JP6808565B2 - 半導体装置、それを備えた電子回路、及び、半導体装置の形成方法 - Google Patents

半導体装置、それを備えた電子回路、及び、半導体装置の形成方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体装置、それを備えた電子回路、及び、半導体装置の形成方法に関し、例えば回路規模を増大させることなくインダクタの特性の劣化を抑制するのに適した半導体装置、それを備えた電子回路、及び、半導体装置の形成方法に関する。
デジタル回路の高速化に伴い、デジタル信号を増幅する増幅回路は、インダクタを負荷として用いてマッチングを行うことにより、高周波の入力信号に対するゲインを高くすることが求められている。
ここで、半導体基板上に電子回路とともにインダクタが形成されている場合、当該インダクタから発生する磁束により、電源電圧や接地電圧等の固定電位が伝搬する配線上に逆起電流が発生する。インダクタは、この逆起電流により発生する磁束の影響を受けて、正常に動作することができないという問題があった。
このような問題に対する解決策が、特許文献1に開示されている。特許文献1に開示された半導体装置は、インダクタ素子と配線との間に遮蔽導体(シールド)を設けることにより、配線上の逆起電流により発生する磁束によってインダクタの特性が劣化するのを防いでいる。
特開2011−199225号公報
しかしながら、特許文献1の構成では、シールドを追加で設ける必要があるため、回路規模が増大してしまうという問題があった。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。
一実施の形態によれば、半導体装置は、第1層に形成され、固定電位を示す複数の第1配線と、前記第1層に積層された第2層において形成されたインダクタと、を備え、前記複数の第1配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第1配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第1配線の配線幅よりも細くなるように、構成されている。
他の実施の形態によれば、半導体装置は、第1層に形成された複数の第1配線と、前記第1層に積層された第2層において前記複数の第1配線と交差するように形成された複数の第2配線と、前記複数の第1配線と、前記複数の第2配線と、の交差点に設けられた複数の第1ビアと、前記第1層及び前記第2層に積層された第3層において形成されたインダクタと、を備え、平面視して、前記複数の第1配線、前記複数の第2配線、及び、前記複数の第1ビアによって形成される複数の電流経路のループのうち、最も短い長さのループの長さが所定長さよりも長くなるように、前記複数の第1ビアが配置されている。
他の実施の形態によれば、半導体装置の形成方法は、第1層に、固定電位を示す複数の第1配線を形成し、前記第1層に積層された第2層に、インダクタを形成し、前記複数の第1配線を形成するステップでは、前記複数の第1配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第1配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第1配線の配線幅よりも細くする。
前記一実施の形態によれば、回路規模を増大させることなくインダクタの特性の劣化を抑制することが可能な半導体装置、それを備えた電子回路、及び、半導体装置の形成方法を提供することができる。
実施の形態1にかかる半導体装置のレイアウト構成例を示す概略平面図である。 図1に示す半導体装置の概略断面図である。 ガードリングが設けられた場合の半導体装置のレイアウト構成例を示す概略平面図である。 図3に示す半導体装置の概略断面図である。 実施の形態1にかかる半導体装置の効果を説明するための図である。 インダクタのその他の形状を示す概略平面図である。 インダクタのその他の形状を示す概略平面図である。 インダクタのその他の形状を示す概略斜視図である。 図1に示す半導体装置のインダクタ構造が適用された増幅回路の構成例を示す回路図である。 図1に示す半導体装置のインダクタ構造が適用されたLCタンクを有する発振器の構成例を示す回路図である。 図1に示す半導体装置のインダクタ構造が適用された整合回路を有する増幅回路の構成例を示す図である。 整合回路の具体的構成の一例を示す回路図である。 整合回路の具体的構成の他の例を示す回路図である。 図1に示す半導体装置のインダクタ構造が適用されたバランの構成例を示す回路図である。 インダクタ適用前後の増幅回路の周波数特性及びゲインの関係を示す図である。 図1に示す半導体装置の第1変形例を示す概略平面図である。 図1に示す半導体装置の第2変形例を示す概略平面図である。 図1に示す半導体装置の第3変形例を示す概略平面図である。 図1に示す半導体装置の第4変形例を示す概略平面図である。 図1に示す半導体装置の第5変形例を示す概略平面図である。 実施の形態2にかかる半導体装置のレイアウト構成例を示す概略平面図である。 図21に示す半導体装置の変形例を示す概略平面図である。
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。なお、図面は簡略的なものであるから、この図面の記載を根拠として実施の形態の技術的範囲を狭く解釈してはならない。また、同一の要素には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、応用例、詳細説明、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等(個数、数値、量、範囲等を含む)に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。
さらに、以下の実施の形態において、その構成要素(動作ステップ等も含む)は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数等(個数、数値、量、範囲等を含む)についても同様である。
<実施の形態1>
以下、実施の形態1にかかる半導体装置1について説明する。
(半導体装置1のレイアウト構成)
図1は、実施の形態1に係る半導体装置1のレイアウト構成例を示す概略平面図である。図1の例では、説明をわかりやすくするため、第2メタル層M2、第3メタル層M3、第4メタル層M4の構造のみが示されている。
