JPH10505202A - 能動マイクロ波素子及び少なくとも１つの受動素子を備えた集積回路構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高抵抗のシリコン基板（１１）は能動マイクロ波素子（１６）と、絶縁層（１３）によって互いに絶縁された少なくとも２つの金属化面（１２、１４）とを有する。一方の金属化面（１２）の接地線路（１２２）によって取囲まれて、一方の金属化面（１２）に形成された第１の金属構造体（１２１）と他方の金属化面（１４）に形成された第２の金属構造体（１４１）とを含む受動素子が設けられる。この受動素子は特にコンデンサ、コイル、又はコンデンサとコイルとを含む共振器として形成される。

Description

【発明の詳細な説明】 能動マイクロ波素子及び少なくとも１つの受動素子を備えた集積回路構造 しばしばミリメートル波回路とも称されるマイクロ波回路には能動マイクロ波 素子の他に受動素子が必要である。フィルタを構成するのに使用される例えばコ ンデンサ又はコイルは受動素子と称される。 能動マイクロ波素子によって放出された周波数スペクトルから狭い高周波帯を 選択するためにはさらに共振器が必要である。 能動マイクロ波素子として、通常、インパットダイオード、ガンダイオード又 は高速トランジスタ、特にヘテロバイポーラトランジスタ及び高周波ＭＯＳトラ ンジスタが使用される。 特に５０ＧＨｚ以上の高周波数でマイクロ波回路を駆動すると、受動素子の幾 何学的形状に起因して寄生効果が生じる。これによってコイル及びコンデンサは もはやコイル及びコンデンサとして振る舞わなくなる。 この周波数範囲に対してフィルタは大抵線路延長素子として構成される。その 場合線路は中断され、それにより間隙が生じる。波の伝播方向へのこの間隙の長 さがλ／２である場合、波長λの波は通過し、一方他の波長は間隙で反射される 。この種の線路延長素子の所要スペースは波長、従って周波数に依存する。 共振器としてこの周波数範囲ではスロット共振器又はプレーナ状円板共振器が 使用される。λ／２の整数倍に相当する広がりを持つ線路内ギャップもスロット 共振器と称されている。インピーダンス上の理由からその場合はλの整数倍の広 がりを持つギャップが好まれている。従って、スロット共振器の寸法は波長に依 存する。 線路断面の円板状拡大もプレーナ状円板共振器と称されている。この種の円板 の所定断面に対して共振が発生する。 マイクロ波回路は大抵従来のストリップ線路テクノロジーによって構成される （例えば刊行物「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ ｍｉｃｒｏｗａｖ ｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ」１９９１年発行、第３９巻 、 第５号第７５９頁〜第７６７頁に掲載されたエッチ・エッチ・マイネルの論文「 Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−Ｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｄｖａｎｃｅｓ ｓｉｎｃｅ １９８５ ａｎｄ Ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ」参照）。ストリ ップ線路テクノロジーではストリップ線路と接地金属板との間を電磁界が伝播す る。その場合、接地金属板とストリップ線路とは絶縁性基板、例えばプリント板 の対向する表面上に配置される。ストリップ線路の実装密度は電磁界の横方向成 分によって制限される。さらに、ストリップ線路のインピーダンスは基板の厚み に強く依存し、それゆえ基板の厚みの変動が擾乱的に影響する。 