用于慢相速度的毫米波传输线结构及其操作方法

专利名称：用于慢相速度的毫米波传输线结构及其操作方法
用于慢相速度的毫米波传输线结构及其操作方法
背景技术：
本发明涉及一种半导体结构，具体地涉及一种为例如毫米波的射频信号提供减小
的相速度的传输线结构及其设计结构和操作方法。 毫米波是指波长范围为约1mm至约10mm的电磁辐射。毫米波的相应频率范围为 从约30GHz到约300GHz。毫米波的波长范围占据微波的最高频率范围，并且也被称为极高 频(EHF)。毫米波的频率范围是最高的射频频带，频率高于毫米波的电磁辐射被认为是远端 (长端)红外辐射。 由于氧气和水蒸汽，毫米波显示出取决于频率的大气吸收率。在大气中对于氧气 的吸收系数的范围为从约0. OldB/km至约10dB/km，以及在大气中对于水蒸汽的吸收系数 的范围为约0. 03dB/km到约30dB/km。由于大气吸收，与低频射频信号相比，毫米波信号的 强度随着距离下降得更多。 尽管毫米波的衰减特性限制了信号通信的范围，然而随着毫米波的距离的迅速的 信号衰减也允许频率复用。换言之，对于彼此分离足够距离的毫米波信号发射机的子集来 说，毫米波信号发射机阵列可以共享相同的频率范围。因此，使用毫米波用于包括蜂窝电话 应用的短程无线电通信。 由于毫米波的短波长，例如相位调制的毫米波的控制对半导体器件提出了挑战。

发明内容
本发明提供了一种半导体结构，其包括为电磁信号提供减小的相速度的毫米波传 输线结构及其设计结构和操作方法。 在本发明中，在电介质材料层的叠层中配置接地板和传输线。在所述传输线中，具 有第一宽度的第一传输线部分与具有第二宽度的第二传输线部分交替地交织。第二宽度大 于第一宽度，由此使得相对于具有固定宽度的传输线增加了传输线的电感。金属鳍可以被 配置在电介质材料层的叠层中具有较大宽度的传输线部分和接地板之间。金属鳍的纵向方 向垂直于传输线的纵向方向。所述金属鳍可以被接地至所述接地板，以增加所述传输线和 所述接地板之间的电容。传输线和接地板之间的自感和电容的增加被有益地用于为通过传 输线传送的电磁信号提供减小的相速度。 根据本发明的一方面，提供了一种结构，包括位于衬底上的至少一个电介质材料 层；金属传输线，嵌入在所述至少一个电介质材料层中并且包括具有第一宽度的第一传输 线部分和具有第二宽度的第二传输线部分，其中第一宽度和第二宽度不同，以及其中第一 传输线部分和第二传输线部分被交替地交织；以及接地金属面，位于所述至少一个电介质 材料层中并且垂直地与所述金属传输线分离。 根据本发明的另一方面，提供了一种操作金属传输线结构的方法。所述方法包括 提供金属传输线结构，所述金属传输线结构包括位于衬底上的至少一个电介质材料层； 金属传输线，嵌入在所述至少一个电介质材料层中并且包括具有第一宽度的第一传输线部 分和具有第二宽度的第二传输线部分，其中第一宽度和第二宽度不同，以及其中第一传输
5线部分和第二传输线部分被交替地交织；以及接地金属面，位于所述至少一个电介质材料 层中并且垂直地与所述金属传输线分离；电气地将所述接地金属面接地；以及在金属传输 线的第一端和所述接地金属面两端施加射频(RF)信号。 根据本发明的另一方面，提供了一种用于传输线结构的设计结构。所述设计结构 包括用于接地板、传输线、和电介质材料层的叠层的数据。在所述传输线中，具有第一宽度 的第一传输线部分与具有第二宽度的第二传输线部分交替地交织。第二宽度大于第一宽 度，由此使得相对于具有固定宽度的传输线增加了传输线的电感。可以在电介质材料层叠 层中的传输线和接地板之间配置金属鳍。金属鳍的纵向方向垂直于传输线的纵向方向。所 述金属鳍可以被接地至所述接地板，以增加所述传输线和所述接地板之间的电容。传输线 和接地板之间的自感和电容的增加被有益地用于为通过传输线传送的电磁信号提供减小 的相速度。所述设计结构允许了如下的传输线结构的设计，所述传输线结构相对于包括具 有恒定宽度的传输线的传输线结构提供了减小的相速度。 根据本发明的还一方面，提供了一种用于半导体芯片的设计、制造或者测试设计 的、以机器可读介质实现的设计结构。所述设计结构包括表示至少一个电介质材料层的第 一数据；表示金属传输线的第二数据，所述金属传输线嵌入在所述至少一个电介质材料层 中，并且包括表示具有第一宽度的第一传输线部分的第三数据和表示具有第二宽度的第二 传输线部分的第四数据，其中所述第一宽度和所述第二宽度不同，以及其中所述第一传输 线部分和所述第二传输线部分被交替地交织；以及第五数据，表示接地金属面，所述接地金 属面位于所述至少一个电介质材料层中并且垂直地与所述金属传输线分离。


