WO2010064412A1 - バイアス回路、バイアス回路の製造方法 - Google Patents

バイアス回路、バイアス回路の製造方法 Download PDF

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濱田康宏
岸本修也
丸橋建一
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Definitions

  • the present invention relates to a bias circuit integrated on a semiconductor substrate and a method for manufacturing the bias circuit.
  • CMOS process With the recent miniaturization of the CMOS process, the high-frequency characteristics of the MOSFET have improved, and as a result, a high-frequency amplifier can be realized by the CMOS process.
  • a high-frequency amplifier it is important to match input / output impedances in a desired band and to stabilize the circuit outside the desired band.
  • FIG. 11 is a circuit diagram of a common source FET type amplifier.
  • a signal input from the input terminal 12 passes through the DC blocking capacitor 13a and reaches the gate of the FET 15 through the transmission line 14a.
  • a short stub 18a comprising a transmission line 16a and a capacitor 17a grounded on one side is connected to the transmission line 14a and the capacitor 13a, and these form an input matching circuit.
  • the gate bias supply terminal 19 is connected to the short stub 18 a and supplies a bias to the gate of the FET 15.
  • the drain of the FET 15 is connected to the DC blocking capacitor 13b through the transmission line 14b and outputs a signal to the output terminal 21.
  • the transmission line 14b and the capacitor 13b are connected to a short stub 18b including a transmission line 16b and a capacitor 17b grounded on one side, and these form an output matching circuit.
  • the drain bias supply terminal 22 is connected to the short stub 18 b and supplies a bias to the drain of the FET 15.
  • the transmission lines 14a and 14b and the short stubs 18a and 18b perform impedance matching and also serve as a bias circuit.
  • the gain is maximized in the vicinity of 60 GHz, and the reflection characteristic is minimized. That is, input / output impedances are matched in a desired band.
  • the k factor derived from the S parameter is generally used as an indicator of stabilization.
  • the condition of k> 1 is necessary.
  • FIG. 12 shows the calculation result of the k-factor frequency characteristics of the amplifier of FIG. According to FIG. 12, the k factor of the amplifier of FIG. 11 is k ⁇ 1 at a frequency of 2 GHz or less. In this frequency region, there is a risk of instability such as circuit oscillation.
  • FIG. 13 is a circuit diagram showing such a bias circuit.
  • a shunt RC circuit 11 is inserted between the short stub 18 forming a part of the matching circuit and the bias supply terminal 31.
  • the low frequency signal that cannot be grounded by the short stub capacitor passes through a large capacitance element of the stabilization circuit and is attenuated by the resistance element, so that the amplifier is stabilized.
  • the high frequency amplification device uses an active element and a matching circuit for the active element. That is, the resistance component of the input impedance of the active element is made sufficiently small so that the stability index k factor of the active element alone in the frequency band in which the amplifier is used is 1 or less. Then, the stability index k factor as an amplifying device is set to 1 or more by utilizing the loss of the matching circuit.
  • Patent Document 2 discloses a technology related to a spiral inductor that can reduce the parasitic resistance between the inductor and the substrate when the inductor is formed using a wiring layer on a silicon process.
  • Patent Documents 3 and 4 also disclose a technique related to a spiral inductor.
  • the bias circuit shown in FIG. 13 has several problems.
  • the first problem is that the cost of the chip increases. The reason is that the chip area increases because the capacitance to be mounted on the shunt RC circuit is large, for example, about 5 to 10 pF.
  • the second problem is that there is a risk of changing the characteristics of the amplifier in the desired band. This is because the capacitance component of the shunt RC circuit is connected in parallel to the short stub capacitive element, thereby affecting the frequency characteristics of the matching circuit. Therefore, an object of the present invention is to provide a bias circuit that can be easily integrated on a semiconductor substrate and can prevent parasitic oscillation.
  • a bias circuit includes: a resistor layer disposed on a substrate and connected to a ground potential; and a conductor disposed on the resistor layer and spaced apart from the resistor layer to form an inductor.
  • the method for manufacturing a bias circuit according to the present invention includes forming a resistor layer connected to a ground potential on a substrate, and separating the resistor layer above the resistor layer to form an inductor. Is generated.
