JP2976926B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device

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JP2976926B2
JP2976926B2 JP9135985A JP13598597A JP2976926B2 JP 2976926 B2 JP2976926 B2 JP 2976926B2 JP 9135985 A JP9135985 A JP 9135985A JP 13598597 A JP13598597 A JP 13598597A JP 2976926 B2 JP2976926 B2 JP 2976926B2
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inductance
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は半導体基板上にイン
ダクタ素子を形成した半導体装置に関し、特にアナログ
フィルタ、発振器等として用いて好適な半導体装置に関
する。
The present invention relates to a semiconductor device having an inductor element formed on a semiconductor substrate, and more particularly to a semiconductor device suitable for use as an analog filter, an oscillator, or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、通信分野の高速化・経済化にとも
ない、その基盤技術となるLSIの高速化、高機能化に
関する技術進歩が著しい。
2. Description of the Related Art In recent years, with the speeding up and economy of the communication field, technical progress has been remarkable regarding high speed and high functioning of an LSI which is a basic technology thereof.

【0003】半導体基板上にインダクタ素子を形成した
半導体装置の第1の従来の技術について図面を参照して
説明する。
A first prior art of a semiconductor device having an inductor element formed on a semiconductor substrate will be described with reference to the drawings.

【0004】まず、図5に、従来の2次元のスパイラル
インダクタを示す。図5(a)は立体図、図5(b)は
平面図を示している。なお、図5に示した構造の半導体
基板上に形成されたインダクタ素子については、Wil
liam.B.Kuhnらによる論文(W.B.Kuh
n,F.W.Stephenson,A.Elshab
ini−Riad,“A 200MHz CMOS Q
−EnhancedLC Bandpass Filt
er”,IEEE JOURNAL OFSOLID−
STATE CIRCUITS,VOL.31,NO.
8,AUGUST 1996)に詳細にその特性が記載
されている。
FIG. 5 shows a conventional two-dimensional spiral inductor. FIG. 5A is a three-dimensional view, and FIG. 5B is a plan view. The inductor element formed on the semiconductor substrate having the structure shown in FIG.
liam. B. Kuhn et al. (WB Kuh)
n, F. W. Stephenson, A .; Elshab
mini-Rad, "A 200MHz CMOS Q
-EnhancedLC Bandpass Filt
er ”, IEEE JOURNAL OFSOLID-
STATE CIRCUITS, VOL. 31, NO.
8, AUGUST 1996) describes its characteristics in detail.

【0005】上記論文によると、図5のインダクタンス
(Ls)には次式(1)の関係が成り立つ。
According to the above-mentioned paper, the following equation (1) holds for the inductance (L s ) in FIG.

【0006】Ls≒αDNβ …(1)L s ≒ αDNβ (1)

【0007】ここで、Dはインダクタンス素子の最長辺
の長さ、Nは巻き数、α、βは経験値である。但し、α
は物質の透磁率つまりプロセスに、βはインダクタ素子
の形状によって決まる。
Here, D is the length of the longest side of the inductance element, N is the number of turns, and α and β are empirical values. Where α
Is determined by the magnetic permeability of the material, that is, the process, and β is determined by the shape of the inductor element.

【0008】図6に、図5のインダクタ素子が形成され
る半導体デバイスの断面図を示す。図6において、1は
第1アルミ配線層、2は第2アルミ配線層を示してい
る。この半導体デバイスは、一般的なCMOSプロセス
で製造できるため、製造法については省略する。
FIG. 6 is a sectional view of a semiconductor device on which the inductor element of FIG. 5 is formed. In FIG. 6, 1 indicates a first aluminum wiring layer, and 2 indicates a second aluminum wiring layer. Since this semiconductor device can be manufactured by a general CMOS process, the manufacturing method is omitted.

【0009】この構造の従来のインダクタ素子は、半導
体基板上に形成されたインダクタ素子としては、最も一
般的に用いられている。
The conventional inductor element having this structure is most commonly used as an inductor element formed on a semiconductor substrate.

【0010】しかし、一つの配線層で渦巻き線(スパイ
ラル状)にインダクタ素子を形成した構造になっている
ため、L(インダクタンス)を大きくすると面積も大き
くなり、比較的大きなインダクタンスをLSI内部に集
積化するのは困難であった。
However, since a single wiring layer has a structure in which the inductor element is formed in a spiral shape (spiral), the area increases as the L (inductance) increases, and a relatively large inductance is integrated in the LSI. It was difficult to convert.

【0011】そこで、複数の配線層間で、つまり図6の
断面図から見て上下関係にある配線層で、それぞれの層
を流れる電流が同じ方向になるように、図5に示した構
造のインダクタ素子を、半導体基板に対し縦積みにし、
異なる配線層間の相互インダクタンスの効果も考慮した
インダクタ素子が試作されている。これを第2の従来の
技術として、図7に、その構造を示す。この第2の従来
の技術について、図面を参照して説明する。
Therefore, the inductor having the structure shown in FIG. 5 is designed so that the current flowing through each of the plurality of wiring layers, that is, the wiring layers which are vertically related when viewed from the sectional view of FIG. Elements are stacked vertically on a semiconductor substrate,
An inductor element has also been trial manufactured in consideration of the effect of mutual inductance between different wiring layers. FIG. 7 shows this structure as a second conventional technique. This second conventional technique will be described with reference to the drawings.

