JP6106279B2 - 予め規定される電流帰還を有するインダクタ構造 - Google Patents

Description

本明細書に開示される１つ以上の実施例は、半導体集積回路（ＩＣ）に関し、より特定的には、半導体ＩＣとともに用いるためのインダクタ構造に関する。

背景
半導体集積回路（ＩＣ）技術は、これまでになくより小さな構造物サイズを支持することを展開し続けている。より小さな構造物サイズは、より小さな装置の形成を容易にし、それによって、より多数の装置がＩＣの所与の領域内において実現されることを可能にする。装置が互いに対してより接近して実現され、全体的な装置の数がＩＣ内において増大するにつれ、装置間の電気的相互作用の数も増大する傾向にある。

電気的相互作用の一例は誘導結合である。誘導結合は、ＩＣ内における装置、および特にインダクタの性能を低減し得る。ＩＣ内のインダクタの実現は、現代の回路の動作周波数およびインピーダンス整合の必要性を考えると、ますます重要となっている。しかしながら、誘導結合のような多くの電気的な相互作用は、現代のＩＣ製造技術を用いて実現されるＩＣ内において予測および定量化することは難しい。

概要
半導体集積回路（ＩＣ）内において実現されるインダクタ構造は、導電性材料からなり、少なくとも１つの巻回を有するコイルを含む。インダクタ構造は、さらに、このコイルを包含する電流帰還（current return）を含む。電流帰還は、ＩＣの複数の相互接続された金属層から形成される。

いくつかのそのようなインダクタ構造においては、以下のうちの１つ以上が当てはまり得る。コイルおよび電流帰還は物理的に接続されても、または接続されなくてもよい。インダクタ構造は、さらに、コイルと電流帰還とを接続するコネクタを含み得る。そのようなコネクタはコイルの中間点を電流帰還に接続し得る。電流帰還は、電流帰還の近接する金属層の各対を接続する少なくとも１つのビアセグメントを含み得、各ビアセグメントは、電流帰還の近接する金属層の各対間の金属層内において実現される。電流帰還の近接する金属層の各対は、電流帰還を実現するのに用いられる集積回路製造技術のためのデザインルールに従って最小の許可された間隔を有する複数のビア要素によって接続され得る。コイルは奇数個または偶数個のいずれかの巻回を含み得る。電流帰還の外側境界はコイルと実質的に同様に形状化され得る。電流帰還は少なくとも４つの階層を含み得る。代替的に、４つの階層より少ない階層が含まれてもよい。コイルおよび電流帰還は、インダクタ構造を二分する第１の軸に関して対称であり得る。コネクタが存在する場合には、コネクタは、インダクタ構造を二分する第１の軸と整列される向きを有し得、コイルおよび電流帰還は第１の軸に関して対称である。同じ金属層を用いて、コイルの少なくとも一部、電流帰還の少なくとも１つの金属層、およびコネクタを、連続する金属部分として形成し得る。

例示的なインダクタ構造の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第１のブロック図である。 例示的なインダクタ構造の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第２のブロック図である。 例示的なインダクタ構造の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第３のブロック図である。 例示的なインダクタ構造の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第４のブロック図である。 インダクタ構造に対する例示的な電流帰還の側面図を示す第５のブロック図である。 インダクタ構造の電流帰還の形成で用いられる導体構造の例の第１の斜視図である。 インダクタ構造の電流帰還の形成で用いられる導体構造の例の第２の斜視図である。 インダクタ構造の電流帰還の形成で用いられる導体構造の例の第３の斜視図である。 インダクタ構造の電流帰還の形成で用いられる導体構造の例の第４の斜視図である。 図６を参照して記載されるようなビアセグメントを用いて形成される例示的な電流帰還の第５の斜視図である。 異なるインダクタ構造に対する性質係数（Ｑ）を示すグラフである。

詳細な説明
本明細書は、新規な特徴を規定する特許請求の範囲で完結するが、本明細書に開示されるさまざまな特徴は、添付の図面と関連して本記載を考慮することからよりよく理解されると考えられる。本明細書内に記載されるプロセス、機械、製造物およびそれらの任意の変形は、例示の目的のために与えられる。本明細書内に開示される具体的な構造的および機能的詳細は、限定的に解釈されるのではなく、単に、特許請求の範囲の基礎として、および当業者に対して事実上任意の適切に詳細化される構造において記載される特徴をさまざまに用いるように教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。さらに、本明細書内において用いられる用語および表現は、限定的に意図されるものではなく、開示される特徴の理解可能な説明を提供するよう意図されるものである。

本明細書に開示される１つ以上の例は、半導体集積回路（ＩＣ）、および特に、ＩＣ内で用いるためのインダクタ構造に関する。電流帰還を含むインダクタ構造が実現され得る。電流帰還は、インダクタ構造を通って流れる電流が、インダクタ構造が実現されるＩＣ内において既知であり予め規定される経路を通ることを確実にする。電流帰還は、周囲のＩＣ構造より低いインピーダンスを有して実現されることにより、電流の流れが、他のＩＣ構造を通ってインダクタ構造と他のＩＣ構造、たとえば装置の電磁結合をもたらす結果となるであろうこととは対照的に、電流帰還を通って流れることを確実にする。インダクタ構造と他のＩＣ構造との間の電磁結合を低減することは、インダクタ構造のインダクタンスが意図される設計値から変動することを防ぐ。さらに、インダクタ構造の性質係数または「Ｑ」が改善される。