図1に示すように、第2メタル層M2には、複数の配線W2が一方向(本例ではy軸方向)に延在するように設けられている。これら複数の配線W2は、例えば、第2メタル層M2の全面にわたってスリット状に設けられている。図1には、複数の配線W2の一部として、配線W2_1〜W2_5が示されている。ここで、複数の配線W2には固定電位が伝搬している。本実施の形態では、複数の配線W2には電源電圧VDDが伝搬している場合を例に説明する。
第2メタル層M2に積層された第3メタル層M3及び第4メタル層M4には、インダクタL1が形成されている。インダクタL1は、主として第4メタル層M4に渦巻き状に形成され、交差する部分L1aのみ第3メタル層M3に形成されている。
(半導体装置1の概略断面図)
図2は、半導体装置1の概略断面図である。図2の概略断面図は、図1のA−A’断面を示したものである。
図2に示すように、半導体装置1では、シリコン基板101の表面にPウェル、Nウェルを形成し、その上に拡散層、ゲート酸化膜、ポリシリコン等を形成することにより、内部回路102を構成する複数のMOSトランジスタが形成される。なお、複数のMOSトランジスタには、例えば、後述する増幅回路11に用いられるMOSトランジスタTr1,Tr2も含まれる。
内部回路102が形成される層の上方には、シリコン酸化膜103をメタル間に介在させて第1メタル層M1、第2メタル層M2、第3メタル層M3、及び、第4メタル層M4が順番に積層されている。
第1メタル層M1には、複数のMOSトランジスタ間を接続する複数の配線W1が設けられている。第2メタル層M2には、固定電位である電源電圧VDDが伝搬する複数の配線W2が設けられている。
第3メタル層M3及び第4メタル層M4には、インダクタL1が形成されている。インダクタL1は、主として第4メタル層M4に渦巻き状に形成され、交差する部分L1aのみ第3メタル層M3に形成される。
第4メタル層M4の表面には、シリコン窒化膜104が形成され、その上に、ポリイミド105がさらに形成される。
図1に戻り、説明を続ける。
なお、インダクタL1には、インダクタ形成領域LA1が規定されている。インダクタ形成領域LA1は、平面視して、少なくともインダクタL1の外周辺によって囲まれた領域を含む。
また、インダクタL1形成層と同じ層にガードリングが設けられた場合、インダクタ形成領域LA1は、平面視してガードリングによって囲まれた領域となる。
図3は、ガードリングが設けられた場合の半導体装置1のレイアウト構成例を半導体装置1zとして示す概略平面図である。図4は、ガードリングが設けられた半導体装置1zの概略断面図である。ガードリングGR1は、インダクタL1から発生した磁束が、ガードリングGR1で囲まれた領域の外部に漏れないようにする役割を果たしている。具体的には、ガードリングGR1は、図3に示すように、平面視してインダクタL1の外周を囲むように形成されている。また、ガードリングGR1は、図4に示すように、インダクタL1形成層である第3メタル層M3及び第4メタル層M4に形成されている。ただし、ガードリングGR1は、第3メタル層M3及び第4メタル層M4の何れかにのみ形成されていてもよい。
さらに、インダクタ形成領域LA1は、平面視して、インダクタL1の内径IDに基づいて決定されることが好ましい。例えば、インダクタL1の外径が同じ状態で内径IDが小さくなるほど、インダクタL1から発生する磁束が大きくなるため、インダクタ形成領域LA1を大きくする。それに対して、インダクタL1の外径が同じ状態で内径IDが大きくなるほど、インダクタL1から発生する磁束が小さくなるため、インダクタ形成領域LA1を小さくする。
ここで、複数の配線W2では、平面視して、インダクタ形成領域LA1の範囲内に位置する固定電位配線層(第2メタル層M2)に形成された配線W2の配線幅(x軸方向の長さ)が、インダクタ形成領域LA1の範囲外に位置する固定電位配線層に形成された配線W2の配線幅よりも細くなるように、形成されている。本例では、配線W2_2,W2_3,W2_4のうち、平面視して、インダクタ形成領域LA1の範囲内に位置する配線の配線幅が、インダクタ形成領域LA1の範囲外に位置する配線の配線幅よりも細くなるように、形成されている。
それにより、インダクタL1からの磁束の影響で配線W2上に発生する逆起電流を抑制することができる。そして、逆起電流を抑制することにより、当該逆起電流によって発生する磁束の影響で引き起こされるインダクタL1の特性劣化を抑制することができる。
なお、単位面積当たりに配線W2が占める割合は、平面視して、インダクタ形成領域LA1の内外で同じであることが好ましい。それにより、インダクタ形成領域LA1の内外に位置する配線W2の抵抗率を同じにすることができる。本実施の形態では、平面視して、インダクタ形成領域LA1外に設けられた3本の配線W2_2,W2_3,W2_4が、インダクタ形成領域LA1内において合計7本の配線に分岐している。
また、複数の配線W2は、平面視して、インダクタ形成領域LA1と非形成領域との境界線に位置する固定電位配線層(第2メタル層M2)において、互いに短絡するように形成されている。本実施の形態では、平面視して、インダクタ形成領域LA1と非形成領域との境界線に位置する固定電位配線層おいて、配線W2_2,W2_3間が配線W2a,W2bにより短絡され、配線W2_3,W2_4間が配線W2c,W2dにより短絡されている。それにより、境界線付近での複数の配線W2の電位を同電位に揃えることができる。
(半導体装置1の効果)
図5は、半導体装置1の効果を説明するための図である。なお、図5には、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する複数の配線W2を細くしなかった場合のレイアウト構成(左図)と、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する複数の配線W2を細くした場合のレイアウト構成(右図)と、が示されている。
まず、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する配線W2を細くしなかった場合について説明する。この場合、インダクタL1から発生する磁束により、固定電位が伝搬する配線W2に逆起電流が発生する。この逆起電流により配線W2上に形成される渦電流は、インダクタL1の磁束を打ち消す方向に流れるように形成される。ここで、渦電流は、配線W2の太い配線幅に応じた大きな内径の電流経路を持つため、大きな磁束を発生させる。インダクタL1は、この逆起電流により発生する磁束の影響を受けて、正常に動作することができない(換言すると、特性を劣化させてしまう)。