图1A-1D、2A-2D、3A-3F、和4A-4F示出了根据本发明实施例的第一示例性半导体 结构的各种视图。具有相同数字标记的附图对应于制造的相同阶段。 图1A示出了沿着图1B中的面A-A'的垂直剖视图。图1B示出了俯视图。图1C 和1D示出了分别沿着图1A的面C-C'或者D-D'的根据本发明的第一示例性半导体结构 的垂直剖视图。 图2A示出了沿着图2B中的面A-A'的垂直剖视图。图2B示出了俯视图。图2C 和2D示出了分别沿着图2A的面C-C'或者D-D'的根据本发明的第一示例性半导体结构 的垂直剖视图。 图3A示出了沿着图3B中的面A-A'的垂直剖视图。图3B示出了沿着图3A中的 面B-B'的水平剖视图。图3C和3D示出了分别沿着图3A的面C-C'或者D-D'的第一示 例性半导体结构的垂直剖视图。图3E和3F示出了根据本发明的沿着图3A中的面E-E'或 者F-F'的水平剖视图。 图4A示出了沿着图4B中的面A-A '的垂直剖视图。图4B示出了沿着图4A中的 面B-B'的水平剖视图。图4C和4D示出了分别沿着图4A的面C-C'或者D-D'的第一示 例性半导体结构的垂直剖视图。图4E和4F示出了根据本发明的沿着图4A中的面E-E'或 者F-F'的水平剖视图。 图5A和5B示出了出于与模拟结果对比的目的的参考半导体结构的视图。图5A 示出了沿着图5B中的面A-A'的垂直剖视图。图5B示出了沿着图5A中的面B-B'的水平剖视图。 图6A和6B示出了根据本发明另一实施例的第二示例性半导体结构的视图。图6A 示出了沿着图6B中的面A-A'的垂直剖视图。图6B示出了沿着图6A中的面B-B'的水平 剖视图。 图7A和7B示出了根据本发明的又一实施例的第三示例性半导体结构的视图。图 7A示出了沿着图7B中的面A-A'的垂直剖视图。图7B示出了沿着图7A的面B-B'的水平 剖视图。 图8A和8B示出了根据本发明的第一示例性半导体结构的视图。图8A示出了沿 着图8B中的面A-A'的垂直剖视图。图8B示出了沿着图8A中的面B-B'的水平剖视图。
图9示出了用于图5A和5B的参考半导体结构、用于图6A和6B的第二示例性半 导体结构、用于图7A和7B的第三示例性半导体结构以及用于图8A和8B的第一示例性半 导体结构的电路示意图。 图10示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的作为信号 频率的函数的电感的曲线图。 图11示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的作为信号 频率的函数的电容的曲线图。 图12示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的每单位长 度相移的曲线图。 图13示出了用在根据本发明的半导体结构的半导体设计和制造中的设计过程的 流程图。
具体实施例方式
如上所述，本发明涉及一种传输线结构，所述传输线结构为例如毫米波的射频信
号提供减小的相速度，及其设计结构和操作方法。附图不一定是按比例绘制的。 参考图1A-1D，根据本发明第一实施例的第一示例性半导体结构包括衬底10、至
少一个第一电介质材料层40和接地金属面50。衬底10可以是其中嵌入有至少一个半导体
器件的半导体衬底。例如，该至少一个半导体器件可以包括场效应晶体管，所述场效应晶体
管包括源极和漏极区14、栅电介质30、栅导体32和栅间隔物34。包括电介质材料的浅槽隔
离结构12可以形成在半导体衬底中。 半导体衬底包括如下半导体材料，例如硅、硅锗合金区、硅、锗、硅锗合金区、硅碳 合金区、硅锗碳合金区、砷化镓、砷化铟、铟镓砷化物、磷化铟、硫化铅、其他III-V族化合物 半导体材料和II-VI族化合物半导体材料。半导体衬底可以是单晶半导体衬底。例如，单 晶半导体衬底可以是单晶硅衬底。 该至少一个第一电介质材料层40可以包括中间制程(middle-of-line，MOL)电介 质材料层和/或至少一个后段制程(BEOL)电介质材料层。可以用于该至少一个第一电介质 材料层40的电介质材料包括但不限于硅酸盐玻璃、有机硅酸盐玻璃(OSG)材料、通过化学 气相淀积形成的基于SiCOH的低k材料、旋涂玻璃(SOG)或者例如SiLK 的旋涂低k电介 质材料等等。硅酸盐玻璃包括未掺杂的硅酸盐玻璃(USG)，硼硅酸盐玻璃(BSG)，磷硅酸盐 玻璃(PSG)，氟硅酸盐玻璃(FSG)，硼磷硅酸盐玻璃( )等等。电介质材料可以是介电常数小于3.0的低介电常数(低k)材料。所述电介质材料可以是无孔的或者多孔的。尽管此 处也考虑了更小和更大的厚度，但是该至少一个电介质材料层40的总厚度可以从0. 1 m 至20 ii m，以及通常从0. 2 ii m至lj 2 ii m。 接地金属面50包括金属材料，例如Cu、 Ni、 Au、 W、 Au、 Ag、 Ta、 Ti、 TaN、 TiN和WN。 优选地，接地金属面50包括可电镀材料，例如Cu或者Ni或者例如A1的溅射沉积材料。接 地金属面50可以与线路层级金属互连结构或者通路层级金属互连结构形成在相同层级 中。换言之，例如金属线路的线路层级金属互连结构或者例如金属通路的通路层级金属互 连结构可以与使用相同工艺步骤的接地金属面50形成在同一层级中。接地金属面50的厚 度可以与线路层级金属互连结构或者通路层级金属互连结构的厚度相同，以及尽管此处也 考虑了更小和更大的厚度，但是接地金属面50的厚度可以为从50nm至2， OOOnm，以及通常 从lOOnm到500nm。 接地金属面50连接到用作电接地的结构。可选地或者另外，半导体衬底上半导体 器件的电接地可以连接到接地金属面50。通常，用于接地目的的电连接受到半导体器件的 电接地和接地金属面50之间的低电阻导通路径的影响。 参考图2A-2D，至少一个第二电介质材料层80和金属鳍阵列形成在接地金属面50 上。所述至少一个第二电介质材料层80中的每个第二电介质材料层可以包括如上所述的 可以被用作至少一个第一电介质材料层40的任何材料。金属鳍阵列中的每个金属鳍包括 至少一个金属鳍部分。