説明を単純かつ明瞭にするために、図に示される要素は必ずしも尺度決めして描かれない。たとえば、要素のいくつかの寸法は、明瞭にするため、他の要素に対して誇張される場合がある。さらに、適切であると考えられる場合には、参照番号を図面間で繰返して、対応の、類似の、または同様の特徴を示す。

図１は、例示的なインダクタ構造１００の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第１のブロック図である。インダクタ構造１００は、第１の端子１１０および第２の端子１１５を有するコイル１０５を含む。コイル１０５は金属のような導電材料から形成される。特に、コイル１０５は、インダクタ構造１００が実現されるＩＣ内に、パターン化された金属層、たとえばトレースの一部として形成される。コイル１０５は、奇数個の巻回またはループを含む。コイル１０５は１個、３個または他のなんらかの奇数個の巻回を含み得ることが十分に理解されるべきである。この例では、コイル１０５は１つの巻回を含む。図示されるように、コイル１０５は形状において概ね八角形である。しかしながら、コイル１０５の特定形状は、限定であるようには意図されない。コイル１０５は、円形、正方形、矩形などを含むが、これらに限定されないさまざまな他の形状のいずれかにおいて実現され得る。端子１１０は脚部１２０によってコイル１０５の巻回部分に結合される。端子１１５は脚部１２５によってコイル１０５の巻回部分に結合される。コイル１０５が３つ以上の巻回（奇数個の巻回）を含む場合、コイル１０５の各巻回は同じ中心を有し、たとえば、同心である。

インダクタ構造１００は、さらに、電流帰還１３０を含む。電流帰還１３０はコイル１０５を完全に包含し、インダクタ構造１００が実現される特定のＩＣ内において接地に接続される。図示されるように、電流帰還１３０は、電流帰還１３０の外側周囲もしくは境界、または実質的にコイル１０５の形状と同じである電流帰還１３０の内側周囲もしくは境界によって規定されるように形状を有する。たとえば、電流帰還１３０の内側境界とコイル１０５の外側境界との間の距離「ｄ」は一定または実質的に一定であり得る。

電流帰還１３０は２つ以上の階層から形成される。特に、電流帰還１３０は積層された金属階層から形成される。図１に示される実施例では、電流帰還１３０は、コイル１０５または脚部１２０および１２５のいずれにも物理的に接続されない。各階層は、誘導構造１００が実現されるＩＣのパターン化された金属層から形成される。電流帰還１３０は、コイル１０５を取り囲む導電材料の壁、たとえばトレースを、事実上形成する。例として、電流帰還１３０は少なくとも４つの階層を含み、近接する階層は、場合に応じて、複数個のコンタクトおよび／またはビア要素のような導電性のＩＣ構造を用いて縦に接続される。導電性のＩＣ構造を用いて連結された２つ以上の、たとえば複数の階層を用いて電流帰還１３０を形成することは、電流帰還１３０のインピーダンスを低減し、それによって、電流が、ＩＣを通る１つ以上の他の意図しない経路を通ることとは対照的に、電流帰還１３０を通ることを確実にする。

Ｘ軸およびＹ軸が、さまざまな物理的局面を示すために、インダクタ構造１００上に重ねられる。水平のＸ軸は垂直のＹ軸と垂直である。インダクタ構造１００がＹ軸に関して対称なように、Ｙ軸はインダクタ構造１００を二分する。したがって、左側と呼ばれる、Ｙ軸の左側のインダクタ構造１００の部分は、右側と呼ばれる、Ｙ軸の右側のインダクタ構造１００の部分の鏡像である。インダクタ構造１００の左側は端子１１０を含む。インダクタ構造１００の右側は端子１１５を含む。

Ｘ軸は、インダクタ構造１００を２つの不均等な部分に分割する。インダクタ構造１００はＸ軸について対称ではない。頂部部分と呼ばれる、Ｘ軸より上のインダクタ構造１００の部分は、底部部分と呼ばれる、Ｘ軸より下のインダクタ構造１００の部分の鏡像ではない。図示されるように、脚部１２０および１２５の各々はＹ軸と平行である。

図２は、例示的なインダクタ構造２００の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第２のブロック図である。インダクタ構造２００は実質的にインダクタ構造１００と同様に実現される。たとえば、インダクタ構造２００は、第１の端子２１０および第２の端子２１５を有するコイル２０５を含む。コイル２０５は、奇数個の巻回またはループを含む。コイル２０５は記載されるように導電材料から形成される。コイル２０５は１個、３個または他のなんらかの奇数個の巻回を含み得ることが十分に理解されるべきである。この例では、コイル２０５は１つの巻回を含む。コイル２０５は一般に形状は八角形であるが、この点において限定はされない。端子２１０は脚部２２０によってコイル２０５の巻回部分に結合される。端子２１５は脚部２２５によってコイル２０５の巻回部分に結合される。コイル２０５が３つ以上の巻回（奇数個の巻回）を含む場合、コイル２０５の各巻回は同じ中心を有し、たとえば、同心である。

インダクタ構造２００は、さらに、接地に接続される電流帰還２３０を含む。電流帰還２３０は、図１の電流帰還１３０と実質的に同様に実現される。たとえば、電流帰還２３０は、コイル２０５を完全に包含し、インダクタ構造２００が実現される特定のＩＣ内において接地に接続される、積層された金属層から形成される。しかしながら、図１の電流帰還１３０とは異なり、電流帰還２３０は、コネクタ２３５によってコイル２０５に物理的に接続される。

