(57)【要約】【課題】超高速信号を扱う半導体集積回路において、回路内に設けられたＭＩＭコンデンサの平面形状に起因する共振現象を抑制する。【解決手段】本発明に係わるＭＩＭコンデンサにおいては、ＭＩＭコンデンサの電極を構成する第１金属層もしくは第２金属層のすくなくともいずれか一方の形状を、互いに対向する辺どおしが平行部分を有しない形状とすることに特徴を有する。平行部分がないため、この集積回路を伝播する信号の波長をλとした時に、λ／２が一意に定まらなくなり、共振現象を抑制することができ、ＭＩＭコンデンサが正常にコンデンサとしての機能を発揮する。特に信号周波数が１０ＧＨｚを越える領域で、λ／２長が集積回路の実寸と同程度の長さに近付いた場合に有効である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成され、第１の金属層と、第２の金属層とで絶縁層を挟み込んで構成され、所定の周波数の信号に応答するＭＩＭコンデンサであって、
該第１の金属層もしくは該第２の金属層の少なくともいずれか一方の平面形状が、該所定の周波数で決定される波長λに対し、λ／２よりも長い辺を見込む一対の辺が非平行であることを特徴とするコンデンサ。
【請求項２】
基板上に形成され、第１の金属層と、第２の金属層とで絶縁性を挟み込んで構成される、ＭＩＭコンデンサであって、
該第１、該第２の金属層の辺が曲線で構成されていることを特徴とするコンデンサ。
【請求項３】
前記所定の周波数が１０ＧＨｚ以上である、請求項１および２に記載のコンデンサ。
【請求項４】
前記絶縁体は酸化窒化ケイ素であり、前記第１の金属層および第２の金属層はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属である、請求項１乃至３に記載のコンデンサ。
【請求項５】
所定の周波数で動作する回路素子と、
該回路素子に供給する電源を導くための電源ラインおよび基準電位ラインと、
該電源ラインをバイパスするためのコンデンサと、
を基板上にモノリシックに集積した半導体装置において、
該コンデンサは、第１の金属層と、第２の金属層とで絶縁層を挟みこんで構成されたＭＩＭコンデンサであって、
該第１の金属層、もしくは、該第２の金属層の少なくともいずれか一方の平面形状が、該所定の周波数で決定される波長λに対し、λ／２よりも長い辺を見込む一対の辺が非平行である
ことを特徴とする半導体装置。
【請求項６】
前記所定の周波数が１０ＧＨｚよりも大きい周波数である請求項５の半導体装置。
【請求項７】
前記回路素子は、ＩｎＰ基板上に形成されたヘテロ接合バイポーラトランジスタである、請求項６に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は光通信等に用いられる半導体集積回路（ＩＣ）に関し、特に、その扱う信号の帯域が４０Ｇｂｐｓ以上のＩＣに一体化集積されるコンデンサの形状に関する。
【０００２】
【特許文献１】
特開平１０−０９３０１９号公報
【０００３】
【従来の技術】
光通信システムにおける通信速度の高速化が進められている。現在の主流は２．５Ｇｂｐｓにあるが、１０Ｇｂｐｓまでの技術が既に商用レベルで確立されており、研究・開発レベルでは４０Ｇｂｐｓの速度も視野に入れられている。この様な超高速の信号帯域では、ＩＣ回路内を伝播する信号の波長と、そこに集積化された回路素子の大きさが同程度のものとなってくる。一例として、ＩＣ中を伝播する信号の速度が光速の１／３程度の場合、その波長は約２．５ｍｍとなり、回路特性上もっとも重要なパラメータであるλ／２はその半分の１．２５ｍｍとなる。
【０００４】
その一方、この様な高速動作するＩＣでは、その動作を安定化させるために、ＩＣ内に集積化される電源バイパスコンデンサの容量を大きくしなければならない。集積コンデンサの形態として最も一般的な金属／絶縁体／金属（ＭＩＭ：Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）の三層構造でコンデンサを形成した場合には、素子の占有面積として長辺が１ｍｍを越える場合もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