次に、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する配線W2を細くした場合について説明する。この場合、インダクタL1から発生する磁束により、固定電位が伝搬する配線W2に逆起電流が発生する。この逆起電流により配線W2上に形成される渦電流は、インダクタL1の磁束を打ち消す方向に流れるように形成される。ここで、渦電流は、配線W2の細い配線幅に応じた小さな内径の電流経路を持つため、配線W2を細くしない場合よりも小さな磁束を発生させる。インダクタL1は、この逆起電流により発生する磁束の影響をほとんど受けないため、正常に動作することができる(換言すると、特性の劣化を防ぐことができる)。
このことから、平面視して、インダクタ形成領域LA1内に位置する配線W2をインダクタ形成領域LA1外に位置する配線W2よりも細くすることにより、回路規模を増大させることなく、インダクタL1の特性劣化を防ぐことができることがわかる。
このように、本実施の形態にかかる半導体装置1は、平面視して、インダクタ形成領域LA1内に位置する複数の配線W2をインダクタ形成領域LA1外に位置する配線W2よりも細くすることにより、インダクタL1の特性劣化を防ぐことができる。なお、このとき、インダクタL1と配線W2との間にシールド等を設ける必要が無いため、回路規模の増大を抑制することができる。
本実施の形態では、複数の配線W2に電源電圧VDDが伝搬している場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、複数の配線W2には、固定電位として接地電圧GNDが伝搬していてもよい。あるいは、複数の配線W2には、固定電位を示す所定の信号が伝搬していてもよい。
また、本実施の形態では、第2メタル層M2に、複数の配線W2のみが設けられた場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、第2メタル層M2には、電源電圧VDDが伝搬する複数の配線W2に加え、接地電圧GNDが伝搬する複数の配線W3がさらに設けられてもよい。この場合、平面視してインダクタ形成領域LA1の範囲内に位置する複数の配線W3は、インダクタ形成領域LA1の範囲外に位置する複数の配線W3よりも細くする。
また、本実施の形態では、第2メタル層M2にのみ、固定電位が伝搬する複数の配線W2が設けられた場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、追加で設けられたメタル層(不図示)に、固定電位が伝搬する複数の配線W4がさらに設けられてもよい。この場合、平面視してインダクタ形成領域LA1の範囲内に位置する複数の配線W4は、インダクタ形成領域LA1の範囲外に位置する複数の配線W4よりも細くする。
また、本実施の形態では、インダクタL1及び固定電位配線W2が同一の半導体チップ上に形成される場合を例に説明したが、これに限られない。例えば、インダクタL1と固定電位配線W2とがそれぞれ異なる半導体チップに形成され、これらの半導体チップが対向配置されたフリップチップの構成であってもよい。
さらに、本実施の形態では、インダクタL1が平面して渦巻き状に形成された場合を例に説明したが、これに限られない。インダクタL1は、図6に示すような対称型であってもよいし、図7,図8に示すような馬蹄型であってもよい。
(半導体装置1の構造の適用事例)
図9は、半導体装置1のインダクタ構造が適用された増幅回路11の構成例を示す回路図である。
図9に示すように、増幅回路11は、差動入力信号IN1,IN2を増幅して差動出力信号OUT1,OUT2を出力する差動増幅回路であって、Nチャネル型のMOSトランジスタTr1,Tr2と、抵抗素子R1,R2と、容量素子C1,C2と、定電流源I1と、インダクタL1,L2と、を備える。
MOSトランジスタTr1は、出力端子OUT1が接続されるノードN1と、ノードN3と、の間に設けられ、差動入力信号の他方IN2に基づいてオンオフする。抵抗素子R1及びインダクタL1は、ノードN1と、電源電圧端子VDDと、の間に直列に設けられている。容量素子C1は、ノードN1と、接地電圧端子GNDと、の間に設けられている。
MOSトランジスタTr2は、出力端子OUT2が接続されるノードN2と、ノードN3と、の間に設けられ、差動入力信号の一方IN1に基づいてオンオフする。抵抗素子R2及びインダクタL2は、ノードN2と、電源電圧端子VDDと、の間に直列に設けられている。容量素子C2は、ノードN2と、接地電圧端子GNDと、の間に設けられている。
定電流源I1は、ノードN3と、接地電圧端子GNDと、の間に設けられている。
増幅回路11では、差動入力信号の一方IN1が他方IN2より大きい場合、トランジスTr1に流れる電流がトランジスタTr2に流れる電流より大きくなるため、差動出力信号の一方OUT1が他方OUT2よりも大きくなる。それに対し、差動入力信号の一方IN1が他方IN2より小さい場合、トランジスタTr1に流れる電流がトランジスタTr2に流れる電流より小さくなるため、差動出力信号の一方OUT1が他方OUT2よりも小さくなる。
図15は、インダクタL1,L2適用前後の増幅回路11の周波数特性及びゲインの関係を示す図である。なお、図15では、横軸が差動入力信号IN1,IN2の周波数特性を表し、縦軸が増幅回路11のゲインを表している。
図15に示すように、インダクタL1,L2が適用された増幅回路11では、インダクタL1,L2が適用される前の増幅回路の場合と比較して、周波数特性が向上している。そのため、インダクタL1,L2が適用された増幅回路11は、高周波の差動入力信号に対しても高いゲインで増幅することが可能となる。
(その他の適用事例)
図10は、半導体装置1のインダクタ構造が適用されたLCタンクを有する発振器12の構成例を示す回路図である。発振器12は、トランジスタMP1,MP2,MN1,MN2と、可変容量C21,C21と、インダクタL1と、定電流源I2と、を有する。
トランジスタMP1では、ソースが電源電圧端子VDDに接続され、ドレインが出力端子OUTに接続され、ゲートが出力端子OUTBに接続されている。トランジスタMN1では、ソースが定電流源I2を介して接地電圧端子GNDに接続され、ドレインが出力端子OUTに接続され、ゲートが出力端子OUTBに接続されている。
トランジスタMP2では、ソースが電源電圧端子VDDに接続され、ドレインが出力端子OUTBに接続され、ゲートが出力端子OUTに接続されている。トランジスタMN2では、ソースが定電流源I2を介して接地電圧端子GNDに接続され、ドレインが出力端子OUTBに接続され、ゲートが出力端子OUTに接続されている。
