CN101752350A - 多层互补式金属传输线结构 - Google Patents
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Abstract
本发明是揭露一种多层互补式金属传输线结构，其包含：一基板；以及n条信号传输线，其n条信号传输线之间是分别与n-1层网目金属层上下平行且交错排列，此n条信号传输线与此n-1层网目金属层间是具有多层介电层以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构于此基板之上，其中n≥2且n为自然数。由此，形成多层各自独立且具有完整遮蔽效果的互补式金属传输线，提供更多电路设计弹性及减少电路设计空间，并且更降低信号传输的损耗。
Description
技术领域
本发明是有关于信号传输线的结构，特别是有关于多层互补式金属传输线结构。
背景技术
在系统芯片(system-on-chip；SOC)集成化的过程中，以传输线(transmission line；以下简称TL)为主的混合设计是否能成功，是取决于能否有效(highly efficient)实现最小化(miniaturization)。而许多符合最小化电路需求的设计技术与电路的实现亦已公开发表及展示，其等无论是使用电容性负载(M.C.Scardelletti，G.E.Ponchak，and T.M.Weller，“Miniaturized Wilkinson power dividers utilizingcapacitive loading，”IEEE Microwave Wireless Compon.Lett.，vol.12，no.1，pp.6-8，Jan.2002.)或是使用电感性负载(K.Hettak，G.A.Morin，and M.G.Stubbs，“Compact MMIC CPW and asymmetric CPSbranch-line coupler and Wilkinson dividers using shunt and seriesstub loading，”IEEE Trans.Microwave Theory and Tech.，vol.53，no.5，pp.1624-1635，May 2005.)，在混合器、耦合器以及功率分配器设计中所能减少的实体TL长度是可达60％。
另一方面，已完整发表所谓的3-D MMIC技术(K.Nishikawa，T.Tokumitsu，and I.Toyoda，“Miniaturized Wilkinson power dividerusing three-dimensional MMIC technology，”IEEE Microwave GuidedWave Lett.，vol.6，no.10，pp.372-374，Oct.1996.；C.Y.Ng，M.Chongcheawchamnan，I.D.Robertson，“Lumped-distributed hybrids in3D-MMIC technology，”IEEE Proc.-Microwave.Antennas and Propag.，vol.151，no.4，pp.370-374，Aug.2004.；I.Toyoda，T.Tokumitsu，and M.Ailawa，“Highly integrated three-dimensional MMICsingle-chip receiver and transmitter，”IEEE Trans.Microwave TheoryTech.，vol.44，no.12，pp.2340-2346，Dec.1996.)亦展示使用砷化镓(GaAs)技术实现多层TL的基础性突破。在3-D MMIC设计中，上层与下层的传输线是由具有狭缝(slit)的中间金属层隔开遮蔽，而狭缝的大小是可用来控制两传输线的耦合与特性阻抗。诸如此类的技术已被广泛地应用在功率分配器、混合器以及高密度整合收发器的3-D最小化设计。
近来，多层设计技术亦被应用于微波及毫米波(microwave/millimeter-wave)互补式金属氧化半导体分离式被动元件(CMOS distributed passive component)的设计(M.Chirala，and C.Nguyen，“Multilayer Design Techniques for Extremely MiniaturizedCMOS Microwave and Millimeter-Wave Distributed Passive Circuit，”IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，vol.54，no.12，pp.4218-4224，Dec.2006)，此设计是结合多层微带线(microstrip lines)的技术，并以互补式金属氧化半导体结构底层的整层金属层为其参考接地层，其信号传输线是以蜿蜒型式(meandered-form)排列且上下层微带线之间并无额外的遮蔽金属隔开，因此上下层微带线之间并无法提供有效的信号遮蔽功能。
有鉴于上述的缺点，本发明是提供一种多层互补式金属传输线结构，可改进已知电路面积过大的缺点、解决已知信号传输线信号遮蔽的问题，并且同时降低信号传输损耗。
发明内容
本发明的目的之一，是利用网目金属层(mesh ground plane)槽孔(slot)的大小控制互补式金属传输线的特性阻抗(characteristicimpedance)，由此增加电路设计的弹性与变化。
