JP2008112974A - Semiconductor capacitor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体集積回路に内蔵されるメタル配線を用いた半導体容量素子に関し、より特定的には、大容量であり半導体プロセスに必要なマスク枚数が少ない半導体容量素子に関する。 The present invention relates to a semiconductor capacitor using a metal wiring built in a semiconductor integrated circuit, and more particularly to a semiconductor capacitor having a large capacity and a small number of masks required for a semiconductor process.
半導体集積回路において、容量素子は必要不可欠である。容量素子に求められる特性としては、1つ目に、単位面積当たりの静電容量が多いことがあげられる。単位面積当たりの静電容量が多いとチップサイズが小さくでき、低コスト化が可能となるからである。2つ目に、Q値が高いことがあげられる。Q値が高いと損失が減り、回路の雑音特性が改善するからである。3つ目に、特性のばらつきが小さいことがあげられる。特性のばらつきが小さいと回路のばらつきマージンを小さくすることができ、低消費電力化等が図れるからである。 In a semiconductor integrated circuit, a capacitor is indispensable. The first characteristic required for the capacitive element is that the capacitance per unit area is large. This is because if the capacitance per unit area is large, the chip size can be reduced and the cost can be reduced. Second, the Q value is high. This is because if the Q value is high, the loss is reduced and the noise characteristics of the circuit are improved. Third, there is little variation in characteristics. This is because if the variation in characteristics is small, the variation margin of the circuit can be reduced and power consumption can be reduced.
半導体容量素子には、MOS容量、MIM容量、フリンジ容量等がある。これらの容量素子は、上記した3つの特性に関してそれぞれ一長一短があり、用途に応じて使い分けられている。この内で、フリンジ容量は、単位面積当たりの静電容量は他と比較して小さいが、RF(Radio Frequency)における高いQ値特性と低いばらつき特性とを有する。更に、薄膜の誘電体層を用いるための追加マスクが必要なMIM容量に比べて、使用するマスク枚数を減らせるというメリットがある。 Semiconductor capacitor elements include MOS capacitors, MIM capacitors, fringe capacitors, and the like. These capacitive elements have merits and demerits with respect to the above-described three characteristics, and are selectively used depending on the application. Among these, the fringe capacitance has a small Q value per unit area as compared with others, but has a high Q value characteristic and a low variation characteristic in RF (Radio Frequency). Furthermore, there is an advantage that the number of masks to be used can be reduced as compared with an MIM capacitor that requires an additional mask for using a thin dielectric layer.
図21は、特許文献1に記載された従来の1層のフリンジ容量の一例である半導体容量素子110の構成図である。また、図21の(1)は平面図であり、(2)は断面図である。半導体容量素子110において、入力側のメタル配線4−1と出力側のメタル配線4−2との間に、図21に向かって左右方向の電界結合によって静電容量が発生する。そして、半導体容量素子110は、櫛形が合わさった構造とすることによって、単位面積当たりの静電容量を増やしている。
FIG. 21 is a configuration diagram of a semiconductor capacitor element 110 which is an example of a conventional one-layer fringe capacitor described in
図22は、特許文献2に記載された従来の多層のフリンジ容量の一例である半導体容量素子115の構成図である。また、半導体容量素子115は、図21の半導体容量素子110を縦方向に積み上げて、上下の各メタル配線をビアで接続した構成である。この構成によって、半導体容量素子115では、メタル配線同士の水平方向の電界結合に加えて、ビア同士の水平方向の電界結合が加算されるため、単位面積当たりの静電容量が増える。
FIG. 22 is a configuration diagram of a semiconductor capacitor element 115 which is an example of a conventional multilayer fringe capacitor described in
図23は、特許文献3に記載された従来の多層のフリンジ容量の一例である半導体容量素子120の構成図である。また、半導体容量素子120では、下層のメタル配線4−1の上層にメタル配線4−4が配置され、下層のメタル配線4−2の上層にメタル配線4−3が配置される。この構成によって、半導体容量素子120では、隣接するメタル配線の水平方向の電界結合に加えて、上層のメタル配線と下層のメタル配線との間の電界結合が加算される。この結果として、半導体容量素子120では、単位面積当たりの静電容量が増える。
FIG. 23 is a configuration diagram of a
図24は、特許文献4に記載された従来の多層のフリンジ容量の一例である半導体容量素子125の構成図である。図24に示す通り、半導体容量素子125は、下層のメタル配線A1、B1、A2、B2が互いに平行に配置され、その上層に、メタル配線A1、B1、A2、B2と垂直の方向にメタル配線A3、B3、A4、B4が互いに平行に配置され、更にその上層に、メタル配線A3、B3、A4、B4と垂直の方向にメタル配線A5、B5、A6、B6が互いに平行に配置される構成である。ここで、図25は、半導体容量素子125の構成によって、単位面積当たりの静電容量が増える理由を説明するための図である。図25に示す通り、メタル配線B3の側面から下層のメタル配線A1及び上層のメタル配線A5へ斜めに電気力線が走る。つまり、メタル配線B3の側面とメタル配線A1の上面及びメタル配線A5の下面との間で静電容量が発生する。この結果として、半導体容量素子125では、単位面積当たりの静電容量が大きくなる。
図21の半導体容量素子110は、単位面積当たりの静電容量が小さい。図22の半導体容量素子115は、単位面積当たりの静電容量は大きいが、隣接するビア間の静電容量を用いるために、静電容量の量産ばらつきが大きくなる。図23の半導体容量素子120は、メタル配線の上層下層間で生じる静電容量を利用して単位面積当たりの静電容量を大きくしているが、図24の半導体容量素子125のように、メタル配線の側面から下層及び上層のメタル配線へ走る電気力線による静電容量は発生しない(図25を参照)。このことによって、図23の半導体容量素子120では、図22の半導体容量素子115及び図24の半導体容量素子125と比べて単位面積当たりの静電容量は小さくなる。
The semiconductor capacitance element 110 in FIG. 21 has a small capacitance per unit area. The semiconductor capacitance element 115 in FIG. 22 has a large capacitance per unit area. However, since the capacitance between adjacent vias is used, the mass production variation of capacitance increases. The
図24の半導体容量素子125は、単位面積当たりの静電容量は大きく、また、静電容量の量産ばらつきは小さい。図26は、半導体容量素子125をメタル配線の積層方向から視た図である。図26のF、G、H、Iは、半導体容量素子125の4つの側面を示し、側面Fと側面Hとが向き合い、側面Gと側面Iとが向き合う。図26に示す通り、入力側の櫛形のメタル配線140に含まれる取り出し配線145は、側面Fに沿って設けられ、出力側の櫛形のメタル配線141に含まれる取り出し配線146は、側面Fと向き合う側面Hに沿って設けられる。また、メタル配線140及び141の下層に設けられる櫛形のメタル配線142及び143において、入力側のメタル配線143に含まれる取り出し配線147は、側面Gに沿って設けられ、出力側のメタル配線142に含まれる取り出し配線148は、側面Gと向き合う側面Iに沿って設けられる。入力側において、上層の取り出し配線145と下層の取り出し配線147とは、取り出し配線149によって接続されて半導体容量素子125の外部へ引き出される。同様に、出力側において、上層の取り出し配線146と下層の取り出し配線148とは、取り出し配線150によって接続されて半導体容量素子125の外部へ引き出される。
The
以上に説明した通り、半導体容量素子125は、櫛形のメタル配線に含まれる取り出し配線が設けられる側面が、メタル配線の層毎に入れ換わる構成である。このことによって、図26に示す通り、配線長の長い取り出し配線149及び150が必要となる。この結果として、取り出し配線のチップ占有面積が増加し、加えて、取り出し配線の寄生抵抗及び寄生インダクタンスが増加する。例えば、1辺の長さが100umの四角形状の半導体容量素子125では、入力側及び出力側の取り出し配線149及び150の長さは、それぞれ、約100umも必要になるので、数Ωの寄生抵抗及び0.数nHの寄生インダクタンスが発生する。この結果として、半導体容量素子125では、寄生抵抗及び寄生インダクタンスの増加によってQ値が低くなり、また、自己共振周波数が低くなるという問題があった。
As described above, the
なお、取り出し配線149及び150の配線長を短くするために、図27に示す通り、各層の櫛形のメタル配線に含まれる取り出し配線同士が隣接する角の部分に取り出し配線149及び150をそれぞれ接続する方法が考えられる。しかし、この方法では、取り出し配線145〜148の端部に取り出し配線149又は150を接続する必要があるので、取り出し配線145〜148の中央部に取り出し配線149又は150を接続する場合(図26を参照)と比べて取り出し配線145〜148に生じる寄生抵抗及び寄生インダクタンスは増加してしまう。この結果として、図27に示すように取り出し配線149及び150の配線長を短くしても、半導体容量素子125では、寄生抵抗及び寄生インダクタンスの増加によってQ値が低くなり、また、自己共振周波数が低くなるという問題が生じる。
In order to shorten the wiring length of the
それ故に、本発明の目的は、単位面積あたりの静電容量が大きく、静電容量の製造ばらつきが小さく、また、Q値が高く、自己共振周波数の高い半導体容量素子を提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor capacitor element having a large capacitance per unit area, a small manufacturing variation of the capacitance, a high Q value, and a high self-resonant frequency.
