(57)【要約】  ３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）マルチプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）およびその製作方法が提供される。３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュ発振器は、整相リングに、実質的に等距離に離隔された位置で結合された、複数の整合周波数発振器を含む。組み合わされたＶＣＯ出力信号が、整相リングの中央出力接続点にもたらされる。中央出力接続点は、第１の平面上にある。出力導体渡り部が、中央出力接続点に結合された第１の端部と、カッドプッシュＶＣＯに対する出力端として設けられた第２の端部とを有する。出力導体渡り部は、第１の平面に対して横向きに延びて、第１の平面から分離された第２の平面で終端する。マルチプッシュ発振器は、特定の実装に基づいて、プッシュプッシュ、カッドプッシュ、またはＮプッシュタイプのＶＣＯとすることができる。
2009510905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）マルチプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）であって、
複数の実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点、および第１の平面内にある中央出力接続点を有する整相リングと、
１つの関連するＶＣＯ接続点にそのそれぞれが結合された複数のＶＣＯと、
前記中央出力接続点から延びて、前記第１の平面から離隔された第２の平面内にある出力タップで終端する出力導体渡り部と
を備えることを特徴とするマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項２】
前記整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有することを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項３】
前記整相リングは、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長離隔された４つのＶＣＯ接続点と、前記４つのＶＣＯ接続点のうち関連する１つにそれぞれが結合された４つの周波数整合されたＶＣＯとを有し、前記中央出力接続点に、前記４つのＶＣＯの基本周波数の４次の高調波倍である出力信号をもたらすことを特徴とする請求項２に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項４】
前記整相リングの周辺部に延びる装荷スタブをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項５】
前記出力導体の周りに離隔されて、渡り部を形成し、また前記整相リングの出力信号を他の信号から分離する複数の導体であって、前記第１の平面から前記第２の平面まで延びる複数の導体をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項６】
前記第１の平面は、多重金属積層構造の第１の層に沿って配設され、前記第２の平面は、多重金属積層構造の第２の層に沿って配設されることを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項７】
前記整相リングおよび前記複数のＶＣＯは、第１のウェーハ上にあり、前記出力タップは、第２のウェーハ上にあり、前記第１および第２のウェーハは、間隙によって分離された積層配置の形で構成されることを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項８】
前記複数のＶＣＯはそれぞれ、３Ｄ共振器と、そこに結合されたＶＣＯコアとを備えることを特徴とする請求項１に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項９】
前記３Ｄ共振器は、第１の層内に配設された第１のグランドプレーンと、第２の層内に配設されたストリップ線路導体と、第３の層内に配設された第２のグランドプレーンとを備え、前記ストリップ線路導体は、離隔して前記第１のグランドプレーンと前記第２のグランドプレーンの間に配置され、また前記ＶＣＯコアに結合されることを特徴とする請求項８に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項１０】
前記３Ｄ共振器は、上面部分上にあり２層の誘電体層の間に配設された結合スロットを有する金属閉空洞と、前記結合スロットと前記ＶＣＯコアの間に延びる導電性ラインとを備えることを特徴とする請求項８に記載のマルチプッシュＶＣＯ。
【請求項１１】