この基板厚みの変動の問題は、例えば刊行物「ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉ ｏｎ ｏｎ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｓ」１９８３年発行、第ＭＴＴ−３１巻、第７号第５５８頁〜第５６５頁に掲載 されたディー・エフ・ウイリアムズ等の論文「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｐｅｒｆ ｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｐｌａｎａｒ ｗａｖｅ ｇｕｉｄｅ ｂａｎｄｐ ａｓｓ ｆｉｌｔｅｒｓ」から公知のように、共面線路の使用によって回避され る。大抵高抵抗のＧａＡｓから成る絶縁性基板上に線路が配置され、この線路は 接地線路間を延びる。電磁界はこの論文では線路と接地線路との間を伝播する。 基板は主として機械的安定化に使われる。 ＧａＡｓ基板上には線路が電気メッキ技術を使用して作られ、比較的粗く構造 化可能である。このようにして５μｍ以上の構造寸法を持つ構造体を製造するこ とができる。 多くの高周波用途、例えばドップラーレーダ用にハイブリット構造物が使用さ れる。 本発明の課題は、５０ＧＨｚ以上の周波数に対して使用可能でありしかも従来 技術に比較して素子の所要スペースを大幅に減少できるような能動マイクロ波素 子及び受動素子を備えた集積回路構造を提供することにある。 この課題は本発明によれば請求項１に記載された集積回路構造によって解決さ れる。本発明の実施態様は請求項２以降に記載されている。 集積回路構造は高抵抗の単結晶シリコンから成る基板上に構成される。この基 板は特に１０００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する。この種のシリコン基板は改善さ れた結晶成長法に基づいてつい最近から市販されるようになった。 基板は能動マイクロ波素子、特にインパットダイオード、ガンダイオード、ヘ テロバイポーラトランジスタ、又は高速ＭＯＳトランジスタを含む。基板はさら に絶縁層によって互いに絶縁された少なくとも２つの金属化面を備える。受動素 子は両金属化面における金属構造体によって実現される。一方の金属構造体はこ の金属構造体と同じ金属化面に実現された接地線路間に配置される。それゆえ本 発明による回路構造は共面構成される。 本発明の１つの実施態様によれば、受動素子はコンデンサとして形成される。 その場合、一方の金属化面にはコンデンサの第１の電極が配置され、他方の金属 化面にはコンデンサの第２の電極が配置される。コンデンサの第１の電極と第２ の電極とはオーバーラップしている。両電極間に配置された絶縁層は誘電体を形 成する。コンデンサ電極と他方の金属化面にそれぞれ実現された線路構造体との 接触化は絶縁層内の接触孔内に充填された接触部によって行われる。 本発明の他の実施態様によれば、受動素子はコイルとして形成される。このた めに、一方の金属化面には第１の金属構造体が渦巻き形に配置された導体路とし て形成される。これに関連して個々の各ターンが円形断面を有する配置、ならび に個々の各ターンが矩形断面、特に四角形断面を有する配置も渦巻き形と称され る。渦巻き形に配置された導体路は第１の金属面に同様に実現された接地線路に よって取囲まれる。第２の金属面には少なくとも第１の金属構造体の中央部から この第１の金属構造体の縁部まで延びる第２の金属構造体が設けられる。この第 ２の金属構造体は例えば直線状小片として形成される。接触部で充填された接触 孔を介して、第２の金属構造体は第１の金属構造体に電気的に接続される。接触 孔が渦巻き形に配置された導体路の中央部に配置されると有利である。 それゆえコイルは平坦状に形成され、その場合コイルの一方の接続端子は第２ の金属構造体を介してコイルから導出される。この実施態様において、渦巻き形 に配置された導体路の幅は、この幅が電磁界の発生する波長より小さくなるよう に選定される。 本発明の別の実施態様によれば、集積回路構造は、一方がコンデンサとして形 成されかつ他方がコイルとして形成された２つの受動素子を含む。