JP6166100B2 - 低損失伝送線路 - Google Patents

Description

本発明は、低損失伝送線路に関し、特に半導体ＩＣチップ上に形成されて電源配線等として用いられる分布定数型の低損失伝送線路に関する。

従来、半導体ＩＣチップ上に形成される分布定数型の低損失伝送線路構造として、信号線の下方に平板形状の下方グランド配線を形成した断面構造が提案されている（例えば、非特許文献１など参照）。図６は、従来の低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。

この低損失伝送線路５０は、全体として、信号が流れる信号線５１の下方の絶縁体基板ＳＵＢ上に、信号線５１と対向して平板形状の下方グランド配線５２Ａを形成した構造を有し、信号線５１の両側方に、下方グランド配線５２Ａから信号線５１とほぼ等しい高さまで、下方グランド配線５２Ａと同電位の側壁グランド配線５２Ｂおよび側壁グランド配線５２Ｃを形成した、分布定数型の伝送線路である。

Y. Tsukui, Hiroki Asada, Changyo Han, Kenichi Okada, and Akira Matsuzawa, "Area reduction of Millimeter Wave CMOS Amplifier Using Narrow Transmission Line", Asia-Pasific Microwave Conference 2011, pp. 797-800

このような伝送線路構造を用いて、集積回路上の電源配線等で必要になるような所望の特性インピーダンスを有する低損失伝送線路を作成するためには、信号線の線路幅を大きくすることでグランド（接地）配線との容量を増やし、線路の特性インピーダンスＺ０≒√Ｌ／Ｃ（Ｌは単位長当たりのインダクタンス、Ｃは単位長当たりのキャパシタンス）の値を下げる必要があった。

しかしながら、このような従来の低損失伝送線路５０では、前述の図６に示したように、対向配置されている信号線５１と下方グランド配線５２Ａおよび側壁グランド配線５２Ｂ，５２Ｃとの間に発生する容量が主となる。このため、これら容量を増大させて線路の特性インピーダンスＺ０を下げるためには、信号線５１の線幅をより大きくする必要があり、結果として、低損失伝送線路５０全体を小型化できないという問題点があった。
また、従来技術によれば、信号線５１を流れる高周波信号が、信号線５１と対向配置されている下方グランド配線５２Ａ側の表皮部５１Ａに集中するため、高周波信号の流れる実効断面積は信号線幅×表皮深さ程度となり、さらなる低損失下の妨げとなるという問題点があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、さらなる小型化および低損失化が可能な分布定数型の低損失伝送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、本発明にかかる低損失伝送線路は、絶縁体を介して複数の配線層が積層された多層配線構造を用いて半導体基板上に形成された分布定数型の低損失伝送線路であって、前記配線層のうち１つ以上の中間配線層により形成された信号線と、前記絶縁体を介して前記信号線の下側に配置されて、前記配線層のうち前記中間配線層より下方に位置する１つ以上の下方配線層により形成された平板状の接地導体からなる下方グランド配線と、前記絶縁体を介して前記信号線の上側に配置されて、前記配線層のうち前記中間配線層より上方に位置する１つ以上の上方配線層により形成された平板状の接地導体からなる上方グランド配線と、前記絶縁体を介して前記信号線の左右に壁状に配置されて、前記配線層のうち前記下方配線層と前記上方配線層との間に位置する１つ以上の中間配線層により形成された壁状の接地導体からなる側壁グランド配線と、前記信号線を構成する前記中間配線層の一端部と前記側壁グランド配線を構成する前記中間配線層の一端部とが、上面視において前記絶縁体を介して互いに重なるオーバーラップ領域とを備えている。

また、本発明にかかる他の低損失伝送線路の一構成例は、前記信号線が、前記配線層のうち、前記絶縁体を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層からなるものである。

また、本発明にかかる他の低損失伝送線路の一構成例は、前記側壁グランド配線が、前記配線層のうち、前記絶縁体を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層からなり、前記信号線を構成する前記中間配線層とは前記絶縁体を介して絶縁されているものである。

また、本発明にかかる他の低損失伝送線路の一構成例は、前記下方グランド配線が、前記配線層のうちの最下層と、前記絶縁体を介して当該最下層上に続けて積層されてビアを介して当該最下層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、からなるものである。