本発明は、N(Nは、2以上の整数)個の配線層を積み上げた構造の半導体容量素子に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明の半導体容量素子は、K(Kは、1〜N−1の何れか)番目の配線層に設けられるK層メタル配線と、K+1番目の配線層に設けられるK+1層メタル配線とを備え、K層メタル配線及びK+1層メタル配線は、それぞれ、第1の単位直線配線が規則的に結合して成る複数の第1の所定形状配線と当該複数の第1の所定形状配線を第1の端子に接続する取出し配線とを備える第1配線群と、第2の単位直線配線が規則的に結合して成る複数の第2の所定形状配線と当該複数の第2の所定形状配線を第2の端子に接続する取出し配線とを備える第2配線群とを含み、複数の第1の所定形状配線と複数の第2の所定形状配線とは、同一の配線層において、等間隔を空けて交互に配列され、K層の第1配線群の取出し配線とK+1層の第1配線群の取出し配線とは、配線層の積層方向において重なる位置に配置されて互いに接続され、K層の第2配線群の取出し配線とK+1層の第2配線群の取出し配線とは、配線層の積層方向において重なる位置に配置されて互いに接続され、配線層の積層方向において、K層の第1の単位直線配線とK+1層の第2の単位直線配線とはそれぞれ立体的に交差し、配線層の積層方向において、K+1層の第1の単位直線配線とK層の第2の単位直線配線とはそれぞれ立体的に交差する。 The present invention is directed to a semiconductor capacitor element having a structure in which N (N is an integer of 2 or more) wiring layers are stacked. In order to achieve the above object, the semiconductor capacitance element of the present invention includes a K layer metal wiring provided in a Kth (K is any one of 1 to N−1) wiring layer, and a K + 1th wiring layer. The K + 1 layer metal wiring and the K + 1 layer metal wiring are respectively provided with a plurality of first predetermined shape wirings formed by regularly coupling first unit straight lines and the plurality of the plurality of first predetermined shape wirings. A plurality of second predetermined shape wirings formed by regularly connecting first unit wirings, a first wiring group including an extraction wiring for connecting the first predetermined shape wiring to the first terminal, and the plurality of second predetermined shape wirings; A plurality of first predetermined shape wirings and the plurality of second predetermined shape wirings are identical to each other. In the wiring layer, the first and second layers of the K layer are alternately arranged at equal intervals. The extraction wiring of the line group and the extraction wiring of the first wiring group of the (K + 1) layer are arranged at positions overlapping in the stacking direction of the wiring layers and connected to each other, and the extraction wiring of the second wiring group of the K layer and the first wiring group of the (K + 1) layer are connected. The lead-out wirings of the two wiring groups are arranged at positions overlapping in the wiring layer stacking direction and connected to each other, and in the wiring layer stacking direction, the first unit straight wiring of the K layer and the second unit straight line of the K + 1 layer The wiring intersects three-dimensionally, and the first unit straight wiring in the K + 1 layer and the second unit straight wiring in the K layer intersect three-dimensionally in the stacking direction of the wiring layers.
また、第1の所定形状配線は、第1の単位直線配線がジグザグ形状に結合して成るジグザグ形状配線であり、第2の所定形状配線は、第2の単位直線配線がジグザグ形状に結合して成るジグザグ形状配線であってもよい。 Further, the first predetermined shape wiring is a zigzag wiring formed by coupling the first unit straight wiring in a zigzag shape, and the second predetermined shape wiring is a second unit straight wiring coupled in a zigzag shape. The zigzag wiring formed may be used.
また、K層メタル配線は、更に、ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に、配列されたジグザグ形状配線の両端のジグザグ形状配線と等間隔を空けて隣接するジグザグ形状のフローティング配線をそれぞれ備え、K+1層メタル配線は、更に、ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に、配列されたジグザグ形状配線の両端のジグザグ形状配線と等間隔を空けて隣接するジグザグ形状のフローティング配線をそれぞれ備えてもよい。 Further, the K layer metal wiring further includes zigzag floating wirings adjacent to the outer periphery of the region where the zigzag wirings are arranged at equal intervals with the zigzag wirings at both ends of the arranged zigzag wirings. The K + 1 layer metal wiring further includes zigzag floating wirings adjacent to the outer periphery of the region where the zigzag wirings are arranged at equal intervals with the zigzag wirings at both ends of the arranged zigzag wirings. Also good.
また、配線層の積層方向において、K層の第1の端子に接続されるジグザグ形状配線とK+1層の第1の端子に接続されるジグザグ形状配線とが重なる部分を、それぞれ接続するビアと、配線層の積層方向において、K層の第2の端子に接続されるジグザグ形状配線とK+1層の第2の端子に接続されるジグザグ形状配線とが重なる部分を、それぞれ接続するビアとを更に備えてもよい。 Further, in the stacking direction of the wiring layer, vias that respectively connect portions where the zigzag wiring connected to the first terminal of the K layer and the zigzag wiring connected to the first terminal of the K + 1 layer overlap, In the stacking direction of the wiring layers, there are further provided vias that connect portions where the zigzag wiring connected to the second terminal of the K layer and the zigzag wiring connected to the second terminal of the K + 1 layer overlap each other. May be.
また、K層のジグザグ形状配線の折れ曲がり部分の内、当該ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に位置する外周折れ曲がり部分に配線層の積層方向において対応するK+1層の位置に設けられるフローティング配線と、K+1層のジグザグ形状配線の折れ曲がり部分の内、当該ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に位置する外周折れ曲がり部分に配線層の積層方向において対応するK層の位置に設けられるフローティング配線と、K層の外周折れ曲がり部分とK+1層のフローティング配線とをそれぞれ接続するビアと、K+1層の外周折れ曲がり部分とK層のフローティング配線とをそれぞれ接続するビアとを更に備えてもよい。 Further, among the bent portions of the K layer zigzag wiring, the floating wiring provided at the position of the K + 1 layer corresponding to the outer peripheral bent portion located in the outer periphery of the region where the zigzag wiring is arranged A floating wiring provided at the position of the K layer corresponding to the outer peripheral bent portion located in the outer periphery of the region where the zigzag wiring is arranged in the bent portion of the K + 1 layer zigzag wiring; A via connecting each of the K-layer outer periphery bent portion and the K + 1 layer floating wiring and a via connecting each of the K + 1 layer outer bent portion and the K layer floating wiring may be further provided.
また、K+1層のフローティング配線及びK層のフローティング配線の形状は、正方形であってもよく、三角形であってもよく、五角形であってもよい。 The shapes of the K + 1 layer floating wiring and the K layer floating wiring may be square, triangular, or pentagonal.