例えば７７Ｇ Ｈｚの周波数用に設計された本発明による共振器は長さが約１５０μｍであり、 所要スペースが１００μｍ²以下である。これに対して、共面テクノロジーで製 造された７７ＧＨｚ用スロット共振器は１４００μｍの長さを有する。 受動素子は本発明による回路構造においては２つの金属化面に配置された金属 構造体から構成されるので、金属構造体における構造幅はシリコンプロセス技術 で金属化面を構造化する際に達成可能な分解能によって与えられる。約１μｍの 構造幅は技術的に容易に達成可能である。 本発明による集積回路構造の他の利点は、基板に付加的に別のデバイス、特に 駆動・評価電子回路ならびにディジタル処理を行うための電子回路を集積するこ とができる点にある。 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。 図１及び図２はコイルを備えた回路装置の平面図及び断面図である。 図３及び図４はコンデンサを備えた回路装置の平面図及び断面図である。 図５及び図６はコンデンサを備えた回路装置の平面図及び断面図である。 図７及び図８は共振器を備えた回路装置の平面図及び横断図である。 例えば１０００Ωｃｍの比抵抗を有する高抵抗の単結晶シリコンから成る基板 １１上には、第１の金属化面１２、絶縁層１３及び第２の金属化面１４が配置さ れている（図１及び図２参照、図２は図１においてＩＩ−ＩＩで表された断面を 示す）。絶縁層１３は理解し易くするために図１には示されていない。 第１の金属化面１２は第１の金属構造体１２１及び接地線路１２２を含んでい る。この第１の金属化面１２は１μｍの層厚を有する金属、例えばアルミニウム 、金、タングステン又はドープされたポリシリコンから構成されている。 第１の金属構造体１２１は渦巻き形に配置された導体路として形成されており 、その場合導体路幅は約１０μｍである。隣接するターン間には絶縁体、例えば 空気又は絶縁層１３の一部が配置されている。 第１の金属構造体１２１は接地線路１２２間に配置されている。この接地線路 １２２は例えば５０μｍ以上の幅を有する。 絶縁層１３はＳｉＯ₂及び／又はＳｉ₃Ｎ₄から成り、約２μｍの層厚で第１の 金属化面１２の上に析出される。この絶縁層１３上には約１μｍの層厚の金属、 例えばアルミニウム、金、タングステン又はドープされたポリシリコンから形成 された第２の金属化面１４が設けられている。この第２の金属化面１４には第１ の金属構造体１２１の上方に延在する第２の金属構造体１４１が形成されている 。この第２の金属構造体１４１は、例えば、第１の金属構造体１２１の中央部か らこの第１の金属構造体１２１の縁部に達する直線状小片として形成されている 。例えばアルミニウム、金、タングステン又はドープされたポリシリコンから成 る接触部１５１を充填された接触孔１５を介して、第２の金属構造体１４１は第 １の金属構造体１２１に電気的に接続されている。この接触孔１５は第１の金属 構造体１２１のほぼ中央部に配置されている。 基板１１には能動マイクロ波素子（例えばインパットダイオード又は高速トラ ンジスタ）１６が配置されており、この能動マイクロ波素子１６は第１の金属化 面１２に実現された接続端子１６１が第１の金属構造体１２１に電気的に接続さ れている。紙面の外ではこの能動マイクロ波素子１６の第２の接続端子が接地線 路１２２に接続されている。 例えば１０００Ωｃｍの比抵抗を有する高抵抗の単結晶シリコンから成る基板 ２１には、第１の金属化面２２、絶縁層２３及び第２の金属化面２４が配置され ている（図３及び図４参照、図４は図３においてＩＶ−ＩＶで表された断面を示 す）。 第１の金属化面２２は第１の電極２２１及び接地線路２２２を含み、接地線路 ２２２間に第１の電極２２１が配置されている。この第１の金属化面２２は１μ ｍの層厚で金属、例えばアルミニウム、金、タングステン又はドープされたポリ シリコンから形成されている。第１の電極２２１は例えば２５μｍの幅を有する 。接地線路２２２は例えば５０μｍ以上の幅を有する。 