また、本発明にかかる他の低損失伝送線路の一構成例は、前記上方グランド配線が、前記配線層のうちの最上層と、前記絶縁体を介して当該最上層下に続けて積層されてビアを介して当該最上層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、からなるものである。

本発明によれば、同じ信号線幅でも、周囲のグランド配線との間で、より大きな容量を得ることができ、低損失伝送線路のさらなる小型化および低損失化が可能となる。

第１の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。 本発明にかかる低損失伝送線路を同軸線路構造に近似させた断面構造を示す説明図である。 第２の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。 第３の実施の形態にかかる他の低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。 従来の低損失伝送線路の断面構造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低損失伝送線路１０について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。

本発明にかかる低損失伝送線路１０は、図１に示すように、全体として、導体と絶縁体とを用いて半導体基板ＳＵＢ上に形成された分布定数型の高周波伝送線路であり、半導体基板ＳＵＢ上に形成された接地導体からなる平板状の下方グランド配線１２Ａと、絶縁体１３を介して下方グランド配線１２Ａ上に形成された導体からなる信号線１１と、絶縁体１３を介して信号線１１の左右に形成された接地導体からなる壁状の側壁グランド配線１２Ｂ，１２Ｃと、絶縁体１３を介して信号線１１の上方に形成された接地導体からなる平板状の上方グランド配線１２Ｄとを備えている。

図２は、本発明にかかる低損失伝送線路を同軸線路構造に近似させた断面構造を示す説明図である。
すなわち、本発明にかかる低損失伝送線路１０は、図２に示すように、断面円形状の絶縁体１３の中心に形成された、断面円形状の導体からなる信号線１１と、絶縁体１３の外周面に形成された筒状の接地導体１２とを備える線路構造に近似することができる。

この際、信号線１１の直径をｄとし、絶縁体１３の直径をＤ、絶縁体１４の誘電率をεとした場合、低損失伝送線路１０の特性インピーダンスＺ０は、次の式（１）で求められる。

これにより、低損失伝送線路１０を形成する際のサイズパラメータとして、信号線幅や信号線とグランドとの間隔を調整することによって所望の特性インピーダンス線路を実現できる。

特に、本線路構造では、図１に示すように、信号線１１の上下左右方向に、グランド配線１２Ａ〜１２Ｄを配置しているため、前述した図６のような下左右方向にグランド配線を配置した線路構造と比較して、信号線−グランド間に形成される単位長さ当たりの容量を容易に大きくすることができる。このため、従来技術の線路構造に比べて、同じ信号線幅でも、より大きな容量を得ることができ、低損失伝送線路の小型化が可能となる。

また、本線路構造によれば、信号線１１の上下左右方向に、グランド配線１２Ａ〜１２Ｄを、信号線１１からほぼ等しい距離だけ離間して配置しているため、信号線１１を流れる高周波信号が、前述した図６のように、いずれか一方向に集中するのではなく、信号線１１の上下左右方向面に分散して流れるものとなる。このため、高周波信号の流れる実効断面積は信号線周囲長×表皮深さとなり、図６の線路構造に比べて導体損が低減され、低損失な伝送線路が形成可能となる。

一例として、図１に示した線路構造において、信号線幅６ｍｍ、信号線厚４ｍｍ、表皮深さ０．３ｍｍとした時の実効断面積は、図６に示した従来技術の断面構造において、信号線幅２０ｍｍ、表皮深さ０．３ｍｍとした時の実効断面積と同じとなる。したがって、この例によれば、同程度の導体損を得るために必要な信号線幅は、従来技術の断面構造と比較して７０％まで削減することが可能となる。

さらに、本線路構造は、信号線１１の周囲がグランド配線１２Ａ〜１２Ｄで囲まれているため、近接する別配線による近接効果を受けにくく、更なる導体損の抑制が可能である。また、一般的には、このような多層構造の場合、最上層配線を除く配線材料としてＣｕを用い、最上層配線の配線材料として酸化による金属の劣化を防ぐためにＡｌを用いることが多く、信号線１１の配線材料として、Ａｌ（あるいはＡｌ＋Ｃｕ）が用いられることが多いが、本線路構造では、信号線１１が最上位配線ではないことから、信号線１１の全てＣｕで形成できるため、Ａｌと比較して更なる導体損の低減が可能となる。