その様なＩＣ中に作製されたコンデンサの一辺の長さと、回路を伝播する信号の波長が同程度になった場合に、そのコンデンサの一辺に対応する信号波長で、共振現象が生じてしまい、回路動作が不安定になってしまう。例えば、コンデンサの一辺の長さが、信号波長をλとして、λ／４に等しくなった場合には、インダクタンス成分が強調された共振回路としてＭＩＭコンデンサが動作し、また、コンデンサの一辺の長さがλ／２に等しくなった場合には、信号を完全に吸収してしまい、ＭＩＭコンデンサの回路特性にディップが生じてしまう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明においては、第１の金属層と、第２の金属層とで絶縁層を挟み込んで構成され、所定の周波数の信号に応答するＭＩＭコンデンサにおいて、この第１の金属層もしくは第２の金属層の少なくともいずれか一方の平面形状が、このコンデンサに印加される信号の持つ波長をλとしたとき、λ／２よりも長い辺を見込む一対の辺が非平行であることを特徴とする。
【０００７】
長い辺ほどに特性波長λが長くなり、より低周波で共振的な現象を起こす。この長い辺を見込む一対の辺を互いに非平行に形成することにより、共振周波数を連続的に変化させることが可能となり、特定の周波数で共振的挙動を示すことを抑制できることとなる。さらに本発明の他の側面においては、上記第１、第２の金属層の平面形状を、ＭＩＭコンデンサ領域を曲線で囲む形状とすることも有効である。一切の平行部を廃することにより、特性波長λを一波長に固定しないことが可能となる。
【０００８】
また、本発明に係わるコンデンサは、高速で動作する半導体増幅素子と組み合わせた場合に最も効果的となる。すなわち、所定の周波数で動作する回路素子と、この素子に供給する電源を伝える電源ラインおよび基準電位ラインと、この電源ラインをバイパスするためのコンデンサとが基板上にモノリシックに集積化された半導体装置に対し、このコンデンサをＭＩＭコンデンサとし、このＭＩＭコンデンサを形成する第１の金属層と第２の金属層のうちの少なくとも一方について、上記所定の周波数で決定される波長λに対して、λ／２よりも長い辺を見込む一対の辺を非平行にすることを特徴とする。
【０００９】
この様な構成のＭＩＭコンデンサを用いることにより、特に周波数が１０ＧＨｚよりも大きい場合の回路の動作安定性を維持できることとなる。ここで、回路素子としては、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＰ系のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用いることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の例）
図１は、本発明に係わるＭＩＭコンデンサの平面図（図１（ａ））、と断面図（図１（ｂ））の一例を示す。  図１（ｂ）からも理解される様に、本ＭＩＭコンデンサ１０は、基板１上に第１の金属層１１、絶縁体層１２、第２の金属層１３が積層された構造を有し、絶縁体１２を挟む第１、第２の金属層が電極として機能する、平行平板型のコンデンサ構造である。ここで、基板１として絶縁基板を用いた場合には、基板上に直接に第１の金属層を形成することも可能である。
一般には、基板上に絶縁体１０を形成し、その上に第１の金属層が形成された構造となっている。絶縁体１２、もしくは１０としては、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）等が一般的である。これらの材料は、ＩＣの層間絶縁膜を兼ねることが可能である。本例においては、ＳｉＯＮ（窒化酸化ケイ素）を厚さ３４０ｎｍで形成した。形成にはプラズマＣＶＤ法などの周知の方法を用いることができる。
【００１１】
この絶縁体としてチタン酸バリウム（ＴｉＢａＯ３）等の高誘電体材料を用いる場合には、小面積で大きな容量値のコンデンサを作製することができる。
【００１２】
ここで、第１の金属層１１としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕをこの順にそれぞれ厚さ５０ｎｍ／３０ｎｍ／８００ｎｍで形成したものであり、第２の金属層としては、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕについて、ＴｉとＰｔは第１の金属層と同様の厚さで、Ａｕについてのみ、１０００ｎｍの厚さで形成した。形成には、周知の蒸着法、スパッタ法などの方法を用いることができる。なお、第１の金属層、第２の金属層については、それぞれＩＣの第１層配線、第２層配線と兼ねることができる。
【００１３】
