Brevet FR2885735A1 — publié le 20061117

Circuit intégré guide d'ondes. La présente invention relève du domaine des circuits intégrés, plus particulièrement des circuits intégrés équipés de guides d'ondes pour la propagation d'ondes radio, par exemple à des fréquences supérieures à 1 GHz et pouvant aller jusqu'à quelques dizaines ou quelques centaines de GHz. De façon connue en soi, un circuit intégré comprend un substrat, massif ou sur un isolant, dans lequel sont formées des parties actives, notamment des transistors, et un ensemble d'interconnexions au dessus du substrat. L'ensemble d'interconnexions comprend une pluralité de niveaux de métallisation chacun pourvu de lignes conductrices disposées dans un plan, et une pluralité de couches diélectriques alternées avec les niveaux de métallisation et traversées par des vias conducteurs assurant une connexion électrique entre deux niveaux de métallisation adjacents. Ce type de circuit intégré est conçu pour la transmission de signaux électriques et est mal adapté à la transmission d'ondes électromagnétiques. Un but de l'invention est de pouvoir former un guide d'ondes 20 ayant une faible constante d'atténuation du signal et un circuit intégré de technologie avancée. Le circuit intégré comprend une pluralité de niveaux de métallisation et de couches diélectriques, un niveau de métallisation étant disposé entre deux couches diélectriques, une région diélectrique épaisse disposée audessus d'au moins deux niveaux de métallisation et latéralement au voisinage d'une pluralité de niveaux de métallisation, la partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique formant un écran, et un ruban conducteur disposé sur la région diélectrique, de façon que la région diélectrique forme un guide d'ondes. La région diélectrique est entourée sur trois côtés par des niveaux de métallisation et sur le côté supérieur par le ruban conducteur, d'où une concentration des lignes de champ magnétique dans la région diélectrique et une excellente transmission du signal dans ladite région diélectrique. Avantageusement, ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique est mise à la masse. Une pluralité de vias peuvent être disposés entre ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique. Des vias formés dans une couche diélectrique connectent électriquement deux niveaux de métallisation voisins et améliorent la mise au même potentiel de ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique. Avantageusement, les niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique sont mis à la masse. Une pluralité de vias peuvent être disposés entre lesdits niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique. Dans un mode de réalisation, ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique comprend une pluralité d'éléments métalliques semblables, connectés les uns aux autres en lignes et colonnes. Le guide bénéficie ainsi d'un écran équipotentiel. Les niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique peuvent comprendre une pluralité d'éléments métalliques semblables connectés les uns aux autres en lignes et colonnes. Dans un mode de réalisation, ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique comprend des éléments métalliques assurant un recouvrement complet. En d'autres termes, aucune ligne de champ de forme droite ne peut connecter directement la région diélectrique épaisse et un élément disposé sous la partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique, par exemple un substrat. On diminue ainsi l'atténuation du signal au cours de sa propagation dans le guide d'ondes. Dans un mode de réalisation, la région diélectrique s'étend parallèlement au ruban conducteur et présente une largeur supérieure à 30 trois fois celle du ruban conducteur, ou au moins une fois la hauteur de ladite région diélectrique épaisse. Dans un mode de réalisation, la région diélectrique est disposée latéralement au voisinage de au moins quatre niveaux de métallisation. Dans un mode de réalisation, le ruban conducteur comprend une partie inférieure en contact avec la région diélectrique épaisse, à base de cuivre et une partie supérieure à base d'aluminium, de largeur sensiblement égale à la partie à base de cuivre. Alternativement, le ruban conducteur peut comprendre une simple bande métallique. Le ruban conducteur peut être disposé au sixième ou au septième niveau de métallisation. Le niveau de métallisation supérieur peut présenter une épaisseur supérieure à celle des autres niveaux de métallisation. Les niveaux de métallisation présents sous la région diélectrique épaisse comprennent chacun des éléments connectés à au moins trois éléments semblables voisins. Les