また、第1の所定形状配線は、4つの第1の単位直線配線が四角形状に結合して成る四角形状配線であり、第2の所定形状配線は、2つの第2の単位直線配線がクロス形状に結合して成るクロス形状配線であり、K層の四角形状配線とK+1層の四角形状配線とは、それぞれビアで接続されて第1の端子に接続され、K層のクロス形状配線とK+1層のクロス形状配線とは、それぞれビアで接続されて第2の端子に接続されてもよい。 Further, the first predetermined shape wiring is a quadrangular wiring formed by connecting four first unit straight wirings into a quadrangular shape, and the second predetermined shape wiring is a cross between two second unit straight wirings. The K-shaped quadrangular wiring and the (K + 1) -thick quadrangular wiring are respectively connected by vias and connected to the first terminal, and the K-layer cross-shaped wiring and the K + 1 wiring are connected to the first terminal. The cross-shaped wirings of the layers may be connected to the second terminals by vias, respectively.
また、交差の角度は、それぞれ90°であることが好ましい。 Moreover, it is preferable that the angle of intersection is 90 degrees.
上記のように、本発明によれば、ジグザグ形状等の配線を用いて複数の配線層に設けられる入力側配線及び出力側配線に含まれる取り出し配線をそれぞれ同位置に揃えて配置することができる。このことによって、本発明によれば、単位面積あたりの静電容量が大きく、静電容量の製造ばらつきが小さく、また、Qが高く、自己共振周波数の高い半導体容量素子を実現できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to arrange the input-side wirings provided in the plurality of wiring layers and the extraction wirings included in the output-side wirings to be aligned at the same position by using the zigzag-shaped wirings. . Thus, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor capacitor element having a large capacitance per unit area, a small manufacturing variation of the capacitance, a high Q, and a high self-resonance frequency.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る半導体容量素子10の構成例を示す図である。図1に示す通り、半導体容量素子10は、実線で示された第1の配線層と、点線で示された第2の配線層とを備える。第1の配線層は、信号入力側(以下、単に、入力側という)のメタル配線11と、信号出力側(以下、単に、出力側という)のメタル配線12と、入力側の取り出し配線17と、出力側の取り出し配線18とを備える。なお、入力側と出力側とを
、反対にしてもよい。入力側のメタル配線11は、入力側の取り出し配線13を含み、出力側のメタル配線12は、出力側の取り出し配線14を含む。取り出し配線13の中央には、半導体容量素子10の入力側の端子(図示せず)接続される取り出し配線17が接続され、取り出し配線14の中央には、半導体容量素子10の出力側の端子(図示せず)に接続される取り出し配線18が接続される。第2の配線層は、入力側のメタル配線15と出力側のメタル配線16とを備える。入力側のメタル配線15は、入力側の取り出し配線23(図示せず)を含み、出力側のメタル配線16は、出力側の取り出し配線24(図示せず)を含む。第1の配線層と第2の配線層とは重なり、入力側のメタル配線11とメタル配線15とは、電導体であるビア19及び20によって接続される。同様に、出力側のメタル配線12とメタル配線16とは、電導体であるビア21及び22によって接続される。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of the
図2は、半導体容量素子10が備える第1の配線層に設けられるメタル配線について説明するための図である。図2に示す通り、メタル配線11は、直線が左右交互に折れ曲がった形状(以下、ジグザグ形状という)の2本の配線(以下、ジグザグ形状配線という)が、取り出し配線13によって接続された構成である。なお、ジグザグ形状配線は、図2の矢印で示す1単位の直線形状配線(単位直線配線)が規則的に結合して形成される配線と考えることもできる。同様に、メタル配線12は、2本のジグザグ形状配線が、取り出し配線14によって接続された構成である。ジグザグ形状配線のジグザグ形状の折れ曲がりの角度は、90°である。また、メタル配線11のジグザグ形状配線とメタル配線12のジグザグ形状配線とは、図2に示す通り、第1の配線層に、ジグザグ形状の周期を揃え、等間隔を空けて交互に配置される。
FIG. 2 is a diagram for explaining the metal wiring provided in the first wiring layer provided in the
図3は、半導体容量素子10が備える第2の配線層が備える配線について説明するための図である。図3に示す通り、メタル配線15は、2本のジグザグ形状配線が、取り出し配線23によって接続された構成であり、メタル配線16は、2本のジグザグ形状配線が、取り出し配線24によって接続された構成である。ジグザグ形状配線のジグザグ形状の折れ曲がりの角度は、90°である。また、メタル配線15のジグザグ形状配線とメタル配線16のジグザグ形状配線とは、図3に示す通り、第2の配線層に、ジグザグ形状の周期を揃え、等間隔を空けて交互に配置される。
FIG. 3 is a diagram for explaining wirings included in the second wiring layer included in the
ここで、図1を再び参照して、半導体容量素子10における、第1の配線層のジグザグ形状配線(図2を参照)と第2の配線層のジグザグ形状配線(図3を参照)との位置関係を説明する。図1に示す通り、実線で示された第1の配線層に配置されるメタル配線11及び12のジグザグ形状配線と、点線で示された第2の配線層に配置されるメタル配線15及び16のジグザグ形状配線とは、第1及び第2の配線層の積層方向において、ジグザグ形状の周期を半周期ずらせて配置される。
Here, referring again to FIG. 1, the zigzag wiring of the first wiring layer (see FIG. 2) and the zigzag wiring of the second wiring layer (see FIG. 3) in the
以上に説明した構成によって、図1に示す通り、第1の配線層に配置される入力側のメタル配線11が備えるジグザグ形状配線と、第2の配線層に配置される出力側のメタル配線16が備えるジグザグ形状配線とは、第1及び第2の配線層の積層方向において、複数の直交部分を有する。同様に、第1の配線層に配置される出力側のメタル配線12が備えるジグザグ形状配線と、第2の配線層に配置される入力側のメタル配線15が備えるジグザグ形状配線とは、第1及び第2の配線層の積層方向において、複数の直交部分を有する。このことによって、半導体容量素子10は、従来の半導体容量素子125(24及び図26を参照)において、図25を用いて説明した効果と同様の効果を得ることができる。具体的には、第1の配線層に配置される入力側のメタル配線11が備えるジグザグ形状配線の側面と、第2の配線層に配置される出力側のメタル配線16が備えるジグザグ形状配線の上面との間で静電容量が発生する。また、第2の配線層に配置される出力側のメタル配線16が備えるジグザグ形状配線の側面と、第1の配線層に配置される入力側のメタル配線11が備えるジグザグ形状配線の下面との間で静電容量が発生する。同様に、第1の配線層に配置される出力側のメタル配線12が備えるジグザグ形状配線の側面と、第2の配線層に配置される入力側のメタル配線15が備えるジグザグ形状配線の上面との間で静電容量が発生する。また、第2の配線層に配置される入力側のメタル配線15が備えるジグザグ形状配線の側面と、第1の配線層に配置される出力側のメタル配線12が備えるジグザグ形状配線の下面との間で静電容量が発生する。この結果として、半導体容量素子10では、従来の半導体容量素子125と同様に、単位面積当たりの静電容量を増加させることができる。