３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）カッドプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）であって、
４つの実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点、および第１の層内にある中央出力接続点を有する整相リングと、
１つの関連するＶＣＯ接続点にそのそれぞれが結合された、４つの周波数整合したＶＣＯと、
前記中央出力接続点から延びて、前記第１の層から離隔された第２の層内にある出力タップで終端する出力導体渡り部と
を備えることを特徴とするカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１２】
前記整相リングは、前記４つのＶＣＯ接続点が、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長離隔された状態で、１導波管波長に実質的に等しい円周を有し、前記中央出力接続点に、前記４つの周波数整合したＶＣＯの基本周波数の４次の高調波倍である出力信号をもたらすことを特徴とする請求項１１に記載のカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１３】
前記整相リングの周辺部に延びる装荷スタブをさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１４】
前記出力導体の周りに離隔されて、渡り部を形成し、また前記整相リングの出力信号を他の信号から分離する複数の導体であって、第１の平面から第２の平面まで延びる複数の導体をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１５】
前記第１の層は、第１のウェーハ内にあり、前記第２の層は、第２のウェーハ上にあり、前記第１および第２のウェーハは、ボンディングポストにより間隙で分離された積層配置の形で構成されることを特徴とする請求項１１に記載のカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１６】
複数のＶＣＯはそれぞれ、３Ｄ共振器と、そこに結合されたＶＣＯコアとを備え、前記３Ｄ共振器は、３Ｄストリップ線路共振器および３Ｄ空洞共振器のうち１つであることを特徴とする請求項１１に記載のカッドプッシュＶＣＯ。
【請求項１７】
３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）マルチプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）を形成する方法であって、
複数の実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点および中央接続出力点を有する整相リングと、１つの関連するＶＣＯ接続点に結合された出力端をそれぞれが有する、複数の周波数整合されたＶＣＯとを、第１の層内に形成すること、
前記中央出力接続点に結合された第１の端部を有する、前記第１の層から横向きに延びる出力導体渡り部を形成すること、および
第２の層に、前記出力導体渡り部の第２の端部に結合された出力タップを形成すること
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
前記整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有するように形成され、４つのＶＣＯ接続点は、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長離隔され、ＶＣＯは各関連するＶＣＯ接続点に結合され、前記整相リングは、前記中央出力接続点に、前記複数の周波数整合されたＶＣＯの基本周波数の４次の高調波倍である出力信号をもたらすことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記３Ｄ  ＭＭＩＣ  ＶＣＯは、多重金属プロセスを使用して形成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の層は、第１のウェーハ上に形成され、前記第２の層は、第２のウェーハ上に形成され、前記第１のウェーハと前記第２のウェーハを、前記出力導体渡り部が前記第１のウェーハと前記第２のウェーハの間に延びた状態で、前記第２のウェーハの前記出力タップを、前記第１のウェーハの前記中央出力接続点に整合させるように積層することをさらに含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の周波数整合されたＶＣＯのうち少なくとも１つ用に、ストリップ線路共振器を製作することをさらに含み、前記製作することは、
第１のグランドプレーンを形成すること、
ストリップ線路導体を形成すること、および
