JP5756816B2

JP5756816B2 - 伝送線のためのシールド構造体

Info

Publication number: JP5756816B2
Application number: JP2012554018A
Authority: JP
Inventors: シューシャンチェン; ジェフリーティーワット
Original assignee: Altera Corp
Current assignee: Altera Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2031-02-17
Also published as: WO2011103266A3; EP2537183B1; CN102844864B; EP2537183A2; US7999361B1; CN102844864A; US20110291248A1; EP2537183A4; US8558355B2; US20110204493A1; JP2013520797A; US20140048915A1; WO2011103266A2; US8823135B2

Description

本発明は、集積回路の後端部に形成されるシールド構造体に関する。

典型的な集積回路は、多数のトランジスタが内部又はその上に形成された半導体基板と、基板上の一連の金属相互接続層とを備える。相互接続層は金属間誘電体層により互いに絶縁されている。相互接続経路は金属層内に形成され、種々の層内の経路間で選択的な接続が行われ、基板上に形成されたトランジスタを相互に接続すると共にトランジスタを外部の接続部に接続するようになっている。追加情報は、例えば、プルマー等、シリコンＶＬＳＩテクノロジー、ｃｈ１１（プレンティス・ホール、２０００年）（Plummer et al, Silicon VLSI Technology,ch.11(Prentice Hall, 2000)）、ドーリング等（編集）半導体製造技術ハンドブック（第２版）（ＣＲＣプレス２００８年）（Doering et al (ed.) Handbook of Semiconductor Manufacturing Technology (2nd ed.)(CRC Press 2008)）を参照されたい。

近年、集積回路のいくつかの相互接続経路上で伝送される信号周波数がギガヘルツ（ＧＨｚ）レンジに上昇している。これらの周波数では、相互接続経路をシールドすることが望ましいが、従来のマイクロ波技術において長年使用されてきたシールド構造体は、集積回路での使用に適していた。図１Ａ〜図１Ｆは、従来のいくつかのシールド構造体の断面図を示す。図１Ａの横断面図では、マイクロストリップ１０は、電流リターン経路をもたらす接地平面１４の上方に配置されると共に接地平面１４から絶縁された信号線１２を備えている。他の実施形態では、異なる形式の信号を与えるために、単一の信号線の代わりに一対の伝送線を使用できる。集積回路内に実装される場合、信号線は第１の金属化層内に形成され、接地平面１４は第２の金属化層内に形成され、信号線及び接地平面は少なくとも１つの金属間誘電体層により分離される。例示したように、接地平面１４は開口をもたない連続した二次元シートとすること、又は図１Ｂの水平断面図に示すような、各端部がはしご状に結合された複数の金属ストリップを備えることができる。他のパターンの結合された金属化層を使用でき、場合によっては、接地平面はシリコン基板とすることもできる。

図１Ｃの横断面図において、共面導波管（co-planar waveguide：ＣＰＷ）２０は２つの接地平面２４、２５の間に配置された信号線２２を備える。集積回路内に実装される場合、共面導波管の信号線及び接地平面は全て同じ金属化層内に実装され、少なくとも１つの金属管誘電体層により集積回路の基板から絶縁される。この場合も同様に、各接地平面は開口をもたない連続した二次元シートとすること、又は図１Ｂに示すような、はしご状の結合されたストリップ列を備えることができる。他のパターンの結合された金属化層も使用できる。

図１Ｄの横断面図において、接地された共面導波管（grounded co-planar waveguide：ＧＣＰＷ）３０は、２つの接地平面３４、３５の間に配置され、第３の接地平面３６の上方に配置される信号線３２を備える。接地平面３４、３５は、導電性の側壁３８、３９により接地平面３６に電気的に接続される。集積回路内に実装される場合、信号線３２及び接地平面３４、３５は第１の金属化層内に形成され、接地平面３６は第１の金属化層の下方の第２の金属化層内に形成され、第１の金属化層及び第２の金属化層は、少なくとも１つの金属間誘電体層により分離される。例示したように、接地平面３６は開口をもたない連続した二次元シート、図１Ｂに示すような、はしご状の結合されたストリップ列、又は他のパターンの結合された金属化層とすることができる。側壁は、上方の金属化層と下方の金属化層との間に延びるスタックビアを使用して形成される。図１Ｅの横断面図に示すように、複数の第１の導電性スタックビア１３８は、上方の接地平面３４を下方の接地平面３６に結合する側壁を形成し、図１Ｅのスタックビアに類似した複数の第２の導電性スタックビアは、上方の接地平面３５を下方の接地平面３６に結合する側壁を形成する。追加の導電性ビア列を平行に結合して、上方の接地平面と下方の接地平面とを結合することができる。

