JP2014220727A - 高周波伝送線路 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波伝送線路において、位相定数βが大きく、かつ高いＱ値を得る。【解決手段】半導体基板１１上に平板状に形成された接地導体からなる下方グランド配線１２と、当該下方グランド配線１２の上方に形成された信号線１４とからなる線路構造を有する分布定数型の高周波伝送線路１０において、下方グランド配線１２上に立設された接地導体からなり、信号線１４と、下方グランド配線１２さらには側壁グランド配線１３との間の線路空間１５に向けて突出する複数の突起配線２０を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、高周波伝送線路に関し、特に半導体基板上に形成された接地導体からなる下方グランド配線と、当該下方グランド配線の上方に形成された信号線とからなる線路構造を有する分布定数型の高周波伝送線路に関する。

近年、ミリ波帯などの超高速無線通信技術では、ＣＭＯＳ技術の導入によりＲＦ回路で用いる受動素子を小型化するとともに、高周波線路を用いてこれら受動素子間を結ぶ伝送線路、あるいはこの伝送線路に接続されるスタブ線路について、線路の大きさおよび損失を削減することが研究されている。

図１１は、従来の高周波線路構造を示す説明図である。図１２は、従来の他の高周波線路構造を示す説明図である。
高周波線路５０は、高周波信号が流れる信号線５４の下方の半導体基板５１上に下方グランド（接地）配線５２を形成したコプレーナ線路構造を有し、信号線５４の両側方に、下方グランド配線５２から信号線５４とほぼ等しい高さ位置まで、下方グランド配線５２と同電位の側壁グランド配線５３を形成した、分布定数型の伝送線路である。

従来、高周波線路構造５０として、図１１に示すような、側壁グランド配線５３が櫛形構造５６を持つ構造や、図１２に示すような、下方グランド配線５２が信号進行方向Ｘと直交する方向Ｙにスリット５２Ａを有する構造が提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。

このような高周波線路５０では、側壁グランド配線５３を櫛形構造５６とすることによって、インダクタンスＬが僅かに低減するものの、容量値Ｃが大幅に増加し、結果として位相定数β＝ω√ＬＣが大きくなる。また、下方グランド配線をスロット状にし、信号線に対するリターン電流を小さくすることにより、信号線のインダクタンス値が増加し、位相定数βを大きい値とする。これにより、Ｑ＝β／（２α）（但し、αは減衰定数）で表されるＱ値が大きな伝送線路を実現することができる。

Ivan C. H. Lai and Minoru Fujishima，"High-Q Slow-Wave Transmission Line for Chip Area Reduction on Advanced CMOS Processes"，IEEE International Conference on Microelectronic Test Structures，pp. 192-195，Mar. 2007.

しかしながら、このような従来技術では、図１１の構造の場合、信号線とグランド配線との間に形成される容量に関して、側壁グランド配線との容量値のみを増やす構成を取っているため、通常の線路構造と比較して、容量値は僅かしか増加せず、位相定数βを増加させる効果は僅かとなるという問題があった。また、図１２の構造の場合、一般的には所望の特性インピーダンスの伝送線路を設計するために、信号線−側壁グランド配線間距離Ｓを変化させるが、Ｓが小さい（特性インピーダンスが小さい）線路の場合には、位相定数βを増加させる効果は僅かしか得られないという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、位相定数βが大きく、かつ高いＱ値が得られる高周波線路を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる高周波伝送線路は、半導体基板上に平板状に形成された接地導体からなる下方グランド配線と、当該下方グランド配線の上方に形成された信号線とからなる線路構造を有する分布定数型の高周波伝送線路であって、前記下方グランド配線上に立設された接地導体からなり、前記信号線と当該下方グランド配線との間の線路空間に突出する複数の突起配線を備えている。

また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記下方グランド配線が、前記信号線における信号進行方向と直交する方向に沿って形成された複数のスリットを有するものである。

また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記下方グランド配線上に形成された接地導体からなり、前記信号線の両脇に当該信号線に沿って壁状に延設された側壁グランド配線と、前記側壁グランド配線の側面に形成された接地導体からなり、前記信号線と当該側壁グランド配線との間の線路空間に突出する複数の突起配線とをさらに備えるものである。