第２のグランドプレーンを形成することを含み、前記ストリップ線路導体は、離隔して前記第１のグランドプレーンと前記第２のグランドプレーンの間に配置され、前記製作することはさらに、
前記ストリップ線路導体の出力端に結合されたＶＣＯコアを形成すること
を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の周波数整合されたＶＣＯのうち少なくとも１つ用に、３Ｄ空洞共振器を製作することをさらに含み、前記製作することは、
第１の誘電体層を形成すること、
前記第１の誘電体層の上に、金属空洞を形成すること、
前記金属空洞の上に、第２の誘電体層を形成すること、
前記第２の誘電体層および前記金属空洞の上面部分を貫通して、結合スロットをエッチングすること、ならびに
第１の端部が前記結合スロットに接続され、第２の端部がＶＣＯコアに結合された導電性ラインを形成すること
を含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記第１の誘電体層および前記第２の誘電体層は、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）から形成されることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電子回路に関し、より詳細には、３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）電圧制御発振器（ＶＣＯ）およびその製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電圧制御発振器（ＶＣＯ）または発振器は、直流電力を無線周波数（ＲＦ）信号に変換するのに使用することができる構成要素である。一般に、ＶＣＯは、所与の同調電圧に対応する特定の周波数の発振信号を生成するように設計される。発振信号の周波数は、同調電圧の大きさに依存する。高周波数信号は、基本周波数で動作する発振器、または高調波発振器により生成されることができる。基本周波数で動作する発振器は、一般に高周波数動作時に、Ｑ値が低く、デバイス利得が不十分になり、位相雑音がより高くなる。それとは対照的に、高調波発振器は、より低い周波数で動作される可能性があり、一般に高いＱ値、高デバイス利得、および低位相雑音を伴う。周波数２倍器およびアップコンバージョンする他の手段が、より低い周波数で動作する発振器から高周波数信号を生成するための実際的な即座の解決策になり得るが、それらは、歪を取り込み、乏しい位相雑音性能をもたらす恐れもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ミリメートル波応用分野向けの、位相雑音が良好な高周波数信号源を設計することは、非常に困難である。従来の実装では、電圧制御発振器（ＶＣＯ）の基本周波数を（例えば、５０ＧＨｚより大きな）ミリメートル波帯に逓倍するために、乗算器および緩衝／電力増幅器が使用される。これらの従来の実装には、いくつかの問題がある。例えば、いくつかの乗算器および緩衝／電力増幅器を使用すると、位相雑音の劣化が増すのに加えて、トポロジの複雑さが増加する。さらに、高周波数源信号の性能は、寄生容量に影響されやすく、したがって各緩衝器／増幅器段の寄生容量が、高周波数源信号の性能をさらに劣化させる。いくつかの乗算器および緩衝／電力増幅器を使用すると、全体的なコストが高くなるのに加えて、消費電力が高くなり、１つまたは複数の同調共振器に関連する時間のかかる困難な調整作業が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一態様では、３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）マルチプッシュ（ｍｕｌｔｉ−ｐｕｓｈ）電圧制御発振器（ＶＣＯ）が提供される。マルチプッシュＶＣＯは、複数の実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点および中央出力接続点を有する、整相リング（ｐｈａｓｉｎｇ  ｒｉｎｇ）を備える。中央出力接続点は、第１の平面内にある。マルチプッシュＶＣＯは、１つの関連するＶＣＯ接続点にそのそれぞれが結合された、複数のＶＣＯをさらに備える。マルチプッシュＶＣＯは、中央出力接続点から延びて第１の平面から離隔された第２の平面内にある出力タップで終端する、出力導体渡り部（ｏｕｔｐｕｔ  ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）も備える。
【０００５】
