JP2008141474A

JP2008141474A - 高周波伝送線路

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Publication number: JP2008141474A
Application number: JP2006325581A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Nakajima; 健介中島; Tsuneji Tsutsumi; 恒次堤; Kenji Suematsu; 憲治末松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2008-06-19
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: JP4818894B2

Abstract

【課題】マイクロストリップ線路の高周波特性を劣化させることなく、シリコン半導体プロセスで実現可能な高周波伝送線路を得る。
【解決手段】シリコン半導体基板１０上に形成され、マイクロストリップ線路における接地導体を構成する金属薄膜２０と、金属薄膜２０上に形成され、マイクロストリップ線路における基板を構成する絶縁膜３０と、絶縁膜３０上に形成され、マイクロストリップ線路におけるストリップ導体を構成する金属厚膜４０とを備えた高周波伝送線路において、金属薄膜２０は、ストリップ導体の幅に相当する金属厚膜の幅方向の中心、かつ、金属厚膜の真下に複数のスリットからなる第１スリット群２１を有する
【選択図】図１

Description

本発明は、信号伝送線路に関し、特に、マイクロストリップ線路構造を有する高周波伝送線路に関する。

図７は、従来の信号伝送線路の構成図である。この信号伝送線路は、シリコン基板１０、金属薄膜（接地導体）２０、絶縁膜３０、および金属厚膜（ストリップ導体）４０で構成される（例えば、特許文献１参照）。

次に、このような構成を有する従来の高周波伝送線路の動作について説明する。
従来の発明による信号伝送線路は、接地導体を金属薄膜２０で構成し、基板を絶縁膜３０で構成し、ストリップ導体を金属厚膜４０で構成したマイクロストリップ線路構造を有する。図７におけるＸ方向がストリップ導体の幅方向、ｙ方向がストリップ導体の高さ方向に相当し、高周波信号は、Ｚ方向に伝搬する。Ｚ方向に伝搬する高周波信号の電磁界の多くは、マイクロストリップ線路の基板にあたる絶縁膜３０に分布する。

また、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、マイクロストリップ線路の基板にあたる絶縁膜３０の厚みと比誘電率、および、マイクロストリップ線路のストリップ導体にあたる金属厚膜４０の幅で決定される。

特開平５−３７２０７号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
従来の信号伝送線路は、マイクロストリップ線路を構成しているため、マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０を、シリコン基板１０上に広い面積にわたり、一様に設ける必要があった。しかしながら、シリコン半導体プロセスでは、金属膜の形成において、信頼性上、広い面積にわたって金属を一様に設けることができないという問題があった。その一方で、ある一定以上の占有率で金属膜が必要という問題もあった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、マイクロストリップ線路の高周波特性を劣化させることなく、シリコン半導体プロセスで実現可能な高周波伝送線路を得ることを目的とする。

本発明に係る高周波伝送線路は、シリコン半導体基板上に形成され、マイクロストリップ線路における接地導体を構成する金属薄膜と、金属薄膜上に形成され、マイクロストリップ線路における基板を構成する絶縁膜と、絶縁膜上に形成され、マイクロストリップ線路におけるストリップ導体を構成する金属厚膜とを備えた高周波伝送線路において、金属薄膜は、ストリップ導体の幅に相当する金属厚膜の幅方向の中心、かつ、金属厚膜の真下に複数のスリットからなる第１スリット群を有するものである。

本発明によれば、マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜の特定部分にスリットを設け、金属薄膜の面積を小さくすることにより、マイクロストリップ線路の高周波特性を劣化させることなく、シリコン半導体プロセスで実現可能な高周波伝送線路を得ることができる。

以下、本発明の高周波伝送線路の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における高周波伝送線路の構成図である。この図１の高周波伝送線路は、シリコン基板１０、金属薄膜（接地導体）２０、絶縁膜３０、および金属厚膜（ストリップ導体）４０で構成される。このような構成は、先の図７に示した従来の高周波伝送線路と基本構成としては同じである。