コネクタ２３５はコイル２０５の中間点に接続される。したがって、コネクタ２３５は、コイル２０５の長さに関して、端子２１０および端子２１５から等距離である。コネクタ２３５は金属から形成される。たとえば、コネクタ２３５はコイル２０５が形成されるのと同じ金属層を用いて形成される。この点では、電流帰還２３０は、連続的な金属の部分としてコイル２０５および／またはコネクタ２３５を形成するのに用いられるのと同じ金属層から形成される少なくとも１つの階層を含み得る。したがって、電流帰還２３０の少なくとも１つの階層、コイル２０５およびコネクタ２３５は、ＩＣの同じ金属層内にパターン化された単一の連続的な金属の部分から形成される。電流帰還２３０の複数階層形成のため、電流帰還２３０は、コイル２０５およびコネクタ２３５を実現するよう用いられる特定の金属層に依って、コイル２０５より上、コイル２０５より下、またはコイル２０５より上およびコイル２０５より下の両方に、延在する。

Ｘ軸およびＹ軸が、さまざまな物理的局面を示すために、インダクタ構造２００上に重ねられる。水平のＸ軸は垂直のＹ軸と垂直である。インダクタ構造２００がＹ軸に関して対称なように、Ｙ軸はインダクタ構造２００を二分する。したがって、Ｙ軸の左側のインダクタ構造２００の部分は、Ｙ軸の右側のインダクタ構造２００の部分の鏡像である。インダクタ構造２００の左側は端子２１０を含む。インダクタ構造２００の右側は端子２１５を含む。

Ｘ軸は、インダクタ構造２００を２つの不均等な部分に分割する。インダクタ構造２００はＸ軸について対称ではない。頂部部分と呼ばれる、Ｘ軸より上のインダクタ構造２００の部分は、底部部分と呼ばれる、Ｘ軸より下のインダクタ構造２００の部分の鏡像ではない。図２に図示されるようにコイル２０５が奇数個の巻回を有する構成では、コネクタ２３５は、Ｘ軸の異なる側、つまり頂部部分に位置し、一方、端子２１０および２１５は別の側、つまり底部部分に位置する。図示されるように、脚部２１０および２１５の各々はＹ軸と平行である。Ｙ軸もコネクタ２３５を二分する。

図３は、例示的なインダクタ構造３００の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第３のブロック図である。インダクタ構造３００は、第１の端子３１０および第２の端子３１５を有するコイル３０５を含む。コイル３０５は、偶数個の巻回またはループを含む。この実施例では、コイル３０５は２つの巻回を含む。コイル３０５は２個、４個または他のなんらかの偶数個の巻回を含み得ることが十分に理解されるべきである。端子３１０は脚部３２０によってコイル３０５の巻回部分に結合される。端子３１５は脚部３２５によってコイル３０５の巻回部分に結合される。

コイル３０５は、導電材料を用いて、および特に、インダクタ構造３００が実現されるＩＣの２つの金属層内に、形成される。一般に、コイル３０５の両方の巻回は、ＩＣの同じ金属層に位置する。ブリッジ部分３４０は異なる金属層において実現され、コンタクトおよび／またはビア要素のような縦の導電性のＩＣ構造によってコイル３０５に接続される。ブリッジ３４０は、コイル３０５が２つの連続的な巻回として実現されることを可能にする。示されるように、コイル３０５の各巻回は形状が概ね八角形である。しかしながら、コイル３０５の特定形状は、限定であるようには意図されない。コイル３０５は、円形、正方形、矩形などを含むが、これらに限定されないさまざまな他の形状のいずれかにおいて実現され得る。図３に示されるように、内側巻回はコイル３０５の外側巻回に関して中央におかれるため、コイル１０５の各巻回は同じ中心を有し、たとえば、同心である。

インダクタ構造３００は、さらに、電流帰還３３０を含む。電流帰還３３０は、コイル３０５、脚部３２０または脚部３２５に物理的に接続されない。電流帰還３３０はコイル３０５を包含する。図示されるように、電流帰還３３０は、電流帰還３３０の外側周囲もしくは境界、または実質的にコイル３０５の形状と同じである電流帰還３３０の内側周囲もしくは境界によって規定されるように形状を有する。示されるように、電流帰還３３０の内側境界とコイル３０５の外側境界との間の距離「ｄ」は一定または実質的に一定であり得る。

電流帰還３３０は、図１および図２を参照して記載されるように、１つ以上の階層から形成され、各階層は、誘導構造３００が実現されるＩＣのパターン化された金属層から形成される。例として、電流帰還３３０は少なくとも４つの階層を含み、近接する階層は、場合に応じて、複数個のコンタクトおよび／またはビア要素のような導電性のＩＣ構造を用いて縦に接続される。

Ｘ軸およびＹ軸が、さまざまな物理的局面を示すために、インダクタ構造３００上に重ねられる。水平のＸ軸は垂直のＹ軸と垂直である。インダクタ構造３００がＹ軸に関して対称なように、Ｙ軸はインダクタ構造３００を二分する。インダクタ構造３００の左側は、インダクタ構造３００の右側の鏡像である。インダクタ構造３００の左側は端子３１０を含む。インダクタ構造３００の右側は端子３１５を含む。

Ｘ軸は、インダクタ構造３００を２つの不均等な部分に分割する。インダクタ構造３００の頂部部分はインダクタ構造３００の底部部分の鏡像ではないという点で、インダクタ構造３００はＸ軸について対称ではない。

