(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
集積回路内の伝送線路を構成する第１金属層と前記集積回路内の回路素子に接続される第２金属層との間に積層される複数の誘電体層と、
１つの前記誘電体層と別の前記誘電体層の間に設けられるランドと、
前記誘電体層を貫通して前記ランドに接続される層間ビアとを備え、
前記第１金属層と第２金属層の間に前記層間ビアと前記ランドを介して交流信号を伝播する集積回路内信号伝播構造において、
少なくとも１つの前記誘電体層に前記層間ビアが存在しなく、
前記層間ビアが存在する１つ以上の誘電体層の一方側に積層される前記誘電体層に前記層間ビアが存在せず、
当該１つ以上の誘電体層の他方側に積層される前記誘電体層に前記層間ビアが存在しない
ことを特徴とする集積回路内信号伝播構造。
【請求項２】
前記層間ビアが存在しない誘電体層の一方側に積層される誘電体層との間のランドまたは当該一方側に配置される前記第１金属層または第２金属層に接続される、前記層間ビアとは異なる非貫通ビアと、
前記非貫通ビアに接続され、当該層間ビアが存在しない誘電体層の他方側に積層される誘電体層との間のランドまたは当該他方側に配置される前記第１金属層または第２金属層に対して当該層間ビアが存在しない誘電体層の一部分を介して対向するランドと
を備えることを特徴とする請求項１記載の集積回路内信号伝播構造。
【請求項３】
前記層間ビアが存在しない誘電体層の前記一部分が当該誘電体層の他の部分とは別の材料で形成される
ことを特徴とする請求項２記載の集積回路内信号伝播構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集積回路内の伝送線路と回路素子間に層間ビアを介して高周波の交流信号を伝播でき且つ層間ビアのインダクタンスを補償できる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に高周波信号を用いる集積回路のプロセスでは、低損失で高周波信号に適している金属厚膜は集積回路の最上層に存在し、トランジスタなどの回路素子（能動素子）は集積回路の最下層に存在する。
【０００３】
図１０は、集積回路の最上層と最下層を繋ぐ部分の等価回路を示す。
【０００４】
図１０に示す回路１００の伝送線路を構成する金属厚膜は集積回路の最上層に存在し、トランジスタ２００は最下層に存在する。
【０００５】
最上層に存在する回路１００の伝送線路から、最下層のトランジスタ２００へ、またはその逆に高周波信号を伝送すべく、伝送線路とトランジスタ２００は、複数の層間ビアで電気的に接続される(非特許文献２)。図１０は、層間ビアの等価回路として、インダクタンスＬを示している。
【０００６】
図１１（ａ）は、上記のような従来の集積回路に構成される信号伝播構造の一部断面図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示す信号伝播構造の上面図である。
【０００７】
第１金属層１は、図１０に示す回路１００における伝送線路を構成し、第２金属層２は、図１０に示すトランジスタ２００のような集積回路内の回路素子３に接続される。
【０００８】
第１金属層１と第２金属層２の間に複数の誘電体層４が積層される。図では、誘電体層４は４層である。
【０００９】
１つの誘電体層４と別の誘電体層の間にランド５が設けられる。また、誘電体層４を貫通してランド５に接続される層間ビア６が設けられる。
【００１０】
層間ビア６は、電気長が無視できる集中定数型の素子であり、周波数応答は無限周波数までフラットであると仮定されている。
【００１１】
一般的に、マイクロ波帯では、層間ビア６の相互インダクタンスは無視される。よって、層間ビア６は、回路性能には影響を与えず、設計においては考慮されなかった。
【００１２】
ところが、高周波数帯、例えば、ミリ波帯では、層間ビア６の相互インダクタンスが回路に影響を与え始める。
【００１３】
つまり、周波数が高くなり、ミリ波やテラヘルツ波領域となると、集積回路内での高周波信号の有効波長が、層間ビア６の物理的な長さと同程度となり、上記仮定が成り立たなくなる。
【００１４】
例えば、層間ビア６のインダクタンスにより、インピーダンスミスマッチを引き起こし、大きな反射損失が発生する。また、このような、インピーダンスミスマッチによる反射損失は、利得、周波数安定性といった総合的なパフォーマンスの低下をもたらす。
【００１５】
よって、層間ビア６のインダクタンスが無視できなくなり、設計上の考慮が不可欠となる（非特許文献２）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】C.K. Liang et al., JSSC vol 44, no. 2, 2009