また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記突起配線が、前記下方グランド配線に立設された柱部と、当該柱部の先端に設けられた矩形板状の板部とを有するものである。
また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記突起配線のうち、前記板部が長手方向の中央部で当該柱部に支えられているＴ字型突起配線からなるものである。

また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記突起配線のうち、前記板部が長手方向の一端部で当該柱部に支えられているＬ字型突起配線からなるものである。

また、上記高周波伝送線路の一構成例は、前記突起配線のうち、前記板部が２つの前記柱部の先端に架設されており、長手方向の両端部より内側で当該柱部に支えられているπ字型突起配線からなるものである。

本発明によれば、下方グランド配線と信号線との間の容量値を増加させることができ、位相定数βが大きく、かつＱ値の高い高周波線路を実現することができる。したがって、高周波伝送路の小型化や高性能化が可能となり、例えば、ミリ波帯などの超高速無線通信で用いるＲＦ回路の小型化を実現することができる。

第１の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。 棒状突起配線の構成例である。 第２の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。 伝送線路のＱ値を示す特性図である。 本実施の形態にかかる線路構造サイズ例を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（Ｔ型突起）を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（Ｌ型突起）を示す説明図である。 第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（π型突起）の構造を示す説明図である。 第１の実施の形態にかかる他の高周波伝送線路を示す説明図である。 従来の高周波伝送線路を示す説明図である。 従来の他の高周波伝送線路を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる高周波伝送線路１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。

本発明にかかる高周波伝送線路１０は、全体として、Ｓｉなどの半導体基板１１上に形成された接地導体からなる下方グランド配線１２と、この下方グランド配線１２の上方に形成された帯状の信号線１４とからなる線路構造を有する分布定数型の高周波伝送線路である。この高周波伝送線路１０は、高周波信号を伝送する伝送線路として広く用いることができ、例えば、ミリ波帯などの超高速無線通信技術において、ＣＭＯＳ技術の導入により小型化されたＲＦ回路で用いる受動素子を結ぶ伝送線路、あるいはこの伝送線路に接続されるスタブ構造のスローウェーブ線路として用いてもよい。

図１に示す高周波伝送線路１０は、前述した下方グランド配線１２および信号線１４に加えて、下方グランド配線１２上に形成された接地導体からなり、信号線１４の両脇（両側方）に信号線１４に沿って壁状に延設された側壁グランド配線１３を有している。これら下方グランド配線１２、側壁グランド配線１３、および信号線１４は、例えば一般的な線路構造の高周波伝送線路と同様に、半導体プロセス技術により金属層などの導体から形成される。また、下方グランド配線１２および側壁グランド配線１３は、半導体基板１１と同じ接地電位に接続されている。

本発明は、下方グランド配線１２上に立設された接地導体からなり、信号線１４と、下方グランド配線１２さらには側壁グランド配線１３との間の線路空間１５に向けて突出する複数の突起配線２０を設けたものである。これら突起配線２０は、後述するような各種の形状を有しており、下方グランド配線１２および側壁グランド配線１３と同様に、半導体基板１１と同じ接地電位に接続されている。

図１には、突起配線２０の例として、下方グランド配線１２上に剣山状に立設された、複数の棒状突起配線２２が示されている。
本実施の形態は、下方グランド配線１２と信号線１４との間の線路空間１５に向けて突出する棒状の棒状突起配線２２を、下方グランド配線１２のうち線路空間１５に露出している、信号線１４と対向する面に複数立設したものである。

これにより、下方グランド配線１２と信号線１４との間の容量値Ｃを増加させることができ、位相定数βが大きく、かつＱ値の高い高周波線路を実現することができる。したがって、高周波伝送路の小型化や高性能化が可能となり、例えば、ミリ波帯などの超高速無線通信で用いるＲＦ回路の小型化を実現することができる。

特に、Ｓｉ材料の半導体基板上にミリ波帯以上のＲＦ回路用の伝送線路を形成するような場合、Ｓｉ基板の導電性が高いため、高周波信号を伝送する際には信号線とＳｉ基板との結合による損失が大きくなる。
このような信号損失を避けるために、信号線の下方向にシールドグランドを設けた下方グランド配線付のコプレーナ線路が利用されることが多い。その際、「信号線の厚み」＜「信号線の幅」であることが多いため、本発明で提案した伝送線路構造を適用することによって容量値Ｃを大幅に増大させることができ、位相定数βが大きな高周波線路を形成することができる。