図４は、例示的なインダクタ構造４００の形状的な諸特徴とその構造的な関係を示す図を示す第４のブロック図である。インダクタ構造４００は、図３のインダクタ構造３００に実質的に同様である。たとえば、インダクタ構造４００は、導電材料から、たとえば、金属層を用いて形成されるコイル４０５を含む。コイル４０５は第１の端子４１０および第２の端子４１５を有する。コイル４０５は、偶数個の巻回またはループを含む。この実施例では、コイル４０５は２つの巻回を含む。コイル４０５は２個、４個または他のなんらかの偶数個の巻回を含み得ることが十分に理解されるべきである。端子４１０は脚部４２０によってコイル４０５の巻回部分に結合される。端子４１５は脚部４２５によってコイル４０５の巻回部分に結合される。

インダクタ構造４００は、さらに、実質的に図３の電流帰還３３０と同様に電流帰還４３０を含む。たとえば、電流帰還４３０は積層された金属層から形成され、コイル４０５を包含する。しかしながら、電流帰還３３０とは異なり、電流帰還４３０は、コネクタ４３５によってコイル４０５に物理的に接続される。コネクタ４３５はコイル４０５の中間点に接続される。コネクタ４３５は金属から形成される。たとえば、コネクタ４３５はコイル４０５が形成されるのと同じ金属層を用いて形成される。この点では、電流帰還４３０は、コイル４０５および／またはコネクタ４３５を形成するのに用いられるのと同じ金属層から形成される少なくとも１つの階層を含み得る。したがって、電流帰還４３０の少なくとも１つの階層、コイル４０５およびコネクタ４３５は、ＩＣの同じ金属層内にパターン化された単一の連続的な金属の部分から形成される。電流帰還４３０の複数階層形成のため、電流帰還４３０は、コイル４０５を実現するよう用いられる特定の金属層に依って、コイル４０５より上、コイル４０５より下、またはコイル４０５より上およびコイル４０５より下の両方に、延在する。

Ｘ軸およびＹ軸が、さまざまな物理的局面を示すために、インダクタ構造４００上に重ねられる。水平のＸ軸は垂直のＹ軸と垂直である。インダクタ構造４００がＹ軸に関して対称なように、Ｙ軸はインダクタ構造４００を二分する。インダクタ構造４００の左側は、インダクタ構造４００の右側の鏡像である。インダクタ構造４００の左側は端子４１０を含む。インダクタ構造４００の右側は端子４１５を含む。

図示されるように、コネクタ４３５はコイル４０５の第３の脚部部分を効果的に形成する。コネクタ４３５は脚部４２０と４２５との各々の間に位置する。コネクタ４３５は、Ｙ軸と同様に、脚部４２０および４２５とも平行である。示されるように、Ｙ軸は、さらに、コネクタ４３５を二分する。

Ｘ軸は、インダクタ構造４００を２つの不均等な部分に分割する。インダクタ構造４００の頂部部分はインダクタ構造４００の底部部分の鏡像ではないという点で、インダクタ構造４００はＸ軸について対称ではない。図４に図示されるようにコイル４０５が偶数個の巻回を有する構成では、コネクタ４３５は、端子４１０および４１５と同じＸ軸の側、つまり底部部分にある。

さまざまなインダクタ構造は形状が八角形であるとして示されている。インダクタ構造および特にコイルの特定形状は、変動し得ることが十分に理解されるべきである。いくつかの適用例では、コイルは円形の形状を有し、他の適用例では、コイルは形状が正方形または矩形である。用いられる特定の巻回数およびコイルの形状は、インダクタ構造の端子が、同じ側に、たとえばＸ軸および／もしくはＹ軸より上、下、またはＸ軸および／もしくはＹ軸の対向する側上に、位置されるかどうかを決定する。たとえば、正方形コイルは、全巻回に対しては、概して、両方の端子がＸ軸の同じ側に位置されることになり、半巻回または半巻回を含む任意の巻回数、たとえば１．５、２．５などに対しては、端子はＸ軸の反対側に位置されることになる。さらに、コイルおよび／または電流帰還の特定形状にかかわらず、インダクタ構造は、コイルを電流帰還と物理的に接続するコネクタを含むように形成されるか、またはコイルが電流帰還に物理的に接続されないように形成され得る。

図５は、インダクタ構造に対する例示的な電流帰還５００の側面図を示す第５のブロック図である。電流帰還５００は、図１−図４の電流帰還を参照して記載される複数階層積層手法を示す。示されるように、電流帰還５００は基板５０５上に実現され、複数個の階層を含む。この例では、電流帰還５００は４つの階層５１０、５１５、５２０、５２５を含む。各階層はトレースを形成するようパターン化された金属層を用いて実現される。公知のように、各金属層、およびしたがって階層は、階層５１０〜５２５のうちの近接する階層を接続するよう用いられるビア要素によって占有される部分を除き、絶縁材料によって互いの金属層から分離される。

階層５１０〜５２５は、縦に積層され、共通の中心を共有する。階層５１０は基板５０５にコンタクト５３０を介して接続される。階層５１０と５１５、階層５１５と５２０、および階層５２０と５２５は、ビア要素５３５によって縦に接続される。注目されるように、インダクタ構造のコイル部分（電流帰還５００内においては視界から遮られる）は、階層５１０、５１５、５２０および／または５２５を形成するよう用いられる同じ金属層の１つ以上を用いて形成される。一例では、ビア要素５３５は、電流帰還を実現するよう用いられる特定のＩＣ製造技術に対するデザインルールに基づく最小の許可される間隔に従って離間される。

