JP7221668B2 - 半導体装置 - Google Patents
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Description
《半導体装置の構成》
図1(a)は、本発明の実施の形態1による半導体装置の構成例を示す概略図であり、図1(b)は、図1(a)の動作例を示す模式図である。実施の形態1の半導体装置は、図1(a)に示されるようなベクトル合成型の移相器PHSFを有する。当該移相器PHSFは、例えば、MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit)等の一つの半導体チップで構成される。当該移相器PHSFは、ハイブリッドカプラ回路HYBと、インピーダンス整合回路MCi,MCq,MCsと、可変ゲインアンプVGAi,VGAqと、合成器ADDとを有する。
図2は、図1における可変ゲインアンプの構成例を示す回路図である。図2に示す可変ゲインアンプVGAは、図1の可変ゲインアンプVGAi,VGAqのそれぞれに該当する。この例では、可変ゲインアンプVGAは、差動構成となっている。これに伴い、図1に示した可変ゲインアンプへの入力信号(例えばI側入力信号INi)は、差動入力信号INp,INnとなり、可変ゲインアンプからの出力信号(例えばI側出力信号OUTi)は、差動出力信号OUTp,OUTnとなる。
図3(a)は、図2における各スイッチユニット内のレイアウト構成例を示す模式図であり、図3(b)は、図3(a)の実際のレイアウト構成例を示す平面図である。図3(a)および図3(b)に示されるように、正極側のコモン配線CSP、負極側のコモン配線CSN、正極側の出力配線OUTPおよび負極側の出力配線OUTNは、層間絶縁膜によってそれぞれが互いに電気的に絶縁された複数の配線層の一つである所定の配線層ML[x]の中で、Y方向において並んで配置され、Y方向と交差するX方向に向けて延伸する。配線層ML[x]は、例えば、最上層(X方向およびY方向に交差するZ軸方向の最上部)付近の配線層である。
図14は、本発明の比較例となる半導体装置において、図2の可変ゲインアンプのレイアウト構成例を示す平面図である。図14では、X方向において、スイッチブロックSBの両隣に、それぞれ、差動入力ブロックDFBと、負荷ブロックLDBとが配置される。スイッチブロックSBは、差動入力ブロックDFBからのコモン信号CSp,CSnを入力として、負荷ブロックLDBへ差動出力信号OUTp,OUTnを出力する。
図5(a)は、図15(a)における順結合状態時に生じるクロストークノイズの主要因を示す図であり、図5(b)は、図15(b)における交差結合状態時に生じるクロストークノイズの主要因を示す図である。まず、図15(c)に示したように、位相設定誤差(ゲイン設定誤差)は、所定の範囲の位相θにおいて大きくなっている。一方、正極側の出力配線OUTPと負極側の出力配線OUTNには、位相θの設定値に関わらず、常に逆方向の電流Iop,Ionが流れる。このため、位相設定誤差(ゲイン設定誤差)は、出力配線OUTP,OUTP間ではなく、出力配線OUTP,OUTNとコモン配線CSP,CSNとの間のクロストークノイズに起因するものと考えられる。
図6(a)は、本発明の実施の形態1による半導体装置において、図2のスイッチブロック内のレイアウト構成例を示す模式図であり、図6(b)は、図6(a)の実際のレイアウト構成例を示す平面図である。この例では、X方向に向けて順に配置される3個のスイッチユニットSU[j],SU[j+1],SU[j+2]が示される。正極側のコモン配線CSP、負極側のコモン配線CSN、正極側の出力配線OUTPおよび負極側の出力配線OUTNは、図3(a)および図3(b)の場合と同様に、所定の配線層ML[x]の中で、Y方向において並んで配置され、X方向に向けて延伸する。
図8(a)および図8(b)は、図7(a)および図7(b)を変形した構成例および動作例を示す模式図である。図7(a)および図7(b)では、交差部XAは、1個のスイッチユニットSU毎に設けられ、これに応じて、出力配線OUTN,OUTPのそれぞれが有する区間Bcpと区間Bcnは、1個のスイッチユニットSU毎に入れ替わった。一方、図8(a)および図8(b)では、交差部XAは、2個のスイッチユニットSU毎に設けられ、これに応じて、区間Bcpと区間Bcnは、2個のスイッチユニットSU毎に入れ替わる。
以上、実施の形態1の方式を用いると、代表的には、可変ゲインアンプを有する半導体装置において、クロストークノイズに伴うゲインの設定誤差を低減することが可能になる。その結果、当該可変ゲインアンプを移相器に適用することで、高精度な位相制御を行うことが可能になる。このような効果は、特に、ミリ波信号、準ミリ波信号を取り扱う半導体装置において、より顕著となる。
《スイッチブロック(実施の形態2)のレイアウト構成》
