JP3839677B2

JP3839677B2 - 層間接続ビア構造

Info

Publication number: JP3839677B2
Application number: JP2001070058A
Authority: JP
Inventors: 直志美濃谷; 忠夫永妻; 仁石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-03-13
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2006-11-01
Anticipated expiration: 2021-03-13
Also published as: JP2002271024A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は多層配線の接続法において基板直上の信号発生器または受信器を含む能動素子の電極と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路を接続する場合、あるいは、厚い絶縁膜に隔てられたコプレーナ伝送線路同士を接続する場合に用いる層間接続ビアの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コプレーナ伝送線路は平面的な構造をしているダイオード、トランジスタ等の信号発生器または受信器と接続が容易であるという利点がある。しかし、ミリ波帯（３０〜３００ＧＨｚ）ＭＭＩＣの配線に応用する場合では基板直上にコプレーナ伝送線路を製作すると基板の影響により電子デバイスから発生する信号が著しく減衰するため、基板からコプレーナ伝送線路を離す目的でコプレーナ伝送線路を基板直上に積層した１０μｍ以上の厚い絶縁膜上に製作する方法が検討されている（例えば G. E. Ponchak, "RF transmission lines on silicon substrates", The 29th European Microwave Conference 99" Coference Proceedings, Vol. 1, pp. 158-161 参照)。
【０００３】
これに対し、信号発生器または受信器は基板あるいは基板直上に形成された半導体薄膜を素子の一部として用いるため基板直上に製作される。このため基板直上の信号発生器、受信器の電極と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路とは層間接続ビアと呼ばれる絶縁膜中に埋め込まれた金属電極で接続される。また、基板上のコプレーナ伝送線路と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路も同様にして接続される。
【０００４】
上記の接続手段の実例として、図８に、基板直上のコプレーナ伝送線路と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路とを接続する層間接続ビアを示す。図中、１は絶縁膜３上のコプレーナ伝送線路、２は基板４直上のコプレーナ伝送線路であり、５は層間接続ビアである。図に示すように、コプレーナ伝送線路１及び２は、それぞれ、信号線と呼ばれる中心の電極１ａ及び２ａとグランド線と呼ばれる両側の電極１ｂ及び２ｂで構成されているので、信号線（１本）とグランド線（２本）との接続には、３箇所の層間接続ビア５が必要である。
【０００５】
基板の影響によるコプレーナ伝送線路の損失はコプレーナ伝送線路を基板から離すほど小さくなるが、この場合、層間接続ビアが長くなる。文献（益一哉、坪内和夫著「ＬＳＩにおける高速配線−ＢｅｙｏｎｄＣｕ／Ｌｏｗ-ｋ」、日本学術振興会極限構造電子物性第１５１委員会第５５回研究会、超集積化デバイス・システム第１６５委員会第１６回研究会合同研究会資料、４８〜５５ぺージ）によれば線路長が信号の波長の１００分の１以上であれば分布定数回路的な伝送線路として扱う必要があるといわれている。すなわち線路長が信号の１００分の１以上であればその伝送線路が信号の伝播に影響を与えることを意味している。従来層間接続ビアを信号の伝播に影響を与えるような伝送線路として扱うことはなかったが、例えば信号の周波数が１００ＧＨｚの場合では波長が３ｍｍとなるため層間接続ビアの長さが３０μｍ以上であれば層間接続ビアも信号の伝播に影響を与えるような伝送線路とみなすことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図８に示した従来例で層間接続ビア５を伝送線路としてみると、層間接続ビア５とコプレーナ伝送線路１または２の接続部にある直角な折れ曲り部分を伝送線路の不連続な部分とみなすことができ、ここで信号の伝播方向が急激に変化するために信号の伝播に悪影響を及ぼすことが予想される。
【０００７】