たとえば、単一の巻回を有するコイルの場合、そのコイルは、階層５１０〜５２５を実現するよう用いられる金属層のうちの任意の１つにおいて実現され得る。２巻回コイルの場合、巻回は、階層５１０〜５２５を実現するよう用いられる金属層のうちの任意のものにおいて実現され得る。ブリッジ部分も、たとえば、階層５１０〜５２５の１つに対して用いられるのと同じ金属層を用いて実現され得る。したがって、たとえば、巻回が、階層５２５を実現するよう用いられるのと同じ金属層において実現される場合、ブリッジは、階層５２０を実現するよう用いられる金属層を用いて実現され得る。巻回が、階層５１０を実現するよう用いられる同じ金属層において実現される場合には、ブリッジは、階層５１５を実現するよう用いられる金属層を用いて実現され得る。

図５は従来のビアを示す。「トレンチビア」のような他のタイプのビア要素を用い得る。図６および図７は、壁部を形成するよう積層され得、インダクタ構造のために本明細書内において実質的に記載されるように電流帰還を実現するよう用いられ得る「トレンチ」種類のビア要素を利用するさまざまな導体構造を示す。

図６−１は、インダクタ構造の電流帰還を形成する際に用いるための導体構造６００−１の例の第１の斜視図である。導体構造６００−１は、たとえばパッケージ基板においてＩＣ内に実現され得る導体の一例である。図示されるように、導体構造６００−１は、トレースのうちの近接するものがビア要素６１５−１によって分離されるトレース６０５−１および６１０−１のような１つ以上の金属層を含み得る統合された導体構造であるかまたはそれ（ら）から形成され得る統合された導体構造である。

トレース６０５−１は第１の金属層を用いて実現され得る。トレース６１０−１は第２の異なる金属層を用いて実現され得る。各金属層は、ｘ軸およびｙ軸によって規定される面と平行に実現され得る。一般的に、トレース６０５−１およびトレース６１０−１は、各それぞれの金属層の一部をＩＣ製造プロセスを通して除去して、トレース６０５−１およびトレース６１０−１を形成する「パターン化された層」を後に残すことにより、形成され得る。

トレース６０５−１およびトレース６１０−１は絶縁層によって分離され得る。いくつかの場合では、２つの連続する導電層を分離する絶縁層はビア層と呼ばれる。用いられ得る誘電体材料の例は、支持用ガラスファイバを伴うものを含むプリプレグタイプ、ＡＢＦ膜を含むフィルムタイプ、またはセラミックタイプを含み得るが、それらに限定はされない。

ビア層を用いて、トレース６０５−１をトレース６１０−１に電気的に結合するよう構成され得る１つ以上のビア要素を形成し得る。一般的に、「ビア要素」は、電気回路において異なる導体の層の間つまり異なる導電層間における縦方向の電気的接続を指す。いくつかの場合においては、たとえばＩＣ内において、「ビア」という語は、絶縁層内に形成され、中に導電材料を形成して縦方向の電気的接続を実現し得る開口部を指し得る。本明細書内において用いられるとおりでは、「ビア」、「ビア要素」および「ビアセグメント」という用語は、単に接続が中に形成される開口部とは対照的な、縦方向の、物理的および電気的接続を指す。

例示のため、および記載を容易にするため、「ビア要素」という表現は、従来のビアおよびビアセグメント（たとえば「トレンチビア」）の両方を指すよう用いられる。「ビアセグメント」という表現は、従来のビアに特徴的な柱状、円筒状、プラグ状またはドット（実質的に球形）状に制限されない自由造形態様において形状化されるビアを指す。ビアセグメントは、たとえば、絶縁層に形成されるトレース、立方体、直平行六面体、矩形の直平行六面体、平面などとして形成され得る。「ビア」という語は、従来のビアを指すよう用いられる。

１つの局面において、ビアセグメントは、トレース６１０−１、ビアセグメント６１５−１およびトレース６０５−１を形成するよう用いられるさまざまな金属層が一連のパターン化された金属層を用いて形成されるプロセスを用いて形成され得る。各層は、たとえば、ビアセグメント６１５−１が形成される層を含む、パターン化された金属層として形成され得る。層はフォトレジスト技術を用いて形成され得、それによって、トレース６０５−１および６１０−１の各々に対してそうであるように、自由造形形状のビアセグメント６１５−１が形成されることを可能にする。この点において、ビアセグメント６１５−１が形成される層は、トレース６０５−１および６１０−１を形成するよう用いられる金属層とは分離しておりかつそれら金属層とは異なる金層から形成される。トレース６０５−１、ビアセグメント６１５−１およびトレース６１０−１が形成される金属層の積層構造の形成の後、過剰な材料（たとえば金属）を除去することにより導体構造６００−１を形成し得、それを、たとえば、ベース材料または基板の表面上に構築し得る。その後、記載される絶縁材料、たとえば酸化物誘電体材料が周囲の導体構造６００−１において充填され得る。したがって、ビアセグメントは、記載されるように、穴が絶縁材料に形成され次いで充填される他のさまざまなビアとは対照的に、絶縁材料が形成後に埋め戻されて、形成される。

説明のため、さまざまなタイプの金属層は図６には示されない。たとえば、金属層と誘電体材料との間における改善された接着を容易にするよう含まれてもよい金属接着層は図示されていない。さらに、含まれてもよいバリア金属層も図示されていない。説明において、第１の金属接着層はトレース６１０−１より下に形成され得、第２の金属接着層はトレース６０５−１とビアセグメント６１５−１との間に形成され得る。バリア金属層はトレース６１０−１とビアセグメント６１５−１との間などに形成され得る。導体構造６００−１を構築するために与えられる例は例示の目的のために与えられるものであり、したがって、限定としては意図されないことが理解されるべきである。他の技術を用いて導体構造６００−１を形成し得る。