［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低損失伝送線路１０について説明する。図３は、第２の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。

第１の実施の形態にかかる低損失伝送線路１０について、絶縁体を介して配線層が積層された多層配線構造を用いた具体的構成例について説明する。
図３に示す低損失伝送線路１０は、全体として、絶縁体を介して複数の配線層が積層された多層配線構造を用いて半導体基板上に形成された分布定数型の低損失伝送線路である。

すなわち、低損失伝送線路１０は、配線層のうち１つ以上の中間配線層により形成された信号線１１と、絶縁体１３を介して信号線１１の下側に配置されて、配線層のうち中間配線層より下方に位置する１つ以上の下方配線層により形成された平板状の接地導体からなる下方グランド配線１２Ａと、絶縁体１３を介して信号線１１の上側に配置されて、配線層のうち中間配線層より上方に位置する１つ以上の上方配線層により形成された平板状の接地導体からなる上方グランド配線１２Ｄと、絶縁体１３を介して信号線１１の左右に壁状に配置されて、配線層のうち下方配線層と上方配線層との間に位置する１つ以上の中間配線層により形成された壁状の接地導体からなる側壁グランド配線１２Ｃ，１２Ｄとを備えている。

図３に示した線路構造において、信号線１１は、第３層から第６層までの４つの中間配線層とこれら中間配線層間を接続するビアとによって形成されており、これら中間配線層は、側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃを構成する中間配線層に対し、絶縁体１３を介して電気的に分離されている。

また、下方グランド配線１２Ａは、第１層と第２層とこれら配線層間を接続するビアとによって形成されており、側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃは、第３層から第６層までの４つの中間配線層とこれら中間配線層を下方グランド配線１２Ａおよび上方グランド配線１２Ｄに接続するビアとによって形成されており、上方グランド配線１２Ｄは、最上層によって形成されている。

なお、図３では、最下位に位置する第１層から最上位に位置する最上層までの７つの配線層を有し、これら配線層間に絶縁体をそれぞれ有する多層配線構造を例として説明したが、全配線層数については７層に限定されるものではない。また、これらグランド配線１２Ａ〜１２Ｄの構成に用いる配線層数やビア数についても、任意に変更可能である。

このように、信号線１１は、配線層のうち、絶縁体１３を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層から構成されている。
また、側壁グランド配線１２Ｂ，１２Ｃは、配線層のうち、絶縁体１３を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層からなり、信号線１１を構成する中間配線層とは絶縁体１３を介して絶縁されている。

また、下方グランド配線１２Ａは、配線層のうちの最下層と、絶縁体１３を介して当該最下層上に続けて積層されてビアを介して当該最下層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、から構成されている。
この際、上方グランド配線１２Ｄを、配線層のうちの最上層と、絶縁体１３を介して当該最上層下に続けて積層されてビアを介して当該最上層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、から構成してもよい。

これにより、絶縁体を介して複数の配線層が積層された多層配線構造を用いて半導体基板上に形成された分布定数型の低損失伝送線路において、第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、信号線１１が存在する各配線層において、信号線１１と側壁グランド配線１２Ｂ，１２Ｃとの間隔を、例えば半導体基板製造装置で許容されるような最小間隔まで狭めることにより、さらに大きな容量を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、図４および図５を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる低損失伝送線路１０について説明する。図４は、第３の実施の形態にかかる低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。図５は、第３の実施の形態にかかる他の低損失伝送線路の断面構造を示す説明図である。

第２の実施の形態にかかる線路構造との違いは、信号線１１を構成する中間層配線と、側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃを構成する中間層配線とが、上面視において交互に重なり合うオーバーラップ領域１４が形成されている点ある。

まず、図４の線路構造では、信号線１１を構成する中間層配線のそれぞれについて、配線幅は等しくし、その位置を上下層で交互にずらして形成したものである。具体的には、信号線１１のうち、第３層および第５層を側壁グランド配線１２Ｃに突出させて形成し、第４層および第６層を側壁グランド配線１２Ｂ側に突出させて形成してある。また、側壁グランド配線１２Ｂの第３層および第５層を信号線１１側に突出させて形成し、側壁グランド層１２Ｃの第４層および第６層を信号線１１側に突出させて形成してある。