  • the present invention can provide a bias circuit that can be easily integrated on a semiconductor substrate and can prevent parasitic oscillation.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an element constituting the bias circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view of an element constituting the bias circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a diagram showing a detailed structure of a conductor constituting an inductor of an element constituting the bias circuit according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of an equivalent circuit of the bias circuit according to the first exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a circuit diagram when the bias circuit according to the first embodiment is used in a 60 GHz band amplifier. It is a figure which shows the frequency characteristic of k factor of the 60 GHz band amplifier concerning Embodiment 1.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating small signal characteristics of the 60 GHz band amplifier according to the first exemplary embodiment
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of an element constituting a bias circuit according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of elements constituting a bias circuit according to a third embodiment.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of elements constituting a bias circuit according to a fourth embodiment. It is a circuit diagram of an amplifier of a common source FET type. It is a figure which shows the frequency characteristic of k factor of a source grounded FET type amplifier. It is a circuit diagram of a bias circuit using a shunt RC circuit.
  • FIG. Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • a cross-sectional view of the first embodiment is shown in FIG. 1, and a plan view is shown in FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG.
  • the bias circuit according to the present embodiment has a resistor layer 2 disposed on the substrate 1 and connected to the ground potential, and a conductor 4 forming an inductor 5 disposed on the resistor layer 2.
  • the resistor layer 2 can be obtained, for example, by forming a diffusion region in a CMOS process. Further, the resistor layer 2 may be formed of, for example, a NiCr thin film resistor or a resistor such as metal, polysilicon, or alloy. The resistor layer 2 is connected to the ground potential at a place not shown in the figure.
  • an insulator 3 may be disposed above the resistor layer 2, and a conductor 4 that forms the inductor 5 is disposed inside the insulator 3.
  • the gate insulating film and the interlayer insulating film in the wiring portion are integrated and represented as an insulator 3.
  • the detailed structure of the conductor 4 forming the spiral inductor 5 is shown in FIG.
  • the conductor 4 is formed by connecting all the metal layers from the lowermost layer 6a to the uppermost layer 6n in a multi-layer metal wiring process by a large number of vias 7. That is, the spiral inductor 5 is formed for each metal layer, and the spiral inductors in each metal layer are connected by the vias 7.
  • the conductor 4 in FIG. 1 shows this in a simplified manner.
  • the distance between the lowermost metal layer 6a and the resistor layer 2 in the CMOS process is short in order to reduce signal delay in the wiring portion. Specifically, this distance is generally about 1 ⁇ m or less.
  • the inductor 5 of this embodiment may be not only a spiral inductor structure but also a meander type inductor, for example.
  • the equivalent circuit of the inductor of this embodiment including the above parasitic capacitance and parasitic resistance is expressed as shown in FIG.
  • the equivalent circuit includes a distributed constant inductance 8, a parasitic capacitance 9, and a parasitic resistance 10. Note that an equivalent shunt RC circuit 11 is present in this inductor.
  • a parasitic capacitance is generated between the spiral inductor 5 and the resistor layer 2.
  • a magnetic field is generated in a direction perpendicular to the substrate by the AC signal passing through the inductor 5, and an eddy current is induced in the resistor layer 2 through which the magnetic field penetrates.
  • the attenuation of the eddy current in the resistor layer 2 becomes a loss for the AC signal passing through the inductor.
  • an equivalent shunt RC circuit is formed. This makes it possible to provide a bias circuit that can be easily integrated on a semiconductor substrate and that can prevent parasitic oscillation.
  • the manufacture of the bias circuit according to the present embodiment is performed as follows.
  • a resistor layer 2 is formed on the substrate 1.
  • the manufacturing method may be a general processing method represented by vapor deposition, sputtering, plating, diffusion, alloying, or damascene process.
  • the resistor layer 2 is connected to the ground potential by a general processing method represented by the above.
  • a conductor 4 that forms an inductor is formed on the resistor layer 2.
  • the manufacturing method may be a general processing method represented by the above.
  • the insulator 3 is generated between the resistor layer 2 and the conductor 4.
  • the insulator 3 is formed by a technique such as oxidation of a silicon substrate, vapor deposition, or chemical vapor deposition (CVD).
  • the conductor 4 may be formed after the formation of the insulator 3, or the insulator 3 and the conductor 4 may be formed using a multilayer wiring process.
  • the input / output terminal of the inductor 5 and the circuit are connected using a general processing method represented by the above.
  • the distance between the resistor layer 2 and the lower surface of the conductor 4 can be reduced to approximately 1 ⁇ m or less by appropriately adjusting the manufacturing conditions of the insulator 3 typified by oxidation, vapor deposition, CVD time and temperature. it can.
  • the bias circuit manufacturing method as described above makes it possible to manufacture a bias circuit that can be easily integrated on a semiconductor substrate and that can prevent parasitic oscillation.
