JP2014138029A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置に関し、特に容量素子を内蔵した半導体装置に好適に利用できる。 The present invention relates to a semiconductor device, and can be suitably used particularly for a semiconductor device having a built-in capacitor.
半導体集積回路の微細化が進むなか、アナログ回路においても面積低減の要求が高まっている。アナログ回路の面積は、容量素子などの受動素子により決定される。したがって、半導体集積回路の微細化に伴い、容量素子などの受動素子の面積を低減することが必要である。その一方で、アナログ回路としての精度を確保するためには、製造上の素子の特性ばらつきによる制約から、容量素子などの受動素子に関して、一定の面積を確保する必要がある。 With the progress of miniaturization of semiconductor integrated circuits, there is an increasing demand for area reduction in analog circuits. The area of the analog circuit is determined by a passive element such as a capacitive element. Therefore, with the miniaturization of semiconductor integrated circuits, it is necessary to reduce the area of passive elements such as capacitive elements. On the other hand, in order to ensure accuracy as an analog circuit, it is necessary to ensure a certain area for passive elements such as capacitive elements due to restrictions due to variations in the characteristics of elements in manufacturing.
容量素子などの受動素子を有する回路として、例えば、パイプライン型A/Dコンバータが知られている。パイプライン型A/Dコンバータは、複数のブロックを有している。各ブロックは、入力されたアナログ値をデジタル値に変換した結果として、1ビット分ずつ最上位ビットから最下位ビットまで順にデジタル信号を出力する。Nビットの変換に(N−1)段のブロックを経由する。ここで、各ブロックを構成する演算増幅器の入力側にペアのスイッチトキャパシタを用いる場合、前段のブロックでのスイッチトキャパシタ間の容量の相対精度が悪いと、後段のブロックでのA/D変換の精度が悪化する。容量の相対精度は容量素子のサイズに依存している。そのため、容量の相対精度を向上させるためには、容量素子の面積を大きくする必要がある。 As a circuit having a passive element such as a capacitive element, for example, a pipeline type A / D converter is known. The pipeline type A / D converter has a plurality of blocks. Each block outputs a digital signal in order from the most significant bit to the least significant bit by one bit as a result of converting the input analog value to a digital value. N-bit conversion goes through (N-1) stage blocks. Here, when a pair of switched capacitors is used on the input side of the operational amplifier constituting each block, if the relative accuracy of the capacitance between the switched capacitors in the preceding block is poor, the accuracy of the A / D conversion in the subsequent block Gets worse. The relative accuracy of the capacitance depends on the size of the capacitive element. Therefore, in order to improve the relative accuracy of the capacitance, it is necessary to increase the area of the capacitive element.
また、容量素子などの受動素子を有する回路として、例えば、逐次変換型A/Dコンバータが知られている。逐次変換型A/Dコンバータでは、基本的に二分探索法によりA/D変換を行う。比較器へ比較信号を出力する容量性D/A変換回路では、単位構成容量Cの20倍、21倍、22倍、…、2N−1倍の容量素子が設けられている。本回路を構成するには、容量Cを有する単位構成容量素子を2N個、アレイ状に並べる容量アレイを用いるのが一般的である。この場合、16ビットの容量性A/D変換回路を実現するためには216=65536個の容量素子が必要である。データビットに関連する容量素子の各々の容量は、次に小さい容量素子の容量の正確に2倍であることが必要である。そのため、容量の精度を向上させるためには、容量素子の面積を大きくする必要がある。
As a circuit having a passive element such as a capacitive element, for example, a successive conversion A / D converter is known. A successive conversion A / D converter basically performs A / D conversion by a binary search method. In capacitive D / A converter circuit for outputting a comparison signal to the
また、容量素子などの受動素子を有する回路として、その他にも、チャージポンプ型昇圧回などに例示されるように様々な回路が知られている。 In addition, various circuits are known as circuits having passive elements such as capacitive elements, as exemplified by charge pump boosting.
この容量素子の容量精度を向上させる技術として、特開2006−120883(特許文献1:対応米国出願公開US2006087004(A1))に、半導体装置が開示されている。この半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の主面上に形成された、少なくとも、第1、第2、第3、第4、第5、第6の6本の短冊状の金属膜とを有している。6本の金属膜は、主面に実質的に平行な面内に、第1、第2、第3、第4、第5、第6の順に互いに実質的に平行となるように並べて配置されている。第1、第2、第5及び第6の金属膜により第1キャパシタが形成されている。第3及び第4の金属膜により第2キャパシタが形成されている。 As a technique for improving the capacitance accuracy of this capacitive element, a semiconductor device is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-120883 (Patent Document 1: Corresponding US Application Publication US2006087044 (A1)). This semiconductor device includes a semiconductor substrate and at least six first, second, third, fourth, fifth, and sixth strip-shaped metal films formed on the main surface of the semiconductor substrate. Have. The six metal films are arranged side by side so as to be substantially parallel to each other in the order of the first, second, third, fourth, fifth, and sixth in a plane substantially parallel to the main surface. ing. A first capacitor is formed by the first, second, fifth and sixth metal films. A second capacitor is formed by the third and fourth metal films.
また、特表2002−517095(特許文献2:対応米国特許US6016019(A))にキャパシタアレイマッチングを向上させるためのキャパシタアレイ構成が開示されている。このキャパシタアレイマッチングを向上させるためのキャパシタアレイレイアウト技術は、以下のステップを含む。そのステップは、キャパシタアレイを提供する。別のステップは、該キャパシタアレイを幾何学的配置に置くステップであって、該幾何学的配置は中心点を有する。別のステップは、該幾何学的配置を複数の第1のセクションに分割するステップであって、該複数の第1のセクションの各々が、該第1のセクションから対角線上にあって、該中心点から該第1のセクションとほぼ等距離に配置される対応する第2のセクションを有する。別のステップは、該第2のセクションの各々において、所定値のキャパシタの組を格納するステップであって、該複数の第1のセクションの各々は、該対応する第2のセクションと等しい値のキャパシタの組を格納する。 Also, JP 2002-517095 (Patent Document 2: Corresponding US Patent US6016019 (A)) discloses a capacitor array configuration for improving capacitor array matching. The capacitor array layout technique for improving the capacitor array matching includes the following steps. That step provides a capacitor array. Another step is to place the capacitor array in a geometry, the geometry having a center point. Another step is to divide the geometry into a plurality of first sections, wherein each of the plurality of first sections is diagonal from the first section and the center Having a corresponding second section located approximately equidistant from the point to the first section. Another step is storing a predetermined set of capacitors in each of the second sections, each of the plurality of first sections having a value equal to the corresponding second section. Stores a set of capacitors.
また、特開2004−208011号公報(特許文献3:対応米国出願公開US2004125005(A1))にD/A変換器およびA/D変換器が開示されている。このD/A変換器は、変換コードに応じて電荷を分配し合う複数の単位キャパシタからなるキャパシタアレイを備えている。このD/A変換器では、各単位キャパシタは、互いに等しいレイアウト形状を有し且つ並列接続された2のべき乗個の分割キャパシタから構成されている。これら分割キャパシタが直線状に配置されているとともに、単位キャパシタごとに当該単位キャパシタを構成する各分割キャパシタがキャパシタアレイの中央位置に対してミラー反転配置とされている。 Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-208011 (Patent Document 3: Corresponding US Application Publication US2004125005 (A1)) discloses a D / A converter and an A / D converter. The D / A converter includes a capacitor array including a plurality of unit capacitors that distribute charges according to conversion codes. In this D / A converter, each unit capacitor is composed of power-of-two divided capacitors having the same layout shape and connected in parallel. These divided capacitors are arranged in a straight line, and for each unit capacitor, each divided capacitor constituting the unit capacitor is in a mirror inversion arrangement with respect to the center position of the capacitor array.