図２は、棒状突起配線の構成例である。
図１に示した棒状突起配線２２は、図２に示すように、下方グランド配線１２上に積層形成した配線層メタル２０Ａを、層間ビアメタル２０Ｂで電気的に接続した構成によって形成されている。本発明は、このような既存の一般的な半導体プロセス技術で製造することが可能である。

［第２の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる高周波伝送線路１０について説明する。図３は、第２の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。

第１の実施の形態との違いは、下方グランド配線１２が、信号線１４の信号進行方向Ｘと直交する方向、すなわち信号線１４の幅方向Ｙに形成された複数のスリット１２Ａを有するスロット形状を有しており、棒状突起配線２２がこのようなスロット形状を有する下方グランド配線１２に立設されている点である。

このような構造を用いることによって、下方グランド配線１２から信号線１４に対するリターンパス電流を低減させることができる。このため、信号線１４のインダクタンス値が上がって、位相定数βを大幅に増大させることができ、その結果、さらに高いＱ値を持つ伝送線路を実現することが可能となる。

図４は、伝送線路のＱ値を示す特性図である。図５は、本実施の形態にかかる線路構造サイズ例を示す説明図である。
ここでは、図３に示した本実施の形態にかかる伝送線路のＱ値、および前述した非特許文献１にかかるグランド側壁を櫛型構造にした伝送線路（図１１参照）のＱ値、同じく非特許文献１にかかる下方グランド配線をスリット状構造にした伝送線路（図１２参照）のＱ値について、３次元電磁界解析シミュレーションを用いて行った結果が示されている。図４より、本実施の形態にかかる構造によって従来技術よりも高いＱ値の伝送線路が実現されていることが分かる。

［第３の実施の形態］
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる高周波伝送線路１０について説明する。図６は、第３の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造を示す説明図である。

第１の実施の形態との違いは、側壁グランド配線１３の壁面に、複数の棒状突起配線２３が櫛状に立設されている点である。すなわち、本実施の形態は、第１の実施の形態にかかる棒状突起配線２２を下方グランド配線１２に複数立設するとともに、側壁グランド配線１３のうち、信号線１４と対向する側面に形成された接地導体からなり、信号線１４と側壁グランド配線１３との間の線路空間１５に突出する棒状の棒状突起配線２３を、複数立設したものである。この棒状突起配線２３は、前述した棒状突起配線２２と同様、半導体基板１１と同じ接地電位に接続されている。

これにより、下方グランド配線１２と信号線１４との間の容量値Ｃをさらに増加させることができ、位相定数βが大きく、かつＱ値の高い高周波線路を実現することができる。したがって、高周波伝送路の小型化や高性能化が可能となり、例えば、ミリ波帯などの超高速無線通信で用いるＲＦ回路の小型化を実現することができる。

また、本実施の形態では、平板形状の下方グランド配線１２に棒状突起配線２２を立設した構造を例として説明したが、第２の実施の形態を適用して、スロット形状の下方グランド配線１２に棒状突起配線２２を立設した構造を用いてもよい。

［第４の実施の形態］
次に、図７〜図９を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路１０について説明する。図７は、第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（Ｔ型突起）を示す説明図である。図８は、第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（Ｌ型突起）を示す説明図である。図９は、第４の実施の形態にかかる高周波伝送線路の構造（π型突起）の構造を示す説明図である。

第１の実施形態との違いは、下方グランド配線１２に立設する突起配線２０として、棒状突起配線２２に代えて、下方グランド配線１２に立設された柱部と、当該柱部の先端に設けられた矩形板状の板部とを有する形状の突起配線、具体的には、Ｔ字型突起配線２４、Ｌ字型突起配線２５、π字型突起配線２６のような形状の突起配線を用いている点である。