  • Fig. 5 shows a circuit diagram of a 60 GHz band amplifier incorporating this spiral inductor in the bias circuit.
  • input terminals of inductors 20a and 20b are connected to power supplies (bias supply terminals) 19 and 22, and output terminals of the inductors are connected to short stubs 18a and 18b which are power supply units of the integrated circuit.
  • the signal input from the input terminal 12 passes through the DC blocking capacitor 13a and reaches the gate of the FET 15 through the transmission line 14a.
  • the transmission line 14a and the capacitor 13a are connected to a short stub 18a including a transmission line 16a and a capacitor 17a grounded on one side, thereby forming an input matching circuit.
  • the gate bias supply terminal 19 is connected to the short stub 18a via an inductor 20a shown in the equivalent circuit of FIG. 4 and supplies a bias to the gate of the FET 15.
  • the drain of the FET 15 is connected to the DC blocking capacitor 13b through the transmission line 14b and outputs a signal to the output terminal 21.
  • a short stub 18b comprising a transmission line 16b and a capacitor 17b grounded on one side is connected to the transmission line 14b and the capacitor 13b to form an output matching circuit.
  • the drain bias supply terminal 22 is connected to the short stub 18b via an inductor 20b shown in the equivalent circuit of FIG. 4 and supplies a bias to the drain of the FET 15.
  • the low frequency region is stabilized by the equivalent shunt RC circuit of the spiral inductors 20a and 20b included in the bias circuit in the present embodiment.
  • k> 1 the simulation result of the frequency characteristic of the k factor in the low frequency band of this amplifier is shown in FIG. 6, k> 1, and stabilization can be confirmed.
  • the solid line in FIG. 7 shows the simulation result of the small signal characteristics in the desired frequency band of 60 GHz of the amplifier according to the present embodiment shown in FIG. Moreover, the simulation result of the amplifier of FIG. 11 that does not include the spiral inductor is shown in FIG. From these results, it can be said that the simulation result of the amplifier according to the present embodiment is almost the same as the simulation result of the amplifier of FIG. 11 that does not include the spiral inductor. Since the inductance of the spiral inductor has a high impedance with respect to the high-frequency signal, stabilization in the low-frequency region is realized with little influence on the characteristics of the desired band.
  • the low-frequency signal that cannot be grounded by the short stub is attenuated through the shunt RC circuit while the shunt RC circuit does not affect the matching circuit at a desired frequency due to the inductance of the spiral inductor.
  • the shunt RC circuit does not affect the matching circuit at a desired frequency due to the inductance of the spiral inductor.
  • Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG.
  • symbol is attached
  • the equivalent circuit of the bias circuit according to the second embodiment is the same as that shown in FIG. 4, and the circuit diagram of the 60 GHz band amplifier incorporating the bias circuit according to the second embodiment is also the same as that shown in FIG. It is.
  • the lower part of the conductor 4 forming the spiral inductor is connected to a polysilicon 23 formed by a CMOS process by a via not shown in the figure.
  • the polysilicon 23 is formed on a thin gate insulating film 24 of about several tens of nanometers, and the gate insulating film 24 is formed on the resistor layer (diffusion region) 2.
  • the distance between the resistor layer 2 and the lower surface of the inductor is about several tens of nanometers, which is the thickness of the gate oxide film, and is generally shorter than about 1 ⁇ m in the first embodiment, so that the coupling is larger. . That is, since the effect of eddy current is greater than in the first embodiment, greater stability than in the first embodiment can be obtained.
  • the polysilicon may be alloyed polysilicon.
  • Embodiment 3 of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG.
  • symbol is attached
  • the equivalent circuit of the bias circuit according to the third embodiment is the same as that shown in FIG. 4, and the circuit diagram of the 60 GHz band amplifier incorporating the bias circuit according to the third embodiment is also the same as that shown in FIG. It is.
  • the conductor 4 forming the spiral inductor is disposed under the bias supply pad 25. It is obvious that this embodiment can obtain the same effect as that of the first embodiment. In the present embodiment, it is not necessary to secure an area dedicated to the inductor in the chip, so that the chip area is reduced, and as a result, there is a synergistic effect that contributes to a reduction in chip cost.
  • the conductor forming the inductor is connected by the via 7 as shown in FIG. 3, and the pad 25 and the conductor 4 are connected by the pad via 26, so that the mechanical strength of the pad is improved. There is an effect.
  • Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the cross-sectional view shown in FIG.
