JP2010118471A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、インダクタ素子を有する半導体装置に関するものである。 The present invention relates to a semiconductor device having an inductor element.
近年、携帯電話等の携帯通信機器の小型化が進められている。携帯通信機器の小型化のために、高周波回路をシリコン集積回路に1チップ化する要求が高まってきている。ところが、高周波回路には、トランジスタ、抵抗および容量に加えて、コイルやトランスといったインダクタ素子が必要であって、シリコン基板上にトランジスタや抵抗等を利用した集積回路と共に、インダクタ素子を形成する方法が開発されている。インダクタ素子は電圧制御型発振回路(VCO;voltage-controlled oscillator)等の発振回路に用いられ、安定な発振周波数および高い周波数の発振波形を得るためにはより高性能なインダクタ素子が求められる。 In recent years, downsizing of mobile communication devices such as mobile phones has been promoted. In order to reduce the size of portable communication devices, there is an increasing demand for a high-frequency circuit to be integrated into a silicon integrated circuit on a single chip. However, a high-frequency circuit requires an inductor element such as a coil and a transformer in addition to a transistor, a resistor, and a capacitor. A method of forming an inductor element together with an integrated circuit using a transistor or a resistor on a silicon substrate is known. Has been developed. The inductor element is used in an oscillation circuit such as a voltage-controlled oscillator (VCO), and a higher-performance inductor element is required to obtain a stable oscillation frequency and a high-frequency oscillation waveform.
インダクタ素子として、半導体基板の表面に形成した絶縁膜上に、アルミニウム等の導電膜を渦巻き状にあるいは巻き線状に形成する方法がある。しかしながら、このような構成では、インダクタ素子の近傍に半導体基板が存在し、インダクタ素子に電流を流した時に発生する磁界の変化を妨げる渦電流がその半導体基板中に発生して、インダクタ素子の特性が損失を伴うことが知られている。 As an inductor element, there is a method in which a conductive film such as aluminum is formed in a spiral shape or a winding shape on an insulating film formed on the surface of a semiconductor substrate. However, in such a configuration, a semiconductor substrate exists in the vicinity of the inductor element, and an eddy current that prevents a change in magnetic field generated when a current is passed through the inductor element is generated in the semiconductor substrate. Is known to be lossy.
即ち、巻き線状に形成された帯状導電層をトランスにおける一次コイルと考えると、不純物を含む半導体基板そのものは抵抗値が低いので高周波領域では短絡された二次コイルのように作用する。この二次コイルの存在によるインダクタ素子の損失は特に高周波領域において顕著に現れるので、半導体基板内の渦電流の発生を防止する為の提案がなされている。例えば、特開平07-183468号には、シリコン基板の表面に複数のPN接合を形成し、その接合により形成される空乏層により、渦電流を抑制することが示されている。つまり、半導体基板の表面に形成される渦電流の経路を複数の空乏層により分断して、渦電流を抑制するという構成が開示されている。この公知例においても、半導体基板の表面に形成される空乏層により渦電流の発生が抑えられることが示されている。 That is, when the band-shaped conductive layer formed in a winding shape is considered as a primary coil in a transformer, the semiconductor substrate containing impurities itself has a low resistance value, and thus acts like a short-circuited secondary coil in a high-frequency region. Since the loss of the inductor element due to the presence of the secondary coil appears prominently in the high frequency region, proposals have been made to prevent the generation of eddy currents in the semiconductor substrate. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 07-183468 shows that a plurality of PN junctions are formed on the surface of a silicon substrate, and eddy current is suppressed by a depletion layer formed by the junctions. That is, a configuration is disclosed in which the eddy current path formed on the surface of the semiconductor substrate is divided by a plurality of depletion layers to suppress the eddy current. This known example also shows that the generation of eddy currents can be suppressed by the depletion layer formed on the surface of the semiconductor substrate.