【0012】まず第1の従来の技術が記載されている前
記論文でのβは1.8であるが、簡単のために、Dが十
分に大きい場合を考えると、β〜2である。
First, β in the above-mentioned paper describing the first conventional technique is 1.8, but for simplicity, it is β〜2 when D is sufficiently large.

【0013】Dが十分大きいときの上式(1)のインダ
クタンスLsをL1とすると、次式(2)のように表すこ
とができる。
When the inductance L s in the above equation (1) when D is sufficiently large is L 1 , the following equation (2) can be obtained.

【0014】L1≒αDN2 …(2)L 1 ≒ αDN 2 (2)

【0015】図7に示した第2の従来の技術のインダク
タ素子のインダクタンス(L2)は、一般的に、次式
(3)で与えられる。
The inductance (L 2 ) of the second prior art inductor element shown in FIG. 7 is generally given by the following equation (3).

【0016】 L2=L1A1+L2A1+kM12+kM21 …(3)L 2 = L 1A1 + L 2A1 + kM 12 + kM 21 (3)

【0017】ここで、L1A1は1Al層(第1アルミ配
線層)で構成された部分の自己インダクタンス、L2Al
は2Al層(第2アルミ配線層)で構成された部分の自
己インダクタンス、M12は1Al層で構成された部分か
ら2Al層で構成された部分への相互インダクタンス、
21は2Al層で構成された部分から1Al層で構成さ
れた部分への相互インダクタンス、kは結合係数であ
る。
Here, L 1A1 is the self-inductance of the portion constituted by the 1Al layer (first aluminum wiring layer), and L 2Al
Mutual inductance of self-inductance of portions constituted by 2Al layer (second aluminum wiring layer), M 12 is the configured part 2Al layer from the configuration portions in 1Al layer,
M 21 is the mutual inductance, k from the configured part 2Al layer to the configuration portions in 1Al layer is the coupling coefficient.

【0018】また、図5と同一面積(D2)、同一プロ
セスで、かつ磁束の漏れが無い(図7の1Al面を通る
磁束は、必ず2Al面をとおり、その逆も成り立つ)と
仮定すると、 k≒1、L1Al=L2Al=M12=M21≒L1 と置けることから、図7のインダクタ素子の形状から決
まるインダクタンス(L2)は L2≒4L1 …(4) となる。
It is also assumed that the same area (D 2 ) and the same process as in FIG. 5 are used, and that there is no magnetic flux leakage (the magnetic flux passing through the 1Al surface in FIG. 7 always passes through the 2Al surface, and vice versa). , since the put and k ≒ 1, L 1Al = L 2Al = M 12 = M 21 ≒ L 1, the inductance (L 2) which is determined from the shape of the inductor element of Figure 7 is the L 2 ≒ 4L 1 ... (4 ) .

【0019】しかし、大きなL(インダクタンス)を得
ようとすると、必然的に、インダクタ素子を形成する配
線の配線長が長くなり、伝達遅延(電子の伝達速度)の
影響が無視できなくなる。
However, in order to obtain a large L (inductance), the wiring length of the wiring forming the inductor element is inevitably increased, and the effect of the transmission delay (electron transmission speed) cannot be ignored.

【0020】次に、図7に示した第2の従来技術のイン
ダクタ素子の伝達遅延の影響を説明する。
Next, the influence of the transmission delay of the inductor element of the second prior art shown in FIG. 7 will be described.

【0021】図8に、図7に示した第2の従来技術のイ
ンダクタ素子の簡易図を示す。ここで、図8の微少部分
ΔZ1、…、ΔZk、…、ΔZN各々の部分での、磁束
和の和Φ2は、単位長さ当たりの自己インダクタンスを
Lo、単位長さ当たりの相互インダクタンスをMoとし、
近接部の磁場の影響だけを取り出すと、次式(5)で表
せる。
FIG. 8 is a simplified diagram of the second prior art inductor element shown in FIG. Here, small portions of FIG. 8 ΔZ1, ..., ΔZk, ... , in the region of the respective DerutaZN, the sum [Phi 2 flux sum, the self-inductance per unit length Lo, the mutual inductance per unit length Mo age,
By taking out only the influence of the magnetic field in the vicinity, it can be expressed by the following equation (5).