上述のように、パイプライン型A/Dコンバータでは、ペアのスイッチトキャパシタ間の相対精度が極めて重要な要素となる。パイプライン型A/D変換コンバータでは、入力レベルについて、各ブロックでその桁の値を判定する。その値が「1」の場合、入力レベルからその値の分だけ差し引き、その結果を増幅(1ビットの場合は2倍)し、次段のブロックへ出力する。次段のブロックでは、次の桁の値を判定する。このように、パイプライン型A/D変換コンバータでは常に演算増幅が必要であり、その演算増幅にはスイッチと容量素子とを用いている。この演算増幅の精度が悪いと、後段のブロックでのA/D変換の精度が悪化する。例えば、初段のブロックは、サンプル・ホールド回路とD/A変換器で構成されるが、10ビット分解能であれば出力電圧の誤差の許容値は1/210以下という非常に厳しい値が求められる。相対精度は、容量素子の面積に依存しており、精度を向上させるためには、容量素子の面積を大きくする必要がある。その一方で、より大きな面積を有する容量素子を二つ並べると、製造上のばらつきに起因した素子特性のばらつきが生じやすい。したがって、精度を稼ぐために容量素子を大きくしても、製造ばらつきの影響を増やしてしまい、相対精度の高い容量素子を得ることが困難である。 As described above, in the pipeline type A / D converter, the relative accuracy between a pair of switched capacitors is an extremely important factor. In the pipeline type A / D conversion converter, the value of the digit is determined in each block for the input level. When the value is “1”, the value is subtracted from the input level, the result is amplified (doubled in the case of 1 bit), and output to the next block. In the next block, the value of the next digit is determined. Thus, the pipeline type A / D conversion converter always requires operational amplification, and the operational amplification uses a switch and a capacitive element. When the accuracy of this operational amplification is poor, the accuracy of A / D conversion in the subsequent block is deteriorated. For example, the first stage of the block is comprised of sample-and-hold circuit and the D / A converter, an error tolerance of long if the output voltage at 10-bit resolution is required to extremely severe value of 1/2 to 10 . The relative accuracy depends on the area of the capacitive element, and it is necessary to increase the area of the capacitive element in order to improve the accuracy. On the other hand, if two capacitive elements having a larger area are arranged, variations in element characteristics due to manufacturing variations are likely to occur. Therefore, even if the capacitance element is increased in order to increase accuracy, the influence of manufacturing variation is increased, and it is difficult to obtain a capacitance element with high relative accuracy.
また、上述のように、逐次比較型A/Dコンバータ中の容量性D/A変換回路では、単位構成容量Cを有する容量素子を単位として、前段の容量を2の倍数で増加させた後段の容量が、正確に前段の容量の2倍であることが必要である。そして、高分解能A/Dコンバータとして例えば16ビットのA/Dコンバータを考える場合、216=65536個の容量素子を並べる必要がある。その数は、容量の精度を向上させるために容量素子の面積をより大きくするには、コスト的にも面積的にも実現困難な値である。一部の高分解能な逐次比較型A/Dコンバータでは、実際に、誤差を減少するためにトリミングなどが行われているが、それでは16ビット性能の補償は不可能である。また、実際の製品では各容量素子にキャリブレーションD/A変換回路を含めるなどして、補償を行っている。 Further, as described above, in the capacitive D / A converter circuit in the successive approximation A / D converter, the capacity of the previous stage is increased by a multiple of 2 with the capacitive element having the unit configuration capacity C as a unit. The capacity needs to be exactly twice the capacity of the previous stage. For example, when considering a 16-bit A / D converter as the high-resolution A / D converter, it is necessary to arrange 2 16 = 65536 capacitive elements. The number is difficult to realize both in terms of cost and area in order to increase the area of the capacitive element in order to improve the accuracy of the capacitance. In some high-resolution successive approximation A / D converters, trimming or the like is actually performed to reduce errors, but it is impossible to compensate for 16-bit performance. In an actual product, compensation is performed by including a calibration D / A conversion circuit in each capacitor element.
特許文献1では、配線状(直線状)のMIM(Metal−Insulator−Metal)キャパシタを用いてばらつき精度を改善しようとして試みている。しかし、この方式では直線方向の相対精度は高くできるが、配線に直交する方向については、システマティックばらつきを低減することが難しい。そのため、配線に直交する方向のばらつきの分だけ相対精度が低下する。一方、特許文献2、3では、回転対称または直線対称な配置を取ることにより相対精度を向上させている。しかし、ばらつきが回転対称または直線対称でない場合、回転対称または直線対称でないばらつきの分だけ相対精度が低下する。
In
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other problems and novel features will become apparent from the description of the specification and the accompanying drawings.
一実施の形態によれば、半導体装置は、キャパシタがアレイ状に配置されたキャパシタ群を備え、そのキャパシタ群は複数のサブキャパシタ群を含み、その複数のサブキャパシタ群は、アレイ中に2次元的に分散配置されている。 According to one embodiment, a semiconductor device includes a capacitor group in which capacitors are arranged in an array. The capacitor group includes a plurality of sub-capacitor groups, and the plurality of sub-capacitor groups are two-dimensionally included in the array. Distributed.
前記一実施の形態によれば、製造ばらつきの影響が低減され、相対精度の高い容量素子を得ることが可能となる。 According to the embodiment, it is possible to obtain a capacitive element with high relative accuracy by reducing the influence of manufacturing variations.
以下、実施の形態に係る半導体装置について、添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, semiconductor devices according to embodiments will be described with reference to the accompanying drawings.
(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を模式的に示す平面図である。また、図2は、第1の実施の形態に係る半導体装置の構成の一例を模式的に示す断面図である。本実施の形態に係る半導体装置2は、層間絶縁層41〜50と、キャパシタ群1とを具備している。層間絶縁層41〜50は、半導体基板30上に設けられている。キャパシタ群1は、層間絶縁層41〜50内に複数のキャパシタ11がアレイ状に配置されている。キャパシタ群1は、複数のサブキャパシタ群10を備えている。複数のサブキャパシタ群10の各々は、複数のキャパシタ11のうちの少なくとも一つのキャパシタ11を含んでいる。複数のサブキャパシタ群10の各々は、キャパシタ群1内に二次元的に分散配置されている。サブキャパシタ群10は、単独で、または、複数が集まることで、一つの容量素子として機能することができる。このような半導体装置2では、図1に示すように、複数のサブキャパシタ群10が、アレイ状のキャパシタ群1中に分散配置されていることにより、製造過程で生じるシステマティックばらつきを低減させることができる。それにより、容量素子間の相対精度を向上させることが可能となる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view schematically showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing an example of the configuration of the semiconductor device according to the first embodiment. The
以下、本実施の形態の半導体装置についてさらに説明する。 Hereinafter, the semiconductor device of the present embodiment will be further described.
図1に示すように、キャパシタ群1は、アレイ状(格子状又は行列状でも可)に配置された複数のキャパシタ11(11−1〜11−4を含む)を備えている。キャパシタ11は、一つ分のキャパシタであり、キャパシタ群1の最小の構成単位ということができる。キャパシタ群1は、キャパシタ群1を分割してできる複数のサブキャパシタ群10(10−1〜10−2を含む)を含んでいる。サブキャパシタ群10は、少なくとも一つのキャパシタ11を含んでいる。すなわち、キャパシタ11は、サブキャパシタ群10の最小の構成単位ということもできる。言い換えると、複数のキャパシタ11の各々は、複数のサブキャパシタ群10のいずれかに含まれている。
As shown in FIG. 1, the
