JPH08241962A - 高周波回路用誘導子 - Google Patents
高周波回路用誘導子Info
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- H01F17/00—Fixed inductances of the signal type
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-
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Abstract
積回路上に集積された誘導子を提供する。 【解決手段】 半導体用途のために作製された誘電子が
開示されている。誘電子は多レベル、多要素の導体のメ
タリゼーション構造により形成され、これにより誘電子
のコンダクタンスが効率良く増大されて、誘電子のQが
増大する。誘電子の構造はまた、多レベル、多要素の導
体を通して流れる電流が特定の導電性の要素の間の自己
インダクタンスを増大させて、誘電子の全体のインタク
ダンスを増大するような経路決めを備えている。
Description
れる誘導子に関し、特に、半導体集積回路内に集積され
た高周波誘導子に関するものである。
高周波用の大きな値の誘導子をシリコン(Si)基板上
に作製するための努力は不首尾であった。誘導性の構造
内に発生する自己共振および低い品質ファクター(Q
s)によって高周波における誘導子の使用が制限されて
いた。McGraw Hillの1965年発行のR.
M.Warner,Ed.によるIntegrated
Circuit;Design Principle
s and Fabricationを参照。アルミニ
ウム/シリコン内で固有の直列抵抗は周波数増加ととも
に品質ファクターが低減する。典型的には、大きな値の
誘導子は、種々の半導体基板上における多数の巻回を持
つアルミニウム(Al)または金(Au)のスパイラル
として作製される。インダクタンスの増加は、しかしな
がら、寄生抵抗(およびキャパシタンス)の増加を伴
い、インダクタの自己共振周波数が低下してしまう。例
えばGaAsまたは絶縁サファイア基板上に金で作製さ
れた25nHのスパイラルのインダクタは3GHzにお
いて自己共振することが見出だされている。対照的に、
シリコン基板上にアルミニウムで作製された、10nH
のスパイラルインダクタは、2GHzにおいて自己共振
し、またGaAsおよびサファイア基板に形成されたイ
ンダクタに比べてQが減少することが見出だされてい
る。Changなどによる、1993年5月発行の、L
arge Suspended Inductorso
n Silicon And Their Use I
n A 2−μm CMOS RF Amplifie
r、IEEE Electron Device Le
tters、Vol.14、No.5の第246−24
8頁を参照のこと。
クタは、カラム(column)III−Vの半導体上
に形成された比較的厚い金(Au)の導電層(つまり、
約6μm)に比べて、比較的薄いアルミニウム(Al)
導電層(つまり、約0.5μm)を必要とする。アルミ
ニウム導電体はその深さが浅いことからより厚い導電性
の経路に対して抵抗がより高くなる。シリコン基体上に
配置されたアルミニウム層の幅(W)は、その浅い深さ
を補償するために増大される。幅を増大した結果、コン
ダクタンスが増大し、またこのために誘導子のQが改善
される。改善されたQと増加したWの関係は、しかしな
がら線状ではない。より高い周波数においては、電流は
導体の全体の断面積(つまり、増加した幅の全て)を流
れず、電流の集中(crowding)が生じる。増加
した導電性の経路幅を備えた改善されたQは、図1でプ
ロットで示したように、Wが15μmを越えて増加した
ときには減少することが見出だされた。電流の集中は、
15μmを越える幅において顕著となる、導体の幅の増
加とともにQが変化する点において、重要な役目を果た
しているものと考えられる。
ム導体24で形成された従来のスパイラルな誘導子L2
0の部分を示したものである。WとLはそれぞれ導体の
幅と長さを表している。外側の導電性の経路は内側の導
電性の経路よりも長いことから、外側の経路の有効な抵
抗は内側の経路のものよりも大きい。電流は、それ故
に、最小の抵抗の経路を採り、内側の回路に沿って流れ
る傾向があって、電流の集中が生じる。電流の集中の効
果は周波数の増大とともに増大する。より詳しくは、導
体24の外側の長さLo は、次式のようになる。
さLi は、次式のようになる。