【0022】[0022]

【数1】 (Equation 1)

【0023】ここで、I1、Ik、IN、…は、それぞ
れ、任意の時間に、図8のΔZ1、ΔZk、ΔZN、…
部を流れる電流、I'1、I'k、I'Nは、任意の時間に、
図8のΔZ'1、ΔZ'k、ΔZ'Nを流れる電流であ
り、伝達遅延が無ければ、全て同じ値である。
Here, I 1 , I k , I N ,... Respectively represent ΔZ1, ΔZk, ΔZN,.
The currents flowing through the sections, I ′ 1 , I ′ k , I ′ N, are at any time:
These are currents flowing through ΔZ′1, ΔZ′k, and ΔZ′N in FIG. 8, and all have the same value if there is no transmission delay.

【0024】また、{}aはΔZ1部の磁束和、{}b
ΔZk部の磁束和、{}cはΔZN部の磁束和をそれぞ
れ表す。
Further, {} a magnetic flux sum of ΔZ1 parts, {} b respectively represent the magnetic flux sum ΔZk part, {} c is the magnetic flux sum ΔZN portion.

【0025】ここで、電流Iは、伝達遅延を考慮する
と、時間と信号が伝達される距離の関数になり一般的に
次式(6)で表せる。
Here, considering the transmission delay, the current I is a function of time and the distance over which the signal is transmitted, and can be generally expressed by the following equation (6).

【0026】[0026]

【数2】 (Equation 2)

【0027】ここで、ωは信号の周波数、Zは信号が伝
達する距離、vは電子の伝達速度でv=1/√(LC)
である(但し、Lは配線の単位長さ当たりのインダクタ
ンス、Cは配線の単位長さ当たりの容量である)。
Where ω is the frequency of the signal, Z is the distance over which the signal is transmitted, and v is the transmission speed of the electron, v = 1 / √ (LC)
(Where L is the inductance per unit length of the wiring, and C is the capacitance per unit length of the wiring).

【0028】今、インダクタ素子を形成する全配線の長
さをZ、インダクタ素子の最外部の1巻き当たりの長さ
をZo、巻き数をNとする。
Now, let Z be the length of all the wires forming the inductor element, Z O be the length of the outermost turn of the inductor element, and N be the number of turns.

【0029】ここで、図9の信号の伝達経路を考慮する
と、上式(5)は、以下のように書けることが分かる。
図9は、図8に示した簡易図の信号の伝達経路を示す図
である。
Here, considering the signal transmission path of FIG. 9, it can be seen that the above equation (5) can be written as follows.
FIG. 9 is a diagram showing a signal transmission path of the simplified diagram shown in FIG.

【0030】但し、t2=t1+ψ2、t3=t1+ψ
3:ψ2、ψ3は、t1との位相差であるが、ここでは
近接部の相互作用のみを考えるので、以下のような記述
をする。また、ΔZk部は、ΔZ1部とΔZN部の中間
とする。
However, t2 = t1 + {2, t3 = t1 +}
3: ψ2 and ψ3 are phase differences with t1, but here, since only the interaction of the proximity part is considered, the following description is given. Further, the ΔZk portion is set between the ΔZ1 portion and the ΔZN portion.

【0031】[0031]

【数3】 (Equation 3)

【0032】ここで、Lo≒Mo、Z/v<<1、Z>>
o
Here, Lo ≒ Mo, Z / v << 1, Z >>
Z o ,

【0033】[0033]

【数4】 (Equation 4)

【0034】とすると(但し、Reは実部を示す)、上
式(7)の右辺は、次式(8)で表される。
If (where Re indicates the real part), the right side of the above equation (7) is expressed by the following equation (8).

【0035】[0035]

【数5】 (Equation 5)

【0036】よって、上式(8)の第一項、第二項より
伝達遅延を考慮すると、局所的な磁束が減少する。
Therefore, considering the transmission delay from the first and second terms of the above equation (8), the local magnetic flux is reduced.

【0037】つまり、実効的な、図7の構造のインダク
タ素子の全インダクタンス(Leff2)が減少する。
That is, the total inductance (L eff2 ) of the effective inductor element having the structure shown in FIG. 7 is reduced.

【0038】Leff2(ω)<L2(≒4L1) …(9)L eff2 (ω) <L 2 (≒ 4L 1 ) (9)

【0039】[0039]

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
上記従来技術は、大きなインダクタンスを得るために、
インダクタ素子を形成する配線の長さを十分に長くする
と、特に高周波域において実効的な全インダクタンスが
減少する、という問題点を有している。
As described above,
In order to obtain a large inductance,
If the length of the wiring forming the inductor element is made sufficiently long, there is a problem that the effective total inductance is reduced, particularly in a high frequency range.

【0040】その理由は、配線が長いために伝達遅延が
生じ、相互インダクタンスの影響が周波数に依存して減
少するからである。
The reason is that a long wiring causes a transmission delay, and the influence of the mutual inductance is reduced depending on the frequency.