在至少一个金属鳍部分包括多个金属鳍部分情况下，所述至少一个 金属鳍部分可以形成在垂直邻接的各层中并且彼此垂直地邻接。 例如，每个金属鳍可以包括第一金属鳍部分52、第二金属鳍部分54、第三金属鳍 部分56和第四金属鳍部分58。金属鳍(52、54、56、58)可以垂直地邻接接地金属面50的顶 面，或者可以不邻接接地金属面50的顶面，S卩，可以位于接地金属面50的顶面之上。至少 一个第二电介质材料层可以包括其中嵌入有第一至第四金属鳍部分(52、54、56、58)的一 个电介质材料层或者多个电介质材料层。 每个金属鳍部分可以嵌入在与不同金属互连层级相对应的不同的电介质材料层 内。例如，接地金属面50可以形成在第一线路层级金属互连层中，第一金属鳍部分52可以 形成在第一通路层级金属互连层中，第二金属鳍部分54可以形成在第二线路层级金属互 连层中，第三金属鳍部分56可以形成在第二通路层级金属互连层中，以及第四金属鳍部分 58可以形成在第三线路层级金属互连层中。可选地，接地金属面50可以形成在第一通路层 级金属互连层中，第一金属鳍部分52可以形成在第一线路层级金属互连层中，第二金属鳍 部分54可以形成在第二通路层级金属互连层中，第三金属鳍部分56可以形成在第二线路 层级金属互连层中，以及第四金属鳍部分58可以形成在第三通路层级金属互连层中。仍然 可选地，第一至第四金属鳍部分(52、54、56或58)的每一个可以形成在其中形成了集成的 线路和通路结构的集成层级的金属互连层中。由此各种金属鳍部分(52、54、56、58)可以是 线路层级金属互连部分，通路层级金属互连部分，和/或线路和通路层级金属互连部分。各 种金属鳍部分(52、54、56、58)的每一个的厚度可以与线路层级金属互连层的厚度、通路层 级金属互连层的厚度或者集成的线路和通路层级金属互连层的厚度相同。
各种金属鳍部分(52、54、56、58)可以包括金属材料，例如Cu、Ni、Au、W、Au、Ag、Ta、 Ti、 TaN、 TiN和丽。优选地，各种金属鳍部分(52、54、56、58)包括可电镀材料，例如Cu或者Ni或者例如Al的溅射沉积材料。尽管此处也考虑了更小和更大的厚度，各种金属鳍部 分(52、54、56、58)的每一个的厚度可以从50nm至2， OOOnm，通常为从lOOnm到500nm。
第一至第四金属鳍部分(52、54、56、58)的使用仅仅是出于提供本发明的实现方 式的例子的目的。此处明确地考虑了使用任何数量的金属鳍部分的不同层的其他实施例。 金属鳍的不同层的数目是正整数，其可以为1或者大于1的数。如上所述，每个金属鳍(52、 54、56、58)可以或者可以不邻接接地金属面50的顶面。如果金属鳍(52、54、56、58)不邻 接接地金属板50的顶面，则金属鳍(52、54、56、58)的阵列可以是电气浮置的。如果金属鳍 (52、54、56、58)邻接接地金属板50的顶面，则金属鳍(52、54、56、58)的阵列可以通过到所 述接地金属板50的电阻性连接被接地。 每个金属鳍可以具有与各个金属鳍部分(52、54、56、58)基本上垂直重合的侧壁。 优选地，金属鳍(52、54、56、58)阵列是第一单元结构的规则的一维阵列，其中，每个金属鳍 (52、54、56、58)用作第一单元结构。换言之，每个金属鳍(52、54、56、58)具有相同的形状， 并且沿着此处被称为纵向方向的方向以规则的间隔配置。金属鳍(52、54、56、58)阵列在纵 向方向上的周期性此处被称为阵列间距P。 每个金属鳍(52、54、56、58)可以具有矩形的水平横截面形状。矩形形状在纵向方 向上的边的尺寸此处被称为第二长度L2。矩形形状在横向方向上的边的尺寸此处被称为第 三宽度w3。所述横向方向垂直于所述纵向方向。此处，邻接的一对金属鳍(52、54、56、58) 之间的距离被称为第一长度Ll。阵列间距p等于第一长度LI和第二长度L2的和。
在金属鳍(52、54、56、58)的水平横截面为矩形的情况下，阵列中的每个金属鳍 (52、54、56、58)具有与纵向方向相垂直的一对横向侧壁59，所述纵向方向是第一长度Ll、 第二长度L2和阵列间距p的方向。 参考图3A-3F，至少一个第三电介质材料层82、金属传输线70和至少一个第四电 介质材料层84顺序地形成在金属鳍(52、54、56、58)阵列和至少一个第二电介质材料层80 之上。至少一个第三电介质材料层82和至少一个第四电介质材料层84中的每个电介质 材料层可以包括如上所述可以用作至少一个第一电介质材料层40的任何材料。尽管此处 也考虑了更小和更大的厚度，但是至少一个第三电介质材料层82的厚度可以为从50nm至 2， OOOnm，且其通常为从lOOnm到300nm。尽管此处也考虑了更小和更大的厚度，至少一个第 四电介质材料层84的厚度可以为从50nm到10 y m。 可以通过大马士革方法形成金属传输线70，其图案化至少一个第三电介质材料层 82的最顶层中的线路沟槽并且利用金属材料填充所述线路沟槽，随后平坦化，该平坦化形 成了线路沟槽中的金属传输线70。在这种情况下，金属传输线70的顶面可以大体上与至少 一个第三电介质材料层82的顶面和至少一个第四电介质材料层84的底面共面。优选地， 金属传输线70的顶面的整体是大体上平坦的，以及金属传输线70的底面的整体是大体上 平坦的。 可选地，可以通过在平坦表面上覆盖沉积金属层并且随后光刻图案化所述覆盖金 属层来形成金属传输线70，其中所述平坦表面可以是不包括任何线路沟槽的至少一个第三 电介质材料层82的顶面。在这种情况下，金属传输线70的底面可以大体上与至少一个第 三电介质材料层82的顶面和至少一个第四电介质材料层84的底面共面。优选地，金属传 输线70的顶面的整体是大体上平坦的，以及金属传输线70的底面的整体是大体上平坦的。