しかしながら、本実施の形態１における高周波伝送線路は、金属薄膜２０上に、複数のスリットからなる第１スリット群２１をさらに備えている点が異なっている。図１における第１スリット群２１は、金属厚膜４０の幅方向（図１におけるＸ方向に相当）の中心、かつ、真下の位置に相当する金属薄膜２０上に設けられている。

次に、このような構成を有する本実施の形態１の高周波伝送線路の動作について説明する。本実施の形態１における高周波伝送線路は、接地導体を金属薄膜２０で構成し、基板を絶縁膜３０で構成し、ストリップ導体を金属厚膜４０で構成したマイクロストリップ線路構造を有する。図１におけるＸ方向がストリップ導体の幅方向、Ｙ方向がストリップ導体の高さ方向に相当し、高周波信号は、Ｚ方向に伝搬する。Ｚ方向に伝搬する高周波信号の電磁界の多くは、マイクロストリップ線路の基板にあたる絶縁膜３０に分布する。

絶縁膜３０の厚みは、シリコン半導体プロセスで実現される数μｍから十数μｍ程度である。例えば、特性インピーダンス５０Ωのマイクロストリップ線路の場合、絶縁膜３０の比誘電率を５程度とすると、ストリップ導体幅は、１０μｍ程度となる。

マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０に設けられた第１スリット群２１は、マイクロストリップ線路のストリップ導体である金属厚膜４０の電流密度が最も低い中心部分の真下にのみ設けられている。このため、第１スリット群２１を設けた場合にも、マイクロストリップ線路の通過損失をはじめ、高周波特性の劣化を最小限に抑えることができる。

さらに、第１スリット群２１を設けることにより、金属薄膜２０の面積を小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。さらに、複数のスリットにより第１スリット群２１を構成し、各スリット間に連結部分を備えることにより、左右の電位差をなくすことができる。

以上のように、実施の形態１によれば、マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜の特定部分にスリットを設け、金属薄膜の面積を小さくすることにより、マイクロストリップ線路を伝搬する高周波信号の劣化を最小限に抑えることができるとともに、シリコン半導体プロセスで実現可能な高周波伝送線路を得ることができる。

実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２における高周波伝送線路の構成図である。図２に示した本実施の形態２における高周波伝送線路の構成は、図１に示した先の実施の形態１における高周波伝送線路の構成と比較すると、金属薄膜２０上に設けられた第１スリット群２２の形状が異なっている。図２において、図１と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

図２における第１スリット群２２は、金属厚膜４０の幅方向の中心、かつ、真下の位置に相当する金属薄膜２０上に設けられている。さらに、図２における第１スリット群２２のスリット幅（図２におけるＸ方向に相当）は、ストリップ導体にあたる金属厚膜４０の幅の半分以下であり、スリット長（図２におけるＺ方向に相当）は、金属厚膜４０の幅と同程度である。

マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０に設けられた第１スリット群２２は、このような寸法を有しており、マイクロストリップ線路のストリップ導体である金属厚膜４０の電流密度が最も低い中心部分の真下にのみ第１スリット群を設けることができる。このため、第１スリット群２２を設けた場合にも、マイクロストリップ線路の通過損失をはじめ、高周波特性の劣化を最小限に抑えることができる。

さらに、第１スリット群２２を設けることにより、金属薄膜２０の面積を小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。さらに、複数のスリットにより第１スリット群２２を構成し、各スリット間に連結部分を備えることにより、左右の電位差をなくすことができる。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１の効果に加え、改善された性能を達成するためのスリット幅、スリット長の上限値を規定することにより、スリットを有する金属薄膜の設計が容易となる。