  • symbol is attached
  • the equivalent circuit of the bias circuit according to the fourth embodiment is the same as that shown in FIG. 4, and the circuit diagram of the 60 GHz band amplifier incorporating the bias circuit according to the fourth embodiment is also the same as that shown in FIG. It is.
  • the bias circuit according to the present embodiment has a NiCr thin film resistance layer 28 formed on a GaAs substrate 27.
  • the NiCr thin film resistance layer 28 is connected to the ground potential at a location not shown in the figure.
  • a spiral inductor formed of gold plating 29 exists above the NiCr thin film resistance layer 28, and a SiN insulating film 30 is formed between the spiral inductor and the thin film resistance layer 28. It is obvious that this embodiment can obtain the same effect as that of the first embodiment.
  • the substrate is not limited to a silicon substrate or a GaAs substrate.
  • a silicon on insulator substrate SOI substrate
  • another compound semiconductor such as InP
  • a substrate using an insulator typified by alumina. It may be.
  • the process is not limited to a CMOS process, and may be another silicon IC process represented by a SiGe process or a bipolar process.
  • the conductors 6a to 6n (see FIG. 3) constituting the wiring in each embodiment are not necessarily connected by the vias 7 at all locations.
  • the vias 7 are provided only at appropriate locations in the spiral inductor.
  • a structure in which is connected may also be used.
  • each conductor may have a mesh shape.
  • a 60 GHz amplifier is given as an example.
  • the present invention is not limited to the 60 GHz band, and is not limited to the amplifier, and can be applied to a bias circuit of a functional circuit having an active element.
  • the present invention can be widely applied to the field of electronic equipment using a bias circuit integrated on a semiconductor substrate.
  • Substrate 2 Resistor layer (diffusion region) 3 Insulator 4 Conductor 5 Spiral inductors 6a, 6b, 6n Metal layer 7 Via 8 Distributed constant inductance 9 Parasitic capacitance 10 Parasitic resistance 11 Shunt RC circuit 12 Input terminals 13a, 13b DC blocking capacitors 14a, 14b, 16a, 16b Transmission Line 15 FET 17a, 17b Capacitors 18, 18a, 18b grounded on one side Short stub 19 Equivalent circuit 21 of inductor 20a, 20b Inductor equivalent circuit 21 Output terminal 22 Drain bias supply terminal 23 Polysilicon 24 Gate insulating film 25 Bias supply pad 26 For pad Via 27 GaAs substrate 28 NiCr thin film resistance layer 29 Gold plating 30 SiN insulating film 31 Bias supply terminal

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Abstract