絶縁層２３はＳｉＯ₂及び／又はＳｉ₃Ｎ₄から成り、例えば約２μｍの層厚で 第１の金属化面２２上に作られている。 第２の金属化面２４は第１の電極２２１と側部でオーバーラップしている第２ の電極２４１を含んでいる。この第２の電極２４１は接地線路２２２上にまで達 している。 第２の金属化面２４は例えば１μｍの層厚を有し、金属、例えばアルミニウム 、 金、タングステン又はドープされたポリシリコンから構成されている。理解し易 くするために図３の平面図には示されていない絶縁層２３は２μｍの厚みを有し 、ＳｉＯ₂及び／又はＳｉ₃Ｎ₄から構成されている。 第２の電極２４１が接地線路２２２とオーバーラップする領域には第１の電極 ２２１の両側にそれぞれ接触孔２５が配置されている。この接触孔は例えばアル ミニウム、金、タングステン又はドープされたポリシリコンから成る接触部２５ １で充填されている。この接触部２５１を介して、第２の電極２４１は接地線路 ２２２に電気的に接続されている。 第１の電極２２１と、第２の電極２４１と、それらの両電極間に配置されコン デンサ誘電体として作用する絶縁層２３とは１つのコンデンサを形成し、その第 ２の電極２４１は接地されている。 図３及び図４に示された部分の外では基板２１に能動マイクロ波素子が集積さ れている。 例えば１０００Ωｃｍの比抵抗を有する高抵抗の単結晶シリコンから成る基板 ３１には、第１の金属化面３２、絶縁層３３及び第２の金属化面３４が配置され ている（図５及び図６参照、図６は図５においてＶＩ−ＶＩで表された断面を示 す）。 第１の金属化面３２は金属、例えばアルミニウム、金、タングステン又はドー プされたポリシリコンから構成され、例えば１μｍの厚みを有する。この第１の 金属化面３２は第１の電極３２１及び接地線路３２２を含み、接地線路３２２間 に第１の電極３２１が配置されている。接地線路３２２は例えば５０μｍ以上の 幅を有する。 絶縁層３３は例えばＳｉＯ₂及び／又はＳｉ₃Ｎ₄から構成され、例えば２μｍ の厚みを有する。この絶縁層は理解し易くするために図５の平面図には示されて いない。 第２の金属化面３４は金属、例えばアルミニウム、金、タングステン又はドー プされたポリシリコンから構成され、例えば１μｍの厚みを有する。この第２の 金属化面３４は第１の電極３２１の上方に配置されこの第１の電極３２１と部分 的にオーバーラップする第２の電極３４１を含んでいる。 第１の金属化面３２にはさらに線路片３２３が実現されており、この線路片と 第１の電極３２１との間には約１５μｍの間隔が形成されている。第２の電極３ ４１はこの間隔の上方に配置され、線路片３２３と部分的にオーバーラップして いる。第２の電極３４１が線路片３２３とオーバーラップする領域には接触孔３ ５が配置され、この接触孔３５は例えばアルミニウム又はタングステンから成る 接触部３５１で充填されている。この接触部３５１を介して、第２の電極３４１ は線路片３２３に電気的に接続されている。 第１の電極３２１と、第２の電極３４１と、それらの両電極間に配置されコン デンサ誘電体を形成する絶縁層３３とは１つのコンデンサを形成する。このコン デンサは第１の金属化面３２内の線路片３２３及び第１の電極３２１を介して接 続可能である。 図５及び図６に示された部分の外では基板３１に能動マイクロ波素子が集積さ れている。 例えば１０００Ωｃｍ以上の比抵抗を有する高抵抗の単結晶シリコンから成る 基板４１上には、第１の金属化面４２、絶縁層４３及び第２の金属化面４４が配 置されている（図７及び図８参照、図８は図７においてＶＩＩＩ−ＶＩＩＩで表 された断面を示す）。 第１の金属化面は第１の線路片４２１、渦巻き形に配置された導体路４２２、 第１のコンデンサ電極４２３、第２の線路片４２４、基板４１に集積されたマイ クロ波素子４６用の第１の接続端子４２５、ならびに接地線路４２６を含んでい る。この接地線路間に、第１の線路片４２１、渦巻き形に配置された導体路４２ ２、第１のコンデンサ電極４２３、第２の線路片４２４及び第１の接続端子４２ ５が配置されている。