JP2009064963A - 電子デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】トランスフォーマのインピーダンスの対称性を向上させ、特性を良好にする。
【解決手段】電子デバイス１００は、平面視で第１の直線１５０に対して線対称な構造を有する第１のインダクタ１１２と、第１のインダクタ１１２と同一形状を有する第２のインダクタとを含む。第１のインダクタ１１２と第２のインダクタ１２２とは、第１の直線１５０と直交する第２の直線１５２に対して線対称に配置される。第１のインダクタ１１２と第２のインダクタ１２２とは、平面視で第２の直線１５２上で交差するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子デバイスに関し、とくに、トランスフォーマを含む電子デバイスに関する。

非特許文献１には、２つの同じスパイラルコンダクタ（インダクタ）を含むトランスフォーマのレイアウトが記載されている。ここで、トランスフォーマを差動回路に使用している。

また、非特許文献２には、シリコン上に形成されたトランスフォーマのレイアウトが記載されている。当該文献に記載されたトランスフォーマのレイアウトを図１０に示す。トランスフォーマ１０は、２つのインダクタ１２および１４を含む。

特許文献１〜３には、基体上または基板に形成されたインダクタの構成が記載されている。
特表２００５−５０９３００号公報 特開平１１−５４７０５号公報 特開２０００−１２４４０３号公報 Jianjun J. Zhou et. al., Monolithic Transformers and Their Application in a Differential CMOS RF Low-Noise Amplifier, IEEE Journal of Solid-State Circuits, USA, Oregon State Univ., Dec. 1998, Vol. 33, No 12, p. 2020-2027 Ouail EL-Gharniti et.al., Modeling of Integrated Monolithic Transformers for Silicon Rf IC, Electronics, Circuits and Systems, 2004. ICECS 2004. Proceedings of the 2004 11th IEEE International Conference on, France, Univ. of Bordeaux, 13-15 Dec. 2004, p. 137-140

しかし、以上の文献に記載されたトランスフォーマは、レイアウトの対称性が悪く、そのためトランスフォーマのインピーダンスの対称性も劣化し、差動回路に用いた場合やバランとして用いた場合に特性が劣化するという問題があった。たとえば、非特許文献１に記載の構成では、トランスフォーマを構成する各スパイラルコンダクタの一端と他端とがスパイラル形状の内側と外側に位置し、一端側から見た場合と、他端側から見た場合とで非対称な構造となっている。また、非特許文献２に記載の構成では、トランスフォーマを構成する２つのインダクタが異なる形状を有し、一方のトランジスタの端部から見た場合と、他方のトランジスタの端部から見た場合とで非対称な構造となっている。特許文献１〜３においても、対称な構造を有するトランスフォーマは記載されていない。

本発明によれば、
基板と、
当該基板上に形成され、平面視で第１の直線に対して線対称な構造を有する第１のインダクタと、前記第１のインダクタと同一形状を有する第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとが前記第１の直線と直交する第２の直線に対して線対称に配置されたトランスフォーマと、
を含む電子デバイスが提供される。

トランスフォーマをこのようなレイアウトとすることにより、トランスフォーマを左右対称、上下対称な構造とすることができる。これにより、トランスフォーマを構成する各インダクタの入力端および出力端のどの部分から見ても、インピーダンスが等しくなるようにすることができ、トランスフォーマの電気的な特性の対称性を良好にすることができる。これにより、トランスフォーマを差動回路に用いた場合やバランとして用いた場合に特性を良好にすることができる。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム、記録媒体、コンピュータプログラムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、トランスフォーマのインピーダンスの対称性を向上させ、特性を良好にすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本実施の形態における電子デバイス１００の構成を示す模式図である。
電子デバイス１００は、基板（不図示）と、基板上に形成されたトランスフォーマ１０２とを含む。トランスフォーマ１０２は、平面視で第１の直線１５０に対して線対称な構造を有する第１のインダクタ１１２と、第１のインダクタ１１２と同一形状を有する第２のインダクタ１２２とを含む。第２のインダクタ１２２も、平面視で第１の直線１５０に対して線対称な構造を有する。第１のインダクタ１１２と第２のインダクタ１２２とは、第１の直線１５０と直交する第２の直線１５２に対して線対称に配置される。

