JP5812462B2 - チップ間通信システム及び半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置間で無線通信を行うチップ間通信システム及び多層配線構造を有する半導体装置に関する。

半導体チップ間の通信方式を無線通信とすることで、実装形態の簡略化や付加価値の向上を目指した技術開発が活発化している（例えば、特許文献１参照）。

無線通信を行うため、各半導体チップはそれぞれ例えばダイポールアンテナと接続されている。一の半導体チップのダイポールアンテナから伝送路に向けて発せられた電波は、伝送路を通って、他の半導体チップのダイポールアンテナで受信される。

特開２０１０−１８３０５５号公報

電波はダイポールアンテナのアンテナパターンを中心として線対称に放射されるため、伝送路の反対側に発信される電波は、通信に寄与せず、無駄になっていた。

ダイポールアンテナに対して伝送路の反対側に反射板を設ければ、電波を反射させ、ダイポールアンテナから直接発せられる電波と重ね合わせることにより、伝送される電波の強度を高めることができる。

しかしながら、反射板では、電波は位相が反転した状態で反射するため、電波の強度を高めるには、ダイポールアンテナと反射板との間を少なくとも１／４波長（例えば電波の周波数が１５ＧＨｚであれば、１．６ｍｍ）離間させる必要がある。これは、装置の小型化にとって非常に大きな障害となる。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、装置を大型化することなく、電波の伝送効率を向上することができるチップ間通信システム及び半導体装置を提供することを目的とする。

本発明の第２の観点に係る半導体装置は、
多層構造を有する半導体装置であって、
本体半導体基板が形成された本体層と、
前記本体半導体基板から出力された電気信号に対応する電波を前記多層構造の積層方向に発信するとともに、前記積層方向に伝播する電波を受信して前記本体半導体基板に出力するダイポールアンテナと、
前記ダイポールアンテナに対して絶縁層を介して配置され、金属製の矩形平板がマトリクス状に配置されたメタマテリアルと、
前記ダイポールアンテナに対して前記メタマテリアルの反対側に配置された遮蔽板と、
を備え、
前記メタマテリアルでは、前記各矩形平板の間や前記各矩形平板と前記遮蔽板との間がそれぞれキャパシタンス成分で結合され、前記遮蔽板では、前記各キャパシタンス成分の間がインダクタンス成分で結合されている。

前記ダイポールアンテナは、
折り曲げられたアンテナパターンを有し、前記アンテナパターンによって形成される複数の直線部の長さが異なる、
こととしてもよい。

前記ダイポールアンテナには、
直線部の長さが異なる複数の分岐を有するアンテナパターンが設けられている、
こととしてもよい。

本発明によれば、半導体装置間で通信を行うためのアンテナが、多層構造配線内に形成されており、高誘電率材料で形成された導波路を用いて電波を伝送するため、装置を大型化することなく、電波の伝送効率を向上することができる。

また、本発明によれば、ダイポールアンテナから発せられた電波がメタマテリアルにより反射され、ダイポールアンテナから直接発せられた電波と重なり合って、電波の強度を強めることができる。メタマテリアルは、高インピーダンスであるため、ダイポールアンテナから発せられた電波は、同位相で反転する。これにより、ダイポールアンテナと反射板との距離を１／４波長よりも短くすることができる。この結果、装置を大型化することなく、電波の伝送効率を向上することができる。

本発明の実施形態１に係るチップ間通信システムの構造を示す断面図である。 図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）は、図１の半導体チップの横断面図である。 メタマテリアルの等価回路である。 メタマテリアル付近での電波の伝播の様子を示す図である。 半導体チップ間で電波が送受信される様子を示す図である。 本発明の実施形態２に係るダイポールアンテナの構造を示す断面図である。 図６のダイポールアンテナのＳパラメータを示すグラフである。 本発明の実施形態３に係るダイポールアンテナの構造を示す断面図である。 図８のダイポールアンテナのＳパラメータを示すグラフである。 図１０（Ａ）は、ダイポールアンテナから送信される信号の一例を示す図である。図１０（Ｂ）は、ダイポールアンテナで受信される信号の一例を示す図である。 複数の半導体装置で、無線通信が行われる様子を示す図である。 電波の波長に対するＨｉｇｈ−ｋの厚みの比率と伝送係数Ｓ₂₁との関係を示す図である。