図5は、上記公知例のインダクタ素子の構造を示す図である。P型の半導体基板11の表面にN型の不純物領域14が形成され、半導体基板11の表面に複数のPN接合が形成される。そして、半導体基板11の表面上に形成された絶縁膜12上に、渦巻き状の導電膜16が形成される。この導電膜16の一端16Aは、図示しない配線に接続され、また、この導電膜16の他端16Bは、絶縁膜12内に形成された下層の配線18に接続される。導電膜16の一端16Aから他端16Bに向かって図中の矢印22の方向に電流を流すと、それにより半導体基板11の表面に垂直な磁界が渦巻き配線内に発生する。
FIG. 5 is a diagram showing the structure of the above-described known inductor element. An N-
図5に示された構成では、複数のPN接合により空乏層が形成されるので、半導体基板11の表面側に空乏層が多く形成され、帯状の導電膜16からなるインダクタ素子により発生した磁界に対して半導体基板11内に発生する渦電流が流れる抵抗を高くすることができ、渦電流を抑制し上記の渦電流による損失とインダクタンスの低下を防止することができる。
しかしながら、従来の半導体装置において、インダクタ素子の下部の半導体基板中に形成される空乏層の幅(厚さ)は1〜10μm程度であるため、インダクタ素子で発生した磁束は空乏層を透過して、空乏層下の半導体基板に到達して半導体基板中に渦電流を誘起させる。そのため、渦電流の発生を抑制することは難しい。また、半導体基板とインダクタ配線との間の寄生容量により、インダクタ素子の自己共振周波数を高くできないため、最大使用周波数を上げることは難しく、また、インダクタ素子の性能の指標となるQ値(Quality Factor)を上げることは難しい。更に、空乏層を半導体基板中に形成する必要があるため、インダクタ下部の半導体基板中に集積回路素子を形成できないという課題があった。これは、半導体基板内に回路を構成するためのレイアウト設計上の大きな制約となるとともに、一般にインダクタは大きな面積を要するため、チップサイズが大きくなるという問題を引き起こす。 However, in the conventional semiconductor device, since the width (thickness) of the depletion layer formed in the semiconductor substrate below the inductor element is about 1 to 10 μm, the magnetic flux generated in the inductor element passes through the depletion layer. And reaches the semiconductor substrate below the depletion layer to induce eddy currents in the semiconductor substrate. Therefore, it is difficult to suppress the generation of eddy current. In addition, since the self-resonance frequency of the inductor element cannot be increased due to the parasitic capacitance between the semiconductor substrate and the inductor wiring, it is difficult to increase the maximum operating frequency. ) Is difficult to raise. Furthermore, since it is necessary to form a depletion layer in the semiconductor substrate, there is a problem that an integrated circuit element cannot be formed in the semiconductor substrate under the inductor. This is a great restriction in layout design for configuring a circuit in a semiconductor substrate, and generally causes a problem that the chip size increases because an inductor requires a large area.
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、インダクタ素子を有する半導体装置において最大使用周波数を高くするとともにQ値を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to increase the maximum usable frequency and improve the Q value in a semiconductor device having an inductor element.
本発明の半導体装置は、半導体集積回路と半導体集積回路と電気的に接続されたインダクタ素子とを有しており、インダクタ素子は、半導体集積回路を構成する半導体基板よりも外側に配置されている。かかる構成により、インダクタ素子に発生する磁界による半導体基板内での渦電流の誘起が抑制され、インダクタ素子と半導体基板との間の寄生容量が低減されることから、インダクタ素子の損失が抑制され、最大使用周波数が高くなり、Q値が向上する。 A semiconductor device of the present invention includes a semiconductor integrated circuit and an inductor element electrically connected to the semiconductor integrated circuit, and the inductor element is disposed outside a semiconductor substrate constituting the semiconductor integrated circuit. . With this configuration, induction of eddy currents in the semiconductor substrate due to the magnetic field generated in the inductor element is suppressed, and parasitic capacitance between the inductor element and the semiconductor substrate is reduced, so that loss of the inductor element is suppressed, Maximum operating frequency increases and Q value improves.
