JP4908035B2 - 半導体集積回路 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体集積回路(IC)に係り、特に誘導素子をなすスパイラル形状の線状導電層を備えたスパイラルインダクタを有するICにおけるスパイラルインダクタ周辺のダミー配線パターンに関するもので、例えば高周波受動素子に使用されるものである。
例えば高周波受動素子用のIC内にメタル配線層によりスパイラルインダクタを形成する際、最近の製造世代では、化学的機械研磨(CMP)のばらつきおよび配線の剥離を防止するために、スパイラルインダクタの周辺領域に、メタル配線層からなるダミー配線層を所定の被覆率となるように配置するルールが提案され始めている。例えばスパイラルインダクタおよびその周辺領域を含む一定の面積内に、規定の被覆率となるような配線層のパターンが存在しない場合にダミー配線層のパターン(ダミー配線パターン)を自動的にランダムに発生させるルールが提案されている。ここで、被覆率とは、配線層の各層毎に一定のエリア内にどの程度のパターンがあるか、つまり、パターンの割合をいう。
しかし、スパイラルインダクタの近傍にダミー配線パターンを配置する際、スパイラルインダクタのパターン下にもダミー配線パターンが自動的に発生した場合、それによって発生する寄生容量やインダクタンスの影響によりスパイラルインダクタの高周波特性Q値が劣化することが判明しており、ダミー配線パターンの配置に関する適切なルールを確立することが要望されている。ここで、高周波特性Q値は、スパイラルインダクタの抵抗分をR、インダクタンス分をL、角周波数をωで表すと、Q=ωL/Rで示される。
ダミー配線パターンを配置する際、自動的に発生させずに手描きにより配置した場合には、ダミー配線パターンの形状によっては渦電流の発生を促す事態が生じるので、やはりスパイラルインダクタの高周波特性Q値が劣化する原因となる。
なお、特許文献1には、基板上に形成された誘導素子をなすスパイラル形状の線状導電層を備えたスパイラルインダクタにおいて、線状導電層の直下の領域を除く領域に、上面がCMP工程を制御するためのダミー素子領域となる凸部が形成されるように、基板表面に素子分離用の溝を形成する点が開示されている。
特開2002−110908号公報
本発明は前記した従来の問題点を解決すべくなされたもので、内部に形成されるスパイラルインダクタの近傍にダミー配線パターンを配置する際、ダミー配線パターンに渦電流を生じさせることなく、ダミー配線パターンに起因するスパイラルインダクタの高周波特性Q値の劣化を防止し得る半導体集積回路を提供することを目的とする。
本発明の半導体集積回路は、半導体集積回路チップ内に割り当てられたインダクタ形成領域内にインダクタとなるスパイラル状の配線パターンが形成されてなるスパイラルインダクタと、前記インダクタ形成領域内で前記スパイラルインダクタの内側に形成されたダミー配線パターンとを具備し、前記ダミー配線パターンは、閉ループの少なくとも一辺が開放された形状であり、前記スパイラルインダクタから一定距離以上離れた位置で、XY座標で四分割された領域毎にサイズが異なる相似形の複数のL字形状のパターンを同心的に配置すると共に、前記L字状のパターンの各辺が前記スパイラルインダクタに対してほぼ直角な向きで対向して配置されている。
本発明の半導体集積回路によれば、内部に形成されるスパイラルインダクタの近傍にダミー配線パターンを配置する際、ダミー配線パターンに渦電流を生じさせることなく、ダミー配線パターンに起因するスパイラルインダクタの高周波特性Q値の劣化を防止することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。この説明に際して、全図にわたり共通する部分には共通する参照符号を付す。
図1は、本発明の半導体集積回路の一実施形態に係るCMOSプロセスにより製造されたCMOS型ICチップのパターンレイアウトの一例を概略的に示す平面図である。図1に示すICチップ10上には、各種の機能ブロック11などのほか、ある一定面積の領域(例えば150μm×150μm)がスパイラルインダクタ形成領域20として割り当てられている。
図2は、図1中のスパイラルインダクタ形成領域20を取り出してスパイラルインダクタおよびその周辺領域に配置されたダミー配線のパターンの一例を概略的に示す平面図である。スパイラルインダクタ形成領域20内には、中央部にスパイラルインダクタ21が形成され、その周辺領域(スパイラルインダクタ21の内側と外側領域)に所定のルールでダミー配線パターン24が形成されている。