すなわち、図７は、突起配線２０として、下方グランド配線１２と信号線１４との間の線路空間１５に向けて突出するＴ字型突起配線２４を用いた構成例である。Ｔ字型突起配線２４は、下方グランド配線１２に立設された柱部２４Ａと、柱部２４Ａの先端に設けられた矩形板状の板部２４Ｂとを有している。板部２４Ｂは、信号線１４の信号進行方向Ｘと直交する方向、すなわち信号線１４の幅方向Ｙを長手方向とし、この長手方向の中央部で柱部２４Ａに支えられている。

図７の例では、下方グランド配線１２上のうち信号線１４の真下位置に、Ｔ字型突起配線２４を一列に並べて配置した例が示されているが、これに限定されるものではなく、信号線１４に沿ってＴ字型突起配線２４を複数列配置してもよく、千鳥状に配置してもよい。また、板部２４Ｂの載置方向も幅方向Ｙ以外の方向であってもよい。

また、図８は、突起配線２０として、下方グランド配線１２と信号線１４との間の線路空間１５に向けて突出するＬ字型突起配線２５を用いた構成例である。Ｌ字型突起配線２５は、下方グランド配線１２に立設された柱部２５Ａと、柱部２５Ａの先端に設けられた矩形板状の板部２５Ｂとを有している。板部２５Ｂは、信号線１４の幅方向Ｙを長手方向とし、この長手方向の一端部で柱部２５Ａに支えられている。

図８の例では、下方グランド配線１２上に、Ｌ字型突起配線２５を２列に並べて配置した例が示されているが、これに限定されるものではなく、Ｌ字型突起配線２５を１列または３列以上に配置してもよく、千鳥状に配置してもよい。また、板部２５Ｂの載置方向も方向Ｙ以外の方向であってもよい。

また、図９は、突起配線２０として、下方グランド配線１２と信号線１４との間の線路空間１５に向けて突出するπ字型突起配線２６を用いた構成例である。π字型突起配線２６は、下方グランド配線１２に立設された対をなす２つの柱部２６Ａと、これら２つの柱部２６Ａの頭部に架設された矩形板状の板部２６Ｂとから構成されている。２つの柱部２６Ａは、信号線１４の幅方向Ｙに沿って離間して立設されている。板部２６Ｂは、幅方向Ｙを長手方向とする矩形形状をなしており、これら柱部２６Ａの先端をわたるように架設されている。この際、板部２６Ｂは長手方向の両端部より中央部側で、柱部２６Ａに支えられている。

図９の例では、下方グランド配線１２上に、π字型突起配線２６を一列に並べて配置した例が示されているが、これに限定されるものではなく、π字型突起配線２６を複数列配置してもよく、千鳥状に配置してもよい。また、２つの柱部２６Ａの立設方向や板部２６Ｂの載置方向も幅方向Ｙ以外の方向であってもよい。

このように、下方グランド配線１２に固定されている根本部と比較して、信号線１４に近い先端部ほど広がりを有する形状とすることにより、同程度の容量値を形成するために必要となる配線量を削減することができる。このため、信号線１４を流れる交流信号により形成される磁力線が通る領域のループ面積を増やすことができ、インダクタンス値を大きくすることが可能となる。結果として、さらに高いＱ値の伝送線路を実現することが可能となる。

特に、Ｔ字型突起配線２４を用いた線路構造によれば、Ｌ字型突起配線２５やπ字型突起配線２６と比較して、柱部が少なくて済むため、ループ面積を大幅に大きくすることができ、これによりインダクタンス値を大幅に増やすことができる。また、Ｌ字型突起配線２５を用いた線路構造によれば、上記磁力線の密度が高い信号線１４直下においてループ面積を増やすことができ、効率よくインダクタンス値を増大させることができる。また、π字型突起配線２６を用いた線路構造によれば、板部２６Ｂが２本の柱部２６Ａで支えらているため、製造プロセスにおいて壊れにくいという効果がある。

また、本実施の形態では、平板形状の下方グランド配線１２に、それぞれの突起配線２４，２５，２６を立設した構造を例として示したが、第２の実施の形態を適用して、スロット形状の下方グランド配線１２に棒状突起配線２２を立設した構造を用いてもよい。また、第２の実施の形態を適用して、側壁グランド配線１３に、複数の棒状突起配線２３を櫛状に立設した構造を用いてもよい。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