渦巻き形に配置された導体路４２２は約１０μｍの構造寸 法を有する。この渦巻き形に配置された導体路４２２の個々のターンは四角形断 面を有する。第１の金属化面４２は金属、例えばアルミニウム、タングステン又 は金から構成され、例えば１μｍの厚みを有する。導体路４２２は例えば２μｍ の幅を有する。 絶縁層４３は例えばＳｉＯ₂及び／又はＳｉ₃Ｎ₄から構成され、第１の金属化 面４２の上に例えば２μｍの厚みを有する。この絶縁層は理解し易くするため に図７には示されていない。 第２の金属化面４４は接続端子４４１及び第２のコンデンサ電極４４２を含ん でいる。接続端子４４１は渦巻き形に配置された導体路４２２の上方に配置され ている。この接続端子は少なくとも、渦巻き形に配置された導体路４２２の中央 部から第１の線路片４２１に至る領域とオーバーラップしている。絶縁層４３内 の接触孔内に配置された第１の接触部４５１を介して、第１の線路片４２１は接 続端子４４１に電気的に接続されている。絶縁層内に配置された接触孔内に配置 された第２の接触部４５２を介して、接続端子４４１は第１の金属化面４２内の 渦巻き形に配置された導体路４２２に電気的に接続されている。この接続端子４ ４１を介して、渦巻き形に配置された導体路４２２は第１の線路片４２１に電気 的に接続されている。 第２のコンデンサ電極４４２は第１のコンデンサ電極４２３の上方に配置され ている。この第２のコンデンサ電極４４２は第１のコンデンサ電極４２３を越え て側方へ突出し、第２の線路片４２４上にまで達している。第２のコンデンサ電 極４４２は、第１の金属化面４２において第１のコンデンサ電極４２３と第２の 線路片４２４との間に形成された空隙より突出している。 第２のコンデンサ電極４４２が第２の線路片４２４上に突出する領域では接触 孔内に第３接触部４５３が配置されている。この第３接触部４５３を介して、第 ２のコンデンサ電極４４２は第２の線路片４２４に電気的に接続されている。 渦巻き形に配置された導体路４２２は第１のコンデンサ電極４２３に電気的に 接続され、それにより渦巻き形に配置された導体路４２２と接続端子４４１とか ら形成されたコイルは第１の線路片４２１と第１のコンデンサ電極４２３との間 に接続される。第１のコンデンサ電極４２３と、第２のコンデンサ電極４４２と 、それらの両電極間に配置された絶縁層４３とは、コイルと第２の線路片４２４ とに直列接続されたコンデンサを形成する。第２の線路片４２４は能動マイクロ 波素子（例えばインパットダイオード又は高速トランジスタ）４６の第１の接続 端子４２５に電気的に接続されている。マイクロ波素子４６の第２の接続端子は 図７及び図８には示されていないが、接地線路４２６に接続されている。 図７及び図８に基づいて説明したコイル、コンデンサ及びマイクロ波素子を備 えた回路装置はコイル及びコンデンサが共振器として作用する共面直列共振回路 を形成する。７７ＧＨｚで駆動する場合の共振器の所要スペースは１００μｍ² 以下である。共振器の長さは約１５０μｍであり、７７ＧＨｚで駆動する場合の スロット共振器に必要な長さ１４００μｍより著しく短い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．能動マイクロ波素子（１６）を含む高抵抗の単結晶シリコンから成る基板（ １１）が設けられ、この基板（１１）は絶縁層（１３）によって互いに絶縁され た第１の金属化面（１２）及び第２の金属化面（１４）を少なくとも含み、受動 素子は第１の金属化面（１２）に形成された第１の金属構造体（１２１）と第２ の金属化面（１４）に形成された第２の金属構造体（１４１）とを少なくとも含 み、第１の金属構造体（１２１）は同じ金属化面（１２）に形成された接地線路 （１２２）間に配置されることを特徴とする能動マイクロ波素子及び少なくとも １つの受動素子を備えた集積回路構造。 ２．