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接地金属面50的底面、接地金属面50的顶面、金属鳍(52、54、56、58)的底面、金 属鳍(52、54、56、58)的顶面、金属传输线70的底面和金属传输线70的顶面可以大体上是 水平且彼此并行的。衬底10和至少一个第一电介质材料层40之间的分界面可以大体上是 水平的，并且平行于接地金属面50的底面。 金属传输线70的图案如图3B所示，其是沿着图3A中面B-B'的水平剖视图。优 选地，金属传输线70包括单元结构的一维周期性阵列，所述单元结构在此处被称为第二单 元结构。第二单元结构包括第一传输线部分TLP1和第二传输线部分TLP2。优选地，第一传 输线部分TLP1沿着所述纵向方向的长度或者尺寸大体上与第一长度Ll相同，所述第一长 度L1是邻接的一对金属鳍(52、54、56、58)之间的距离。优选地，第二传输线部分TLP2的 长度大体上与第二长度L2相同，所述第二长度L2是金属鳍(52、54、56、58)沿着纵向方向 的尺寸。由于第二单元结构由第一传输线部分TLP1和第二传输线部分TLP2组成，因此第 二单元结构的一维阵列的间距与第一长度Ll和第二长度L2的和或者阵列间距p相同，所 述阵列间距P是金属鳍(52、54、56、58)的阵列间距。 每个第一传输线部分TLP1位于所述至少一个第二电介质材料层80之上，但是不 位于金属鳍(52、54、56、58)之上。每个第二传输线部分TLP2位于金属鳍(52、54、56、58) 之上，但是不位于所述至少一个第二电介质材料层80之上。 每个第一传输线部分TLP1可以具有第一矩形的第一形状的第一水平横截面，其 中横向方向的两条边具有第一宽度wl的尺寸，以及纵向方向的其他两条边具有第一长度 Ll的尺寸。每个第二传输线部分TLP2可以具有第二矩形的第二形状的第二水平横截面，其 中横向方向的两条边具有第二宽度w2的尺寸，以及纵向方向的其他两条边具有第二长度 L2的尺寸。所述横向方向是与所述纵向方向垂直的水平方向。第二宽度w2大于第一宽度 wl。第一宽度wl可以为从O. lym至30iim，并且第二宽度可以为从0. 2iim至100 y m，以 及阵列间距p可以为从0. 3 ii m到200 ii m。第二宽度w2与第一宽度wl的比可以为从1. 1 至100，并且通常为从2到IO，尽管此处也考虑了更小和更大的比。 此处，平行于纵向方向的第一传输线部分TLP1的侧壁被称为第一纵向侧壁。相同 的第一传输线部分TLP1内的一对第一纵向侧壁被分隔第一宽度wl。每个第一纵向侧壁横 向地延伸第一长度L1的距离。此处，平行于所述纵向方向的第二传输线部分TLP2的侧壁 被称为第二纵向侧壁。相同的第二传输线部分TLP2内的一对第二纵向侧壁被分隔第二宽 度w2。每个第二纵向侧壁横向地延伸第二长度L2的距离。 金属传输线70包括第二单元结构的一维重复，其由彼此横向地邻接的第一传输 线部分TLP1和第二传输线部分TLP2构成。由于在纵向方向上重复第二单元结构(TLP1， TLP2)，因此第一传输线部分TLP1和第二传输线部分TLP2交替地在金属传输线70内交织。 不位于所述金属传输线70的端部的每个第一传输线部分TLP1横向地与两个第二传输线部 分TLP2邻接。同样地，不位于金属传输线70的端部的每个第二传输线部分TLP2横向地与 两个第一传输线部分TLP1邻接。 如在金属传输线内实现的，每个第二单元结构(TLP1，TLP2)包括分隔第一宽度wl 的一对第一纵向侧壁，分隔第二宽度w2的一对第二纵向侧壁，以及垂直于纵向方向的两对 横向侧壁。每对横向侧壁直接毗连第二纵向侧壁。第一纵向侧壁、第二纵向侧壁与所述横 向侧壁可以大体上垂直，并且横向地邻接至少一个第二电介质材料层80或者至少一个第三电介质材料层82中的一个。优选地，第三宽度w3是金属鳍(52、54、56、58)的宽度，其大 于第二宽度w2和第一宽度wl 。 金属传输线70位于接地金属板50之上。尽管本发明描述了金属传输线70位于 接地金属板50之上，但是也明确地考虑了金属传输线位于接地金属板之下的衍生结构。在 所述衍生结构中，至少一个第一电介质材料层40和至少一个第四电介质材料层84之间的 所有结构性部件被共同地翻转倒置。可以通过在至少一个电介质材料层40正上方形成金 属传输线70，随后形成至少一个第三电介质材料层82，随后形成金属鳍(52、54、56、58)和 至少一个第二电介质材料层80，随后形成接地金属面50，并随后形成至少一个第四电介质 材料层84，从而获得所述衍生结构。在这种情况下，金属鳍位于第二传输线部分TLP2之上， 但不位于第一传输线部分TLP1之上。 第二传输线部分TLP2和金属鳍(52、54、56、58)的垂直重叠增加了金属传输线70 和接地金属板50之间的电容。 参考图4A-4F，示出了根据本发明第二实施例的第二示例性半导体结构。