurality of inductor element pieces sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal, and the plurality of inductor element pieces each circulate in each of the plurality of layers. Inductor element pieces that are adjacently connected in series may be connected to each other via vias.
前記複数の層のうちの第1の層よりも下層である第2の層にあるインダクタ素子片に対し、平面視において合同の形状であると共に、共通の中心点に関する回転方向にずれなく配置された追加インダクタ素子片を、該第2の層よりも下層である第3の層に有し、前記追加インダクタ素子片は、ビアを介して前記第2の層にある前記インダクタ素子片に並列に接続されていてもよい。 The inductor element pieces in the second layer, which is lower than the first layer of the plurality of layers, have a congruent shape in plan view and are arranged without deviation in the rotation direction with respect to the common center point. The additional inductor element piece is provided in a third layer which is lower than the second layer, and the additional inductor element piece is parallel to the inductor element piece in the second layer through a via. It may be connected.
前記複数の層のうちの第1の層よりも下層である第2の層にあるインダクタ素子片は、該第1の層にあるインダクタ素子片よりも幅が広くてもよい。 The inductor element piece in the second layer that is lower than the first layer of the plurality of layers may be wider than the inductor element piece in the first layer.
前記偶数のインダクタ素子のうちの外周にあるインダクタ素子は、その少なくとも一部において、内周にあるインダクタ素子よりも幅が広くてもよい。 Of the even number of inductor elements, the inductor element on the outer periphery may be wider than the inductor element on the inner periphery at least in part.
また、本発明によれば、絶縁層を介して積層された複数の配線層と、前記インダクタとを有し、前記インダクタ素子は、該複数の配線層のいずれか2層以上を用いて構成されることを特徴とする配線基板が得られる。 In addition, according to the present invention, it includes a plurality of wiring layers stacked via an insulating layer and the inductor, and the inductor element is configured using any two or more of the plurality of wiring layers. A wiring board characterized by the above can be obtained.
さらに、本発明によれば、配線基板と、該配線基板に搭載された能動部品と、該配線基板に搭載された受動部品としての前記インダクタとを有することを特徴とするチップ型の半導体装置が得られる。 Furthermore, according to the present invention, there is provided a chip-type semiconductor device comprising a wiring board, an active component mounted on the wiring board, and the inductor as a passive component mounted on the wiring board. can get.
また、本発明によれば、前記インダクタと、該インダクタに対して並列または直列に接続された容量値が固定または可変のキャパシタとを有する発振回路が得られる。 In addition, according to the present invention, an oscillation circuit having the inductor and a capacitor having a fixed or variable capacitance value connected in parallel or in series to the inductor can be obtained.
本発明によればまた、チップ型の半導体装置に用いられるオンチップ型のインダクタであって、絶縁層を介した複数の層に亘って入力端子から出力端子まで螺旋状にそれぞれ延びた偶数個のインダクタ素子を有し、前記偶数個のインダクタ素子は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されており、前記偶数個のインダクタ素子のうちの半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの最上層にあると共に、前記出力端子が最下層にあり、前記偶数個のインダクタ素子のうちの残り半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの前記最下層にあると共に、前記出力端子が前記最上層にあり、前記偶数個のインダクタ素子それぞれの前記入力端子が相互に接続されていると共に、前記出力端子が相互に接続されていることを特徴とするインダクタが得られる。 According to the present invention, there is also provided an on-chip type inductor for use in a chip type semiconductor device, wherein an even number of spirals extending from an input terminal to an output terminal in a spiral manner over a plurality of layers via an insulating layer. The even number of inductor elements are substantially congruent to each other in a plan view, and are arranged without substantially deviating from each other in the rotation direction with respect to a common center point. Half of the inductor elements are such that the input terminal is on the top layer of the plurality of layers and the output terminal is on the bottom layer, and the other half of the even number of inductor elements is the inductor The element has the input terminal in the lowermost layer of the plurality of layers, the output terminal in the uppermost layer, and each of the even number of inductor elements. With complete power terminals are connected to each other, the inductor and the output terminal is equal to or connected to each other is obtained.
本発明によるインダクタは、高周波帯域においても寄生抵抗が低く、入出力端子からインダクタを見たときのインダクタ特性が対称的であり、小型である。 The inductor according to the present invention has a low parasitic resistance even in a high frequency band, has a symmetrical inductor characteristic when viewed from the input / output terminal, and is small.
本発明によるインダクタにおいては、絶縁層を介した複数の層に亘って入力端子から出力端子まで螺旋状にそれぞれ延びた偶数個のインダクタ素子を有している。偶数個のインダクタ素子は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 The inductor according to the present invention has an even number of inductor elements extending spirally from the input terminal to the output terminal over a plurality of layers via the insulating layer. The even number of inductor elements are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、本発明によるインダクタにおいて、偶数個のインダクタ素子は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。偶数個のインダクタ素子のうちの半数のインダクタ素子は、その入力端子が複数の層のうちの最上層にあると共に、出力端子が最下層にある。偶数個のインダクタ素子のうちの残り半数のインダクタ素子は、その入力端子が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子が最上層にある。偶数個のインダクタ素子それぞれの入力端子が相互に接続されていると共に、出力端子が相互に接続されている。 More specifically, in the inductor according to the present invention, the even number of inductor elements have a substantially congruent shape in plan view, and are arranged substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to a common center point. Half of the even number of inductor elements have their input terminals on the top layer of the plurality of layers and their output terminals on the bottom layer. The remaining half of the even number of inductor elements have their input terminals at the bottom layer of the plurality of layers and their output terminals at the top layer. The input terminals of the even number of inductor elements are connected to each other, and the output terminals are connected to each other.
これにより、多層直列接続と同様の高インダクタンスと低直列抵抗を実現しつつ、Q値を含むインダクタ特性の対称性が向上される。さらに、本発明の配線幅の上限をCu配線特有の配線幅の制限に合わせることで、占有面積の増大を無くすことができる。 Thereby, the symmetry of the inductor characteristic including the Q value is improved while realizing the high inductance and the low series resistance similar to the multilayer series connection. Furthermore, the increase in the occupied area can be eliminated by matching the upper limit of the wiring width of the present invention with the limitation of the wiring width peculiar to the Cu wiring.
以下、図面を参照して、本発明の実施例を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図5(a)を参照すると、本発明の実施例1によるインダクタは、チップ型の半導体装置に用いられるオンチップ型のインダクタである。本インダクタは、2個のインダクタ素子L1およびL2を有している。インダクタ素子L1は、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN1から出力端子OUT1まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L2も、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN2から出力端子OUT2まで螺旋状に延びている。 Referring to FIG. 5A, the inductor according to the first embodiment of the present invention is an on-chip type inductor used in a chip type semiconductor device. This inductor has two inductor elements L1 and L2. The inductor element L1 extends in a spiral shape from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1 over three layers via an insulating layer. The inductor element L2 also extends spirally from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2 over three layers with an insulating layer interposed therebetween.
