专利名称：互补式金属传输线结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及传输线结构，特别是有关于电容性区域(c即acitive region)具有狭 缝(slit)的互补式金属传输线(complementary-conducting-striptransmission line ; CCS TL)结构。
背景技术：
近来，许多文献显示在单晶(monolithic)积体化技术中由叠层印刷电路板 (laminated PCB)所组成的微波/毫米波(microwave/millimeter-wave)传输线混合电 路设计的实现，已又再度引起人们研究的兴趣(T. Hirota， A. Minakawa， and M.Muraguchi， "Reduced-size branch-line and rat_race hybridsfor皿iplanar画ICs， "IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. ， vol.38， no.3， pp. 270—275， March 1990. ;I.Toyoda， T. Hirota， T. Hiraoka， and T.Tokumitsu，"Multilayer匪IC branch-line coupler and broad-side coupler,〃 IEEE 1992Microwave and millimeter-wave monolithic circuit s卿.，pp. 79_82， 1992. ;K. Hettak， G. A. Morin， and M. G. Stubbs， "Compact MMICCPW and asymmetric CPS b:ranch-Line couplers and Wilkinson dividers usingsh皿t and series stub loading, ，， IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. ， vol. 53， no. 5， pp. 1624-1635， May 2005. ;Y. Y皿，"A novel microstrip-linestructure employing a periodically perforated ground metal and its即plicationto highly miniaturized and low-impedance passive components fabricated onGaAs MMIC， ，， IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. ， vol.53， no. 6， pp. 1951—1959， June 2005. ;K. Hettak， G.A. Morin， and M. G. Stubbs，"A newminiaturized type of three-dimensional SiGe 90° hybrid coupler at 20GHzusing the meandering TFMS and stripline shunt stub loading, " IEEE MTT—SInt. Microwave symp. Dig. ， pp. 33—36， 2007)。据此，上述这些使用 多层化(multilayer)技术最小化混合电路可轻易达成尺寸积体化的要求。
但另 一 方面，却少有研究着力在标准互补式金氧半导体(complementary metal-oxide-semiconductor ;CM0S)工艺中实现最小化混合电路，因所制成的被动元件 具有较低的质量系数(quality-factor)，进而限制其可用性(availability)范围。然 而，近来研究提出的近横向电磁合成传输线(synthetic quasi-transverse-electro magnetic (quasi-TEM) transmission line ;或禾尔互补式金属传输线(complementary-conducting-striptra固ission line;以下简称CCS TU)的概念已可解决上述的问 题并可同时达到信号低损耗与电路最小化的要求(M. -J. Chiang, H. _S. Wu and C. _K. C. Tzimng，"Design of synthetic qimsi-TEM transmission line for CMOScompact integrated circuit, ，， IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. ， vol. 55， no. 12， part 1， pp. 2512-2520， Dec. 2007. ;M. _J. Chiang, H. _S. Wu and C. _K. C. Tzuang， "A Ka_band CMOS Wilkinson power divider using syntheticquasi_TEM transmission lines, "IEEE Microw. Wireless Compon. Lett. ， vol. 17， no. 12， pp. 837—839， Dec. 2007.; 4S. Wang， H. _S. Wu， and C. _K. C. Tzuang， "Compacted Ka_band CMOS rat-race hybrid using synthesized transmissionline， ，， IEEE MTT-S Int. Microwave symp. Dig.