図１Ｆに示す横断面図では、ストリップ線路５０は、上方の接地平面５４と下方の接地平面５６との間に配置された信号線５２を備える。随意的に、上方及び下方の接地平面は、接地平面と側壁とで取り囲まれた領域の中心に信号線があるように、導電性の側壁５８、５９によって電気的に結合されている。ストリップ線路５０が集積回路内に実装される場合、信号線５２は第１の金属化層内に形成され、接地平面５４は第１の金属化層の上方の第２の金属化層内に形成され、接地平面５６は第１の金属化層の下方の第３の金属化層内に形成される。随意的に、複数の第１の導電性ビアは、信号線５２の一方側において上方の接地平面５４を下方の接地平面５６に結合する側壁を形成し、複数の第２の導電性のビアは、信号線の他方側において上方の接地平面５４を下方の接地平面５６に結合する側壁を形成する。同様に、接地平面は、開口をもたない連続した二次元シート、図１Ｂに示すような、はしご状の結合されたストリップの列、又は他のパターンの結合された金属化層とすることができ、ビアは図１Ｅに示すビアに類似のものとすることができる。

種々の形式の集積回路伝送線の利点及び欠点は、例えば、Ｓ．ペレラノ等、「１５．５ｄＢゲイン及び９０ｎｍＣＭＯＳの６．５ｄＢのＮＦを有する６４ＧＨｚのＬＮＡ」、固体回路のＩＥＥＥＪ．第４３巻、第７号、第１５４３−１５５２頁（２００８年７月）（S.Pellerano et al., "A 64 GHz LNA with 15.5.dB Gain and 6.5dB NF in 90nm CMOS" IEEE J. of Solid-State Circuits, VoL.43, No.7, pp.1543-52 (July 2008)）で検討されている。

本発明は、集積回路の金属化層内に実装できる改良されたシールド構造体である。改良されたシールド構造体は、伝送線とシールド構造体との間の寄生結合が低減するので、従来のシールド構造体に比べて挿入損失が減少する。更に、改良されたシールド構造体では信号／ノイズ比が向上する。

本発明の好ましい実施形態では、シールド構造体は、集積回路上の第１の金属化層に形成される第１の櫛状構造体及び第２の櫛状構造体であって、各櫛状構造体は複数の歯を備え、櫛状構造体の歯は他方の櫛状構造体に向かって延びている第１の櫛状構造体及び第２の櫛状構造体と、第１の櫛状構造体から上方に延びる複数の第１の導電性ビアと、第２の櫛状構造体から上方に延びる複数の第２の導電性ビアと、第１の金属化層の上方の第２の金属化層に配置された第１の平面構造体及び第２の平面構造体と、第１の平面構造体から複数の第１の導電性ビアに向かって下方に延びる複数の第３の導電性ビアと、第２の平面構造体から複数の第２の導電性ビアに向かって下方に延びる複数の第４の導電性ビアとを備える。少なくとも１つの信号線が、第１の平面構造体と第２の平面構造体との間の第２の金属化層に配置され、第１の櫛状構造体及び第２の櫛状構造体、第１の平面構造体及び第２の平面構造体、並びに第１の導電性ビア、第２の導電性ビア、第３の導電性ビア、及び第４の導電性ビアは全て同じ電位である。

好ましい実施形態では種々の変形例が実施できる。例えば、一対の信号線は異なる形式の信号を伝達するために使用でき、第１及び第２の平面構造体は櫛状構造体とすることができ、導電性ビアの多数の列は、平面構造体及び／又は櫛状構造体から延びることができる。

好ましい実施形態は接地された共面導波管の変形例とみなすことができるが、本発明は、マイクロストリップ及びストリップ線等の他の形式の導波管でも実施できる。
当業者であれば、本発明の前述の及び他の目的並びに利点は、以下の詳細な説明に照らして理解できるはずである。

従来の導波管構造体を示す断面図である。従来の導波管構造体を示す断面図である。従来の導波管構造体を示す断面図である。従来の導波管構造体を示す断面図である。従来の導波管構造体を示す断面図である。従来の導波管構造体を示す断面図である。本発明の実施形態を示す斜視図である。図２の線３−３に沿った断面図である。図２の線４−４に沿った断面図である。本発明の第２の実施形態を示す斜視図である。本発明及び従来のシールド構造体の伝送損失と動作周波数との関係を示すグラフである。本発明の実施に使用できる代替例の水平断面図である。本発明の実施に使用できる代替例の水平断面図である。