図9は、本発明の実施の形態2による半導体装置において、図2のスイッチブロック内のレイアウト構成例および動作例を示す模式図である。図9には、X方向に向けて順に配置される複数の順状態スイッチユニットSU(F)が示される。当該複数の順状態スイッチユニットSU(F)は、図7(a)の構成例に対して、コモン配線CSP,CSNと出力配線OUTN,OUTPの配置を入れ替えたような構成を備える。
以上、実施の形態2の方式を用いることでも、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。また、レイアウト設計の都合等に応じて、実施の形態1の場合のように出力配線OUTN,OUTPに交差部XAを設けるか、実施の形態2の場合のようにコモン配線CSP,CSNに交差部XAを設けるかを選択することができ、レイアウト設計における柔軟性の向上が図れる。
《スイッチブロック(各種変形例)のレイアウト構成》
図10(a)、図10(b)および図10(c)は、本発明の実施の形態3による半導体装置において、図2のスイッチブロック内のそれぞれ異なるレイアウト構成例および動作例を示す模式図である。図10(a)、図10(b)および図10(c)のそれぞれには、X方向に向けて順に配置される複数の順状態スイッチユニットSU(F)が示される。順状態スイッチユニットSU(F)に関し、4個のスイッチ用トランジスタ(スイッチSW)は、実施の形態1や実施の形態2ではY方向において2個ずつ配置されたが、実施の形態3では、共にX方向に向けて順に配置される。
以上、実施の形態3の方式を用いることでも、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。特に、図10(c)のような構成において、クロストークノイズに伴うゲインの設定誤差を低減することが可能になる。また、実施の形態2の場合と同様に、レイアウト設計における柔軟性の向上が図れる。
《スイッチブロック周り(実施の形態4)のレイアウト構成》
図11は、本発明の実施の形態4による半導体装置において、図2におけるスイッチブロック周りのレイアウト構成例を示す平面図である。図11では、スイッチブロックSBに加えて、ダミースイッチブロックDSBが設けられる。ダミースイッチブロックDSBは、Y方向においてスイッチブロックSBの隣(この例では両隣)に配置され、スイッチブロックSBのレイアウトを模写したレイアウトを備える。ダミースイッチブロックに含まれる複数のスイッチ用トランジスタは、スイッチブロックSBと異なり、常時、オフに固定される。
以上、実施の形態4の方式を用いることでも、実施の形態1の場合と同様の効果が得られる。さらに、ダミースイッチブロックDSBを設けることで、レイアウトの不均一性に伴うノイズ成分を抑制でき、ゲインの設定誤差をより低減することが可能になる。
《可変ゲインアンプの適用例》
図12(a)は、本発明の実施の形態5による半導体装置の構成例を示す概略図であり、図12(b)は、図12(a)の動作例を示す模式図である。図12(a)に示す半導体装置DEVaは、例えば、レーダ装置等に含まれ、フェーズドアレイアンテナ等を制御するフロントエンドICである。当該半導体装置DEVaは、PLL(Phase Locked Loop)と、複数の送信チャネルブロックCH[1]~CH[m]と、ロウノイズアンプLNAと、ミキサMIXと、プログラマブルゲインアンプPGAと、バンドパスフィルタBPFと、アナログディジタル変換器ADCとを有する。
例えば、図12(a)の半導体装置DEVaを用いると、実施の形態1~4の方式によって移相器PHSFの高精度化が図れるため、送信チャネルブロックが少ない場合であっても、アンテナANTから送信されるビームの指向性を高めることができる。送信チャネルブロックの削減は、消費電力の低減や、チップ面積の低減等に寄与する。また、図13の半導体装置DEVbを用いると、移相器PHSFからのクロック信号CKの精度を高めることができる。その結果、例えば、データサンプリング回路DSPLにおいて、再生データRDATの誤り発生率を低下させること等が可能になり、信頼性の向上等が図れる。
テールノードと、第1のコモン配線および第2のコモン配線との間にそれぞれ結合され、差動入力信号が入力される差動対トランジスタと、
差動出力信号を伝送する第1の出力配線および第2の出力配線と、
前記第1のコモン配線および前記第2のコモン配線を前記第1の出力配線および前記第2の出力配線にそれぞれ結合する順結合状態か、前記第1のコモン配線および前記第2のコモン配線を前記第2の出力配線および前記第1の出力配線にそれぞれ結合する交差結合状態かを選択する複数のスイッチ用トランジスタを含み、結合に際して用いる前記スイッチ用トランジスタの並列数を可変設定可能なスイッチブロックと、
を有する半導体装置であって、