 本発明にかかるバイアス回路は、基板1上に配置され接地電位に接続された抵抗体層2と、抵抗体層2の上部に配置されたインダクタ5を形成する導体4と、を有する。また、本発明にかかるバイアス回路の製造方法は、基板1上に接地電位に接続された抵抗体層2を生成し、抵抗体層2の上部にインダクタ5を形成する導体4を生成する。本発明により半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路、及びバイアス回路の製造方法を提供することができる。

Description

バイアス回路、バイアス回路の製造方法
 本発明は、半導体基板に集積されたバイアス回路、及びバイアス回路の製造方法に関する。
 近年のCMOSプロセスの微細化に伴いMOSFETの高周波特性が向上し、その結果としてCMOSプロセスで高周波増幅器が実現できるようになった。高周波増幅器では、所望の帯域で入出力のインピーダンスを整合することと、所望の帯域外で回路を安定化させることが重要である。
 図11は、ソース接地FET型の増幅器の回路図である。入力端子12から入力された信号が直流遮断キャパシタ13aを通過し、伝送線路14aを介してFET15のゲートに至る。伝送線路14aとキャパシタ13aには、伝送線路16aおよび片側を接地したキャパシタ17aからなるショートスタブ18aが接続されており、これらは入力整合回路を形成している。ゲートバイアス供給端子19は、ショートスタブ18aに接続されており、FET15のゲートにバイアスを供給する。
 また、FET15のドレインは伝送線路14bを介して直流遮断キャパシタ13bと接続され、出力端子21に信号を出力する。伝送線路14bとキャパシタ13bには、伝送線路16bおよび片側を接地したキャパシタ17bからなるショートスタブ18bが接続されており、これらは出力整合回路を形成している。ドレインバイアス供給端子22はショートスタブ18bに接続されており、FET15のドレインにバイアスを供給する。
 この増幅器では、伝送線路14a、14bとショートスタブ18a、18bでインピーダンス整合を行い、かつバイアス回路を兼ねている。その結果、小信号特性のシミュレーション結果(不図示)によると、60GHzの近傍で利得が最大となり、反射特性も最小となる。すなわち、所望の帯域で入出力のインピーダンスが整合されている。
 ところで、Sパラメータから導出されるkファクタは、一般に安定化の指標として用いられている。回路が安定であるためには、k>1の条件が必要である。図11の増幅器のkファクタの周波数特性の計算結果を図12に示す。図12によると、図11の増幅器のkファクタは2GHz以下の周波数でk<1である。この周波数領域では、回路が発振するなど不安定であるおそれがある。
 また、このような低周波領域における不安定性の問題を解決する方法として、抵抗素子と容量素子によるシャントRC回路をバイアス回路に組み込む方法が知られている。図13は、そのようなバイアス回路を示した回路図である。整合回路の一部をなすショートスタブ18とバイアス供給端子31との間にシャントRC回路11が挿入されている。ショートスタブのキャパシタで接地できない低周波信号は、安定回路の大きな容量素子を通過し抵抗素子にて減衰するので、増幅器は安定化する。
 また、このような不安定性の問題を解決するために、特許文献1にかかる高周波増幅装置では、能動素子と能動素子に対する整合回路とを用いている。つまり、増幅装置を使用する周波数帯における、能動素子単体での安定指数kファクタが1以下となるように、能動素子の入力インピーダンスの抵抗成分を充分小さくする。そして、整合回路の損失を利用して、増幅装置としての安定指数kファクタを1以上としている。
 また、特許文献2には、シリコンプロセス上の配線層を用いてインダクタを形成する場合に、インダクタと基板との間の寄生抵抗を削減可能なスパイラルインダクタに関する技術が開示されている。また、特許文献3、特許文献4にもスパイラルインダクタに関する技術が開示されている。
特開平11-308059号公報 特開2000-188373号公報 特開2002-305110号公報 特開2008-205403号公報
 しかしながら、図13に示すバイアス回路にはいくつかの問題がある。第1の問題点は、チップが高コスト化する点である。その理由は、シャントRC回路に搭載すべき容量が、例えば5から10pF程度と大きいために、チップ面積が増大するからである。第2の問題点は、所望帯域での増幅器の特性を変化させる恐れがある点である。その理由は、シャントRC回路の容量成分がショートスタブの容量素子に並列接続されることで、整合回路の周波数特性に影響するからである。
 よって、本発明の目的は、半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路を提供することである。
 本発明にかかるバイアス回路は、基板上に配置され接地電位に接続された抵抗体層と、前記抵抗体層の上部に当該抵抗体層と離間して配置され、インダクタを形成する導体と、を有する。
 また、本発明にかかるバイアス回路の製造方法は、基板上に接地電位に接続された抵抗体層を生成し、前記抵抗体層の上部に当該抵抗体層と離間して、インダクタを形成する導体を生成する。
 本発明により、半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路を提供することができる。
実施の形態1にかかるバイアス回路を構成する素子の断面図である。 実施の形態1にかかるバイアス回路を構成する素子の平面図である。 実施の形態1にかかるバイアス回路を構成する素子のインダクタを構成する導体の詳細な構造を示す図である。 実施の形態1にかかるバイアス回路の等価回路の回路図である。 実施の形態1にかかるバイアス回路を60GHz帯増幅器に用いた場合の回路図である。 実施の形態1にかかる60GHz帯増幅器のkファクタの周波数特性を示す図である。 実施の形態1にかかる60GHz帯増幅器の小信号特性を示す図である。 実施の形態2にかかるバイアス回路を構成する素子の断面図である。 実施の形態3にかかるバイアス回路を構成する素子の断面図である。 実施の形態4にかかるバイアス回路を構成する素子の断面図である。 ソース接地FET型の増幅器の回路図である。 ソース接地FET型増幅器のkファクタの周波数特性を示す図である。 シャントRC回路を用いたバイアス回路の回路図である。
 実施の形態1.