また、各実施の形態では、信号線１４の両脇に側壁グランド配線１３を設けた場合を例として説明したが、これに限定されるものではない。
図１０は、第１の実施の形態にかかる他の高周波伝送線路を示す説明図である。例えば、図１０に示すように、側壁グランド配線１３を設けずに、下方グランド配線１２と信号線１４との間の線路空間１５に向けて突出する突起配線２０を、下方グランド配線１２のうち信号線１４と対向する面に複数立設する構造としてもよい。

これにより、前述と同様に、下方グランド配線１２と信号線１４との間の容量値Ｃをさらに増加させることができ、位相定数βが大きく、かつＱ値の高い高周波線路を実現することができる。また、この構造は、第２および第４の実施の形態にも適用可能である。
なお、側壁グランド配線１３を設けた線路構造によれば、隣り合う信号線との結合を抑制することができるだけでなく、信号線１４から上方向に放射される電気力線を低減することができ、信号損失を低減することができる。

また、第４の実施の形態では、突起配線２０の例として、Ｔ字型突起配線２４、Ｌ字型突起配線２５、およびπ字型突起配線２６について説明したが、これに限定されるものではない。前述したように、これら突起配線２４，２５，２６の特徴は、下方グランド配線１２に固定されている根本部と比較して、信号線１４に近い先端部ほど広がりを有する形状とする点にある。すなわち、突起配線２０として、柱部２４Ａ，２５Ａ，２６Ａに相当する幹部と、板部２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂに相当して幹部から延びる枝部とを有している突起配線を用いる点にある。したがって、突起配線２４，２５，２６の板部２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂの形状については、板状に代えて棒状であってもよく、延びる方向は、信号線１４の幅方向Ｙ以外、さらには下方グランド配線１２と平行する方向以外の方向であってもよい。

１０…高周波伝送線路、１１…信号線、１２…下方グランド配線、１３…側壁グランド配線、１４…半導体基板、１５…線路空間、２０…突起配線、２０Ａ…配線層メタル、２０Ｂ…層間ビアメタル、２２…棒状突起配線、２３…棒状突起配線、２４…Ｔ字型突起配線、２５…Ｌ字型突起配線、２６…π字型突起配線、２４Ａ，２５Ａ，２６Ａ…柱部、２４Ｂ，２５Ｂ，２６Ｂ…板部。

Claims (7)

1. 半導体基板上に平板状に形成された接地導体からなる下方グランド配線と、当該下方グランド配線の上方に形成された信号線とからなる線路構造を有する分布定数型の高周波伝送線路であって、
   前記下方グランド配線上に立設された接地導体からなり、前記信号線と当該下方グランド配線との間の線路空間に突出する複数の突起配線を備えることを特徴とする高周波伝送線路。
2. 請求項１に記載の高周波伝送線路において、
   前記下方グランド配線は、前記信号線における信号進行方向と直交する方向に沿って形成された複数のスリットを有することを特徴とする高周波伝送線路。
3. 請求項１または請求項２に記載の高周波伝送線路において、
   前記下方グランド配線上に形成された接地導体からなり、前記信号線の両脇に当該信号線に沿って壁状に延設された側壁グランド配線と、
   前記側壁グランド配線の側面に形成された接地導体からなり、前記信号線と当該側壁グランド配線との間の線路空間に突出する複数の突起配線と
   をさらに備えることを特徴とする高周波伝送線路。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の高周波伝送線路において、
   前記突起配線は、前記下方グランド配線に立設された柱部と、当該柱部の先端に設けられた矩形板状の板部とを有することを特徴とする高周波伝送線路。
5. 請求項４に記載の高周波伝送線路において、
   前記突起配線は、前記板部が長手方向の中央部で当該柱部に支えられているＴ字型突起配線からなることを特徴とする高周波伝送線路。
6. 請求項４に記載の高周波伝送線路において、
   前記突起配線は、前記板部が長手方向の一端部で当該柱部に支えられているＬ字型突起配線からなることを特徴とする高周波伝送線路。
7. 請求項４に記載の高周波伝送線路において、
   前記突起配線は、前記板部が２つの前記柱部の先端に架設されており、長手方向の両端部より内側で当該柱部に支えられているπ字型突起配線からなることを特徴とする高周波伝送線路。

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