【0041】したがって、本発明は、上記従来技術の問
題点に鑑みてなされたものであって、その目的は、多層
配線技術を用い高集積化を図るとともに、上記述べたよ
うな信号の伝達遅延の影響を無くし、特に、高周波特性
の良いインダクタンス特性を持ったインダクタ素子を有
する半導体装置を提供することにある。
Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and has as its object to achieve high integration by using a multi-layer wiring technique and to achieve the above-described signal transmission delay. In particular, it is an object of the present invention to provide a semiconductor device having an inductor element having good inductance characteristics with good high frequency characteristics.

【0042】[0042]

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明は、半導体基板と、該基板上に並設された複
数の第1導体層と、該導電層上に絶縁層を介して並設さ
れた複数の第2導体層とを備え、前記第1導体層と前記
第2導体層を絶縁層に空けたビアホールを介しらせん状
になるように選択的に電気的に接続し、複数の前記第1
導体層が2次元的に渦巻き状になり、かつ複数の前記第
2導体層も2次元的に渦巻き状になるようインダクタを
構成し、異なった層間での前期第1および第2の導体層
の相互作用までの信号伝播距離を短くする構成としもの
である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate, a plurality of first conductor layers arranged in parallel on the substrate, and an insulating layer on the conductive layer. A plurality of second conductor layers arranged side by side, wherein the first conductor layer and the second conductor layer are selectively electrically connected in a helical manner via via holes formed in an insulating layer; The first of
The inductor is configured such that the conductor layer is two-dimensionally spiral and the plurality of second conductor layers are also two-dimensionally spiral, and the first and second conductor layers are formed between different layers. The configuration is such that the signal propagation distance up to the interaction is shortened.

【0043】[作用]本発明の作用について説明する
と、上記のように構成されてなる本発明は、半導体基板
と、この基板上に並設された複数の第1導体層と、この
層上に絶縁層を介して並設された複数の第2導体層と、
前記第1導体層と前記第2導体層を前記絶縁層に空けた
ビアホールを介し、らせん状になるよう選択的に電気的
に接続し、前記複数の第1の導体層が2次元的に渦巻き
状になり、かつ前記複数の第2の導体層も2次元的に渦
き状になるようインダクタを構成したため信号が伝達す
る際、近接的な相互作用に寄与する信号の伝達遅延を少
なくでき、高周波特性を向上できる。
[Operation] The operation of the present invention will be described. In the present invention having the above-described structure, a semiconductor substrate, a plurality of first conductor layers arranged in parallel on the substrate, and A plurality of second conductor layers juxtaposed via an insulating layer;
The first conductor layer and the second conductor layer are selectively and electrically connected in a helical manner via via holes formed in the insulating layer, and the plurality of first conductor layers spirally two-dimensionally. And the plurality of second conductor layers also have an inductor configured to be two-dimensionally swirled, so that when signals are transmitted, transmission delay of signals contributing to close interaction can be reduced, High frequency characteristics can be improved.

【0044】[0044]

【発明の実施の形態】本発明のインダクタ素子の好まし
い実施の形態について以下に説明する。図1は、本発明
の実施の形態を説明するための図である。本発明の実施
の形態において、インダクタ素子は、図6に示した従来
の技術で用いられる一般的なCMOSプロセス技術を用
いて実現できる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the inductor element of the present invention will be described below. FIG. 1 is a diagram for describing an embodiment of the present invention. In the embodiment of the present invention, the inductor element can be realized by using a general CMOS process technology used in the conventional technology shown in FIG.

【0045】ここで、本発明の実施の形態におけるイン
ダクタ素子の形状から決まるインダクタを、図2と、上
式(2)から求める。図2(a)は2Al層からみた平
面図、図2(b)は1Al層からみた平面図をそれぞれ
示している。
Here, an inductor determined by the shape of the inductor element in the embodiment of the present invention is obtained from FIG. 2 and the above equation (2). 2A is a plan view as viewed from the 2Al layer, and FIG. 2B is a plan view as viewed from the 1Al layer.

【0046】図2(b)を参照して、2Al層の外側か
ら数えてm番目のループ4とm+1番目のループ5に1
Al層の外側から数えてm番目のループ6を挿入した形
状と見なせる。これを、順次m=1〜Nまで挿入する
と、等価的に図6のインダクタ素子の巻き数Nを2倍の
2Nにしたものと見なせる。
Referring to FIG. 2 (b), the m-th loop 4 and the (m + 1) -th loop 5 counted from the outside of the
It can be considered that the m-th loop 6 counted from the outside of the Al layer is inserted. When this is sequentially inserted from m = 1 to N, it can be considered that the number of turns N of the inductor element in FIG. 6 is equivalently doubled to 2N.

【0047】よって、上式(2)のNを2Nと置き換え
ると、形状から決まる本発明の実施の形態のインダクタ
ンス(L3)は、
Therefore, if N in the above equation (2) is replaced with 2N, the inductance (L 3 ) of the embodiment of the present invention determined from the shape is as follows:

【0048】 L3≒αD(2N)2 =4αDN2 =4L1 …(10) となる。L 3 ≒ αD (2N) 2 = 4αDN 2 = 4L 1 (10)

【0049】次に第2の従来の技術と同様に伝達遅延の
影響を考える。
Next, the effect of the propagation delay will be considered in the same manner as in the second conventional technique.