実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３における高周波伝送線路の構成図である。図３に示した本実施の形態３における高周波伝送線路の構成は、図２に示した先の実施の形態２における高周波伝送線路の構成と比較すると、金属薄膜２０上に設けられたスリット群として、第１スリット群２２とともに、さらに、第２スリット群２２ａ、第３スリット群２２ｂを有している点が異なっている。図３において、図２と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

図３において、金属薄膜２０上の第１スリット群２２は、先の実施の形態２と同様に、金属厚膜４０の幅方向の中心、かつ、真下に設けられている。さらに、本実施の形態３においては、この第１スリット群２２の両側に、第１スリット群２２から金属厚膜４０の幅以上の間隔を空けて、第１スリット群２２の左右に第２スリット群２２ａおよび第３スリット群２２ｂがそれぞれ設けられている。

より具体的には、マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０に設けられた第１スリット群２２は、先の実施の形態２と同様に、マイクロストリップ線路のストリップ導体である金属厚膜４０の電流密度が最も低い中心部分の真下にのみ設けられている。このため、第１スリット群２２を設けた場合にも、マイクロストリップ線路の通過損失をはじめ、高周波特性の劣化を最小限に抑えることができる。

さらに、第１スリット群２２に加えて、第２スリット群２２ａ、第３スリット群２２ｂをさらに設けることにより、金属薄膜２０の面積をさらに小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。

以上のように、実施の形態３によれば、先の実施の形態２の効果に加え、第２スリット群、第３スリット群をさらに設けることにより、金属薄膜の面積をより小さくすることができ、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、シリコン半導体プロセスによる高周波伝送線路の製造の容易化が図れる。

なお、図３の構成は、図２の構成に対して第２スリット群、第３スリット群を付加した場合を示したが、図１の構成に対して第２スリット群、第３スリット群を付加することも可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図４は、本発明の実施の形態４における高周波伝送線路の構成図である。図４に示した本実施の形態４における高周波伝送線路の構成は、図２に示した先の実施の形態２における高周波伝送線路の構成と比較すると、金属薄膜２０の幅が金属厚膜４０の幅の２倍以上、３倍以下に制限されている点が異なっている。図４において、図２と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０に設けられた第１スリット群２２は、先の実施の形態２と同様に、マイクロストリップ線路のストリップ導体である金属厚膜４０の電流密度が最も低い中心部分の真下にのみ設けられている。このため、マイクロストリップ線路の通過損失をはじめ、高周波特性の劣化を最小限に抑えることができる。

さらに、本実施の形態４における金属薄膜２０の幅は、高周波特性を悪化させない許容範囲として、金属厚膜４０の幅の２倍以上、３倍以下に抑えられている。この結果、金属薄膜２０の面積をさらに小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。

以上のように、実施の形態４によれば、先の実施の形態２の効果に加え、金属薄膜の幅を規定することにより、金属薄膜の面積をより小さくすることができ、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、シリコン半導体プロセスによる高周波伝送線路の製造の容易化が図れる。

なお、図４の構成は、図２の構成に対して金属厚膜の幅を抑えた場合を示したが、図１の構成に対して金属厚膜の幅を抑えることも可能であり、同様の効果を得ることができる。

また、図４の構成は、図２の構成に対して金属厚膜の幅を抑えた場合を示したが、これに対してさらに、先の図３に示したように、第２スリット群、第３スリット群を付加することも可能であり、この場合には、先の実施の形態３で示した効果と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図５は、本発明の実施の形態５における高周波伝送線路の構成図である。図５に示した本実施の形態５における高周波伝送線路の構成は、図４に示した先の実施の形態４における高周波伝送線路の構成と比較すると、金属薄膜２０上に設けられた第１スリット群２３の形状が異なっている。図５において、図４と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

図５における第１スリット群２３は、複数のスリットが長方形ではなく、角をなくした楕円形状で構成されている。さらに、金属薄膜２０に設けられた第１スリット群２３は、先の実施の形態１〜４と同様に、金属厚膜４０の幅方向の中心、かつ、真下に設けられている。さらに、金属薄膜２０の幅は、先の実施の形態４と同様に、金属厚膜４０の幅の２倍以上、３倍以下に抑えられている。

