(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に配置される半導体ダイを具備し、該ダイが前記基板と電気的接続するためのダイコンタクトを有する半導体構造において、前記ダイコンタクト及び前記基板の間に、ガイドされた波長の半分を有する作動周波数で作動するために調整された相互接続構造が設けられ、該相互接続構造は、前記ダイコンタクトに接続されると共に基板コンタクトまで延びるボンドワイヤと、該ボンドワイヤとは反対側の前記基板コンタクトに接続された整合要素とを具備し、前記ボンドワイヤは、所定のワイヤ長と、該ワイヤ長に関連するインピーダンス値を有し、前記整合要素は、電気長の合計が前記作動周波数で前記ガイドされた波長の半分に等しい高インピーダンス伝送線を具備し、
前記整合要素が、第１接続要素、曲折線及び第２接続要素を具備し、前記ボンドワイヤと組み合わせて前記高インピーダンス伝送線を形成するように調整されていることを特徴とする半導体構造。
【請求項２】
前記曲折線が、前記第１接続要素に相互接続された伝送線の第１平行長と、該第１平行長と平行な伝送線の第２平行長と、伝送線の前記第１及び第２平行長に直角に接続された離間要素とを具備することと特徴とする請求項１記載の半導体構造。
【請求項３】
前記離間要素が、伝送線の前記第１及び第２平行長のそれぞれに相互接続するために、各端に第１及び第２直角要素を有する所定長さの伝送線を具備することを特徴とする請求項２記載の半導体構造。
【請求項４】
前記離間要素の幅が、前記第１及び第２平行伝送線の幅と等しいことを特徴とする請求項３記載の半導体構造。
【請求項５】
少なくとも２本の前記曲折線が直列に接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体構造。
【請求項６】
補償されたボンドワイヤを含む半導体構造を製造する方法であって、補償されるべきボンドワイヤを識別する工程と、前記ボンドワイヤ用の予言モデルを得る工程と、作動周波数を識別する工程と、作動周波数でのガイドされた半波長の電気長を計算する工程と、前記ボンドワイヤの長さを識別する工程と、整合要素の電気長に到達するために前記ガイドされた半波長から前記ボンドワイヤの長さを差し引く工程と、前記差し引く工程の間に確立された前記整合要素の前記電気長に従って第１及び第２接続要素並びに曲折線を具備する前記整合要素の分配された回路モデルを確立する工程と、前記確立された整合要素の電気的振る舞いをシミュレートする工程と、前記ボンドワイヤと組み合わせて電気長が作動周波数のガイドされた半波長に等しい伝送線応答を達成するために、前記整合要素の長さを変更することにより前記整合要素の周波数応答を最大化する工程とを具備することを特徴とする半導体構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ダイ即ちモノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）チップと基板との間の相互接続構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線通信用半導体はラジオ周波数（ＲＦ）以上で作動する。無線通信の用途が拡大するにつれて、利用可能なスペクトラム内の多くの周波数帯の使用が望ましくなる。無線通信目的に対しては、ミリ波が利用可能であり望ましい。しかし、ミリ波スペクトラムは、ミリ波周波数におけるねじれの増大及び損失のために、ある種の技術的挑戦を要する。また、無線通信で広く使用されるラジオ周波数（ＲＦ）より高い周波数でのデバイス寄生に、より敏感である。従って、より低い周波数で許容される代表的な寄生は、ミリ波周波数では無視できず、寄生が生ずる用途に対し十分な性能をなお達成する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