éléments de chacun desdits niveaux de métallisation présents sous la région diélectrique épaisse présentent des formes complémentaires pour recouvrir entièrement le substrat et empêcher des lignes de champ s'étendant directement entre la région diélectrique épaisse formant le guide d'ondes et le substrat. Une couche diélectrique peut être disposée entre le substrat et le premier niveau de métallisation. L'atténuation du signal dans le guide d'ondes est réduite. Avantageusement, les éléments d'au moins une partie des niveaux de métallisation se présentent sous la forme d'un ou plusieurs carrés métalliques creux formés autour d'un carré de matériau diélectrique. Les éléments de l'un des niveaux de métallisation situés sous la région diélectrique épaisse peuvent se présenter sous la forme d'un carré plein, de dimension inférieure au carré creux et reliés au carré plein voisin par des segments de faible largeur. En outre, des vias disposés sensiblement en carré peuvent connecter le carré plein d'un niveau de métallisation avec le carré creux correspondant d'un niveau de métallisation voisin. La présence d'éléments métallisés dans les niveaux de métallisation supérieurs est souhaitable pour des raisons de fabrication, en facilitant les étapes de polissage qui requièrent que la densité locale de métal soit relativement constante sur l'ensemble d'une plaquette de circuit intégré. Les éléments métallisés des niveaux de métallisation supérieurs, mis à la masse, offrent en outre une excellente protection contre les lignes de champ non souhaitées, s'étendant entre la région diélectrique épaisse et d'autres éléments du circuit intégré et favorisent ainsi une bonne propagation du signal. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de quelques modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique en coupe d'un circuit intégré selon un premier mode de réalisation; -la figure 2 est une vue schématique en coupe d'un circuit intégré selon un deuxième mode de réalisation; - la figure 3 est une vue en coupe verticale du circuit intégré de la figure 2; -la figure 4 est une vue schématique en perspective d'un motif élémentaire, arbitrairement du premier niveau de métallisation; - la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un motif élémentaire des autres niveaux de métallisation; - la figure 6 est une vue schématique en perspective des motifs élémentaires des figures 4 et 5 reliés par des vias; et -la figure 7 est une vue schématique en coupe d'un circuit intégré selon un troisième mode de réalisation. Comme on peut le voir sur la figure 1, seules les parties métalliques des niveaux de métallisation ont été représentées. Le circuit intégré référencé 1 dans son ensemble comprend une pluralité de niveaux de métallisation et un ruban conducteur 2. Les niveaux de métallisation sont ici au nombre de sept et portent les références 3 à 9. Le ruban conducteur 2 est formé au niveau du niveau de métallisation 9 et peut comprendre du cuivre. Les niveaux de métallisation 3 et 4 comprennent une partie disposée sous le ruban conducteur 2. Au contraire, les niveaux de métallisation 5 à 9 sont interrompus au niveau du ruban conducteur 2 et laissent subsister un volume 10 en forme de canal. En d'autres termes, le volume 10 est délimité vers le bas par le niveau de métallisation 4, latéralement par les bords des niveaux de métallisation à 9 et sur le dessus par le ruban conducteur 2. Toutefois, le ruban conducteur 2 possède une largeur nettement inférieure à celle du volume 10. Le volume 10 est rempli de matériau diélectrique. Chaque niveau de métallisation comprend une pluralité d'éléments métalliques identiques ou non pour un même niveau de métallisation. Le niveau de métallisation 3 comprend des éléments métalliques 11, illustrés plus en détail sur la figure 4. L'élément métallique 11 présente une forme générale s'inscrivant dans un carré avec des creux rectangulaires 12 formés sur chaque côté, s'étendant sensiblement sur la moitié de la longueur du côté en étant centrés et ayant une profondeur de l'ordre de 10 à 25% de la longueur. En d'autres termes, l'élément métallique 11 se présente sous la forme d'un carré dont le milieu des côtés est pourvu d'encoches allongées et relativement peu profondes. Les niveaux de métallisation 4 à 9 sont pourvus d'éléments métalliques 13, illustrés plus en détail sur la figure 5. L'élément métallique 13 est un motif creux délimité par deux carrés concentriques, le carré intérieur ayant un côté de longueur de l'ordre de la moitié de la longueur du carré extérieur. Les éléments métalliques 11 ou 13 de deux niveaux de métallisation voisins sont alignés verticalement, en ce sens que leurs bords extérieurs