可以根据 图1A-1D的第一示例性半导体结构，通过遵循第一实施例的工艺步骤，并且做出不形成第 一金属鳍部分52和第二金属鳍部分54的改变，从而获得第二示例性半导体结构。通常，在 接地金属板50和金属传输线70之间可以存在任意数目的金属鳍部分。在第二实施例中， 金属鳍(56,58)不垂直地邻接接地金属板50，由此使得金属鳍(56,58)与接地金属板电气 地隔离。 参考图5A和5B，提供了参考传输线结构用于与模拟结果比较，并且用于示出本发 明的有益效果。可以通过在第一示例性半导体结构中省略形成半导体器件和金属鳍(52、 54、56、58)并且通过形成具有分隔第一宽度wl的直线纵向边缘的金属传输线170，从而形 成参考半导体结构。 参考图6A和6B，提供了第一示例性传输线结构，可以通过在用于形成第一示例性 半导体结构的工艺步骤期间省略形成半导体器件和金属鳍(52、54、56、58)来形成所述第 一示例性传输线结构。第一示例性传输线结构的金属传输线70与第一和第二示例性半导 体结构的金属传输线70相同。 参考图7A和7B，提供了第二示例性传输线结构，可以通过在形成第二示例性半导 体结构的工艺步骤期间通过省略形成半导体器件和金属鳍的下部组件来形成该第二示例 性传输线结构。第二示例性传输线结构的金属传输线70与第一和第二示例性半导体结构 的金属传输线70相同。 参考图8A和8B，提供了第三示例性传输线结构，可以通过在用于第一示例性半导 体结构的工艺步骤期间省略形成半导体器件来形成该第三示例性传输线结构。第三示例性 传输线结构的金属传输线70与第一和第二示例性半导体结构的金属传输线70相同。
参考图9，对于图5A和5B的参考半导体结构、图6A和6B的第一示例性传输线结 构、图7A和7B的第二示例性传输线结构和图8A和8B的第三示例性传输线结构，示出了 用于模型化高频无线电信号的特性的电路示意图，所述高频无线电信号包括毫米波(30GHz 至300GHz)范围内的信号。每个金属传输线被表征为具有电感L的电感器250和具有电阻 R的电阻器270。金属传输线和接地金属面50(参见图5A、6A、7A和8A)共同地形成具有电 容C的电容器260。每个金属传输线的第一端部和接地金属面50形成传输线结构的输入节
11点230，其包括金属传输线、接地金属面和位于其间的电介质材料。输入节点230包括正信 号输入节点232和负接地输入节点234。每个金属传输线的第二端部和接地金属面50形 成传输线结构的输出节点240。输出节点240包括正信号输出节点242和负接地输出节点 244。 图10示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的作为信号 频率的函数的电感L的曲线图。通过参考电感曲线111表示图5A和5B中的参考传输线结 构的电感，通过第一电感曲线121表示图6A和6B中的第一示例性传输线结构的电感，通过 第二电感曲线131表示图7A和7B中第二示例性传输线结构的电感，以及通过第三电感曲 线141表示图8A和8B中的第三示例性传输线结构的电感。尽管在第一示例性传输线结构 中通过利用交替地交织的传输线部分在一定程度上增加了参考传输线组件上的电感，然而 如在第二和第三示例性传输线结构中，如第二和第三电感曲线(131,141)所示出的，具有 金属鳍阵列的、交替地交织的传输线部分的组合显著地增加了传输线结构的电感。第三示 例性金属传输线结构中的金属鳍阵列至接地金属面的接地提供了最有效的金属传输线结 构的电感的增加。 图10示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的作为信号 频率的函数的电容C的曲线图。通过参考电容曲线112表示图5A和5B中的参考传输线结 构的电容，通过第一电容曲线122表示图6A和6B中的第一示例性传输线结构的电容，通过 第二电容曲线132表示图7A和7B中第二示例性传输线结构的电容，以及通过第三电容曲 线142表示图8A和8B中的第三示例性传输线结构的电容。在第一示例性传输线结构中通 过利用交替地交织的传输线部分增加了参考传输线组件上的电容。在第二和第三示例性传 输线结构中，如第二和第三电容曲线(132,142)所示出的，具有金属鳍阵列的、交替地交织 的传输线部分的组合增加了传输线结构的电容。在第三示例性金属传输线结构中，金属鳍 阵列至接地金属面的接地提供了最有效的金属传输线结构的电容的增加。
图12示出了对于图5A和5B、6A和6B、7A和7B、8A和8B所示的结构的每单位长 度相移的曲线图。通常，信号的相速度与图9中电路示意图中的单位长度电感L和单位长 度电容C的乘积成反比。通过增加图9中的电路的单位长度电感L或者单位长度电容C，可 以减小电磁信号的相速度。通过参考相移曲线113、第一相移曲线123、第二相移曲线133 和第三相移曲线143示出了参考传输线结构和第一、第二和第三示例性传输线结构中的相 对相速度。第一、第二和第三相移曲线(123、133、143)示出了比参考相移曲线113更小的 相移，提供了更小的金属传输线结构的每单位长度相移。 图13示出了例如用在半导体IC逻辑设计、仿真、测试、布图和制造中的示例性设 计流程900的框图。设计流程900包括用于处理设计结构或者器件以产生如上所述与图 1A-1D、2A-2D、3A-3F、4A-4F、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的设计结构和/或器件的 逻辑或者其它功能等效表现的方法和机制。可以在机器可读的传输或者存储介质上对设计 流程900产生的设计结构工艺和/或器件进行编码，以包括在数据处理系统上当执行或者 处理时产生硬件部件、电路、装置或者系统的逻辑、结构、机械或者其他功能性等效表现的 数据和/或指令。设计流程900可以取决于设计的表现类型而变化。例如，用于构造专用 集成电路(ASIC)的设计流程可以不同于用于设计标准部件的设计流程900、或者不同于用