前記第1のコモン配線、前記第2のコモン配線、前記第1の出力配線および前記第2の出力配線は、複数の配線層の一つである所定の配線層の中で、前記第1の方向において並んで配置され、前記第1の方向と交差する第2の方向に向けて延伸し、
前記第1のコモン配線または前記第2のコモン配線の少なくとも一方は、
前記第1の方向において第1の間隔で前記第1の出力配線の隣に配置され、前記第2の出力配線の隣に配置されない第1の区間と、
前記第1の方向において前記第1の間隔で前記第2の出力配線の隣に配置され、前記第1の出力配線の隣に配置されない第2の区間と、
を有する、
半導体装置。
Bon,Bop,Bcn,Bcp 区間
CSP,CSN コモン配線
DSB ダミースイッチブロック
INp,INn 差動入力信号
ML 配線層
Mip,Min 差動対トランジスタ
Mp,Mn スイッチ用トランジスタ
Nt テールノード
OUTP,OUTN 出力配線
OUTp,OUTn 差動出力信号
PHSF 移相器
SB スイッチブロック
SU スイッチユニット
SW スイッチ
VGA 可変ゲインアンプ
Wi,Wq,Wt,Wb ゲイン設定信号
XA 交差部
Claims (14)
- 主面を有する半導体基板と、
前記主面の一方向を第1の方向とし、前記主面の一方向であり前記第1の方向と交差する方向を第2の方向として、前記主面の上方で、前記第1の方向に並んで配置され、前記第2の方向に延伸する正極コモン配線および負極コモン配線と、
前記主面の上方に配置され、差動入力信号を伝送する第1の差動入力配線および第2の差動入力配線と、
前記主面上に形成され、ドレインが前記正極コモン配線に結合され、ゲートが前記第1の差動入力配線に結合される第1の差動トランジスタと、
前記主面上に形成され、ドレインが前記負極コモン配線に結合され、ゲートが前記第2の差動入力配線に結合される第2の差動トランジスタと、
前記主面の上方で、前記第1の方向に隣接して配置され、一定区間毎に交差しながら前記第2の方向に延伸し、差動出力信号を伝送する正極出力配線および負極出力配線からなる出力配線対と、
前記主面上に形成され、平面視において、前記出力配線対における複数の前記一定区間のそれぞれと、前記正極コモン配線との間の領域で、前記第2の方向に並んで配置される第1のスイッチ用トランジスタおよび第3のスイッチ用トランジスタと、
前記主面上に形成され、平面視において、前記出力配線対における前記複数の一定区間のそれぞれと、前記負極コモン配線との間の領域で、前記第2の方向に並んで配置される第2のスイッチ用トランジスタおよび第4のスイッチ用トランジスタと、
を備え、
前記第1のスイッチ用トランジスタは、前記正極コモン配線と前記負極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第3のスイッチ用トランジスタは、前記正極コモン配線と前記正極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第2のスイッチ用トランジスタは、前記負極コモン配線と前記正極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第4のスイッチ用トランジスタは、前記負極コモン配線と前記負極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
順結合状態が選択された場合、前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第2のスイッチ用トランジスタがオンに、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタがオフに制御され、
交差結合状態が選択された場合、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタがオンに、前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第2のスイッチ用トランジスタがオフに制御される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記正極コモン配線は、前記第1の方向において、前記出力配線対の両隣の一方に、前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第3のスイッチ用トランジスタを挟んで配置され、
前記負極コモン配線は、前記第1の方向において、前記出力配線対の両隣の他方に、前記第2のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを挟んで配置される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記正極コモン配線、前記負極コモン配線、前記正極出力配線、および前記負極出力配線は、層間絶縁膜を介して前記主面の上方に配置される第1配線層に配置され、