本発明の別の態様では、３Ｄ  ＭＭＩＣカッドプッシュ（ｑｕａｄ−ｐｕｓｈ）ＶＣＯが提供される。カッドプッシュＶＣＯは、４つの実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点および中央出力接続点を有する、整相リングを備える。中央出力接続点は、第１の層内にある。カッドプッシュＶＣＯは、１つの関連するＶＣＯ接続点にそのそれぞれが結合された、４つの周波数整合したＶＣＯをさらに備える。カッドプッシュＶＣＯは、中央出力接続点から延びて第１の層から離隔された第２の層内にある出力タップで終端する、出力導体渡り部も備える。
【０００６】
本発明の別の態様では、３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯを形成する方法が提供される。方法は、複数の実質的に等距離に離隔されたＶＣＯ接続点および中央接続出力点を有する整相リングと、１つの関連するＶＣＯ接続点に結合された出力端をそれぞれが有する、複数の周波数整合されたＶＣＯとを、第１の層内に形成すること、および中央出力接続点に結合された第１の端部を有する出力導体渡り部を形成することを含む。出力導体渡り部は、第１の層から横向きに延びる。方法は、第２の層に出力タップを形成することをさらに含む。出力タップは、出力導体渡り部の第２の端部に結合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明は、３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）マルチプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）（すなわち、Ｎ次高調波発振器としてのＮプッシュ／プッシュプッシュ発振器トポロジ、ただしＮは整数≧２）に関する。３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯは、整相リングに、実質的に等距離に離隔された位置で結合された、複数の整合周波数発振器を含む。組み合わされたＶＣＯ出力信号が、整相リングの中央出力接続点にもたらされる。中央出力接続点は、第１の平面上にある。垂直な出力導体渡り部が、中央出力接続点に結合された第１の端部と、マルチプッシュＶＣＯに対する出力端として設けられた第２の端部とを有し、出力導体渡り部は、第１の平面に対して横向きに延びて、第１の平面から分離された第２の平面で終端する。マルチプッシュ発振器は、特定の実装に基づいて、プッシュプッシュ、カッドプッシュ、またはＮプッシュタイプのＶＣＯとすることができる。
【０００８】
各ＶＣＯは、最終出力周波数の１／Ｎである基本周波数で動作するように設計される。３ＤマルチプッシュＶＣＯは、乗算器を排除することにより位相雑音の低減をもたらし、乗算器の高損失を補うための増幅器の使用を不要にすることから、消費電力の低減をもたらすと共に、調整も排除する。従って、使用されるＭＭＩＣチップの総計が大幅に低減され、回路の耐性が厳格に制御されて歩留まりが向上し、全体として性能がより高く、コストがより低くなる。本諸例は、カッドプッシュＶＣＯに関して図示される。しかし、本発明は、他のＮタイプマルチプッシュＶＣＯで使用されることが可能であることを理解されたい。
【０００９】
図１は、本発明の一態様による、３Ｄ  ＭＭＩＣカッドプッシュＶＣＯ１０の平面図を示す。カッドプッシュＶＣＯ１０は、整相リング２０にそれぞれに対応するＶＣＯ接続点で結合された、複数の発振器を含む。円形の整相リングにより、集中素子を使用するのとは対照的に、サイズが低減する。各ＶＣＯは、それぞれに対応する共振器およびそれぞれに対応するコアから形成されることが可能である。複数の発振器は、そのそれぞれが実質的に同じ動作周波数で実質的に同じようにして動作するように、実質的に整合した周波数および加工特性を有するものが選択される。整相リング２０は、基本周波数（すなわち、最終出力周波数の１／４）における１導波管波長に実質的に等しい円周を有する。
【００１０】
第１のＶＣＯ１２は、第１のＶＣＯ接続点１３に結合され、第２のＶＣＯ１４が、第２のＶＣＯ接続点１５に結合され、第３のＶＣＯ１６が、第３のＶＣＯ接続点１７に結合され、第４のＶＣＯ１８が、第４のＶＣＯ接続点１９に結合される。第１のＶＣＯ接続点１３は、第３のＶＣＯ接続点１９に、第１のクロスバー２４を介して接続され、第２のＶＣＯ接続点１５は、第４のＶＣＯ接続点１７に、第２のクロスバー２６を介して接続される。第１のクロスバー２４および第２のクロスバー２６は、複数のＶＣＯ１２、１４、１６および１８の組合せである出力信号が中央出力接続点２２にもたらされるように、中央出力接続点２２で重なり、整相リング２０の円周内に「Ｘ」パターンを形成する。
【００１１】
整相リングの寸法は、各ＶＣＯからのそれぞれに対応する入力信号がそれぞれに対応する隣接する入力信号と９０°位相が外れてもたらされるように、各接続点が、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長の距離だけ分離されるものが選択される。したがって、４つのＶＣＯは、互いに９０°、１８０°、および２７０°の位相差を伴って同じ基本周波数で発振する、相互注入モードで動作している。これにより、４次の高調波倍を含む出力信号がもたらされると共に、基本周波数、１次、２次、および３次の高調波倍が相殺される。