この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
まず、本発明の実施形態１について説明する。

図１には、本実施形態に係るチップ間通信システム１００の構造が示されている。図１に示すように、チップ間通信システム１００は、複数の半導体チップ１Ａ、１Ｂを備える。チップ間通信システム１００では、複数の半導体チップ１Ａ、１Ｂ間において、波長がミリ単位又はセンチメートル単位の電波（ミリ波又はマイクロ波）が送受信される。

半導体チップ１Ａは、多層配線構造を有する半導体装置である。後述するように、アンテナ（ダイポールアンテナ７Ａ）はこの多層配線構造内に形成される。半導体チップ１Ａは、本体半導体基板層２Ａと、絶縁層２１Ａと、遮蔽板３Ａと、絶縁層４Ａと、メタマテリアル５Ａと、絶縁層６Ａと、ダイポールアンテナ７Ａと、絶縁層８Ａと、を備える。これらは、例えば、１枚のシリコン基板上に通常の半導体製造工程で形成され積層されたものである。

本体半導体基板層２Ａには、演算機能や記憶機能などの種々の機能を実現するためのトランジスタ等の集積回路が形成されている。本体半導体基板層２Ａ、２Ｂは、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）から成る絶縁層２１Ａ、２１Ｂ上に実装されている。半導体チップ１Ａ、１Ｂは、表面が下向きに実装されている。

遮蔽板３Ａは、後述するダイポールアンテナ７Ａから発せられる電波を遮断するために設けられている。図２（Ａ）には、図１の面ａで半導体チップ１Ａを切断したときの断面図が示されている。図２（Ａ）に示すように、遮蔽板３Ａは、中央の開口部を除いて、本体半導体基板層２Ａ全体をカバーしている。中央の開口部には、本体半導体基板に接続されるダイポールアンテナ７Ａが通っている。なお、遮蔽板３Ａは、必ずしも必須ではない。

絶縁層４Ａ、６Ａは、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）で形成されている。絶縁層４Ａ、６Ａの間に、メタマテリアル５Ａが形成されている。言い換えると、メタマテリアル５Ａは、ダイポールアンテナ７Ａに対して絶縁層６Ａを介して配置されている。

図２（Ｂ）には、図１の面ｂで半導体チップ１Ａを切断したときの断面図が示されている。図２（Ｂ）に示すように、メタマテリアル５Ａは、導体、例えば銅やアルミニウム等の金属製の矩形平板が、マトリクス状に配置されたものである。メタマテリアル５Ａは、ハイ・インピーダンス・サーフェス（ＨＩＳ）とも呼ばれる。

絶縁層８Ａは、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ₂）で形成されている。絶縁層７Ａ、８Ａの間に、ダイポールアンテナ７Ａが形成されている。

図２（Ｃ）には、図１の面ｃで半導体チップ１Ａを切断したときの断面図が示されている。図２（Ｃ）に示すように、ダイポールアンテナ７Ａのアンテナパターンは、三角形状となっている。

ダイポールアンテナ７Ａは、本体半導体基板層２Ａと接続されている。ダイポールアンテナ７Ａは、本体半導体基板層２Ａから出力された電気信号に対応する電波を、半導体チップ１Ａの積層方向に発信する。また、ダイポールアンテナ７Ａは、半導体チップ１Ａの積層方向に伝播する電波を受信し、その電波に対応する電気信号を本体半導体基板層２Ａに出力する。