次に、トランスフォーマ１０２の具体的な形状を説明する。
ここで、基板上の平面を、第１の直線１５０および第２の直線１５２で区画される第１の領域１５４、第２の領域１５６、第３の領域１５８、および第４の領域１６０に分けて説明する。第２の領域１５６は、第１の領域１５４と第１の直線１５０に対して線対称な領域である。第３の領域１５８は、第２の領域１５６と第２の直線１５２に対して線対称な領域である。第４の領域１６０は、第３の領域１５８と第１の直線１５０に対して線対称な領域である。すなわち、図中、第１の直線１５０および第２の直線１５２で分割される右上の領域を第１の領域１５４とすると、左上の領域が第２の領域１５６、左下の領域が第３の領域１５８、右下の領域が第４の領域１６０である。また、第１の直線１５０と第２の直線１５２との交点をＡとする。

第１のインダクタ１１２は、平面視で、第１の領域１５４に始点１１０ａを有し、交点Ａを中心として第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過して巻かれ、第２の領域１５６に終点１１０ｂを有する第１のループ状導電体１１０と、第１のループ状導電体１１０の始点１１０ａに接続された第１の端子１０６と、第１のループ状導電体１１０の終点１１０ｂに接続された第２の端子１０８とを含む。第１の端子１０６は第１の領域１５４に配置され、第２の端子１０８は第２の領域１５６に配置されている。本実施の形態において、第１の端子１０６および第２の端子１０８は、第１の直線１５０に略平行に、第１の直線１５０から所定の間隔を隔てて配置される。また、第１の端子１０６および第２の端子１０８は、第１の直線１５０に対して線対称に配置されている。

本実施の形態において、第１のループ状導電体１１０は、始点１１０ａから、第２の直線１５２上を通過する際に径が狭くなり、径を維持したまま第１の直線１５０を一度通過し、その後第２の直線１５２上を通過する際に径が広くなるように巻かれる。本実施の形態において、第１のループ状導電体１１０は平面視で矩形形状（四角形）を有する。本実施の形態において、第１のループ状導電体１１０は、径を維持したまま第１の直線１５０を一度通過する前は、第１の直線１５０上を通過する際にも径が狭くなるように巻かれ、また径を維持したまま第１の直線１５０を一度通過した後は、第１の直線１５０上を通過する際にも径が広くなるように巻かれる。

詳細には、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過する度に径が狭くなるように、第２の直線１５２上および第１の直線１５０上を順にＮ回（Ｎは３以上の奇数）通過して内巻きに巻かれた後、径を維持したまま第１の直線１５０上を一度通過し、その後第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過する度に径が広くなるように、第２の直線１５２上および第１の直線１５０上を順にＮ回通過して外巻きに巻かれる。第１のループ状導電体１１０は、外巻きに巻かれる際に、第１の直線１５０上を通過するとき、内巻きにされた部分と交差するパターンを有する。図１では、Ｎ＝３の例を示している。また、このとき、第１のループ状導電体１１０の巻き回数は２回である。

第２のインダクタ１２２は、第１のインダクタ１１２と同様の形状を有する。第２のインダクタ１２２は、第１のインダクタ１１２と、第２の直線１５２に対して線対称に配置される。すなわち、第２のインダクタ１２２は、平面視で、第３の領域１５８に始点１２０ａを有し、第４の領域１６０に終点１２０ｂを有するとともに第１のループ状導電体１１０と同一形状を有する第２のループ状導電体１２０と、第２のループ状導電体１２０の１２０ａ点に接続された第３の端子１１６と、第２のループ状導電体１２０の終点１２０ｂに接続された第４の端子１１８とを含む。第３の端子１１６は、第３の領域１５８に配置され、第４の端子１１８は第４の領域１６０に配置されている。本実施の形態において、第３の端子１１６および第４の端子１１８は第１の直線１５０に略平行に、第１の直線１５０から所定の間隔を隔てて配置される。第３の端子１１６および第４の端子１１８は、第１の直線１５０に対して線対称に配置されている。

第１のインダクタ１１２の第１のループ状導電体１１０と第２のインダクタ１２２の第２のループ状導電体１２０とは、平面視で第２の直線１５２上で交差するように配置される。また、第１のループ状導電体１１０は、いずれの部分においても、内側または外側の一方に第２のループ状導電体１２０が並行するように配置されている。これにより、トランスフォーマ１０２の機能を実現することができる。