【非特許文献２】C. H. Doan et al., JSSC vol. 40, no. 1, 2005
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、集積回路内の伝送線路と回路素子間に層間ビアを介して高周波の交流信号を伝播でき且つ層間ビアのインダクタンスを補償できる技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するために、集積回路内の伝送線路を構成する第１金属層と前記集積回路内の回路素子に接続される第２金属層との間に積層される複数の誘電体層と、１つの前記誘電体層と別の前記誘電体層の間に設けられるランドと、前記誘電体層を貫通して前記ランドに接続される層間ビアとを備え、前記第１金属層と第２金属層の間に前記層間ビアと前記ランドを介して交流信号を伝播する集積回路内信号伝播構造において、少なくとも１つの前記誘電体層に前記層間ビアが存在しなく、前記層間ビアが存在する１つ以上の誘電体層の一方側に積層される前記誘電体層に前記層間ビアが存在せず、当該１つ以上の誘電体層の他方側に積層される前記誘電体層に前記層間ビアが存在しないことを特徴とする。
【００２０】
例えば、前記層間ビアが存在しない誘電体層の一方側に積層される誘電体層との間のランドまたは当該一方側に配置される前記第１金属層または第２金属層に接続される、前記層間ビアとは異なる非貫通ビアと、前記非貫通ビアに接続され、当該層間ビアが存在しない誘電体層の他方側に積層される誘電体層との間のランドまたは当該他方側に配置される前記第１金属層または第２金属層に対して当該層間ビアが存在しない誘電体層の一部分を介して対向するランドとを備える。
【００２１】
例えば、前記層間ビアが存在しない誘電体層の前記一部分が当該誘電体層の他の部分とは別の材料で形成される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の集積回路内信号伝播構造によれば、少なくとも１つの誘電体層に層間ビアが存在しないので、層間ビアが存在しない箇所にキャパシタンスが形成され、集積回路内の伝送線路と回路素子間に層間ビアを介して高周波の交流信号を伝播でき且つ層間ビアのインダクタンスをキャパシタンスにより補償できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本実施の形態に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【図２】図２（ａ）は、最下層の誘電体層４に層間ビア６が存在しない別の集積回路内信号伝播構造の一部断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【図３】図３（ａ）は、最下層の誘電体層４に層間ビア６が存在しない別の集積回路内信号伝播構造の一部断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の等価回路であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す回路および比較例についての周波数と反射減衰値の関係を示す図である。
【図４】図４は、第１の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【図５】図５（ａ）は、第２の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【図６】図６は、第３の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【図７】図７（ａ）は、第４の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【図８】図８は、第５の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【図９】図９（ａ）は、第６の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【図１０】集積回路の最上層と最下層を繋ぐ部分の等価回路を示す。
【図１１】従来の集積回路に構成される信号伝播構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２５】
図１は、本実施の形態に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【００２６】
