JP2986081B2 - シリコン技術における高価なメタライゼーションを使用しない高ｑインダクタ構造 - Google Patents

シリコン技術における高価なメタライゼーションを使用しない高ｑインダクタ構造

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般に電気インダ
クタの設計および構造に関し、詳細には、低コストのシ
リコン技術に適合する新規のモノリシック・インダクタ
構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】電子回路の小型化は、機械的パッケージ
の小型化を達成するのみならず、回路の製造コストを減
らすためにも、実質上あらゆる分野で目標とされてい
る。複雑なマイクロプロセッサおよび演算増幅器を含め
て、多くのディジタル回路およびアナログ回路は、シリ
コン・ベースの集積回路（ＩＣ）として実施され成功を
収めてきた。このような回路は通常、バイポーラ・トラ
ンジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、様々なタ
イプのダイオードなどの能動素子、およびレジスタやコ
ンデンサなどの受動素子が含まれる。
【０００３】まだ小型化の課題が残されている一領域に
は、セルラ電話、無線モデム、および他のタイプの通信
装置に使用されるような、無線周波数（ＲＦ）回路があ
る。問題は、ＲＦ応用例に適した良質のインダクタをシ
リコン技術で製造するのが困難なことである。インダク
タをシリコン技術に組み込むことが試みられたが、イン
ダクタのＱ値が５未満になったり、あるいは金のような
特別なメタライゼーション層が必要であった。
【０００４】スパイラル・インダクタを形成する金属線
の直流（ＤＣ）抵抗が、インダクタＱ値の低下の主な原
因になっていることは周知である。この効果を減少させ
る１つの方法は、幅の広い金属線を使用することである
が、そうするとインダクタ面積が増大し構造に関連する
寄生キャパシタンスが増加してしまう。インダクタ面積
が増大すると、達成可能な小型化が制限され、大きな面
積に関連する寄生キャパシタンスがインダクタの自己共
振周波数を減少させ、このため、その有効周波数が制限
される。さらに、Ｑ値は、周波数に正比例し、インダク
タの直列損失に反比例するので、むやみに大きな金属線
幅を選ぶことはできない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、本発明の
目的は、シリコン技術による新規のモノリシック高Ｑイ
ンダクタ構造を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、通常の
集積回路技術で複数のメタライゼーション段を設けて形
成され、インダクタの巻線にこれらの段を利用してイン
ダクタの抵抗を下げる、高Ｑのインダクタが提供され
る。この手法により、Ｑ値が５より大きいインダクタ
を、無線周波数およびマイクロ波周波数においてこの手
法で組み込むことができる。
【０００７】前記および他の目的、態様、利点について
は、図面を参照した本発明の好ましい実施例の詳細な説
明によってよりよく理解されるであろう。
【０００８】
【発明の実施の形態】図面、特に図１を参照すると、本
発明の好ましい実施例によるスパイラル・インダクタ構
造の平面図が示されている。図２および図３に示すよう
に、この構造は、３つの金属段から成り、第１金属段１
は、シリコン基板３上の二酸化シリコン層２の上の段で
ある。図３を参照のこと。第１金属段１は、第２二酸化
シリコン層４で覆われ、層４を貫いてバイア５が形成さ
れている。第１金属段１は、スパイラル構造の中心端子
６（図１）に接続するための下部交差線として使われ
る。バイア５には、金属が充填され、第１金属段と第２
金属段７とを相互接続するようになっている。この第２
段７は、第３二酸化シリコン層８で覆われ、その内部に
複数のバイア９が形成されている。図２に示すように、
バイア９には、金属が充填され、第２金属段７と第３金
属段１０とを相互接続するようになっている。図１およ
び図３に示すように、２つの金属段７および１０は同一
のスパイラル金属パターンであり、バイア９が２つの金
属段を効果的に分流する。したがって、２つの層がイン
ダクタの巻線に使われ、これらの２つの層は、直流抵抗
を減少させるために並列に接続された２つのインダクタ
をもたらす。２層インダクタの直流抵抗の減少は少なく
とも１／２であり、それゆえ大きなＱ値の増大をもたら
す。追加の配線段が本技術によって提供されるなら、よ
り多くの金属層を分流することにより、直流抵抗をさら
に減少させることができることは明らかである。
【０００９】絶縁段を貫通するバイア・ホールで接続さ
れた複数の金属層を用いることにより、この手法は、高
周波数（ギガ・ヘルツ領域に達する）応用例用のインダ
クタ設計の問題を解決する。現在のほとんどのシリコン
技術には、回路配線用の少なくとも３層あるいはそれ以
上の金属層がある。第１金属段は、図１に示すように、
スパイラル構造の回路端子に接続するため下部交差線と
して使用され、したがって少なくとも２層がインダクタ
の巻線用に残されている。本発明は、成熟したＢｉＣＭ
ＯＳ（バイポーラ相補型金属酸化膜半導体）技術を使用
するハードウェアとして実施された。
【００１０】具体的な例では、４巻きのスパイラル・イ
ンダクタで測定したＱ値は、２．４ＧＨｚで少なくとも
７であった。このインダクタは、２つの金属段を使用し
て巻線を実施し、第３の段を下部交差線用に使用する。
このインダクタは、図４に示すように、２．４ＧＨｚの
コルピッツ・バイポーラ発振器の共振器の一部として良
好に機能した。
【００１１】本発明は、単一の好ましい実施例に関して
説明したが、当業者には、本発明が冒頭の特許請求の範
囲の趣旨および範囲に含まれる変更を加えて実施できる
ことが理解されよう。
【００１２】まとめとして、本発明の構成に関して以下
の事項を開示する。
【００１３】 （１）通常のシリコン技術を使用して形成され、第３絶
縁層により互いに分離された少なくとも第２と第３の金
属段を備える高Ｑモノリシック・インダクタ構造であっ
て、前記第２および第３金属段が同一のスパイラル・パ
ターンで形成され、低い抵抗値を有するインダクタ構造
の並列接続巻線を実施するように前記第３絶縁層を貫通
するバイア・ホールを介して接続されている、インダク
タ構造。 （２）シリコン基板を覆う第１絶縁層上に形成された第
１金属段をさらに備え、前記第１金属段が、前記第２お
よび第３金属段のスパイラル・パターンの下を交差し
て、インダクタ構造の第１端子に接続されるパターンを
有し、前記第２および第３金属段の一方が、インダクタ
構造の第２端子に接続され、前記第２金属段が、第２絶
縁層によって前記第１金属段から分離され、前記第２絶
縁層を貫通するバイア・ホールによって前記スパイラル
・パターンの中心部で前記第１金属段に接続されてい
る、請求項１に記載のインダクタ構造。 （３）前記第１、第２および第３絶縁層が二酸化シリコ
ンである、請求項２に記載のインダクタ構造。 （４）前記インダクタ構造が２．４〜２．５ＧＨｚの帯
域で７以上のＱ値を有する、請求項３に記載のインダク
タ構造。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、３つの金属段を有するスパイラ
ル・インダクタ構造の上面図である。
【図２】スパイラル線セグメントの断面図である。
【図３】スパイラルの中心ターミナルへの接続に使用さ
れる下部交差設計を示すインダクタの断面図である。
【図４】図１、図２および図３に示されたこのインダク
タを使用する発振器の周波数スペクトルを示すグラフで
ある。
【符号の説明】
１ 第１金属段 ２ 二酸化シリコン層 ３ シリコン基板 ４ 第２二酸化シリコン層 ５ バイア ６ 中心端子 ７ 第２金属段 ８ 第３二酸化シリコン層 ９ バイア １０ 第３金属段
フロントページの続き (72)発明者 サイラ・ポナパリ アメリカ合衆国12524 ニューヨーク州 フィッシュキル ヴァン・ウィック・ロ ード 366 (72)発明者 メフメット・ソユル アメリカ合衆国10598 ニューヨーク州 ヨークタウン・ハイツ ラドクリフ・ド ライブ 3113 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 27/04 H01F 17/00 H01L 21/822