以上のように、本実施の形態において、トランスフォーマ１０２が、平面視で第１の直線１５０に対して線対称な構造を有する２つの同一形状を有するインダクタにより構成されるとともに、これらのインダクタが第２の直線１５２に対して線対称に配置された構成とすることにより、トランスフォーマ１０２を左右対称、上下対称な構造とすることができる。このような構造は、第１のインダクタ１１２の第１のループ状導電体１１０と第２のインダクタ１２２の第２のループ状導電体１２０とが第２の直線１５２上で交差するようなパターンとすることにより実現することができる。さらに、第１のループ状導電体１１０および第２のループ状導電体１２０が、それぞれ、内巻きに巻かれた後、内部で折り返して外巻きに巻かれ、第１の直線１５０上で交差するようにすることにより、第１のループ状導電体１１０および第２のループ状導電体１２０が複数回巻かれた構造とすることができる。

以上の構成により、トランスフォーマ１０２を構成する各インダクタ（第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２）の入力端および出力端のどの部分から見ても、インピーダンスが等しくなるようにすることができ、トランスフォーマ１０２の電気的な特性の対称性を良好にすることができる。これにより、トランスフォーマ１０２を差動回路に用いた場合やバランとして用いた場合に特性を良好にすることができる。

図２および図３を用いて、第１のループ状導電体１１０の形状を説明する。
ここで、第１の直線１５０と第２の直線１５２との交点Ａを中心とする第１の正方形１８０ａ、第２の正方形１８０ｂ、第３の正方形１８０ｃ、および第４の正方形１８０ｄを補助線として用いる。第１の正方形１８０ａ〜第４の正方形１８０ｄは、この順で径が大きく、略等しい間隔で配置されている。

第１のループ状導電体１１０の始点１１０ａと第１の端子１０６とは、第１の正方形１８０ａ上で接続されている。第１のループ状導電体１１０は、第１の端子１０６との接続点（１１０ａ）から、第１の正方形１８０ａ上を図中右方向に延在し、第１の正方形１８０ａの角部で図中下方向に略垂直に曲がって下方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２上を通過する際に、第１の正方形１８０ａの内側の第２の正方形１８０ｂ上に移動してそのまま下方向に延在する（図２（ａ））。つづいて、第１のループ状導電体１１０は、第２の正方形１８０ｂの角部で図中左方向に略垂直に曲がって、左方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第１の直線１５０上を通過する際に、第２の正方形１８０ｂの内側の第３の正方形１８０ｃ上に移動してそのまま左方向に延在する（図２（ｂ））。

次いで、第１のループ状導電体１１０は、第３の正方形１８０ｃの角部で図中上方向に略垂直に曲がって、上方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２上を通過する際に、第３の正方形１８０ｃの内側の第４の正方形１８０ｄ上に移動してそのまま上方向に延在する。以上では、第１のループ状導電体１１０は、徐々に径が狭くなるように内巻きに巻かれている。さらに、第１のループ状導電体１１０は、第４の正方形１８０ｄの角部で図中右方向に略垂直に曲がって、右方向に延在する。このとき、第１のループ状導電体１１０は、第１の直線１５０上を通過する際には、そのまま第４の正方形１８０ｄ上を延在して径を維持する（図２（ｃ））。

この後、第１のループ状導電体１１０は、徐々に径が広くなるように外巻きに巻かれる。第１のループ状導電体１１０は、第４の正方形１８０ｄの角部で図中下方向に略垂直に曲がって、下方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２上を通過する際に、第４の正方形１８０ｄの外側の第３の正方形１８０ｃ上に移動してそのまま下方向に延在する（図３（ａ））。つづいて、第１のループ状導電体１１０は、第３の正方形１８０ｃの角部で図中左方向に略垂直に曲がって、左方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第１の直線１５０上を通過する際に、第３の正方形１８０ｃの外側の第２の正方形１８０ｂ上に移動してそのまま左方向に延在する。なお、第１の直線１５０上で、内巻きに巻かれた部分と交差する（図３（ｂ））。

次いで、第１のループ状導電体１１０は、第２の正方形１８０ｂの角部で図中上方向に略垂直に曲がって、上方向に延在する。ここで、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２上を通過する際に、第２の正方形１８０ｂの外側の第１の正方形１８０ａ上に移動してそのまま上方向に延在する。さらに、第１のループ状導電体１１０は、第１の正方形１８０ａの角部で図中右方向に略垂直に曲がって、右方向に移動し、第１の正方形１８０ａ上で第２の端子１０８と接続する（図３（ｃ））。

次に、トランスフォーマ１０２の立体構造を説明する。
図４は、トランスフォーマ１０２の平面図である。本実施の形態において、トランスフォーマ１０２は、基板上に形成された複数の多層配線構造により形成される。トランスフォーマ１０２の各交差部分は、異なる層に形成された配線により実現される。ここでは、交差部分（図中一点破線で囲んだ箇所）で下層に形成される配線を破線で示している。