高周波半導体を含む全ての無線通信システムのうち代表的寄生の一つに、ボンドワイヤの複合インピーダンス、初期インダクタンスがある。ボンドワイヤは、代表的には所定長さの金線又は金リボンであり、一端に半導体デバイス又はＭＭＩＣチップコンタクトを、他端に相互接続コンタクトを、超音波エネルギーを用いて接続する。相互接続コンタクトは、代表的には印刷回路基板上のチップとしての基板上の導電性パッドであり、その上に半導体ダイ又はＭＭＩＣチップが直接取り付けられる。この接続スタイルでは、従来からミリ波周波数で十分な誘導成分を有する所定長さのワイヤがある。従来、直列して個別のコンデンサが、共鳴条件にボンドワイヤのインダクタンスを調整(tune)するのに使用される。しかし、個別のコンデンサは大きいので、基板上で場所を取り、小型化の目的と相反する。更に、通常の個別コンデンサの公差及び固有寄生容量は、製造の観点からミリ波周波数での正確な調整を不適切にする。また、ある種の適当なコンデンサにおける製造ミスは、回路の総合的な歩留まりを低下させ、製造工程をコスト高にする。従って、ミリ波周波数での代表的なボンドワイヤ寄生容量を補償する、製造可能且つ小型の装置に対するニーズが依然としてある。
【０００４】
従って、本発明は、ミリ波周波数でのボンドワイヤ相互接続の周波数性能を改良することを目的とする。また、小型で簡単な補償デバイスを提供することを別の目的とする。更に、信頼性高く繰り返し低コストで製造できる補償デバイスを提供することを別の目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体構造は、基板上に配置される半導体ダイを具備し、該ダイが前記基板と電気的接続するためのダイコンタクトを有する半導体構造において、前記ダイコンタクト及び前記基板の間に、ガイドされた波長の半分を有する作動周波数で作動するために調整された相互接続構造が設けられ、該相互接続構造は、前記ダイコンタクトに接続されると共に基板コンタクトまで延びるボンドワイヤと、該ボンドワイヤとは反対側の前記基板コンタクトに接続された整合要素とを具備し、前記ボンドワイヤは、所定のワイヤ長と、該ワイヤ長に関連するインピーダンス値を有し、前記整合要素は、電気長の合計が前記作動周波数で前記ガイドされた波長の半分に略等しい高インピーダンス伝送線を具備することを特徴とする。
【０００６】
また、本発明の半導体構造の製造方法は、補償されたボンドワイヤを含む半導体構造を製造する方法であって、補償されるべきボンドワイヤを識別する工程と、前記ボンドワイヤ用の予言モデルを得る工程と、作動周波数を識別する工程と、作動周波数でのガイドされた半波長の電気長を計算する工程と、前記ボンドワイヤの長さを識別する工程と、整合要素の電気長に到達するために前記ガイドされた半波長から前記ボンドワイヤの長さを差し引く工程と、前記差引き工程の間に確立された前記整合要素の前記電気長に従って第１及び第２接続要素並びに曲折線を具備する前記整合要素の分配された回路モデルを確立する工程と、前記確立された整合要素の電気的振る舞いをシミュレートする工程と、前記ボンドワイヤと組み合わせて電気長が作動周波数のガイドされた半波長に略等しい伝送線応答を達成するために、前記整合要素の長さを変更することにより前記整合要素の周波数応答を最大化する工程とを具備することを特徴とする。
【０００７】
基板に取り付けるための半導体ダイ又はＭＭＩＣチップは、電気的接続のためのダイコンタクトと、作動周波数で作動するために調整された相互接続部を有する。相互接続部は、ダイコンタクトに接続されたボンドワイヤであり、基板コンタクトに延びる。ボンドワイヤは、所定のワイヤ長とそれに関連するインピーダンス値を有する。相互接続部は、ボンドワイヤの反対側に基板コンタクトに接続される整合（マッチング）要素を更に有する。この整合要素は、第１接続要素、曲折線及び第２接続要素を有する。整合要素は、ボンドワイヤと組合せて高インピーダンス伝送線を形成するように調整され、その長さは作動周波数のガイドされた波長の半分に略等しい。
【０００８】