， pp. 1023-1026,2007.)。 CCSTL技术的所以能成功解决上述的问题，在于其将信号传输线 有效地以蜿蜒形式(meandered-form)设计布局进而达到高度积体化的要求。而金属密度 (metal density,总金属布局面积对电路面积的比值)是晶片代工(foundry)强烈要求遵 守的规格，用以在晶片制造过程中控管化学机械研磨(chemical-mechanical polishing ; CMP)等所产生的异动，并维持晶片质量(wafer yield)以及设计的可靠度(reliability) (A. B. Kahng， G. Robins, A. Singh， and Zelikovsky， "New and exact filling algorithms for layout densitycontrol， "Proceedings of the 12th International Conference on VLSIDesign(VLSID， 99)， pp. 106-110， Jan. 1999.)，因而此由晶片代工厂所制定的工 艺参数亦攸关CM0S电路设计制造的质量。截至目前为止，仅M,J. Chiang, H,S.Wu and C. _K. C. Tzuang，"Design of synthetic quasi-TEMtransmission line for CMOS compact integrated circuit, ，， IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. ， vol. 55， no. 12， part 1， pp. 2512-2520， Dec. 2007.开始着力于金属密度并应用于信号传输线的设计，而其余的 单晶集成电路在其金属密度未符晶片代工的要求时，仅能以额外的芯片区域填入虚拟金属 (dummy metal)以确保集成电路生产的质量以及电路设计的可靠度，如此并无法真正最小 化单晶集成电路。
发明内容
有鉴于上述的缺点，本发明提供一种互补式金属传输线结构，可改进现有的混合 电路设计金属密度不足的缺点、解决现有的需额外芯片区域填入虚拟金属的问题，并确保 集成电路生产的质量以及电路设计的可靠度。 本发明的目的之一，是提供一符合晶片代工所要求金属密度的互补式金属传输线 结构，由此减少芯片额外区域的需求与虚拟金属的使用，并提高集成电路的制造质量与电 路设计的可靠度。 本发明的目的之一，是在互补式金属传输线结构的电容性区域(c即acitive region)产生至少一狭缝(slit)，并以狭缝的大小(或称面积)改变互补式金属传输线的 宽度，由此提高金属传输线的布局面积以增加金属密度。 本发明为公开一种互补式金属传输线结构，其包含一基板；至少一第一网目金 属层；m层第二网目金属层，此m层第二网目金属层之间与此至少一第一网目金属层之间分 别与m层第一介电层交错叠接，由此形成一堆叠结构于此基板之上，其中此m层第一介电 层分别具有多个金属连接孔连接此至少一第一网目金属层与此m层第二网目金属层，其中 m^2且m为自然数；一第二介电层，位于此堆叠结构之上；以及一信号传输线，位于此第二 介电层之上；其中，此信号传输线正下方的此m层第二网目金属层具有至少一狭缝结构。
本发明还公开一种互补式金属传输线结构，其包含一基板；一第一网目金属层； 一第二网目金属层，其与此第一网目金属层之间叠接一第一介电层，由此形成一堆叠结构 于此基板之上，其中此第一介电层具有多个金属连接孔连接此第一 网目金属层与此第二网 目金属层；一第二介电层，位于此堆叠结构之上；以及一信号传输线，位于此第二介电层之 上；其中，此信号传输线的正下方的此第二网目金属层具有至少一狭缝结构。
图1为本发明之一较佳实施例的立体结构透视图； 图2A为本发明的另一较佳实施例的立体结构透视图； 图2B为本发明的又一较佳实施例的立体结构透视图； 图3A为本发明之一较佳实施例的俯视图； 图3B为本发明的另一较佳实施例的俯视图； 图3C为本发明的又一较佳实施例的俯视图4为图l所示实施例的复数特性阻抗(complex characteristicimpedance ;Zc) 及慢波系数(slowiave factor ;SWF)与频率的关系曲线图；以及
图5为本发明的多个较佳实施例所组成的应用电路布局示意图。主要元件符号说明
100 本发明的一较佳实施例 110、210、270 基板120 堆叠结构
Ml 第一网目金属层
M2、M3、M4、M5
MD12、 MD23、 MD34、 MD45
頂DT
第二介电层
第二网目金属层
第一介电层
金属连接孔
vial2、 via23、 via34、 via45 TL、M6 信号传输线 P 单元尺寸 Wh 网目尺寸
t、 tl、 t2、 t3、 t4、 t5、 t6、 t7、 t8、 t9 狭缝尺寸 S、 Sl、 S2、 S3、 S4、 S5、 S6、 S7、 S8、 S9信号传输线的线宽
200 260 310 320 330 A、B、
C、D