スパイラルインダクタ21は、インダクタとなるスパイラル状のメタル配線パターン(例えばCu配線)が形成されてなり、その両端部が引き出されている。この場合、スパイラルインダクタ21の一端部は、スパイラルインダクタ21の一部の下方を迂回して引き出されるように、下層のメタル配線22との間で層間絶縁膜(図示せず)に埋め込まれたビアなどの導電プラグ(図示せず)、コンタクト部23を経由している。なお、スパイラルの形状は、図示の方形に限らず、円形に近い八角形など変形が可能である。
スパイラルインダクタ21の周辺領域には、複数のダミー配線パターン24がそれぞれスパイラルインダクタ21から一定距離L以上離れた位置に形成されている。複数のダミー配線パターン24は、スパイラルインダクタ21に対して影響を及ぼした場合でも、偏らないで均等に影響を及ぼすように配置されている。即ち、スパイラルインダクタ21に対して規則性を有する、あるいは均一性を有する、望ましくは規則性および均一性を有するように配置されている。各ダミー配線パターン24は、渦電流が生じる閉ループ状、例えば方形の4辺を囲まれた形状であってはならず、閉ループの少なくとも一辺が開放された形状とする。そのような形状の一例として、閉ループの一辺であるバー状、あるいはドット状、閉ループの二辺であるL字状、閉ループの三辺であるコ字状などがある。
本例では、スパイラルインダクタ21の外側領域に配置されるダミー配線パターンであってスパイラルインダクタ21に最も近い部分に位置する第1のダミー配線パターン24aは、例えば短いバー状のパターンがスパイラルインダクタ21に対してほぼ直角な向きで対向して配置されている。また、スパイラルインダクタ21の内側に配置されるダミー配線パターン24のうちの全てのダミー配線パターンあるいはスパイラルインダクタ21に最も近い部分に位置する第2のダミー配線パターン24bは、例えばそれぞれL字状パターンとして規定されている。この場合、スパイラルインダクタ21の内側がXY座標で四分割された領域毎にサイズが異なる相似的な複数のL字状パターンが同心的に配置されており、L字状パターンの各辺はスパイラルインダクタ21に対してほぼ直角な向きで対向して配置されている。
スパイラルインダクタ21と第1のダミー配線パターン24a、第2のダミー配線パターン24bとの間の距離L、スパイラルインダクタ21の内側におけるダミー配線パターン24の被覆率(密度)を適切に設定することが望ましい。この場合、スパイラルインダクタ21と第2のダミー配線パターン24bとの間の距離Lの下限は、ダミー配線パターンがスパイラルインダクタ21に対して及ぼす誘導結合および容量結合の影響ができる限り少なくなるように考慮して規定する。また、上記距離Lの上限は、多層のメタル配線構造を有するダミー配線パターン24を形成する際にメタル配線構造の上層の層間絶縁膜およびメタル配線層に対するCMPによる平坦性を考慮して規定する。また、スパイラルインダクタ21の内側におけるダミー配線パターン24の被覆率(密度)の上限は、ダミー配線パターン24がスパイラルインダクタ21に対して及ぼす誘導結合および容量結合の影響の大きさを考慮して規定する。ここで、被覆率(密度)とは、配線層におけるある一定の領域に占める配線面積の割合である。
上記したような各ダミー配線パターン24は、設計段階においては例えば手書きにより作製することができるが、自動的に発生させるようにしてもよい。このことは、スパイラルインダクタ形成領域20以外の領域に対して、例えばある一定の面積内に規定の被覆率となるような配線層のパターンが存在しない場合にダミー配線パターンを自動的に発生させる既存のプロセス上の効果を損なうことがない。
図3は、図1に示したスパイラルインダクタ21とダミー配線パターン(Dummy) 24との関係についてスパイラルインダクタ21のQ値の最大値、最小値、平均値をシミュレーションによって求めた結果を示している。ここでは、スパイラルインダクタ21の配線幅は152μmとし、スパイラルインダクタ21からダミー配線パターン24までの距離Lを変えた場合と、ダミー配線パターンまでの距離Lを0.3μmあけてダミー配線パターン(DM)をランダムに自動的(Auto)に発生させた配置した場合とについて、スパイラルインダクタ形成領域20内にダミー配線パターン24を形成しなかった場合(No dummy)を基準値100として対比して示した。また、スパイラルインダクタ21のQ値は一般に周波数依存性を有するが、ここでは測定周波数として例えば5GHZを用いた。
なお、ダミー配線パターン24を形成した場合は、ダミー配線パターンを形成しなかった場合と比べてダミー配線パターン24の影響によりスパイラルインダクタ21のQ値が若干劣化するが、図3から分かるように、スパイラルインダクタ2からダミー配線パターンまでの距離Lを設計基準である1.2μm以上の距離5μm程度に設定した場合にQ値を最適化でき、Q値の劣化を抑制することが可能である。