尚、本実施例においてはインダクタ素子が三層に亘っているが、本発明においてインダクタンス素子は複数層に亘っていればよく、二層もしくは四層以上に亘って延びていてもよい。 In the present embodiment, the inductor element extends over three layers. However, in the present invention, the inductance element only needs to extend over a plurality of layers, and may extend over two layers or four layers or more.
インダクタ素子L1およびL2は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 The inductor elements L1 and L2 are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、インダクタ素子L1とインダクタ素子L2は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点Xに関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。インダクタ素子L1は、その入力端子IN1が三層のうちの最上層にあると共に、出力端子OUT1が最下層にある。一方、インダクタ素子L2は、その入力端子IN2が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子OUT2が最上層にある。 More specifically, the inductor element L1 and the inductor element L2 have substantially the same shape in plan view, and are disposed substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to the common center point X. The inductor element L1 has an input terminal IN1 in the uppermost layer of the three layers and an output terminal OUT1 in the lowermost layer. On the other hand, the inductor element L2 has an input terminal IN2 in the lowermost layer of the plurality of layers and an output terminal OUT2 in the uppermost layer.
図5(a)には示されていないが、インダクタ素子L1の入力端子IN1とインダクタ素子L2の入力端子IN2とは、図5(b)に示されるように互いに接続されている。また、インダクタ素子L1の出力端子OUT1とインダクタ素子L2の出力端子OUT2とも、図5(b)に示されるように互いに接続されている。したがって、インダクタ素子L1およびL2は、並列接続された形となる。 Although not shown in FIG. 5 (a), the input terminal IN1 of the inductor element L1 and the input terminal IN2 of the inductor element L2 are connected to each other as shown in FIG. 5 (b). Further, the output terminal OUT1 of the inductor element L1 and the output terminal OUT2 of the inductor element L2 are also connected to each other as shown in FIG. Therefore, the inductor elements L1 and L2 are connected in parallel.
インダクタ素子L1は、入力端子IN1から出力端子OUT1まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L11、L12、およびL13によって構成されている。インダクタ素子片L11、L12、およびL13は、三層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアA1、B1を介して接続されている。また、インダクタ素子L2は、入力端子IN2から出力端子OUT2まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L21、L22、およびL23によって構成されている。インダクタ素子片L21、L22、およびL13は、三層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアA2、B2を介して接続されている。 The inductor element L1 includes inductor element pieces L11, L12, and L13 that are sequentially connected in series from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1. Inductor element pieces L11, L12, and L13 each circulate once in three layers, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via vias A1 and B1. The inductor element L2 includes inductor element pieces L21, L22, and L23 that are sequentially connected in series from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2. The inductor element pieces L21, L22, and L13 each circulate once in the three layers, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via vias A2 and B2.
即ち、インダクタ素子片L11は、端子IN1から実線で表された上層の外周を一周回している。インダクタ素子片L12は、インダクタ素子片L11にビアA1を介して接続され、粗い破線で表された中層の外周を一周回している。インダクタ素子片L13は、インダクタ素子片L12にビアB1を介して接続され、端子OUT1まで密な破線で示された下層の外周を一周回している。したがって、端子IN1から入った信号は、インダクタ素子片L11、L12、およびL13を通って、端子OUT1から出力される。一方、インダクタ素子片L21は、端子IN1に対して共通の中心点Xに関してずれのない端子IN2から密な破線で表された下層の内周を一周回している。インダクタ素子片L22は、インダクタ素子片L11にビアA2を介して接続され、粗い破線で表された中層の外周を一周回している。インダクタ素子片L13は、インダクタ素子片L22にビアB2を介して接続され、端子OUT2まで実線で示された上層の外周を一周回している。したがって、端子IN2から入った信号は、インダクタ素子片L21、L22、およびL23を通って、端子OUT2から出力される。 That is, the inductor element piece L11 goes around the outer periphery of the upper layer represented by the solid line from the terminal IN1. The inductor element piece L12 is connected to the inductor element piece L11 via the via A1 and goes around the outer periphery of the middle layer indicated by a rough broken line. The inductor element piece L13 is connected to the inductor element piece L12 via the via B1, and goes around the outer periphery of the lower layer indicated by a dense broken line to the terminal OUT1. Therefore, the signal input from the terminal IN1 is output from the terminal OUT1 through the inductor element pieces L11, L12, and L13. On the other hand, the inductor element piece L21 goes around the inner circumference of the lower layer represented by a dense broken line from the terminal IN2 which is not displaced with respect to the common center point X with respect to the terminal IN1. The inductor element piece L22 is connected to the inductor element piece L11 via the via A2, and makes a round around the outer periphery of the middle layer represented by a rough broken line. The inductor element piece L13 is connected to the inductor element piece L22 via the via B2, and goes around the outer periphery of the upper layer indicated by the solid line to the terminal OUT2. Therefore, the signal input from the terminal IN2 is output from the terminal OUT2 through the inductor element pieces L21, L22, and L23.
尚、図5(a)において、外周のインダクタ素子L1と内周のインダクタ素子L2との間には比較的広い間隔が空いているが、これは、図5(a)が概念図であるからである。実際には、最低限の間隔のみが外周のインダクタ素子L1と内周のインダクタ素子L2との間に空いている。 In FIG. 5 (a), there is a relatively wide space between the outer inductor element L1 and the inner inductor element L2. This is because FIG. 5 (a) is a conceptual diagram. It is. Actually, only a minimum interval is provided between the outer inductor element L1 and the inner inductor element L2.
また、本発明において、平面視において略合同とは、本実施例のごとく、最低限の間隔を空けた外周のインダクタ素子L1と内周のインダクタL2のような関係をも含むものとする。 Further, in the present invention, the term “substantially congruent in plan view” includes a relationship such as the outer peripheral inductor element L1 and the inner peripheral inductor L2 with a minimum interval as in the present embodiment.
さて、インダクタ素子L1を通る信号と、インダクタ素子L2を通る信号とは、互いに向きが同じである。よって、インダクタ素子L1が発生する磁界とインダクタ素子L2が発生する磁界とは同相であり、両磁界は互いに強め合うことになる。したがって、合計のインダクタンスは、インダクタ素子L1およびインダクタ素子L2の自己インダクタンスが両方ともL0、かつ、両者の相互インダクタンスがMとすると、(L0+M)/2となる。そして、インダクタ素子L1およびインダクタ素子L2は、対称的な形状であるため、両者のインダクタンスは互いに等しい。よって、本発明のごとくインダクタ素子L1およびインダクタ素子L2が近接して配置されると、相互インダクタンスMは、ほぼL0に等しい。この結果、本実施例によるインダクタのインダクタンスは、1本のインダクタ素子の自己インダクタンスL0にほぼ等しい。 Now, the signal passing through the inductor element L1 and the signal passing through the inductor element L2 have the same direction. Therefore, the magnetic field generated by the inductor element L1 and the magnetic field generated by the inductor element L2 are in phase, and both magnetic fields strengthen each other. Therefore, the total inductance is (L0 + M) / 2 when the self-inductance of the inductor element L1 and the inductor element L2 is both L0 and the mutual inductance of both is M. And since the inductor element L1 and the inductor element L2 are symmetrical shapes, both inductance is equal to each other. Therefore, when the inductor element L1 and the inductor element L2 are arranged close to each other as in the present invention, the mutual inductance M is substantially equal to L0. As a result, the inductance of the inductor according to the present embodiment is substantially equal to the self-inductance L0 of one inductor element.