図６−１に示されるように、ビアセグメント６１５−１は、形状が矩形の直平行六面体であり、幅６３０−１を超える長さ６２５−１を有し得る。一般に、トレース６０５−１はトレース６１０−１と縦に整列される。トレース６０５−１は、さらに、トレース６１０−１と同じでないとしても、実質的に同様に形状化され得、たとえば、同じ幅および高さを有し得る。ビアセグメント６１５−１はトレース６０５−１および６１０−１と同じ幅を有し得る。ビアセグメント６１５−１はトレース６０５−１およびトレース６１０−１の両方と縦に整列され得る。さらに、ビアセグメント６１５−１は、トレース６０５−１の下面と接触しており、トレース６１０−１の上面と接触している。図示される例では、ビアセグメント６１５−１は、トレース６０５−１およびトレース６１０−１の長さ方向形状および長さ方向と一致する矩形の形状において形成される。ビアセグメント６１５−１がこの態様で形成され、たとえばトレースとして形状化される状態で、導体構造６００−１は、トレース６０５−１、トレース６１０−１およびビアセグメント６１５−１を含む統合された導体構造を形成する。トレース６０５−１、トレース６１０−１およびビアセグメント６１５−１は縦に整列され得、上から見た場合に、単一の導体が現われ（たとえばトレース６０５−１のみが見え）ることが理解されるべきであり、なぜならば、各々は、ｘ−ｙ面において、統合された導体構造６００−１の一部としてさまざまな方向のうちの任意のものを辿り得る同じ信号経路またはテンプレートを辿るからである。

一般に、ビアセグメント６１５−１のようなビアセグメントは、ビアセグメントの形状がｘ−ｙ面におけるさまざまな方向のうちの任意の方向においてトレースによって取られる形状または経路に対応し得るという点において、特徴付けられる。たとえば、トレース６０５−１および６１０−１は、ｘ−ｙ面内において、延在し、さまざまな角度のうちの任意の角度、たとえば４５度および／または９０度で屈曲し、ビアセグメント６１５−１は同じ経路を辿るように、実現され得る。

ビアセグメントの長さは一般に幅を超えることになり、幅をある実質的な量だけ超え得る。ビアセグメントは、たとえば、矩形または正方形の断面がｘ−ｚ面において取られ得る。ビアセグメントは矩形（およびいくつかの場合では正方形の）断面がｘ−ｙ面において取られ得る。たとえば、ビアセグメントの長さは、ビアセグメントの幅の２倍、３倍、またはそれ以上であり得る。したがって、図６−１の座標系を参照して、ビアセグメントは、導体構造を形成する上および下のトレースに平行な方向（ｙ方向）においての方が、それに垂直な方向（たとえばｘ方向およびｚ方向のいずれか一方または両方）においてよりも、長くあり得る。さらに、ビアセグメントは、一般的に急峻な、たとえば９０度の角部を伴って示されているが、ビア要素の縁部は滑らかにされ得るかまたは丸められ得ることが理解されるべきである。

比較として、あるビアは、ｘ−ｙ面において、形状が円形であるかまたは丸い断面を有することになる。さらに、あるビアは、典型的には、ビアの頂部において、ビアの底部とは異なる直径を有する。したがって、ｘ−ｚ面におけるビアの断面は正方形でも矩形でもない。

図示されるように、導体構造６００−１の全体の高さ６３５−１は、導体を形成するのに典型的には用いられるように、単一のトレース（たとえばトレース６０５−１）単独の高さ６２０−１を超える。導体構造６００−１の結果的な高さ６３５−１は、単一のトレースの高さ６２０−１の２倍にビアセグメント６１５−１の高さを加えたものを含む。導体構造６００の結果的な断面積は、単一のトレースのそれを超える増大した表面積を与える。この増大した表面積は、導体構造６００−１がスキン効果により影響されにくく、高周波導体として改善された性能を与えることを意味する。

一般的に、導体構造６００−１は、電気信号がその中を伝搬される方向によって特徴付けられ得る。導体構造６００−１は、ｚ軸に平行であり（およびｘ−ｙ面に垂直である）方向とは対照的に、ｘ−ｙ面に平行な任意の方向に信号を搬送し得る。したがって、導体構造６００−１を用いて、従来のビア技術を伴う場合にそうであるように縦方向に信号を伝えることとは対照的に、導体構造６００−１が含まれる集積回路を形成するよう用いられる層に平行な面において信号を伝搬し得る。

図６−２は、導体構造の電流帰還を形成する際に用いるための例示的な導体構造６００−２の第２の斜視図である。導体構造６００−２は、実質的に、図６−１および導体構造６００−１を参照して記載されるように実現され得るが、ただし、ビアセグメント６１５−２はトレース６０５−２およびトレース６１０−２の幅よりも狭い幅（または直径）を有する。したがって、トレース６０５−２および６１０−２の各々はビアセグメント６１５−２から「張り出している」ということができる。ビアセグメント６１５−２は、それでも、トレース６０５−２およびトレース６１０−２の両方と縦に整列され得、Ｉビームタイプのアーキテクチャを形成する。

１つの局面において、トレース６０５−２および６１０−２と比較して、より狭いビアセグメント６１５−２の幅は、ある特定のプロセス技術の結果であり得る。さらに、ビアセグメント６１５−２の、より狭い幅は、ある特定の範囲内、たとえばトレース６０５−２および／または６１０−２の幅の、あるパーセンテージ内に維持され得る。たとえば、トレース６０５−２および６１０−２は幅が約６０μｍであり得、一方、ビアセグメント６１５−２は幅が約４０μｍである。ここに開示される特定の幅は例示のためのみに与えられ、したがって、ここに開示される１つ以上の例の限定として意図されるものではないことが理解されるべきである。