本发明的另一较佳实施例 本发明的又一较佳实施例 本发明的再一较佳实施例 本发明的又另一较佳实施例 本发明的又再一较佳实施例
本发明的应用电路的接点
具体实施例方式
本发明将详细描述一些实施例如下。然而，除了所公开的实施例外，本发明亦可以 广泛地运用在其它的实施例施行。本发明的范围并不受该多个实施例的限定，乃以其后的 权利要求为准。而为提供更清楚的描述及使熟悉该技术者能理解本发明的发明内容，图示 内各部分并没有依照其相对的尺寸而绘图，某些尺寸与其它相关尺度的比例会被突显而显 得夸张，且不相关的细节部分亦未完全绘出，以求图示的简洁。 请参照图l，其为本发明的一较佳实施例100的立体结构透视图。 一基板 110 (substrate)，具有一单元尺寸P (或称为周期)的大小。至少一第一网目金属层Ml (mesh ground plane)与m层第二网目金属层M2、M3、M4及M5，此M1、M2、M3、M4及M5之间分别与m层第一介电层IMD12、 IMD23、 IMD34及IMD45 (inter-media-dielectric ;IMD)交错叠接 (其中m > 2且m为自然数，在本实施例中m = 4)，亦即第一网目金属层Ml与第二网目金 属层M2之间叠夹第一介电层MD12 ;第二网目金属层M2与M3之间叠夹第一介电层MD23 ; 第二网目金属层M3与M4之间叠夹第一介电层MD34 ;以及第二网目金属层M4与M5之间叠 夹第一介电层頂D45，由此形成一堆叠结构120于基板110之上。其中第一介电层MD12、 MD23、MD34及MD45分别具有多个金属连接孔vial2、via23、via34及via45连接第一网 目金属层Ml、第二网目金属层M2、M3、M4及M5，亦即第一介电层MD12具有多个金属连接孔 vial2连接第一网目金属层M1与第二网目金属层M2 ;第一介电层MD23具有多个金属连接 孔via23连接第二网目金属层M2与M3 ;第一介电层MD34具有多个金属连接孔via34连 接第二网目金属层M3与M4 ;以及第一介电层MD45具有多个金属连接孔via45连接第二 网目金属层M4与M5，由此增加网目金属层的厚度。在本发明中，第一网目金属层Ml、第二 网目金属层M2、M3、M4及M5分别为一金属层具有中间篓空区域(或称槽孔(slot))，故称 这些金属层为网目金属层，且此中间篓空区域的大小由一网目尺寸Wh(或称网目宽度)所 决定。 —第二介电层MDT，位于堆叠结构120之上。 一信号传输线TL，位于第二介电层 MDT之上。其中信号传输线TL正下方的第二网目金属层M2、M3、M4及M5分别具有至少一 缺口以形成至少一具有狭缝尺寸t(或称狭缝宽度)的狭缝(slit)结构。在本实施例中， 信号传输线TL为直线形状通过第一网目金属层Ml、第二网目金属层M2、 M3、 M4及M5之上 方，因而其正下方的第二网目金属层M2、M3、M4及M5形成2个狭缝结构，而每一狭缝结构的 面积包含((单元尺寸P-网目尺寸Wh) +2) X狭缝尺寸t的大小。由此，利用改变第二网 目金属层M2、M3、M4及M5中间篓空区域(或称电容性区域(c即acitive region))狭缝尺 寸t的大小(或是狭缝结构面积的大小)，即可改变信号传输线TL的特性阻抗与线宽S，进 而改变信号传输线TL在金属层M6的布局(layout)面积以调整金属密度。
然而，发明人在此要强调的是，在本实施例中，基板110、第一网目金属层M1、第二 网目金属层M2、 M3、 M4及M5、第一介电层MD12、 MD23、 MD34及MD45以及第二介电层 MDT等的外形是以正方形的几何形状呈现，但它们的几何形状变化并不受限于本实施例的 限制，它们的几何形状亦可包含其它多边形的几何形状。此外，在本实施例中，第一网目金 属层M1为仅以一层且其位于堆叠结构120的底端(基板110之上)作为说明，然而在其它 较佳实施例中，亦可以是多层第一网目金属层，且此多层第一网目金属层的位置亦可以是 位于堆叠结构的顶端或是堆叠结构的中与第二网目金属层交错叠接。而在本实施例中，第 二介电层MDT亦是以一层作为说明，然而在实际应用上，第二介电层亦可以包含一多层介 电层结构。再者，本发明所有实施例中的第一、第二网目金属层的中间篓空区域以及第二网 目金属层的狭缝结构亦均填有介电质。 请参照图2A，其为本发明的另一较佳实施例200的立体结构透视图。 一基板210， 具有一单元尺寸p (或称为周期)的大小。 一第一网目金属层Ml与一第二网目金属层M2之 间叠接一第一介电层頂D12，由此形成一堆叠结构于基板210之上。其中第一介电层MD12 具有多个金属连接孔连接第一网目金属层Ml与第二网目金属层M2，由此增加网目金属层 的厚度。在本发明中，第一网目金属层Ml与第二网目金属层M2分别为一金属层具有一中 间篓空区域，故称这些金属层为网目金属层，且此中间篓空区域的大小由一网目尺寸Wh所
7决定。 一第二介电层MDT，位于上述的堆叠结构之上。 一信号传输线TL，位于第二介电层 MDT之上。其中信号传输线TL正下方的第二网目金属层M2具有至少一缺口以形成至少一 具有狭缝尺寸t的狭缝结构。在本实施例中，信号传输线TL为直线形状通过第一网目金属 层Ml与第二网目金属层M2的上方，故其正下方的第二网目金属层M2形成2个狭缝结构， 而每一狭缝结构的面积包含((单元尺寸P-网目尺寸Wh) +2) X狭缝尺寸t的大小。