 以下、図面を参照して本発明の実施の形態1について説明する。
 実施の形態1の断面図を図1に、平面図を図2に示す。図1は図2のI-Iにおける断面図である。本実施の形態にかかるバイアス回路は、基板1上に配置され接地電位に接続された抵抗体層2と、抵抗体層2の上部に配置されたインダクタ5を形成する導体4と、を有する。
 抵抗体層2は、例えばCMOSプロセスにおいて拡散領域を形成することで得ることができる。また、抵抗体層2は、例えば、NiCr薄膜抵抗や、金属、ポリシリコン、合金など抵抗性を持つもので形成してもよい。抵抗体層2は、図で示さない場所で接地電位に接続されている。
 また、抵抗体層2の上部には絶縁体3が配置されてもよく、絶縁体3の内部にはインダクタ5を形成する導体4が配置されている。ここでは構造図を簡略化するため、ゲート絶縁膜と配線部の層間絶縁膜を統合して絶縁体3と表記した。
 スパイラルインダクタ5を形成する導体4の詳細な構造を図3に示す。導体4は、多層金属配線プロセスにおいて最下層6aから最上層6nまでのすべての金属層を多数のビア7で接続したものである。つまり、スパイラルインダクタ5は金属層ごとに形成されており、各金属層にあるスパイラルインダクタをビア7で接続している。図1の導体4は、これを簡略化して示したものである。
 CMOSプロセスにおける最下層の金属層6aと抵抗体層2との距離は、配線部分における信号遅延を低減するために短く製造されている。この距離は具体的にはおおむね1μm程度以下である。このようにインダクタの下面である最下層の金属層6aと、抵抗体である拡散領域2との距離が短いので、それらの間の寄生容量は大きい。なお、本実施形態のインダクタ5は、スパイラルインダクタ構造のみならず、例えばメアンダ型インダクタであっても良い。
 また、このインダクタに交流信号が印加されると抵抗体層2に渦電流が生じる。この抵抗体層2では渦電流がジュール熱に変換され、交流信号に対する損失となる。また、抵抗体層2と接地電位とを結ぶ電流経路が存在するため、接地電位との電位差により電流が生じ、交流信号に対する損失となる。すなわち、これらの効果は接地電位に接続された寄生抵抗として表現される。
 上記の寄生容量と寄生抵抗を含めた、本実施の形態のインダクタの等価回路は図4のように表現される。等価回路は、分布定数的なインダクタンス8、寄生容量9、寄生抵抗10により構成される。なお、本インダクタには等価的なシャントRC回路11が存在している。
 すなわち、スパイラルインダクタ5と抵抗体層2の間には寄生容量が生じる。また、インダクタ5を通過する交流信号により基板に対して垂直方向に磁場が発生し、磁場が貫く抵抗体層2には渦電流が誘起される。抵抗体層2における渦電流の減衰はインダクタを通過する交流信号に対する損失となる。以上より、等価的なシャントRC回路が形成される。これにより、半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路を提供することが可能となる。
 また、本実施の形態にかかるバイアス回路の製造は以下のように行う。基板1上に抵抗体層2を生成する。その製造方法は、蒸着法、スパッタ法、めっき、拡散、合金化あるいはダマシンプロセスに代表される、一般的な加工方法を用いればよい。この抵抗体層2は、前記に代表される一般的な加工方法により接地電位に接続される。次に抵抗体層2の上部にインダクタを形成する導体4を生成する。その製造方法も、前記に代表される一般的な加工方法を用いればよい。本実施の形態にかかるバイアス回路の製造方法により、半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路の製造が可能となる。
 また、抵抗体層2と、導体4の間に、絶縁体3を生成する。絶縁体3は、シリコン基板の酸化や蒸着法、化学気相成長(CVD)法などの手法により形成される。なお、絶縁体3の形成の後に導体4を形成してもよいし、多層配線プロセスを用いて絶縁体3および導体4を形成してもよい。
 インダクタ5の入出力端子と、回路とは、上記に代表される一般的な加工方法を用いて接続される。
 なお、酸化や蒸着、CVDの時間や温度などに代表される、絶縁体3の製造条件を適宜調節することにより、抵抗体層2と導体4の下面との間隔をおおむね1μm以下にすることができる。
 以上のようなバイアス回路の製造方法により、半導体基板に容易に集積でき、寄生発振を防止することができるバイアス回路の製造が可能となる。
 このスパイラルインダクタをバイアス回路に組み込んだ、60GHz帯増幅器の回路図を図5に示す。この回路では、インダクタ20a、20bの入力端子は電源(バイアス供給端子)19、22に接続され、インダクタの出力端子は集積回路の電源供給部であるショートスタブ18a、18bに接続されている。
