KR100441985B1 - 고주파 집적회로 및 집적형 고주파 반도체 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반도체 집적회로에 관한 것으로서 특히, 집적형 인덕터에 캐패시터를 추가하여 배치시키고 단위 인덕턴스 및 캐패시턴스를 디지털적으로 조정할 수 있게 함으로써 성능 및 집적화를 최적화할 수 있는 고주파 집적회로 및 집적형 고주파 반도체 장치를 제공하기 위한 것으로, 이에 따른 본 발명의 고주파 집적회로는, 고주파 입력단과 출력단 사이에 직렬 연결된 다수의 인덕터; 상기 인덕터간의 연결 노드에 일측이 연결된 다수의 캐패시터; 상기 캐패시터의 타측과 접지단 사이에 연결된 스위칭수단; 및 상기 출력단의 신호를 궤환하는 루프를 형성하여 상기 스위칭수단을 제어하는 궤환제어수단을 포함한다.

또한, 본 발명의 집적형 고주파 반도체 장치는, 궤환제어수단; 스위칭수단; 반도체 기판 상의 소정영역에 구비되되, 일단이 상기 스위칭수단에 접하며 타단이 캐패시터 하부전극을 이루는 제1 전도층; 상기 제1 전도층 상에 적층된 캐패시터 유전체층; 상기 유전체층 상에 적층된 캐패시터 상부전극용 제2 전도층; 상기 제1 전도층과 상기 유전체층 및 상기 제2 전도층을 감싸는 절연층; 및 상기 제2 전도층에 콘택된 제3 전도층을 포함한다.

Description

고주파 집적회로 및 집적형 고주파 반도체 장치{High frequency integrated circuit and integrated high frequency semiconductor device}

본 발명은 일반적으로 반도체 집적 회로에 관한 것으로, 특히 인덕터 배선 하단에 캐패시터가 집적된 구조를 갖으며 단위 인덕턴스 및 캐패시턴스를 디지털적으로 조정할 수 있게 한 고주파 집적회로 및 집적형 고주파 반도체 장치에 관한 것이다.

공진이란, 외부의 주파수가 어떤 진동계의 고유 주파수가 일치하였을 때, 진동계의 진폭이 최대가 되는 현상을 나타내며, 그 주파수를 조정하여 공진 상태로 하는 것을 동조(Tuning)라 한다. 공진회로(Resonance circuit)란, 인덕터(Inductor; L)와 캐패시터(Capacitor; C)를 포함하고, 어느 주파수에서 공진 현상을 일으키는 회로로서, L 또는 C를 변화시킴으로써 특정한 주파수에 공진(동조)시킬 수 있다. 특히, 병렬 공진회로는 텔레비젼 라디오 등의 각종 통신이나 전자기기의 동조회로로서 사용되고 있다.

또한, 이러한 LC 교류회로의 공진점 부근에서의 주파수와 전류의 변화를 나타내는 공진곡선에서 직렬 공진회로에서는 공진시에 회로의 전류는 최대가 되고,병렬 공진회로에서는 최소(거의'0')가 된다.

한편, 전압, 전류 임피던스 등의 계측을 하는 경우 측정용 리드선에는 인덕턴스나 부유(표유) 용량이 포함되어 있으므로, 이것이 계측기의 입력 용량과 결합하여 공진회로를 형성함으로써 공진오차가 발생되는 바, 이러한 공진오차는 주파수가 높을 수록 발생하기 쉽게 된다.

이러한 LC 공진회로나 필터회로 등에 사용되는 인덕터나 캐패시터 등이 기술의 발전으로 집적화되면서 개별 부품의 조합으로 구성되던 상기의 회로들이 집적화되고 있다.

또한, 반도체 제조 공정에서는 지금까지 집적형 캐패시터로 다결정 실리콘(Polysilicon) 캐패시터를 사용하던 것을 최근에 다층금속 배선기술이 개발되면서 금속캐패시터(MIM; Matal Insulator Metal)의 사용이 가능해지게 되었다.

도 1은 종래기술에 따른 LC형 n차 저역 통과 필터를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 다수의 인덕터(L₂∼ L_2n)가 고주파 입력단(RF_in)과 고주파 출력단(RF_out) 사이에 직렬로 연결되어 있으며, 각 인덕터간의 연결 노드와 접지단(V_SS) 사이에 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)가 접속되어 n차 저역 통과 필터를 이루고 있다.