複数のサブキャパシタ群10は、キャパシタ群1内に二次元的に分散配置されている。ここで、二次元的に分散配置するとは、例えば、含まれるキャパシタ11の数や配置が同じである同種の複数のサブキャパシタ群10が、キャパシタ群1内に、密集して配置されているのではなく、分散されて配置されていることをいう。図1の例では、例えば、二つのキャパシタ11を含むサブキャパシタ群10として、キャパシタ群1の左上側のサブキャパシタ群10−1と右下側のサブキャパシタ群10−2とが、キャパシタ群1内に、分散されて配置されている。
The plurality of
このとき、同種の機能を奏するために設けられる複数のサブキャパシタ群10は、キャパシタ群1内において、その中心点を基準に点対称または線対称となるように配置されることが好ましい。図1の例では、サブキャパシタ群10−1とサブキャパシタ群10−2とが同種の機能を奏するために用いられる場合、キャパシタ群1内において、その中心点を基準に点対称または線対称となるように配置されることが好ましい。その場合、キャパシタ群1において、それら複数のサブキャパシタ群10のシステマティックばらつきが同程度となる。したがって、分散配置を行わないときと比較して、製造過程で生じるシステマティックばらつきを相対的に低減することができる。言い換えると、システマティックばらつきがあったとしても複数のサブキャパシタ群10同士で同程度にすることができる。言い換えると、複数のサブキャパシタ群10同士のシステマティックばらつきを相殺することができる。その結果、容量素子間の相対精度を向上させることが可能となる。
At this time, it is preferable that the plurality of
また、二次元的に分散配置するとは、例えば、一つのサブキャパシタ群10に含まれる複数のキャパシタ11が、キャパシタ群1内に、密集して配置されているのではなく、分散されて配置されていることをいっても良い。図1の例では、例えば、四つのキャパシタ11を含むサブキャパシタ群10として、左上側のサブキャパシタ群10−1と右下側のサブキャパシタ群10−2とを配線などで並列接続して改めて一つのサブキャパシタ群10とすることが考えることができる。その配線は、上部の電極プレートや他の配線層の配線などに例示される。その場合、その一つのサブキャパシタ群10に含まれる複数のキャパシタ11−1〜11−2、11−3〜11−4が、キャパシタ群1内に分散されて配置されている。
The two-dimensionally distributed arrangement means that, for example, a plurality of
一機能を奏する一つのサブキャパシタ群10の複数のキャパシタ11は、キャパシタ群1内において、その中心点を基準に点対称または線対称となるように配置されることが好ましい。さらに、サブキャパシタ群10内において、その中心点を基準に点対称または線対称となるように配置されることが好ましい。例えば、キャパシタ11−1〜11−4が一つのサブキャパシタ群10に含まれる場合、キャパシタ11−1〜11−2とキャパシタ11−3〜11−4は、キャパシタ群1およびサブキャパシタ群10内において、その中心点を基準に点対称または線対称となるように配置されている。その場合、分散配置されているキャパシタ11同士(例示:キャパシタ11−1〜11−2とキャパシタ11−3〜11−4との間)ではシステマティックばらつきが同程度となり得る。したがって、そのサブキャパシタ群10内でのシステマティックばらつきを均一化できる。同様にすれば、他のサブキャパシタ群10内でのシステマティックばらつきも均一化できる。したがって、分散配置を行わない場合と比較して、製造過程で生じるシステマティックばらつきが均一化され、その影響を低減させることができる。その結果、容量素子間の相対精度を向上させることが可能となる。
The plurality of
ここで、分散の方法については、製造過程で生じるシステマティックばらつきの影響を低減させることが可能であれば、特に制限はないが、例えば以下のような方法が考えられる。まず、キャパシタ群1の複数のキャパシタ11を適用する機能を決定する。機能としては、例えば、パイプライン型A/Dコンバータの演算増幅器の入力側に設けるスイッチトキャパシタとしての機能や、逐次変換型A/Dコンバータの容量性D/A変換回路に設ける単位構成容量Cの2n倍の容量素子としての機能などである。次に、その機能に用いるサブキャパシタ群10を、例えばキャパシタ群1の中心点を基準に、点対称または線対称に配置する。例えば、上記のスイッチトキャパシタの機能としてサブキャパシタ群10を配置する場合、各スイッチトキャパシタとしての複数のキャパシタ11を、中心点を基準に点対称または線対称となるように配置する。例えば、10−1を一方のスイッチトキャパシタとし、10−2を他方のスイッチトキャパシタとする。また、上記の2n倍の容量素子の機能としてサブキャパシタ群10を配置する場合、各2n倍の容量素子としての複数のキャパシタ11を、中心点を基準に点対称または線対称となるように配置する。例えば、10−1と10−2とを併せて20倍の容量素子とする。このような配置方法により、システマティックばらつきの影響を低減させ、容量素子の相対精度を向上させることが可能となる。
Here, the dispersion method is not particularly limited as long as it is possible to reduce the influence of systematic variations occurring in the manufacturing process, but the following methods are conceivable, for example. First, the function to apply the plurality of
同じサブキャパシタ群10に含まれるキャパシタ11が2個以上の場合、それら2個以上のキャパシタ11同士は電気的に並列接続していれば、隣接していても良いし、離れていても良い。図1の例では、所定の方向(図面の上下方向)に隣接した複数のキャパシタ11が、一つのサブキャパシタ群10を構成している。すなわち、サブキャパシタ群10は、縦長の形状を有している。ただし、サブキャパシタ群10はこの例に限定されるものではなく、複数のサブキャパシタ群10がキャパシタ群1内に二次元的に分散配置される条件を満たせれば、他の形状であっても良い。例えば、横長の形状、三角の形状(例示:三角形の頂点にキャパシタ11を配置)、四角の形状、それらを組み合わせた形状などである。さらに、上述したように、それら(縦長、横長、三角、四角、及びそれらの組み合わせ)のサブキャパシタ群10同士を配線で接続して改めて一つのサブキャパシタ群10としても良い。
When two or
ただし、上記の説明において、キャパシタ11やサブキャパシタ群10が厳密に点対称または線対称である必要はなく、対象となる複数のキャパシタ11のうちの多くの部分が(例示:60%以上)が点対称または線対称になっていればよい。したがって、本明細書で点対称や線対称という場合、そのような意味を含んでいる。
However, in the above description, the
このように、本実施の形態の半導体装置では、キャパシタ群1において、その中の複数のサブキャパシタ群10またはサブキャパシタ群10の中の複数のキャパシタ11がアレイ中に二次元的に分散配置されている。それにより、製造過程で生じるシステマティックばらつきを低減させることが可能となり、結果として容量素子の精度を向上させることが可能となる。
As described above, in the semiconductor device of the present embodiment, in the
図2に示すように、半導体基板30上には、コンタクト層31(層間絶縁層41、42)、配線層32(層間絶縁層43、44)〜配線層35(層間絶縁層49、50)が設けられている。キャパシタ群1は、層間絶縁層41〜50内にアレイ状に配置された複数のキャパシタ11を有している。キャパシタ11は、MIM(Metal−Insulator−Metal)型のキャパシタであることが好ましい。キャパシタ11がMOS(Metal−Oxide−Semiconductor)型ではなくMIM型であるため、寄生抵抗が小さく高速動作が可能である。この効果により、例えば、これをA/D変換用の回路に適用する場合、A/D変換回路において高速動作を実現することができる。
As shown in FIG. 2, on the
キャパシタ11は、最上層の一つ下の配線層34〜三つ下の配線層32に埋め込まれた構造を有している。言い換えると、層間絶縁層43〜47に埋め込まれた構造を有している。そのキャパシタ11としては、シリンダ形状を有するMIM型のキャパシタ11に例示される。そのキャパシタ11は、上部の電極プレート94に接続された上部電極93と、誘電体92と、下部のコンタクト(プラグ)81、82に接続された下部電極91とがこの順に積層された構成を有している。コンタクト81、82は、コンタクト層31を貫通して、半導体基板30の表面領域に設けられた拡散層80に接続されている。拡散層80は接地あるいは能動素子(例示:MOSトランジスタ)に接続されている。電極プレート94は、配線層35を貫通する配線(ビアを含む)83、75と接続されている。キャパシタ11がシリンダ形状を有している場合、例えば、50fF/μm2以上の容量効率を得ることができる。それにより、同一容量であれば、配線間に設けられた平行平板型のMIM型容量素子の1/100の面積しか占有しない。したがって、面積効率を高めることができる。その場合、例えば、一つのキャパシタ11として、10nF以上の容量素子を製造することができる。
The
この半導体基板30は、さらに、電子回路部15と、キャパシタ11とその電子回路部15とを接続するスイッチ部14とを備えていてもよい。スイッチ部14は、スイッチMOSトランジスタTrを含んでいる。スイッチMOSトランジスタTrは、ソース/ドレインの一方をコンタクト層31および配線層33〜35のコンタクト71および配線72〜75を介してキャパシタ11に接続されている。スイッチ部14を有することで、キャパシタ11の接続/非接続を容易に制御でき好ましい。また、スイッチMOSトランジスタTrは、ソース/ドレインの他方をコンタクト層31および配線層33〜35のコンタクト61および配線62〜65を介して電子回路部15の他の電子素子(図示されず)に接続されている。同一の半導体基板30上で電子回路部15と接続していることで、信号の送受信が高速かつ容易にできて好ましい。電子回路部15は、例えば、パイプライン型A/Dコンバータや逐次変換型A/Dコンバータにおける容量素子でないロジック回路の部分や、パイプライン型A/Dコンバータや逐次変換型A/Dコンバータを制御する制御回路に例示される。
The
eDRAMと異なり、キャパシタ(容量素子)11を直接にコンタクト81、82と接続させている。それにより、キャパシタ(容量素子)を設けているにも関わらす、他の回路部分(例示:電子回路部15)での断面構造(例示:コンタクト層31、配線層32〜35)を変化させる必要が無い。したがって、通常の設計パラメータを変更なくそのまま用いることが可能となり、専用設計などの必要が無く、パラメータ変更に伴う設計コスト上昇はない。
Unlike an eDRAM, a capacitor (capacitance element) 11 is directly connected to
図3Aおよび図3Bは、本実施の形態に係るキャパシタの接続方法を模式的に示す断面図である。図3Aに示すように、キャパシタ11は、原則的には、シリンダ容量素子としてキャパシタ11ごとに下部電極91を分離している。すなわち、箇所Dにおいて、下部電極91が分離されている。一方、図3Bに示すように、サブキャパシタ群10として構成されるキャパシタ11間では、下部電極91が連結されていても良い。すなわち、箇所Dにおいて、下部電極91が連結されていて、分割されていない。下部電極91が連結されている場合、シリンダ容量素子(キャパシタ11)間のマージンが緩和される(狭められる)。そのため、面積あたりの容量密度はDRAM素子よりも大きくなり、容量密度は、例えば40nmあるいは28nm世代の技術を用いた場合には、約200fF/μm2程度となる。また、下部電極91を分割するためのエッチバック工程が不要となる。そのため、シリンダ容量素子としての製造は簡略化され、容易となる。また、下部電極91と半導体基板30の拡散層80とのコンタクトはサブキャパシタ群10あたり1つ以上あればよい。図の例では、コンタクト82を省略し、コンタクト81の1つにしている。また、コンタクトが複数ある場合、それらは裏打ち配線となるので、抵抗低減の効果が得られる。
3A and 3B are cross-sectional views schematically showing a capacitor connecting method according to the present embodiment. As shown in FIG. 3A, the
次に、本実施の形態に係る半導体装置の製造方法について説明する。図4A〜4Fは、本発明の実施の形態に係る半導体装置の製造方法の一例を示す断面図である。 Next, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present embodiment will be described. 4A to 4F are cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment of the present invention.