半導体チップ１Ｂは、本体半導体基板層２Ｂと、絶縁層２１Ｂと、遮蔽板３Ｂと、絶縁層４Ｂと、メタマテリアル５Ｂと、絶縁層６Ｂと、ダイポールアンテナ７Ｂと、絶縁層８Ｂと、を備える。半導体チップ１Ｂの構造は、半導体チップ１Ａと同じである。

図３には、メタマテリアル５Ａの等価回路が示されている。図３に示すように、メタマテリアル５Ａでは、各矩形平板の間や各矩形平板と遮蔽板３Ａとの間がキャパシタ成分Ｃに対応している。また、遮蔽板３Ａがインダクタンス成分に対応している。

図４に示すように、ダイポールアンテナ７Ａから発せられ、メタマテリアル５Ａの方向に伝播された電波は、メタマテリアル５Ａで反射する。メタマテリアル５Ａは、高インピーダンスとなっているため、反射した電波は、同位相のままで反射する。これにより、ダイポールアンテナ７Ａとメタマテリアル５Ａとの間を、電波の波長の１／４離間させる必要がなくなり、それよりも短くすることができる。例えば、ダイポールアンテナ７Ａとメタマテリアル５Ａとの間の間隔を、数百ミクロン、例えば２５４μｍ程度とすることができる。

メタマテリアル５Ａで反射した電波は、ダイポールアンテナ７Ａから直接発信された電波と同位相で重なり合って強め合いながら、インターポーザ１０に到達する。

導波路としてのインターポーザ１０は、本体半導体基板層２Ａから見て、ダイポールアンテナ７Ａ側に設けられている。より具体的には、インターポーザ１０は、半導体チップ１Ａ、１Ｂのダイポールアンテナ７Ａ、７Ｂを基準としてメタマテリアル５Ａ、５Ｂの反対側に接続されている。

インターポーザ１０は、誘電率の高い物質（高誘電率材料）で形成されている。より具体的には、インターポーザ１０は、その比誘電率が半導体チップ１Ａより高い比誘電率を有している。このような物質には、例えば、酸化チタン、チタン酸カルシウム、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸ストロンチウム等のセラミックスの焼結体がある。

また、インターポーザ１０として、強誘電体の粉末を混入させた有機体（例えばプラスチック）を採用するようにしてもよい。例えば、酸化チタンと炭酸ストロンチウム等の所定の粒径の強磁性セラミックス粉末と、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂などのプラスチックとを所定の比率で混練し、押出し、圧延、射出成形、圧縮成形等により成形したものを用いることができる。

さらに、インターポーザ１０として、誘電率が極めて高い有機強誘電体（例えばセラミックス等を同等の誘電率を有する有機強誘電体）などを採用するようにしてもよい。有機物で強誘電性を示す物質としては、例えばポリフッ化ビニリデンといったポリマー材料が知られている。

インターポーザ１０は、周辺よりも著しく誘電率が高い物質で構成されているので、インターポーザ１０に到達した電波は、図５に示すように、インターポーザ１０内に引き込まれる。引き込まれた電波は、インターポーザ１０内を伝播し、最終的に半導体チップ１Ｂへ進入し、半導体チップ１Ｂの積層方向に進む。

この電波の一部は、アンテナ７Ｂにより受信されるが、残りは、アンテナ７Ｂをそのまま通過し、メタマテリアル５Ｂで反射して、アンテナ７Ｂで再び受信される。上述のように、メタマテリアル５Ｂで反射した電波とアンテナ７Ｂで直接受信される電波は、同位相であるため、アンテナ７Ｂでは、強い受信強度で電波を受信することができる。

インターポーザ１０は、その厚みを、電波の波長又は平均波長より小さくしている。より具体的には、インターポーザ１０は、電波の波長に対する厚みの比率が、１／２０から１／５００までの範囲とすることができる（例えば、後述する図１２参照）。本発明者の鋭意研究により、電波の波長がミリオーダであっても、インターポーザ１０の厚みは、約数百ミクロンで十分であることが明らかとなった。