図９に信号発生器から発生したパルス信号が図８に示した層間接続ビア５を通過した後の信号波形をシミュレーションした結果を示す。入力したパルス信号の幅は２ピコ秒であり、これは周波数帯域に換算すると１５０ＧＨｚに対応する。また、絶縁膜３の厚さを３０μｍとした。層間接続ビア５通過後の波形で最も大きなパルスが信号であり、この後に続いている他のパルス波形は層間接続ビア５とコプレーナ伝送線路１、２の接続部の直角な折れ曲がり部分で生じた歪みである。波形の歪みを定量的に評価するために信号パルスの振幅Ａ１と２番目のパルスの振幅Ａ２の比Ａ２／Ａ１を導入すると、この場合ではＡ２／Ａ１＝４０％と大きく、デジタル回路へ応用する場合ではこれはビット誤り率の増加に繋がり、アナログ回路へ応用する場合では伝送効率の低下に繋がると考えられる。
【０００８】
以上の問題は基板４直上のコプレーナ伝送線路２と厚い絶縁膜３上のコプレーナ伝送線路１を接続する場合について調べたものであるが、厚い絶縁膜で隔たれたコプレーナ伝送線路同士を信号の波長の１００分の１よりも長い層間接続ビアを用いて接続する場合でも同様の問題が生じる。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、厚い絶縁膜で隔たれたコプレーナ伝送線路同士を接続する場合、あるいは、基板直上の信号発生器または受信器などの能動素子の電極と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路を接続する場合に用いる信号の歪みの少ない層間接続ビア構造を提供することである。
【００１０】
【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、請求項１に記載したように、
基板直上に設けられた基板金属層と、該基板上に形成された絶縁膜上に設けられたコプレーナ伝送線路の線路金属層とを電気的に接続する層間接続ビア構造であって、該層間接続ビア構造が複数の接続金属層を積層して構成され、該接続金属層は、該コプレーナ伝送線路を信号が伝播する方向にずらして積層され、かつ各層の厚さが信号波長の１００分の１以下であることを特徴とする層間接続ビア構造を構成する。
【００１１】
また、本発明においては、請求項２に記載したように、
請求項１に記載の層間接続ビア構造であって、前記接続金属層をコプレーナ伝送線路とみなしたときの該接続金属層の特性インピーダンスが、該層間接続ビア構造に接続しているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスに等しいことを特徴とする層間接続ビア構造を構成する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明においては、基板直上に設けられた基板金属層（基板直上の信号発生器または受信器を含む能動素子の電極、あるいは、基板直上のコプレーナ伝送線路の信号線またはグランド線）を厚い絶縁膜で隔てられたコプレーナ伝送線と電気的に接続する層間接続ビア構造であって、信号の伝播方向を急激に変化させないために、該層間接続ビア構造が複数の接続金属層を積層して構成され、各金属層を、信号がコプレーナ伝送線路を伝播する方向にずらして接続していることを特徴としている。
【００１３】
さらに、本発明においては、各接続金属層をコプレーナ伝送線路とみなし、その特性インピーダンスを層間接続ビアと接続されているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスに等しくすることを特徴としている。
【００１４】
本発明で提案する層間接続ビア構造を用いれば信号が層間接続ビアを通過する際に発生する歪みを軽減できる。
【００１５】
以下、本発明を図面に示す実施の形態例に基づいて説明する。
【００１６】
（実施の形態例１）
図１は本発明の第１の実施の形態例を示す模式図である。本実施の形態例では、基板４上に設けられたコプレーナ伝送線路２の１本の信号線２ａと２本のグランド線２ｂとを、それぞれ、厚さ３０μｍの絶縁膜３上に設けられたコプレーナ伝送線路１の１本の信号線１ａと２本のグランド線１ｂに層間接続ビア５で接続している。この場合に、信号線２ａとグランド線２ｂとが請求項１に記載の「基板金属層」に該当し、信号線１ａとグランド線１ｂとが請求項１に記載の「線路金属層」に該当し、層間接続ビア５が請求項１に記載の「層間接続ビア構造」に該当する。
【００１７】
本実施の形態例では、３箇所の層間接続ビア５を信号の波長３ｍｍ（周波数１００ＧＨｚ）の１００分の１よりも薄い１０μｍの金の接続金属層３層で構成している。この実施の形態例及び以下の例では、接続金属層の層数は３層であるが各層の厚さが波長の１００分の１以下であれば、製作工程が許す限り、多くてもかまわない。
【００１８】