補償されたボンドワイヤの製造方法は、補償されるべきボンドワイヤを識別する工程と、そのための予言モデルを得る工程とを具備する。本方法は、作動周波数を識別する工程と、作動周波数でのガイドされた半波長の電気長を計算する工程とを更に具備する。ボンドワイヤのある長さが識別され、整合要素の電気長に到達するガイドされた半波長の長さから差し引かれる。本方法は整合要素のモデルに適合し、その整合要素は第１及び第２接続要素及び整合要素の計算された電気長までの曲折線を具備する。次に、本方法は、適合された整合要素の電気的振る舞いをシミュレートし、次に曲折線の長さを変化させることにより整合要素の共鳴周波数を最大化する。この最大化は、ボンドワイヤと組み合わせ、作動周波数のガイドされた半波長と略等しい電気長を達成する。
【０００９】
本発明の開示に従った実施形態の特徴は、曲折線がボンドワイヤのインピーダンスを補償するために使用され、ボンドワイヤ及び接続要素と組み合せた際に、作動周波数のガイドされた半波長と等しい全電気長を達成することである。
【００１０】
本発明の開示に従った実施形態の特徴は、従来の印刷された伝送線技術を用いて、調整要素が容易に且つ反復可能に製造されることである。
【００１１】
本発明の開示に従った実施形態の利点は、ワイヤボンディングがミリ波周波数での相互接続に使用可能であることである。
【００１２】
本発明の開示に従った実施形態の利点は、調整されたボンドワイヤは、信頼性高く製造できる点である。
【００１３】
本発明の開示に従った実施形態の利点は、調整されたボンドワイヤは、小さいものであり、予言されたモデリングに従って作用することである。
【００１４】
本発明の開示に従った実施形態の更なる利点は、補償されたボンドワイヤは、低コストで製造できることである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、半導体ダイ即ちＭＭＩＣチップのコンタクトパッド及び基板のコンタクトパッド間を電気的に相互接続するボンドワイヤの簡略化された側面図である。図２は、ボンドワイヤ及び関連する寄生の総括等価要素を示す回路図である。図３は、同一のボンドワイヤの総括等価要素と比較してボンドワイヤの全波長をシミュレートするために、挿入損失（Ｓ12）及び反射係数（Ｓ11）での比較を示すグラフである。図４は、ボンドワイヤが整合要素に接続された状態の本発明の実施形態を示す概略図であり、破線は基準面を示す。図５は、作動周波数の機能としての本発明の整合要素の実施形態の挿入損失及び反射係数での比較を示すグラフである。図６は、シミュレータモデル内で使用されるボンドワイヤ及び整合要素の総括等価要素の代表概略図である。図７は、周波数の機能として３本の異なる補償されたボンドワイヤと比較した、補償されていないボンドワイヤの反射係数を示すグラフである。図８は、周波数の機能として３本の異なる補償されたボンドワイヤと比較した、補償されていないボンドワイヤの挿入損失を示すグラフである。図９は、シミュレートされた結果と比較して本発明の異なる長さを有する補償された３本のボンドワイヤの測定された反射係数を示すグラフである。図１０は、シミュレートされた結果と比較して本発明の異なる長さを有する補償された３本のボンドワイヤの測定された挿入損失を示すグラフである。図１１は、製造され補償されたボンドワイヤ構造を示す図である。
【００１６】
特に図１を参照すると、代表的なボンドワイヤ即ちボンドリボン１が、ダイ３及び基板５間に取り付けられるように側面図で示されている。本開示の目的のために、「ボンドワイヤ」の用語は、２個の電気点間の補償されていないいかなる相互接続部に言及するのに使用される。ボンドワイヤ１の端部は、代表的には、従来のボンドワイヤ取付け技術を用いて、ダイ即ちＭＭＩＣのコンタクト６及び基板のコンタクト７に取り付けられる。ボンドワイヤ１用の補償構造設計は、ボンドワイヤの総括等価要素モデルを確立することから始まる。この確立は、既に確立されたモデルを用いて、又は関心対象のボンドワイヤの材質及び配置に基づいてアンソフト(ANSOFT)社のソフトウェアプログラム「マックスウェル(Maxwell)」等のソフトウェアプログラムを用いて、多くの方法でなすことができる。