本発明の実施例2によるインダクタは、追加インダクタ素子片を有している点に特徴がある。 The inductor according to the second embodiment of the present invention is characterized in that it has an additional inductor element piece.
図6を参照すると、本発明の実施例2によるオンチップ型のインダクタは、2個のインダクタ素子L1およびL2を有している。インダクタ素子L1は、絶縁層ISを介した二層に亘って図示しない入力端子から出力端子まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L2も、絶縁層ISを介した二層に亘って図示しない入力端子から出力端子まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L1およびL2は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 Referring to FIG. 6, the on-chip type inductor according to the second embodiment of the present invention has two inductor elements L1 and L2. The inductor element L1 extends spirally from an input terminal (not shown) to an output terminal over two layers through the insulating layer IS. The inductor element L2 also extends spirally from an input terminal (not shown) to the output terminal over two layers through the insulating layer IS. The inductor elements L1 and L2 are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、インダクタ素子L1とインダクタ素子L2は、図6には表れていないが平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点(図示せず)に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。インダクタ素子L1は、その入力端子が二層のうちの最上層にあると共に、出力端子が最下層(本例では、中層)にある。一方、インダクタ素子L2は、その入力端子が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子が最上層にある。さらに、図6には示されていないが、インダクタ素子L1の入力端子とインダクタ素子L2の入力端子とは、相互に接続されている。また、インダクタ素子L1の出力端子とインダクタ素子L2の出力端子とも、相互に接続されている。したがって、インダクタ素子L1およびL2は、並列接続された形となる。インダクタ素子L2は、入力端子から出力端子まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L21およびL22によって構成されている。同様に、インダクタ素子L1は、入力端子から出力端子まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L11およびL12によって構成されている。各インダクタ素子片は、各層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いに図示しないビアを介して接続されている。 More specifically, although the inductor element L1 and the inductor element L2 are not shown in FIG. 6, they have substantially the same shape in plan view, and are mutually in the rotational direction with respect to a common center point (not shown). It is arranged almost without deviation. The inductor element L1 has an input terminal in the uppermost layer of the two layers and an output terminal in the lowermost layer (in this example, the middle layer). On the other hand, the inductor element L2 has an input terminal at the lowermost layer of the plurality of layers and an output terminal at the uppermost layer. Further, although not shown in FIG. 6, the input terminal of the inductor element L1 and the input terminal of the inductor element L2 are connected to each other. The output terminal of the inductor element L1 and the output terminal of the inductor element L2 are also connected to each other. Therefore, the inductor elements L1 and L2 are connected in parallel. The inductor element L2 includes inductor element pieces L21 and L22 that are sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal. Similarly, the inductor element L1 includes inductor element pieces L11 and L12 that are sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal. Each inductor element piece makes one turn in each layer, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via vias (not shown).
図6を参照すると、本インダクタは、複数の層のうちの第1の層(本例では、上層)よりも下層である第2の層(本例では、中層)よりも下層である第3の層(本例では、下層)に形成された追加インダクタ素子片L12’ならびにL21’をさらに有している。追加インダクタ素子片L12’、L21’は、第2の層にあるインダクタ素子片L12、L21に対し、図6には表れていないが平面視において合同の形状であると共に、共通の中心点(図示せず)に関する回転方向にずれなく配置されている。 Referring to FIG. 6, the inductor is a third lower layer than the second layer (in this example, the middle layer) which is lower than the first layer (in this example, the upper layer) of the plurality of layers. And additional inductor element pieces L12 ′ and L21 ′ formed in the lower layer (in this example, the lower layer). Although the additional inductor element pieces L12 ′ and L21 ′ are not shown in FIG. 6 with respect to the inductor element pieces L12 and L21 in the second layer, they have a congruent shape in plan view and a common center point (see FIG. (Not shown) is arranged without deviation in the rotation direction.
追加インダクタ素子片L12’は、ビアを介してインダクタ素子片L12に並列に接続されている。同様に、追加インダクタ素子片L21’も、ビアPを介してインダクタ素子片L21に並列に接続されている。ここで、互いにビアPで接続されたインダクタ素子片L12と追加インダクタ素子片L12’との対は、1つのインダクタ素子片としてみなすことができる。同様に、互いにビアで接続されたインダクタ素子片L21と追加インダクタ素子片L21’との対も、1つのインダクタ素子片としてみなすことができる。 The additional inductor element piece L12 'is connected in parallel to the inductor element piece L12 via a via. Similarly, the additional inductor element piece L21 'is also connected in parallel to the inductor element piece L21 via the via P. Here, the pair of the inductor element piece L12 and the additional inductor element piece L12 'connected to each other by the via P can be regarded as one inductor element piece. Similarly, a pair of the inductor element piece L21 and the additional inductor element piece L21 'connected to each other by vias can also be regarded as one inductor element piece.
本実施例においては、下層(本実施例では、中層)に形成されるインダクタの配線(インダクタ素子片)に、追加配線(追加インダクタ素子片)を、ビアを介して、並列に接続している。並列接続された配線と追加配線との対は、厚さが増された単一の配線とみなすことができる。この結果、厚さが薄い下層の配線であっても、実質上大きい断面積が得られ、よって低い配線抵抗が実現される。 In the present embodiment, an additional wiring (additional inductor element piece) is connected in parallel via a via to the wiring (inductor element piece) of the inductor formed in the lower layer (in this embodiment, the middle layer). . A pair of wiring and additional wiring connected in parallel can be regarded as a single wiring having an increased thickness. As a result, even a lower-layer wiring having a small thickness can obtain a substantially large cross-sectional area, thereby realizing a low wiring resistance.
次に、本発明の作用効果について説明する。 Next, the function and effect of the present invention will be described.
次に、90nm世代の6層Cu(銅)配線プロセスの多層配線基板を有するチップ型の半導体装置を想定して、本発明によるオンチップ型のインダクタと、比較例としての多層直列接続方式のオンチップ型のインダクタならびに多層直列接続方式のオンチップ型のインダクタとの特性を比較する。 Next, assuming a chip-type semiconductor device having a multilayer wiring board of a 90-nm generation six-layer Cu (copper) wiring process, an on-chip inductor according to the present invention and a multilayer serial connection type on-state as a comparative example The characteristics of a chip type inductor and a multilayer series connection type on-chip type inductor are compared.