マイクロストリップ線路の接地導体にあたる金属薄膜２０に設けられた楕円形状で構成された第１スリット群２３は、マイクロストリップ線路のストリップ導体である金属厚膜４０の電流密度が最も低い中心部分の真下にのみ設けられている。このため、マイクロストリップ線路の通過損失をはじめ、高周波特性の劣化を最小限に抑えることができる。さらに、スリットに角がないため、電流密度の不連続点をなくすことができる。

また、本実施の形態５における金属薄膜２０の幅は、先の実施の形態４と同様に、高周波特性を悪化させない許容範囲として、金属厚膜４０の幅の２倍以上、３倍以下に抑えられている。この結果、金属薄膜２０の面積をさらに小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。

以上のように、実施の形態５によれば、先の実施の形態４の効果に加え、スリットを楕円形状とすることにより、電流密度の不連続点をなくすことができ、より良好な高周波特性を実現できる。

なお、図５の構成は、図４の構成に対してスリットを楕円形状とした場合を示しているが、図１〜図３の構成に対しても楕円形状のスリットを適用することが可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態６．
図６は、本発明の実施の形態６における高周波伝送線路の構成図である。図６に示した本実施の形態６における高周波伝送線路の構成は、図５に示した先の実施の形態５における高周波伝送線路の構成と比較すると、接地導体の構造が、金属薄膜２０だけではなく、積層金属薄膜２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂと、ビア２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂと、接地導体用金属厚膜４０ａ、４０ｂとの組合せからなる多層構造を備えている点で異なっている。図６において、図５と同一符号は、同一または相当部分を示すものであり、説明を省略する。

図６に示すように、積層金属薄膜２４ａ、２４ｂは、絶縁膜３０を挟んで金属薄膜２０の左右両端の上部にそれぞれ設けられており、ビア２６ａ、２６ｂにより金属薄膜２０と接続されている。さらに、この積層金属薄膜２４ａ、２４ｂは、金属厚膜４０と金属薄膜２０との離隔距離（図６におけるｄ）に相当する距離だけ、金属厚膜４０から絶縁膜３０を挟んで離隔されて配置されている。

また、積層金属薄膜２５ａ、２５ｂは、絶縁膜３０を挟んで積層金属薄膜２４ａ、２４ｂのそれぞれの上部に設けられており、ビア２７ａ、２７ｂにより積層金属薄膜２４ａ、２４ｂのそれぞれと接続されている。さらに、この積層金属薄膜２５ａ、２５ｂは、金属厚膜４０と金属薄膜２０との離隔距離に相当する距離だけ、金属厚膜４０から絶縁膜３０を挟んで離隔されて配置されている。

また、接地導体用金属厚膜４０ａ、４０ｂは、絶縁膜３０を挟んで積層金属薄膜２５ａ、２５ｂのそれぞれの上部であり、かつ金属厚膜４０と同一平面上で金属厚膜４０を挟む形で左右に設けられており、ビア２８ａ、２８ｂにより積層金属薄膜２５ａ、２５ｂのそれぞれと接続されている。さらに、この接地導体用金属厚膜４０ａ、４０ｂは、金属厚膜４０と金属薄膜２０との離隔距離に相当する距離だけ、金属厚膜４０から離隔されて配置されている。

このように構成することにより、多層構造による接地導体を形成することができ、なおかつ、金属厚膜４０と金属薄膜２０との離隔距離に相当する距離だけ金属厚膜４０から離隔した状態で、金属厚膜４０の周りをこの多層構造による接地導体で取り囲むことができる。