図２は、本発明のシールド構造体２００の例示的な実施形態の斜視図であり、図３及び図４はそれぞれ図２の線３−３及び線４−４に沿った断面図である。シールド構造体２００は、半導体基板２００上の複数の金属化層２１１−２１４の集積回路内に形成される。金属化層は、金属間誘電体層２３１−２３４（図４に示すが、図２には明確化のために示されていない）によって互いに分離されると共に基板２２０からも分離されている。シールド構造体２００は、第１の金属化層２１１に形成された第１及び第２の櫛状構造体２４０、２４５であり、各櫛状構造体は、他の櫛状構造体に向かって延びる複数の第１及び第２の歯２４２、２４７と、第１の櫛状構造体２４０から上方に延びる複数の第１の導電性ビア２５０と、第２の櫛状構造体２４５から上方に延びる複数の第２の導電性ビア２５５と、第１の金属化層の上方の第２の金属化層２１４の第１及び第２の平面構造体２６０、２６５と、第１の平面構造体２６０から複数の第１の導電性ビア２５０に向かって下向きに延びる複数の第３の導電性ビア２７０と、第２の平面構造体２６５から第２の複数の導電性ビア２５５に向かって下向きに延びる複数の第４の導電性ビア２７５と、を備える。信号線２８０、２８２は、第１の平面構造体と第２の平面構造体との間の金属化層２１４に配置される。第１及び第２の櫛状構造体、第１及び第２の平面構造体、並びに第１、第２、第３、及び第４の導電性ビアは、全て同じ電位であり、接地されていることが好ましい。

好ましくは、金属化層は、集積回路の最上の金属化層である。限定されるものではないが、例示的に、金属化層２１４は、集積回路の最上層とすることができ、金属化層２１１は、その下方の数層とすることができ、層の数は設計基準に応じて様々である。他の場合として、金属化層２１４は、集積回路の最上層でなくてもよい。

図３は、図２の線３−３に沿った金属化層２１１の水平横断面図を示す。図３に示すように、第１の櫛状構造体２４０は複数の第１の歯２４２を備え、第２の櫛状構造体２４５は複数の第２の歯２４７を備える。各櫛状構造体の複数の歯は互いに平行である。複数の第１の歯は第１の横断要素２４４により互いに連結されており、第２の複数の歯は第２の横断要素２４９で互いに連結されている。図３に示すように、第１の櫛状構造体２４０の歯は、第２の櫛状構造体２４５の歯の間に延びるが、第２の櫛状構造体２４５の歯に接触していない。しかしながら、前述のように複数の歯は同じ電位である。これを実現するために、２つの櫛状構造体の間の電気的接続は、接地接続を介してのみ維持される。もしくは、２つの櫛状構造体の間の、１つの歯又は歯の少数（１０％以下）を直接接続することもできる（図示せず）。

櫛状構造体２４０、２４５は、金属化層に所定のパターンを形成するための公知のエッチング技術を使用して、金属化層２１１に構造体を定めることにより形成される。

図４は、図２の線４−４に沿った貫通ビア２５０、２７０の縦断面図を示す。ビア２５５、２７５の縦断面図も同様である。図４に示すように、ビア２５０は、スタック２５２で、金属化層２１１から、金属間誘電体層２３２、金属化層２１２、及び中間誘電体層２３３を通って金属化層２１３まで上方に延びている。従って、スタック２５２は金属化層２１４に達していない。ビア２７０は、スタック２７２で、金属化層２１４から、金属間誘電体層２３４、金属化層２１３、及び金属間誘電体層２３３を通って、金属化層２１２まで下方に延びている。従って、スタック２７２は金属化層２１１に達していない。更に、スタック２５２は各スタック２７２の間に延びているが、金属化層２１２又は２１３において、スタック２５２とスタック２７２とは互いに接触していない。しかしながら、前述のように、ビア２５０とビア２７０とは同じ電位である。これを実現するために、いくつかのビア２５０、２７０は、スタックビアを適切な金属化層まで延ばすことによって、又は各スタックを金属化層２１２及び／又は金属化層２１３で接続することによって、互いに接続できる。このような方法で、ビアの総数に対して少ない（１０％以下）数のビアだけを接続すべきである。もしくは、各ビアは、接地接続により一緒に接続できる。

ビアは従来の半導体プロセスで形成されるが、ホールが金属間誘電体層の直下の金属化層に向かってエッチングにより形成され、次に、ホールは、アルミニウム又は銅等の導電材料で充填される。次に、公知のプロセスを用いて、充填されたホールに電気的に接続されるように誘電体層の上部に次の金属層が形成され、次に、この金属層は、エッチングされてスタックビアを分離するようになっている。次に、誘電体層が金属層上に形成され、プロセスを繰り返してスタックのビアの次の層を形成するようになっている。ビア形成プロセスの詳細は、前述のＰｌｕｍｍｅｒの文献の７０２−７０６頁に開示されており、この開示容は引用により本明細書に組み込まれている。