増大する。特定の比またはこれを越えると、電流の集中
が発生し、有効な抵抗が増大して全体の品質ファクター
Qが劣化する。例えば、N=1でW》S、Lo /Li =
(4L−W)/(4L−8W)と仮定する。顕著な電流
集中のしきい値としてLo /Li >1.5と規定した場
合、顕著な電流集中はW>L/5.5において発生する
ことが見出だされた。同様に、N=2ではW>L/7に
おいて、またN=3の場合にはW>L/8で、規定され
た顕著な電流集中が発生した。簡単な数式により、より
高いコイル数での電流集中に対するしきい値の基準は容
易に導き出される。Nの増大とともに、内側の小オイル
の外側の長さ/内側の長さの比は増大する。
れた誘導子の製作技術では実現できなかった、自己イン
ダクタンスおよび改善されたQを示す、半導体用途に製
作された誘電子を提供するものである。本発明の誘導子
は、それ故に、従来方法により集積回路上に形成された
誘導子が共振する周波数範囲内において容易に共振する
ことがなく、このためによい高い周波数の用途に利用さ
れるものである。
は、周波数が増加しても導電性の構造を通してコンダク
タンスが維持される、多レベル、多要素の導電性のメタ
リゼーション構造を提供する。これを達成するため、誘
導子を形成する多数の、平行は電流要素の間の有効距離
は実質的に等しくなり、これにより各要素の抵抗を等し
くすることができる。したがって、等距離、等抵抗の要
素の組み合わせにより形成される導電性の経路は、従来
技術により形成された誘導子内に固有な電流集中による
問題を克服することができる。多要素の構造はそれ故
に、誘導子の全体の有効コンダクタンスを改善し、また
それ自体のQを改善するものである。
クタンスを増大する方法で、多レベル、多要素の導体を
流れる電流の経路決めのための構造を提供する。全体の
インダクタンスの増加は、各導電性の要素から派生した
増大した自己インダクタンスの累積効果を利用して行う
ことができる。誘導子の導電性の経路を構成する各導電
性の要素の自己インダクタンスは、本発明により提供さ
れる特異なレイアウトにより提供されるものである。上
記したインダクタンスの増大および抵抗の減少を提供す
る構造上のスキームを結合することにより、本発明によ
る、大きなインダクタンスで高いQの誘導子が提供され
る。よって、本発明により構成される誘導子は、高周波
で動作する半導体集積回路内に組み込むために理想的な
ものである。
路のための誘導子、多数の平行な導電性の要素が、従来
技術の誘導子の単一の要素の導電性の経路の代わりに、
基板(例えば、シリコン)上に配列された、構造を提供
するものである。ここで、高周波とは、約100MHz
から約10GHzまでの範囲を意味するものである。多
要素構造は、誘導子を形成する電流運搬要素の抵抗の総
和の全部の抵抗が、従来の誘導子を形成する等しい寸法
の導電性の経路の抵抗に比較して減じられることが確保
されるように配列されている。さらに、本発明の誘導子
が形成される構造は、導電性の要素間の自己インダクタ
ンスにおける増加を実現し、誘導子内の全体のインダク
タンスが増加される。抵抗の減少およびインダクタンス
の増加は、シリコン基板上のアルミニウムで形成された
誘導子に対する従来は成しえなかったQの値によるもの
である。従来は成しえなかったQの値は、ここで規定さ
れた高周波において動作する誘導性の構造においては、
15のように高いものである。
原理を説明する。図3Aは本発明の構造の一部を示した
ものである。誘導子は、誘電性の基体S上に配置された
第1のメタリゼーションレベルの長さl1 として識別さ
れた部分に沿った異なる「A」の要素として形成された
導電性の経路から構成される。第2の導体ないし導電性
の経路(同じく側部l1 に沿っている)を形成する第2
のメタリゼーションレベル「B」は、経路Aから距離X
だけ離れて、基板S上の第1の導電性の経路Aに対向し
て配置されている。導電性の経路AとBのそれぞれは、
10の異なる、実質的に平行な、それぞれA1 、A2 、
…A10、およびB1 、B2 、…B10として識別された、
導電性の要素で構成されている。各要素の幅は約6μm
である。導電性の経路AとBを形成する10の平行な要
素をそれぞれ電気的に分離する約1μmの絶縁性(誘電
性)の間隔が設けられている。それぞれの導電性の経路
AとBの有効な全部の幅は約70μmである。導電性の
経路要素で構成される「A」と「B」は、スパイラルを
形成する、図においてl2 として識別された誘導子の側
部に沿った側部l1 において、それぞれの長さの端に形
成されたコーナーから延在している。