【0050】図3に、図1の本発明の実施の形態のイン
ダクタ素子の簡易図を示す。ここで、図3の微少部分Δ
Z1、…、ΔZk、…、ΔZN各々の部分での磁束和の
和Φ3は単位長さ当たりの自己インダクタンスをLo、単
位長さ当たりの相互インダクタンスをMoとし、近接部
の影響だけを取り出すと、次式(11)で表せる。
FIG. 3 is a simplified diagram of the inductor element according to the embodiment of the present invention shown in FIG. Here, the minute portion Δ in FIG.
The sum Φ 3 of the magnetic flux sums at the respective portions of Z1,..., ΔZk,..., ΔZN is expressed as follows: Lo is the self-inductance per unit length, and Mo is the mutual inductance per unit length. , Can be expressed by the following equation (11).

【0051】[0051]

【数6】 (Equation 6)

【0052】ここで、I1、Ik、IN、…はそれぞれ、
任意の時間に、図3のΔZ1、ΔZk、ΔZN、…部を
流れる電流、I'1、I'k、I'Nは任意の時間に、図3の
ΔZ'1、ΔZ'k、ΔZ'Nを流れる電流で伝達遅延が
無ければ全て同じ値である。
Here, I 1 , I k , I N ,.
At any time, the currents flowing through the parts ΔZ1, ΔZk, ΔZN,... In FIG. 3, I ′ 1 , I ′ k , and I ′ N become ΔZ′1, ΔZ′k, ΔZ ′ of FIG. All values are the same if there is no transmission delay in the current flowing through N.

【0053】また、{}aはΔZ1部の磁束和、{}b
ΔZk部の磁束和、{}cはΔZN部の磁束和を表す。
[0053] Further, {} a magnetic flux sum of ΔZ1 parts, {} b is the magnetic flux sum ΔZk part, {} c represents the magnetic flux sum of ΔZN portion.

【0054】上式(6)を用い、図4の信号の伝達経路
を考慮すると、上式(11)は、次式(12)のように
表わせることが分かる。なお、図4は、図3の簡易図の
信号の伝達経路を示した図である。
Using the above equation (6) and considering the signal transmission path of FIG. 4, it can be seen that the above equation (11) can be expressed as the following equation (12). FIG. 4 is a diagram showing signal transmission paths in the simplified diagram of FIG.

【0055】[0055]

【数7】 (Equation 7)

【0056】ここで、上式(8)と同様な近似を行い、
0/vの大きさは十分小さいとすると、次式(13)
が導出される。
Here, an approximation similar to the above equation (8) is performed, and
Assuming that the magnitude of Z 0 / v is sufficiently small, the following equation (13)
Is derived.

【0057】[0057]

【数8】 (Equation 8)

【0058】よって、本発明では、局所的な磁束が減少
する項が無い。
Therefore, in the present invention, there is no term where the local magnetic flux decreases.

【0059】つまり、実効的な、図1の構造のインダク
タ素子の、全インダクタンス(Leff3)の減少は無い。
That is, there is no effective decrease in the total inductance (L eff3 ) of the inductor element having the structure of FIG.

【0060】Leff3≒L3(≒4L1) …(14)L eff3 ≒ L 3 (≒ 4L 1 ) (14)

【0061】上式(4)、(10)より、形状から決まる
インダクタンスは従来の技術と本発明はほぼ同等であ
る。
From the above equations (4) and (10), the inductance determined by the shape is almost the same as that of the prior art and the present invention.

【0062】しかし、上式(8)、及び(14)より、伝
達遅延(電子の伝達速度)を考慮すると、本発明は伝達
遅延の影響を受けにくい信号伝達の経路になっている。
However, from the above equations (8) and (14), considering the transmission delay (the transmission speed of electrons), the present invention is a signal transmission path that is not easily affected by the transmission delay.

【0063】よって、本発明ではインダクタンス係数の
中に周波数に依存した減少項が無いので、特に高周波特
性に優れている。
Therefore, in the present invention, since there is no frequency-dependent decreasing term in the inductance coefficient, the present invention is particularly excellent in high frequency characteristics.

【0064】本発明においては、大きなL(インダクタ
ンス)を持ったインダクタ素子を半導体基板上に形成で
きることにより、部品数が削減でき、通信装置の小型
化、経済化、及び高周波特性の向上が図れる。
In the present invention, since an inductor element having a large L (inductance) can be formed on a semiconductor substrate, the number of components can be reduced, and the communication device can be reduced in size and economy, and the high-frequency characteristics can be improved.