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】通常のシリコン技術を使用して形成され、
    第３絶縁層により互いに分離された少なくとも第２と第
    ３の金属段を備える高Ｑモノリシック・インダクタ構造
    であって、前記第２および第３金属段が同一のスパイラ
    ル・パターンで形成され、低い抵抗値を有するインダク
    タ構造の並列接続巻線を実施するように前記第３絶縁層
    を貫通するバイア・ホールを介して接続されている、イ
    ンダクタ構造。
  2. 【請求項２】シリコン基板を覆う第１絶縁層上に形成さ
    れた第１金属段をさらに備え、前記第１金属段が、前記
    第２および第３金属段のスパイラル・パターンの下を交
    差して、インダクタ構造の第１端子に接続されるパター
    ンを有し、前記第２および第３金属段の一方が、インダ
    クタ構造の第２端子に接続され、前記第２金属段が、第
    ２絶縁層によって前記第１金属段から分離され、前記第
    ２絶縁層を貫通するバイア・ホールによって前記スパイ
    ラル・パターンの中心部で前記第１金属段に接続されて
    いる、請求項１に記載のインダクタ構造。
  3. 【請求項３】前記第１、第２および第３絶縁層が二酸化
    シリコンである、請求項２に記載のインダクタ構造。
  4. 【請求項４】前記インダクタ構造が２．４〜２．５ＧＨ
    ｚの帯域で７以上のＱ値を有する、請求項３に記載のイ
    ンダクタ構造。
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