第１金属層１は、集積回路内の伝送線路を構成し、第２金属層２は、集積回路内の回路素子３に接続される。回路素子３は例えば、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ (HBT:Heterojunction Bipolar Transistor)である。回路素子３は例えば、基板３０の上に構成され、薄膜トランジスタ３１を含む。
【００２７】
第１金属層１と第２金属層２の間に複数の誘電体層４が積層される。図では、誘電体層４は４層である。
【００２８】
１つの誘電体層４と別の誘電体層の間にランド５が設けられる。また、誘電体層４を貫通してランド５に接続される層間ビア６が設けられる。
【００２９】
すなわち、第１金属層１と第２金属層２の間には、層間ビア６とランド５を介して交流信号を伝播する集積回路内信号伝播構造１０が設けられる。
【００３０】
また、集積回路内信号伝播構造１０においては、少なくとも１つの誘電体層４に層間ビア６が存在しない。図では、集積回路内信号伝播構造１０の最下層の誘電体層４には層間ビア６が存在しない。
【００３１】
図２（ａ）は、図１の集積回路内信号伝播構造１０と同様に最下層の誘電体層４に層間ビア６が存在しない別の集積回路内信号伝播構造の一部断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【００３２】
層間ビア６が存在しない箇所８のキャパシタンスは、最も下のランド５と、第２金属層２とがオーバーラップした領域（図２（ｂ）の斜線部）の面積に依存する。
【００３３】
ここで、その面積を定めるときの計算方法の簡単な例を示す。
【００３４】
最も下のランド５と第２金属層２の距離ｈを６μｍ、層間ビア５の径を１μｍと仮定する。
【００３５】
この場合、層間ビア５による全インダクタンスは、約８０ｐＨであり、３００ＧＨｚにおいて、そのリアクタンスは、約１５０Ωである。このインダクタンスを補償するためには、面積Ａは、次の式（１）により計算される。
【００３６】
Ａ＝ｈ／｛（２πｆ）２Ｌε｝  （１）
ここで、ｆ、Ｌ、ε、ｈは、それぞれ、動作周波数、層間ビア５による全インダクタンス、オーバーラップした領域における誘電体層４の誘電率、最も下のランド５と第２金属層２の距離である。
【００３７】
ε＝４、ｈ＝１μｍを代入すると、式（１）は約１００μｍ２となり、例えば、斜線部は、１０μｍ×１０μｍの正方形とすればよい。
【００３８】
図３（ａ）は、最下層の誘電体層４に層間ビア６が存在しない別の集積回路内信号伝播構造の一部断面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の等価回路であり、図３（ｃ）は、図３（ｂ）に示す回路および比較例についての周波数と反射減衰値の関係を示す図である。
【００３９】
図３（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の等価回路は、図３（ｂ）に示すように、第１金属層１と第２金属層２の間を、第１金属層１の抵抗分Ｒ１、層間ビア６とランド５によるインダクタンスＬ、層間ビア６が存在しない箇所８のキャパシタンスＣ、第２金属層２の抵抗分Ｒ２を直接接続したものである。
【００４０】
図３（ｃ）の符号Ｓ０は、層間ビア６が存在しない箇所において仮に層間ビアを設けた場合の周波数と反射減衰値の関係を示し、符号Ｓ１は、図３（ｂ）に示す回路の周波数と反射減衰値の関係を示す。
【００４１】
層間ビア６とランド５によるインダクタンスＬの高周波数でのリアクタンスが、層間ビア６が存在しない箇所８のキャパシタンスＣで補償されるので、反射減衰値は、目的の周波数である３００ＧＨｚにおいて改善されている。
【００４２】
図４は、第１の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【００４３】
図２の集積回路内信号伝播構造では、最下層の誘電体層４には層間ビア６が存在しないが、層間ビア６が存在しない誘電体層４の位置は任意であり、下から２番目の誘電体層４に層間ビア６が存在しないようにしてもよい。
【００４４】
図５（ａ）は、第２の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【００４５】
図２の集積回路内信号伝播構造では、各誘電体層４の層間ビア６は、直線状に配置されたが、図５に示すように、階段状に配置されていてもよい。
【００４６】
図６は、第３の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【００４７】
上記説明では、層間ビア６が存在しない箇所のキャパシタンスＣは、式（１）の面積に依存すると述べたが、面積を調整できない場合、例えば、層間ビア６が存在しない誘電体層４を２層以上設けてもよい。