【0065】[0065]

【実施例】上記した本発明の実施の形態についてさらに
具体例に即して説明すべく、本発明の実施例について図
面を参照して以下に説明する。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention;

【0066】[実施例1]図1は、本発明を適用したイ
ンダクタ素子の一実施例を示した立体図である。本発明
のインダクタ素子は、図6の従来の技術で用いられる一
般的なCMOSプロセス技術を用い実現できる。
Embodiment 1 FIG. 1 is a three-dimensional view showing an embodiment of an inductor element to which the present invention is applied. The inductor element of the present invention can be realized by using a general CMOS process technology used in the conventional technology of FIG.

【0067】例えば、インダクタ素子を他の回路素子と
接続させるためのAl、Cu、Al合金(Al−Si−
Cu)等の材料を用いスパッタ技術とレジストを用いた
露光・エッチング技術でパターン形成された第1の配線
層1と、その上にプラズマ酸化膜成長技術で形成された
SiO2等の絶縁層2があり、絶縁層2にAlリフロ
ー、単結晶Al置換、ブランケットW(タングステン)
−CVD、選択W−CVD技術等を用い、第1の配線層
1の選択された一部分の上に、第1の配線層1の選択さ
れた一部分と導電性を持つように形成されたスルーホー
ル3を設け、絶縁層2上に、該スルーホール3とその選
択された一部分が導電性を持って接続されたAl、C
u、Al合金(Al−Si−Cu)等の材料を用いてス
パッタ技術とレジストを用いた露光・エッチング技術で
パターン形成された第2の配線層4により、配線層1と
前記配線層4が前記スルーホール3を介し、例えば図2
(b)に示すように、2Al層の外側から数えてm番目
のループの一端を、1Al層の外側から数えてm番目の
ループの一端に接続し、1Al層の外側から数えてm番
目のループの他の端に、2Al層の外側から数えてm番
目のループの一端を、m=1〜Nまで巻き数分を順次接
続することにより形成される。
For example, Al, Cu, an Al alloy (Al-Si-) for connecting the inductor element to another circuit element.
A first wiring layer 1 formed of a material such as Cu) by a sputtering technique and an exposure / etching technique using a resist, and an insulating layer 2 such as SiO 2 formed thereon by a plasma oxide film growth technique. Al insulating layer 2 has Al reflow, single crystal Al substitution, blanket W (tungsten)
A through-hole formed on a selected portion of the first wiring layer 1 so as to have conductivity with the selected portion of the first wiring layer 1 by using CVD, selective W-CVD technology, or the like; Al, C on which the through hole 3 and a selected part thereof are electrically connected to each other on the insulating layer 2.
The wiring layer 1 and the wiring layer 4 are formed by the second wiring layer 4 patterned by using a material such as u, Al alloy (Al-Si-Cu) by a sputtering technique and an exposure / etching technique using a resist. As shown in FIG.
As shown in (b), one end of the m-th loop counted from the outside of the 2Al layer is connected to one end of the m-th loop counted from the outside of the 1Al layer, and the m-th loop counted from the outside of the 1Al layer. The other end of the loop is formed by sequentially connecting one end of the m-th loop counted from the outside of the 2Al layer for the number of turns from m = 1 to N.

【0068】次に、本実施例のインダクタ素子の形状か
ら決まるインダクタを、図2と上式(2)から求める。
Next, an inductor determined by the shape of the inductor element of this embodiment is obtained from FIG. 2 and the above equation (2).

【0069】図2(b)で、2Al層の外側から数えて
m番目のループとm+1番目のループ1Al層の外側か
ら数えてm番目のループを順次m=1〜Nまで挿入する
と、等価的に図6のインダクタ素子の巻く数Nを2倍の
2Nにしたものと見なせる。
In FIG. 2B, when the m-th loop counted from the outside of the 2Al layer and the m + 1-th loop are counted from the outside of the 1Al layer and the m-th loop is sequentially inserted from m = 1 to N, the equivalent is obtained. It can be considered that the number N of turns of the inductor element in FIG. 6 is doubled to 2N.

【0070】ここで、N=48、α=9×10-7、D=
1000μmとし、上式(2)のNを2Nと置き換える
と、形状から決まる本実施例のインダクタンス(L3
は次式(15)で与えられる。
Here, N = 48, α = 9 × 10 −7 , D =
When N is 1000 μm and N in the above equation (2) is replaced with 2N, the inductance (L 3 ) of the present embodiment determined from the shape
Is given by the following equation (15).

【0071】 L3≒αD(2B)2 =4×9×10-7×10-3×(48)2 =8μH …(15)L 3 ≒ αD (2B) 2 = 4 × 9 × 10 −7 × 10 −3 × (48) 2 = 8 μH (15)

【0072】次に、第2の従来の技術と同様に、伝達遅
延の影響について考える。
Next, similarly to the second conventional technique, the influence of the propagation delay will be considered.