【００１７】
図２は、高周波数でのボンドワイヤの総括等価要素モデルを示す。ここで、ボンドワイヤは、抵抗（ＲS）と直列のインダクタ（Ｌ）としてモデル化される。このモデルに含まれる他の代表的な寄生は、ボンドワイヤ各端及び基準電位１５間の２個の並列した抵抗−コンデンサ回路（Ｒp1及びＣp1、Ｒp2及びＣp2）である。一例として、代表的なボンドワイヤの長さは略470μmである。図２を参照しボンドワイヤの例に対して、作動周波数をｆとした場合の総括要素の値は、
【表１】
0004388198.tif 000002
となる。インダクタＬと並列のコンデンサの値をＣ、ボンドワイヤのインピーダンスを零に決定したが、これは完全性のために初期モデルの中に含まれていることに留意されたい。
【００１８】
図３は、周波数の機能としての全波シミュレーション結果と比較して総括等価要素回路モデル結果の検証を示すグラフである。このグラフによれば、総括等価要素モデルは、関心対象の周波数でのボンドワイヤの振る舞いを良好に指示している。図の説明書きにおいて、Ｍ及びＳは、抽出された総括モデル応答及び全波シミュレーション結果をそれぞれ表す。特定種類の相互接続部又はボンドワイヤが使用されることは、本発明には重要でないことに留意されたい。ボンドワイヤ、ボンドリボン又は他の同様の構造にとって信頼性が高く正確な総括等価要素回路が知られていることのみが重要である。作動周波数は、所望の用途の周波数又は周波数範囲に基づいて識別される。この作動周波数は、ボンドワイヤの電気的振る舞いが最も理想的になるように調整される周波数である。周波数範囲に関心がある場合、範囲の中心の周波数の値は、補償された相互接続部の設計工程の残余に対する作動周波数として使用される。総括モデル成分値を見出すために、作動周波数を含む広い周波数範囲にわたってばらばらであるボンドワイヤのパラメータが得られる。ばらばらのパラメータは、アンソフト社のコンピュータプログラム「マックスウェル」を使用して生成可能であり、ヒューレットパッカード社のソフトウェア「リブラ(Libra)」等のシミュレーションプログラムにデータの組として移入される。あるいは、ばらばらのパラメータは、ボンドワイヤ自体を直接測定することからも得られよう。ばらばらのパラメータを得た後、ボンドワイヤの単純な総括モデルは、ソフトウェア「リブラ」内に引かれ、成分の値は、ボンドワイヤの測定又はソフトウェア「マックスウェル」から得られたばらばらのパラメータとモデル応答とを比較することにより、ソフトウェア「リブラ」に組み込まれた最大化アルゴリズムを介して抽出される。
【００１９】
整合要素１３は、作動周波数でのモデル化されたボンドワイヤの総括要素等価回路を調整して選択される。整合要素への設計工程は、以下のようにある構造を創造しようと努める。即ち、整合要素の全長がボンドワイヤの長さと組み合わされると、全回路が伝送線応答を示し、その長さは作動周波数のガイドされた波長の半分である。古典的な伝送線理論からは、半波長伝送線はその入力インピーダンスをその出力インピーダンス（即ち50オーム）に変換することが公知である。従って、整合回路の分配された等価モデルは、ボンドワイヤの総括要素等価モデルと直列に配置されたものとして、ソフトウェア「リブラ」内に引かれる。本発明の整合要素６は第１接続要素８ａを具備し、第１接続要素は曲折線９の開端１６で直角に曲折線９に接続された伝送線のある長さを具備する。曲折線９は、第１直角要素１４ａにより離間要素１２に接続された伝送線の第１平行長１０を具備する。第１平行長１０は第１直角要素１４ａと連続し、第１直角要素１４ａは離間要素１２と連続する。伝送線の第２平行長１１は、第２直角要素１４ｂにより離間要素１２の反対側の端に接続される。
【００２０】