Cu配線プロセスにおいては、Cu配線層の上層に、ワイヤーボンディングを行なうためのAl(アルミニウム)配線層が1層追加される。このため、合計の配線層数は、7となる。多層の配線層構造においては、各層の膜厚は層によって異なっており、とりわけ上層の配線層ほど膜厚が大きい。膜厚が大きいほど直列寄生抵抗が小さいため、上層の配線層の方がインダクタ素子を構成するのに適している。したがって、3〜6層目のCu配線層M3〜M6と、Al配線層PADとの5層を使用して、インダクタを構成する場合を考える。尚、通常、Cu配線層M3〜M5の膜厚は、上層のCu配線層M6やAl配線層PADよりも薄い。このため、以下の検証においては、いずれのインダクタも、Cu配線層M3〜M5を並列に接続して一体のCu配線層M35とする。 In the Cu wiring process, an Al (aluminum) wiring layer for performing wire bonding is added to the upper layer of the Cu wiring layer. For this reason, the total number of wiring layers is seven. In a multilayer wiring layer structure, the film thickness of each layer varies depending on the layer, and in particular, the upper wiring layer has a larger film thickness. Since the series parasitic resistance is smaller as the film thickness is larger, the upper wiring layer is more suitable for configuring the inductor element. Therefore, consider a case where an inductor is configured by using five layers of the third to sixth Cu wiring layers M3 to M6 and the Al wiring layer PAD. In general, the Cu wiring layers M3 to M5 are thinner than the upper Cu wiring layer M6 and the Al wiring layer PAD. For this reason, in the following verification, in any of the inductors, the Cu wiring layers M3 to M5 are connected in parallel to form an integrated Cu wiring layer M35.
図7(a)〜(c)を参照すると、本発明によるオンチップ型のインダクタにおいて、インダクタ素子L1およびL2はそれぞれ、ビアを介してAl配線層PAD、Cu配線層M6、およびCu配線層M35に亘って延びており、三層それぞれにおいて1周回している。インダクタ素子L1およびL2の幅(配線幅)はそれぞれ、10μmである。内周にあるインダクタ素子L2の内径は、40μmである。本インダクタの外形(インダクタ素子L1の外径)は、85μmである。 Referring to FIGS. 7A to 7C, in the on-chip type inductor according to the present invention, the inductor elements L1 and L2 are respectively connected to the Al wiring layer PAD, the Cu wiring layer M6, and the Cu wiring layer M35 through vias. Extending around the center of the three layers. Each of the inductor elements L1 and L2 has a width (wiring width) of 10 μm. The inner diameter of the inductor element L2 on the inner periphery is 40 μm. The outer shape of the inductor (the outer diameter of the inductor element L1) is 85 μm.
図8(a)〜(c)を参照すると、比較例としての多層直列接続方式のオンチップ型のインダクタにおいて、追加インダクタ素子L’およびL”がビアPを介して並列接続されたインダクタ素子Lは、三周回している。インダクタ素子Lの幅(配線幅)は、10μmである。インダクタ素子Lの内径は、30μmである。このインダクタの外形(インダクタ素子Lの外径)は、100μmである。 Referring to FIGS. 8A to 8C, an inductor element L in which additional inductor elements L ′ and L ″ are connected in parallel via a via P in a multilayer serial connection type on-chip type inductor as a comparative example. The width (wiring width) of the inductor element L is 10 μm, the inner diameter of the inductor element L is 30 μm, and the outer shape of the inductor (the outer diameter of the inductor element L) is 100 μm. is there.
図9(a)〜(c)を参照すると、もう1つの比較例としての多層直列接続方式のオンチップ型のインダクタにおいて、インダクタ素子LLは、ビアを介してAl配線層PAD、Cu配線層M6、およびCu配線層M35に亘って延びており、三層それぞれにおいて1周回している。インダクタ素子LLの幅(配線幅)は、20μmである。インダクタ素子LLの内径は、40μmである。本インダクタの外形(インダクタ素子LLの外径)は、85μmである。 Referring to FIGS. 9A to 9C, in another on-chip type multilayer connection type on-chip inductor as a comparative example, the inductor element LL includes an Al wiring layer PAD and a Cu wiring layer M6 through vias. , And the Cu wiring layer M35, and each of the three layers makes one turn. The width (wiring width) of the inductor element LL is 20 μm. The inner diameter of the inductor element LL is 40 μm. The outer shape of this inductor (the outer diameter of the inductor element LL) is 85 μm.
Cu配線プロセスを用いる場合、製造可能な配線幅は10μm程度が最大である。このため、比較例としての多層並列接続においては、図9(c)のように配線幅を10μm以下とすべく、幅20μmのインダクタ素子LL(配線)中にスリットSLを形成する必要がある。これに対し、本発明においては、インダクタ素子L1およびL2それぞれ配線幅は10μmであり、Cu配線プロセスを用いて製造可能な配線幅に抑えられている。図7(c)の本発明の断面形状は、図9(c)の多層並列接続の断面形状とほぼ同じである。Cu配線プロセスの都合上から配線幅が10μm以下とする必要がある実情下で、高インダクタンス値を実現する等の目的から複数のインダクタ素子を並列に配置する場合は、インダクタ素子間に隙間を空ける必要があるためにインダクタの占有面積が増大していた。しかし、本発明においては、スリットを形成したインダクタ配線と占有面積を同じに抑えることができる。 When the Cu wiring process is used, the maximum wiring width that can be manufactured is about 10 μm. For this reason, in the multilayer parallel connection as a comparative example, it is necessary to form the slit SL in the inductor element LL (wiring) having a width of 20 μm so that the wiring width is 10 μm or less as shown in FIG. On the other hand, in the present invention, each of the inductor elements L1 and L2 has a wiring width of 10 μm, and is suppressed to a wiring width that can be manufactured using a Cu wiring process. The cross-sectional shape of the present invention in FIG. 7C is almost the same as the cross-sectional shape of the multilayer parallel connection in FIG. In a situation where the wiring width needs to be 10 μm or less for the convenience of the Cu wiring process, when arranging a plurality of inductor elements in parallel for the purpose of realizing a high inductance value, a gap is provided between the inductor elements. This necessitates an increase in the area occupied by the inductor. However, in the present invention, the occupied area can be suppressed to be the same as that of the inductor wiring in which the slit is formed.