【００１２】
以下の式は、第１のＶＣＯ入力信号（Ｖ１）、第２のＶＣＯ入力信号（Ｖ２）、第３のＶＣＯ入力信号（Ｖ３）、および第４の入力信号（Ｖ４）を示す。
Ｖ1＝Ｖ∠ω0ｔ＋Ｋ1Ｖ∠２ω0ｔ＋Ｋ2Ｖ∠３ω0ｔ＋Ｋ3Ｖ∠４ω0ｔ＋．．．  式．１
Ｖ2＝Ｖ∠(ω0ｔ−９０°)＋Ｋ1Ｖ∠２(ω0ｔ−９０°)＋Ｋ2Ｖ∠３(ω0ｔ−９０°)＋Ｋ3Ｖ∠４(ω0ｔ−９０°)＋．．．  式．２  
Ｖ3＝Ｖ∠(ω0ｔ−１８０°)＋Ｋ1Ｖ∠２(ω0ｔ−１８０°)＋Ｋ2Ｖ∠３(ω0ｔ−１８０°)＋Ｋ3Ｖ∠４(ω0ｔ−１８０°)＋．．．  式．３  
Ｖ4＝Ｖ∠(ω0ｔ−２７０°)＋Ｋ1Ｖ∠２(ω0ｔ−２７０°)＋Ｋ2Ｖ∠３(ω0ｔ−２７０°)＋Ｋ3Ｖ∠４(ω0ｔ−２７０°)＋．．．  式．４  
上に示すように、各発振器の基本周波数および関連する高調波には、互いに９０°、１８０°、および２７０°位相差が設けられる。したがって、基本周波数および関連する高調波は、４の倍数の高調波を除いて相殺し、式．５に示す以下の組み合わされた出力信号がもたらされる。  
Ｖｏｕｔ＝ａ∠４ω0ｔ＋ｂ∠8ω0ｔ＋．．．．  式．５  
複数のＶＣＯ１２、１４、１６および１８、ならびに整相リング２０は、ＭＭＩＣ導電性材料（例えば金）を使用して、第１の平面上に形成される。横向きのまたは垂直な出力導体渡り部が、中央出力接続点２２に結合された第１の端部と、カッドプッシュＶＣＯ１０に対する出力端として設けられた第２の端部とを有し、出力導体渡り部は、第１の平面に対して実質的に直角または横向きに延びて、第２の平面で終わり、カッドプッシュＶＣＯ１０をその出力端から間隙により分離する。
【００１３】
このようにして、カッドプッシュＶＣＯ１０の出力に、隣接する層への逃げ道が設けられ、カッドプッシュＶＣＯ出力が整相リング２０を通るクロスオーバが軽減され、したがって位相ずれが防止される。整相リング２０からの出力信号をセンタタップするのに使用される垂直なまたは横向きの出力導体は、性能の変動しやすいリングの対称性を壊さないようにする。本発明の一態様では、第１および第２の平面が第１および第２のウェーハ上に形成され、それらのウェーハがボンディングポストにより分離されて積層されるようにウェーハレベルパッケージング（ＷＬＰ）を使用することにより、間隙を形成することができる。本発明の別の態様では、多重金属ＭＭＩＣプロセスにおいて、金属層間に低Ｋの薄い誘電体材料を使用することにより、間隙を形成することができる。
【００１４】
３ＤカッドプッシュＶＣＯは、かなり高い周波数の動作（すなわち、２００ＧＨｚ帯）を実現することができ、出力動作周波数を、能動素子のカットオフ周波数（ｆT）をはるかに超えて拡張することができる。３ＤカッドプッシュＶＣＯは、より良い位相雑音性能ももたらす。回路および共振器の耐性を、ＭＭＩＣ加工を使用して、高周波数応用分野向けに十分に達成することができる。また、共振器、ＶＣＯコア、および整相リングを全て、１チップ上に集積することができる。これにより、歩留まり、性能が向上し、全体のコストが下がる。
【００１５】
図２は、本発明の一態様による、ウェーハレベルパッケージングを使用して形成された３ＤカッドプッシュＶＣＯ３０を示す。４つの周波数整合されたＶＣＯが、整相リングに結合されて、第１のウェーハ３２上に製作されたカッドプッシュ配置３４を成している。４つのＶＣＯは、互いに９０°、１８０°、および２７０°の位相差を伴って同じ基本周波数で発振する相互注入モードで動作して、整相リングの中央出力接続点に４次の高調波倍をもたらしている。整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有する。整相リングの寸法は、各接続点が、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長の距離だけ分離されるものが選択される。第２のウェーハ３６は、カッドプッシュＶＣＯ３０の出力を提供ための出力タップ４０が設けられる。
【００１６】
第１のウェーハ３２および第２のウェーハ３６は、ボンディングポスト４２により分離された積層配置の形で構成され、出力導体渡り部３８が、第１のウェーハ３２上にある整相リングの中央出力接続点に結合された第１の端部と、カッドプッシュＶＣＯ３０に対する出力タップとして設けられた第２の端部とを有し、出力導体渡り部３８は、第１のウェーハ３２に対して実質的に直角または横向きに延びて、第２のウェーハ３６の出力タップ接点４０で終わり、第１のウェーハ３２と第２のウェーハ３６は、空隙により分離される。ウェーハレベルパッケージングの使用は、Ｎプッシュ／プッシュプッシュＶＣＯ構成など、さまざまな異なる３Ｄ  ＭＭＩＣ  ＶＣＯタイプの製作に使用できることを理解されたい。また、２、６、８または他の偶数倍など、異なる数のＶＣＯを、等しい数の接続点を約１波長に等しい円周を有する整相リングの周辺部に等距離に離隔した状態で使用できることも理解されたい。