상기한 구성을 갖는 종래의 n차 저역 통과 필터는 원하는 규격 예컨대, 공진주파수(Resonant frequency)를 만족하도록 하기 위해 반도체 기판 상에 집적화 할 경우, 다층막의 배치 배선을 조정하여 하드와이어드 동조(Hard-wired tuning)를 실시하거나, 캐패시터를 조정(Trimming)하거나, L, C 등의 각 개별 부품을 탈착식으로 구현함으로써, 공정상의 변수에 의하거나 혹은 부품들의 특성의 차이에 의해 실제 구현 시 원하는 성능을 얻기가 힘들게 되며, 원하는 성능을 만족하기 위해 별도의 부품으로 교체해야 하는 불편과 최적화의 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 재현성있는 공진주파수를 얻을 수 있는 고주파 집적회로를 제공함을 그 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 성능 및 집적화를 최적화할 수 있는 집적형 고주파 반도체 장치를 제공함을 다른 목적으로 한다.

도 1은 종래기술에 따른 LC형 n차 저역 통과 필터를 도시한 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 고주파 집적회로를 도시한 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 집적형 고주파 반도체 장치의 레이아웃을 도시한 평면도이며,

도 4는 도 3을 Z-Z'으로 절단한 단면도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 고주파 반도체 장치를 도시한 구성도.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

51 : 스위칭부

52 : 디코딩부

53 : 제어부

54 : 궤환부

21 : 궤환제어부

500, 501 : 배선

510 : 스위칭 트랜지스터

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고주파 집적회로에 있어서, 고주파 입력단과 출력단 사이에 직렬 연결된 다수의 인덕터; 상기 인덕터간의 연결 노드에 일측이 연결된 다수의 캐패시터; 상기 캐패시터의 타측과 접지단 사이에 연결된 스위칭수단; 및 상기 출력단의 신호를 궤환하는 루프를 형성하여 상기 스위칭수단을 제어하는 궤환제어수단을 포함한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 집적형 고주파 반도체 장치에 있어서, 궤환제어수단; 스위칭수단; 반도체 기판 상의 소정영역에 구비되되, 일단이 상기 스위칭수단에 접하며 타단이 캐패시터 하부전극을 이루는 제1 전도층; 상기 제1 전도층 상에 적층된 캐패시터 유전체층; 상기 유전체층 상에 적층된 캐패시터 상부전극용 제2 전도층; 상기 제1 전도층과 상기 유전체층 및 상기 제2 전도층을 감싸는 절연층; 및 상기 제2 전도층에 콘택된 제3 전도층을 포함한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 고주파 집적회로를 도시한 구성도이다.

도 2를 참조하면, 고주파 입력단(RF_in)과 출력단(RF_out) 사이에 직렬 연결된 다수의 인덕터(L₂∼ L_2n)와, 인덕터(L₂∼ L_2n)간의 연결 노드에 일측이 연결된 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)와, 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 타측과 접지단(V_SS) 사이에 연결된 스위칭부(20)와, 출력단(RF_out)의 신호를 궤환하는 루프를 형성하여 스위칭부(20)를 제어하는 궤환제어부(21)를 구비하여 구성된다.

여기서, 상기 궤환제어부(21)는, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 스위칭부(20)의 온-오프(On-off)를 결정하는 디코딩부(52)와, 출력단(RF_out)의 신호를 센싱하여 궤환 루프를 형성하는 궤환부(54)와, 상기 궤환된 출력신호와 미리 프로그래밍된 데이타를 비교함으로써 원하는 출력신호를 얻기 위해, 상기스위칭부(20)의 특정 주소에 해당하는 스위치의 온-오프를 결정하는 신호를 상기 디코딩부(52)에 출력하는 제어부(53)를 구비하여 구성된다.

또한, 상기 스위칭부(20)는 다수의 스위치(S₁∼ S_2n-1)로 구성되는 바, 도 5에 도시된 바와 같이 일측이 접지단(V_SS)에 연결되고 타측이 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 타측에 각각 연결되며 상기 디코딩부(52)에 의해 게이트단이 제어되는 다수의 트랜지스터(510)를 구비하여 구성된다.

상기한 구성을 갖는 고주파 집적회로의 동작을 상세하게 설명한다.

다수의 인덕터(L₂∼ L_2n)가 고주파 입력단(RF_in)과 고주파 출력단(RF_out) 사이에 직렬로 접속되어 있으며, 각 인덕터 사이와 접지단(V_SS) 사이에 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)를 매개로 다수의 스위치(S₁∼ S_2n-1)가 병렬로 접속되어 n차 저역 통과 필터를 이루고 있다.