With the configuration described above, as shown in FIG. 1, the zigzag wiring included in the input-side metal wiring 11 arranged in the first wiring layer and the output-
ここで、図1〜3に示す通り、半導体容量素子10では、従来の半導体容量素子125とは異なり、第1及び第2の配線層の積層方向において、入力側の取り出し配線13及び23は同一の側面(位置)に設けられ、また、出力側の取り出し配線14及び24は同一の側面(位置)に設けられる。また、入力側の取り出し配線13と23とはビア19及び20によって接続され、出力側の取り出し配線14と24とはビア21及び22によって接続される。このことによって、半導体容量素子10は、入力側の取り出し配線13に取り出し配線17を接続すればよく、また、出力側の取り出し部分14に取り出し配線18を接続すればよい。この結果として、半導体容量素子10は、図26に示す従来の半導体容量素子125と比べて、取り出し配線の配線長を低減することができるので、取り出し配線に生じる寄生抵抗及び寄生インダクタンスを抑制することができる。
Here, as shown in FIGS. 1 to 3, in the
更に、半導体容量素子10は、取り出し配線13の中央部に取り出し配線17を接続し、取り出し配線14の中央部に取り出し配線18を接続している。このことによって、半導体容量素子10は、取り出し配線149を取り出し配線145及び147の端部に接続し、取り出し配線150を取り出し配線146及び148の端部に接続した図27に示す半導体容量素子125と比べて、取り出し配線13、14、23及び24に生じる寄生抵抗及び寄生インダクタンスを低減することができる。
Further, in the
加えて、半導体容量素子10は、容量を発生させる部分(ジグザグ形状配線の部分)にビアを打っていない。ビアを打つ場合にはジグザグ形状配線を太くする必要があるため、単位面積当たりの容量が小さくなる。このことから、半導体容量素子10によれば、発生容量の面積効率のよい容量素子が実現できる。
In addition, the
以上に説明した通り、半導体容量素子10は、従来の半導体容量素子125と同様に、単位面積あたりの静電容量が大きく、静電容量の製造ばらつきが小さい。これに加えて、半導体容量素子10は、従来の半導体容量素子125よりも、寄生抵抗及び寄生インダクタンスを低減することができる。この結果として、半導体容量素子10によれば、単位面積あたりの静電容量が大きく、静電容量の製造ばらつきが小さく、また、Q値が高く、自己共振周波数の高い半導体容量素子を提供することができる。
As described above, the
なお、図1では、半導体容量素子10のジグザグ形状配線の先端は鋭角形状となっている。半導体プロセスによっては、鋭角形状の配線はルール違反となる場合がある。この場合には、例えば、図4に示す様に、半導体容量素子10は、ジグザグ形状配線の先端の鋭角形状部分をカットした形状とされてもよい。また、以上では、第1の配線層のジグザグ形状配線と第2の配線層のジグザグ形状配線とが90°で立体的に交差する構成(図1を参照)を示したが、図5又は図6に示すように、第1の配線層のジグザグ形状配線と第2の配線層のジグザグ形状配線とが90°以上又は90°以下で立体的に交差する構成としてもよい。また、以上では、第1の配線層及び第2の配線層から成る2層の半導体容量素子について説明したが、配線層は3層以上であってもよい。この場合には、単位面積当たりの静電容量を更に大きくすることができる。また、以上では、各配線層に設けられるジグザグ形状配線の数を4本として説明したが、各配線層に設けられるジグザグ形状配線の数は、4本には限られない。また、以上では、第1及び第2の配線層の積層方向において、第1の配線層に配置される入力側のメタル配線11が備えるジグザグ形状配線と、第2の配線層に配置される出力側のメタル配線16が備えるジグザグ形状配線とが、複数箇所で立体的に交差し、また、第1の配線層に配置される出力側のメタル配線12が備えるジグザグ形状配線と、第2の配線層に配置される入力側のメタル配線15が備えるジグザグ形状配線とが、複数箇所で立体的に交差している。しかし、この交差箇所は、1つ以上あればよく、更には、交差せずに重なっているだけでもよい。なお、この場合には、複数の交差箇所を有する場合よりも、ジグザグ形状配線の側面に生じる静電容量の総量は小さくなる。
In FIG. 1, the tip of the zigzag wiring of the
また、図7に示す通りに、メタル配線11及び12のジグザグ形状配線と同形状であって、メタル配線11及び12のどちらにも接続されないフローティング配線25及び26を、メタル配線11及び12のジグザグ形状配線が配列された領域の外周の位置であって、両端のジグザグ形状配線と等間隔を空けて隣接して、それぞれ第1の配線層に配置し、同様に、メタル配線15及び16のジグザグ形状配線と同形状のフローティング配線27及び28を、第2の配線層に配置してもよい。このことによって、静電容量を発生させるメタル配線部分の平坦化が図れるので、半導体容量素子10の静電容量のばらつきが低減できる。
Further, as shown in FIG. 7, floating
以下では、図1の半導体容量素子10に発生する静電容量について説明する。図8は、図1の半導体容量素子10に発生する静電容量について説明するための図である。半導体容量素子10に発生する静電容量は、図8の(a)〜(d)に示す4種類の静電容量に大別される。なお、図8の(a)〜(d)には、それぞれ、ジグザグ形状配線の平面図、断面図及び発生する静電容量を示している。図8(a)に示す静電容量は、第1の配線層の配線同士及び第2の配線層の配線同士に生じる同一層方向の線間容量である。図8(b)に示す静電容量は、第1の配線層の配線と第2の配線層の配線との間に生じる積層方向の線間容量である。図8(c)に示す静電容量は、互いに交差する第1の配線層の配線及び第2の配線層の配線の一方の側面と他方の上面(又は下面)との間に生じる交差配線間のフリンジ容量である。図8(d)に示す静電容量は、平行な位置関係にある第1の配線層の配線及び第2の配線層の配線の一方の側面と他方の上面(又は下面)との間に生じる平行配線間のフリンジ容量である。
Below, the electrostatic capacitance which generate | occur | produces in the
ここで、従来の半導体容量素子125(図24を参照)には、図8の(a)〜(c)に示す静電容量は生じるが、図8(d)に示す静電容量は生じない。つまり、本発明の半導体容量素子10には、従来の半導体容量素子125と比べて、更に、図8(d)に示す静電容量が生じる。
Here, in the conventional semiconductor capacitance element 125 (see FIG. 24), the capacitances shown in FIGS. 8A to 8C are generated, but the capacitance shown in FIG. 8D is not generated. . That is, the capacitance shown in FIG. 8D is further generated in the
以下では、第1の配線層の配線と第2の配線層の配線との交差角度(以下、単に、交差角度という)の最適値について考察する。第1の配線層(上層)の配線と第2の配線層(下層)の配線とが両配線層の積層方向から視て角度θで交差する場合を計算する。図9は、半導体容量素子10の単位セルを示す図である。図9(a)は単位セルの正面図を示し、図9(b)は単位セルの断面図を示す。図9(a)の太線の四辺形で囲まれた部分が単位セルである。また、第1の配線層(上層)の配線は実線で示し、第2の配線層(下層)の配線は点線で示す。ここで、第1及び第2の配線層の配線の幅をW1 とし、厚さをTとする。第1の配線層の配線同士の間隔及び第2の配線層の配線同士の間隔をS1 とする。第1の配線層の配線と第2の配線層の配線との間隔をHとする。この場合、単位セルの面積は、式1で計算される。
式1を用いて、単位セル当たりの図8(a)に示す同一層方向の線間容量Csideは、式2で計算される。なお、εγ は比誘電率であり、ε0 は真空中の誘電率である。
単位セル当たりの図8(b)に示す積層方向の線間容量Cplate は、式3で計算される。
図8(c)に示す交差配線間のフリンジ容量と図8(d)に示す平行配線間のフリンジ容量とは、合わせて、単位セル当たりのフリンジ容量Cfringeとして計算する。フリンジ容量Cfringeの交差角度依存性は、交差角度θが鋭角の場合と鈍角の場合とで異なる。従って、以下では、場合分けを行って説明する。 The fringe capacity between the cross wirings shown in FIG. 8C and the fringe capacity between the parallel wirings shown in FIG. 8D are calculated together as the fringe capacity C fringe per unit cell. The dependence of the fringe capacity C fringe on the crossing angle differs depending on whether the crossing angle θ is an acute angle or an obtuse angle. Therefore, in the following, description will be made with classification.