図２に示した実施形態において種々の変更例を実施できる。例えば、一対の信号線２８０、２８２の代わりに単一の信号線を実装できる。第１及び第２の平面構造体は櫛状構造体とすることができ、導電性ビアの多数の列は、平面構造体及び／又は櫛状構造体から延びることができる。

また、本発明は、他の導波管構成を使用して実施できる。例えば、図５に示すように、第１及び第２の櫛状構造体５４０、５４５が下側金属化層５１１に形成され、第３及び第４の櫛状構造体５６０、５６５が上側金属化層５１５に形成され、１つ又はそれ以上の信号線５８０、５８２が上側金属化層と下側金属化層との間に配置される第３の金属化層５１３に形成されるストリップ線路を実装できる。例示するように、上側金属化層及び下側金属化層を通る水平断面図は、図３に示すものと同じである。随意的に、図４と同様の側壁は、スタックビアを下側金属化層の櫛状構造体から上方に延ばすこと、及び上側金属化層の櫛状構造体から下方に延ばすことで形成できる。図５に示す実施形態において、ストリップ線路は５つの金属化層５１１−５１５に形成されるが、本発明はこれより多い又は少ない数の金属化層を用いて実施できる。

本発明を実施すると、図１Ｄ、１Ｂ、及び１Ｅに示す従来の接地共面導波管に比べて、導波管の挿入損失が約２０％減少することが分かっている。図６は、伝送損失と周波数数との関係をシュミレーションしたグラフを示す。図６に示すように、１２．５ＧＨｚにおいて、図２の導波管の伝送損失は１０．１ｄＢ／ｍｍであるが、従来の導波管の伝送損失は１２．６ｄＢ／ｍｍである。

当業者には明らかなように、本発明の精神及び範囲内において種々の変更例を実施できる。例えば、図３の水平横断面では、櫛状構造体２４０の各フィンガーが櫛状構造体２４５の２つのフィンガー間に延びる構成を示すが、図７に示すような、第１の櫛状構造体７４０の一対のフィンガー７４２が、第２の櫛状構造体７４５の一対のフィンガー７４７の２組の間に延びる構成、又は図８に示すような、第１の櫛状構造体８４０の３つのフィンガー８４２が、第２の櫛状構造体８４５の３つのフィンガー８４７の２組の間に延びる構成を使用できる。フィンガーのより大きなグループ分けも使用でき、櫛状構造体の異なる場所で異なる数のグループ分けを使用できる。同様に、ビアの対（又は３つの又はそれ以上）は、上方に延びるビアの対（又は３つの又はそれ以上）の２組の間で下方に延びることができ、側壁の異なる場所でビアの異なる数のグループ分けを使用できる。図２及び図５は、伝送線が同じ金属化層に形成される構造体を示すが、伝送線が異なる金属化層に形成される構造体を使用することもできる。