즉, 각 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 종단에 스위치(S₁∼ S_2n-1)를 배치함으로써, 스위치의 단자를 통해 고주파 출력단(RF_out)에서 출력되는 공진주파수를 디지털적으로 조절할 수 있게 하여 스위치의 온-오프에 대한 조합과 단위 캐패시턴스 및 인덕턴스의 최적화 과정을 유연하게 조정할 수 있게 한 것으로 프로그래머블(Programmable)한 LC 공진회로나 필터회로를 구성할 수 있다.

구체적으로, 집적형 인덕터(L₂∼ L_2n)의 일정 부분에 예컨대, MIM(Metal Insulator Metal) 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)를 배치하고, MIM 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 일측에 스위치(S₁∼ S_2n-1) 예컨대, 스위칭용 트랜지스터를 연결한다. 스위치(S₁∼ S_2n-1)는 디코딩부(52)에 의해 결정되며, 제어부는 궤환부에 의해 센싱된 고주파 출력 신호(RF_out)를 피드백 받아 미리 입력된 데이타와 비교함으로써, 원하는 출력 예컨대, 공진주파수를 얻기 위한 각 스위치(S₁∼ S_2n-1)의 온-오프에 대한 정보를 디지털 데이타로 하여 출력하며, 디코딩부는 제어부의 출력을 일정한 전압 레벨로 변환하므로써, 스위치의 동작이 이루어진다.

일예로, C₁, C₃, C₅와 S₁, S₃, S₅및 L₂, L₄로 구성된 부분을 보면 모든 스위치가 턴-온 상태와 비교하여 S₃턴-오프되었을 때 C₃는 캐패시터로서의 역할을 할 수 없게 되면서 L₂및 L₄가 직렬로 연결되며 이에 따라 공진주파수도 변하게 된다. 다단으로 구성된 LC형 필터의 경우 각 스위치의 단락하는 조합수가 매우 커지게 되며 이들 스위치의 단락 조합에 따라 극점의 위치를 다양하게 이동시킬 수 있게 된다.

따라서, 원하는 공진주파수를 만족하기 위해 별도의 부품으로 교체해야 하는 불편을 배제함으로써, 단위 인덕턴스 및 캐패시턴스를 디지털적으로 조정할 수 있게 되어 재현성있는 공진주파수를 얻을 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집적형 고주파 반도체 장치를 도시한 구성도이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 집적형 고주파 반도체 장치는, 궤환제어부(21)와, 스위칭부(51)와, 반도체 기판(10) 상의 소정영역에 구비되되, 일단이 스위칭부(51)에 접하며 타단이 캐패시터 하부전극을 이루는 전도층(12)과, 전도층(12) 상에 적층된 캐패시터 유전체층(13)과, 유전체층(13) 상에 적층된 캐패시터 상부전극용 전도층(14)과, 전도층(12)과 유전체층(13) 및 전도층(14)을 감싸는 절연층(11)과, 전도층(14)에 콘택(15)된 전도층(16)을 구비하여 구성된다.

여기서, 상기 캐패시터(100)는 MIM(Metal Insulator Metal) 구조이며, 상기 전도층(16)은, 인덕터로서 캐패시터와 병렬 공진회로를 이룬다.

또한, 궤환제어부(21)와, 스위칭부(51)는 상술한 바와 동일하므로 중복 설명을 피하기 위해 상세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명에 따른 집적형 고주파 반도체 장치의 레이아웃을 도시한 평면도이며, 상술한 도 4는 상기 도 3을 Z-Z'으로 절단한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 반도체 기판 상의 절연막 상에 코일 형태로 배치된 배선(500)과, 배선(500)의 하측에 배치되어 일측이 배선(500)과 다수의 접점을 갖되, 각 접점간 일정 간격을 갖도록 하여 상기 각 일정 간격에 의해 단위 인덕턴스가 변하는 인덕터(L₂∼ L_2n)를 이루도록 하는 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)와, 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1) 타측과 상기 스위칭부(51)를 연결하며 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 하부전극 역할을 하는 다수의 배선(501)을 구비하여 구성된다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 고주파 집적형 반도체 장치의 동작은 전술한 바와 동일하며, 다수의 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)는 각각 제어부(53)의 신호에 의해 그 상부의 단위 인덕터(L₂∼ L_2n)와 연결되거나 끊어지게 되며, 개별 인덕터(L₂∼ L_2n)에 의한 전체의 인덕턴스는 각 캐패시터(C₁∼ C_2n-1)의 타측이 접지단에 연결되거나 혹은 플로팅되느냐에 따라 변하게 되므로 미리 프로그래밍된 제어부에 의해 각 스위치의 온-오프에 따라 산출되는 출력 주파수를 가변시켜 원하는 공진주파수를 출력할 수 있는 바, 상기한 디지털 조정 과정을 일예를 들어 설명한다.