【００１７】
図３は、本発明の一態様による、多重金属プロセスで製作された３Ｄ  ＭＭＩＣ  ＶＣＯ５０を示す。半導体基板５２（例えば、リン化インジウム、ガリウムヒ素、窒化ガリウム、シリコン、シリコンゲルマニウム）の上に、第１の金属層５４を形成する。第１の金属層５４内で、複数のＶＣＯが共振器から形成され、またそれぞれに対応するＶＣＯコアを、整相リングに結合して製作することができ、整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有するその周辺部に等距離に離隔された、それぞれに対応するＶＣＯ接続点を有する。整相リングは、ＶＣＯ出力信号をもたらすための中央出力接続点を有することができる。複数のＶＣＯおよび整相リングが、マルチプッシュＶＣＯ５６を形成する。
【００１８】
第１の金属層５４の上に、１層または複数層の誘電体層５８を形成することができる。１層または複数層の誘電体層５８は、介在する金属層を有することができる。１層または複数層の誘電体層５８を貫通して、ビアをエッチングすることができる。そのビアを、導電性ＭＭＩＣ金属で充填すると、出力導体渡り部６０を整相リングの中央出力接続点から１層または複数層の誘電体層５８の上面まで形成することができる。１層または複数層の誘電体層５８の上に、後続の金属層６２を形成し、出力タップ６４をエッチングして、出力導体渡り部６０への接点を形成することができる。
【００１９】
図４は、本発明の一態様による整相リング８０の平面図を示す。整相リング８０は、図１の整相リング２０と類似しているが、整相リング８０の周辺部に沿って離隔された複数の装荷スタブ８２、および整相リング８０の中央出力接続点８６の周りに離隔された複数の導体８４を含む。装荷スタブ８２は、整相リングおよび複数のＶＣＯに関連する第１の平面から、整相リング８０に関連するマルチプッシュＶＣＯの出力タップを備える第２の平面まで延びる。装荷スタブ８２は、整相リング８０に追加の容量をもたらし、それにより、整相リング８０のサイズが、図１の整相リング２０よりも小さく（すなわち１導波管波長未満に）なることが可能になる。複数の導体８４は、整相リングおよび複数のＶＣＯに関連する第１の平面からカッドプッシュＶＣＯの出力タップを備える第２の平面まで延びて、遮蔽すべき出力導体渡り部を無線周波数および他の信号に関連する電磁干渉から分離するための、また他の信号をマルチプッシュＶＣＯ出力からさらに分離するための、同軸シールドと同様に機能するような分離シールドを形成する。
【００２０】
図５は、本発明の一態様による、３Ｄ空洞共振器を使用するカッドプッシュＶＣＯ１００のブロック図を示す。カッドプッシュＶＣＯ１００は、４つのＶＣＯ１０２を含み、４つのＶＣＯ１０２は、各ＶＣＯからのそれぞれに対応する入力信号がそれぞれに対応する隣接する入力信号と９０°位相が外れてもたらされるように、整相リング１０４に、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長のところに配設された４つの接続点で結合される。各ＶＣＯ１０２は、３Ｄ空洞共振器１０４およびＶＣＯコア１０６から形成される。ＶＣＯコア１０６は、既知の技法に基づく回路で製作することができる。空洞共振器１０４は、ＶＣＯ１０２の発振を促進させるためのエネルギータンク（例えば、電気エネルギー、磁気エネルギー）を提供する。ＶＣＯ１０２および整相リング１０４は、同じ第１の層上に製作することができ、一方整相リング１０４の中央出力導体は、第２の層に対して横向きにまたは垂直に延びることによって、第１の層から逃れる。
【００２１】
図６は、本発明の一態様による３Ｄ  ＭＭＩＣストリップ線路共振器１２０を示す。ストリップ線路共振器１２０は、図１、２および４に示す３ＤマルチプッシュＭＭＩＣ  ＶＣＯに関連する複数のＶＣＯのうち１つのＶＣＯの共振タンクを提供する。ストリップ線路共振器１２０は、マルチプッシュＶＣＯの性能を位相雑音およびエネルギー損失を低減させ、また高い特性（Ｑ）値をもたらすことによって強化する。半導体基板１２２の上に、第１の誘電体層１２４を形成する。第１の誘電体層１２４は、１層または複数層の介在する金属層を有することができる。第１の誘電体層１２４の上に、第１のグランドプレーン１２６を、例えば金属層をエッチングすることにより形成する。第１のグランドプレーン１２６の上に、第２の誘電体層１２８を形成する。第２の誘電体層１２４の上に、ストリップ線路導体１３０を形成する。ストリップ線路導体１３０は、第１の導電性部分１３２と、そこから間隙により分離された第２の導電性部分１３４とを含む。この間隙により、第１の導電性部分１３２と第２の導電性部分１３４との間に容量性結合が形成される。ストリップ線路導体１３０の第２の導電性部分１３４は、３ＤマルチプッシュＶＣＯのＶＣＯコアに結合される。ストリップ線路導体１３０の上に、第３の誘電体層１３６を形成する。第３の誘電体層１３６の上に、第２のグランドプレーン１３８を、例えば金属層をエッチングすることにより形成する。第２のグランドプレーン１３８の上に、１層または複数層の後続の誘電体層および金属層を形成することができる。