まず、交差角度θが鋭角の場合について説明する。図10は、交差角度θが鋭角の場合において、単位セル当たりのフリンジ容量Cfringeを計算するための図である。図10(a)は、図9(a)に示す単位セルの配線を、説明の便宜のために、1本の第1の配線層の配線(以下、配線1という)及び1本の第2の配線層の配線(以下、配線2という)のみとして表した正面図である。図10(a)に示す通り、O点を原点とし互いに直交するl軸とh軸とを定義する。l軸及びh軸は、第1の配線層に位置し、l軸は、配線1の側面に沿う。なお、図10(b)は、図10(a)のF−F断面の図である。
First, the case where the intersection angle θ is an acute angle will be described. FIG. 10 is a diagram for calculating the fringe capacity C fringe per unit cell when the intersection angle θ is an acute angle. FIG. 10A shows the wiring of the unit cell shown in FIG. 9A as one wiring of the first wiring layer (hereinafter referred to as wiring 1) and one second wiring for convenience of explanation. It is the front view represented as wiring (henceforth wiring 2) only of this wiring layer. As shown in FIG. 10A, an l axis and an h axis that are orthogonal to each other with the point O as the origin are defined. The l-axis and the h-axis are located in the first wiring layer, and the l-axis is along the side surface of the
以下では、図10(a)に示すように、l軸に沿った5つの領域(領域1〜5)に対して、それぞれ、単位長さ当たりのフリンジ容量を計算する。領域1〜5は、式4で表すことができる。
まず、領域1及び5における、配線1のh軸方向の側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量dC/dlを計算する。領域1では、配線1のl軸に沿った側面(断面)に配線1自身が接続されていると考えることができる。領域5では、配線1のh軸方向側に配線2はない(図10(a)を参照)。このため、領域1及び5における、配線1のh軸方向の側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量dC/dlは、式6で計算される。
次に、領域2における、配線1のh軸方向の側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量dC/dlを計算する。ここで、図10(a)及び(b)に示すように、O点から任意の距離離れたF−F断面図における、配線2の断面の幅をW2 とし、h軸方向に生じる配線1と配線2とのスペースをS2 とする。この場合、領域2では、図10(a)から解るように、式7が成り立つ。
次に、領域3における、配線1のh軸方向の側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量dC/dlを計算する。領域3では、S2 は式9で表される。
次に、領域4における、配線1のh軸方向の側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量dC/dlを計算する。領域4では、図10(a)から解るように、S2 =0となる。また、領域4では、W2 は式11で表される。
以上で計算した領域1〜5におけるフリンジ容量dC/dlを用いて、式5の計算をすることによって、交差角度θが鋭角の場合の単位セル当たりのフリンジ容量Cfringeを計算できる。
By calculating the
次に、交差角度θが鈍角の場合について説明する。図11は、交差角度θが鈍角の場合において、単位セル当たりのフリンジ容量Cfringeを計算するための図である。図11(a)は、図9(a)に示す単位セルの配線を、説明の便宜のために、1本の第1の配線層の配線(以下、配線1という)及び1本の第2の配線層の配線(以下、配線2という)のみとして表した正面図である。図11(a)に示す通り、O点を原点とし互いに直交するl軸とh軸とを定義する。l軸及びh軸は、第1の配線層に位置し、l軸は、配線1の側面に沿う。なお、図11(b)は、図11(a)のG−G断面の図である。図11(c)は、図11(a)のG’−G’断面の図である。
Next, the case where the intersection angle θ is an obtuse angle will be described. FIG. 11 is a diagram for calculating the fringe capacity C fringe per unit cell when the intersection angle θ is an obtuse angle. FIG. 11A shows the wiring of the unit cell shown in FIG. 9A as one wiring of the first wiring layer (hereinafter referred to as wiring 1) and one second wiring for convenience of explanation. It is the front view represented as wiring (henceforth wiring 2) only of this wiring layer. As shown in FIG. 11A, an l-axis and an h-axis that are orthogonal to each other with the point O as the origin are defined. The l-axis and the h-axis are located in the first wiring layer, and the l-axis is along the side surface of the
以下では、図11(a)に示すように、l軸に沿った2つの領域(領域1及び2)に対して、それぞれ、単位長さ当たりのフリンジ容量を計算する。ここで、θ’=180°−θとする。領域1及び2は、式13で表すことができる。
まず、領域2における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量を計算する。領域2では、配線1のl軸に沿った側面からh軸方向には、配線1自身がある。このことによって、配線1のl軸に沿った側面から出る電気力線は、ブロックされる。この結果として、領域2における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量は、式15で計算される。
次に、領域1における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量を計算する。ここで、領域1を、図11(a)に示すように、3つの領域(領域1−1〜領域1−3)に分割する。領域1−1〜領域1−3は、式16で表すことができる。
領域1−1における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量を計算する。ここで、図11(a)及び(b)に示すように、領域1−1のG−G断面図における、配線2の断面の幅をW2 とし、h軸方向に生じる配線1と配線2とのスペースをS2 とする。この場合、領域1−1では、式17が成り立つ。
領域1−2における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量を計算する。領域1−2では、図11(a)から解るように、式18が成り立つ。
領域1−3における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量を計算する。ここで、図11(a)及び(c)に示すように、領域1−3において、配線2は、2つに分断されている。領域1−3において、配線1から近い方の配線2を配線2aとし、配線1から遠い方の配線2を配線2bとする。以下では、配線2aと配線2bとに分けて計算を行う。
The fringe capacitance between the minute interval dl on the side surface along the l-axis of the
まず、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2aの上面との間のフリンジ容量を計算する。図11(c)に示すように、S2 及びW2 について、式19が成り立つ。
次に、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2bの上面との間のフリンジ容量を計算する。図11(c)に示すように、S2 及びW2 について、式20が成り立つ。
領域1−3における、配線1のl軸に沿った側面の微小区間dlと配線2の上面との間のフリンジ容量は、以上で計算した配線2aについてのフリンジ容量と配線2bについてのフリンジ容量との合計となる。
In the region 1-3, the fringe capacitance between the minute section dl on the side surface along the l-axis of the
そして、領域1についてのフリンジ容量は、領域1−1〜領域1−3についてのフリンジ容量の合計となる。
And the fringe capacity | capacitance about the area |
以上で計算した領域1及び2におけるフリンジ容量dC/dlを用いて、式14の計算をすることによって、交差角度θが鈍角の場合の単位セル当たりのフリンジ容量Cfringeを計算できる。
The fringe capacity C fringe per unit cell when the intersection angle θ is an obtuse angle can be calculated by calculating the
以上に説明した計算結果として、半導体容量素子10に発生する単位面積当たりの静電容量C0(θ)は、式21で計算される。
図12は、交差角度θを0°から180°まで変化させた場合の半導体容量素子10に発生する単位面積当たりの静電容量C0(θ)の計算結果を示す図である。なお、図12には、比較のため、従来の半導体容量素子125(図24を参照)に発生する単位面積当たりの静電容量の計算結果を示す。図12に示す通り、本発明の半導体容量素子10と従来の半導体容量素子125とでは、単位面積当たりの静電容量の最大値は、ほぼ同等である。しかしながら、交差角度θ=90°及びその近傍では、本発明の半導体容量素子10の単位面積当たりの静電容量の方が大きい。
FIG. 12 is a diagram illustrating a calculation result of the capacitance C 0 (θ) per unit area generated in the
図13は、W1 及びS1 をそれぞれ変化させた場合の半導体容量素子10の単位面積当たりの静電容量C0(θ)の計算結果を示す図である。図14は、T及びHをそれぞれ変化させた場合の半導体容量素子10の単位面積当たりの静電容量C0(θ)の計算結果を示す図である。図13(a)は、W1 を0.5倍、1倍及び2倍した場合の単位面積当たりの静電容量C0(θ)を示し、図13(b)は、S1 を0.5倍、1倍及び2倍した場合の単位面積当たりの静電容量C0(θ)を示す。図14(a)は、Tを0.5倍、1倍及び2倍した場合の単位面積当たりの静電容量C0(θ)を示し、図14(b)は、Hを0.5倍、1倍及び2倍した場合の単位面積当たりの静電容量C0(θ)を示す。図13及び図14に示す通り、W1 、S1 、T及びHが変化しても、半導体容量素子10の単位面積当たりの静電容量C0(θ)は、交差角度θ=90°で最大又は最大に極めて近い値となる。従って、W1 、S1 、T及びHが変化した場合であっても、交差角度θ=90°及びその近傍では、本発明の半導体容量素子10の単位面積当たりの静電容量の方が、従来の半導体容量素子125の単位面積当たりの静電容量よりも大きい。