図4Aに示すように、電子回路部15の他の電子素子(図示されず)や、スイッチ部14のスイッチMOSトランジスタTrなどが形成され、絶縁膜41で覆われた半導体基板30を覆うように、層間絶縁層42を形成する。次に、絶縁膜41および層間絶縁層42において、キャパシタ群1、スイッチ部14および電子回路部15の所定の箇所にコンタクト81、82、コンタクト71およびコンタクト61をそれぞれ形成する。続いて、層間絶縁層42上に層間絶縁層43を形成する。その後、層間絶縁層43において、コンタクト71、61と接続するように、配線72、62を形成する(ダマシン)。次に、層間絶縁層43上に層間絶縁層44、45をそれぞれ形成する。続いて、層間絶縁層44、45において、配線72、62と接続するように、配線73、63を形成する(デュアルダマシン)。次に、層間絶縁層45上に層間絶縁層46、47を形成する。その後、層間絶縁層46、47において、配線73、63と接続するように、配線74、64を形成する(デュアルダマシン)。その後、層間絶縁層47上に層間絶縁層48aを形成する。
As shown in FIG. 4A, other electronic elements (not shown) of the
次に、図4Bに示すように、キャパシタ群1の複数のキャパシタ11を形成する領域のパターンにより、層間絶縁層48aおよび層間絶縁層47の途中までエッチングする。その結果、層間絶縁層47において、複数のキャパシタ11を形成する領域に、広く浅く平坦な窪みが形成される。続いて、複数のキャパシタ11用の複数のシリンダのパターンにより、層間絶縁層47、46、45、44、43をエッチングする。その結果、複数のキャパシタ11用の複数のシリンダ90が形成される。
Next, as shown in FIG. 4B, the
続いて、図4Cに示すように、全面に、下部電極91用の金属膜を形成する。そして、シリンダ90の外側のその金属膜をエッチバックする。その結果、金属膜がシリンダ90の側壁及び底面だけに残り、シリンダ90内に下部電極91が形成される。次に、図4Dに示すように、全面に、誘電体92用の誘電体膜、上部電極93用の金属膜、および上部の電極プレート94用の金属膜を所定の膜厚で形成する。
Subsequently, as shown in FIG. 4C, a metal film for the
続いて、図4Eに示すように、キャパシタ群1の複数のキャパシタ11のパターンにより、電極プレート94用の金属膜、上部電極93用の金属膜および誘電体92用の誘電体膜をエッチングする。その結果、電極プレート94、上部電極93および誘電体92が形成される。すなわち、MIM型のシリンダ形状のキャパシタ11(上部電極93、誘電体92、下部電極91)が形成される。
Subsequently, as shown in FIG. 4E, the metal film for the
その後、図4Fに示すように、層間絶縁層47のエッチングされた部分を埋め、全面を覆うように層間絶縁層48、49を形成する。続いて、層間絶縁層48、49において、キャパシタ11と接続するように83を形成し、キャパシタ11と配線74と接続するように配線75を形成し、配線64と接続するように配線65を形成する(デュアルダマシン)。その後、層間絶縁層49を覆うように層間絶縁層50を形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 4F,
以上の工程により、本実施の形態に係る半導体装置が製造される。 The semiconductor device according to the present embodiment is manufactured through the above steps.
本実施の形態では、複数のキャパシタをアレイ状に配置したキャパシタ群において、その中の複数個(少なくとも2個以上)のサブキャパシタ群を、アレイの中に格子状に分散配置する。格子状の分散配置によって、システマティックばらつきを低減することができ、容量素子の相対精度向上が可能となる。また、本実施の形態では、キャパシタの精度を確保しながら面積を縮小するために、MIM型のシリンダ形状を有する複数のキャパシタをアレイ状に備えるMIMキャパシタシリンダキャパシタセルアレイ構造を用いても良い。MIM型のシリンダ形状のキャパシタは、配線間MIM容量素子(0.5〜1fF/μm2)や並行平板MIM容量素子(10fF/μm2)などと比較して、高い容量密度(50fF/μm2以上)を有している。したがって、MIMシリンダキャパシタセルアレイ構造を用いると、精度を向上させながら、さらに占有面積の低減も可能となる。その場合、例えば、10nF以上の容量素子を製造できる。また、MIM型の構造を有することで、MOSキャパシタなどと比較して、リーク電流や動作速度の面で有利である。 In this embodiment, in a capacitor group in which a plurality of capacitors are arranged in an array, a plurality (at least two or more) of sub-capacitor groups among them are dispersedly arranged in a lattice in the array. Systematic variation can be reduced by the grid-like distributed arrangement, and the relative accuracy of the capacitive element can be improved. In this embodiment, in order to reduce the area while ensuring the accuracy of the capacitor, an MIM capacitor cylinder capacitor cell array structure including a plurality of capacitors having an MIM cylinder shape in an array may be used. MIM type capacitor of cylindrical shape, as compared with such wiring between MIM capacitance element (0.5~1fF / μm 2) and parallel plate MIM capacitive element (10fF / μm 2), a high capacity density (50 fF / [mu] m 2 Above). Therefore, when the MIM cylinder capacitor cell array structure is used, the occupation area can be further reduced while improving the accuracy. In that case, for example, a capacitive element of 10 nF or more can be manufactured. Further, the MIM type structure is advantageous in terms of leakage current and operation speed as compared with a MOS capacitor or the like.
(第2の実施の形態)
本実施の形態では、上記第1の実施の形態に係る半導体装置2の一例としてパイプライン型A/Dコンバータ2aについて説明する。図5Aは、本実施の形態に係るパイプライン型A/Dコンバータの構成を示す機能ブロック図である。パイプライン型A/Dコンバータ2aは、第1段ブロック102−1〜第(N−1)段ブロック102−(n−1)とコード変換回路104とを備えている。
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a pipeline A /
パイプライン型A/Dコンバータ2aへ入力されたアナログ信号INAは、第1段ブロック102−1から第(N−1)段ブロック102−(n−1)までの各段のブロックにおいて、最上位ビットから1ビット分ずつ順番にデジタル信号(1または0)に変換される。それらの変換結果はいずれもコード変換回路104に出力される。それらの変換結果は、コード変換回路104からデジタル信号OUTDとして出力される。Nビットの変換に、(N−1)段のブロック102を経由する。各段のブロックでは、一つの信号の処理を終えると、次の周期では次の信号の処理を行うことが可能である。そのため、各段のブロックでは、全ビットの出力を待たずして、次の信号処理を開始することができる。
Analog signal IN A input to the pipelined A /
図5Bは、図5Aにおける一段分のブロックの構成を示す機能ブロック図である。一段分のブロック102は、サンプル・ホールド回路110、1ビットA/Dコンバータ(ADC)112、1ビットD/Aコンバータ(DAC)114および演算増幅部116を備えている。サンプル・ホールド回路110は、前段のブロック102からのアナログ信号を保持する。1ビットA/Dコンバータ112は、そのアナログ信号の当該ビットでの1/0を判定して1/0のデジタル信号としてコード変換回路104および1ビットD/Aコンバータ114へ出力する。1ビットD/Aコンバータ114はそのデジタル信号をアナログ信号に変換して演算増幅部116へ出力する。演算増幅部116は、サンプル・ホールド回路110のアナログ信号と1ビットD/Aコンバータ114のアナログ信号との差を例えば2倍に増幅して後段のブロック102へ出力する。
FIG. 5B is a functional block diagram showing the configuration of one block in FIG. 5A. The
図5Cは、図5Bにおける演算増幅部の構成を示す機能ブロック図である。スイッチトキャパシタ回路を構成するスイッチトキャパシタC1、C2(キャパシタ群122)およびスイッチ120と、演算増幅器126と、リセットスイッチ124とを備えている。
FIG. 5C is a functional block diagram showing the configuration of the operational amplifier in FIG. 5B. Switched
スイッチ120により、1ビットD/Aコンバータ114のアナログ信号がスイッチトキャパシタC1に入力され、サンプル・ホールド回路110のアナログ信号がスイッチトキャパシタC2に入力される。演算増幅器126により、両アナログ信号の差分が例えば2倍に増幅されて、後段のブロック102へ出力される。この場合、スイッチトキャパシタC1、C2は同一容量である必要がある。したがって、スイッチトキャパシタC1とスイッチトキャパシタC2との間の相対精度(容量素子の特性の相対的精度)が極めて重要な要素となる。ある段のブロック102の誤差は、その次の段以降の後段のブロック102へ拡大して伝搬するためである。
The
本実施の形態では、この相対精度の重要なスイッチトキャパシタC1、C2用のキャパシタ群122として、第1の実施の形態で説明されたキャパシタ群1を適用する。図6は、図5Cにおけるスイッチトキャパシタのキャパシタ群のレイアウトの一例を模式的に示す平面図である。キャパシタ群122は、アレイ状に配置された複数のキャパシタ11を備えている。キャパシタ群122は、サブキャパシタ群としてのスイッチトキャパシタC1とスイッチトキャパシタC2とを備えている。それらスイッチトキャパシタC1およびスイッチトキャパシタC2の各々は、複数のキャパシタ11を含んでいる。キャパシタ11は、例えば、MIM型のシリンダ形状のキャパシタである。キャパシタ群122は、キャパシタ11がMIM型のシリンダ形状のキャパシタの場合、MIMシリンダキャパシタアレイということができる。
In the present embodiment, the