図１（ａ）はＭＩＭコンデンサの平面図を表す。第１の金属層は配線１１１から延び出し、辺１１ａ〜１１ｄを有する四角形状をしている。互いの対辺（１１ａと１１ｂ、１１ｃと１１ｄ）はそれぞれ非平行な形状となっている。第２の金属層は、配線１３１から延び出し、辺１３ａ〜１３ｄを有する四角形状をしている。第１の金属層と同様に、互いの対辺（１３ａと１３ｂ、１３ｃと１３ｄ）はそれぞれ非平行な形状である。
【００１４】
この様な構成のＭＩＭコンデンサにおいて、各金属層の辺の長さの平均値を９００μｍ×３００μｍ（０．２７ｍｍ２）とした場合には、ＳｉＯＮの誘電率は約５．５であるので、容量値として３９ｐＦのＭＩＭコンデンサを得ることができる。また、各金属層の対辺が互いに非平行であるため、特定の周波数で共振現象を起こすことがなくなる。
【００１５】
図１では、各金属層からは単一の配線が引き出されているが、例えば先行特許文献の図７、図８、図１１等に示される様に、配線を二箇所から引き出す形態、あるいは、さらに多くの個所から引き出す形態を用いることも当然に可能である。
【００１６】
（第２の例）
図２、図３は本発明に係わるＭＩＭコンデンサの他の形状の例である。図２においては、各金属層の辺は、ＭＩＭ領域において曲線を構成しているため、特定の周波数において共振する現象は全く生じない。また、図３の例においては、各金属層の辺は多角形状を構成している。この形状であっても特定の周波数における共振現象を防止することができる。
【００１７】
（第３の例）
以上の例においては、各金属層の全ての対辺が互いに非平行な形状を採用した。しかしながら、実用面においては、ＩＣの動作する信号波長において、共振を誘導する程度に長い辺の対辺のみ非平行にすることで、共振現象を抑えることが可能である。図４は、その様な構成のＭＩＭコンデンサを示すものであり、長辺を９３０μｍ、短辺を約３３０μｍとし、相対する短辺を非平行な形状とするものである。長辺どうしは平行であるが、その間隔約３３０μｍに対しては、共振周波数が６０ＧＨｚを超えるため、信号周波数４０ＧＨｚ以下においてその平行な辺による共振が問題となることはない。
【００１８】
図４は、図１に示されたＭＩＭコンデンサを実際のＩＣに応用した例を示している。本ＩＣチップは約２ｍｍ×１．４ｍｍの大きさであり、その略中央部に、トランジスタ等のアクティブ素子を作製し、当該中央部を取り囲む様にに大きなＭＩＭコンデンサコンデンサが形成される。ＭＩＭコンデンサの大きさは、約９３０μｍ×３３０μｍである。ＩＣチップの第２、第３層配線で挟まれる層間絶縁膜はＳｉＯＮで構成され、その厚さは約５００ｎｍとなっている。
【００１９】
本ＩＣは、三層の金属配線層を有し、第２層配線と第３層配線とでＭＩＭコンデンサを構成する。プラス電源（Ｖｃｃ）、マイナス電源（Ｖｅｅ）それぞれに接続される二つのＭＩＭコンデンサを、本発明に係わる形状とした。ＩＣチップの周囲に第３層配線金属で形成された電源用のパッドを配し、Ｖｃｃ、Ｖｅｅ用のパッドから引き出された配線は、その引出し直後に第２層金属に接続され、接地用パッド（ＧＮＤ）から引き出された第３層配線との間でＭＩＭコンデンサを形成する。そして、第２層金属の平面形状が、互いの短辺どおしが非平行となる様に形成されている。ＭＩＭコンデンサの長辺が１ｍｍ近くにも及ぶため、その共振周波数のλ／２波長が本ＩＣの動作周波数である４０ＧＨｚ近傍になるため、ＭＩＭコンデンサの対向する短辺を非平行にすることで、共振現象を抑えることが可能となる。
【００２０】
図５は図４に示されたＩＣの実際の回路図である。本ＩＣは、光通信用の前置増幅器として機能し、半導体受光素子からの微弱の電流信号を電圧信号に変換するトランスインピーダンスアンプ部と、このトランスインピーダンスアンプ部の電圧出力を増幅し、かつ、相補的な信号として出力する主増幅器部とで構成されている。
【００２１】
トランスインピーダンスアンプ部は、トランジスタ一段の増幅回路と、この増幅回路の出力に接続されるエミッタフォロワー回路で構成され、エミッタフォロワ−回路の出力から、増幅トランジスタのベースに対して、帰還インピーダンス回路が設けられている。増幅トランジスタのベースに向かって入力する電流信号の大部分は、この帰還インピーダンス回路に流入し、信号電流値とインピーダンス値との積で決まる電圧信号が、エミッタフォロワー回路の出力に現れ、電流／電圧変換が行われる。
【００２２】