図６−３は、インダクタ構造の電流帰還を形成する際に用いるための例示的な導体構造６００−３の第３の斜視図である。導体構造６００−３はトレース６０５−３およびトレース６１０−３を含む。単一のビアセグメントを含むのではなく、導体構造６００−３は平行に配された複数のビアセグメントを含む。図示されるように、ビアセグメント６１５−３および６１７−３はトレース６０５−３と６１０−３との間に位置する。ビアセグメント６１５−３および６１７−３は、互いと、およびｙ軸と平行に置かれる。図６−３に示されるように、導体構造６００−３はｙ軸に沿っていずれの方向にも続き得ることが理解されるべきである。

図７はインダクタ構造の電流帰還を形成する際に用いるための導体構造７００の例の第４の斜視図である。導体構造７００は、ＩＣ内において実現され得る導体の例である。図示されるように、導体構造７００は、トレース（たとえば第１のトレース）７０５、トレース（たとえば第２のトレース）７１０、ならびに複数のビアセグメント７１５、７２０および７２５を含み得る統合された導体構造である。

導体構造７００は、トレースに関する寸法および構造的局面に関して、図６の導体構造６００と実質的に同様であり得る。しかしながら、導体構造６００とは異なり、単一の連続するビアセグメントとは対照的に、複数のビアセグメントが用いられる。１つの局面では、ビアセグメント７１５〜７２５の各々は、同じ長さであるかまたは実質的に同じ長さであり得る。ｙ方向におけるビアセグメント７１５〜７２５の各々の長さは、依然として、ｘ方向におけるビアセグメント７１５〜７２５の各々の幅を超え得る。１つの局面においては、しかしながら、ビアセグメント７１５〜７２５は形状が矩形の直平行六面体ではなく、ビアセグメント７１５〜７２５は立方体であり得る。ビアセグメント７１５は、ビアセグメント７２０から、７３０として示される距離または間隔だけ分離され得る。同様に、ビアセグメント７２０は、ビアセグメント７２５から、距離または間隔７３０だけ分離され得る。一例では、間隔７３０は、電流帰還を実現するよう用いられる特定のＩＣ製造技術に対するデザインルールに基づく最小の許可される間隔である。導体構造７００は、さらなるビアセグメントとともに、トレース７０５および７１０をｙ方向において延在することにより続いて、所望の長さを達成するよう実現され得る。論じられるように、導体構造７００は、ｘ−ｙ面内において任意の方向に続き得、ある特定の方向、たとえばｙ方向における継続は、単に例示のためである。

１つの局面において、ビアセグメント７１５〜７２５の各々の長さを制限して、導体構造７００が物理的統合性を維持することを確実にし得る。たとえば、ビアセグメント７１５〜７２５の各々を長さにおいて約２ミリメートルに制限し得る。距離７３０または間隔７３０は、たとえば、約１００μｍであり得る。別の例では、この間隔は、約１８０μｍ、２００μｍなどであり得る。したがって、導体構造７００は、トレース７０５およびトレース７１０は連続するが、ビアセグメントは連続しない、統合された導体構造を示す。

ビアセグメントの最大長は、用いられる特定の電気回路製造技術および電気回路上における応力効果などに関係する他の構造上の考慮事項の関数であることが理解されるべきである。したがって、ビアセグメントに対する長さにおける２ミリメートル制限およびビアセグメント間の１００μｍ間隔は例示の目的のみに対して与えられ、本明細書内に開示される例の限定として意図されるものではない。

他の局面では、ビアセグメントの連続する対間の間隔は同じである必要はない。たとえば、いくつかの場合では、この間隔は、連続するビアセグメントの第１の対間の間隔が連続するビアセグメントの第２の（次の）対間の間隔とは異なり得るという点において、非規則的であり得る。いくつかの場合では、この間隔は、所望の電気的特性、たとえば導体構造７００の損失および／またはインピーダンスに従って判断され得る。さらに、導体構造７００の機械的（たとえば物理的）要件が、ビアセグメントにおける破砕または他の意図しない機械的断裂を回避するように間隔に関して満たされると仮定して、ビアセグメント間の間隔は導体構造７００のインピーダンスを変動させるよう、より大きくまたはより小さくされ得る。同様に、ビアセグメントは、所望のインピーダンスを達成するよう、変動する長さであり得る。

図８は、図６を参照して記載されるビアセグメントを用いて形成される例示的な電流帰還８００の第５の斜視図である。電流帰還８００は、矩形の形状で、より特定的には正方形のコイルを収容するよう正方形として、形成される。図示されるように、電流帰還８００は、積層される、パターン化された金属層から形成されるトレース８０５、８１０、８１５および８２０を含む。ビアセグメント８３５はトレース８０５と８１０との間に位置する。ビアセグメント８４０はトレース８１０と８１５との間に位置する。ビアセグメント８４５はトレース８１５と８２０との間に位置する。コネクタは示されないが、本明細書内において図２および図４を参照して記載されるように含まれ得る。

図８は、図６を参照して記載されるようなビアセグメントを用いての例示的な電流帰還の形成を示すが、ビアセグメントは、複数のビアセグメントが近接するトレース間の各層に含まれ、ビアセグメントは予め規定される間隔を有する、図７を参照して例示され記載されるようにも形成され得ることを理解されるべきである。