于将设计实例化为可编程阵列的设计流程900，所述可编程阵列例如是Altera⑧公司或者Xilinx.⑧公司提供的可编程门阵列(PGA)或者现场可编程门阵列(FPGA)。
图13示出了多个上述设计结构，其包括优选地通过设计处理910处理的输入设计 结构920。设计结构920可以是通过设计处理910产生和处理的逻辑仿真设计结构，用于 生产硬件器件的逻辑等效的功能表现。设计结构920还可以，或者可选地，包括数据和/或 程序指令，当通过设计处理910处理时，所述数据和/或程序指令产生硬件设备的物理结构 的功能表现。无论是表现功能性的设计特征还是结构性的设计特征，都可以利用电子计算 机辅助设计(ECAD)产生设计结构920，所述电子计算机辅助设计例如是通过核心开发工具 /设计工具实现的。当在机器可读数据传输、门阵列或者存储介质上编码时，可以通过设计 处理910内的一个或多个硬件和/或软件模块访问和处理设计结构920，从而仿真或另行功 能性地表现电子元件、电路、电子或逻辑模块、装置、设备或者系统(例如图1A-1D、2A-2D、 3A-3F、4A-4F、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的)。同样地，设计结构920可以包括文 件或者其他数据结构，所述文件或者其他数据结构包括人和/或机器可读的源代码、编译 结构、和计算机可执行代码结构，当设计或者仿真数据处理系统处理所述源代码、编译结构 和计算机可执行代码结构时，其功能性地仿真或另行表现电路或者其他硬件逻辑设计的层 级。上述数据结构可以包括硬件描述语言(HDL)设计实体或者符合和/或兼容底层HDL设 计语言的其他数据结构(例如Verilog和VHDL)，和/或高级设计语言，例如C或者C++。
设计处理910优选地使用和包括硬件和/或软件模块，用于综合、转化、或者另行 处理如图1A-1D、2A-2D、3A-3F、4A-4F、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的部件、电路、设 备、或逻辑结构的设计/仿真功能等效，从而产生网表980，所述网表980可以包含例如设计 结构920的设计结构。例如，网表980可以包括编译的或者另行处理的数据结构，所述数据
结构表现线路、分立元件、逻辑门、控制电路、i/o装置、模型等等的列表，其描述了集成电路
设计中至其他部件和电路的连接。可以利用迭代处理对网表980进行综合，其中取决于设 备的设计规范和参数而再次综合网表980 —次或多次。如此处描述的其他设计结构类型， 网表980可以被记录在机器可读数据存储介质上或者被编程为可编程门阵列。所述介质可 以是例如磁或者光盘驱动器、可编程门阵列、紧凑闪存或者其他闪烁存储器的非易失性存 储介质。此外或者可选的，所述介质可以是系统或者高速缓冲存储器、缓冲空间、或者电气 地或者光学地导通的设备和材料，在其上可以通过因特网或者其他适用于网络的装置发射 和暂存数据包。 设计处理910可以包括用于处理包括网表980的各种输入数据结构类型的硬件和 软件模块。例如，上述数据结构类型可以驻留在库部件930中，并且包括一组常用部件、电 路和设备，其包括模型、布图和符号表示，用于特定制造技术(例如，不同的技术分支、32n m、45nm、90nm等等)。数据结构类型可以进一步包括设计规范940、特征数据950、验证数据 960、设计规则970和测试数据文件985，其可以包括输入测试模式、输出测试结果及其他测 试信息。例如，设计处理910可以进一步包括标准机械设计处理，例如，应力分析、热分析、
机械事件仿真、用于例如浇注、模塑、和压模形成等等的操作的过程仿真。机械设计的本领 域技术人员在不背离本发明精神和保护范围的情况下，可以理解在设计处理910中使用的 可能的机械设计工具和应用的范围。设计处理910还可以包括用于执行标准电路设计处理
的模块，所述标准电路设计处理例如是时序分析、校验、设计规则检查、配置和路径操作等等。
设计处理910使用和包括逻辑和物理设计工具，例如HDL编译器和仿真模型构造 工具，用于处理设计结构920和某些或者全部所示出的支持数据结构以及任何额外的机械 设计或者数据(如果可用的话)，由此产生第二设计结构990。设计结构990以用于机械设 备和结构(以IGES、DXF、 Parasol id XT、 JT、DRG或者用于存储或者再现上述机械设计结构 的任何其他合适的格式存储的信息)的数据交换的数据格式驻留在存储介质或者可编程 门阵列上。类似于设计结构920，设计结构990优选地包括驻留在传输或数据存储介质上的 一个或多个文件、数据结构或者其他计算机编码的数据或指令，当被ECAD系统处理时，所 述文件、数据结构或者其他计算机编码的数据或指令产生如图1A-1D、2A-2D、3A-3F、4A-4F、 5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的本发明的一个或多个实施例的逻辑或者其他功能性 等效的形式。在一个实施例中，设计结构990可以包括编译的、可执行的HDL仿真模型，其功 能性地仿真如图1A-1D、2A-2D、3A-3F、4A-4F、5A、5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的设备。