図５は、図４の断面図の一例を示す図である。図５（ａ）は、図４のＢ−Ｂ’断面図、図５（ｂ）は、図４のＣ−Ｃ’断面図、図５（ｃ）は、図４のＤ−Ｄ’断面図である。

電子デバイス１００は、基板１７０と、基板１７０上に下から順に形成された絶縁膜１７２、下層配線用絶縁膜１７４、ビア用絶縁膜１７６および上層配線用絶縁膜１７８とを含む。基板１７０は、たとえばシリコン基板等の半導体基板やガラス基板等とすることができる。

ここでは、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２ともに、交差部分を除き、上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線により構成される。すなわち、図４に実線で示した部分は、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２も、上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線により構成される（図５（ａ））。

一方、図４に破線で示した交差部分は、下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線により構成される。なお、上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線と下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線とは、ビア用絶縁膜１７６に形成されたビアを介して電気的接続がとられる（図５（ｂ）、図５（ｃ））。

図６は、図４の断面図の他の例を示す図である。図６（ａ）は、図４のＢ−Ｂ’断面図、図６（ｂ）は、図４のＣ−Ｃ’断面図、図６（ｃ）は、図４のＤ−Ｄ’断面図である。

ここで、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２ともに、交差部分を除き、下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線、ビア用絶縁膜１７６に形成されたビア、および上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線により構成される。すなわち、図４の交差部分以外は、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２も、下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線、ビア用絶縁膜１７６に形成されたビア、および上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線の３層構造により構成される（図６（ａ））。

一方、交差部分では、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２は、下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線または上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線のいずれか一方により構成される。図４の交差部分の破線で示した箇所は、下層配線用絶縁膜１７４に形成された配線により構成され、実線で示した箇所は、上層配線用絶縁膜１７８に形成された配線により構成される（図６（ｂ）、図６（ｃ））。

なお、図５に示した例でも、図６に示した例でも、配線およびビアは、多層配線構造の他の配線と同時に形成することができる。また、配線およびビアを構成する材料としては、たとえば、銅またはアルミニウム等を用いることができる。配線およびビアを構成する材料が銅である場合、これらはたとえばダマシン法によって形成することができる。

また、本実施の形態において、トランスフォーマ１０２は、種々の形状とすることができる。
たとえば、第１のループ状導電体１１０の巻き回数を増やした構成とすることができる。図１では、内巻き、外巻き時に第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過する回数Ｎ＝３、巻き回数が２である場合を例として示したが、図７は、Ｎ＝５、巻き回数が３の場合のトランスフォーマを示す平面図である。以下では、説明を簡略にするために、第１のインダクタ１１２および第２のインダクタ１２２を線で示しているが、これらは、図１に示したのと同様、配線等により構成される。

ここでは、第１のループ状導電体１１０は、第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過する度に径が狭くなるように、第２の直線１５２上および第１の直線１５０上を順に５回通過して内巻きに巻かれた後、径を維持したまま第１の直線１５０上を一度通過し、その後第２の直線１５２および第１の直線１５０上を通過する度に径が広くなるように、第２の直線１５２上および第１の直線１５０上を順に５回通過して外巻きに巻かれる。第２のループ状導電体１２０も、第１のループ状導電体１１０と同一形状を有する。

同様に、図８は、Ｎ＝７、巻き回数が４の場合のトランスフォーマを示す平面図である。さらに、ここでは、電子デバイス１００がセンタータップ１４０を含む例を示す。センタータップ１４０は、第２のループ状導電体１２０の径を維持したまま第１の直線１５０上を一度通過する部分Ｅを第２のループ状導電体１２０との接続点とするとともに、当該接続点（Ｅ）から、第２のループ状導電体１２０の始点および終点の間の位置まで、平面視で第１の直線１５０上に延在する。本実施の形態において、センタータップ１４０は、第３の端子１１６と第４の端子１１８との間に、これらに略平行に延在するように配置された構成とすることができる。このような配置とすることにより、トランスフォーマ１０２の対称性を良好に保ったまま、センタータップ１４０を有する電子デバイス１００を実現することができる。