図２には、図１中Ａ−Ｂに沿う断面構造を示す。コプレーナ伝送線路１を伝播してきた信号の伝播方向が急激に変化しないようにするため、同図に示すように、各層の接続金属層は信号の伝播する方向にずらして、すなわち、接続金属層の中心が信号の伝播する方向に、上層から順に、間隔を置いて配列するように、接続されている。本実施の形態例では、全体のずれ幅Ｌ（図２に示す）と絶縁膜３の厚さｈ（図２に示す）の比Ｌ／ｈは７である。
【００１９】
図５に、シミュレーションにより求めた層間接続ビア５通過後の波形を示す。図中、７ａが図１に示す層間接続ビア５通過後の波形である。信号パルスの振幅Ａ１と２番目のパルスの振幅Ａ２の比Ａ２／Ａ１は２０％となっており、図８に示した、従来技術における、層間接続ビア５にパルス波形を通過させた場合と比べ、歪みが軽減されているのが分かる。
【００２０】
図６には、ずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈを変えた場合の振幅の比Ａ２／Ａ１の変化を示す。ずれ幅Ｌと絶縁膜ｈの厚さの比Ｌ／ｈが大きいほど振幅の比Ａ２／Ａ１は小さくなり、Ｌ／ｈ＝１２で十分な効果が得られる。
【００２１】
なお、本実施の形態例においては、図２示したように、互いに接続する接続金属層の間のずらし量が一定（Ｌ／３）であるが、このずらし量は、一定である必要はなく、接続金属層によって異なっていてもよい。
【００２２】
また、上記のコプレーナ伝送線路２の信号線２ａとグランド線２ｂとを、基板４直上に設けられた信号発生器または受信器等の電極で置き換えても、上記の本発明の効果は同様に現れる。
【００２３】
（実施の形態例２）
図３には第２の実施の形態例を示す。本実施の形態例の構成は、層間接続ビア５の構成を除いて、実施の形態例１と同じである。そして、信号線２ａとグランド線２ｂとが請求項２に記載の「基板金属層」に該当し、信号線１ａとグランド線１ｂとが請求項２に記載の「線路金属層」に該当し、層間接続ビア５が請求項２に記載の「層間接続ビア構造」に該当する。
【００２４】
この実施の形態例では、層間接続ビア５を構成している各層の接続金属層（この場合にも、この層の素材は金である）をコプレーナ伝送線路とみなし、その特性インピーダンスを層間接続ビア５と接続されているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスと等しくしている。これによって、層間接続ビア５のコプレーナ伝送線路としての特性インピーダンスと、層間接続ビア５に接続されているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスとの間の整合性が良好となる。この場合の「層間接続ビア５に接続されているコプレーナ伝送線路」はコプレーナ伝送線路１または２を意味する。
【００２５】
本実施の形態例において、層間接続ビア５を、上部にある接続金属層ほど信号線とグランド線の間隔が狭くなっている理由を以下に記す。コプレーナ伝送線路の特性インピーダンスは信号線の幅、信号線とグランド線間の間隔及び接続金属層間の等価誘電率に依存している。信号線の幅を一定とした場合、特性インピーダンスは信号線とグランド線の間隔が広がるほど大きくなる。また、等価誘電率が大きくなるほど特性インピーダンスは小さくなる。等価誘電率はコプレーナ伝送線路が誘電率の高い基板から離れるほど低くなるので、特性インピーダンスを等しくするために上の層になるほど信号線とグランド線の間隔が狭くなっている。等価誘電率が変わらない場合では信号線とグランド線の間隔は変化せず、絶縁膜上のコプレーナ伝送線路の上に誘電率の高い材料を載せる等して等価誘電率が上の層ほど高くなる場合では信号線とグランド線の間隔は上の層ほど広がる。
【００２６】
図５中７ｂがこの層間接続ビアを通過した後のパルス波形である。振幅の此Ａ２／Ａ１は２４％であり、この場合も、図８に示した、従来技術における、層間接続ビア５にパルス波形を通過させた場合と比べ、歪みが軽減されているのが分かる。
【００２７】
なお、上記においては、信号線２ａ、１ａを接続する接続金属層の幅が一定の場合を示したが、必ずしも一定である必要はなく、この幅が一定でなくとも、上記と同様に、層間接続ビア５を構成している各層の接続金属層をコプレーナ伝送線路とみなした場合の、その特性インピーダンスが層間接続ビア５と接続されているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスと等しくなっていればよい。
【００２８】
また、上記のコプレーナ伝送線路２の信号線２ａとグランド線２ｂとを、基板４直上に設けられた信号発生器または受信器等の電極で置き換えても、上記の本発明の効果は同様に現れる。
【００２９】
（実施の形態例３）
図４には第１及び第２の実施の形態例で示した特徴の両方を併せ持つ第３の層間接続ビアの実施の形態例を示す。本実施の形態例の構成は、層間接続ビア５の構成を除いて、実施の形態例１と同じである。そして、信号線２ａとグランド線２ｂとが請求項１または２に記載の「基板金属層」に該当し、信号線１ａとグランド線１ｂとが請求項１または２に記載の「線路金属層」に該当し、層間接続ビア５が請求項１または２に記載の「層間接続ビア構造」に該当する。