设计结构990还可以使用用于符号数据格式和/或集成电路的布图数据的交换的 数据格式，所述符号数据格式(例如，以GDSII (GDS2) 、 GL1、 OASIS、分配文件(m即file)、 或者用于存储上述设计数据结构的任何其他合适的格式存储的信息)。设计结构990可以 包括如下信息，例如，符号数据、分配文件、测试数据文件、设计内容文件、制造数据、布图参 数、线路、金属层、通路、形状、用于走线(route)通过制造线路的数据、以及厂商或者其他 设计者/开发者需要的任何其他数据，从而生产上述和图1A-1D、2A-2D、3A-3F、4A-4F、5A、 5B、6A、6B、7A、7B、8A、8B和9所示的的设备或者结构。设计结构990可以随后进行到阶段 995，例如在阶段995，设计结构990进行出带(t即e-out)，发布用于制造、送到掩模室、被发 给另一设计室，被发回给用户等等。 尽管已经根据具体的实施例描述了本发明，然而考虑到上述说明，很明显，许多的 备选方案、改型和变化对本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明意图包括落入本发明 的精神和保护范围以及随后的权利要求书的所有这类备选方案、改型和变化。
1权利要求
一种结构，包括位于衬底上的至少一个电介质材料层；嵌入在所述至少一个电介质材料层中的金属传输线，其包括具有第一宽度的第一传输线部分和具有第二宽度的第二传输线部分，其中所述第一宽度不同于所述第二宽度，以及其中所述第一传输线部分和所述第二传输线部分交替地交织；以及接地金属面，其位于所述至少一个电介质材料层中并且垂直地与所述金属传输线分离。
2. 如权利要求1的结构，其中不位于所述金属传输线的端部的每个所述第一传输线部 分横向地邻接两个第二传输线部分，以及其中不位于所述金属传输线的端部的每个第二传 输线部分横向地邻接两个第一传输线部分。
3. 如权利要求l的结构，其中所述金属传输线的整体具有大体上共面的顶面和大体上 共面的底面。
4. 如权利要求3的结构，其中所述接地金属面具有大体上水平的顶面和大体上水平的 底面，以及其中所述大体上水平的顶面平行于所述金属传输线的所述大体上共面的顶面和 所述大体上共面的底面。
5. 如权利要求4的结构，其中所述接地金属面的所述大体上水平的顶面平行于所述衬 底和所述至少一个电介质材料层之间的分界面。
6. 如权利要求1的结构，其中所述第二宽度大于所述第一宽度，以及其中每一个所述 第一传输线部分包括邻接所述至少一个电介质材料层并分隔所述第一宽度的一对第一纵 向侧壁，以及其中每一个所述第二传输线部分包括邻接所述至少一个电介质材料层并分隔 所述第二宽度的一对第二纵向侧壁。
7. 如权利要求6的结构，其中每一个所述第二传输线部分进一步包括两对横向侧壁，其中每对横向侧壁直接毗连第二纵向侧壁。
8. 如权利要求6的结构，其中每一个所述第一传输线部分具有第一矩形的第一形状的第一水平横截面，所述第一矩形的两条边具有所述第一宽度的尺寸，以及其中每一个所述 第二传输线部分具有第二矩形的第二形状的第二水平横截面，其中所述第二矩形的两条边 具有所述第二宽度的尺寸。
9. 如权利要求7的结构，其中所述第一矩形的所述第一形状的另外两条边具有所述第 一长度的尺寸，以及其中所述第二矩形的所述第二形状的另外两条边具有所述第二长度的 尺寸。
10. 如权利要求9的结构，其中所述金属传输线是沿着纵向方向以阵列间距的距离重 复的单元结构的一维周期性阵列，其中所述单元结构由所述第一传输线部分中的一个和横 向地邻接所述第一传输线部分中的所述一个的其中一个所述第二传输线部分构成的。
11. 如权利要求l的结构，其中所述金属传输线位于所述接地金属面之上或者之下。
12. 如权利要求1的结构，进一步包括设置在所述金属传输线之间且嵌入在所述至少 一个电介质材料层中的金属鳍阵列。
13. 如权利要求12的结构，其中所述阵列中金属鳍位于所述第二传输线部分之上或之 下，并且不位于所述第一传输线部分之上或之下。
14. 如权利要求13的结构，其中所述阵列中的每个金属鳍具有垂直于所述金属传输线的纵向方向的一对横向侧壁，其中所述横向侧壁包括所述第一宽度和所述第二宽度的方 向。
15. 如权利要求12的结构，其中所述阵列中的每个金属鳍具有第三宽度，所述第三宽 度大于所述第一宽度和所述第二宽度。
16. 如权利要求12的结构，其中每个所述第一传输线部分在纵向方向上具有第一长 度，所述纵向方向垂直于所述第一宽度的方向，以及其中每个所述第二传输线部分在所述 纵向方向上具有第二长度，其中所述阵列中的每个金属鳍具有基本上等于所述第二长度的 长度，以及所述阵列中的金属鳍被分隔基本上等于所述第一长度的距离。