以上詳細に説明したように、本実施形態によれば、半導体チップ１Ａ、１Ｂ間で通信を行うためのダイポールアンテナ７Ａ、７Ｂが、多層構造配線内に形成されており、高誘電率材料で形成されたインターポーザ１０を用いて電波を伝送するため、装置を大型化することなく、電波の伝送効率を向上することができる。

また、本実施形態によれば、メタマテリアル５Ａによりダイポールアンテナ７Ａから発せられた電波が反射され、ダイポールアンテナ７Ａから直接発せられた電波と重なり合って、電波の強度を強めることができる。メタマテリアル５Ａは、高インピーダンスであるため、ダイポールアンテナ７Ａから発せられた電波は、同位相で反転する。これにより、ダイポールアンテナ７Ａとメタマテリアル５Ａとの距離を１／４波長よりも短くすることができる。この結果、装置を大型化させることなく、電波の伝送効率を向上させることができる。

また、インターポーザ１０を電波の波長よりも、薄くすることができるので、装置を大型化させることなく、電波の伝送効率を向上させることができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。

本実施形態に係るチップ間通信システムは、ダイポールアンテナ７Ａの構造が、上記実施形態１と異なる。

図６には、本実施形態に係るダイポールアンテナ７Ａの構造が示されている。図６では、ダイポールアンテナ７Ａを半導体チップ１Ａの積層方向から見ている。図６に示すように、ダイポールアンテナ７Ａは、折り曲げられたアンテナパターンを有し、アンテナパターンによって形成される複数の直線部の長さが異なる。

より具体的には、ダイポールアンテナ７Ａでは、折り曲げられたアンテナパターンを有している。このアンテナパターンには、長さが異なる３つの直線部を有している。

図７には、ダイポールアンテナ７Ａの反射係数（Ｓ係数、Ｓパラメータ）Ｓ₁₁のグラフが示されている。図７に示すように、ダイポールアンテナ７Ａは、複数の異なる直線部を有するため、Ｓ係数Ｓ₁₁が−１０以下となる帯域を７．４７ＧＨｚから１２．９５ＧＨｚまでの帯域、すなわち５．４８ＧＨｚに広げることが可能となる。これにより、安定した電波の受信が可能となる。

また、このダイポールアンテナ７Ａを用いれば、上記実施形態１に係る三角形状のダイポールアンテナ７Ａよりもアンテナパターンの占有面積を小さくすることができる。

（実施形態３）
次に、本発明の実施形態３について説明する。

本実施形態に係るチップ間通信システムは、ダイポールアンテナ７Ａの構造が、上記実施形態２と異なる。

図８には、本実施形態に係るダイポールアンテナ７Ａの構造が示されている。図８では、ダイポールアンテナ７Ａを半導体チップ１Ａの積層方向から見ている。図８に示すように、ダイポールアンテナ７Ａでは、直線部の長さが異なる複数の分岐を有するアンテナパターンが設けられている。

より具体的には、ダイポールアンテナ７Ａでは、折り曲げられたアンテナパターンを有している。このアンテナパターンには、２つの分岐が設けられており、本線の直線部と、各分岐の直線部の長さは互いに異なっている。すなわち、本実施形態に係るダイポールアンテナ７Ａは、互いに長さが異なる直線部の数が、上記実施形態２に係るダイポールアンテナ７Ａよりも多くなっている。

図９には、ダイポールアンテナ７Ａの反射係数（Ｓパラメータ）Ｓ₁₁のグラフが示されている。図９では、上側の曲線が、上記実施形態２に係るダイポールアンテナ７ＡのＳ係数Ｓ₁₁を示しており、下側の曲線が、本実施形態に係るダイポールアンテナ７ＡのＳ係数Ｓ₁₁を示している。