導電性の要素の全体の長さは、次のように関連してい
る。A10>A9 >…A1 およびB10>B9 >…B1 。導
電性の経路A、および導電性の経路Bのそれぞれ10の
要素は、電気的に並列に接続されており、図2を参照し
て従来技術において説明したように、増大する周波数で
最も電流の抵抗が少ない要素である、最も内側の(最も
短い)導電性の経路の要素で電流が集中する傾向があ
る。電流の集中は次いで、増大する周波数の関数とし
て、最も内側の要素の内部で起こり、これらのより短い
長さの要素の内部で寄生抵抗が付随して生じる。
導電性の要素に電流が集中する傾向から起こる抵抗の増
大を、全ての導電性の要素の長さを実質的に等しくする
ことにより、克服することができる。AとBの連鎖的な
(sequential)導電性の要素に対応する長さ
が同じである、つまり、A3 =B3 、A6 =B6 など、
であると仮定すれば、内側の要素A1 を外側の要素B10
に、A2 をB9 に、…A10をB1 に接続することで、A
−Bで形成された10の新しい導電性の要素のそれぞれ
の長さを効率良く等しくすることができる。本発明の構
成を確立するための接続を図3Bに示した。導電性の回
路AとBのそれぞれが10の連鎖的な導電性の要素を含
んでいるので、図3Bに示された導電性の要素は逆連鎖
的に接続されるものであるといえる。要素の長さを等し
くすることで、それぞれの回路を構成する要素のそれぞ
れにおける抵抗が実質的に等しくなる。理論的には、1
0の新しく形成されたA−Bの経路が平行に接続された
ときには、10の実質的に等長で、等抵抗の要素のいず
れか1つを電流は同じように流れる。誘導子(つまり、
新しく形成された10の導電性の要素の平行な組み合わ
せ)の幅全体に実質的に等しく電流を分配することで、
導電性の要素のいずれか1つにおける電流集中を最小限
とでき、抵抗の減少およびQの増大が図れる。
が、等長で、等抵抗の導電性の経路が形成される本発明
の構造は、誘導性の構造の限定されない。上記した構造
は、抵抗のような、導電性の構造を形成するために利用
することができ、電流の経路を形成する等長で、等抵抗
の導電性の要素の結果としての、改良された導電特性を
示すものである。さらに、上記の構造は10の要素で説
明したものであるが、要素の数は10に限定されず、本
構造がその内部で機能する回路の必要に応じていずれの
数Nとすることができるものである。
び上記で説明した、本発明の一実施の形態を表した図式
的なレイアウトである。図4Aは、第1の層である、A
1 からA10の層のレイアウトを示したもので、「A」レ
ベルの導電性の要素の第1の端での平行な相互接続がC
ON1で示されている。10の導電性のワイヤA´、A
2´、…A10´はスパイラルの中心に示されており、
ここでは第2の層(図4B)の要素B1 からB10は逆連
鎖的に接続されている。スパイラルの出力は図4Bにお
いては平行な接続CON2として示され、「B」レベル
の要素の全ての平行な接続を形成している。上記した電
流の導電性における改良に加えて、本発明の多要素の導
電性の構造は全体のインダクタンスを増大するものであ
る。これを行うために、本構造は、前記した誘導子を形
成する隣接する要素の内部においてそれぞれの分離した
導電性の要素内で誘導された相互ないし自己インダクタ
ンスの合計を利用するように配置されている。相互ない
し自己インダクタンスが利用される設計ないし配置は、
「ラインミキシング」と称される。ラインミキシングは
必須的に、隣接する導電性の要素の間の寄生インダクタ
ンスを利用している。長さlで、距離dで離間された2
つの導体の間の相互インダクタンスは、5l[ln(l
/d+G)+H+d/l]で与えられ、G+[l+(l
/d)2 ]1/2 およびH=[l+(l/d)2 ]1/2 で
ある。これらの数式から、dが小さい程、つまり導電性
の要素が近付く程、隣接する要素に流れる電流の結果と
してそれぞれに生成されるインダクタンスが大きくなる
ことは明らかである。
0の平行な導電性の要素E1 、E2、…E10が、10の
平行な導電性の要素F1 、F2 、…F10のそれぞれにミ
ックスされた、導電性の構造を示したものである。10
の「F」要素は基板上の要素E1 、E2 、…E10の間に
介装されている。この結果、平行な導電性の要素E1、
F1 、E2 、F2 、…E10、F10の10の対が得られ
る。各対の要素、例えばE1 、F1 の離間距離は約7μ
mである。図5Aに示したのは、第1のレベルに対向す
る誘電性の基板上に配置された第2のレベルの平行な導
電性の要素であり、G1 、H1 、…G5 、H5 、G6 、