 図5に示す増幅器では、入力端子12から入力された信号が直流遮断キャパシタ13aを通過し、伝送線路14aを介してFET15のゲートに至る。伝送線路14aとキャパシタ13aには、伝送線路16aおよび片側を接地したキャパシタ17aからなるショートスタブ18aが接続されており、入力整合回路を形成している。ゲートバイアス供給端子19は図4の等価回路で示すインダクタ20aを介してショートスタブ18aに接続されており、FET15のゲートにバイアスを供給する。
 また、FET15のドレインは伝送線路14bを介して直流遮断キャパシタ13bと接続され、出力端子21に信号を出力する。伝送線路14bとキャパシタ13bには伝送線路16bおよび片側を接地したキャパシタ17bからなるショートスタブ18bが接続されており、出力整合回路を形成している。ドレインバイアス供給端子22は図4の等価回路で示すインダクタ20bを介してショートスタブ18bに接続されており、FET15のドレインにバイアスを供給する。
 本実施の形態におけるバイアス回路に含まれるスパイラルインダクタ20a、20bの等価的なシャントRC回路により、低周波数領域が安定化されている。本増幅器の低周波数帯におけるkファクタの周波数特性のシミュレーション結果を図6に示すとk>1となっており、安定化が確認できる。
 図5に示す本実施の形態にかかる増幅器の、所望帯域である60GHz帯の小信号特性のシミュレーション結果を図7の実線に示す。また、スパイラルインダクタを含まない図11の増幅器のシミュレーション結果を図7の点に示す。これらの結果から、本実施の形態にかかる増幅器のシミュレーション結果と、スパイラルインダクタを含まない図11の増幅器のシミュレーション結果はほぼ同一であるといえる。スパイラルインダクタのインダクタンスは高周波信号に対して高インピーダンスとなるため、所望帯域の特性への影響が少ない状態で低周波領域での安定化を実現している。
 つまり、スパイラルインダクタのインダクタンスにより、所望の周波数においてシャントRC回路が整合回路に影響しない状態でありながら、ショートスタブで接地できない低周波数の信号がシャントRC回路を通じて減衰する。これにより、低周波数で回路が安定化されるようなバイアス回路を提供することができる。
 実施の形態2.
 次に、本発明の実施の形態2について、図8に示す断面図を用いて説明する。なお、図1に示す実施の形態1と同様の構成部分については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、実施の形態2にかかるバイアス回路の等価回路は図4に示すものと同様であり、実施の形態2にかかるバイアス回路を組み込んだ、60GHz帯増幅器の回路図も図5に示すものと同様である。
 スパイラルインダクタを形成する導体4の下部を、図に示さないビアによりCMOSプロセスで形成されるポリシリコン23と接続している。CMOSプロセスでは、ポリシリコン23は数10nm程度の薄いゲート絶縁膜24の上に形成され、ゲート絶縁膜24は抵抗体層(拡散領域)2の上に形成される。
 本実施の形態では、抵抗体層2とインダクタの下面との距離はゲート酸化膜の膜厚である数10nm程度であり、第1の実施の形態におけるおおむね1μm程度より短いため、結合はより大きい。すなわち、第1の実施の形態よりも渦電流の効果が大きくなるので、第1の実施の形態よりも大きな安定性が得られる。また、ポリシリコンは合金化されたポリシリコンであってもよい。
 実施の形態3.
 次に、本発明の実施の形態3について、図9に示す断面図を用いて説明する。なお、図1に示す実施の形態1と同様の構成部分については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、実施の形態3にかかるバイアス回路の等価回路は図4に示すものと同様であり、実施の形態3にかかるバイアス回路を組み込んだ、60GHz帯増幅器の回路図も図5に示すものと同様である。
 本実施の形態にかかるバイアス回路は、スパイラルインダクタを形成する導体4を、バイアス供給用パッド25の下に配置したものである。この形態により、第1の実施の形態と同等の効果が得られることは明らかである。本実施の形態ではチップ内にインダクタ専用のエリアを確保する必要がなくなるためチップ面積が縮小され、結果としてチップコストの低減に寄与するという相乗的な効果を奏する。
 また、インダクタを形成する導体は図3のようにビア7で接続されていることに加え、パッド25と導体4とがパッド用ビア26により接続されているため、パッドの機械的強度が向上するという効果を奏する。
 実施の形態4.