つまり、トランジスタMP1,MN1により構成される第1インバータと、トランジスタMP2,MN2により構成される第2インバータと、がループ状に接続されている。
インダクタL1は、出力端子OUT,OUTB間に設けられている。可変容量C21は、出力端子OUTと、基準電圧Vrefが供給される共通端子と、の間に設けられている。可変容量C22は、出力端子OUTBと、基準電圧Vrefが供給される共通端子と、の間に設けられている。
発振器12は、インダクタL1の誘導性及びバリキャップダイオードの容量性によって決まる共振周波数の発振信号(及びその反転信号)を出力端子OUT(及び出力端子OUTB)から出力する。
図11は、半導体装置1のインダクタ構造が適用された整合回路を有する増幅回路13の構成例を示す図である。増幅回路13は、抵抗素子R3と、インダクタL3と、トランジスタMN3と、定電流源I3と、整合回路131,132と、を備える。
抵抗素子R3、インダクタL3、トランジスタMN3及び定電流源I3は、電源電圧端子VDDと接地電圧端子GNDとの間に直列に設けられている。そして、増幅回路13では、トランジスタMN3のゲートに入力信号INが供給され、トランジスタMN3のドレインから出力信号OUTが出力される。
ここで、整合回路131は、入力信号INを出力する前段回路の出力インピーダンスと、増幅回路13の入力インピーダンスと、を整合させる。それにより、増幅回路13は、入力信号INを損失させることなく受信することができる。また、整合回路132は、増幅回路13の出力インピーダンスと、出力信号OUTが供給される後段回路の入力インピーダンスと、を整合させる。それにより、増幅回路13は、出力信号OUTを損失させることなく送信することができる。
図12は、整合回路131の具体的構成の一例を整合回路131aとして示す回路図である。整合回路131aは、半導体装置1のインダクタ構造を有するインダクタL31と、容量素子C31と、を有する。容量素子C31は、入力端子T1と出力端子T2との間に設けられている。インダクタL31は、出力端子T2と接地電圧端子GNDとの間に設けられている。整合回路132についても、整合回路131aと同様の回路構成を採用することができる。
図13は、整合回路131の具体的構成の他の例を整合回路131bとして示す回路図である。整合回路131bは、半導体装置1のインダクタ構造を有するインダクタL32と、容量素子C32と、を有する。インダクタL32は、入力端子T1と出力端子T2との間に設けられている。容量素子C32は、入力端子T1と接地電圧端子GNDとの間に設けられている。整合回路132についても、整合回路132bと同様の回路構成を採用することができる。
図14は、半導体装置1のインダクタ構造が適用されたバラン14の構成例を示す回路図である。バラン14は、半導体装置1のインダクタ構造を有するインダクタL41,L42を備える。バラン14は、インダクタL41を用いてシングルエンドの入力信号INを磁気に変換し、インダクタL42を用いて当該磁気を差動信号OUT,OUTBに変換する。
上記以外にも、インダクタが用いられている回路は、半導体装置1のインダクタ構造を採用することができる。
続いて、半導体装置1のいくつかの変形例について説明する。
(半導体装置1の第1変形例)
図16は、半導体装置1の第1変形例を半導体装置1aとして示す概略平面図である。図1に示す半導体装置1では、平面視して、インダクタ形成領域LA1と非形成領域との境界線に位置する固定電位配線層(第2メタル層M2)において、複数の配線W2が互いに短絡するように形成されていた。それに対し、図16に示す半導体装置1aでは、平面視して、インダクタ形成領域LA1と非形成領域との境界線に位置する固定電位配線層において、複数の配線W2が互いに短絡しないように形成されている。
半導体装置1aのその他の構成については、半導体装置1の場合と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置1aも、半導体装置1と同等程度の効果を奏することができる。また、半導体装置1aでは、平面視して、インダクタ形成領域LA1と非形成領域との境界線に位置する固定電位配線層において、複数の配線W2が互いに短絡しないように形成されているため、隣接する配線W2のそれぞれに異なる固定電位を伝搬させることができる。例えば、配線W2_1、W2_3,W2_5に電源電圧VDDを伝搬させ、かつ、配線W2_2,W2_4に接地電圧GNDを伝搬させることができる。
(半導体装置1の第2変形例)
図17は、半導体装置1の第2変形例を半導体装置1bとして示す概略平面図である。
図17に示すように、半導体装置1bでは、平面視して、インダクタL1が所定内径よりも大きな内径IDを有するように形成されている。この場合、インダクタL1の中央領域での磁束は小さくなる。したがって、平面視してインダクタL1の中央領域に位置する配線W2を細くする必要はない。そのため、半導体装置1bでは、平面視してインダクタ形成領域LA1の中央領域に位置する配線W2(図17における配線W2e)の配線幅が、インダクタ形成領域LA1の残りの領域に位置する配線W2の配線幅よりも太くなるように、構成されている。
半導体装置1bのその他の構成については、半導体装置1aの場合と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置1bも、半導体装置1aと同等程度の効果を奏することができる。また、半導体装置1bは、平面視してインダクタ形成領域LA1の中央領域に位置する配線W2eの配線幅を太くすることで、太くしない場合よりも配線W2の抵抗値を小さくすることができる。
(半導体装置1の第3変形例)
図18は、半導体装置1の第3変形例を半導体装置1cとして示す概略平面図である。
図18に示すように、半導体装置1cでは、平面視して、インダクタL1が所定内径よりも小さな内径IDを有するように形成されている。この場合、インダクタL1の中央領域での磁束は大きくなる。そこで、その磁束を避けるため、平面視してインダクタL1の中央領域に位置する固定電位配線層には、配線W2が設けられる代わりに空間領域W2fが設けられている。
半導体装置1cのその他の構成については、半導体装置1aの場合と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置1cも、半導体装置1aと同等程度の効果を奏することができる。また、半導体装置1cは、平面視してインダクタ形成領域LA1の中央領域に位置する固定電位配線層に空間領域W2fを設けることにより、インダクタL1の中央領域に発生する強い磁束によって配線W2に大きな逆起電流が発生するのを避けることができる。