図４及び図６が示すように、離間要素１２は第２直角要素１４ｂに連続し、第２直角要素は第２平行長１１に連続する。第２接続要素８ｂは、整合要素を完結するために曲折線９の開端１６で第２平行長１１に接続される。上述の整合要素１３用の「リブラ」モデルは、第１接続要素８ａをモデル化した伝送線の直列回路と、直角相互接続部をモデル化した伝送Ｔ接続部と、第１平行長１０をモデル化した伝送線と、第１直角要素１４ａをモデル化した右曲げ部と、離間要素１１をモデル化した伝送線と、第２直角要素１４ｂをモデル化した左曲げ部と、第２平行長１１をモデル化した伝送線と、直角接続部をモデル化した伝送Ｔ接続部と、第２接続要素８ｂをモデル化した伝送線とを具備する。整合要素１３の構成部品を構成する伝送線の長さ及び幅は、整合要素１３の調整を最大化するために可変である。完全性のために、曲折線９の第１及び第２平行長１０，１１は結合された伝送線としてモデル化され、隙間は曲折線９の開端１６でモデル化される。可変長の相対的制限は、第１及び第２平行長１０，１１は長さが等しく、第１及び第２接続要素８ａ，８ｂは長さが等しいという仮定を含む。曲折線の設計のため、第１及び第２平行長は、応答を劣化させ得る要素間の結合を防止するように、互いから基板高さ以上の距離だけ離間すべきである。しかし、これを検証する最良の方法は、回路シミュレータを使用することである。というのは、結合は、間隔と同様に線の電気幅に依存するからである。本実施形態の場合、曲折線の平行部分は100μmだけ分離され、完全性のために、曲折線は、回路シミュレータ内の結合された線を使用することによりシミュレートされる。整合回路により要求される長行きを小さくするために、直線の代わりに曲折線が使用されることに留意されたい。
【００２１】
次に、ボンドワイヤの長さは、整合要素１３用の近似長さを確立するために、作動周波数のガイドされた半波長から差し引かれる。ボンドワイヤ１は高インピーダンス伝送線として作用する。というのは、その構造は狭く、空気中に吊り下げられているからである。従って、曲折線９は、特性インピーダンスが作動周波数で100オーム付近に選択された高インピーダンス伝送線から形成される。このようにして、曲折線は、ワイヤボンドの伝送線の観点から基準継続である。他の観点から、パラメータＬ，ＲS，Ｃp1，Ｃp2，Ｒp1，Ｒp2（図２及び図６参照）を有するボンドワイヤは、高インピーダンス伝送線の小さな部分として取り扱われる。整合要素１３のパラメータは、ボンドワイヤ及び整合要素１３の全長が作動周波数のガイドされた波長の略半分になるように調整される。従って、補償されたボンドワイヤシステム全体は、半波長インピーダンス変換器として作用する。直観的には、作動原則は、整合要素１３のあるパラメータを調整することにより、共鳴点を図５に示されるように作動周波数までずらすことである、と言うことができる。従って、整合要素１３は、次の可変パラメータを有する。即ち、第１及び第２接続要素８ａ，８ｂの長さ、第１及び第２接続要素８ａ，８ｂの幅、曲折線９の第１及び第２平行長の長さ、曲折線９の第１及び第２平行長の幅、及び離間要素１２の長さである。整合要素１３とボンドワイヤの全長が作動周波数のガイドされた半波長と等しいという制限と同様に相対的な制限を使用することにより、個別のパラメータは、ボンドワイヤモデルにより予言されたようにボンドワイヤの主に誘導性インピーダンスを補償する、主として容量性であるインピーダンス値に到達するように変更される。これらパラメータは、最大化アルゴリズムを使用することにより、又は挿入損失が作動周波数において最小になるまで作動周波数で手動により変更される。可変パラメータが比較的少ないので、当業者は回路シミュレータ内で要素を手動で調整することにより、解決法を見出すことができる。厳密に言えば、１組以上の可能なパラメータがあるだろう。
【００２２】