図９に示すように、ダイポールアンテナ７Ａは、複数の異なる直線部をさらに多数有するため、グラフ上に３つの共振点１乃至３が現れている。これにより、Ｓ係数Ｓ₁₁が−１０以下となる帯域を４．３６ＧＨｚ以上の帯域（幅は２５．６４ＧＨｚ以上）に広げることが可能となる。この結果、より安定した電波の受信が可能となる。

また、このダイポールアンテナ７Ａを用いれば、上記実施形態１に係る三角形状のダイポールアンテナ７Ａよりもアンテナパターンの占有面積を小さくすることができる。

本実施形態に係るチップ間通信システム１００を用いて、半導体チップ１Ａのダイポールアンテナ７Ａから、図１０（Ａ）に示すような１０ＧＨｚのＢＰＳＫ（Binary phase-shift keying）信号を送信すると、図１０（Ｂ）に示すような信号が半導体チップ１Ｂのダイポールアンテナ７Ｂで受信された。これにより、本実施形態に係るチップ間通信システム１００で、デジタル信号の送受信が可能であることが確認された。

なお、上記各実施形態では、一対の半導体チップ１Ａ、１Ｂのデータ通信について説明したが、本発明はこれには限られず、３台以上の半導体チップ間のデータ通信も可能である。例えば、図１１に示すような４つの半導体チップ１Ａ乃至１Ｄの間のデータの送受信にも適用可能である。この場合には、送信するデータに、相手の識別情報を含めるようにすれば、受信側では、自身に送信されたデータであるのか否かを判定することができるので、一対一の通信が可能となる。

図１２には、インターポーザ１０としてのＨｉｇｈ−ｋ（高誘電率ゲート絶縁膜）を用いた場合における、電波の波長に対するＨｉｇｈ−ｋの厚みの比率（ｈ／λ_res）と伝送係数（Ｓパラメータ）Ｓ₂₁との関係が示されている。図１２に示すように、電波の波長ｄが３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍのすべての場合において、電波の波長に対するＨｉｇｈ−ｋの厚みの比率が、０．００２（すなわち１／５００）以上０．０５（すなわち１／２０）以下の場合に、伝送係数Ｓ₂₁が高くなっている。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

本発明は、複数の半導体装置を備える装置に用いることができる。特に、携帯端末など、薄型、小型化が要求される装置には好適である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 半導体チップ
２Ａ、２Ｂ 本体半導体基板層
３Ａ、３Ｂ 遮蔽板
４Ａ、４Ｂ 絶縁層
５Ａ、５Ｂ メタマテリアル
６Ａ、６Ｂ 絶縁層
７Ａ、７Ｂ ダイポールアンテナ
８Ａ、８Ｂ 絶縁層
１０ インターポーザ
２１Ａ、２１Ｂ 絶縁層
１００ チップ間通信システム

Claims (3)

1. 多層構造を有する半導体装置であって、
   本体半導体基板が形成された本体層と、
   前記本体半導体基板から出力された電気信号に対応する電波を前記多層構造の積層方向に発信するとともに、前記積層方向に伝播する電波を受信して前記本体半導体基板に出力するダイポールアンテナと、
   前記ダイポールアンテナに対して絶縁層を介して配置され、金属製の矩形平板がマトリクス状に配置されたメタマテリアルと、
   前記ダイポールアンテナに対して前記メタマテリアルの反対側に配置された遮蔽板と、
   を備え、
   前記メタマテリアルでは、前記各矩形平板の間や前記各矩形平板と前記遮蔽板との間がそれぞれキャパシタンス成分で結合され、前記遮蔽板では、前記各キャパシタンス成分の間がインダクタンス成分で結合されている半導体装置。
2. 前記ダイポールアンテナは、
   折り曲げられたアンテナパターンを有し、前記アンテナパターンによって形成される複数の直線部の長さが異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 前記ダイポールアンテナには、
   直線部の長さが異なる複数の分岐を有するアンテナパターンが設けられている、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置。