次に、これら3つのオンチップ型のインダクタについて、3次元電磁界シミュレータを用いてシミュレーションを行い、特性を比較した。比較するパラメータは、図10に示された簡素なLCR等価図中の要素に対応している。図10中、容量C1側の端子は端子INに対応し、容量C2側の端子は端子OUTに対応する。また、L0は直列のインダクタンス、R0は直列抵抗、C1、C2は配線の寄生容量、R1、R2は基板抵抗である。 Next, these three on-chip inductors were simulated using a three-dimensional electromagnetic simulator and the characteristics were compared. The parameters to be compared correspond to elements in the simple LCR equivalent diagram shown in FIG. In FIG. 10, the terminal on the capacitor C1 side corresponds to the terminal IN, and the terminal on the capacitor C2 side corresponds to the terminal OUT. L0 is a series inductance, R0 is a series resistance, C1 and C2 are wiring parasitic capacitances, and R1 and R2 are substrate resistances.
図11は、図7(a)〜(c)に示された本発明のインダクタ、図8(a)〜(c)に示された多層直列接続方式のインダクタ、ならびに図9(a)〜(c)に示された多層直列接続方式のインダクタンスを示している。図11に示されるように、本発明と2つの比較例のインダクタンスは、ほぼ同等である。 11 shows the inductor of the present invention shown in FIGS. 7A to 7C, the multilayer series connection type inductor shown in FIGS. 8A to 8C, and FIGS. The inductance of the multilayer series connection system shown in c) is shown. As shown in FIG. 11, the inductances of the present invention and the two comparative examples are substantially equal.
図12は、本発明と2つの比較例のインダクタのQ値を示している。尚、このQ値としては、出力端子OUT側をグラウンドに接続して入力端子IN側から見たQ値と、入力端子IN側をグラウンドに接続して出力端子OUT側から見たQ値との両方を示している。図12に示されるように、本発明のインダクタのQ値は、多層直列接続方式のインダクタよりも高い。また、多層直列接続方式のインダクタは、入力端子IN側と出力端子OUT側から観測されるQ値が大きく異なっている。これに対し、本発明においては両者に差が無く、対称性が優れていることが分かる。また、Q値も多層直列接続方式のインダクタのQ値の劣る方よりも良い値が得られている。 FIG. 12 shows the Q values of the inductors of the present invention and two comparative examples. As the Q value, the Q value viewed from the input terminal IN side with the output terminal OUT side connected to the ground, and the Q value viewed from the output terminal OUT side with the input terminal IN side connected to the ground. Both are shown. As shown in FIG. 12, the Q value of the inductor of the present invention is higher than that of the multilayer series connection type inductor. In addition, Q values observed from the input terminal IN side and the output terminal OUT side of the multilayer series connection type inductor are greatly different. On the other hand, in this invention, it turns out that there is no difference in both and the symmetry is excellent. Also, a better Q value is obtained than the inferior Q value of the multilayer series connection type inductor.
図13は、本発明と2つの比較例のインダクタにおける入力端子IN側C1と、出力端子OUT側からみた寄生容量C2を示している。多層直列接続方式のインダクタは、入力端子IN側と出力端子OUT側の寄生容量の差が大きい。これに対し、本発明においては、入力端子IN側と出力端子OUT側の寄生容量の差が小さいことが分かる。 FIG. 13 shows the parasitic capacitance C2 as viewed from the input terminal IN side C1 and the output terminal OUT side in the inductors of the present invention and two comparative examples. A multi-layer series connection type inductor has a large difference in parasitic capacitance between the input terminal IN side and the output terminal OUT side. In contrast, in the present invention, it can be seen that the difference in parasitic capacitance between the input terminal IN side and the output terminal OUT side is small.
図14は、本発明と2つの比較例のインダクタにおける直列寄生抵抗を示している。本発明によるインダクタの直列寄生抵抗は、多層直列接続方式のインダクタとほぼ同じであり、また、多層直列接続方式のインダクタよりも特に高周波帯域において小さい。これは多層直列接続方式のインダクタと同じく、本発明によるインダクタは、表皮効果の影響を低減できるからである。 FIG. 14 shows the series parasitic resistance in the inductor of the present invention and two comparative examples. The series parasitic resistance of the inductor according to the present invention is substantially the same as that of a multilayer series connection type inductor, and is smaller than that of a multilayer series connection type inductor, particularly in a high frequency band. This is because the inductor according to the present invention can reduce the influence of the skin effect, similarly to the multilayer serial connection type inductor.
本発明の実施例3によるインダクタは、4個のインダクタ素子を有している点に特徴がある。 The inductor according to the third embodiment of the present invention is characterized in that it has four inductor elements.
図15(a)および(b)を参照すると、本発明の実施例3によるオンチップ型のインダクタは、4個のインダクタ素子L1〜L4を有している。インダクタ素子L1は、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN1から出力端子OUT1まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L2も、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN2から出力端子OUT2まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L3も、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN3から出力端子OUT3まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L4も、絶縁層を介した三層に亘って入力端子IN4から出力端子OUT4まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L1〜L4は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 Referring to FIGS. 15A and 15B, the on-chip inductor according to the third embodiment of the present invention has four inductor elements L1 to L4. The inductor element L1 extends in a spiral shape from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1 over three layers via an insulating layer. The inductor element L2 also extends spirally from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2 over three layers with an insulating layer interposed therebetween. The inductor element L3 also extends spirally from the input terminal IN3 to the output terminal OUT3 over three layers with an insulating layer interposed therebetween. The inductor element L4 also extends spirally from the input terminal IN4 to the output terminal OUT4 over three layers through the insulating layer. The inductor elements L1 to L4 are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、インダクタ素子L1〜L4は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点Xに関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。 More specifically, the inductor elements L <b> 1 to L <b> 4 have substantially the same shape in plan view, and are arranged substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to the common center point X.
4個のインダクタ素子のうちの半数であるインダクタ素子L1、L3は、その入力端子IN1、IN3が三層のうちの最上層にあると共に、出力端子OUT1、OUT3が最下層にある。一方、4個のインダクタ素子のうちの残り半数であるインダクタ素子L2、L4は、その入力端子IN2、IN4が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子OUT2、OUT4が最上層にある。 The inductor elements L1 and L3, which are half of the four inductor elements, have input terminals IN1 and IN3 in the top layer of the three layers, and output terminals OUT1 and OUT3 in the bottom layer. On the other hand, the inductor elements L2 and L4, which are the other half of the four inductor elements, have their input terminals IN2 and IN4 in the lowest layer of the plurality of layers and their output terminals OUT2 and OUT4 in the uppermost layer. .
さらに、図15(a)には示されていないが、インダクタ素子L1〜L4の入力端子IN1〜IN4は、図15(b)に示されるように相互に接続されている。また、インダクタ素子L1〜L4の出力端子OUT1〜OUT4も、図15(b)に示されるように相互に接続されている。したがって、インダクタ素子L1〜L4は、並列接続された形となる。 Further, although not shown in FIG. 15A, the input terminals IN1 to IN4 of the inductor elements L1 to L4 are connected to each other as shown in FIG. 15B. Further, the output terminals OUT1 to OUT4 of the inductor elements L1 to L4 are also connected to each other as shown in FIG. Therefore, the inductor elements L1 to L4 are connected in parallel.