【００２２】
ストリップ線路導体１３０は、第１のグランドプレーン１２６と第２のグランドプレーン１３８の間に配設されて、３ＤマルチプッシュＶＣＯに関連する複数のＶＣＯの１つの発振を促進させるためのエネルギータンクを提供する。３ＤマルチプッシュＶＣＯは、所与の層上に、整相リングに結合された複数のＶＣＯを含むことができる。所与の層は、ストリップ線路導体と同じ層上でも、垂直な導体渡り部を介して、ストリップ線路導体としての異なる層上でもよい。ストリップ線路共振器１２０は、多重レベルプロセスおよび／またはウェーハレベルパッケージングプロセスと共に使用されることが可能である。
【００２３】
図７は、本発明の一態様による３Ｄ  ＭＭＩＣ空洞共振器１５０を示す。空洞共振器１５０は、図１、２及び４に示す３ＤマルチプッシュＶＣＯに関連する複数のＶＣＯのうち、１つのＶＣＯの共振タンクを提供する。空洞共振器１５０もまた、マルチプッシュＶＣＯの性能を、位相雑音およびエネルギー損失を低減させ、また高い特性（Ｑ）値をもたらすことにより強化する。第１の金属層１５２と第２の金属層１５６との間に、閉空洞１５４を形成する。第１の金属層１５２と第２の金属層１５６との間に、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）等の低ｋ誘電性ポリマーで誘電体層を形成することができる。ＢＣＢ層は、良好な平坦化に加えて、デバイスを電気的に分離し、後続の加工中に、接合後の構造を保護する働きもする。
【００２４】
第１の金属層１５２は、半導体基板または別の誘電体層の上に形成することができる。閉空洞１５４は、金属の空洞で形成する。金属空洞は、金属床面部分、金属上面部分、および金属側面部分を、ＭＭＩＣ堆積技法により構築することにより形成することができる。第１の金属層１５２は、金属床面部分として使用され、第２の金属層は、金属上面部分を形成することができる。次いで、金属上面部分または第２の金属層１５６内に結合スロット１５８をエッチングして、閉空洞１５４を完成させる。この空洞を、空気または上述したような誘電体材料で充填することができる。閉空洞１５４の上に、金属層１６０を、結合スロット１５８から３ＤマルチプッシュＶＣＯのＶＣＯコアまで延びる導電性ライン１６２と共に形成する。導電性ラインの上に、１層または複数層の後続の誘電体層および金属層を形成することができる。
【００２５】
空洞共振器１５０は、３ＤマルチプッシュＶＣＯに関連する複数のＶＣＯの１つの発振を促進させるためのエネルギータンクを提供する。３ＤマルチプッシュＶＣＯは、所与の層上に、整相リングに結合された複数のＶＣＯを含むことができる。所与の層は、導電性ラインと同じ層上でも、垂直な導体渡り部を介して、導電性ラインとしての異なる層上でもよい。空洞共振器１５０は、多重レベルプロセスおよび／またはウェーハレベルパッケージングプロセスと共に使用することができる。高Ｑの３Ｄ空洞共振器は、モノリシックに実装することができ、ＶＣＯ、共振器、整相リング、または平面アンテナでさえも、たった１つのチップ内に集積することができる。
【００２６】
上述した先の構造上および機能上の特徴を考慮すれば、本発明のさまざまな態様による方法が、図８〜９を参照してよりよく理解されるであろう。説明を簡単にする目的で、図８〜９の方法は、連続して実行すると図示し、説明されるが、本発明は、図示の順序に限定されないことを理解されたい。というのも、いくつかの態様は、本発明によれば、本明細書に示し記載したものとは異なる順序で行うことができ、および／または本明細書に示し記載したものとは異なる態様と同時に行うことができるためである。さらに、示された特徴が全て、本発明の一態様による方法を実施するために必要になることがあるとは限らない。
【００２７】
図８は、本発明の一態様による、ウェーハレベルパッケージングを使用して３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯを形成する方法を示す。２００において、第１のウェーハ上に、複数のＶＣＯを整相リングと共に製作する。複数のＶＣＯは、３Ｄ共振器から形成することができ、それぞれに対応するＶＣＯを、整相リングに結合することができ、整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有するその周辺部に、等距離に離隔されたそれぞれに対応するＶＣＯ接続点を有する。３Ｄ共振器は、図６に示すストリップ線路共振器でも、図７に示す空洞共振器でもよい。整相リングは、ＶＣＯ出力信号をもたらすための中央出力接続点を有することができる。複数のＶＣＯおよび整相リングが、マルチプッシュＶＣＯを形成する。本発明の一態様では、マルチプッシュＶＣＯが、４つのＶＣＯが４つのＶＣＯ接続点に結合されたカッドプッシュＶＣＯである。各ＶＣＯ接続点は、整相リングがＶＣＯの中央出力接続点に４次の高調波倍をもたらすと共に、基本周波数、１次、２次および３次の高調波倍を相殺するように、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長だけ離隔される。次いで、方法は２１０に進む。