(半導体装置1の第4変形例)
図19は、半導体装置1の第4変形例を半導体装置1dとして示す概略平面図である。
平面視してインダクタL1と重なる固定電位配線層に配線W2が設けられた場合、当該配線W2がインダクタL1から受ける磁束は大きくなる。そこで、その磁束を避けるため、半導体装置1dでは、平面視してインダクタL1と重なる固定電位配線層に、配線W2が設けられる代わりに空間領域が設けられている。
図19の例では、平面視して、インダクタL1と重なる固定電位配線層のうち、配線W2の延在方向(y軸方向)と同じ方向に延在するインダクタ部分と重なる固定電位配線層に、空間領域W2g,W2hが設けられている。
半導体装置1dのその他の構成については、半導体装置1aの場合と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置1dも、半導体装置1aと同等程度の効果を奏することができる。また、半導体装置1dは、平面視してインダクタL1と重なる固定電位配線層に空間領域W2g,W2hを設けることにより、インダクタL1近傍において発生する強い磁束によって配線W2に大きな逆起電流が発生することを防ぐことができる。
(半導体装置1の第5変形例)
図20は、半導体装置1の第5変形例を半導体装置1eとして示す概略平面図である。
図20に示すように、半導体装置1eでは、平面視してインダクタ形成領域LA1の中央領域に位置する固定電位配線層から放射状に延在する複数の配線W2i,W2j,W2k,W2lが設けられている。
半導体装置1eのその他の構成については、半導体装置1aの場合と同様であるため、その説明を省略する。
半導体装置1eも、半導体装置1aと同等程度の効果を奏することができる。また、半導体装置1eは、平面視してインダクタ形成領域LA1の中央領域に位置する固定電位配線層から放射状に延在する配線W2i,W2j,W2k,W2lを設けることにより、配線W2の抵抗値を小さくすることができる。
<実施の形態2>
図21は、実施の形態2に係る半導体装置2のレイアウト構成を示す概略平面図である。本実施の形態では、配線が2層にわたって形成されている。具体的には、下層MDには、固定電位(例えば接地電圧GND)が伝搬する複数の配線W5が、x軸方向に延在するようにしてy軸方向にスリット状に形成されている。上層MUには、複数の配線W5と同じレベルの固定電位が伝搬する複数の配線W6が、y軸方向に延在するようにしてx軸方向にスリット状に形成されている。即ち、下層MDに形成された複数の配線W5と上層MUに形成された複数の配線W5とは、平面視して直角に交わっている。
なお、本実施の形態では、配線W5,W6に接地電圧GND等の固定電位が伝搬している場合を例に説明しているが、これに限られない。配線W5,W6には、電位が変動する信号が伝搬していてもよい。
ここで、仮に、複数の配線W5と複数の配線W6との全ての交差点にビア(又は小さなビアの集合体であるビア群)V1を配置した場合、配線W5,W6及びビアV1からなる低抵抗の電流経路がいくつも形成されてしまうため、固定電位配線層にはインダクタL1からの磁束により大きな渦電流が形成されてしまう可能性がある。それにより、インダクタL1は、大きな渦電流により発生する磁束の影響を受けて、特性を劣化させてしまう可能性がある。
そこで、本実施の形態では、インダクタ形成領域LA1において、配線W5、配線W6及びビアV1を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPminの長さが所定長さ(例えば全ての交差点にビアV1を配置した場合のループの長さ)よりも長くなるように、ビアV1を部分的に配置している。なお、図21の例では、複数のビアV1を区別してビアV1a〜V1kと示されている。
具体的には、まず、平面視してインダクタ形成領域LA1を含む正方形状の領域SA1を規定する。なお、インダクタ形成領域LA1が正方形状である場合には、インダクタ形成領域LA1を領域SA1としてもよい。
その後、領域SA1の一方の対角線上の複数の交差点にそれぞれ複数のビアV1aを配置する。その後、この対角線上の複数のビアV1aと同じ行、かつ、y軸プラス方向に2列隣の列の複数の交差点に、複数のビアV1aに対応する複数のビアV1bを配置する。さらに、複数のビアV1bと同じ行、かつ、y軸プラス方向に3列隣の列の複数の交差点に、複数のビアV1bに対応する複数のビアV1cを配置する。その後、領域SA1の範囲内で、y軸プラス方向に2列隣の列へのビア配置、3列隣の列へのビア配置が繰り返される。
また、複数のビアV1aと同じ列、かつ、x軸プラス方向に3行隣の行の複数の交差点に、複数のビアV1aに対応する複数のビアV1gを配置する。さらに、複数のビアV1gと同じ列、かつ、x軸プラス方向に2行隣の行の複数の交差点に、複数のビアV1gに対応する複数のビアV1hを配置する。その後、領域SA1の範囲内で、x軸プラス方向に3行隣の行へのビア配置、2行隣の行へのビア配置が繰り返される。
それにより、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層において、配線W5、配線W6及びビアV1を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPminの長さが、所定長さ(例えば全ての交差点にビアV1を配置した場合のループの長さ)よりも長くなる。即ち、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層には、高抵抗の電流経路が形成されることになる。そのため、インダクタL1からの磁束により形成される渦電流は小さくなる。その結果、インダクタL1は、この渦電流により発生する磁束の影響をほとんど受けないため、特性の劣化を防ぐことができる。
なお、本実施の形態で説明したビアV1の配置方法は、一例にすぎず、電流経路のループLPminの長さを長くすることが可能な、他のビアV1の配置方法であってもよい。また、このような半導体装置2のインダクタ構造が増幅回路11等の電子回路に採用されてもよい。
(半導体装置2の変形例)
図22は、半導体装置2の変形例を半導体装置2aとして示す概略平面図である。
半導体装置2では、1種類の固定電位配線が2層にわたって形成されていた。それに対し、半導体装置2aでは、2種類の固定電位配線がそれぞれ2層にわたって形成されている。