前記正極コモン配線および前記負極コモン配線は、前記第1配線層と層間絶縁膜を介して絶縁される第2配線層を介して互いに交差しながら前記第2の方向に向けて延伸することでコモン配線対を構成し、
前記コモン配線対は、前記第1の方向において、前記出力配線対の両隣の一方に、前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを挟んで配置される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記正極コモン配線および前記負極コモン配線は、前記第1の方向に隣接して配置されることでコモン配線対を構成し、
前記コモン配線対は、前記第1の方向において、前記出力配線対の両隣の一方に、前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを挟んで配置される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを含み、前記順結合状態が選択された場合にオンに制御する前記第1のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第2のスイッチ用トランジスタの並列数と、前記交差結合状態が選択された場合にオンに制御する前記第3のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第4のスイッチ用トランジスタの並列数とを可変設定するスイッチブロックを備え、
前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタのそれぞれは、2k個(k=0,1,…)を制御単位としてオン/オフが制御され、
前記順結合状態が選択された場合にオンに制御される前記第1のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第2のスイッチ用トランジスタの並列数は、前記制御単位を組み合わせることで設定され、
前記交差結合状態が選択された場合にオンに制御される前記第3のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第4のスイッチ用トランジスタの並列数は、前記制御単位を組み合わせることで設定される、
半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
さらに、前記第1の方向において前記スイッチブロックのレイアウト領域の隣に配置され、前記スイッチブロックのレイアウトを模写したレイアウトを備えるダミースイッチブロックを有し、
前記ダミースイッチブロックに含まれる複数のスイッチ用トランジスタは、オフに固定される、
半導体装置。 - 請求項1記載の半導体装置において、
前記差動入力信号は、準ミリ波信号またはミリ波信号である、
半導体装置。 - 請求項5記載の半導体装置において、
前記第1の差動トランジスタ、前記第2の差動トランジスタ、および前記スイッチブロックを含み、所定の位相を有する前記差動入力信号を、当該スイッチブロック内の前記スイッチ用トランジスタの並列数に応じたゲインで増幅する第1の可変ゲインアンプと、
前記第1の差動トランジスタ、前記第2の差動トランジスタ、および前記スイッチブロックを含み、前記所定の位相とは90°異なる位相を有する前記差動入力信号を、当該スイッチブロック内の前記スイッチの並列数に応じたゲインで増幅する第2の可変ゲインアンプと、
前記第1の可変ゲインアンプからの前記差動出力信号と前記第2の可変ゲインアンプからの前記差動出力信号とを合成する合成器と、
を有する、
半導体装置。 - 主面を有する半導体基板と、
前記主面の一方向を第1の方向とし、前記主面の一方向であり前記第1の方向と交差する方向を第2の方向として、前記主面の上方で、前記第1の方向に隣接配置され、一定区間毎に交差しながら前記第2の方向に延伸する正極コモン配線および負極コモン配線からなるコモン配線対と、
前記主面の上方に配置され、差動入力信号を伝送する第1の差動入力配線および第2の差動入力配線と、
前記主面上に形成され、ドレインが前記正極コモン配線に結合され、ゲートが前記第1の差動入力配線に結合される第1の差動トランジスタと、
前記主面上に形成され、ドレインが前記負極コモン配線に結合され、ゲートが前記第2の差動入力配線に結合される第2の差動トランジスタと、
前記主面の上方で、前記第1の方向に並んで配置され、前記第2の方向に延伸し、差動出力信号を伝送する正極出力配線および負極出力配線と、
前記主面上に形成され、平面視において、前記コモン配線対における複数の前記一定区間のそれぞれと、前記負極出力配線との間の領域で、前記第2の方向に並んで配置される第1のスイッチ用トランジスタおよび第3のスイッチ用トランジスタと、