FIG. 13 is a diagram illustrating a calculation result of the capacitance C 0 (θ) per unit area of the
ここで、容量装置の設計及び製造は、一般に、交差角度θ=90°とした場合が容易である。従来の半導体容量素子125では、製造等が容易である交差角度θ=90°において、単位面積当たりの静電容量が大きく減少している。一方で、上記した通り、本発明の半導体容量素子10では、製造等が容易である交差角度θ=90°において、単位面積当たりの静電容量は最大又は最大に極めて近い値となる。この結果として、本発明の半導体容量素子10は、従来の半導体容量素子125よりも実用的といえる。
Here, in general, the capacity device is designed and manufactured easily when the crossing angle θ is 90 °. In the conventional
(第2の実施形態)
図15は、第2の実施形態に係る半導体容量素子50の構成例を示す図である。図15に示す通り、半導体容量素子50は、第1の実施形態に係る半導体容量素子10の構成に対して、第1の配線層に設けられる入力側のメタル配線11のジグザグ形状の折れ曲がり部分と、第2の配線層に設けられる入力側のメタル配線15のジグザグ形状の折れ曲がり部分とをそれぞれ接続するビア51〜59を更に備え、また、第1の配線層に設けられる出力側のメタル配線12のジグザグ形状の折れ曲がり部分と、第2の配線層に設けられる出力側のメタル配線16のジグザグ形状の折れ曲がり部分とをそれぞれ接続するビア60〜68を更に備える構成である。なお、半導体容量素子50について、半導体容量素子10と同じ構成要素には、同一の参照符号を付して、その説明は省略する。
(Second Embodiment)
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of the semiconductor capacitor 50 according to the second embodiment. As shown in FIG. 15, the semiconductor capacitor 50 includes a zigzag bent portion of the input-side metal wiring 11 provided in the first wiring layer, compared to the configuration of the
以上の構成によって、半導体容量素子50は、第1の実施形態に係る半導体容量素子10と比べて、第1の配線層のメタル配線と第2の配線層のメタル配線とを接続するビア51〜68相互の電界結合が加算されるため、単位面積当たりの静電容量を更に増加させることができる。
With the above configuration, the semiconductor capacitor 50 has vias 51 to 51 that connect the metal wiring of the first wiring layer and the metal wiring of the second wiring layer as compared with the
なお、以上では、メタル配線のジグザグ形状の折れ曲がり部分にビアを備えたが、第1及び第2の配線層の積層方向において、第1の配線層に設けられる入力側のメタル配線11のジグザグ形状配線と、第2の配線層に設けられる入力側のメタル配線15のジグザグ形状配線とが重なる部分をビアで接続し、同様に、第1の配線層に設けられる出力側のメタル配線12のジグザグ形状配線と、第2の配線層に設けられる出力側のメタル配線16のジグザグ形状配線とが重なる部分をビアで接続してもよい。
In the above description, vias are provided in the zigzag bent portion of the metal wiring. However, the zigzag shape of the input-side metal wiring 11 provided in the first wiring layer in the stacking direction of the first and second wiring layers. The portions where the wiring and the zigzag wiring of the input
図16は、半導体容量素子50の第1の変形例の構成を示す図である。以下に、図16を参照して、第1の変形例の構成について説明する。第1の変形例は、半導体容量素子50(図15を参照)の構成に加えて、以下の構成を備える。 FIG. 16 is a diagram illustrating a configuration of a first modification of the semiconductor capacitor 50. The configuration of the first modification will be described below with reference to FIG. The first modification includes the following configuration in addition to the configuration of the semiconductor capacitor 50 (see FIG. 15).
第1の変形例は、第1の配線層に配列されるジグザグ形状配線が備える、正方形形状の折れ曲がり部分の内、このジグザグ形状配線が配列された領域の外周に位置する外周折れ曲がり部分69〜74に接続されるビア81〜86を備える。また、第1の変形例は、外周折れ曲がり部分69〜74の形状と同一の正方形形状のフローティング配線75〜80を、第2の配線層上であって、第1の配線層の外周折れ曲がり部分69〜74が、第1及び第2の配線層の積層方向に照射される平行光によって、第2の配線層に投影される位置にそれぞれ備える。そして、フローティング配線75〜80は、ビア81〜86にそれぞれ接続される。つまり、第1の変形例では、第1の配線層の各外周折れ曲がり部分69〜74は、各ビア81〜86によって、各フローティング配線75〜80と接続される。同様に、第1の変形例は、第2の配線層に配列されるジグザグ形状配線が備える、正方形形状の折れ曲がり部分の内、このジグザグ形状配線が配列された領域の外周に位置する外周折れ曲がり部分87〜92に接続されるビア93〜98を備える。また、第1の変形例は、外周折れ曲がり部分87〜92の形状と同一の正方形形状のフローティング配線99〜104を、第1の配線層上であって、第2の配線層の外周折れ曲がり部分87〜92が、第1及び第2の配線層の積層方向に照射される平行光によって、第1の配線層に投影される位置に、それぞれ備える。そして、フローティング配線99〜104は、ビア93〜98にそれぞれ接続される。つまり、第1の変形例では、第2の配線層の各外周折れ曲がり部分87〜92は、各ビア93〜98によって、各フローティング配線99〜104と接続される。
In the first modified example, the outer peripheral
このような構成によって、フローティング配線75〜80とフローティング配線75〜80に隣接するメタル配線15又は16のジグザグ形状配線とによって生じる電解結合と、フローティング配線99〜104とフローティング配線99〜104に隣接するメタル配線11又は12のジグザグ形状配線とによって生じる電解結合とが加算される。この結果として、半導体容量素子50の第1の変形例は、半導体容量素子50(図15を参照)よりも、単位面積当たりの静電容量を更に増加させることができる。
With such a configuration, electrolytic coupling generated by the floating
図17は、半導体容量素子50の第2の変形例の構成を示す図である。図17に示す通り、第2の変形例では、図16に示す第1の変形例のフローティング配線75〜80及び99〜104の形状を、正方形形状から三角形形状にしている。そして、フローティング配線75〜80は、フローティング配線75〜80と同一の配線層(第2の配線層)に設けられる隣接するジグザグ形状配線から所定の間隔を空けつつ、最も面積が大きい三角形形状とされる。同様に、フローティング配線99〜104は、フローティング配線99〜104と同一の配線層(第1の配線層)に設けられる隣接するジグザグ形状配線から所定の間隔を空けつつ、最も面積が大きい三角形形状とされる。
FIG. 17 is a diagram illustrating a configuration of a second modification of the semiconductor capacitor 50. As shown in FIG. 17, in the second modification, the shapes of the floating
このような構成によって、第2の変形例のフローティング配線75〜80及び99〜104の面積は、第1の変形例のフローティング配線75〜80及び99〜104の面積よりも大きくなる(図16及び図17を参照)。このことによって、第2の変形例における、フローティング配線75〜80とフローティング配線75〜80に隣接するメタル配線15又は16のジグザグ形状配線とによって生じる電解結合と、フローティング配線99〜104とフローティング配線99〜104に隣接するメタル配線11又は12のジグザグ形状配線とによって生じる電解結合とは、第1の変形例よりも大きくなる。この結果として、半導体容量素子50の第2の変形例は、半導体容量素子の第1の変形例(図16を参照)よりも、単位面積当たりの静電容量を更に増加させることができる。
With such a configuration, the areas of the floating
なお、上記した第2の変形例では、図17に示す通り、フローティング配線75〜80及び99〜104の三角形形状の2つの内角は、90°より小さくなる。ここで、半導体プロセスによっては、このような形状はルール違反となる場合がある。図18は、半導体容量素子50の第3の変形例の構成を示す図である。そこで、例えば、図18に示す通り、フローティング配線75〜80及び99〜104の形状を、三角形形状の90°より小さい内角を有する2つの角を切断した、5角形形状とすることによって、第3の変形例では、第2の変形例とほぼ同等の効果を得つつ、半導体プロセスのルール違反を回避できる。
In the second modification described above, as shown in FIG. 17, the two inner angles of the triangular shapes of the floating
(第3の実施形態)
図19は、本発明の第3の実施形態に係る半導体容量素子200の構成例を示す図である。図19(a)に示す通り、半導体容量素子200は、実線で示された第1の配線層と、点線で示された第2の配線層とを備える。図19(b)は、第1の配線層の配線を示す。図19(c)は、第2の配線層の配線を示す。半導体容量素子200は、第1の実施形態の半導体容量素子10(図1を参照)に対して、メタル配線11をメタル配線11−1に置換え、メタル配線12をメタル配線12−1に置換え、メタル配線15をメタル配線15−1に置換え、メタル配線16をメタル配線16−1に置換えた構成である。図20は、メタル配線11−1、12−1、15−1及び16−1を示す図である。図20(a)はメタル配線11−1及び12−1を示し、図20(b)はメタル配線15−1及び16−1を示す。図20(a)及び(b)に示す通り、メタル配線11−1、12−1、15−1及び16−1は、それぞれ、メタル配線11、12、15及び16のジグザグ形状配線の形状を変えた配線である。また、図20(a)及び(b)において、第1の配線層に位置する配線は実線で示し、第2の配線層に位置する配線は点線で示す。なお、半導体容量素子200において、半導体容量素子10と同様の構成要素については、同様の参照符号を付して、重複する説明は省略する。