具体的には、下層MDには、接地電圧GNDが伝搬する複数の配線W5と、電源電圧VDDが伝搬する複数の配線W7と、がx軸方向に延在するようにしてy軸方向に交互に配置されている。上層MUには、接地電圧GNDが伝搬する複数の配線W6と、電源電圧VDDが伝搬する複数の配線W8と、がy軸方向に延在するようにしてx軸方向に交互に配置されている。即ち、下層MDに交互に配置された複数の配線W5,W7と、上層MUに交互に配置された複数の配線W6,W8とは、平面視して直角に交わっている。
なお、本実施の形態では、配線W5〜W8に固定電位が伝搬している場合を例に説明しているが、これに限られない。配線W5〜W8には、電位が変動する信号が伝搬していてもよい。
ここで、インダクタ形成領域LA1において、配線W5、配線W6及びビアV1を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPmin1の長さが所定長さ(例えば配線W5,W6の全ての交差点にビアV1を配置した場合のループの長さ)よりも長くなるように、ビアV1を部分的に配置している。同様に、インダクタ形成領域LA1において、配線W7、配線W8及びビアV2を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPmin2の長さが所定長さ(例えば配線W7,W8の全ての交差点にビアV2を配置した場合のループの長さ)よりも長くなるように、ビアV2を部分的に配置している。
この場合も、まず、平面視してインダクタ形成領域LA1を含む正方形状の領域SA1を規定する。なお、インダクタ形成領域LA1が正方形状である場合には、インダクタ形成領域LA1を領域SA1としてもよい。
複数の配線W5,W6の交差点に対するビアV1の配置方法については、半導体装置2の場合と同様である。また、複数の配線W7,W8の交差点に対するビアV2の配置方法については、複数の配線W5,W6の交差点に対するビアV2の配置方法と同様である。
それにより、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層において、配線W5、配線W6及びビアV1を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPmin1の長さが、所定長さ(例えば全ての交差点にビアV1を配置した場合のループの長さ)よりも長くなる。即ち、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層には、高抵抗の電流経路が形成されることになる。そのため、インダクタL1からの磁束により形成される渦電流は小さくなる。その結果、インダクタL1は、この渦電流により発生する磁束の影響をほとんど受けないため、特性の劣化を防ぐことができる。
それにより、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層において、配線W7、配線W8及びビアV2を用いて形成される電流経路のループのうち最も短いループLPmin2の長さが、所定長さ(例えば全ての交差点にビアV2を配置した場合のループの長さ)よりも長くなる。即ち、平面視してインダクタ形成領域LA1内に位置する固定電位配線層には、高抵抗の電流経路が形成されることになる。そのため、インダクタL1からの磁束により形成される渦電流は小さくなる。その結果、インダクタL1は、この渦電流により発生する磁束の影響をほとんど受けないため、特性の劣化を防ぐことができる。
なお、本実施の形態で説明したビアV1,V2の配置方法は、一例にすぎず、電流経路のループLPmin1,LPmin2の長さを長くすることが可能な、他のビアV1,V2の配置方法であってもよい。また、このような半導体装置2aのインダクタ構造が増幅回路11等の電子回路に採用されてもよい。
以上のように、上記実施の形態1,2に係る半導体装置1,2は、平面視してインダクタ形成領域LA1の範囲内に位置する固定電位配線の配線幅を細くしたり電流経路のループを大きくしたりすることにより、インダクタL1からの磁束により固定電位配線上に形成される渦電流を小さくする。それにより、上記実施の形態1,2に係る半導体装置1,2では、インダクタL1は、この渦電流により発生する磁束の影響をほとんど受けないため、特性の劣化を防ぐことができる。また、このとき、固定電位配線とインダクタL1との間にシールドを設ける必要が無いため、回路規模の増大も抑制される。
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、本発明は既に述べた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において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
例えば、上記の実施の形態に係る半導体装置では、半導体基板、半導体層、拡散層(拡散領域)などの導電型(p型もしくはn型)を反転させた構成としてもよい。そのため、n型、及びp型の一方の導電型を第1の導電型とし、他方の導電型を第2の導電型とした場合、第1の導電型をp型、第2の導電型をn型とすることもできるし、反対に第1の導電型をn型、第2の導電型をp型とすることもできる。
上記実施の形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない
(付記1)
第1層に、固定電位を示す複数の第1配線を形成し、
前記第1層に積層された第2層にインダクタを形成し、
前記複数の第1配線を形成するステップでは、
前記複数の第1配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第1配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第1配線の配線幅よりも細くする、
半導体装置の形成方法。
(付記2)
前記インダクタの形成領域は、
平面視して、前記インダクタの外周辺によって囲まれた領域を含む、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記3)
前記第2層に、前記インダクタを囲むようにガードリングをさらに形成し、
前記インダクタの形成領域は、
平面視して、前記ガードリングによって囲まれた領域である、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記4)
前記インダクタを、平面視して渦巻き状に形成し、
前記インダクタの形成領域は、
平面視して、前記インダクタの内径に基づいて決定される、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記5)