本发明的目的之一，是利用网目金属层隔开互补式金属传输线，由此提供完整的信号遮蔽(shield)与接地功能。
本发明的目的之一，是利用多层互补式金属氧化半导体结构并配合网目金属层的结构以形成多层互补式金属传输线具有各自独立且完整遮蔽效果的特性，由此提供更多电路设计弹性以及减少电路设计空间(miniaturization)，并且降低信号传输损耗。
本发明揭露一种多层互补式金属传输线结构，其包含：一基板；以及n条信号传输线，其等之间是分别与n-1层网目金属层上下平行且交错排列，其中，此n条信号传输线与此n-1层网目金属层之间是具有多层介电层以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构于此基板之上，其中n≥2且n为自然数。
本发明另揭露一种多层互补式金属传输线结构，包含：一第一信号传输线；一第二信号传输线，与此第一信号传输线上下平行排列；一网目金属层，是位于此第一信号传输线以及此第二信号传输线间，其中此网目金属层与此第一信号传输线以及此第二信号传输线间具有两介电层以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构；以及一基板，是位于此堆叠结构之下。
本发明又揭露一种多层互补式金属传输线结构，包含：一基板；一信号传输线，位于此基板上方；以及一网目金属层，位于此基板与此信号传输线之间，其中此网目金属层与此基板与此信号传输线之间是由两介电层分别对应叠接。
本发明再揭露一种多层互补式金属传输线结构，包含：一基板；一信号传输线，位于此基板之上；以及一网目金属层，是位于此信号传输线上方，其中此网目金属层与此信号传输线之间及此网目金属层之上是具有两介电层分别对应叠接。
附图说明
本发明将详细描述一些实施例如下。然而，除了所揭露的实施例外，本发明亦可以广泛地运用在其它之实施例施行。本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以权利要求范围为准。而为提供更清楚的描述及使熟悉该项技术者能理解本发明的发明内容，图标内各部分并没有依照其相对的尺寸而绘图，某些尺寸与其它相关尺度的比例会被突显而显得夸张，且不相关的细节部分亦未完全绘出，以求附图的简洁，其中：
图1是本发明的一较佳实施例的立体结构透视图；
图2是本发明的一较佳信号传输线实施例的剖面结构示意图；
图3A是本发明的较佳实施例的应用电路布局示意图；
图3B是本发明的另一较佳实施例的立体结构透视图；
图3C是本发明的又一较佳实施例的立体结构透视图；
图4A是本发明的一较佳实施例的多个特性阻抗(complexcharacteristic impedance)与频率的曲线关系图；以及
图4B是本发明的一较佳实施例的慢波系数以及品质系数与频率的曲线关系图。
具体实施方式
请参照图1，其为本发明的一较佳实施例100的立体结构透视图。本实施例100是包含：一基板110(substrate)，是具有一单元尺寸P(或称为周期)的大小；n条信号传输线TL1、L2、…、TLn，其等之间是分别与n-1层网目金属层MG1、G2、…、MGn-1(未绘出)(mesh ground plane)上下平行且交错排列(亦即信号传输线TL1与TL2之间具有网目金属层MG1；信号传输线TL2与TL3(未绘出)之间具有网目金属层MG2；…；信号传输线TLn-1(未绘出)与TLn之间具有网目金属层MGn-1)，其中n条信号传输线TL1、TL2、…、TLn与n-1层网目金属层MG1、MG2、…、MGn-1之间是具有多层介电层IMD(inter-media-dielectric；IMD)以分别对应叠接，例如：信号传输线TL1与网目金属层MG1之间具有一介电层IMD对应叠接，网目金属层MG1与信号传输线TL2之间具有一介电层IMD对应叠接，…，以及网目金属层MGn-1与信号传输线TLn之间具有一介电层IMD对应叠接，以形成一堆叠结构于基板110之上，其中n≥2且n为自然数。而n条信号传输线TL1、TL2、…、TLn是包含直线形状，S1、S2、…、Sn是分别表示相对n条信号传输线TL1、TL2、…、TLn的线宽。
在本实施例中，n-1层网目金属层MG1、MG2、…、MGn-1是一金属层分别具有一中间篓空区域(或称槽孔(slot))，故称其等为网目金属层，且此中间篓空区域的大小是由一网目尺寸Wh所决定。在本实施例中，n条信号传输线TL1、TL2、…、TLn是各自独立且具有完整遮蔽效果，由此提供更多电路设计弹性及最小化电路设计，并更降低信号传输的损耗。此外，本实施例中所谓的上下平行是以空间平面为概念，因此并未限制n条信号传输线TL1、TL2、…、TLn必须是同方向排列，其等亦可包含方向相差90度的上下平行排列。而发明人在此要说明的是，在本实施例中，基板110、网目金属层MG1、MG2、…、MGn-1以及介电层IMD等是正方形的几何形状，但其等几何形状的变化并不受于本实施例的限制，其等亦可包含其它多边形的几何形状。
请参照图2，其为本发明的一较佳信号传输线实施例的剖面结构示意图。一信号传输线TL是包含两子信号传输线210与220以及多个金属连接孔via，其中两子信号传输线210与220在互补式金属氧化半导体(CMOS)结构中是表不同层的金属传输线，其等之间是由多个金属连接孔via相连接以形成信号传输线TL，由此可增加互补式金属氧化半导体结构中信号传输线的厚度。而标号MG与IMD是分别表网目金属层与介电层。本实施例是可应用于图1所示实施例的信号传输线TL2、…、TLn，进而改变信号传输线的特性。