図5の例では、スイッチトキャパシタC1を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける飛び飛びの列で構成されている。各列には隣接する6個のキャパシタ11が含まれている。スイッチトキャパシタC1は合計18個のキャパシタ11を有している。それら複数のキャパシタ11は、上部電極プレート(配線)を介して互いに並列に接続されている。同様に、スイッチトキャパシタC2を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける飛び飛びの列で構成されている。各列には隣接する6個のキャパシタ11が含まれている。スイッチトキャパシタC2も合計18個のキャパシタ11を有している。それら複数のキャパシタ11は、上部電極プレート(配線)を介して互いに並列に接続されている。スイッチトキャパシタC1のアレイにおける飛び飛びの列と、スイッチトキャパシタC2のアレイにおける飛び飛びの列とは、交互に配置されている。スイッチトキャパシタC1と、スイッチトキャパシタC2とはキャパシタ群122の中心に対して線対称または点対象の位置に配置されている。したがって、それらに含まれる複数のキャパシタ11もキャパシタ群122の中心に対して線対称または点対象の位置に配置されている
In the example of FIG. 5, the sub-capacitor group that constitutes the switched capacitor C1 is composed of jumping columns in the array. Each column includes six
このように本実施の形態では、スイッチトキャパシタC1とスイッチトキャパシタC2では、複数のキャパシタ11の列が非常に近接して交互にアレイの中に配置されている。すなわち、各スイッチトキャパシタの複数のキャパシタ11を分散して配置して、隣接する複数のアレイ列を比較容量(C1とC2))として用いることができる。それにより、スイッチトキャパシタのレイアウトに起因するプロセスばらつき、つまりシステマティックばらつきを極小化できる。したがってスイッチトキャパシタC1とスイッチトキャパシタC2間の容量の相対精度を非常に高くすることができる。また、容量素子の数として、DRAMでいうところのメガビット級の素子数を用いて構成することで、ランダムばらつきも低減することが可能である。その結果、演算増幅部116の精度を高めることができる。それにより、各段のブロック102の精度が向上し、結果として、パイプライン型A/Dコンバータ2aの精度を向上させることができる。
Thus, in the present embodiment, in the switched capacitor C1 and the switched capacitor C2, a plurality of columns of the
また、大面積の平行平板キャパシタや配線間MIMキャパシタでは、相対精度が容量素子の面積に依存する。そのため、相対精度を確保するために構造的にある程度の面積をもったパターンを隣接して作成する必要がある。その結果、製造上のばらつきに起因した素子特性のばらつきが生じやすかった。しかし、本実施の形態によれば、サブキャパシタ群を二次元的に分散配置することにより、その問題をほぼ解消することができる。また、本実施の形態によれば、MIM型のシリンダ形状のキャパシタを用いることより、平行平板キャパシタや配線間MIMキャパシタに比べて高い容量密度を得ることができる。それにより、精度向上に伴う、レイアウト面積の増大、ひいてはコストの増大を低減することができる。 Further, in a large area parallel plate capacitor or an inter-wiring MIM capacitor, the relative accuracy depends on the area of the capacitive element. Therefore, in order to ensure relative accuracy, it is necessary to create a pattern having a certain structural area adjacent to each other. As a result, variations in device characteristics due to manufacturing variations were likely to occur. However, according to the present embodiment, the problem can be almost solved by disposing the sub-capacitor group in a two-dimensional manner. Further, according to the present embodiment, by using the MIM type cylinder-shaped capacitor, it is possible to obtain a higher capacitance density than the parallel plate capacitor and the inter-wiring MIM capacitor. Thereby, it is possible to reduce an increase in layout area and an increase in cost due to an improvement in accuracy.
図7は、実施の形態のA/Dコンバータを適用した半導体装置の構成を示す機能ブロック図である。その半導体装置9は、センサ7と、A/Dコンバータとしての半導体装置2と、ロジック回路8とを備えている。センサ7は、計測対象の状態を示す量(圧力、速度、加速度、流速、回転数、光、時間、温度、熱、歪み(応力)、磁気など)を計測する機器である。センサ7は、計測結果をアナログ信号INAとして、A/Dコンバータとしての半導体装置2へ出力する。半導体装置2(A/Dコンバータ)としては、本実施の形態のパイプライン型A/Dコンバータ2aや後述される第3の実施の形態の逐次比較型A/Dコンバータ2bに例示される。半導体装置2は、アナログ信号INAをデジタル信号OUTDに変換してロジック回路8へ出力する。ロジック回路8は、デジタル信号OUTDに基づいて、論理演算を行い、演算結果を出力する。その論理演算は、内部の記憶部に格納されたプログラムに基づく演算であっても良い。ロジック回路8は、MCU(micro−controller unit)やMPU(micro−processing unit)やCPU(centoral processing unit)に例示される。パイプライン型A/Dコンバータ2aや逐次比較型A/Dコンバータ2bとロジック回路8とが、一つの半導体チップ(複数の半導体基板を積層したものを含む)上に形成されていても良い。また、センサ7と、パイプライン型A/Dコンバータ2aや逐次比較型A/Dコンバータ2bと、ロジック回路8とが一つの半導体チップ(複数の半導体基板を積層したものを含む)上に形成されていても良い。
FIG. 7 is a functional block diagram illustrating a configuration of a semiconductor device to which the A / D converter according to the embodiment is applied. The
このような半導体装置9は、本実施の形態のパイプライン型A/Dコンバータ2aや第3の実施の形態の逐次比較型A/Dコンバータ2b(後述)を用いているので、A/D変換の精度を向上させることができる。それにより、センサ7の計測結果を示すアナログ信号を高精度でデジタル信号に変換することができる。結果として、センサ7の計測精度を高めることができる。加えて、センサの計測結果に基づく制御をより精密に行うことができる。
Since such a
(第3の実施の形態)
本実施の形態では、上記第1の実施の形態に係る半導体装置2の一例として逐次比較型A/Dコンバータ2bについて説明する。図8Aは、本実施の形態に係る逐次比較型A/Dコンバータの構成を示す機能ブロック図である。逐次比較型A/Dコンバータ2bは、基本的に2分探索法によりA/D変換を行う。逐次比較型A/Dコンバータ2bは、サンプル・ホールドアンプ132と、デジタルアナログ変換回路134と、比較器(コンパレータ)133と、制御回路(タイミングコントローラ135、コントロールロジック回路136(逐次比較レジスタ))とを備えている。
(Third embodiment)
In the present embodiment, a successive approximation A /
コントロールロジック回路136は、タイミングコントローラ135からの制御信号に応答して、比較対象のデジタル信号を出力する。デジタルアナログ変換回路134は、そのデジタル信号をアナログ信号に変換して出力する。サンプル・ホールドアンプ132は、タイミングコントローラ135からの制御信号により、アナログ信号INAを出力する。比較器(コンパレータ)133は、デジタルアナログ変換回路134からのアナログ信号とサンプル・ホールドアンプ132からのアナログ信号とを比較して、比較結果をコントロールロジック回路136へ出力する。コントロールロジック回路136は、比較結果を格納すると共に、タイミングコントローラ135からの次の制御信号に応答して、その比較結果に基づいて、次の比較対象のデジタル信号を出力する(以下同様)。
The
図8Bは、図8Aにおけるデジタルアナログ変換回路の構成を示す機能ブロック図である。この図8Bでは、一例として16ビットのデジタルアナログ変換回路を示している。デジタルアナログ変換回路134は、容量性D/Aコンバータ(デジタルアナログ変換回路)である。デジタルアナログ変換回路134は、容量素子144およびダミー容量素子143のアレイ(キャパシタ群142)とスイッチ147、146、145とにより構成されている。容量素子144は、重み付け値を持つN個の容量素子144−0〜144−15(C〜32768C=20C〜215C)である。ダミー容量素子143は、1個である(C)。スイッチ147は、容量素子144−0〜144−15に対応するスイッチ147−0〜147−15である。容量素子144−0〜144−15、143の一端は、比較器140の反転入力端子に接続されている。容量素子144−0〜144−15、143の他端は、それぞれスイッチ147−0〜147−15、146を介してアナログ入力信号(ANALOG IN)、参照電圧(VREF)および接地電圧(GROUND)のいずれかに接続される。接地電圧は比較器140の非反転入力端子に接続されている。リセットスイッチ145は比較器140の入力をリセットする。
FIG. 8B is a functional block diagram showing a configuration of the digital-analog conversion circuit in FIG. 8A. FIG. 8B shows a 16-bit digital-analog conversion circuit as an example. The digital /
このようにデジタルアナログ変換回路134は容量素子とスイッチだけで構成可能で、省電力化に優れている。この容量性D/Aコンバータを用いてアナログ値をデジタル値へ変換するためには、容量Cを有する容量素子を単位として、20=1倍、21=2倍、22=4倍、23=8倍、…と、2の倍数で増加させた各容量素子が必要となる。Nビットのデジタル値に変換する場合、最大で2N−1Cの容量が必要となり、合計として2NCの容量が必要となる。この容量性D/Aコンバータを構成するに当たっては、Cの容量を有する単位容量素子を2Nのアレイ状に並べるアレイを用いる。例えば、10ビットのD/Aコンバータを実現するためには210=1024個、16ビットのD/Aコンバータを実現するためには216=65536個の容量素子を並べる必要がある。理想的には、データビットに関連する複数の容量素子の各々の容量が、次に小さい容量素子の容量の正確に2倍であることが必要である。すなわち、容量素子間の相対精度が重要である。