17. 如权利要求12的结构，其中所述金属鳍阵列被电气地浮置。
18. 如权利要求12的结构，其中所述金属鳍阵列被电阻性地连接到所述接地金属面。
19. 如权利要求12的结构，其中所述阵列中的每个金属鳍包括至少一个线路层级金属 部分或者至少一个通路层级金属部分。
20. 如权利要求19的结构，其中所述阵列中的每个金属鳍包括金属部分的叠层，其包 括至少一个线路层级金属部分和至少一个通路层级金属部分，其中所述至少一个线路层级金属部分的侧壁和所述至少一个通路部分的侧壁大体上 垂直地与所述第二传输线部分的横向侧壁相符合。
21. —种操作金属传输线结构的方法，所述方法包括 提供金属传输线结构，所述金属传输线结构包括 位于衬底上的至少一个电介质材料层；嵌入在所述至少一个电介质材料层中的金属传输线，其包括具有第一宽度的第一传输 线部分和具有第二宽度的第二传输线部分，其中所述第一宽度不同于所述第二宽度，以及 其中所述第一传输线部分和所述第二传输线部分交替地交织；以及接地金属面，其位于所述至少一个电介质材料层中并且垂直地与所述金属传输线分离，电气地使所述接地金属面接地；以及在所述接地金属面和所述金属传输线的第一端部的两端施加射频(RF)信号。
22. 如权利要求21的方法，进一步包括在所述接地金属面和所述金属传输线的第二端 部的两端接收另一 RF信号，其中相对于所述RF信号，所述另一 RF信号被相位延迟。
23. 如权利要求22的方法，其中所述RF信号通过位于所述衬底上的第一半导体器件被 施加到所述接地金属板和所述金属传输线的所述第一端部，并且其中位于所述衬底上的第 二半导体器件接收所述另一 RF信号。
24. 如权利要求21的方法，其中所述第二宽度大于所述第一宽度，以及其中每一个所 述第一传输线部分包括邻接所述至少一个电介质材料层并分隔所述第一距离的一对第一 纵向侧壁，以及其中每一个所述第二传输线部分包括邻接所述至少一个电介质材料层并分 隔所述第二距离的一对第二纵向侧壁。
25. 如权利要求21的方法，其中所述金属传输线结构进一步包括设置在所述金属传输 线之间并且嵌入在所述至少一个电介质材料层中的金属鳍阵列。
26. —种以机器可读介质实现的设计结构，用于半导体芯片的设计、制造或者设计测 试，所述设计结构包括表现至少一个电介质材料层的第一数据；表现嵌入在所述至少一个电介质材料层中的金属传输线的第二数据，其包括表现具有 第一宽度的第一传输线部分的第三数据和表现具有第二宽度的第二传输线部分的第四数 据，其中所述第一宽度不同于所述第二宽度，以及其中所述第一传输线部分和所述第二传 输线部分交替地交织；以及第五数据，所述第五数据表现位于所述至少一个电介质材料层中且垂直地与所述金属 传输线分离的接地金属面。
27. 如权利要求26的设计结构，其中由所述第三数据表示且不位于所述金属传输线的 端部的每个第一传输线部分横向地邻接两个第二传输线部分，以及其中由所述第四数据表 示且不位于所述金属传输线的端部的每个第二传输线部分横向地邻接两个第一传输线部 分。
28. 如权利要求26的设计结构，由所述第二数据表示的所述金属传输线的整体具有大 体上共面的顶面和大体上共面的底面。
29. 如权利要求28的设计结构，其中所述第五数据包括表现大体上水平的顶面的第一 附加数据，以及包括表现大体上水平的底面的第二附加数据，以及其中所述大体上水平的 顶面平行于所述金属传输线的所述大体上共面的顶面和所述大体上共面的底面。
30. 如权利要求29的设计结构，其中所述接地金属面的所述大体上水平的顶面平行于 所述衬底和所述至少一个电介质材料层之间的分界面。
31. 如权利要求26的设计结构，所述第二宽度大于所述第一宽度，以及其中第三数据 的表现第一传输线部分的每个子集包括第六数据，其表现邻接所述至少一个电介质材料层 并且分隔所述第一距离的一对第一纵向侧壁，以及所述第四数据的表现第二传输线部分的 每个子集包括第七数据，其表现邻接所述至少一个电介质材料层并且分隔所述第二距离的 一对第二纵向侧壁。
32. 如权利要求31的设计结构，其中所述第四数据的每个子集包括第八数据，其表现 两对横向侧壁，其中每对横向侧壁直接毗连第二纵向侧壁。
33. 如权利要求26的设计结构，其中所述设计结构包括网表。
34. 如权利要求26的设计结构，其中所述设计结构驻留在存储介质上作为用于集成电 路布图数据的交换的数据格式。
35. 如权利要求26的设计结构，其中所述设计结构驻留在可编程门阵列中。
全文摘要
本发明涉及一种用于慢相速度的毫米波传输线结构及其操作方法。在电介质材料层的叠层中配置接地板和传输线。在所述传输线中，具有第一宽度的第一传输线部分与具有第二宽度的第二传输线部分交替地交织。第二宽度大于第一宽度，由此使得相对于具有固定宽度的传输线增加了传输线的电感。金属鳍可以被配置在电介质材料层的叠层中的传输线和接地板之间。所述金属鳍可以被接地至所述接地板，以增加所述传输线和所述接地板之间的电容。传输线和接地板之间的单位长度电感和电容的增加被有益地用于为通过传输线传送的电磁信号提供减小的相速度。提供了用于传输线结构的设计结构。
文档编号H01P3/08GK101764123SQ200910226598
公开日2010年6月30日 申请日期2009年11月25日 优先权日2008年12月23日
发明者伊萨姆·米娜, 王国安 申请人:国际商业机器公司