本発明の半導体装置では、インダクタ素子の長手方向における各端に設けられた端子はどちらも、半導体基板に電気的に接続されていることが好ましい。この場合、半導体基板の表面に導体パッドを有し、インダクタ素子の端子がそれぞれ導体パッドを介して半導体基板に接続されていればよい。また、インダクタ素子は1ターン以上の巻き線からなり、インダクタ素子の端子はインダクタ素子の巻き中心に対して互いに同じ側に配置されていればよい。。 In the semiconductor device of the present invention, it is preferable that both terminals provided at each end in the longitudinal direction of the inductor element are electrically connected to the semiconductor substrate. In this case, a conductor pad may be provided on the surface of the semiconductor substrate, and the terminals of the inductor element may be connected to the semiconductor substrate via the conductor pad. Further, the inductor element is composed of a winding of one turn or more, and the terminals of the inductor element may be arranged on the same side with respect to the winding center of the inductor element. .
本発明の半導体装置では、インダクタ素子は、1ターン以上の巻き線からなることが好ましい。 In the semiconductor device of the present invention, the inductor element is preferably composed of a winding of one turn or more.
本発明の半導体装置では、複数のインダクタ素子を具備することが好ましく、複数のインダクタ素子は誘導結合しないように配置されていることが好ましい。 The semiconductor device of the present invention preferably includes a plurality of inductor elements, and the plurality of inductor elements are preferably arranged so as not to be inductively coupled.
本発明による半導体装置によれば、インダクタ素子の直下に半導体基板がないため、インダクタ素子の磁界により誘起される渦電流が抑制され、インダクタ素子と半導体基板との間の寄生容量が低減されるため、インダクタ素子の損失が抑制され、更に、最大使用周波数が高くなり、Q値が向上するという効果を得ることができる。 According to the semiconductor device of the present invention, since there is no semiconductor substrate directly under the inductor element, eddy currents induced by the magnetic field of the inductor element are suppressed, and parasitic capacitance between the inductor element and the semiconductor substrate is reduced. In addition, the loss of the inductor element can be suppressed, the maximum usable frequency can be increased, and the Q value can be improved.
以下、半導体装置等の実施形態について図面を参照して説明する。なお、実施の形態において同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。また、本発明は以下に示す構成に限定されない。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor device and the like will be described with reference to the drawings. In addition, since the component which attached | subjected the same code | symbol in embodiment performs the same operation | movement, description may be abbreviate | omitted again. Further, the present invention is not limited to the configuration shown below.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1について説明する。
(Embodiment 1)
Embodiment 1 of the present invention will be described.
図1は、本実施の形態に係る半導体装置1の構造図であり、図1(a)、図1(b)および図1(c)はそれぞれ斜視図、断面図および上面図である。 FIG. 1 is a structural diagram of a semiconductor device 1 according to the present embodiment. FIGS. 1A, 1B, and 1C are a perspective view, a cross-sectional view, and a top view, respectively.