As described above, the digital-
本実施の形態では、この相対精度の重要な容量素子144−0〜144−15用のキャパシタ群142として、第1の実施の形態で説明されたキャパシタ群1を適用する。図9は、図8Bのキャパシタ群のレイアウトの一例を模式的に示す平面図である。この図9では、容量素子144−0〜144−2のみを代表的に示しているが、他の容量素子144−3〜144−15に付いても同様に適用可能である。キャパシタ群142は、アレイ状に配置された複数のキャパシタ11を備えている。キャパシタ群142は、サブキャパシタ群としての容量素子144−0〜144−2を備えている。それら容量素子144−0〜144−2の各々は、複数のキャパシタ11を含んでいる。キャパシタ11は、例えば、MIM型のシリンダ形状のキャパシタである。キャパシタ群142は、キャパシタ11がMIM型のシリンダ形状のキャパシタの場合、MIMシリンダキャパシタアレイということができる。
In the present embodiment, the
図9の例では、容量素子144−0を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける一列で構成されている。その列には隣接する6個のキャパシタ11が含まれている。したがって、容量素子144−0は、容量C(20C)として6個のキャパシタ11を有している。それら6個のキャパシタ11は、上部電極プレート(配線)を介して互いに並列に接続されている。また、容量素子144−1を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける飛び飛びの二列で構成されている。各列には隣接する6個のキャパシタ11が含まれている。したがって、容量素子144−1は、容量2C(21C)として12個のキャパシタ11を有している。それら12個のキャパシタ11は、上部電極プレート(配線)を介して互いに並列に接続されている。また、容量素子144−2を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける飛び飛びの四列で構成されている。各列には隣接する6個のキャパシタ11が含まれている。したがって、容量素子144−2は、容量4C(22C)として24個のキャパシタ11を有している。それら24個のキャパシタ11は、上部電極プレート(配線)を介して互いに並列に接続されている。容量素子144−0の一列はアレイの中心に配置され、容量素子144−1の二列はアレイの中心に対して線(点)対称な位置に配置され、容量素子144−2の四列はアレイの中心に対して線(点)対称な位置に配置されている。容量素子144−0の一列および容量素子144−1の飛び飛びの二列と、容量素子144−2の飛び飛びの四列とは、交互に配置されている。したがって、それに含まれる複数のキャパシタ11もアレイの中心に対して線(点)対称な位置に配置されている。
In the example of FIG. 9, the sub-capacitor group constituting the capacitive element 144-0 is configured in one row in the array. The column includes six
このように本実施の形態では、容量素子144−0、144−1、144−2(C(20C)、2C(21C)、4C(22C))では、各容量素子の複数のキャパシタが分散して配置され、複数のキャパシタ11の列が非常に近接して交互にアレイの中に配置されている。それにより、レイアウトに起因するプロセスばらつき、つまりシステマティックばらつきを極小化できる。したがって各サブキャパシタ群(容量素子144−0、144−1、144−2)の容量は非常に正確に2倍ずつにすることができる。また、容量素子の数として、DRAMでいうところのメガビット級の素子数を用いて構成することで、ランダムばらつきも低減することが可能である。その結果、演算増幅部116の精度を高めることができる。それにより、デジタルアナログ変換回路134の精度が向上し、結果として、逐次比較型A/Dコンバータ2bの精度を向上させることができる。
As described above, in this embodiment mode, each of the capacitor elements 144-0, 144-1, 144-2 (C (2 0 C), 2C (2 1 C), 4C (2 2 C)) A plurality of capacitors are distributed and the rows of
また、大面積の平行平板キャパシタや配線間MIMキャパシタでは、相対精度が容量素子の面積に依存する。そのため、相対精度を確保するために構造的にある程度の面積をもったパターンを隣接して作成する必要がある。その結果、製造上のばらつきに起因した素子特性のばらつきが生じやすかった。しかし、本実施の形態によれば、サブキャパシタ群を二次元的に分散配置することにより、その問題はほぼ解消することできる。また、本実施の形態によれば、MIM型のシリンダ形状のキャパシタを用いることより、平行平板キャパシタや配線間MIMキャパシタに比べて高い容量密度を得ることができる。それにより、精度向上に伴う、レイアウト面積の増大、ひいてはコストの増大を低減することができる。 Further, in a large area parallel plate capacitor or an inter-wiring MIM capacitor, the relative accuracy depends on the area of the capacitive element. Therefore, in order to ensure relative accuracy, it is necessary to create a pattern having a certain structural area adjacent to each other. As a result, variations in device characteristics due to manufacturing variations were likely to occur. However, according to the present embodiment, the problem can be almost solved by disposing the sub-capacitor group in a two-dimensional manner. Further, according to the present embodiment, by using the MIM type cylinder-shaped capacitor, it is possible to obtain a higher capacitance density than the parallel plate capacitor and the inter-wiring MIM capacitor. Thereby, it is possible to reduce an increase in layout area and an increase in cost due to an improvement in accuracy.
(変形例1)
次に、本実施の形態の変形例1について説明する。図10は、図8Bのキャパシタ群のレイアウトの変形例1を模式的に示す平面図である。上述の図9では複数のキャパシタ11が矩形格子状(行列配置)にレイアウトされているが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、この図10に示されるように、複数のキャパシタ11が、斜め格子状(千鳥配置)にレイアウトされていてもよい。この場合にも、図9の場合と同様の効果を得ることができる。
(Modification 1)
Next,
(変形例2)
次に、本実施の形態の変形例2について説明する。図11は、図8Bのキャパシタ群のレイアウトの変形例2を模式的に示す平面図である。上述の図10では複数のキャパシタ11が縦方向の短冊形状の上部電極プレートで並列接続されたレイアウトになっているが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、この図11に示されるように、複数のキャパシタ11が、斜め方向の短冊形状の上部電極プレートおよび上層のビアと配線(図中、簡略化のために実線で表示)で並列接続されたレイアウトになってもよい。
(Modification 2)
Next, a second modification of the present embodiment will be described. FIG. 11 is a plan view schematically showing Modification Example 2 of the layout of the capacitor group in FIG. 8B. In FIG. 10 described above, the layout is such that the plurality of
図11の例では、容量素子144−0を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける斜め方向の一列に属する1個のサブキャパシタ群で構成されている。そのキャパシタ群は、隣接する6個のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−0は、容量C(20C)として6個のキャパシタ11を有している。また、容量素子144−1を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける斜め方向の異なる二列に属する2個のサブキャパシタ群をビアと配線を用いて並列接続して一つのサブキャパシタ群とした構成を有している。一列分のサブキャパシタ群は、隣接する6個のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−1は、容量2C(21C)として12個のキャパシタ11を有している。また、容量素子144−2を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける斜め方向の異なる六列に属する六個のサブキャパシタ群をビアと配線を用いて並列接続して一つのサブキャパシタ群とした構成を有している。一列分のサブキャパシタ群は、隣接する2個(サブキャパシタ群2個)、隣接する4個(サブキャパシタ群2個)または隣接する6個(サブキャパシタ群2個)のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−2は、容量4C(22C)として24個のキャパシタ11を有している。容量素子144−0の一列はアレイの中心に配置され、容量素子144−1の二列はアレイの中心に対して概ね線(点)対称な位置に配置され、容量素子144−2の六列はアレイの中心に対して概ね線(点)対称な位置に配置されている。
In the example of FIG. 11, the sub-capacitor group configuring the capacitive element 144-0 is configured by one sub-capacitor group belonging to one column in the oblique direction in the array. The capacitor group has a configuration in which six
この場合にも、図11の場合と同様の効果を得ることができる。 Also in this case, the same effect as in the case of FIG. 11 can be obtained.