前記複数の第1配線を、電源電圧及び接地電圧の何れかが伝搬するように構成する、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記6)
前記複数の第1配線を、前記第1層の全面にわたってスリット状に形成する、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記7)
前記複数の第1配線を、平面視して、前記インダクタの形成領域と非形成領域との境界線に位置する前記第1層において、互いに短絡するように形成する、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記8)
前記インダクタを、平面視して渦巻き状に形成し、かつ、所定内径よりも大きな内径を有するように形成し、
前記複数の第1配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第1配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第1配線の配線幅よりも太くする、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記9)
前記インダクタを、平面視して渦巻き状に形成し、かつ、所定内径よりも小さな内径を有するように形成し、
前記複数の第1配線を、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように形成する、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記10)
前記第1層に、前記複数の第1配線とは異なるレベルの固定電位を示す複数の第2配線をさらに形成し、
前記複数の第2配線を形成するステップでは、
前記複数の第2配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第2配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第2配線の配線幅よりも細くする、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記11)
前記複数の第1配線を、電源電圧が伝搬するように構成し、
前記複数の第2配線を、接地電圧が伝搬するように構成する、
付記10に記載の半導体装置の形成方法。
(付記12)
前記複数の第1配線、及び、前記複数の第2配線を、前記第1層の全面にわたって交互にスリット状に配置する、
付記10に記載の半導体装置の形成方法。
(付記13)
前記インダクタを、平面視して渦巻き状に形成し、かつ、所定内径よりも大きな内径を有するように形成し、
前記複数の第1配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第1配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第1配線の配線幅よりも太くし、
前記複数の第2配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第2配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第2配線の配線幅よりも太くする、
付記10に記載の半導体装置の形成方法。
(付記14)
前記インダクタを、平面視して渦巻き状に形成され、かつ、所定内径よりも小さな内径を有するように形成し、
前記複数の第1配線を、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように形成し、
前記複数の第2配線を、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように形成する、
付記10に記載の半導体装置の形成方法。
(付記15)
前記第1層に積層された第3層に、固定電位を示す複数の第3配線をさらに形成し、
前記複数の第3配線を形成するステップでは、
前記複数の第3配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第3配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第3配線の配線幅よりも細くする、
付記1に記載の半導体装置の形成方法。
(付記16)
付記1に記載の半導体装置の構造を有するインダクタを形成する、
電子回路の形成方法。
(付記17)
第1層に、複数の第1配線を形成し、
前記第1層に積層された第2層に、複数の第2配線を、前記複数の第1配線と交差するように形成し、
前記複数の第1配線と、前記複数の第2配線と、の交差点に複数の第1ビアを形成し、
前記第1層及び前記第2層に積層された第3層に、インダクタを形成し、
前記複数の第1ビアを形成するステップでは、
平面視して、前記複数の第1配線、前記複数の第2配線、及び、前記複数の第1ビアによって形成される複数の電流経路のループのうち、最も短い長さのループの長さが所定長さよりも長くなるように、前記複数の第1ビアを配置する、
半導体装置の形成方法。
(付記18)
前記第1層に、複数の第3配線をさらに形成し、
前記第2層に、複数の第4配線を、前記複数の第3配線と交差するようにさらに形成し、
前記複数の第3配線と、前記複数の第4配線と、の交差点に複数の第2ビアをさらに形成し、
前記複数の第2ビアを形成するステップでは、
平面視して、前記複数の第3配線、前記複数の第4配線、及び、前記複数の第2ビアによって形成される複数の電流経路のループのうち、最も短い長さのループの長さが所定長さよりも長くなるように、前記複数の第2ビアを配置する、
付記17に記載の半導体装置の形成方法。
(付記19)
付記17に記載の半導体装置の構造を有するインダクタを形成する、
電子回路の形成方法。
1 半導体装置
1a〜1e,1z 半導体装置
2 半導体装置
2a 半導体装置
11 増幅回路
12 発振器
13 増幅回路
14 バラン
101 シリコン基板
102 内部回路(電子回路)
103 シリコン酸化膜(Si0
104 シリコン窒化膜(SiN)
105 ポリイミド
131,132 整合回路
131a,131b 整合回路
C1,C2 容量素子
C21,C22 可変容量
C31,C32 容量素子
GR1 ガードリング
I1〜I3 定電流源
L1〜L3 インダクタ
L31,L32 インダクタ
L41,L42 インダクタ
LA1 インダクタの形成領域
M1 第1メタル層
M2 第2メタル層
M3 第3メタル層
M4 第4メタル層
MN1〜MN3 トランジスタ
MP1,MP2 トランジスタ