半導体チップ20は、絶縁物の内部にインダクタ素子201、202、ビア203および配線204を有し、表面に導体パッド205を有している。導体パッドとは、金属配線等を形成する導体が露出した領域を示し、ワイヤボンディングを行う際の接続端子や他のチップとの接続端子となる。図2にインダクタ素子201、202の配置図の一例を示す。インダクタ素子201は、同一層の配線を渦巻き状に形成した通常のインダクタであり、インダクタ素子202は、2端子のどちらの端子からも渦巻き形状が対象になる差動タイプのインダクタである。インダクタ素子201、202では、それぞれ、端子(インダクタ素子の長手方向における端に設けられている)がインダクタ素子201、202の巻き中心に対して互いに同じ側に配置されている。ここでは、便宜上2つの異なる形状のインダクタ素子を並べて示しているが、これは種々の形状のインダクタ素子を対象としていることを示すためであって、実際には一つのインダクタ素子が配置されている場合や同じ形状のインダクタ素子が複数配置されている場合がある。
The
インダクタ素子201、202は互いに誘導結合しないように配置されており、半導体基板11の主表面に対して垂直方向に磁力線が発生するように配置されている。ここで、半導体基板11には半導体チップ10が形成されており、半導体チップ10はトランジスタ、抵抗および容量などを含む半導体集積回路を構成する半導体チップである。また、誘導結合しない配置とは、一方のインダクタによって誘起される磁力線が実質的に他方のインダクタに起電力を生じさせることがない配置のことを言う。また、複数のインダクタ素子を具備する場合、複数のインダクタ素子の一方の端子を共用する場合がある。更に、図2に示したインダクタ素子以外の形状として、スパイラル部における巻き線の数が異なるインダクタ素子や、平面的な巻き線だけでなく立体的な巻き線からなるインダクタ素子を使用することもできる。また、本実施の形態ではインダクタ素子201、202は、互いに誘導結合しないように配置されているとしているが、用途により互いに誘導結合するように配置されていても良い。例えば、インダクタ素子202の巻き線の中間に引き出し線を設けて、2つのインダクタ素子の巻き線が互いに重なった構成とすれば、双方のインダクタ素子は誘導結合し、一方のインダクタ素子に発生する磁界により他方のインダクタ素子に起電力を生じさせることが可能である。
The
ここで、本実施の形態に係る半導体装置の構成を簡潔に記すと、GND電位のリードフレーム40の上に半導体チップ10および半導体チップ20が順に設けられている。半導体チップ20の表面には導体パッド205が配置されており、この導体パッド205にはそれぞれビア203が接続されており、各ビア203には配線204が長手方向において互いに間隔を開けて接続されている。また、半導体チップ20の内部に設けられたインダクタ素子201、202の端子にはそれぞれ引き出し配線206が接続されており、引き出し配線206にはそれぞれビア203が接続されている。
Here, when the configuration of the semiconductor device according to the present embodiment is described briefly, the
導体パッド205および引き出し配線206に接続されたビア203はそれぞれ金バンプ50を介して半導体チップ10の表面に配置された導体パッド101に接続されており、これにより、半導体チップ10と半導体チップ20とは互いに電気的に接続されている。また、半導体チップ20の導体パッド205はワイヤー30を介してリードフレーム40のリード41に接続されており、これにより、半導体チップ20とリードフレーム40とは互いに電気的に接続されている。
そして、本実施の形態に係る半導体装置では、インダクタ素子201、202が半導体基板よりも外側に配置されるように金バンプ50を介して導体パッド101とビア203とを接続することにより、半導体チップ10に形成されているトランジスタ、抵抗および容量などの各素子と半導体チップ20のインダクタ素子201、202および配線204とを導体パッド101および金バンプ50を介して電気的に接続している。
In the semiconductor device according to the present embodiment, the semiconductor pad is connected to the via
なお、半導体チップ20は、インダクタ素子201、202、ビア203、配線204、導体パッド205および引き出し配線206を形成後、裏面を半導体チップ10と電気的に接続できるようビア203の底面が露出するまで薄膜化加工されている。
In the
本実施の形態において得られる効果を以下にまとめて記載する。 The effects obtained in the present embodiment are summarized below.