 次に、本発明の実施の形態4について、図10に示す断面図を用いて説明する。なお、図1に示す実施の形態1と同様の構成部分については同一の符号を付し、重複した説明を省略する。また、実施の形態4にかかるバイアス回路の等価回路は図4に示すものと同様であり、実施の形態4にかかるバイアス回路を組み込んだ、60GHz帯増幅器の回路図も図5に示すものと同様である。
 本実施の形態にかかるバイアス回路は、GaAs基板27上に形成されたNiCr薄膜抵抗層28を有する。このNiCr薄膜抵抗層28は図に示さない場所で接地電位に接続されている。NiCr薄膜抵抗層28の上部には、金メッキ29により形成されたスパイラルインダクタが存在し、スパイラルインダクタと薄膜抵抗層28の間にはSiN絶縁膜30が形成されている。この形態により、第1の実施の形態と同等の効果が得られることは明らかである。
 なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
 上記の各実施の形態において、基板はシリコン基板やGaAs基板に限られず、例えば、Silicon on Insulator基板(SOI基板)や、InP等その他の化合物半導体、あるいはアルミナに代表される絶縁体を用いた基板であってもよい。
 また、プロセスはCMOSプロセスに限られず、SiGeプロセスやバイポーラプロセスに代表される、他のシリコンICプロセスであってもよい。
 また、各実施の形態における配線を構成する導体6a~6n(図3参照)は、必ずしもすべての場所でビア7による接続が必要とは限られず、例えば、スパイラルインダクタにおける適宜の場所のみにビア7を接続した構造でもよい。さらに、各導体はメッシュ状の形状であってもよい。
 また、効果を説明するために60GHz増幅器を例に挙げたが、60GHz帯に限られず、また、増幅器に限られず、能動素子を有する機能回路のバイアス回路に適用できる。
 この出願は、2008年12月4日に出願された日本出願特願2008-309555を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
 本発明は、半導体基板に集積されたバイアス回路を用いた電子機器の分野に広く適用することができる。
1 基板
2 抵抗体層(拡散領域)
3 絶縁体
4 導体
5 スパイラルインダクタ
6a、6b、6n 金属層
7 ビア
8 分布定数的なインダクタンス
9 寄生容量
10 寄生抵抗
11 シャントRC回路
12 入力端子
13a、13b 直流遮断キャパシタ
14a、14b、16a、16b 伝送線路
15 FET
17a、17b 片側を接地したキャパシタ
18、18a、18b ショートスタブ
19 ゲートバイアス供給端子
20a、20b インダクタの等価回路
21 出力端子
22 ドレインバイアス供給端子
23 ポリシリコン
24 ゲート絶縁膜
25 バイアス供給用パッド
26 パッド用ビア
27 GaAs基板
28 NiCr薄膜抵抗層
29 金メッキ
30 SiN絶縁膜
31 バイアス供給端子

Claims (18)

  1.  基板上に配置され接地電位に接続された抵抗体層と、
     前記抵抗体層の上部に当該抵抗体層と離間して配置され、インダクタを形成する導体と、
     を有するバイアス回路。
  2.  前記抵抗体層の上部に配置された絶縁体を介して前記インダクタを形成する導体が配置されている請求項1に記載のバイアス回路。
  3.  前記インダクタの入力端子は電源に接続され、前記インダクタの出力端子は集積回路の電源供給部に接続されている請求項1または2に記載のバイアス回路。
  4.  前記抵抗体層と前記インダクタの下面との間隔が1μm以下である請求項1乃至3のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  5.  前記インダクタの配線は、前記絶縁体の内部に形成された複数の層の金属配線をビアにより層間接続することで形成されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  6.  前記インダクタの配線は、ポリシリコン層と複数の層の金属配線をビアにより層間接続することで形成されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  7.  前記インダクタの配線は、金により形成されている請求項1乃至4のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  8.  前記インダクタは、バイアスを供給するパッド層の下に配置され、前記パッド層とビアにより接続されている請求項1乃至7のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  9.  前記基板がシリコンである請求項1乃至8のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  10.  前記基板がSilicon-on-Insulator基板である請求項1乃至8のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  11.  前記基板が化合物半導体である請求項1乃至8のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  12.  前記基板がセラミックである請求項1乃至8のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  13.  前記抵抗体層がシリコンICプロセスにより形成される拡散領域である請求項1乃至12のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  14.  前記抵抗体層が金属薄膜抵抗体である請求項1乃至12のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  15.  前記抵抗体層の上部に配置された絶縁体は、窒化シリコンである請求項1乃至14のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  16.  前記抵抗体層の上部に配置された絶縁体は、酸化シリコンである請求項1乃至14のいずれか1項に記載のバイアス回路。
  17.  基板上に接地電位に接続された抵抗体層を生成し、
     前記抵抗体層の上部に当該抵抗体層と離間して、インダクタを形成する導体を生成する、
     バイアス回路の製造方法。
  18.  前記抵抗体層と前記インダクタを形成する導体との間に絶縁体を生成する請求項17に記載のバイアス回路の製造方法。
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