受動素子はコイルとして形成され、第１の金属構造体（１２１）は接地線路 （１２２）によって取囲まれ渦巻き形に配置された導体路として形成され、第２ の金属構造体（１４１）は少なくとも第１の金属構造体（１２１）の中央部から この第１の金属構造体（１２１）の縁部にまで延び、第２の金属構造体（１４１ ）は接触部（１５１）を充填された絶縁層（１３）内の接触孔（１５）を介して 第１の金属構造体（１２１）に電気的に接続されていることを特徴とする請求項 １記載の回路構造。 ３．受動素子はコンデンサとして形成され、第１の金属構造体（２２１）及び第 ２の金属構造体（２４１）はコンデンサの第１の電極及び第２の電極を形成し、 オーバーラップしていることを特徴とする請求項１記載の回路構造。 ４．第１の電極（２２１）は接地線路（２２２）間を延びる信号線の一部として 形成され、第２の電極（２４１）は接触部（２５１）を備えた絶縁層（２３）内 の２つの接触孔（２５）を介して信号線の両側で接地線路（２２２）に電気的に 接続されていることを特徴とする請求項３記載の回路構造。 ５．第１の電極（３２１）は接地線路（３２２）間を延びる信号線の一部として 形成され、信号線は空隙によって中断され、第２の電極（３４１）は空隙とオー バーラップし、接触部（３５１）を充填された絶縁層（３３）内の接触孔（３５ ）を介して空隙の第１の電極（３２１）とは反対側の側部で信号線（３２３）に 電気的に接続されていることを特徴とする請求項３記載の回路構造。 ６．一方はコイルとして形成されかつ他方はコンデンサとして形成された２つの 受動素子が設けられ、コンデンサは一方が一方の金属化面（４２）に形成されか つ他方が他方の金属化面（４４）に形成された２つの電極（４２３、４４２）を 含み、コイルは一方の金属化面に渦巻き形に配置された導体路（４２２）を含み 、この渦巻き形に配置された導体路（４２２）は接触部（４５２）を備えた絶縁 層（４３）内の接触孔を介して他方の金属化面（４４）に形成された接続端子（ ４４１）に接続され、この接続端子（４４１）は渦巻き形に配置された導体路（ ４２２）を横切るように延びることを特徴とする請求項１記載の回路構造。 ７．コイル、コンデンサ及び能動マイクロ波素子は信号線に沿って直列に接続さ れ、コイルとコンデンサとが共振器を形成することを特徴とする請求項６記載の 回路構造。 ８．第１の金属化面（４２）にはこの第１の金属化面（４２）の接地線路間を延 びる第１の線路片（４２１）及び第２の線路片（４２４）が配置され、コイルの 渦巻き形に配置された導体路（４２２）は第１の金属化面（４２）において第１ の線路片（４２１）と第２の線路片（４２４）との間に配置され、コイルの接続 端子（４４１）は第２の金属化面（４４）に配置され、しかも接触孔に配置され た第１の接触部（４５１）を介して第１の線路片（４２１）に電気的に接続され かつ接触孔に配置された第２の接触部（４５２）を介してコイル中央部の領域で コイルの渦巻き形に配置された導体路（４２２）に電気的に接続され、第１の金 属化面（４２）には渦巻き形に配置された導体路（４２２）と第２の線路片（４ ２４）との間にコンデンサの第１のコンデンサ電極（４２３）が配置されて、コ イルの渦巻き形に配置された導体路（４２２）に電気的に接続され、第２の金属 化面（４４）には第１のコンデンサ電極（４２３）とオーバーラップするコンデ ンサの第２のコンデンサ電極（４４２）が配置されて、第３接触部（４５３）を 介して第２の線路片（４２４）に接続され、能動マイクロ波素子（４６）の第１ の接続端子（４２５）は線路片（４２１、４２４）の一方に電気的に接続されか つ能動マイクロ波素子（４６）の第２の接続端子は接地線路（４２６）に電気的 に接続されていることを特徴とする請求項７記載の回路構造。 ９．能動マイクロ波素子はインパットダイオード、ガンダイオード、ヘテロバイ ポーラトランジスタ又は高周波ＭＯＳトランジスタとして形成されていることを 特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の回路構造。 １０．高抵抗の基板は少なくとも１０００Ωｃｍの比抵抗を有することを特徴と する請求項１乃至９の１つに記載の回路構造。