本実施の形態によれば、インダクタ素子201、202は半導体基板11よりも外側に配置されているので、インダクタ素子201、202の直下には半導体基板11が配置されない。よって、インダクタ素子201、202とGNDとの間の距離は、インダクタ素子とリードフレーム40との間においてインダクタ素子201、202の直下に半導体基板11が配置される場合より長くなる。従って、インダクタ素子201、202の磁界により半導体基板11に誘起される渦電流が低減され、インダクタ素子201、202の損失が抑制される。更にインダクタ素子201、202の配線とGNDとの間の寄生容量値Cが低減されるため、自己共振周波数が高くなり、最大使用周波数が高くなる。また、並列容量成分が低減されることから、インダクタ素子201、202のQ値が向上する。
According to the present embodiment, since the
更に、好ましくは、インダクタ素子201、202直下におけるリードフレーム40に切り欠きを設けることにより、リードフレーム40内でも渦電流の発生を抑制することが可能であると共に、インダクタ素子201、202とリードフレーム40との間の寄生容量も低減できるので、更なるQ値の向上により特性向上を達成できる。
Further, preferably, by providing a cutout in the
なお、本実施の形態によれば、インダクタ素子201、202直下に半導体チップ10が配置されない実装レイアウトにすることで、高周波特性に優れたインダクタ素子201、202を集積化することができる。ちなみに、インダクタ素子201、202を半導体チップ10よりも外側に配置しても、インダクタ素子201、202はリードフレーム40よりも外側に配置されないので、パッケージを大きくする必要はない。
According to the present embodiment, by adopting a mounting layout in which the
(実施の形態2)
図3は、本実施の形態2における半導体装置2の構造図であり、図3(a)、図3(b)および図3(c)はそれぞれ斜視図、断面図および上面図である。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a structural diagram of the semiconductor device 2 according to the second embodiment. FIGS. 3A, 3B, and 3C are a perspective view, a cross-sectional view, and a top view, respectively.
本実施の形態2では、半導体チップ20はインダクタ素子201、202のみが設けられたインダクタ素子の専用のチップであり、半導体チップ10の表面の導体パッド205からワイヤー30が引き出されている。それ以外の構成については、本実施の形態1と同様で、半導体チップ20のインダクタ素子201、202の直下には半導体基板11が配置されないように、半導体チップ20が半導体チップ10の上に配置されている。インダクタ素子201、202の各端子は、引き出し配線206およびビア203を介して金バンプ50に接続されており、その金バンプ50は半導体チップ10の表面の周縁に配置された導体パッド205に接続されている。これにより、インダクタ素子201、202のスパイラル部は半導体基板11よりも外側に配置され、インダクタ素子201、202の両端の接続配線により半導体基板11の各素子と電気的に接続している。
In the second embodiment, the
図4を用いて、インダクタ素子専用の半導体チップ20の構造について説明する。図4(a)はインダクタ素子専用の半導体チップ20の平面概要図で、図3に示したインダクタ素子201だけを抜き出して記載しており、インダクタ素子201は例えば樹脂材料からなる基板200の上に設けられており、基板200は絶縁性の材料であればセラミックのような樹脂以外の材料でも構わない。図4(b)は、図4(a)のIVB−IVB’における断面図である。基板200の一方の表面上には、金属からなるインダクタ素子201が形成されている。インダクタ素子201の両端にはそれぞれ金属からなる引き出し配線206が接続されており、そのうち一方の引き出し配線206は基板200の他方の表面に設けられ、貫通電極207を介してインダクタ素子の一方の端部に電気的に接続されている。また、基板200の他方の表面には、半導体チップ20を半導体チップ10に接続するための導体パッド101が形成されており、よって、この導体パッド101は、上記一方の引き出し配線206と同一面に形成されている。
The structure of the
上記構成の半導体チップ20の導体パッド101は、半導体チップ10の表面の周縁に設けられている導体パッド205に、例えば金バンプ50を介して接続される。このとき、インダクタ素子201、202を半導体チップ10よりも外側に配置することにより、インダクタ素子201、202に電流が流れた結果、磁界が誘起されても、半導体基板11の内部に磁界が及ぶことがない。
The
以上説明したように、本実施の形態によれば、上記実施の形態1と同じく、インダクタ素子201、202は半導体基板11よりも外側に配置されているので、インダクタ素子201、202の直下には半導体基板11が配置されない。よって、本実施の形態においても上記実施の形態1と同一の効果を得ることができる。
As described above, according to the present embodiment, the
(その他の実施の形態)
上記実施の形態1および2では、インダクタ素子において発生する磁界が半導体チップ10を形成する半導体基板11の主表面に対して垂直な向きになるようにインダクタ素子を設置したが、磁界が半導体基板11の主表面に対して平行になるようにインダクタ素子を設置することもできる。すなわち、インダクタ素子は半導体基板11の端部から側面に突き出し、インダクタ素子を構成する巻き線が半導体基板11の主表面および突き出した側面とほぼ垂直に形成されていても良い。さらに、インダクタ素子によって誘起される磁界が半導体基板の主表面に対して平行でも垂直でもない角度に傾いて発生しても、その磁界が半導体チップに直接影響を与えることを阻止することができるので、上記実施の形態1および2と同様の効果を得ることができる。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments, the inductor element is installed so that the magnetic field generated in the inductor element is oriented perpendicular to the main surface of the