インダクタ素子L1は、入力端子IN1から出力端子OUT1まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L11〜L13によって構成されている。同様に、インダクタ素子L2は、入力端子IN2から出力端子OUT2まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L21〜L23によって構成されている。インダクタ素子L3も、入力端子IN3から出力端子OUT3まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L31〜L33によって構成されている。インダクタ素子L4も、入力端子IN4から出力端子OUT4まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L41〜L43によって構成されている。各インダクタ素子片は、各層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、ビアA1〜A4、B1〜B4を介して接続されている。 The inductor element L1 includes inductor element pieces L11 to L13 that are sequentially connected in series from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1. Similarly, the inductor element L2 includes inductor element pieces L21 to L23 that are sequentially connected in series from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2. The inductor element L3 is also configured by inductor element pieces L31 to L33 that are sequentially connected in series from the input terminal IN3 to the output terminal OUT3. The inductor element L4 is also configured by inductor element pieces L41 to L43 that are sequentially connected in series from the input terminal IN4 to the output terminal OUT4. Each inductor element piece makes one turn in each layer, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected via vias A1 to A4 and B1 to B4.
本実施例は4つのインダクタ素子の場合について述べたが、本発明は、任意の偶数個のインダクタ素子に対して有効である。尚、偶数のインダクタ素子の総数が幾つであっても、そのうちの半数のインダクタ素子の入力端子が最上層にあると共に出力端子が最下層にあり、残り半数のインダクタ素子の入力端子が最下層にあると共に出力端子が最上層にあり、入力端子が相互に接続されていると共に出力端子が相互に接続されるものとする。 Although the present embodiment has been described for the case of four inductor elements, the present invention is effective for any even number of inductor elements. Note that, regardless of the total number of even number of inductor elements, the input terminals of half of the inductor elements are in the uppermost layer and the output terminals are in the lowermost layer, and the input terminals of the other half of the inductor elements are in the lowermost layer. In addition, the output terminal is on the uppermost layer, the input terminals are connected to each other, and the output terminals are connected to each other.
本発明の実施例4によるインダクタは、とある層にあるインダクタ素子片が、この層よりも上層にあるインダクタ素子片よりも幅が広い点に特徴がある。 The inductor according to the fourth embodiment of the present invention is characterized in that the inductor element piece in a certain layer is wider than the inductor element piece in the upper layer.
図16を参照すると、本発明の実施例5によるオンチップ型のインダクタは、2個のインダクタ素子L1およびL2を有している。インダクタ素子L1は、絶縁層ISを介した二層に亘って図示しない入力端子から出力端子まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L2も、絶縁層ISを介した二層に亘って図示しない入力端子から出力端子まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L1およびL2は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 Referring to FIG. 16, the on-chip type inductor according to the fifth embodiment of the present invention has two inductor elements L1 and L2. The inductor element L1 extends spirally from an input terminal (not shown) to an output terminal over two layers through the insulating layer IS. The inductor element L2 also extends spirally from an input terminal (not shown) to the output terminal over two layers through the insulating layer IS. The inductor elements L1 and L2 are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、インダクタ素子L1とインダクタ素子L2は、図16には表れていないが平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点(図示せず)に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。インダクタ素子L1は、その入力端子が二層のうちの最上層にあると共に、出力端子が最下層にある。一方、インダクタ素子L2は、その入力端子が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子が最上層にある。さらに、図示はされていないが、インダクタ素子L1の入力端子とインダクタ素子L2の入力端子とは、相互に接続されている。また、インダクタ素子L1の出力端子とインダクタ素子L2の出力端子とも、相互に接続されている。したがって、インダクタ素子L1およびL2は、並列接続された形となる。インダクタ素子L2は、入力端子から出力端子まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L21およびL22によって構成されている。同様に、インダクタ素子L1は、入力端子から出力端子まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L11およびL12によって構成されている。各インダクタ素子片は、各層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いに図示しないビアを介して接続されている。 More specifically, the inductor element L1 and the inductor element L2 are not shown in FIG. 16, but have substantially the same shape in plan view, and are mutually in the rotational direction with respect to a common center point (not shown). It is arranged almost without deviation. The inductor element L1 has an input terminal on the uppermost layer of the two layers and an output terminal on the lowermost layer. On the other hand, the inductor element L2 has an input terminal at the lowermost layer of the plurality of layers and an output terminal at the uppermost layer. Further, although not shown, the input terminal of the inductor element L1 and the input terminal of the inductor element L2 are connected to each other. The output terminal of the inductor element L1 and the output terminal of the inductor element L2 are also connected to each other. Therefore, the inductor elements L1 and L2 are connected in parallel. The inductor element L2 includes inductor element pieces L21 and L22 that are sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal. Similarly, the inductor element L1 includes inductor element pieces L11 and L12 that are sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal. Each inductor element piece makes one turn in each layer, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via vias (not shown).
特に、本インダクタにおいては、第1の層としての上層よりも下にある第2の層としての下層にあるインダクタ素子片が、上層にあるインダクタ素子片よりも幅が広い。即ち、インダクタ素子L1のインダクタ素子片L12は、その上層にあるインダクタ素子片L11よりも幅が広い。同様に、インダクタ素子L2のインダクタ素子片L21は、その上層にあるインダクタ素子片L22よりも幅が広い。 In particular, in the present inductor, the inductor element piece in the lower layer as the second layer below the upper layer as the first layer is wider than the inductor element piece in the upper layer. That is, the inductor element piece L12 of the inductor element L1 is wider than the inductor element piece L11 in the upper layer. Similarly, the inductor element piece L21 of the inductor element L2 is wider than the inductor element piece L22 in the upper layer.
本実施例は、実施例2と同じことを目的とした、実施例2と異なるアプローチである。即ち、本実施例においては、インダクタの下層に形成される配線の幅を上層に形成される配線よりも可及的広くした構成により、厚さが薄い下層の配線であっても、実質上大きい断面積が得られ、よって低い配線抵抗が実現される。 The present embodiment is an approach different from that of the second embodiment for the same purpose as the second embodiment. That is, in the present embodiment, the width of the wiring formed in the lower layer of the inductor is made as wide as possible as compared with the wiring formed in the upper layer, so that even a lower layer wiring having a small thickness is substantially larger. A cross-sectional area is obtained, and thus a low wiring resistance is realized.
本発明の実施例5によるインダクタは、とある周にあるインダクタ素子片が、この周よりも内周にあるインダクタ素子片よりも幅が広い点に特徴がある。 The inductor according to the fifth embodiment of the present invention is characterized in that the inductor element piece in a certain circumference is wider than the inductor element piece in the inner circumference.