前記主面上に形成され、平面視において、前記コモン配線対における前記複数の一定区間のそれぞれと、前記正極出力配線との間の領域で、前記第2の方向に並んで配置される第2のスイッチ用トランジスタおよび第4のスイッチ用トランジスタと、
を備え、
前記第1のスイッチ用トランジスタは、前記負極出力配線と前記正極コモン配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第3のスイッチ用トランジスタは、前記負極出力配線と前記負極コモン配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第2のスイッチ用トランジスタは、前記正極出力配線と前記負極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
前記第4のスイッチ用トランジスタは、前記正極出力配線と前記正極出力配線との間にソース・ドレイン経路が形成され、
順結合状態が選択された場合、前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第2のスイッチ用トランジスタがオンに、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタがオフに制御され、
交差結合状態が選択された場合、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタがオンに、前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第2のスイッチ用トランジスタがオフに制御される、
半導体装置。 - 請求項9記載の半導体装置において、
前記正極出力配線は、前記第1の方向において、前記コモン配線対の両隣の一方に前記第1のスイッチ用トランジスタおよび前記第3のスイッチ用トランジスタを挟んで配置され、
前記負極出力配線は、前記第1の方向において、前記コモン配線対の両隣の他方に前記第2のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを挟んで配置される、
半導体装置。 - 請求項9記載の半導体装置において、
前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタを含み、前記順結合状態が選択された場合にオンに制御する前記第1のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第2のスイッチ用トランジスタの並列数と、前記交差結合状態が選択された場合にオンに制御する前記第3のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第4のスイッチ用トランジスタの並列数とを可変設定するスイッチブロックを備え、
前記第1のスイッチ用トランジスタ、前記第2のスイッチ用トランジスタ、前記第3のスイッチ用トランジスタおよび前記第4のスイッチ用トランジスタのそれぞれは、2 k 個(k=0,1,…)を制御単位としてオン/オフが制御され、
前記順結合状態が選択された場合にオンに制御される前記第1のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第2のスイッチ用トランジスタの並列数は、前記制御単位を組み合わせることで設定され、
前記交差結合状態が選択された場合にオンに制御される前記第3のスイッチ用トランジスタの並列数および前記第4のスイッチ用トランジスタの並列数は、前記制御単位を組み合わせることで設定される、
半導体装置。 - 請求項11記載の半導体装置において、
さらに、前記第1の方向において前記スイッチブロックのレイアウト領域の隣に配置され、前記スイッチブロックのレイアウトを模写したレイアウトを備えるダミースイッチブロックを有し、
前記ダミースイッチブロックに含まれる複数のスイッチ用トランジスタは、オフに固定される、
半導体装置。 - 請求項9記載の半導体装置において、
前記差動入力信号は、準ミリ波信号またはミリ波信号である、
半導体装置。 - 請求項11記載の半導体装置において、
前記第1の差動トランジスタ、前記第2の差動トランジスタ、および前記スイッチブロックを含み、所定の位相を有する前記差動入力信号を、当該スイッチブロック内の前記スイッチ用トランジスタの並列数に応じたゲインで増幅する第1の可変ゲインアンプと、
前記第1の差動トランジスタ、前記第2の差動トランジスタ、および前記スイッチブロックを含み、前記所定の位相とは90°異なる位相を有する前記差動入力信号を、当該スイッチブロック内の前記スイッチの並列数に応じたゲインで増幅する第2の可変ゲインアンプと、
前記第1の可変ゲインアンプからの前記差動出力信号と前記第2の可変ゲインアンプからの前記差動出力信号とを合成する合成器と、
を有する、
半導体装置。
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