(Third embodiment)
FIG. 19 is a diagram illustrating a configuration example of a
以下では、メタル配線11−1、12−1、15−1及び16−1の形状について説明する。図20(a)に示す通り、メタル配線11−1は、四角形の配線(以下、四角配線という)301、302、303及び304を含む。なお、四角配線は、図20(a)の黒矢印に示す1単位の直線形状の配線(単位直線配線)が4つ規則的に結合した配線と考えることもできる。四角配線301は、第1の配線層に位置し、取り出し配線13と繋がっている。四角配線302は、第2の配線層に位置し、ビア204によって四角配線301と接続される。四角配線303は、第1の配線層に位置し、ビア205によって四角配線302と接続される。四角配線304は、第2の配線層に位置し、ビア206によって四角配線303と接続される。ここで、四角配線301及び304は、スペースの制約のために、四角形が切断された形状となっている。
Below, the shape of metal wiring 11-1, 12-1, 15-1, and 16-1 is demonstrated. As shown in FIG. 20A, the metal wiring 11-1 includes rectangular wirings (hereinafter referred to as square wirings) 301, 302, 303, and 304. Note that the square wiring can be considered as a wiring in which four linear wirings (unit linear wiring) of one unit indicated by a black arrow in FIG. The
メタル配線12−1は、図20(a)の白矢印に示す1単位の直線形状の配線(単位直線配線)がクロスして結合した形状の配線(以下、クロス配線という)401、402、403及び404を含む。クロス配線401は、第1の配線層に位置し、取り出し配線14と繋がっている。クロス配線402は、第2の配線層に位置し、ビア203によってクロス配線401と接続される。クロス配線403は、第1の配線層に位置し、ビア202によってクロス配線402と接続される。クロス配線404は、第2の配線層に位置し、ビア201によってクロス配線403と接続される。ここで、クロス配線401及び404は、スペースの制約のために、クロス形状が切断された形状となっている。
The metal wiring 12-1 is a wiring (hereinafter referred to as a cross wiring) 401, 402, 403 having a shape in which one unit of linear wiring (unit linear wiring) indicated by a white arrow in FIG. And 404. The
次に図20(b)に示す通り、メタル配線15−1は、四角配線305、306、307及び308を含む。四角配線305は、第2の配線層に位置し、取り出し配線23と繋がっている。四角配線306は、第1の配線層に位置し、ビア207によって四角配線305と接続される。四角配線307は、第2の配線層に位置し、ビア208によって四角配線306と接続される。四角配線308は、第1の配線層に位置し、ビア209によって四角配線307と接続される。ここで、四角配線305及び308は、スペースの制約のために、四角形が切断された形状となっている。
Next, as shown in FIG. 20B, the metal wiring 15-1 includes
メタル配線16−1は、クロス配線405、406、407及び408を含む。クロス配線405は、第2の配線層に位置し、取り出し配線24と繋がっている。クロス配線406は、第1の配線層に位置し、ビア212によってクロス配線405と接続される。クロス配線407は、第2の配線層に位置し、ビア211によってクロス配線406と接続される。クロス配線408は、第1の配線層に位置し、ビア210によってクロス配線407と接続される。ここで、クロス配線405及び408は、スペースの制約のために、クロス形状が切断された形状となっている。
The metal wiring 16-1 includes
次に、メタル配線11−1及び15−1の四角配線と、メタル配線12−1及び16−1のクロス配線との位置関係について説明する。図19(b)に示す第1の配線層の配線について、説明する。図19(b)に示す通り、第1の配線層において、四角配線とクロス配線とは、所定の間隔Sを空けて交互に配列される。より具体的には、四角配線を構成する単位直線配線とクロス配線を構成する単位直線配線とは、所定の間隔Sを空けて平行に配置される。図19(c)に示す第2の配線層の配線についても、図19(b)に示す第1の配線層の配線と同様に、四角配線とクロス配線とは、所定の間隔Sを空けて交互に配列される。また、図19(a)、図20(a)及び図20(b)に示す通り、第1の配線層の四角配線を構成する単位直線配線と第2の配線層のクロス配線を構成する単位直線配線とは、配線層の積層方向から視て立体的に交差する。同様に、第2の配線層の四角配線を構成する単位直線配線と第1の配線層のクロス配線を構成する単位直線配線とは、配線層の積層方向から視て立体的に交差する。 Next, the positional relationship between the square wiring of the metal wirings 11-1 and 15-1 and the cross wiring of the metal wirings 12-1 and 16-1 will be described. The wiring of the first wiring layer shown in FIG. 19B will be described. As shown in FIG. 19B, in the first wiring layer, the square wiring and the cross wiring are alternately arranged with a predetermined interval S therebetween. More specifically, the unit straight line constituting the square line and the unit straight line constituting the cross line are arranged in parallel with a predetermined interval S therebetween. Similarly to the wiring of the first wiring layer shown in FIG. 19B, the wiring of the second wiring layer shown in FIG. 19C also has a predetermined interval S between the square wiring and the cross wiring. Alternatingly arranged. Also, as shown in FIGS. 19A, 20A, and 20B, the unit linear wiring that forms the square wiring of the first wiring layer and the unit that forms the cross wiring of the second wiring layer. The straight wiring intersects three-dimensionally when viewed from the stacking direction of the wiring layers. Similarly, the unit straight line constituting the square wiring of the second wiring layer and the unit straight line constituting the cross wiring of the first wiring layer intersect three-dimensionally as viewed from the stacking direction of the wiring layers.
ここで、半導体プロセスが微細化すると、電界効果トランジスタのゲートが静電破壊し易くなる。これは、IC中のメタル配線長が長い場合には、そのメタル配線がアンテナの役割を果たして外部からの静電気を受信してしまうからである。そのため、同一配線層におけるメタル配線長に、制限が設けられる場合がある。 Here, when the semiconductor process is miniaturized, the gate of the field effect transistor is easily broken electrostatically. This is because when the metal wiring length in the IC is long, the metal wiring serves as an antenna and receives static electricity from the outside. For this reason, there may be a limitation on the metal wiring length in the same wiring layer.
半導体容量素子200は、配線長の長いジグザグ形状配線(図1を参照)を用いず、配線長の短い四角配線及びクロス配線(図19及び図20を参照)を用いている。このことから、第3の実施形態に係る半導体容量素子200は、ジグザグ形状配線を用いる第1の実施形態に係る半導体容量素子10よりも、同一配線層におけるメタル配線長を短縮することができる。この結果として、第3の実施形態に係る半導体容量素子200は、第1の実施形態に係る半導体容量素子10と同様の効果を得つつ、更に、メタル配線がアンテナの役割を果たすことで生じる静電破壊を回避して、メタル配線長の制限を満たすことができる。
The
なお、第1の配線層の単位直線配線と第2の配線層の単位直線配線とは、配線層の積層方向から視て90°で立体的に交差するのが好ましいが、これに限定されるものではない。また、以上では、第1の配線層及び第2の配線層から成る2層の半導体容量素子について説明したが、配線層は3層以上であってもよい。この場合には、単位面積当たりの静電容量を更に大きくすることができる。また、各配線層に設けられる四角配線及びクロス配線の数は、以上に説明した数には限られない。 The unit straight wiring of the first wiring layer and the unit straight wiring of the second wiring layer preferably cross three-dimensionally at 90 ° when viewed from the stacking direction of the wiring layers, but are not limited thereto. It is not a thing. In the above description, the two-layer semiconductor capacitor element including the first wiring layer and the second wiring layer has been described. However, the wiring layer may have three or more layers. In this case, the capacitance per unit area can be further increased. Further, the number of square wirings and cross wirings provided in each wiring layer is not limited to the number described above.