(変形例3)
次に、本実施の形態の変形例3について説明する。図12は、図8Bのキャパシタ群のレイアウトの変形例3を模式的に示す平面図である。上述の図11では各容量素子144が複数のサブキャパシタ群に分割されていたが、本実施の形態はその例に限定されるものではない。例えば、この図12に示されるように、各容量素子144が、さらに多くのサブキャパシタ群に分割され、分散されて配置されていても良い。
(Modification 3)
Next, a third modification of the present embodiment will be described. FIG. 12 is a plan view schematically showing Modification Example 3 of the layout of the capacitor group in FIG. 8B. In FIG. 11 described above, each capacitive element 144 is divided into a plurality of sub-capacitor groups, but the present embodiment is not limited to this example. For example, as shown in FIG. 12, each capacitive element 144 may be divided into a larger number of sub-capacitor groups and distributed.
図12の例では、容量素子144−0を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける異なる三列に属する3個のサブキャパシタ群をビアと配線を用いて並列接続して一つのサブキャパシタ群とした構成を有している。一列分のサブキャパシタ群は、隣接する2個のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−0は、容量C(20C)として6個のキャパシタ11を有している。また、容量素子144−1を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける異なる六列に属する6個のサブキャパシタ群をビアと配線を用いて並列接続して一つのサブキャパシタ群とした構成を有している。一列分のサブキャパシタ群は、隣接する2個のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−1は、容量2C(21C)として12個のキャパシタ11を有している。また、容量素子144−2を構成するサブキャパシタ群は、アレイにおける異なる九列に属する11個のサブキャパシタ群をビアと配線を用いて並列接続して一つのサブキャパシタ群とした構成を有している。一列分のサブキャパシタ群は、隣接する2個(サブキャパシタ群10個)または隣接する4個(サブキャパシタ群1個)のキャパシタ11を上部電極プレートで並列接続した構成を有している。したがって、容量素子144−2は、容量4C(22C)として24個のキャパシタ11を有している。容量素子144−0の三列はアレイの中心に概ね点対称に配置され、容量素子144−1の六列はアレイの中心に対して概ね点対称な位置に配置され、容量素子144−2の十列はアレイの中心に対して概ね点対称な位置に配置されている。
In the example of FIG. 12, the sub-capacitor group constituting the capacitive element 144-0 is formed as one sub-capacitor group by connecting three sub-capacitor groups belonging to three different columns in the array in parallel using vias and wirings. It has a configuration. The sub-capacitor group for one row has a configuration in which two
この場合にも、図11の場合と同様の効果を得ることができる。
加えて、図12に示すように、サブキャパシタ群の分散配置をするとき、その分散の度合いをさらに大きくすることで、レイアウトおよびサイズに起因するばらつきをほぼなくすことが可能となる。
Also in this case, the same effect as in the case of FIG. 11 can be obtained.
In addition, as shown in FIG. 12, when the sub-capacitor groups are arranged in a distributed manner, the dispersion caused by the layout and size can be almost eliminated by further increasing the degree of dispersion.
本実施の形態およびその変形例では、レイアウトの一例として、C(20C)、2C(21C)、4C(22C)を構成するキャパシタ群を示したが、さらに大きな容量をもつキャパシタ群についても、同様の考え方でレイアウトが可能である。その場合にも、上記実施の形態やその変形例と同様の効果を得ることができる。 In the present embodiment and the modification thereof, the capacitor group constituting C (2 0 C), 2C (2 1 C), and 4C (2 2 C) is shown as an example of the layout. The capacitor group can be laid out in the same way. Even in that case, the same effects as those of the above-described embodiment and its modifications can be obtained.
(第4の実施の形態)
本実施の形態では、上記第1の実施の形態に係る半導体装置2の一例としてチャージポンプ型昇圧回路2cについて説明する。図13は、本実施の形態に係るチャージポンプ型昇圧回路の構成を示す機能ブロック図である。このチャージポンプ型昇圧回路2cは、容量素子とスイッチ(実際には、例えばMOSトランジスタを用いる)とを組み合わせることによって電圧を上昇させる。
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, a charge pump type booster circuit 2c will be described as an example of the
チャージポンプ型昇圧回路2cは、スイッチ151−1〜151−4、152−1〜152−4、153−1と、容量素子Cc1、Cc2、Coutとを備えている。容量素子Cc1、Cc2、Coutは互いに並列に接続されている。スイッチ151−1の一端は入力に他端は容量素子Cc1の一端およびスイッチ151−2の一端にそれぞれ接続されている。スイッチ151−2の他端はスイッチ151−3の一端およびスイッチ153−1の一端にそれぞれ接続されている。スイッチ151−3の他端は容量素子Cc2の一端およびスイッチ151−4の一端にそれぞれ接続されている。スイッチ151−4の他端は出力および容量素子Coutの一端にそれぞれ列属されている。スイッチ152−1の一端は入力に他端は容量素子Cc1の他端およびスイッチ152−2の一端にそれぞれ接続されている。スイッチ152−2の他端はスイッチ152−3の一端およびスイッチ153−1の他端にそれぞれ接続されている。スイッチ152−3の他端は容量素子Cc2の他端およびスイッチ152−4の一端にそれぞれ接続されている。スイッチ152−4の他端は出力および容量素子Coutの他端にそれぞれ列属されている。 The charge pump booster circuit 2c includes switches 151-1 to 151-4, 152-1 to 152-4, and 153-1 and capacitive elements Cc1, Cc2, and Cout. The capacitive elements Cc1, Cc2, and Cout are connected in parallel to each other. One end of the switch 151-1 is connected to the input, and the other end is connected to one end of the capacitive element Cc1 and one end of the switch 151-2. The other end of the switch 151-2 is connected to one end of the switch 151-3 and one end of the switch 153-1. The other end of the switch 151-3 is connected to one end of the capacitive element Cc2 and one end of the switch 151-4. The other end of the switch 151-4 belongs to the output and one end of the capacitive element Cout. One end of the switch 152-1 is connected to the input, and the other end is connected to the other end of the capacitive element Cc1 and one end of the switch 152-2. The other end of the switch 152-2 is connected to one end of the switch 152-3 and the other end of the switch 153-1. The other end of the switch 152-3 is connected to the other end of the capacitive element Cc2 and one end of the switch 152-4. The other end of the switch 152-4 belongs to the output and the other end of the capacitive element Cout.
この図の例では、スイッチ151−1〜151−3、152−2〜152−4、をオンにして充電用容量素子Cc1、Cc2を並列接続にし、入力電圧Vinで充電用容量素子Cc1、Cc2を充電する。その後、スイッチ152−1、151−2、153−1、152−3、151−4をオンにして充電用容量素子Cc1、Cc2を直列接続に切り替え、入力電圧Vinの3倍(Vin+VCC1+VCC2)の電圧を得ることができる。さらに、接続する容量素子Ccの数を変更することで入力電圧Vinの任意倍率の電圧を得ることでできる。
In the example of this figure, the switches 151-1 to 151-3, 152-2 to 152-4 are turned on to connect the charge
チャージポンプ型昇圧回路は、理想的には、充電に用いられる容量素子は大容量で等価直列抵抗が小さいことが好ましい。さらに3倍以上のチャージポンプ型昇圧回路の場合、充電に用いる複数の容量素子の容量が正確に等しいことが望ましい。容量の精度が不十分な場合、昇圧時に直列に接続したときに電荷の移動が生じ、電圧の変動が生じるからである。図13の例では、容量素子Cc1と容量素子Cc2との間に電荷の移動が生じる可能性がある。また、ここでの大容量とは0.1μF以上であり、通常ではオフチップ(外付け)の容量素子を用いることが通常である。従来の配線間MIM容量では0.1fF/μm2程度の容量密度しか得られないことから、オンチップで実現することは非現実的(109μm2=103mm2以上の面積が必要)である。 In the charge pump type booster circuit, ideally, the capacitor used for charging preferably has a large capacity and a small equivalent series resistance. Further, in the case of a charge pump type booster circuit of three times or more, it is desirable that the capacitances of a plurality of capacitive elements used for charging are exactly equal. This is because, when the accuracy of the capacitance is insufficient, the charge is moved when connected in series at the time of boosting, and the voltage varies. In the example of FIG. 13, there is a possibility that charge transfer occurs between the capacitive element Cc1 and the capacitive element Cc2. In addition, the large capacity here is 0.1 μF or more, and normally, an off-chip (external) capacitive element is usually used. Since the conventional MIM capacitance between wirings can only obtain a capacitance density of about 0.1 fF / μm 2 , it is impractical to realize on-chip (an area of 10 9 μm 2 = 10 3 mm 2 or more is required). It is.