図９は、異なるインダクタ構造に対する性質係数（Ｑ）を示すグラフである。図９は、２つの異なるインダクタ構造に対する試験データを示す。一方のインダクタ構造は、（コイルに物理的に接続されるか否かに係わらず）電流帰還を含み、他方のインダクタ構造は電流帰還を含まない。図９に示されるグラフは平滑にされており、したがって、２８ナノメートルの高性能低電力（ＨＰＬ）プロセスを用いて実現される試験導体構造から得られる試験結果の近似値を表現する。示されるように、電流帰還を有するインダクタ構造に対するＱ係数は、いくつかの場合において電流帰還を有さないインダクタ構造よりも約２５％増大されている。コイルをインダクタ構造の電流帰還に物理的に接続するコネクタの存在または欠如はＱには有意な態様では影響しない。加えて、電流帰還を有するインダクタ構造は、さらに、電流帰還を有さないインダクタ構造より大きな安定性を有する誘電値を有する。

本明細書に記載されるように電流帰還を含むことは、インダクタ構造と他の誘導構造を含む付近のＩＣ装置との間における誘導結合を低減するかまたは実質的に除去する。誘導結合におけるこのような低減は、電流帰還を有するインダクタ構造が、電流帰還が利用されないと仮定して可能であろうよりも近く、ＩＣ内においてともに配置されることを可能にする。たとえば、電流帰還を有するインダクタ構造は約１０μｍ離れて配置され得、一方、電流帰還を有さないインダクタ構造は、典型的には、少なくとも２００μｍ離れて配置される。

説明のために、特定の学術用語を記載することによって、本明細書に開示されているさまざまな発明の概念が十分に理解されるようにしている。しかしながら、本明細書で使用されている専門用語は、記載される特徴を説明することを目的としているのであって限定を意図しているのではない。たとえば、ここで用いられる「ある（ａ／ａｎ）」という語は、１つまたは１つより多いとして定義される。ここで用いられる「複数」という語は、２または２を超えるとして定義される。ここで用いられる「別の」は、少なくとも第２のまたはより大きい序数として定義される。ここで用いられる「結合される」という語は、特段の記載がなければ、いかなる介在要素もなしに直接接続されるか、または１つ以上の介在要素を伴って間接的に接続されるものとして定義される。２つの要素は、さらに、機械的もしくは電気的に結合され、または通信チャネル、経路、ネットワークもしくはシステムを介して、通信をなすようリンクされる。「接続される」という語は、接続される要素が、互いに物理的に結合されることを意味する。

本明細書で使用される「および／または」という用語は、列挙された関連項目のうちの１つ以上の、可能なあらゆる組合せのことであり、これを包含する。「含む」および／または「含み」と言う用語が本明細書で使用されている場合、これは、記載されている特徴、整数、ステップ、操作、要素、および／または構成部品の存在を特定しているが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成部品、および／またはそれらの群の存在または追加を排除するものではないことが、さらに理解されるであろう。また、本明細書では、第１、第２等の用語を用いてさまざまな要素を説明している場合があるが、これら用語は、ある要素を別の要素から区別するために使用されているに過ぎないので、上記要素はこれら用語によって限定されるべきではないことが、理解されるであろう。

特許請求の範囲における、すべてのミーンズまたはステッププラスファンクション要素の、対応する構造、材料、動作、および均等物は、具体的に特許請求されている、特許請求の範囲に記載のその他の要素と組合わせて機能を実行するための、いかなる構造、材料、または動作も含むことが意図されている。

本明細書に開示される特徴は、それの本質的な属性から逸脱せずに、他の形式で実施することができる。したがって、前述の明細書ではなく、特許請求の範囲が、そのような特徴および実現例の範囲を示すとして参照されるべきである。

Claims (12)

1. 半導体集積回路（ＩＣ）内に実現されるインダクタ構造であって、
   少なくとも１つの巻回を含む導電材料からなるコイルと、
   前記コイルを包含する電流帰還と、
   前記コイルと前記電流帰還とを接続するコネクタとを備え、
   前記電流帰還は、前記半導体集積回路の複数の相互接続された金属層から形成され、
   同じ金属層を用いて、前記コイルの少なくとも一部と、前記電流帰還の少なくとも１つの金属層と、前記コネクタとを、連続する金属の部分として形成する、インダクタ構造。
2. 前記コネクタは前記コイルの中間点を前記電流帰還に接続する、請求項１に記載のインダクタ構造。
3. 前記電流帰還は、
   前記電流帰還の近接する金属層の各対を接続する少なくとも１つのビアセグメントを含み、
   各ビアセグメントは、前記電流帰還の近接する金属層の各対間における金属層内において実現される、請求項１または２に記載のインダクタ構造。
4. 前記電流帰還の近接する金属層の各対は、間に間隔を有する複数のビア要素によって接続される、請求項１〜３のいずれかに記載のインダクタ構造。
5. 前記コイルは奇数個の巻回を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のインダクタ構造。
6. 前記コイルは偶数個の巻回を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のインダクタ構造。
7. 前記電流帰還の外側境界は前記コイルと実質的に同様に形状化される、請求項１〜６のいずれかに記載のインダクタ構造。
8. 前記電流帰還は少なくとも４つの階層を含む、請求項１〜７のいずれかに記載のインダクタ構造。
9. 前記コイルと前記電流帰還とは、前記インダクタ構造を二分する第１の軸について対称である、請求項１〜８のいずれかに記載のインダクタ構造。
10. 前記コネクタは前記インダクタ構造を二分する第１の軸と整列される向きを有し、
    前記コイルおよび前記電流帰還は前記第１の軸に関して対称である、請求項２に記載のインダクタ構造。
11. 請求項１〜１０に記載の前記インダクタ構造のいずれかを備える半導体集積回路。
12. 請求項１１に記載の前記半導体集積回路を備えるシステム。

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