この結果、接地導体としての役目を果たす各層の金属膜の占有率を増やすことができ、金属厚膜４０を接地導体で取り囲んだ同軸線路構造を実現できる。さらに、第１スリット群２３の効果に加え、積層構造を採用することにより、それぞれの金属薄膜の面積を小さくすることができることから、広い面積にわたって金属を一様に設ける必要がなくなり、金属膜の形成が容易になる。

以上のように、実施の形態６によれば、先の実施の形態５の効果に加え、多層構造を有する接地導体で金属厚膜を取り囲むことにより、同軸線路構造を有する高周波伝送線路を実現でき、ノイズに強い伝送線路を形成できる。

なお、上述の実施の形態６では、積層された金属膜が３層である場合を示したが、３層に限らない。必要に応じて、２層、あるいは４層以上の積層構造を適用することができ、同様の効果を得ることができる。

また、図６の構成は、図５の構成に対して積層構造化された接地導体を適用する場合を示しているが、図１〜図４の構成に対しても積層構造化された接地導体を適用することが可能であり、同様の効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における高周波伝送線路の構成図である。本発明の実施の形態２における高周波伝送線路の構成図である。本発明の実施の形態３における高周波伝送線路の構成図である。本発明の実施の形態４における高周波伝送線路の構成図である。本発明の実施の形態５における高周波伝送線路の構成図である。本発明の実施の形態６における高周波伝送線路の構成図である。従来の信号伝送線路の構成図である。

符号の説明

１０シリコン基板（シリコン半導体基板）、２０金属薄膜（接地導体）、２１、２２、２３第１スリット群、２２ａ第２スリット群、２２ｂ第３スリット群、２４ａ、２４ｂ、２５ａ、２５ｂ積層金属薄膜（接地導体）、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂビア、３０絶縁膜（基板）、４０金属厚膜（ストリップ導体）、４０ａ、４０ｂ接地導体用金属厚膜。

Claims

シリコン半導体基板上に形成され、マイクロストリップ線路における接地導体を構成する金属薄膜と、
前記金属薄膜上に形成され、前記マイクロストリップ線路における基板を構成する絶縁膜と、
前記絶縁膜上に形成され、前記マイクロストリップ線路におけるストリップ導体を構成する金属厚膜と
を備えた高周波伝送線路において、
前記金属薄膜は、前記ストリップ導体の幅に相当する前記金属厚膜の幅方向の中心、かつ、前記金属厚膜の真下に複数のスリットからなる第１スリット群を有する
ことを特徴とする高周波伝送線路。
請求項１に記載の高周波伝送線路において、
前記金属薄膜に設けられた前記第１スリット群は、スリット幅が前記金属厚膜の幅の半分以下であり、スリット長が前記金属厚膜の幅と同等である複数のスリットで構成されることを特徴とする高周波伝送線路。
請求項１または２に記載の高周波伝送線路において、
前記第１スリット群を構成する前記複数のスリットは、楕円形状であることを特徴とする高周波伝送線路。
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高周波伝送線路において、
前記金属薄膜は、前記第１スリット群の左右両側に、前記金属厚膜の幅以上の間隔を空けて、前記第１スリット群と同寸法で構成された第２スリット群、第３スリット群をさらに有することを特徴とする高周波伝送線路。
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波伝送線路において、
前記金属薄膜の幅は、前記金属厚膜の幅の２倍以上、３倍以下であることを特徴とする高周波伝送線路。
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の高周波伝送線路において、
前記金属薄膜の左右両端においてビアを介して接続され、前記金属厚膜と前記金属薄膜との離隔距離に相当する距離だけ前記金属厚膜から離隔され、前記金属薄膜の左右両端の上部に積層構造化されて設けられた積層金属薄膜と、
前記積層金属薄膜のそれぞれとビアを介して接続され、前記金属厚膜と前記金属薄膜との離隔距離に相当する距離だけ前記金属厚膜から離隔され、前記金属厚膜と同一平面上の左右に設けられた接地導体用金属厚膜と
をさらに備えることを特徴とする高周波伝送線路。