Claims

シールド構造体であって、
集積回路上の第１の金属化層で互いに隣接する第１の平面構造体及び第２の平面構造体と、
前記集積回路上の第２の金属化層で互いに隣接する第３の平面構造体及び第４の平面構造体と、
前記第１の金属化層の前記第１及び第２の平面構造と前記第２の金属化層の前記第３及び第４の平面構造との間の第３の金属化層に配置された少なくとも１つの信号線と、
を備え、
前記第１の平面構造、前記第２の平面構造、前記第３の平面構造、及び前記第４の平面構造は、全て同じ電位であり、
前記平面構造の少なくとも１つは櫛状構造である、シールド構造体。
前記第１の平面構造及び前記第２の平面構造は、前記第１の金属化層に形成された第１のアレイ及び第２のアレイの導電要素であり、前記第１のアレイの導電要素は互いに連結されて前記第２のアレイの導電要素の間に延び、前記第２のアレイの導電要素は互いに連結される、請求項１に記載のシールド構造体。
前記第１の平面構造体及び前記第２の平面構造体は、第１の櫛状構造体及び第２の櫛状構造体であり、各櫛状構造体は複数の歯を備え、前記第１の櫛状構造体の歯と前記第２の櫛状構造体の歯は、互いに向かって延びている、請求項１に記載のシールド構造体。
前記第１の金属化層の前記第１及び第２の平面構造体と前記第２の金属化層の前記第３及び第４の平面構造体との間の金属化層に第２の信号線が配置される、請求項１に記載のシールド構造体。
前記第２の信号線は、前記第１の金属化層と前記第２の金属化層との間の第４金属化層に配置される、請求項４に記載のシールド構造体。
前記第１の平面構造体と前記第３の平面構造体との間に延びる複数の第１の導電性ビアと、前記第２の平面構造体と前記第４の平面構造体との間に延びる複数の第２の導電性ビアとを更に備える、請求項１に記載のシールド構造体。
前記複数の第１の導電性ビアのうちの幾つかは、前記第１の平面構造体から前記第３の平面構造体に向かって延び、前記複数の第１の導電性ビアのうちの幾つかは、前記第３の平面構造体から前記第１の平面構造体に向かって延びる、請求項６に記載のシールド構造体。
前記複数の第１の導電性ビア及び前記複数の第２の導電性ビアは、前記第１の平面構造体、前記第２の平面構造体、前記第３の平面構造体、及び前記第４の平面構造体と同じ電位である、請求項６に記載のシールド構造体。
集積回路上の第１の金属化層に形成された第１及び第２のアレイの導電要素であって、前記第１のアレイの導電要素は互いに連結されて前記第２のアレイの導電要素の間に延び、前記第２のアレイの導電要素は互いに連結される、第１及び第２のアレイの導電要素と、
前記集積回路上の第２の金属化層で互いに隣接する第１の平面構造体及び第２の平面構造体と、
前記第１の金属化層の前記第１及び第２のアレイの導電要素と前記第２の金属化層の前記第１及び第２の平面構造体との間の第３の金属化層に配置された少なくとも１つの信号線と、
前記第１及び第２のアレイ及び前記第１及び第２の平面構造体は全て同じ電位である、シールド構造体。
前記第１の平面構造体及び前記第２の平面構造体は、前記第２の金属化層に形成された第３のアレイ及び第４のアレイの導電要素であり、前記第３のアレイの導電要素は互いに連結されて前記第４のアレイ導電要素の間に延び、前記第４のアレイの導電要素は互いに連結される、請求項９に記載のシールド構造体。
前記第１のアレイ及び前記第２のアレイの少なくとも１つは櫛状構造体である、請求項９に記載のシールド構造体。
前記第１のアレイ及び前記第２のアレイは、第１の櫛状構造体及び第２の櫛状構造体であり、各櫛状構造体は複数の歯を備え、前記第１の櫛状構造の歯と前記第２の櫛状構造の歯とは互いに向かって延びている、請求項９に記載のシールド構造体。
前記第１の金属化層の前記第１及び第２のアレイの導電要素と前記第２の金属化層の前記第１及び第２の平面構造体との間の金属化層に第２の信号線が配置される、請求項９に記載のシールド構造体。
前記第２の信号線は、前記第１の金属化層と前記第２の金属化層との間の第４の金属化層に配置される、請求項１３に記載のシールド構造体。
前記第１のアレイと前記第１の平面構造体との間に延びる複数の第１の導電性ビアと、前記第２のアレイと前記第２の平面構造体との間に延びる複数の第２の導電性ビアとを更に備える、請求項９に記載のシールド構造体。
前記複数の第１の導電性ビアのうちの幾つかは、前記第１のアレイから前記第１の平面構造体に向かって延び、前記複数の第１の導電性ビアのうちの幾つかは、前記第１の平面構造体から前記第１のアレイに向かって延びる、請求項１５に記載のシールド構造体。
前記複数の第１の導電性ビア及び前記複数の第２の導電性ビアは、前記第１及び第２のアレイ及び前記第１及び第２の平面構造体と同じ電位である、請求項１６に記載のシールド構造体。
集積回路上の第１の金属化層に形成された第１及び第２の櫛状構造体であって、各櫛状構造体は複数の歯を備え、各櫛状構造体の歯は、他方の櫛状構造体に向かって延びる第１及び第２の櫛状構造体と、
前記集積回路上の第２の金属化層の第１の平面構造体及び第２の平面構造体と、
前記第１の金属化層の前記第１及び第２の櫛状構造体と前記第２の金属化層の前記第１及び第２の平面構造との間の第３の金属化層に配置される少なくとも１つの信号線と、
を備え、
前記第１及び第２の櫛状構造体及び前記第１及び第２の平面構造体は全て同じ電位である、シールド構造体。
前記第１の金属化層の前記第１及び第２の櫛状構造体と前記第２の金属化層の前記第１及び第２の平面構造体との間の金属化層に第２の信号線が配置される、請求項１８に記載のシールド構造体。