すなわち、信号線１１と側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃとにおいて、それぞれの第３層および第５層が低損失伝送線路１０の中心から側壁グランド層１２Ｃ側にずれた位置に形成され、これとは逆にそれぞれの第４層および第６層が低損失伝送線路１０の中心から側壁グランド配線１２Ｂ側にずれた位置に形成されたことになる。これにより、オーバーラップ領域１４において、信号線１１と側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃと間の容量を増大させることができる。

また、図５の線路構造では、信号線１１を構成する中間層配線のうち、それぞれの配線幅を交互に変えて形成したものである。具体的には、信号線１１のうち、第３層および第５層を側壁グランド配線１２Ｂ側および側壁グランド配線１２Ｃ側に突出させて形成し、第４層および第６層を低損失伝送線路１０の中心側へ凹ませて形成してある。また、側壁グランド配線１２Ｂと側壁グランド配線１２Ｃの第３層および第５層を信号線１１側に突出させて形成してある。

すなわち、信号線１１において、第３層および第５層の配線幅を狭くするとともに、第４層および第６層の配線幅を広くし、側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃにおいて、第３層および第５層の配線幅を広くするとともに、第４層および第６層の配線幅を狭くしたことになる。これにより、オーバーラップ領域１４において、信号線１１と側壁グランド配線１２Ｂおよび側壁グランド配線１２Ｃと間の容量を増大させることができる。

これにより、第２の実施の形態と比較して、グランド−信号線間の容量が更に大きくなるため、所望の特性インピーダンスをもつ低インピーダンス伝送線路を更に小型に形成することができる。

［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。

１０…低損失伝送線路、１１…信号線、１２…グランド配線、１２Ａ…下方グランド配線、１２Ｂ…側壁グランド配線、１２Ｃ…側壁グランド配線、１２Ｄ…上方グランド配線、１３…絶縁体、１４…オーバーラップ領域。

Claims (5)

1. 絶縁体を介して複数の配線層が積層された多層配線構造を用いて半導体基板上に形成された分布定数型の低損失伝送線路であって、
   前記配線層のうち１つ以上の中間配線層により形成された信号線と、
   前記絶縁体を介して前記信号線の下側に配置されて、前記配線層のうち前記中間配線層より下方に位置する１つ以上の下方配線層により形成された平板状の接地導体からなる下方グランド配線と、
   前記絶縁体を介して前記信号線の上側に配置されて、前記配線層のうち前記中間配線層より上方に位置する１つ以上の上方配線層により形成された平板状の接地導体からなる上方グランド配線と、
   前記絶縁体を介して前記信号線の左右に壁状に配置されて、前記配線層のうち前記下方配線層と前記上方配線層との間に位置する１つ以上の中間配線層により形成された壁状の接地導体からなる側壁グランド配線と、
   前記信号線を構成する前記中間配線層の一端部と前記側壁グランド配線を構成する前記中間配線層の一端部とが、上面視において前記絶縁体を介して互いに重なるオーバーラップ領域と
   を備えることを特徴とする低損失伝送線路。
2. 請求項１に記載の低損失伝送線路において、
   前記信号線は、前記配線層のうち、前記絶縁体を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層からなることを特徴とする低損失伝送線路。
3. 請求項２に記載の低損失伝送線路において、
   前記側壁グランド配線は、前記配線層のうち、前記絶縁体を介して続けて積層されており、ビアを介して互いに電気的に接続された複数の中間配線層からなり、前記信号線を構成する前記中間配線層とは前記絶縁体を介して絶縁されていることを特徴とする低損失伝送線路。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の低損失伝送線路において、
   前記下方グランド配線は、前記配線層のうちの最下層と、前記絶縁体を介して当該最下層上に続けて積層されてビアを介して当該最下層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、からなることを特徴とする低損失伝送線路。
5. 請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の低損失伝送線路において、
   前記上方グランド配線は、前記配線層のうちの最上層と、前記絶縁体を介して当該最上層下に続けて積層されてビアを介して当該最上層と電気的に接続されている１つ以上の配線層と、からなることを特徴とする低損失伝送線路。

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