本発明は、半導体集積回路に内蔵されたメタル配線間の半導体容量素子等に利用可能であり、特に、半導体容量素子の単位面積あたりの静電容量を大きくし、静電容量の製造ばらつきを小さくし、また、Q値を高くし、自己共振周波数を高くさせたい場合等に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a semiconductor capacitor element between metal wirings built in a semiconductor integrated circuit, and in particular, increases the capacitance per unit area of the semiconductor capacitor element and reduces the manufacturing variation of the capacitance. In addition, it is useful for increasing the Q value and increasing the self-resonance frequency.
10、50、110、115、120、125、200 半導体容量素子
11、12、15、16、75〜80、99〜104、140〜143、4−1、4−2、4−3、4−4、A1〜A6、B1〜B6 メタル配線
13、14、17、18、23、24、145〜150 取り出し配線
19〜21、51〜68、81〜86、93〜98、201〜212 ビア
25〜28 フローティング配線
69〜74、87〜92 折れ曲がり部分
301〜308 四角配線
401〜408 クロス配線
10, 50, 110, 115, 120, 125, 200
Claims (11)
K(Kは、1〜N−1の何れか)番目の配線層に設けられるK層メタル配線と、
K+1番目の配線層に設けられるK+1層メタル配線とを備え、
前記K層メタル配線及び前記K+1層メタル配線は、それぞれ、
第1の単位直線配線が規則的に結合して成る複数の第1の所定形状配線と当該複数の第1の所定形状配線を第1の端子に接続する取出し配線とを備える第1配線群と、
第2の単位直線配線が規則的に結合して成る複数の第2の所定形状配線と当該複数の第2の所定形状配線を第2の端子に接続する取出し配線とを備える第2配線群とを含み、
前記複数の第1の所定形状配線と前記複数の第2の所定形状配線とは、同一の前記配線層において、等間隔を空けて交互に配列され、
前記K層の第1配線群の取出し配線と前記K+1層の第1配線群の取出し配線とは、前記配線層の積層方向において重なる位置に配置されて互いに接続され、
前記K層の第2配線群の取出し配線と前記K+1層の第2配線群の取出し配線とは、前記配線層の積層方向において重なる位置に配置されて互いに接続され、
前記配線層の積層方向において、前記K層の前記第1の単位直線配線と前記K+1層の前記第2の単位直線配線とはそれぞれ立体的に交差し、
前記配線層の積層方向において、前記K+1層の前記第1の単位直線配線と前記K層の前記第2の単位直線配線とはそれぞれ立体的に交差することを特徴とする、半導体容量素子。 A semiconductor capacitor element having a structure in which N (N is an integer of 2 or more) wiring layers are stacked,
K layer metal wiring provided in the Kth (K is any one of 1 to N-1) wiring layer;
K + 1 layer metal wiring provided in the (K + 1) th wiring layer,
The K layer metal wiring and the K + 1 layer metal wiring are respectively
A first wiring group comprising a plurality of first predetermined shape wirings formed by regularly combining first unit straight wirings and an extraction wiring for connecting the plurality of first predetermined shape wirings to a first terminal; ,
A second wiring group comprising a plurality of second predetermined shape wirings formed by regularly joining the second unit straight wirings and an extraction wiring for connecting the plurality of second predetermined shape wirings to the second terminal; Including
The plurality of first predetermined shape wires and the plurality of second predetermined shape wires are alternately arranged at equal intervals in the same wiring layer,
The extraction wiring of the first wiring group of the K layer and the extraction wiring of the first wiring group of the K + 1 layer are arranged at positions overlapping in the stacking direction of the wiring layers and connected to each other,
The extraction wiring of the second wiring group of the K layer and the extraction wiring of the second wiring group of the K + 1 layer are arranged at positions overlapping in the stacking direction of the wiring layer, and are connected to each other.
In the stacking direction of the wiring layer, the first unit straight wiring of the K layer and the second unit straight wiring of the K + 1 layer each intersect three-dimensionally.
In the stacking direction of the wiring layer, the first unit straight line in the K + 1 layer and the second unit straight line in the K layer each intersect three-dimensionally.
前記第2の所定形状配線は、前記第2の単位直線配線がジグザグ形状に結合して成るジグザグ形状配線であることを特徴とする、請求項1に記載の半導体容量素子。 The first predetermined shape wiring is a zigzag wiring formed by joining the first unit straight lines in a zigzag shape,
2. The semiconductor capacitor according to claim 1, wherein the second predetermined shape wiring is a zigzag wiring formed by joining the second unit straight lines in a zigzag shape.
前記K+1層メタル配線は、更に、前記ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に、前記配列されたジグザグ形状配線の両端のジグザグ形状配線と等間隔を空けて隣接するジグザグ形状のフローティング配線をそれぞれ備えることを特徴とする、請求項2に記載の半導体容量素子。 The K layer metal wiring further includes zigzag floating wirings adjacent to the outer periphery of the region where the zigzag wirings are arranged at equal intervals with the zigzag wirings at both ends of the arranged zigzag wirings. Prepared,
The K + 1 layer metal wiring further includes zigzag floating wirings adjacent to the outer periphery of the region where the zigzag wirings are arranged at equal intervals with the zigzag wirings at both ends of the arranged zigzag wirings. The semiconductor capacitance element according to claim 2, further comprising:
前記配線層の積層方向において、前記K層の前記第2の端子に接続されるジグザグ形状配線と前記K+1層の前記第2の端子に接続されるジグザグ形状配線とが重なる部分を、それぞれ接続するビアとを更に備えることを特徴とする、請求項2に記載の半導体容量素子。 In the stacking direction of the wiring layer, the portions where the zigzag wiring connected to the first terminal of the K layer and the zigzag wiring connected to the first terminal of the (K + 1) layer overlap are respectively connected. With vias,
In the stacking direction of the wiring layers, the portions where the zigzag wiring connected to the second terminal of the K layer and the zigzag wiring connected to the second terminal of the (K + 1) layer overlap are respectively connected. The semiconductor capacitor according to claim 2, further comprising a via.
前記K+1層のジグザグ形状配線の折れ曲がり部分の内、当該ジグザグ形状配線が配列された領域の外周に位置する外周折れ曲がり部分に前記配線層の積層方向において対応する前記K層の位置に設けられるフローティング配線と、
前記K層の外周折れ曲がり部分と前記K+1層のフローティング配線とをそれぞれ接続するビアと、
前記K+1層の外周折れ曲がり部分と前記K層のフローティング配線とをそれぞれ接続するビアとを更に備えることを特徴とする、請求項2に記載の半導体容量素子。 Among the bent portions of the K layer zigzag wiring, the floating wiring provided at the position of the K + 1 layer corresponding to the outer peripheral bent portion located in the outer periphery of the region where the zigzag wiring is arranged in the stacking direction of the wiring layers. When,
Floating wiring provided at the position of the K layer corresponding to the outer peripheral bent portion located in the outer periphery of the region where the zigzag wiring is arranged in the bent portion of the K + 1 layer zigzag wiring. When,
Vias connecting the outer peripheral bent portion of the K layer and the floating wiring of the K + 1 layer, respectively;
The semiconductor capacitance element according to claim 2, further comprising vias that respectively connect the outer peripheral bent portion of the K + 1 layer and the floating wiring of the K layer.
前記第2の所定形状配線は、2つの前記第2の単位直線配線がクロス形状に結合して成るクロス形状配線であり、
前記K層の前記四角形状配線と前記K+1層の前記四角形状配線とは、それぞれビアで接続されて前記第1の端子に接続され、
前記K層の前記クロス形状配線と前記K+1層の前記クロス形状配線とは、それぞれビアで接続されて前記第2の端子に接続されることを特徴とする、請求項1に記載の半導体容量素子。 The first predetermined shape wiring is a quadrangular wiring formed by combining the four first unit straight wirings into a quadrangular shape,
The second predetermined shape wiring is a cross-shaped wiring formed by combining two second unit straight wirings in a cross shape,
The quadrangular wiring of the K layer and the quadrangular wiring of the K + 1 layer are each connected by a via and connected to the first terminal,
2. The semiconductor capacitor according to claim 1, wherein the cross-shaped wiring of the K layer and the cross-shaped wiring of the K + 1 layer are connected to each other by a via and connected to the second terminal. .
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