また、上記実施の形態1および2では、インダクタ素子の全体を半導体基板11よりも外側に配置することによって、磁界が半導体基板に及ぶことを抑制している。しかし、使用周波数などの半導体装置の仕様により、インダクタ素子の全体を半導体基板11よりも外側に配置させるのではなく、少なくとも巻き線部の中心を半導体基板11よりも外側に配置すれば、所定の効果を得ることができる。この場合にも、インダクタ素子からの磁界が及ぶ範囲は半導体チップの周辺部であって、磁界によって誤作動を引き起こす可能性のあるトランジスタ等のレイアウトに制約を与えることはない。
In the first and second embodiments, the entire inductor element is disposed outside the
さらに、本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることは言うまでもない。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention.
以上のように、本発明にかかる半導体装置は、インダクタ素子の磁界により半導体基板に誘起される渦電流が低減し、インダクタ素子の損失が抑制され、インダクタ素子の配線とGNDとの間の寄生容量が低減し、最大使用周波数が高くなるという効果を有するので、高周波の半導体装置として有用である。 As described above, in the semiconductor device according to the present invention, the eddy current induced in the semiconductor substrate by the magnetic field of the inductor element is reduced, the loss of the inductor element is suppressed, and the parasitic capacitance between the wiring of the inductor element and GND is reduced. Is effective as a high-frequency semiconductor device.
1 半導体装置
2 半導体装置
10 半導体チップ
11 半導体基板
20 半導体チップ
30 ワイヤー
40 リードフレーム
41 リード
50 金バンプ
101 導体パッド
200 基板
201 インダクタ素子
202 インダクタ素子
203 ビア
204 配線
205 導体パッド
206 引き出し配線
207 貫通電極
1 Semiconductor device
2 Semiconductor devices
10 Semiconductor chip
11 Semiconductor substrate
20 Semiconductor chip
30 wires
40 Lead frame
41 lead
50 gold bumps
101 Conductor pad
200 substrates
201 Inductor element
202 Inductor element
203 Via
204 Wiring
205 Conductor pad
206 Lead-out wiring
207 Through electrode
Claims (7)
前記インダクタ素子は、前記半導体集積回路を構成する半導体基板よりも外側に配置されていることを特徴とする半導体装置。 A semiconductor integrated circuit, and an inductor element electrically connected to the semiconductor integrated circuit,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the inductor element is disposed outside a semiconductor substrate constituting the semiconductor integrated circuit.
前記インダクタ素子の前記端子は、それぞれ、前記導体パッドを介して前記半導体基板に接続されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 A conductor pad provided on the surface of the semiconductor substrate;
The semiconductor device according to claim 2, wherein each of the terminals of the inductor element is connected to the semiconductor substrate via the conductor pad.
前記インダクタ素子の前記端子は、前記インダクタ素子の巻き中心に対して互いに同じ側に配置されていることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置。 The inductor element comprises a winding of one turn or more,
The semiconductor device according to claim 2, wherein the terminals of the inductor element are disposed on the same side with respect to a winding center of the inductor element.
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