【0073】図3に、図1の本発明のインダクタ素子の
一実施例の簡易図を示す。ここで、図3の微少部分ΔZ
1、…、ΔZk、…、ΔZN各々の部分での磁束和の和
Φ3は単位長さ当たりの自己インダクタンスをLo、単位
長さ当たりの相互インダクタンスをMoとし、近接部の
影響だけを取り出すと、式(11)で表せる。
FIG. 3 is a simplified diagram of one embodiment of the inductor element of the present invention shown in FIG. Here, the minute portion ΔZ in FIG.
1,..., ΔZk,..., ΔZN, the sum Φ 3 of the magnetic flux sums is such that the self inductance per unit length is Lo, the mutual inductance per unit length is Mo, and only the influence of the proximity part is taken out. , Equation (11).

【0074】[0074]

【数9】 (Equation 9)

【0075】ここで、I1、Ik、IN、…はそれぞれ、
任意の時間に図3のΔZ1、ΔZk、ΔZN、…部を流
れる電流、I'1、I'k、I'Nは任意の時間に図3のΔ
Z'1、ΔZ'k、ΔZ'N部を流れる電流で伝達遅延が
無ければ全て同じ値である。また、{}aはΔZ1部の
磁束和、{}bはΔZk部の磁束和、{}cはΔZN部の
磁束和を表す。
Here, I 1 , I k , I N ,.
At any time, the currents flowing through the parts ΔZ1, ΔZk, ΔZN,..., I ′ 1 , I ′ k , and I ′ N become ΔΔ at FIG.
The currents flowing through the Z′1, ΔZ′k, and ΔZ′N sections have the same value unless there is a transmission delay. Also, {} a magnetic flux sum of ΔZ1 parts, {} b is the magnetic flux sum ΔZk part, {} c represents the magnetic flux sum of ΔZN portion.

【0076】上式(6)を用い、図4の信号の伝達遅延
を考慮すると、上式(11)は次のように表されることが
分かる。
Using the above equation (6) and considering the signal transmission delay of FIG. 4, it can be seen that the above equation (11) is expressed as follows.

【0077】[0077]

【数10】 (Equation 10)

【0078】ここで、Zoは10-3mオーダー、vは1
8s/mのオーダー程度であるので、Z0/vの大きさ
は10-11のオーダーになり10ps程度の遅延になり
十分小さいと見なせる。
Here, Zo is on the order of 10 −3 m, and v is 1
Since the order of about 0 8 s / m, regarded as Z size of 0 / v is sufficiently small becomes about 10ps becomes the order of 10 -11 delay.

【0079】しかし、上記第2の従来の技術の場合、入
出力部の距離が最大で10-1mのオーダーとなり1ns
の遅延になるので無視できない。つまり、本発明の実施
の形態の項で説明した、次の式が導入される。
However, in the case of the second prior art, the distance between the input and output sections is on the order of 10 -1 m at the maximum, and is 1 ns.
Can not be ignored because of the delay. That is, the following equation described in the embodiment section of the present invention is introduced.

【0080】[0080]

【数11】 [Equation 11]

【0081】よって、本実施例では局所的な磁束が減少
する項が無い。
Therefore, in this embodiment, there is no term where the local magnetic flux decreases.

【0082】つまり、実効的な、図1の構造のインダク
タ素子の、全インダクタンス(Leff3)の減少は無い。
That is, there is no effective reduction in the total inductance (L eff3 ) of the inductor element having the structure shown in FIG.

【0083】Leff3≒L3(≒4L1) …(14)L eff3 ≒ L 3 (≒ 4L 1 ) (14)

【0084】上式(4)、(10)より形状から決まるイ
ンダクタンスは従来の技術と本発明はほぼ同等である。
The inductance determined from the shapes according to the above equations (4) and (10) is almost the same as that of the prior art and the present invention.

【0085】しかし、上式(8)、(13)より伝達遅延
(電子の伝達速度)を考慮すると本実施例は伝達遅延の
影響を受けにくい信号伝達の経路になっている。
However, from the above equations (8) and (13), when the transmission delay (electron transmission speed) is considered, the present embodiment is a signal transmission path which is hardly affected by the transmission delay.

【0086】よって、本実施例ではインダクタンス係数
の中に周波数に依存した減少項が無いので、特に高周波
特性に優れている。
Thus, in this embodiment, since there is no frequency-dependent decreasing term in the inductance coefficient, the present embodiment is particularly excellent in high frequency characteristics.

【0087】[0087]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば下
記記載の効果を奏する。
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.

【0088】本発明の第1の効果は、半導体基板上に形
成されるインダクタ素子の高集積化ができる、というこ
とである。
A first effect of the present invention is that high integration of an inductor element formed on a semiconductor substrate can be achieved.

【0089】その理由は、本発明においては、多層配線
技術を用い、半導体基板に対し並設できるからである。
The reason is that, in the present invention, a multi-layer wiring technique can be used, and can be juxtaposed to a semiconductor substrate.

【0090】本発明の第2の効果は、高周波特性が良
い、ということである。
The second effect of the present invention is that high frequency characteristics are good.