図17を参照すると、本発明の実施例5によるオンチップ型のインダクタは、2個のインダクタ素子L1およびL2を有している。インダクタ素子L1は、絶縁層を介した二層に亘って入力端子IN1から出力端子OUT1まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L2も、絶縁層を介した二層に亘って入力端子IN2から出力端子OUT2まで螺旋状に延びている。インダクタ素子L1およびL2は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されている。 Referring to FIG. 17, the on-chip type inductor according to the fifth embodiment of the present invention has two inductor elements L1 and L2. The inductor element L1 spirally extends from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1 over two layers with an insulating layer interposed therebetween. The inductor element L2 also extends spirally from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2 over two layers with an insulating layer interposed therebetween. The inductor elements L1 and L2 are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. Connected in parallel.
より具体的には、インダクタ素子L1とインダクタ素子L2は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点Xに関する回転方向に相互に略ずれなく配置されている。インダクタ素子L1は、その入力端子IN1が三層のうちの最上層にあると共に、出力端子OUT1が最下層にある。一方、インダクタ素子L2は、その入力端子IN2が複数の層のうちの最下層にあると共に、出力端子OUT2が最上層にある。図17には示されていないが、インダクタ素子L1の入力端子IN1とインダクタ素子L2の入力端子IN2とは、互いに接続されている。また、インダクタ素子L1の出力端子OUT1とインダクタ素子L2の出力端子OUT2とも、互いに接続されている。したがって、インダクタ素子L1およびL2は、並列接続された形となる。インダクタ素子L1は、入力端子IN1から出力端子OUT1まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L11およびL12によって構成されている。インダクタ素子片L11およびL12は、二層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアA1を介して接続されている。また、インダクタ素子L2は、入力端子IN2から出力端子OUT2まで順次直列に接続されたインダクタ素子片L21およびL22によって構成されている。インダクタ素子片L21およびL22も、二層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアA2を介して接続されている。 More specifically, the inductor element L1 and the inductor element L2 have substantially the same shape in plan view, and are disposed substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to the common center point X. The inductor element L1 has an input terminal IN1 in the uppermost layer of the three layers and an output terminal OUT1 in the lowermost layer. On the other hand, the inductor element L2 has an input terminal IN2 in the lowermost layer of the plurality of layers and an output terminal OUT2 in the uppermost layer. Although not shown in FIG. 17, the input terminal IN1 of the inductor element L1 and the input terminal IN2 of the inductor element L2 are connected to each other. The output terminal OUT1 of the inductor element L1 and the output terminal OUT2 of the inductor element L2 are also connected to each other. Therefore, the inductor elements L1 and L2 are connected in parallel. The inductor element L1 includes inductor element pieces L11 and L12 that are sequentially connected in series from the input terminal IN1 to the output terminal OUT1. Inductor element pieces L11 and L12 each circulate once in two layers, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via via A1. The inductor element L2 includes inductor element pieces L21 and L22 that are sequentially connected in series from the input terminal IN2 to the output terminal OUT2. Inductor element pieces L21 and L22 each make one turn in the two layers, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via via A2.
特に、本インダクタにおいては、インダクタ素子のうちの外周にあるインダクタ素子は、その少なくとも一部において、内周にあるインダクタ素子よりも幅が広い。即ち、図17には表れていないが、インダクタ素子L1およびL2のうちの外周にあるインダクタ素子L1は、その少なくとも一部の長さ範囲において、内周にあるインダクタ素子L2よりも幅が広い。 In particular, in this inductor, the inductor element on the outer periphery of the inductor elements is wider than the inductor element on the inner periphery at least in part. That is, although not shown in FIG. 17, the inductor element L1 on the outer periphery of the inductor elements L1 and L2 is wider than the inductor element L2 on the inner periphery in at least a part of its length range.
これは、外周にあるインダクタ素子の経路長が内周にあるインダクタ素子よりも長くなり、直列抵抗大きくなることを解消するためである。よって、幅広とする長さ範囲や増加させる幅寸法は、内外周のインダクタ素子の直列抵抗が相互に等しくなるように設定されるべきである。 This is to eliminate the fact that the path length of the inductor element on the outer periphery is longer than that of the inductor element on the inner periphery and the series resistance is increased. Therefore, the length range to be wide and the width dimension to be increased should be set so that the series resistances of the inner and outer inductor elements are equal to each other.
本発明の実施例6は、本発明によるインダクタの応用例として、本インダクタを用いて、VCO(Voltage Controlled Oscillator,電圧制御発振器)を構成した例である。 The sixth embodiment of the present invention is an example in which a VCO (Voltage Controlled Oscillator) is configured using the present inductor as an application example of the inductor according to the present invention.
図18は、VCO(Voltage Controlled Oscillator,電圧制御発振器)の回路図である。VCOは、図中の点VCNTに印加する電圧を変化させることによって発振周波数を変化させる回路である。図中、MN1およびMN2はnMOSFET、MP1およびMP2はpMOSFET、VC1およびVC2は可変容量、IS1は定電流源、Lはインダクタである。図18からも明らかなように、この回路は、差動動作をなすため、対称性が重要である。 FIG. 18 is a circuit diagram of a VCO (Voltage Controlled Oscillator). The VCO is a circuit that changes the oscillation frequency by changing the voltage applied to the point VCNT in the figure. In the figure, MN1 and MN2 are nMOSFETs, MP1 and MP2 are pMOSFETs, VC1 and VC2 are variable capacitors, IS1 is a constant current source, and L is an inductor. As is clear from FIG. 18, symmetry is important for this circuit because it performs differential operation.
尚、本発明による発振回路においては、可変容量VC1およびVC2に代えて、固定容量であってもよい。また、本発明による発振回路においては、可変容量VC1およびVC2のようなキャパシタは、本発明によるインダクタ同様にチップ型の半導体装置に具備されたオンチップ型であってもよいし、あるいは、チップ型の半導体装置と別デバイスであってもよい。さらに、本発明による発振回路において、キャパシタは、インダクタに対して図18のごとく並列に接続されるものに限らず、直列に接続されてもよい。 In the oscillation circuit according to the present invention, a fixed capacitor may be used instead of the variable capacitors VC1 and VC2. In the oscillation circuit according to the present invention, the capacitors such as the variable capacitors VC1 and VC2 may be an on-chip type provided in a chip-type semiconductor device like the inductor according to the present invention, or may be a chip type. The semiconductor device may be a separate device. Furthermore, in the oscillation circuit according to the present invention, the capacitor is not limited to being connected in parallel to the inductor as shown in FIG. 18, but may be connected in series.
端子LO1およびLO2間に接続されるインダクタLとして、90nm世代MOSFETへのオンチップ型のインダクタ、特に、本発明によるインダクタと、比較例としての多層直列接続方式のインダクタとのパラメータを適用し、このVCOのシミュレーションを行なった。計算には、電子回路シミュレータSPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)を用いた。 As an inductor L connected between the terminals LO1 and LO2, parameters of an on-chip type inductor to a 90 nm generation MOSFET, in particular, an inductor according to the present invention and a multilayer series connection type inductor as a comparative example are applied. A VCO simulation was performed. An electronic circuit simulator SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis) was used for the calculation.