请参照图3A，其为本发明多个较佳实施例之应用电路300的电路布局示意图。在本应用电路300中，是以多层互补式金属传输线结构350、360、370、380以及390等进行Ka频带(Ka-band)功率分配器(power divider)的电路设计。多个端点A、B、C、D、E是分别表应用电路300的接点1(port1，端点A)、接点2(port 2，端点B)、接点3(port 3，端点C)以及端点D与端点E连接电阻(或者是接点1(port 1，端点A)、接点2(port 2，端点D)、接点3(port 3，端点E)以及端点B与端点C连接电阻)，以下将就实施例350的结构先加以说明。本实施例350(请参照图3B)是图1所示的实施例100在n＝2时的结构。一第一信号传输线TL1(M6)，具有线宽S1。一第二信号传输线TL2，具有线宽S2并与第一信号传输线TL1上下平行排列。一网目金属层MG(M4)，是位于第一信号传输线TL1(M6)与第二信号传输线TL2之间，其中网目金属层MG(M4)与第一信号传输线TL1(M6)以及与第二信号传输线TL2之间是具有两介电层IMD以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构。一基板310，是具有一单元尺寸P的大小且位于此堆叠结构之下。
其中，第二信号传输线TL2是包含两子信号传输线M1、M2及多个金属连接孔via12(如图2所示的传输线结构)。在互补式金属氧化半导体(CMOS)结构中，两子信号传输线M1、M2在本实施例中是分表第1层与第2层的金属传输线，其等是由多个金属连接孔via12相连接以形成第二信号传输线TL2，由此增加互补式金属氧化半导体结构中信号传输线的厚度；而网目金属层MG(M4)在本实施例中是表第4层的金属层，其中间篓空区域的大小是由网目尺寸Wh所决定；而第一信号传输线TL1(M6)在本实施例中是表第6层的金属传输线，据此，实施例350是以1P6M的互补式金属氧化半导体结构呈现。
请再参照图3A，实施例360、370分别具有与实施例350相同的结构，其等的不同处在于实施例350的第一、第二信号传输线TL1、TL2是直线形状，而实施例360的TL1、TL2为L型形状，实施例370的TL1为直线形状、TL2为L型形状。同理，信号传输线亦可以是TL1为L型形状、TL2为直线形状，并请参照应用电路300的电路接点B、C、D、E，信号传输线TL1、TL2亦可以是T型形状。
请再参照图3A，实施例380、390是分别与实施例350具有相似的结构，实施例380与350的不同处在于实施例350是具有第一、第二信号传输线TL1、TL2且其等为直线形状，而实施例380仅具有第一信号线TL1且其为L型形状(亦可为直线形状、T型形状)，其结构说明如下(以实施例350图标作说明)：一基板310，是具有一单元尺寸P的大小；一信号传输线TL1，是位于基板310上方；以及一网目金属层MG，是位于基板310及信号传输线TL1之间，其中网目金属层MG与基板310以及与信号传输线TL1之间是由两介电层IMD分别对应叠接。同理，本发明亦可以用下列的实施例结构实现(以实施例350图标作说明)：一基板310，具有一单元尺寸P的大小；一信号传输线TL2，位于基板310之上；以及一网目金属层MG，是位于信号传输线TL2上方，其中网目金属层MG与信号传输线TL2之间以及网目金属层MG的上具有两介电层IMD分别对应叠接，亦即，此实施例是仅具有实施例350的第二信号传输线TL2(可为直线形状、L型形状、T型形状)，其结构是与实施例350所示的第二信号传输线TL2结构相同，故不再赘述。而实施例390(请参照图3C)与350的最大不同处在于，实施例390是还包含一连通柱，此连通柱是上下连接第一、第二信号传输线TL1、TL2。其中，此连通柱是包含多个金属连接孔以及至少一金属层的结构，在本实施例中，连通柱至少包含连通柱金属层CP3、CP4、CP5以及多个金属连接孔via23、via34、vi a45、via56用以上下连接第一、第二信号传输线TL1、TL2。此外，第一信号传输线TL1为L型形状以及第二信号传输线TL2从中透过连通柱连接第一信号传输线等特征，均有别于实施例350的结构。以上所述的实施例特征均可应用于本发明的所有实施例，而非限定于本身的实施例。
发明人在此要强调的是，n条信号传输线(或当n＝2时，第一与第二信号传输线)是可依上述之结构设计成彼此独立的多层(或双层)的电路，更由于网目金属层提供完整接地效果，藉此减少不同层信号所可能产生的相互干扰以降低信号传输的损耗，并且提供更多电路设计弹性以及小化电路设计。
请参照图4A与图4B，其等是分别为本发明所述的实施例(在n＝2时，实施例350)的第一信号传输线与第二信号传输线的多个特性阻抗Zc(complex characteristic impedance)与频率的曲线关系图以及第一信号传输线与第二信号传输线的慢波系数SWF(slow-wave factor)及品质系数Q(quality-factor)与频率的曲线关系图。发明人在此强调的是，以下为测试所设定的数据以及测试所得的资料是仅用以说明本发明实施例的测试过程与结果，并非用以限定本发明实施例的实施。
以下为测试说明所设定的数据是包含：信号传输线TL1、TL2之宽度S1、S2是分别为3.0μm与2.0μm；信号传输线TL1、TL2的厚度(M6金属层、M1-M2金属层)是分别为2.0μm与1.95μm；M2金属层到M4金属层及M4金属层到M6金属层的介电层IMD的厚度均为2.25μm；介电常数为4.0；单元尺寸P(或称为周期)为30.0μm；网目尺寸Wh为26.0μm。并且，上述的测试说明是辅以商业化三维结构电磁场仿真软件(Ansoft HFSS)加以仿真，而仿真所得的资料是分别呈现在图4A、图4B。