【0091】その理由は、本発明においては、信号の伝
達遅延の影響が小さい、信号経路になっているからであ
る。
The reason is that, in the present invention, the signal path is less affected by the signal transmission delay.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の構成を示す立体図であ
る。
FIG. 1 is a three-dimensional view showing a configuration of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例の構成を示す平面図であ
る。(a)は2Al層面から見た場合の図である。
(b)は1Al層面から見た場合の図である。
FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the first exemplary embodiment of the present invention. (A) is the figure seen from the 2Al layer surface.
(B) is a diagram when viewed from the 1Al layer surface.

【図3】本発明の第1の実施例のインダクタ素子の簡易
図である。
FIG. 3 is a simplified diagram of the inductor element according to the first embodiment of the present invention.

【図4】図3の簡易図の信号の伝達経路図である。FIG. 4 is a signal transmission path diagram of the simplified diagram of FIG. 3;

【図5】第1の従来の技術の構成を示す図であり、
(a)は立体図、(b)は平面図である。
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a first conventional technique;
(A) is a three-dimensional view, (b) is a plan view.

【図6】第1の従来の技術の断面図である。FIG. 6 is a sectional view of a first conventional technique.

【図7】第2の従来の技術の立体図である。FIG. 7 is a three-dimensional view of a second conventional technique.

【図8】第2の従来の技術のインダクタ素子の簡易図で
ある。
FIG. 8 is a simplified diagram of a second prior art inductor element.

【図9】図8の簡易図の信号の伝達経路図である。FIG. 9 is a signal transmission path diagram of the simplified diagram of FIG. 8;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 1Al層 2 2Al層 3 スルーホール(もしくはビアホール) 4 m番目の2Al層ループ 5 m+1番目の2Al層ループ 6 m番目の1Al層ループ Reference Signs List 1 1Al layer 2 2Al layer 3 Through hole (or via hole) 4 m-th 2Al layer loop 5 m + 1-th 2Al layer loop 6 m-th 1Al layer loop

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板と、該基板上に並設された複数
の第1導体層と、該導電層上に絶縁層を介して並設され
た複数の第2導体層とを備え、前記第1導体層と前記第
2導体層を絶縁層に空けたビアホールを介しらせん状に
なるように選択的に電気的に接続し、複数の前記第1導
体層が2次元的に渦巻き状になり、かつ複数の前記第2
導体層も2次元的に渦巻き状になるようインダクタを構
成し、異なった層間での前期第1および第2の導体層の
相互作用までの信号伝播距離を短くする構成としたこと
を特徴とする半導体装置。
A semiconductor substrate, a plurality of first conductor layers arranged in parallel on the substrate, and a plurality of second conductor layers arranged in parallel on the conductive layer via an insulating layer; The first conductor layer and the second conductor layer are selectively and electrically connected to each other via a via hole formed in the insulating layer so as to be spiral, so that the plurality of first conductor layers are two-dimensionally spiral. And a plurality of the second
The inductor is configured so that the conductor layer also has a two-dimensional spiral shape, and the first and second conductor layers are formed between different layers.
A semiconductor device having a configuration in which a signal propagation distance until an interaction is reduced.
【請求項2】半導体基板と、この基板上に並設された第
1の複数の導体層と、この層上に絶縁層を介して並設さ
れた第2の複数の導体層と、前記絶縁層に空けたビアホ
ールとを有し、 前記第1の複数の導体層の中から選ばれた第3の導体層
の選ばれた一端と、前記第2の複数の導体層の中から選
ばれた第4の導体層の選ばれた一端とを、前記絶縁層に
空けた第1のビアホールを介して電気的に接続し、 前記第4の導体層の他端を、前記第1の複数の導体層の
中から選ばれた第5の導体層の選ばれた一端と、前記絶
縁層に空けた第2のビアホールを介して電気的に接続す
ることを、順次行い、 前記第1の複数の導体層が2次元的に渦巻き状の形態を
有し、かつ、前記複数の第2の導体層も2次元的に渦巻
き状の形態を有するインダクタ素子を具備したことを特
徴とする半導体装置。
2. A semiconductor substrate, a first plurality of conductor layers juxtaposed on the substrate, a second plurality of conductor layers juxtaposed on the layer via an insulating layer, A via hole in the layer, a selected one end of a third conductive layer selected from the first plurality of conductive layers, and a selected one of the second conductive layers from the second plurality of conductive layers A selected one end of a fourth conductor layer is electrically connected through a first via hole opened in the insulating layer, and the other end of the fourth conductor layer is connected to the first plurality of conductors. Electrically connecting one end of a fifth conductor layer selected from the layers via a second via hole formed in the insulating layer, and sequentially performing the first plurality of conductors. An inductor element in which a layer has a two-dimensional spiral shape and the plurality of second conductor layers also have a two-dimensional spiral shape. The semiconductor device characterized by Bei was.
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