エミッタフォロワー回路の出力は、主増幅器に導かれる。主増幅器は、二段の差動増幅器で構成されていて、両差動増幅器の回路構成は同様である。初段の差動増幅器の一方のトランジスタのベースに、トランスインピーダンスアンプの出力が導かれ、他方のベースには、標準電位が与えられる。トランスインピーダンスアンプの出力の大きさと、この標準電位とが初段差動増幅器において比較され、その結果が後段に伝えられる。差動トランジスタのそれぞれの負荷インピーダンスからは、回路の高速動作を効果的に実現するためにエミッタフォロワー回路を介して出力が取り出される。
【００２３】
本発明に係わるＭＩＭコンデンサは、回路上は主増幅器に供給される正負の電源（Ｖｃｃ、Ｖｅｅ）のバイパスコンデンサとして用いられる。主増幅器は前置増幅器たるトランスインピーダンスアンプに比較し、その消費電流が大きい。その様な大きな電流を消費する回路においては、特に高周波に対する回路全体の安定性を維持するために、電源回路のインピーダンスを低下させることが重要である。このため、電源部に大容量のコンデンサを用いる必要があるが、本発明に係わるＭＩＭコンデンサにより、コンデンサが特定の周波数に対してインダクタンス的に挙動することを抑制することが可能となり、回路全体の安定性を維持することができることとなる。なお、本回路においては、トランスインピーダンス部の電源については、主増幅器部の正電源と共通化している。この様な場合に主増幅器部で大きな電流のスイッチングが起きると、それが電源ラインを介して初段に帰還されることとなり、初段回路の動作不安定を招き易い。その様な場合に電源のバイパスが特に重要となる。
【００２４】
本ＩＣにおいては、信号増幅素子としてはＩｎＰ半導体を主材料とするヘテロバイポーラトランジスタが用いられ、４０ＧｂｐｓのＮＲＺ（Ｎｏｔ  Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）信号にも応答可能な構成となっている。本発明の効果は上記ＩｎＰ系のＨＢＴを増幅素子とするＩＣに限られるものではなく、ＧａＡｓ系のＨＢＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴを動作素子とするＩＣ、あるいは、ＳｉＧｅを材料とするバイポーラトランジスタを素子とするＩＣにも同様に適用可能である。さらには、複数の動作素子を含むＩＣに限らず、単体の増幅素子とコンデンサとをモノリシックに集積化したＭＭＩＣ等でも、同様な効果を発揮する。特に、伝播する信号の周波数帯が大きくなればなるほど、その波長が短くなり、半導体素子内部の実寸法に近付く場合には、特に有用である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明に係わるＭＩＭコンデンサの形状を用いることにより、集積回路の実際の寸法が信号周波数で規定されるλ／２長と同程度の長さになった場合であっても、共振周波数が一意に決定されることがなくなり、コンデンサに寄生インダクタンス成分が現れず、安定な回路動作が実現できることとなる。
【００２６】
なお、詳細な説明中ではモノリシック集積回路、およびこの集積回路中に形成されるＭＩＭコンデンサについて説明してきたが、本発明の効果はモノリシック回路に限定されるものではなく、ハイブリッド集積回路においても同様に適用可能である。すなわち、セラミック基板等の上に多層に形成される配線層を有するハイブリッドＩＣにおいて、配線層間にて形成する平板コンデンサの平面形状を、互いに対向する辺どおしを非平行に形成することにより、効果的に共振周波数を抑制することができる。ハイブリッドＩＣの様にそのコンデンサの一辺の長さが長い場合には、数ＧＨｚの比較的低週はの信号周波数帯から、共振周波数の抑制効果が発揮できることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は本発明に係わるＭＩＭコンデンサの平面形状を示す図であり、図１（ｂ）は、同コンデンサの断面の一例を示す図である。
【図２】本発明に係わるコンデンサの別の例を示す図である。
【図３】本発明に係わるコンデンサのさらに別の例を示す図である。
【図４】本発明に係わるＭＩＭコンデンサを実際の集積回路に応用した時の例を示す図である。
【図５】図４の集積回路の回路図を示す。
【符号の説明】
１…基板
１０…絶縁層
１１…第１の金属層
１２…絶縁層
１３…第２の金属層
１１１…第１の金属層の引き出し配線
１３１…第２の金属層の引き出し配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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