【００２８】
２１０において、整相リングの中央出力点に結合され、第１のウェーハに対して実質的に横向きに、垂直に、または直角に延びる出力導体渡り部を製作する。２２０において、第２のウェーハを、３ＤマルチプッシュＶＣＯの出力タップ接点を成す出力接点と共に製作する。第２のウェーハは、特定の実装に基づいて、３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯに結合される複数の追加の能動および／または受動素子を含むことができる。２３０において、第１のウェーハをボンディングポストを介して第２のウェーハに、出力導体渡り部を第２のウェーハの出力タップ接点に整合させるように接合する。
【００２９】
図９は、本発明の一態様による、多重金属プロセスを使用してＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯを形成する方法を示す。３００において、第１の層上に、複数のＶＣＯを整相リングと共に製作する。複数のＶＣＯは、３Ｄ共振器から形成することができ、それぞれに対応するＶＣＯを、整相リングに結合することができ、整相リングは、１導波管波長に実質的に等しい円周を有するその周辺部に実質的に等距離に離隔された、それぞれに対応するＶＣＯ接続点を有する。３Ｄ共振器は、図６に示すストリップ線路共振器でも、図７に示す空洞共振器でもよい。整相リングは、ＶＣＯ出力信号をもたらすための中央出力接続点を有することができる。複数のＶＣＯおよび整相リングが、マルチプッシュＶＣＯを形成する。マルチプッシュＶＣＯは、前述したような、隣接するＶＣＯ接続点から１／４導波管波長だけ離隔された４つのＶＣＯ接続点に４つのＶＣＯが結合された、カッドプッシュＶＣＯとすることができる。次いで、方法は３１０に進む。
【００３０】
３１０において、複数のＶＣＯおよび整相リングの上に誘電体層を形成する。３２０において、ビアを、誘電体層を貫通して整相リングの中央出力接続点までエッチングする。３３０において、ビアを導電性ＭＭＩＣ金属（例えば金）で充填すると、整相リングから実質的に横向きに、垂直に、または直角に延びる出力導体渡り部が、整相リングの中央出力接続点から形成される。３４０において、誘電体層の上に金属層を形成し、出力接点を出力導体渡り部に結合して形成する。３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯに結合される複数の追加の能動および／または受動素子を、特定の実装に基づいて、第２の層または追加の層上に形成することができる。
【００３１】
以上、上記で説明してきたのは、本発明の例である。本発明を説明する目的で、構成要素または方法の考えられるあらゆる組合せを説明することは、もちろん不可能であるが、当業者なら、本発明の多くの更なる組合せおよび順列が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれる、かかる全ての改変形態、変更形態、および変形形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一態様による、３次元（３Ｄ）マイクロ波モノリシック集積回路（ＭＭＩＣ）カッドプッシュ電圧制御発振器（ＶＣＯ）の平面図である。
【図２】本発明の一態様による、ウェーハレベルパッケージング（ＷＬＰ）を使用して形成された３ＤカッドプッシュＭＭＩＣ  ＶＣＯの斜視図である。
【図３】本発明の一態様による、多重金属プロセスを使用して形成された３ＤマルチプッシュＭＭＩＣ  ＶＣＯの断面図である。
【図４】本発明の一態様による整相リングの平面図である。
【図５】本発明の一態様による３ＤカッドプッシュＭＭＩＣ  ＶＣＯのブロック図である。
【図６】本発明の一態様による３Ｄストリップ線路共振器の断面図である。
【図７】本発明の一態様による３Ｄ空洞共振器の斜視図である。
【図８】本発明の一態様による、ウェーハレベルパッケージングを使用して３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯを形成する方法を示す図である。
【図９】本発明の一態様による、多重金属プロセスを使用して３Ｄ  ＭＭＩＣマルチプッシュＶＣＯを形成する方法を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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