上記したように本実施形態のICによれば、閉ループの少なくとも一辺が開放された形状を有するダミー配線パターンが、スパイラルインダクタ21から一定距離L以上離れた位置で、スパイラルインダクタ21に対して規則性および/または均一性を有するように所定の規定にしたがって配置されている。これにより、ダミー配線パターン24がスパイラルインダクタ21に対して及ぼす誘導結合および容量結合の影響がほぼ均一になり、つまり、局所的に影響の大小が発生しなくなり、スパイラルインダクタ21の特性のばらつきが少なくなる。結果として、ダミー配線パターン24に起因してスパイラルインダクタ21の高周波特性(Q)値が劣化することを防ぐことができ、スパイラルインダクタ21を内蔵しているICの性能劣化を防ぎ、このICを適用するアプリケ−ションの拡大等を期待することができる。また、ICの今後の微細化により前記被覆率に対する制限がますます厳しくなっていくが、前記したようにダミー配線パターン24がスパイラルインダクタ21に対して及ぼす影響を最小限にできることはICの今後の微細化への対応にも有利となる。
なお、スパイラルインダクタ21の内側に形成されたダミー配線パターンとして、前述したようにXY座標で四分割された領域毎にサイズが異なる相似的な複数のL字状のパターンを同心的に配置し、L字状パターンの各辺をスパイラルインダクタ21に対してほぼ直角な向きで対向して配置することにより、前記した効果が容易に得られる。
また、スパイラルインダクタ21の外側領域でスパイラルインダクタ21に最も近い部分に位置する第1のダミー配線パターン24aとして、前述したようにバー状あるいはドット状のパターンをスパイラルインダクタ2に対してほぼ直角な向きで配置することにより、前記した効果が容易に得られる。
本発明の半導体集積回路の第1の実施形態に係るCMOS型ICチップのパターンレイアウトの平面図。 図1中のスパイラルインダクタ形成領域を取り出してスパイラルインダクタおよびその周辺領域に配置されたダミー配線のパターンの平面図。 図1に示したスパイラルインダクタとダミー配線パターンとの関係についてスパイラルインダクタのQ値の最大値、最小値、平均値をシミュレーションによって求めた結果を示す特性図。
符号の説明
10…ICチップ、11…機能ブロック、20…スパイラルインダクタ形成領域、21…スパイラルインダクタ、22…下層のメタル配線、23…コンタクト部、24…ダミー配線パターン、24a…第1のダミー配線パターン、24b…第2のダミー配線パターン。

Claims (4)

  1. 半導体集積回路チップ内に割り当てられたインダクタ形成領域内にインダクタとなるスパイラル状の配線パターンが形成されてなるスパイラルインダクタと、
    前記インダクタ形成領域内で前記スパイラルインダクタの内側に形成されたダミー配線パターンと、
    を具備し、
    前記ダミー配線パターンは、閉ループの少なくとも一辺が開放された形状であり、前記スパイラルインダクタから一定距離以上離れた位置で、XY座標で四分割された領域毎にサイズが異なる相似形の複数のL字形状のパターンを同心的に配置すると共に、前記L字状のパターンの各辺が前記スパイラルインダクタに対してほぼ直角な向きで対向して配置されていることを特徴とする半導体集積回路。
  2. 前記スパイラルインダクタとダミー配線パターンとの間の距離の下限は、ダミー配線パターンがスパイラルインダクタに対して及ぼす誘導結合および容量結合の影響の大きさ、ダミー配線パターンを形成する際の化学的機械研磨による層間絶縁膜およびメタル配線層の平坦性を考慮して規定されていることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。
  3. 前記スパイラルインダクタとダミー配線パターンとの間の距離の上限は、ダミー配線パターンを形成する際の化学的機械研磨による層間絶縁膜およびメタル配線層の平坦性を考慮して規定されていることを特徴とする請求項1または2記載の半導体集積回路。
  4. 前記スパイラルインダクタの内側におけるダミー配線パターンの被覆率の上限は、ダミー配線パターンがスパイラルインダクタに対して及ぼす誘導結合および容量結合の影響の大きさを考慮して規定されていることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路。
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