【００４８】
例えば、層間ビア６が存在する誘電体層４の一方側に積層される誘電体層４に層間ビアが存在せず、層間ビア６が存在する誘電体層４の他方側に積層される誘電体層４に層間ビアが存在しない。なお、層間ビア６が存在しない誘電体層４で複数の誘電体層４（層間ビア６が存在する誘電体層４）を挟んだ構造としてもよい。
【００４９】
これにより、キャパシタンスＣが直列接続されたこととなり、キャパシタンスＣの値を小さくすることができる。すなわち、層間ビア６とランド５のインダクタンスを補償する際の自由度を高めることができる。
【００５０】
図７（ａ）は、第４の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【００５１】
図２では、層間ビア６が存在しない箇所８のランド５と、第２金属層２とがオーバーラップした部分（図２（ｂ）の斜線部）は、層間ビア６より少し大きい程度であったが、図７（ｂ）の斜線部のように、層間ビア６が存在しない箇所８のランド５を大きくすることで、その斜線部を大きくでき、キャパシタンスの値を増加させることができる。
【００５２】
よって、層間ビア６とランド５のインダクタンスを補償する際の自由度を高めることができる。
【００５３】
図８は、第５の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図である。
【００５４】
図に示すように、層間ビア６が存在しない誘電体層４（最下層）とその一方側（上側）に積層される誘電体層４との間のランド５にビア６Ａが接続される。ビア６Ａは、誘電体層４を貫通するものでなく、層間ビアとは区別して呼称する。
【００５５】
また、ビア６Ａに接続され、層間ビア６が存在しない誘電体層４（最下層）の他方側に配置される第２金属層２に対して層間ビアが存在しない誘電体層４（最下層）の一部分（符号４Ａ）を介してランド５Ａが対向する。符号４Ａの部分は、層間ビア６が存在しない誘電体層４（最下層）の他の部分とは別の材料で形成される。
【００５６】
キャパシタンスＣの値は、この材料に依存するので、他の例の場合の値と異ならせることができる。よって、層間ビア６とランド５のインダクタンスを補償する際の自由度を高めることができる。
【００５７】
なお、ビア６Ａを第２金属層２側に設け、符号４Ａの部分を上の誘電体層４側に設けてもよい。つまり、ビア６Ａと符号４Ａの部分を逆の配置としてもよい。
【００５８】
なお、このような構造を有する誘電体層４（層間ビア６が存在せず、ビア６Ａと符号４Ａの部分が存在する誘電体層４）は、最下層以外の別の誘電体層４でもよい。
【００５９】
また、符号４Ａの部分は、他の誘電体層の部分と同じ材料で形成してもよい。他の部分と同じ材料で形成しても、図２のおけるｈ１に相当する距離が異なるので、キャパシタンスＣの値を異ならせることができ、層間ビア６とランド５のインダクタンスを補償する際の自由度を高めることができる。
【００６０】
図９（ａ）は、第６の変形例に係る集積回路内信号伝播構造を有する集積回路の一例を示す一部断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示す集積回路内信号伝播構造の上面図である。
【００６１】
図９において、符号５（５１）で示すランドは、図の右に延びる伝送線路と一体構成であり、符号５（５２）で示すランドは、図の上に延びる伝送線路と一体構成であり、このように、ランドは、いわゆる島状のものでなくてもよい。
【００６２】
以上のように、本実施の形態の集積回路内信号伝播構造によれば、少なくとも１つの誘電体層に層間ビアが存在しないので、層間ビアによるインダクタンスを、層間ビアが存在しない箇所のキャパシタンスで補償でき、インピーダンスミスマッチによる反射損失を低減し、利得、周波数安定性といった総合的なパフォーマンスを改善できる。
【符号の説明】
【００６３】
１  第１金属層
２  第２金属層
３  回路素子
４  誘電体層
５  ランド
６  層間ビア
６Ａ  ビア
１０  集積回路内信号伝播構造
【図１】
0006334439.tif 000002
【図２】
0006334439.tif 000003
【図３】
0006334439.tif 000004
【図４】
0006334439.tif 000005
【図５】
0006334439.tif 000006
【図６】
0006334439.tif 000007
【図７】
0006334439.tif 000008
【図８】
0006334439.tif 000009
【図９】
0006334439.tif 000010
【図１０】
0006334439.tif 000011
【図１１】
0006334439.tif 000012