なお、図８に示した構成以外の構成においても、同様に、センタータップ１４０を組み合わせた構成とすることができる。

また、各インダクタのループ状導電体は種々の形状を有する構成とすることができる。
図９は、第１のループ状導電体１１０および第２のループ状導電体１２０が、平面視で八角形である例を示す平面図である。ここでは、Ｎ＝３、巻き回数が２の場合のトランスフォーマを示す。このように、周囲の配置パターン等に応じて、第１のループ状導電体１１０および第２のループ状導電体１２０の平面視の形状を異ならせても、図１〜図４を参照して説明したのと同様の規則でパターンを決定することにより、同様の効果を得ることができる。また、たとえば、第１のループ状導電体１１０および第２のループ状導電体１２０は、平面視で円形状（不図示）とすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

本発明の実施の形態における電子デバイスの構成を示す模式図である。 図１に示した第１のインダクタの第１のループ状導電体の形状を説明するための図である。 図１に示した第１のインダクタの第１のループ状導電体の形状を説明するための図である。 図１に示したトランスフォーマの平面図である。 図４に示したトランスフォーマの断面図の一例を示す図である。 図４に示したトランスフォーマの断面図の他の例を示す図である。 本発明の実施の形態におけるトランスフォーマの他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるトランスフォーマの他の例を示す平面図である。 本発明の実施の形態におけるトランスフォーマの他の例を示す平面図である。 従来のトランスフォーマのレイアウトを示す図である。

符号の説明

１００ 電子デバイス
１０２ トランスフォーマ
１０６ 第１の端子
１０８ 第２の端子
１１０ 第１のループ状導電体
１１０ａ 始点
１１０ｂ 終点
１１２ 第１のインダクタ
１１６ 第３の端子
１１８ 第４の端子
１２０ 第２のループ状導電体
１２０ａ 始点
１２０ｂ 終点
１２２ 第２のインダクタ
１４０ センタータップ
１５０ 第１の直線
１５２ 第２の直線
１５４ 第１の領域
１５６ 第２の領域
１５８ 第３の領域
１６０ 第４の領域
１７０ 基板
１７２ 絶縁膜
１７４ 下層配線用絶縁膜
１７６ ビア用絶縁膜
１７８ 上層配線用絶縁膜
１８０ａ 第１の正方形
１８０ｂ 第２の正方形
１８０ｃ 第３の正方形
１８０ｄ 第４の正方形

Claims (4)

1. 基板と、
   当該基板上に形成され、平面視で第１の直線に対して線対称な構造を有する第１のインダクタと、前記第１のインダクタと同一形状を有する第２のインダクタとを含み、前記第１のインダクタと前記第２のインダクタとが前記第１の直線と直交する第２の直線に対して線対称に配置されたトランスフォーマと、
   を含む電子デバイス。
2. 請求項１に記載の電子デバイスにおいて、
   前記第１のインダクタは、平面視で、前記第１の直線および前記第２の直線で区画される第１の領域を始点として、前記第１の直線と前記第２の直線との交点を中心として前記第２の直線および前記第１の直線上を順に通過して巻かれ、前記第１の領域と前記第１の直線に対して線対称な第２の領域を終点とする第１のループ状導電体を含み、
   当該第１のループ状導電体は、前記始点から、前記第２の直線上を通過する際に径が狭くなり、径を維持したまま前記第１の直線上を一度通過し、その後前記第２の直線上を通過する際に径が広くなるように巻かれ、
   前記第２のインダクタは、前記第２の領域と前記第２の直線に対して線対称な第３の領域を始点、前記第１の領域と前記第２の直線に対して線対称な第４の領域を終点とするとともに前記第１のループ状導電体と同一形状を有する第２のループ状導電体を含み、
   前記第１のループ状導電体と前記第２のループ状導電体とは、平面視で前記第２の直線上で交差するように配置された電子デバイス。
3. 請求項２に記載の電子デバイスにおいて、
   前記第１のループ状導電体は、前記第２の直線および前記第１の直線上を通過する度に径が狭くなるように、前記第２の直線上および前記第１の直線上を順にＮ回（Ｎは３以上の奇数）通過して内巻きに巻かれた後、径を維持したまま前記第１の直線上を一度通過し、その後前記第２の直線および前記第１の直線上を通過する度に径が広くなるとともに前記第１の直線上を通過する際に内巻きにされた部分と交差するように、前記第２の直線上および前記第１の直線上を順に前記Ｎ回通過して外巻きに巻かれた電子デバイス。
4. 請求項２または３に記載の電子デバイスにおいて、
   前記第２のループ状導電体の径を維持したまま前記第１の直線上を一度通過する部分を当該第２のループ状導電体との接続点とするとともに、当該接続点から、当該第２のループ状導電体の始点および終点の間の位置まで、平面視で前記第１の直線上に延在するセンタータップをさらに含む電子デバイス。

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