本実施の形態では、容量素子として、例えば第2の実施の形態に係るキャパシタ群を用いることで、充電に用いる複数の容量素子間の容量の相対精度を高めることができ、正確に等しくすることができる。それにより、容量素子間の電界の移動を極めて小さく抑えることができ、高精度で高効率なオンチップチャージポンプ型昇圧回路を得ることができる。 In the present embodiment, for example, by using the capacitor group according to the second embodiment as the capacitive element, it is possible to increase the relative accuracy of the capacitance between the multiple capacitive elements used for charging, and to equalize accurately. Can do. Thereby, the movement of the electric field between the capacitive elements can be suppressed to be extremely small, and a highly accurate and efficient on-chip charge pump type booster circuit can be obtained.
上記各実施の形態や各変形例の技術は、技術的矛盾の発生しない限り、互いに他の実施の形態や他の変形例に適用することが可能である。 The technologies of the above-described embodiments and modifications can be applied to other embodiments and other modifications as long as no technical contradiction occurs.
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 As mentioned above, the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment. However, the present invention is not limited to the embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Needless to say.
1 :キャパシタ群
2 :半導体装置
2a:パイプライン型A/Dコンバータ
2b:逐次比較型A/Dコンバータ
2c:チャージポンプ型昇圧回路
7 :センサ
8 :ロジック回路
9 :半導体装置
10:サブキャパシタ群
10−1:サブキャパシタ群
10−2:サブキャパシタ群
11:キャパシタ
11−1〜11−2、11−3〜11−4:キャパシタ
14:スイッチ部
15:電子回路部
30:半導体基板
31:コンタクト層
32〜35:配線層
41:絶縁膜
42〜50、48a:層間絶縁層
61:コンタクト
62〜65:配線
71:コンタクト
72〜75:配線
80:拡散層
81、82:コンタクト(プラグ)
90:シリンダ
91:下部電極
92:誘電体
93:上部電極
94:電極プレート
102:ブロック
104:コード変換回路
110:サンプル・ホールド回路
112:1ビットA/Dコンバータ
114:ビットDAコンバータ
116:演算増幅部
120:スイッチ
122:キャパシタ群
124:リセットスイッチ
126:演算増幅器
132:サンプル・ホールドアンプ
133:比較器(コンパレータ)
134:デジタルアナログ変換回路
135:タイミングコントローラ
136:コントロールロジック回路
140:比較器
142:キャパシタ群
143:ダミー容量素子
144:容量素子
144−0〜144−15:容量素子
145:リセットスイッチ
147−0〜147−15:スイッチ
151−1〜151−4:スイッチ
152−1〜152−4:スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1: Capacitor group 2:
90: Cylinder 91: Lower electrode 92: Dielectric 93: Upper electrode 94: Electrode plate 102: Block 104: Code conversion circuit 110: Sample and hold circuit 112: 1-bit A / D converter 114: Bit DA converter 116: Operation amplification Unit 120: Switch 122: Capacitor group 124: Reset switch 126: Operational amplifier 132: Sample / hold amplifier 133: Comparator
134: Digital-analog conversion circuit 135: Timing controller 136: Control logic circuit 140: Comparator 142: Capacitor group 143: Dummy capacitance element 144: Capacitance element 144-0 to 144-15: Capacitance element 145: Reset switch 147-0 147-15: Switch 151-1 to 151-4: Switch 152-1 to 152-4: Switch
Claims (17)
前記層間絶縁層内に複数のキャパシタがアレイ状に配置されたキャパシタ群と
を具備し、
前記キャパシタ群は、複数のサブキャパシタ群を備え、
前記複数のサブキャパシタ群の各々は、
前記複数のキャパシタのうちの少なくとも一つを含み、
前記キャパシタ群内に二次元的に分散配置されている
前記複数のサブキャパシタ群は、単独または複数で一つの容量素子として機能する
半導体装置。 An interlayer insulating layer provided on a semiconductor substrate;
A capacitor group in which a plurality of capacitors are arranged in an array in the interlayer insulating layer;
The capacitor group includes a plurality of sub-capacitor groups,
Each of the plurality of sub-capacitor groups is
Including at least one of the plurality of capacitors;
The plurality of sub-capacitor groups that are two-dimensionally distributed and arranged in the capacitor group function alone or as a single capacitor element.
前記複数のサブキャパシタ群の各々は、2つ以上のキャパシタを含み、
前記2つ以上のキャパシタは、前記キャパシタ群内に二次元的に分散配置されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Each of the plurality of sub-capacitor groups includes two or more capacitors,
The two or more capacitors are two-dimensionally distributed in the capacitor group. Semiconductor device.
前記2つ以上のキャパシタは、前記キャパシタ群の中心に対して線対称または点対称な位置に配置されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 2,
The two or more capacitors are arranged in a line-symmetrical or point-symmetrical position with respect to the center of the capacitor group.
前記複数のサブキャパシタ群は、第1サブキャパシタ群と第2サブキャパシタ群とを有する容量素子のペアを含み、
前記第1サブキャパシタ群と第2サブキャパシタ群とは同一容量である
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The plurality of subcapacitor groups includes a pair of capacitive elements having a first subcapacitor group and a second subcapacitor group,
The first sub-capacitor group and the second sub-capacitor group have the same capacity.
前記第1サブキャパシタ群と前記第2サブキャパシタ群とは、前記キャパシタ群の中心に対して線対称または点対称な位置に配置されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
The first sub-capacitor group and the second sub-capacitor group are arranged at positions that are line-symmetric or point-symmetric with respect to the center of the capacitor group.
前記第1サブキャパシタ群および前記第2サブキャパシタ群の各々は、2つ以上のキャパシタを含み、
前記2つ以上のキャパシタは、前記キャパシタ群の中心に対して線対称または点対称な位置に配置されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 5,
Each of the first sub-capacitor group and the second sub-capacitor group includes two or more capacitors,
The two or more capacitors are arranged in a line-symmetrical or point-symmetrical position with respect to the center of the capacitor group.
前記複数のサブキャパシタ群は、第1サブキャパシタ群乃至第Nサブキャパシタ群の容量がそれぞれ単位容量×20乃至前記単位容量×2N−1である容量素子の組を含む
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Wherein the plurality of sub-capacitor group is a semiconductor device including a set of the capacitor capacitance of the first sub-capacitor group through the N-th sub-capacitor group is the unit capacitance × 2 0 to the unit volume × 2 N-1, respectively.
前記第1サブキャパシタ群乃至前記第Nサブキャパシタ群の各々は、2つ以上のキャパシタを含み、
前記2つ以上のキャパシタは、前記キャパシタ群の中心に対して線対称または点対称な位置に配置されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
Each of the first to Nth sub-capacitor groups includes two or more capacitors,
The two or more capacitors are arranged in a line-symmetrical or point-symmetrical position with respect to the center of the capacitor group.
前記複数のサブキャパシタ群の各々は、前記アレイ中に隣接する2つ以上のキャパシタを有する列を含む
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
Each of the plurality of sub-capacitor groups includes a column having two or more adjacent capacitors in the array.
前記少なくとも一つのキャパシタは、MIM(金属−絶縁膜−金属)構造を有する
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The at least one capacitor has a MIM (metal-insulating film-metal) structure.
前記少なくとも一つのキャパシタは、シリンダ構造を有する
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The at least one capacitor has a cylinder structure.
前記少なくとも一つのキャパシタは、容量が10nF以上である
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The at least one capacitor has a capacitance of 10 nF or more.
前記少なくとも一つのキャパシタは、容量密度が50fF/μm2以上である
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The at least one capacitor has a capacitance density of 50 fF / μm 2 or more.
前記キャパシタ群は、ロジック回路およびセンサ回路の少なくとも一方とともに同一の前記半導体基板上に形成されている
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The capacitor group is formed on the same semiconductor substrate together with at least one of a logic circuit and a sensor circuit.
前記第1サブキャパシタ群および前記第2サブキャパシタ群は、パイプライン型A/Dコンバータの演算増幅部のスイッチトキャパシタである
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
The first sub-capacitor group and the second sub-capacitor group are switched capacitors of an operational amplification unit of a pipeline type A / D converter.
前記第1サブキャパシタ群乃至前記第Nサブキャパシタ群は、逐次比較型A/Dコンバータのデジタルアナログ変換回路の容量素子である
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 7,
The first sub-capacitor group to the N-th sub-capacitor group are capacitive elements of a digital-analog conversion circuit of a successive approximation A / D converter.
前記第1サブキャパシタ群および前記第2サブキャパシタ群は、チャージポンプ型昇圧回路の昇圧用の容量素子である
半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
The first sub-capacitor group and the second sub-capacitor group are boosting capacitive elements of a charge pump type booster circuit. Semiconductor device.
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JP2016046323A (en) * | 2014-08-20 | 2016-04-04 | 株式会社デンソー | Semiconductor device |
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- 2013-01-15 JP JP2013004720A patent/JP2014138029A/en active Pending
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