R1〜R3 抵抗素子
Tr1 トランジスタ
Tr2 トランジスタ
W1〜W8 配線
W2_1〜W2_5 配線
W2a〜W2e,W2i〜W2l 配線
W2f〜W2h 空間領域

Claims (16)

  1. 第1層に形成され、固定電位を示す複数の第1配線と、
    前記第1層に積層された第2層において形成されたインダクタと、を備え、
    前記複数の第1配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第1配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第1配線の配線幅よりも細くなるように、構成され
    前記複数の第1配線は、前記第1層の全面にわたってスリット状に形成されている、
    半導体装置。
  2. 前記インダクタの形成領域は、
    平面視して、前記インダクタの外周辺によって囲まれた領域を含む、
    請求項1に記載の半導体装置。
  3. 前記第2層において前記インダクタを囲むように設けられたガードリングをさらに備え、
    前記インダクタの形成領域は、
    平面視して、前記ガードリングによって囲まれた領域である、
    請求項1に記載の半導体装置。
  4. 前記インダクタは、平面視して渦巻き状に形成され、
    前記インダクタの形成領域は、
    平面視して、前記インダクタの内径に基づいて決定される、
    請求項1に記載の半導体装置。
  5. 前記複数の第1配線は、電源電圧及び接地電圧の何れかが伝搬するように構成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  6. 前記複数の第1配線は、平面視して、前記インダクタの形成領域と非形成領域との境界線に位置する前記第1層において、互いに短絡するように形成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  7. 前記インダクタは、平面視して渦巻き状に形成され、かつ、所定内径よりも大きな内径を有するように形成され、
    前記複数の第1配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第1配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第1配線の配線幅よりも太くなるように、構成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  8. 前記インダクタは、平面視して渦巻き状に形成され、かつ、所定内径よりも小さな内径を有するように形成され、
    前記複数の第1配線は、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように、構成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  9. 前記第1層に形成され、前記複数の第1配線とは異なるレベルの固定電位を示す複数の第2配線をさらに備え、
    前記複数の第2配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第2配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第2配線の配線幅よりも細くなるように、構成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  10. 前記複数の第1配線は、電源電圧が伝搬するように構成され、
    前記複数の第2配線は、接地電圧が伝搬するように構成されている、
    請求項に記載の半導体装置。
  11. 前記複数の第1配線、及び、前記複数の第2配線は、前記第1層の全面にわたって交互にスリット状に配置されている、
    請求項に記載の半導体装置。
  12. 前記インダクタは、平面視して渦巻き状に形成され、かつ、所定内径よりも大きな内径を有するように形成され、
    前記複数の第1配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第1配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第1配線の配線幅よりも太くなるように、構成され、
    前記複数の第2配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する第2配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の残りの領域に位置する第2配線の配線幅よりも太くなるように、構成されている、
    請求項に記載の半導体装置。
  13. 前記インダクタは、平面視して渦巻き状に形成され、かつ、所定内径よりも小さな内径を有するように形成され、
    前記複数の第1配線は、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように、構成され、
    前記複数の第2配線は、平面視して、前記インダクタの形成領域の中央領域に位置する前記第1層において所定の空間領域を有するように、構成されている、
    請求項に記載の半導体装置。
  14. 前記第1層に積層された第3層に形成され、固定電位を示す複数の第3配線をさらに備え、
    前記複数の第3配線では、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第3配線の配線幅が、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第3配線の配線幅よりも細くなるように、形成されている、
    請求項1に記載の半導体装置。
  15. 請求項1に記載の半導体装置の構造を有するインダクタを備えた、電子回路。
  16. 第1層に、固定電位を示す複数の第1配線を形成し、
    前記第1層に積層された第2層にインダクタを形成し、
    前記複数の第1配線を形成するステップでは、
    前記複数の第1配線のうち、平面視して、前記インダクタの形成領域の範囲内に位置する第1配線の配線幅を、前記インダクタの形成領域の範囲外に位置する第1配線の配線幅よりも細くし、且つ、
    前記複数の第1配線を、前記第1層の全面にわたってスリット状に形成する、
    半導体装置の形成方法。
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