在图4A中，第一信号传输线TL1与第二信号传输线TL2的特性阻抗Zc在Ka频带仿真测试中的实数部分是分别为70.8Ω(欧姆)与64.2Ω(欧姆)，而虚数部分几乎相同。在图4B中，第一信号传输线TL1与第二信号传输线TL2的慢波系数SWF在Ka频带仿真测试中分别为2.10与2.51，而其等的品质系数Q在Ka频带仿真测试中分别为7.8与3.6。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围；凡其它为脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在权利要求范围内。
Claims (24)
1.一种多层互补式金属传输线结构，其包含：
一基板；以及
n条信号传输线，其n条信号传输线之间分别与n-1层网目金属层上下平行且交错排列，其中该n条信号传输线与该n-1层网目金属层之间具有多层介电层以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构于该基板之上，其中n≥2且n为自然数。
2.如权利要求1所述的多层互补式金属传输线结构，其中该n条信号传输线包含两子信号传输线与多个金属连接孔，该两子信号传输线是互补式金属氧化半导体结构不同层的金属层。
3.如权利要求1所述的多层互补式金属传输线结构，其中该n条信号传输线包含直线形状。
4.如权利要求1所述的多层互补式金属传输线结构，其中该n条信号传输线包含L型形状。
5.如权利要求1所述的多层互补式金属传输线结构，其中该n条信号传输线包含T型形状。
6.如权利要求1所述的多层互补式金属传输线结构，其还包含一连通柱，该连通柱是上下连接该n条信号传输线。
7.一种多层互补式金属传输线结构，其包含：
一第一信号传输线；
一第二信号传输线，是与该第一信号传输线上下平行排列；
一网目金属层，位于该第一信号传输线以及该第二信号传输线之间，其中该网目金属层与该第一信号传输线以及该第二信号传输线之间具有两介电层以分别对应叠接，由此形成一堆叠结构；以及
一基板，位于该堆叠结构之下。
8.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第一信号传输线包含直线形状。
9.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第一信号传输线包含L型形状。
10.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第一信号传输线包含T型形状。
11.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第二信号传输线还包含两子信号传输线以及多个金属连接孔，该两子信号传输线是互补式金属氧化半导体结构中不同层之金属层。
12.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第二信号传输线包含直线形状。
13.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第二信号传输线包含L型形状。
14.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其中该第二信号传输线包含T型形状。
15.如权利要求7所述的多层互补式金属传输线结构，其还包含一连通柱，该连通柱是上下连接该第一信号传输线以及该第二信号传输线。
16.一种多层互补式金属传输线结构，其包含：
一基板；
一信号传输线，位于该基板上方；以及
一网目金属层，位于该基板及该信号传输线之间，其中该网目金属层与该基板及该信号传输线之间由两介电层分别对应叠接。
17.如权利要求16所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含直线形状。
18.如权利要求16所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含L型形状。
19.如权利要求16所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含T型形状。
20.一种多层互补式金属传输线结构，其包含：
一基板；
一信号传输线，位于该基板之上；以及
一网目金属层，位于该信号传输线上方，其中该网目金属层与该信号传输线间及该网目金属层之上具有两介电层分别对应叠接。
21.如权利要求20所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含两子信号传输线及多个金属连接孔，该两子信号传输线是互补式金属氧化半导体结构不同层的金属层。
22.如权利要求20所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含直线形状。
23.如权利要求20所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含L型形状。
24.如权利要求20所述的多层互补式金属传输线结构，其中该信号传输线包含T型形状。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2008
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