図19は、シミュレート結果として、本発明によるインダクタのパラメータを適用したときの、端子LO1、LO2における電圧の経時変化を示している。図20は、シミュレート結果として、多層直列接続方式のインダクタのパラメータを適用したときの、端子LO1、LO2における電圧の経時変化を示している。 FIG. 19 shows, as a simulation result, changes with time of voltages at the terminals LO1 and LO2 when the parameters of the inductor according to the present invention are applied. FIG. 20 shows the change over time in the voltages at the terminals LO1 and LO2 when the parameters of the inductor of the multilayer series connection method are applied as simulation results.
図19および図20から明らかなように、多層直列接続方式のインダクタは、対称性に劣るため、端子LO1と端子LO2との電位の平均値の差が大きくなり、VCOの発振振幅は時間と共に減衰して発振が停止する。これに対して、本発明によるインダクタは、対称性に優れているため、電位の平均値の差が小さく、発振が持続する。 As apparent from FIGS. 19 and 20, the multi-layer series connection type inductor is inferior in symmetry, so that the difference in the average value of the potential between the terminal LO1 and the terminal LO2 becomes large, and the oscillation amplitude of the VCO attenuates with time. Then oscillation stops. On the other hand, since the inductor according to the present invention is excellent in symmetry, the difference in the average value of the potential is small and the oscillation continues.
このように、本発明は、差動回路のように対称性が要求される用途にも好適である。 Thus, the present invention is also suitable for applications that require symmetry such as differential circuits.
以上説明した実施例に限定されることなく、本発明は、当該特許請求の範囲に記載された技術範囲内であれば、種々の変形が可能であることは云うまでもない。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and it goes without saying that various modifications are possible within the technical scope described in the claims.
A、A1〜A4、B、B1〜B4 ビア
C1、C2 配線容量
IN、IN1〜IN4 入力端子
IS 絶縁層
IS1 電流源
L0 インダクタンス
L1〜L4、L、L’、L”、LL インダクタ素子
MN1、MN2 nMOSFET
MP1、MP2 pMOSFET
OUT、OUT1〜OUT4 出力端子
R0 配線抵抗
SL スリット
VC1、VC2 可変容量
A, A1-A4, B, B1-B4 Via C1, C2 Wiring capacitance IN, IN1-IN4 Input terminal IS Insulating layer IS1 Current source L0 Inductance L1-L4, L, L ', L ", LL Inductor element MN1, MN2 nMOSFET
MP1, MP2 pMOSFET
OUT, OUT1-OUT4 Output terminal R0 Wiring resistance SL Slit VC1, VC2 Variable capacitance
Claims (10)
絶縁層を介した複数の層に亘って入力端子から出力端子まで螺旋状にそれぞれ延びた偶数個のインダクタ素子を有し、
前記偶数個のインダクタ素子は、相互の発生磁界が同じ向きとなるように配置されていると共に、入力端子から見たQ値を含むインダクタ特性と出力端子から見たものとが概ね同じになるように並列接続されていることを特徴とするインダクタ。 An on-chip inductor used in a chip-type semiconductor device,
Having an even number of inductor elements each extending spirally from the input terminal to the output terminal across a plurality of layers via an insulating layer;
The even number of inductor elements are arranged so that the generated magnetic fields are in the same direction, and the inductor characteristics including the Q value viewed from the input terminal are substantially the same as those viewed from the output terminal. The inductor is characterized by being connected in parallel.
前記偶数個のインダクタ素子のうちの半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの最上層にあると共に、前記出力端子が最下層にあり、
前記偶数個のインダクタ素子のうちの残り半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの前記最下層にあると共に、前記出力端子が前記最上層にあり、
前記偶数個のインダクタ素子それぞれの前記入力端子が相互に接続されていると共に、前記出力端子が相互に接続されている請求項1に記載のインダクタ。 The even number of inductor elements are substantially congruent with each other in a plan view, and are arranged substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to a common center point,
Half of the even number of inductor elements, the input terminal is in the uppermost layer of the plurality of layers, the output terminal is in the lowermost layer,
The other half of the even number of inductor elements has the input terminal at the bottom layer of the plurality of layers and the output terminal at the top layer,
The inductor according to claim 1, wherein the input terminals of the even number of inductor elements are connected to each other and the output terminals are connected to each other.
前記複数のインダクタ素子片は、前記複数の層においてそれぞれ1周回しており、隣り合って直列に接続されるインダクタ素子片同士は、互いにビアを介して接続されている請求項1または2に記載のインダクタ。 Each of the even number of inductor elements is constituted by a plurality of inductor element pieces sequentially connected in series from the input terminal to the output terminal,
3. The plurality of inductor element pieces each circulate once in the plurality of layers, and adjacent inductor element pieces connected in series are connected to each other via vias. Inductor.
前記追加インダクタ素子片は、ビアを介して前記第2の層にある前記インダクタ素子片に並列に接続されている請求項3に記載のインダクタ。 The inductor element pieces in the second layer, which is lower than the first layer of the plurality of layers, have a congruent shape in plan view and are arranged without deviation in the rotation direction with respect to a common center point An additional inductor element piece in a third layer that is lower than the second layer,
The inductor according to claim 3, wherein the additional inductor element piece is connected in parallel to the inductor element piece in the second layer via a via.
絶縁層を介した複数の層に亘って入力端子から出力端子まで螺旋状にそれぞれ延びた偶数個のインダクタ素子を有し、
前記偶数個のインダクタ素子は、平面視において相互に略合同の形状であると共に、共通の中心点に関する回転方向に相互に略ずれなく配置されており、
前記偶数個のインダクタ素子のうちの半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの最上層にあると共に、前記出力端子が最下層にあり、
前記偶数個のインダクタ素子のうちの残り半数のインダクタ素子は、その前記入力端子が前記複数の層のうちの前記最下層にあると共に、前記出力端子が前記最上層にあり、
前記偶数個のインダクタ素子それぞれの前記入力端子が相互に接続されていると共に、前記出力端子が相互に接続されていることを特徴とするインダクタ。 An on-chip inductor used in a chip-type semiconductor device,
Having an even number of inductor elements each extending spirally from the input terminal to the output terminal across a plurality of layers via an insulating layer;
The even number of inductor elements are substantially congruent with each other in a plan view, and are arranged substantially without mutual displacement in the rotation direction with respect to a common center point,
Half of the even number of inductor elements, the input terminal is in the uppermost layer of the plurality of layers, the output terminal is in the lowermost layer,
The other half of the even number of inductor elements has the input terminal at the bottom layer of the plurality of layers and the output terminal at the top layer,
The inductor, wherein the input terminals of the even number of inductor elements are connected to each other and the output terminals are connected to each other.
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