H6 、…G10、H10のように配列されている。導電性の
要素の間の接続は次の通りである。上側のレベルからの
要素E1 の後端はより低いレベルの要素G10の後端に電
気的に接続され、E2 後端はG9 の後端に、E3 はG8
に電気的に接続され、等々、つまり逆連鎖的に電気的に
接続されている。E1 からE10の要素のそれぞれは前端
において平行に電気的に接続されている。次いで、導電
性の要素G1 からG10のそれぞれの前端は要素F1 から
F10の前端のそれぞれに電気的に接続されている。要素
F1 からF10の後端は次いで要素H1 からH10の後端に
逆連鎖的に電気的に接続されている。10の形成された
要素の経路の例えば1つは、E1 からG10へF10にH1
へと延びている。したがって、E1 からF1 、および、
G10からH10、およびE2 からF2 、並びにG9 からH
9 などの近接の結果としての、導電性の経路の要素を流
れる電流から発生された相互インダクタンスは、全体の
インダクタンスに追加される。図5Aの誘導子によれ
ば、図3Aと図3Bに示された改良された構造のコンダ
クタンス、並びに近接した導電性の要素の間の相互イン
ダクタンスによる全体的なインダクタンスの増大が図れ
る。
ようなインダクタンスの増大およびコンダクタンスの増
大を表した誘導性の構造を描いた図式的なレイアウトで
ある。図において、CON3として識別された部分は、
要素E1 からE10の前端のそれぞれが平行に接続された
場所である。CON4の部分において、上部の層の要素
E1 からE10は第2の層の要素G1 からG10の後端に逆
連鎖的に接続されている。CON5の部分では、要素G
1 からG10の前端は要素F1 からF10の前端に連鎖的に
接続されている。また、CON3において、要素F1 か
らF10の後端は要素H1 からH10の後端に逆連鎖的に接
続されている。
導電性の要素からなる上記したレイアウト(構造)は、
電流集中を無視できる効果によるコンダクタンスの増
大、およびより高いQのための誘導子内の全体のインダ
クタンスの増大を提供するものである。このレイアウト
は、しかしながら、本発明の可能な構成の単なる例示に
すぎない。導電性の要素の相互接続を変更することで、
要素間の距離が変わり、したがって相互インダクタンス
が変化する。例えば、上記した2レベルの要素は、上部
のレベルにE1 、F1 、…、E5 、F5 、F6 、E6 、
…F10、E10を、また下部のレベルにG1 、H1 、…、
G5 、H5 、H6 、G6 、…H10、G10を配置するよう
にしても良く、さらに当業者には他の適宜な配置とする
こともできるものである。
例示である。当業者は本発明の技術思想と範囲を逸脱す
ることなしに他の構成や方法を実施することができるも
のである。
誘導体の導体の幅(W)に対する品質ファクター(Q)
のプロットのグラフである。
導子の一部の平面図である。
の形態の斜視図である。
の2レベルの相互接続の詳細を示した図式的なレイアウ
トの説明図である。
の2レベルの相互接続の詳細を示した図式的なレイアウ
トの説明図である。
施の形態を形成する要素の側面の斜視図である。
的なレイアウトの斜視図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 半導体集積回路に集積可能な誘導性の構
造において、 a)誘電性の基板、 b)第1および第2の端を有し、前記基板上にパターン
として連鎖的な順序で配置された実質的に平行で、電気
的に絶縁された導電性の要素のNの連鎖からなる幅Wと
長さLの第1の電気導体、および c)第1および第2の端を有し、前記第1の導体の前記
要素と並置して前記基板上に連鎖的な順序で配置された
実質的に平行で、電気的に絶縁された導電性の要素のN
の連鎖からなる幅Wと長さLの第2の電気導体であり、
前記第1の導体の前記要素の前記第2の端は、明確な導
電性の経路要素のNの連鎖を形成する前記第2の導体の
連鎖的に対応した隣接する要素の第1の端に接続されて
いる第2の電気導体、からなる構造。 - 【請求項2】 半導体集積回路に集積可能な誘導性の構
造において、 a)対向する第1および第2の平らな面を有する基板、 b)第1および第2の端を有し、前記基板上にパターン
として連鎖的な順序で配置された実質的に平行で、電気
的に絶縁された導電性の要素のNの連鎖からなる幅Wと
長さLの第1の電気導体、および c)第1および第2の端を有し前記第2の面上にパター
ンとして連鎖的な順序で配置された実質的に平行で、電
気的に絶縁された、導電性の要素のNの連鎖からなる幅