궤환부(54)에 RFout과 기준신호 Ref 또는 원하는 신호를 함께 입력한다. 이들 두 신호는 내부의 비교기를 통해 두 신호를 비교하고 두 신호의 차이를 적분기 등을 통해 일정한 전기적 신호로 변환시킨다. 전기적 신호는 다시 제어부(53)로 입력되며, 제어부(53)에서 상기 전기적 신호를 데이터변환기 예컨대, 아날로그-디지탈 변환기(Analog digital converter; 이하 ADC라 함)를 통해 특정 비트수로 환산된 디지탈 신호로 변환시킨다.

이들 디지탈 값은 디코딩부(52)로 입력이 되며, 디코딩부(52)는 입력 디지탈 값과 상관된 특정 코드를 발생시켜 캐패시터 노드에 연결된 임의의 트랜지스터(510)의 단락을 결정하게 함으로써, 필터의 특성을 조정하게 된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명은 디지털 집적회로를 캐패시터 내장형 인덕터와 결합시킴으로써, 필터 또는 공진회로의 공진주파수를 자유자재로 조정할 수 있으며 이로인해 회로 성능의 최적화 및 프로그래머블한 집적된 고주파 반도체 장치를 가능하게 한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은, 고주파 집적 회로의 성능을 디지털 회로에서 프로그램으로 가능하게 됨으로써 설계의 유연성을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 상기의 성능 향상에 따른 고주파 집적 회로의 트리밍을 가능하게 하여 수율을 향상시킬 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (8)

1. 고주파 입력단과 출력단 사이에 직렬 연결된 다수의 인덕터;

   상기 인덕터간의 연결 노드에 일측이 연결된 다수의 캐패시터;

   상기 캐패시터의 타측과 접지단 사이에 연결된 스위칭수단; 및

   상기 출력단의 신호를 궤환하는 루프를 형성하여 상기 스위칭수단을 제어하는 궤환제어수단

   을 포함하는 고주파 집적회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 궤환제어수단은,

   상기 스위칭수단의 온-오프를 결정하는 디코딩부;

   상기 출력단의 신호를 센싱하여 궤환 루프를 형성하는 궤환부; 및

   상기 궤환된 출력신호와 미리 프로그래밍된 데이타를 비교함으로써 원하는 출력신호를 얻기 위해, 상기 스위칭수단의 특정 주소에 해당하는 스위치의 온-오프를 결정하는 신호를 상기 디코딩부에 출력하는 제어부

   를 포함하는 고주파 집적회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 스위칭수단은, 일측이 접지단에 연결되고 타측이 상기 다수의 캐패시터의 타측에 각각 연결되며 상기 디코딩부에 의해 게이트단이 제어되는 다수의 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 고주파 집적회로.
4. 궤환제어수단;

   스위칭수단;

   반도체 기판 상의 소정영역에 구비되되, 일단이 상기 스위칭수단에 접하며 타단이 캐패시터 하부전극을 이루는 제1 전도층;

   상기 제1 전도층 상에 적층된 캐패시터 유전체층;

   상기 유전체층 상에 적층된 캐패시터 상부전극용 제2 전도층;

   상기 제1 전도층과 상기 유전체층 및 상기 제2 전도층을 감싸는 절연층; 및

   상기 제2 전도층에 콘택된 제3 전도층

   을 포함하는 집적형 고주파 반도체 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 궤환제어수단은,

   상기 스위칭수단의 온-오프를 결정하는 디코딩부;

   상기 출력단의 신호를 센싱하여 궤환 루프를 형성하는 궤환부; 및

   상기 궤환된 출력신호와 미리 프로그래밍된 데이타를 비교함으로써 원하는 출력신호를 얻기 위해, 상기 스위칭수단의 특정 주소에 해당하는 스위치의 온-오프를 결정하는 신호를 상기 디코딩부에 출력하는 제어부

   를 포함하는 집적형 고주파 반도체 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 스위칭수단은, 일측이 접지단에 연결되고 타측이 상기 제1 전도층에 연결되며 상기 디코딩부에 의해 게이트단이 제어되는 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 집적형 고주파 반도체 장치.
7. 제 4 항에 있어서,

   상기 캐패시터는 MIM(Metal Insulator Metal) 구조인 것을 특징으로 하는 집적형 고주파 반도체 장치.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 제3 전도층은, 인덕터인 것을 특징으로 하는 집적형 고주파 반도체 장치.