appartiennent au même plan. La translation de ce plan permet d'obtenir les variantes des formes de base prise pour exemple afin d'illustrer la description détaillée. Les éléments métalliques 11 du niveau de métallisation 3 sont électriquement connectés entre eux par leurs coins en forme de flèche. Les éléments métalliques 13 de chaque niveau de métallisation 4 à 9 sont électriquement connectés entre eux par leurs bords extérieurs. Les éléments métalliques 11 et 13 peuvent être réalisés à base de cuivre Comme on peut le voir sur la figure 6, une pluralité de vias 14, par exemple réalisés à base de cuivre, connectent électriquement les éléments métalliques de deux niveaux de métallisation voisins. Les vias 14 sont disposés en grand nombre afin d'assurer équipotentiabilité de haute qualité entre deux niveaux de métallisation voisins, même à haute fréquence et sont disposés selon une disposition correspondant aux surfaces communes aux éléments métalliques des deux niveaux de métallisation voisins. Dans le cas illustré sur la figure 6, les vias 14 sont disposés entre l'élément métallique 11 du niveau de métallisation 3 et l'élément métallique 13 du niveau de métallisation 4. Les vias 14 sont donc prévus entre le contour extérieur de l'élément métallique 11 et le contour intérieur de l'élément métallique 13, définissant ainsi une plus grande surface commune à l'élément métallique 11 et à l'élément métallique 13, compte tenu des encoches 12 et du creux intérieur de l'élément métallique 13. Les vias disposés entre deux éléments métalliques 13, identiques de deux niveaux de métallisation voisins pris parmi les niveaux de métallisation 4 à 9, sont disposés sur l'ensemble de la surface desdits éléments métalliques 13. Les vias 14 sont disposés en rangées et en colonnes alignées pour des raisons de simplicité de mise en oeuvre du dessin desdits niveaux de métallisation. De même, pour des raisons de simplicité et d'économie de fabrication, les éléments métalliques des différents niveaux de métallisation présentent des bords constitués d'une succession de segments perpendiculaires les uns aux autres. En se reportant sur la figure 1, dans laquelle les vias et les couches diélectriques n'ont pas été représentés en vue d'une meilleure visualisation des niveaux de métallisation, l'on voit qu'un ensemble équipotentiel est formé par les niveaux de métallisation représentés, à savoir les niveaux de métallisation 3 et 4 disposés sur l'ensemble de la portion de surface représenté, et les niveaux de métallisation 5 à 9 formés latéralement à distance du ruban conducteur 2 et définissant ainsi un volume dans lequel est formée la région diélectrique 10. La région diélectrique, en association avec les éléments métalliques des niveaux de métallisation 3 à 9 et le ruban conducteur 2, forme un guide d'ondes particulièrement performant, notamment pour des applications radiofréquence. Le fait que les éléments métalliques n'occupent pas l'ensemble de la surface qui leur est allouée, mais soient pourvus d'encoches pour les uns et de creux centraux pour les autres, permet de réduire le rapport de la surface métallisée sur l'ensemble de la surface concernée et réduit par conséquent les variations de ce rapport en comparaison d'autres régions du circuit intégré où une moindre quantité de métal est utilisée. Les étapes de polissage sont facilitées. Le fait de pourvoir les éléments métalliques 11 et 13 des premiers niveaux de métallisation 3 et 4 de formes différentes, permet d'assurer un excellent recouvrement des deux niveaux de métallisation 3 et 4. En d'autres termes, aucune ligne de champ magnétique ne peut passer à travers les niveaux de métallisation 3 et 4, de façon directe selon une droite perpendiculaire auxdits niveaux de métallisation sans rencontrer une surface métallisée. On forme ainsi un excellent écran magnétique entre le volume 10 et d'autres éléments du circuit intégré formés sous le niveau de métallisation 3 et qui n'ont pas été représentés sur la figure 1, par exemple des parties actives formées dans un substrat massif ou disposées sur isolant. On limite ainsi les pertes de signal au sein du guide d'ondes. En outre, le fait de disposer le fond et les bords du volume 10 formés par les différents niveaux de métallisation 3 à 9, a un même potentiel grâce au contact de bord des éléments métallisés 11 et 13 entre eux et au contact entre les niveaux de métallisation voisins par l'intermédiaire de vias 14, permet là encore d'améliorer la transmission d'ondes dans le guide d'ondes. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 2, les références des éléments semblables ont été reprises. Le ruban conducteur 2 comprend deux bandes superposées 15 et 16 qui peuvent être, soit reliées par des vias, soit en contact direct l'une avec l'autre. La bande inférieure 15 peut être disposée dans le même plan que le niveau de métallisation 9 et être réalisée par exemple à base de cuivre. La bande supérieure 16 peut être réalisée à base d'aluminium. On assure ainsi une excellente conductivité du ruban conducteur 2 tout en facilitant le contact du ruban conducteur 2 avec des éléments, non représentés, disposés au-dessus du ruban conducteur 2 et généralement réalisés à base d'aluminium, notamment des contacts extérieurs. La figure 3 est une vue en coupe selon un plan vertical du circuit intégré illustré sur la figure 2. Les vias 14 ont été représentés sur la figure 3, de même que la région diélectrique épaisse 17 disposée dans le volume 10 et la couche diélectrique 18 disposée sous le niveau de métallisation 3. En-dehors de la zone de la région diélectrique épaisse 17 formée dans le volume 10, les niveaux de métallisation 3 à 9 sont particulièrement bien connectés deux à deux par le très grand nombre de vias 14 disposés entre à chaque fois deux éléments métalliques superposés de deux niveaux de métallisation voisins. Sous la région diélectrique épaisse 17, les niveaux de métallisation 3 et 4 sont également particulièrement bien connectés par les vias 14 et forment en outre un écran contre les lignes de champ magnétique susceptibles de s'étendre de la région diélectrique épaisse 17 vers la couche diélectrique inférieure 18. Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 7, le ruban conducteur 2 comprend deux bandes 15 et 16 en contact mutuel formées au même niveau que les couches métallisées 8 et 9. Des couches diélectriques 19 à 24 sont disposées entre les niveaux de métallisation. Les vias n'ont pas été représentés. La couche diélectrique 18 est formée sur un substrat 25. Ainsi, un guide d'ondes à faible atténuation du signal est formé, notamment grâce à l'écran formé entre la région diélectrique épaisse et le substrat et grâce à la mise au même potentiel du fond et des bords du canal. REVENDICATIONS 1-Circuit intégré (1), caractérisé par le fait qu'il comprend: -une pluralité de niveaux de métallisation (3 à 9) et de couches diélectriques (19 à 24), un niveau de métallisation étant disposé entre 5 deux couches diélectriques, - une région diélectrique épaisse (17) disposée au-dessus d'au moins deux niveaux de métallisation et latéralement au voisinage d'une pluralité de niveaux de métallisation, la partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique (17) formant un écran, et - un ruban conducteur (2) disposé sur la région diélectrique (17), de façon que la région diélectrique forme un guide d'ondes. 2-Circuit intégré selon la revendication 1, dans lequel ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique est mise à la masse. 3-Circuit intégré selon la revendication 1 ou 2, dans lequel une pluralité de vias (14) sont disposés entre lesdites parties des deux niveaux de métallisation situées sous la région diélectrique (17). 4-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique (17) sont mis à la masse. 5-Circuit intégré selon la revendication 4, dans lequel une pluralité de vias (14) sont disposés entre lesdits niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique (17). 6-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique (17) comprend une pluralité d'éléments métalliques semblables connectés les uns aux autres en lignes et colonnes. 7-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les niveaux de métallisation latéralement au voisinage de la région diélectrique (17) comprennent une pluralité d'éléments métalliques (13) semblables connectés les uns aux autres en lignes et colonnes. 8-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite partie des deux niveaux de métallisation située sous la région diélectrique comprend des éléments métalliques assurant un recouvrement complet. 9-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la région diélectrique (17) s'étend parallèlement au ruban conducteur (2) et présente une largeur supérieure à trois fois celle du ruban conducteur, ou au moins une fois la hauteur de ladite région diélectrique épaisse. 10-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la région diélectrique (17) est disposée latéralement au voisinage d'au moins quatre niveaux de métallisation (5 à 9). 11-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le ruban conducteur (2) comprend une simple bande métallique. 12-Circuit intégré selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le ruban conducteur (2) comprend au moins deux bandes superposées équipotentielles à base de matériaux différents.