【００３０】
本実施の形態例におけるずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈは第１の実施の形態例と同じ７である。
【００３１】
図５中、７ｃがこの層間接続ビア５を通過した後のパルス波形である。振幅の比Ａ２／Ａ１は８％であり、歪みが５分の１にまで軽減できている。
【００３２】
図７には、ずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈを変えた場合の振幅の比Ａ２／Ａ１の変化を示す。ずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈが大きいほど振幅の比Ａ２／Ａ１は小さくなり、この場合ではＬ／ｈ＝８で十分な効果が得られる。
【００３３】
なお、上記のコプレーナ伝送線路２の信号線２ａとグランド線２ｂとを、基板４直上に設けられた信号発生器または受信器等の電極で置き換えても、上記の本発明の効果は同様に現れる。
【００３４】
上記の実施の形態例によって判るように、基板直上の信号発生器または受信器などの能動素子の電極と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路を接続する場合、または厚い絶縁膜で隔てられたコプレーナ伝送線路同士を接続する場合に用いる層間接続ビアにおいて、これを多層の接続金属層で構成し各層の接続金属層及びコプレーナ伝送線路を信号がコプレーナ伝送線路を伝播する方向にずらして接続することにより信号の伝播方向が急激に変化しないようにしている。さらに、各層の接続金属層をコプレーナ伝送線路とみなし、その特性インピーダンスを層間接続ビアと接続されているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスと等しくすることにより層間接続ビアの部分で反射が発生しないようにしている。この両方を用いることにより波形の歪みを５分の１にまで低減できることが、上記の実施の形態例３によって明らかとなった。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の実施により、厚い絶縁膜で隔たれたコプレーナ伝送線路同士を接続する場合、あるいは、基板直上の信号発生器または受信器などの能動素子の電極と厚い絶縁膜上のコプレーナ伝送線路を接続する場合に用いる信号の歪みの少ない層間接続ビア構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態例を説明する模式図である。
【図２】図１中Ａ−Ｂに沿う断面構造を示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態例を説明する模式図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態例を説明する模式図である。
【図５】パルス信号が実施の形態例の層間接続ビア５を通過した後の波形を示す図である。
【図６】第１の実施の形態例において、ずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈを変えた場合の振幅の比Ａ２／Ａ１の変化を示す図である。
【図７】第３の実施の形態例において、ずれ幅Ｌと絶縁膜３の厚さｈの比Ｌ／ｈを変えた場合の振幅の比Ａ２／Ａ１の変化を示す図である。
【図８】従来例を説明する説明図である。
【図９】パルス信号が従来例の層間接続ビア５を通過した後の波形を示す図である。
【符号の説明】
１…絶縁膜上のコプレーナ伝送線路、１ａ…絶縁膜上のコプレーナ伝送線路の信号線、１ｂ…絶縁膜上のコプレーナ伝送線路のグランド線、２…基板上のコプレーナ伝送線路、２ａ…基板上のコプレーナ伝送線路の信号線、２ｂ…基板上のコプレーナ伝送線路のグランド線、３…絶縁膜、４…基板、５…層間接続ビア、６…従来例で示した層間接続ビア通過後の波形、７ａ…第１の実施の形態例で示した層間接続ビア通過後の波形、７ｂ…第２の実施の形態例で示した層間接続ビア通過後の波形、７ｃ…第３の実施の形態例で示した層間接続ビア通過後の波形。

Claims

基板直上に設けられた基板金属層と、該基板上に形成された絶縁膜上に設けられたコプレーナ伝送線路の線路金属層とを電気的に接続する層間接続ビア構造であって、
該層間接続ビア構造が複数の接続金属層を積層して構成され、
該接続金属層は、該コプレーナ伝送線路を信号が伝播する方向にずらして積層され、かつ各層の厚さが信号波長の１００分の１以下であることを特徴とする層間接続ビア構造。
請求項１に記載の層間接続ビア構造であって、前記接続金属層をコプレーナ伝送線路とみなしたときの該接続金属層の特性インピーダンスが、該層間接続ビア構造に接続しているコプレーナ伝送線路の特性インピーダンスに等しいことを特徴とする層間接続ビア構造。