请参照图2B，其为本发明的又一较佳实施例260的立体结构透视图。其中图2B 与图2A的不同处在于信号传输线TL仅横跨第一网目金属层M1与第二网目金属层M2的一 边上方，因此在图2B中，信号传输线TL正下方的第二网目金属层M2仅有一缺口以形成一 具有狭缝尺寸t的狭缝结构，而此仅具有一狭缝结构的构造亦可实施于本发明的其它实施 例。至于基板270与其它标示符号同于图2A的基板210与相同标示符号的说明，故在此不 再赘述。 请参照图3A、图3B与图3C，其分别为本发明的三较佳实施例310、320与330的俯 视图。在图3A中，信号传输线TL为L型形状且其线宽分别为Sl及S2，而信号传输线TL正 下方的2个狭缝结构分别具有狭缝尺寸tl及t2的大小(在本实施例中，可以是Sl = S2， 即相同线宽；亦可以是Sl # S2，即不同线宽)。在图3B中，信号传输线TL为T型形状且 其线宽分别为S3、 S4及S5(在本实施例中，可以是S3 = S4 = S5 ;或是S3 # S4 # S5 ;或 是S3 = S4 ^ S5 ;或是S3 ^ S4 = S5 ;或是S3 = S5 ^ S4)，而信号传输线TL正下方的3 个狭缝结构分别具有狭缝尺寸t3、 t4及t5的大小。在图3C中，信号传输线TL为十字型 形状且其线宽分别为S6、 S7、 S8及S9 (可为相同线宽或不同线宽的排列组合，不再赘述)， 而信号传输线TL正下方的4个狭缝结构分别具有狭缝尺寸t6、 t7、 t8及t9。至于单元尺 寸P与网目尺寸Wh已于上述的实施例说明，在此不再赘述。而发明人在此要说明的是，本 发明利用狭缝尺寸大小改变信号传输线的特性阻抗与线宽，因此，狭缝尺寸可依实际需求 作调整，未必如图3A、图3B与图3C所示一定大于信号传输线的线宽。此外，本发明所有实 施例的狭缝结构亦可配合信号传输线的布局而偏左或偏右，并不限定须在1/2单元尺寸之 处，亦即狭缝结构并不一定在中间，再者，信号传输线亦可以是由相邻两金属层的信号传输 线通过多个金属连接孔加以连接，由此增加信号传输线的厚度。 请参照图4，其为图1所示实施例的复数特性阻抗(complexcharacteristic impedance ;Zc)及慢波系数(slow-wave factor ;SWF)与频率的关系曲线图。发明人在此 要强调的是，以下为测试所设定的数据以及测试所得的数据仅用以说明本发明实施例的测 试过程与结果，并非用以限定本发明实施例的实行。测试所设定的数据包含单元尺寸(P) 为30. Oiim;网目金属层厚度(M1 M5)为6. 35iim;网目尺寸(Wh)为21. 0 y m ;狭缝尺寸 (t)分别为14.0iim与9.0iim且厚度为5.8iim;信号传输线的宽度(S)分别为13.0ym与 7. 0 y m且厚度为2. 0 ii m ;上述各介电层的介电常数为4. 0且厚度为0. 9 y m ;基板的介电常 数为11.9 ;以及基板厚度为482.6 iim且导电度(conductivity)为11. OS/m(西门斯/米)。 并且，上述的测试说明为辅以商业化三维结构电磁场仿真软件(Ansoft HFSS)加以仿真，而 仿真所得的数据分别呈现在图4。 在图4中，TL 1曲线表示信号传输线在狭缝尺寸(t)为14.0iim且线宽为13.0iim 时所作的模拟；而TL 2曲线表示信号传输线在狭缝尺寸(t)为9.0iim且线宽为7.0iim时 所作的模拟。TL 1与TL 2的特性阻抗Zc在Ka频带(Ka-band ;约26 40GHz)模拟测试中的实数部分分别为35.3Q (欧姆)与49.7Q (欧姆)，而虚数部分几乎相同。TL 1与TL 2 的慢波系数SWF在Ka频带模拟测试中分别为2.0与2.07。此测试结果显示，狭缝尺寸(t) 会使信号传输线的特性阻抗Zc增加，因此为了维持相同特性阻抗设计，在具有较大狭缝尺 寸(t)的互补式金属传输线结构中，必须以较宽的信号传输线布局，由此增加信号传输线 层(最上层金属层)的金属密度。 请参照图5，其为本发明的多个较佳实施例所组成的应用电路400布局示意图。应 用电路400为一 90度耦合器(Branch-Line Coupler)，端点A、 B、 C及D分别表应用电路 400的输出/入端点。在图5中，信号传输线的宽度是根据其正下方的狭缝尺寸大小作调 整，因此它们的宽度并不相同，而较粗的信号传输线亦增加最上层金属层的金属密度，由此 改进混合电路设计金属密度不足的缺点、解决需额外芯片区域填入虚拟金属的问题，并且 确保集成电路生产的质量以及电路设计的可靠度 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的申请专利范围； 凡其它为脱离本发明所公开的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在所述的权利要 求。
权利要求
一种互补式金属传输线结构，其特征在于，包含一基板；至少一第一网目金属层；m层第二网目金属层，该m层第二网目金属层之间与该至少一第一网目金属层之间分别与m层第一介电层交错叠接，由此形成一堆叠结构于该基板之上，其中该m层第一介电层分别具有多个金属连接孔连接该至少一第一网目金属层与该m层第二网目金属层，其中m≥2且m为自然数；一第二介电层，位于该堆叠结构之上；以及一信号传输线，位于该第二介电层之上；其中，该信号传输线正下方的该m层第二网目金属层具有至少一狭缝结构。
2. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一狭缝结构 的面积包含((P-Wh)/2) Xt，其中P表该基板的单元尺寸，Wh表该m层第二网目金属层的 网目尺寸，t表该至少一狭缝结构的狭缝尺寸。
3. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的信号传输线包含 直线形状。
4. 如权利要求3所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一狭缝结构 包含2个狭缝结构。
5. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的信号传输线包含L 型形状。
6. 如权利要求5所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一狭缝结构 包含2个狭缝结构。
7. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的信号传输线包含T 型形状。
8. 如权利要求7所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一狭缝结构 包含3个狭缝结构。
9. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的信号传输线包含 十字型形状。
10. 如权利要求9所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一狭缝结构 包含4个狭缝结构。
11. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一第一网目 金属层位于该堆叠结构的底端。
12. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一第一网目 金属层位于该堆叠结构的顶端。
13. 如权利要求1所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，所述的至少一第一网目 金属层位于该堆叠结构之间。
14. 一种互补式金属传输线结构，其特征在于，包含一基板；一第一网目金属层；一第二网目金属层，其与该第一网目金属层之间叠接一第一介电层，由此形成一堆叠结构于该基板之上，其中该第一介电层具有多个金属连接孔连接该第一网目金属层与该第 二网目金属层；一第二介电层，位于该堆叠结构之上；以及一信号传输线，位于该第二介电层之上；其中，该信号传输线的正下方的该第二网目金属层具有至少一狭缝结构。
15. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该至少一狭缝结构的 面积包含((P-Wh)/2) Xt，其中P表该基板的单元尺寸，Wh表该第二网目金属层的网目尺 寸，t表该至少一狭缝结构的狭缝尺寸。
16. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该信号传输线包含直 线形状。
17. 如权利要求16所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该至少一狭缝结构包 含2个狭缝结构。
18. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该信号传输线包含L型 形状。
19. 如权利要求18所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该至少一狭缝结构包 含2个狭缝结构。
20. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该信号传输线包含T型 形状。
21. 如权利要求20所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该多个狭缝结构包含3 个狭缝结构。
22. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该信号传输线包含十 字型形状。
23. 如权利要求22所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该至少一狭缝结构包 含4个狭缝结构。
24. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该第一网目金属层位 于该堆叠结构的底端。
25. 如权利要求14所述的互补式金属传输线结构，其特征在于，该第一网目金属层位 于该堆叠结构的顶端。
全文摘要
本发明公开一种互补式金属传输线结构，其包含一基板；至少一第一网目金属层；m层第二网目金属层，此m层第二网目金属层之间与此至少一第一网目金属层之间分别与m层第一介电层交错叠接，由此形成一堆叠结构于此基板之上，其中此m层第一介电层分别具有多个金属连接孔连接此至少一第一网目金属层与此m层第二网目金属层，其中m≥2且m为自然数；一第二介电层，位于此堆叠结构之上；以及一信号传输线，位于此第二介电层之上；其中，此信号传输线正下方的此m层第二网目金属层具有至少一狭缝结构。
文档编号H01L23/522GK101783336SQ20091000268
公开日2010年7月21日 申请日期2009年1月19日 优先权日2009年1月19日
发明者吴宪顺, 庄晴光, 蒋孟儒 申请人:庄晴光;益芯科技股份有限公司