図６を特に参照すると、本発明の補償されたボンドワイヤのモデルが図示されている。図７及び図８は、周波数の機能として補償されたボンドワイヤに比較して、補償されていないボンドワイヤの反射係数及び挿入損失の比較を示す。シミュレートされたデータは、作動周波数において本発明の補償されたボンドワイヤで重要な改良されたインピーダンス整合があることを示す。完全性のために、図９及び図１０は、３本の異なるボンドワイヤ用に測定される反射係数及び挿入損失を示し、シミュレートされたデータと強い相関があり、設計手法の強い反復可能性があることを示す。0.24nHのインダクタンスは、上述した形状に対して約0.47mmのボンドワイヤ長に対応することに留意されたい。測定データ及びシミュレートされたデータとの間の若干の不整合は、ボンドワイヤの見積り長さの多少、及び整合要素側のボンドワイヤ接続部の位置が不完全であることによるのであろう。
【００２３】
図１１は、測定されたボンドワイヤ及び補償回路を示す。この図に示されたボンドワイヤは、マイクロストリップ回路の１個のパッドから同一平面の他のパッドまでのボンドワイヤであることに留意されたい。上述の通り、本方法は、総括モデルが利用可能又は見出される限り、いかなる種類のボンドワイヤにも適用可能である。
【００２４】
【発明の効果】
本発明の半導体構造によれば、曲折線がボンドワイヤのインピーダンスを補償するために使用されるので、ボンドワイヤ及び接続要素と組み合せた際に、作動周波数のガイドされた半波長と等しい全電気長を達成する利点がある。
【００２５】
本発明の半導体構造の製造方法によれば、従来の印刷された伝送線技術を用いて、調整要素が容易に且つ反復可能に製造される利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体ダイ即ちＭＭＩＣチップのコンタクトパッド及び基板のコンタクトパッド間を電気的に相互接続するボンドワイヤの簡略化された側面図である。
【図２】ボンドワイヤ及び関連する寄生の総括等価要素を示す回路図である。
【図３】同一のボンドワイヤの総括等価要素と比較してボンドワイヤの全波長をシミュレートするために、挿入損失（Ｓ12）及び反射係数（Ｓ11）での比較を示すグラフである。
【図４】ボンドワイヤが整合要素に接続された状態の本発明の実施形態を示す概略図であり、破線は基準面を示す。
【図５】作動周波数の機能としての本発明の整合要素の実施形態の挿入損失及び反射係数での比較を示すグラフである。
【図６】シミュレータモデル内で使用されるボンドワイヤ及び整合要素の総括等価要素の代表概略図である。
【図７】周波数の機能として３本の異なる補償されたボンドワイヤと比較した、補償されていないボンドワイヤの反射係数を示すグラフである。
【図８】周波数の機能として３本の異なる補償されたボンドワイヤと比較した、補償されていないボンドワイヤの挿入損失を示すグラフである。
【図９】シミュレートされた結果と比較して本発明の異なる長さを有する補償された３本のボンドワイヤの測定された反射係数を示すグラフである。
【図１０】シミュレートされた結果と比較して本発明の異なる長さを有する補償された３本のボンドワイヤの測定された挿入損失を示すグラフである。
【図１１】製造され補償されたボンドワイヤ構造を示す図である。
【符号の説明】
１      ボンドワイヤ
３      半導体ダイ
５      基板
６      ダイコンタクト
７      基板コンタクト
８ａ    第１接続要素
８ｂ    第２接続要素
９      曲折線
１０    第１平行長
１１    第２平行長
１２    離間要素
１３    整合要素
１４ａ  第１直角要素
１４ｂ  第２直角要素
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004388198.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004388198.tif 000009
【図８】
0004388198.tif 000010
【図９】
0004388198.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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