Wと長さLの第2の電気導体であり、前記第1の導体の
前記第2の端は前記第2の導体の前記第1の端に逆連鎖
的に電気的に接続されて実質的に等しい長さの導電性の
要素のNの連鎖を形成する第2の電気導体、からなる構
造。 - 【請求項3】 前記第1の導体の前記第1の端が電気的
に接続され、並びに前記第2の導体の前記第2の端が電
気的に接続されて、10の分離された、平行な、接続さ
れた等長の要素から形成された単一の導電性の経路を規
定する、請求項2記載の構造。 - 【請求項4】 a)第1および第2の端の間に延在した
実質的に平行で、電気的に絶縁された導電性の要素のN
の連鎖からなる幅Wと長さLの第3の電気導体であり、
前記第3の導体の各連続的な要素は前記第1の面上にお
いて前記第1の導体の各連続的な要素と並置されている
第3の電気導体、および b)第1および第2の端の間に延在した実質的に平行
で、電気的に絶縁された導電性の要素のNの連鎖からな
る幅Wと長さLの第4の電気導体であり、前記第4の導
体の各連続的な要素は前記第2の面上において前記第2
の導体の各連続的な要素と並置され、前記第3の導体の
前記導電性の要素の第2の端は前記第4の導体の前記導
電性の要素の前記第1の端に逆連鎖的に電気的に接続さ
れ、前記第2の導体の前記導電性の要素の第2の端は前
記第3の導体の前記導電性の要素の前記第1の端に連鎖
的に電気的に接続されて実質的に等長の、等抵抗の要素
のNの連鎖を形成する第4の電気導体、をさらに含む、
請求項2記載の構造。 - 【請求項5】 前記第1の導体の前記導電性の要素の前
記第1の端が電気的に接続され、また前記第4の導体の
前記導電性の要素の前記第2の端が電気的に接続されて
いる、請求項4記載の構造。 - 【請求項6】 幅W´の非導電性の領域がW>W´のよ
うに各要素の間に配置されている、請求項7記載の構
造。 - 【請求項7】 Nが10であり、Wが6μmに略等し
く、またW´が1μmに略等しい、請求項2記載の構
造。 - 【請求項8】 前記導体が螺旋形状である、請求項2記
載の構造。 - 【請求項9】 前記基板が誘電性の材料からなる、請求
項1記載の構造。 - 【請求項10】 誘導性の構造を含む高周波用途に使用
されるための集積回路において、前記構造が、 a)第1および第2の端を有し第1の平らなパターンを
形成するために連鎖的に配置された実質的に平行で、電
気的に絶縁された、導電性の要素のNの連鎖からなる幅
Wと長さLの第1の電気導体、 b)第1および第2の端を有し第2の平らな面を形成す
るために連鎖的に配置された実質的に平行で、電気的に
絶縁された導電性の要素のNの連鎖からなる幅Wと長さ
Lの第2の電気導体であり、前記第1の平らなパターン
は誘電性の材料の層により前記第2の平面から分離され
ており、 c)前記第1の導体の前記第2の端は前記第2の導体の
前記第1の端に逆連鎖的に電気的に接続されて実質的に
等しい長さの導電性の要素のNの組み合わせを形成する
第2の電気導体、からなる集積回路。 - 【請求項11】 a)第1および第2の端を有する実質
的に平行で電気的に絶縁された、導電性の要素のNの連
鎖からなる幅Wと長さLの第3の電気導体であり、前記
第3の導体の各連鎖的な導電性の要素が前記第1の導体
の各連鎖的な要素と並置されている第3の電気導体、お
よび b)第1および第2の端を有する実質的に平行で、電気
的に絶縁された、導電性の要素のNの連鎖からなる幅W
と長さLの第4の電気導体であり、前記第4の導体の各
連鎖的な要素は前記第2の導体の各連鎖的な要素と並置
され、前記第3の導体の前記導電性の要素の第2の端は
前記第4の導体の前記導電性の要素の第1の端に逆連鎖
的に電気的に接続され、前記第2の導体の前記要素の前
記第2の端は前記第3の導体の前記要素の前記第1の端
に連鎖的に電気的に接続されて実質的に等長の、等抵抗
の導電性の要素のNの連鎖を形成する第4の電気導体、
をさらに含む、請求項10記載の集積回路。 - 【請求項12】 前記第1の導体の前記導電性の要素の
前記第1の端が電気的に接続され、また前記第4の導体
の導電性の要素の前記第2の端が電気的に接続されて1
0の分離した、平行な接続された実質的に等抵抗で、等
長の要素から形成された単一の導電性の経路を規定す
る、請求項11記載の集積回路。 - 【請求項13】 前記高周波数の動作が100MHzよ
り小さいところから10GHzより大きいところまでの
範囲で広がっている、請求項10記載の集積回路。
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