特開 2023-137179 オンチップアンテナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023137179

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】オンチップアンテナ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 23/00 20060101AFI20230922BHJP

   H01Q 9/42 20060101ALI20230922BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20230922BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALN20230922BHJP

【ＦＩ】

H01Q23/00

H01Q9/42

H01L27/04 L

H01Q13/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022043248

(22)【出願日】2022-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(71)【出願人】

【識別番号】520124752

【氏名又は名称】株式会社ミライズテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(71)【出願人】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】100087723

【弁理士】

【氏名又は名称】藤谷 修

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100165962

【弁理士】

【氏名又は名称】一色 昭則

(74)【代理人】

【識別番号】100206357

【弁理士】

【氏名又は名称】角谷 智広

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 英人

(72)【発明者】

【氏名】水野 健太朗

(72)【発明者】

【氏名】林 宏明

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 淳一

【テーマコード（参考）】

5F038

5J021

5J045

【Ｆターム（参考）】

5F038AZ04

5F038CA01

5F038CA02

5F038DF02

5J021AB02

5J021AB06

5J021JA07

5J045AB05

5J045DA10

5J045MA07

(57)【要約】

【課題】オンチップアンテナの信号放射量を増加させること。
【解決手段】オンチップアンテナは、ハンドル層１と、ハンドル層１上に設けられた第１絶縁層２と、第１絶縁層２上に設けられたデバイス層３と、デバイス層３上に設けられた第２絶縁層４と、第２絶縁層４上に設けられたアンテナ５と、を有している。ハンドル層１と、第１絶縁層２と、デバイス層３はＳＯＩ基板を用いて構成されている。ハンドル層１とデバイス層３のうち、デバイス層３はグランドに接続され、ハンドル層１はフローティングにされている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｓｉからなるハンドル層と、
前記ハンドル層上に設けられ、絶縁体からなる第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に設けられ、Ｓｉからなるデバイス層と、
前記デバイス層上に設けられ、絶縁体からなる第２絶縁層と、
前記第２絶縁層上に設けられ、所定の平面パターンの導電体からなるアンテナと、
を有し、
前記ハンドル層と前記デバイス層の少なくとも一方はフローティングである、
ことを特徴とするオンチップアンテナ。

【請求項2】

前記ハンドル層と前記デバイス層のうち薄い方がグランドに接続されている、ことを特徴とする請求項１に記載のオンチップアンテナ。

【請求項3】

前記ハンドル層がグランドに接続されている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のオンチップアンテナ。

【請求項4】

前記ハンドル層および前記デバイス層の抵抗率は１０Ω・ｃｍ以下である、ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のオンチップアンテナ。

【請求項5】

前記アンテナは、電界放射型である、ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のオンチップアンテナ。

【請求項6】

前記アンテナは、ミアンダアンテナであり、前記デバイス層は、Ｓｉ発振回路を含む、ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のオンチップアンテナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体集積回路チップとアンテナが一体化されたオンチップアンテナに関するものである。

【背景技術】

【0002】

小型化や低コスト化のために、半導体集積回路のチップ上にアンテナを設けて一体化したオンチップアンテナが知られている。

【0003】

非特許文献１には、Ｓｉ基板上にミアンダダイポールアンテナを形成したオンチップアンテナが記載されている。

【0004】

特許文献１には、オンチップコイルの直下に絶縁層を格子状に形成することが記載されている。これにより渦電流の発生を抑制して磁界放射量を向上させることが記載されている。

【0005】

特許文献２には、オンチップコイルの直下に空乏層を形成することが記載されている。これにより、特許文献１と同様に渦電流の発生を抑制することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１０－３２１８０２号公報

【特許文献2】特開２００９－２５２９６５号公報

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】H.Kikkawa, et al., “Gaussian Monocycle Pulse Transmitter Using 0.18um CMOS Technology With On-Chip integrated Antennas for Inter-Chip UWB Communication”, JSSC, 2008

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

非特許文献１のように、一般的なＳｉ基板では、オンチップアンテナと混載される回路の動作のためにＳｉ基板がグランドに接続される。そのため、オンチップアンテナの下面がグランド面となり、オンチップアンテナからの信号放射量が低下するという問題があった。

【0009】

また、特許文献１、２の方法は磁界放射型のアンテナには有効であるが、電界放射型のアンテナでは効果が得られにくい。

【0010】

そこで本発明の目的は、オンチップアンテナの信号放射量を増加させることである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明は、Ｓｉからなるハンドル層と、前記ハンドル層上に設けられ、絶縁体からなる第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に設けられ、Ｓｉからなるデバイス層と、前記デバイス層上に設けられ、絶縁体からなる第２絶縁層と、前記第２絶縁層上に設けられ、所定の平面パターンの導電体からなるアンテナと、を有し、前記ハンドル層と前記デバイス層の少なくとも一方はフローティングである、ことを特徴とするオンチップアンテナである。

【0012】

本発明において、ハンドル層とデバイス層のうち薄い方がグランドに接続されていることが好ましい。

【0013】

本発明において、ハンドル層がグランドに接続されていてもよい。

【0014】

本発明において、ハンドル層およびデバイス層の抵抗率は１０Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。

【0015】

本発明において、アンテナは、電界放射型であってもよい。

【0016】

本発明において、アンテナは、ミアンダアンテナであり、デバイス層は、Ｓｉ発振回路を含んでいてもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、オンチップアンテナの信号放射量を増加させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態のオンチップアンテナの構成を示した図。

【図2】第１実施形態のオンチップアンテナの変形例を示した図。

【図3】ミアンダアンテナの平面パターンを示した図。

【図4】信号伝搬量の周波数特性を示したグラフ。

【図5】信号伝搬量の周波数特性を示したグラフ。

【図6】信号伝搬量の周波数特性を示したグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の実施形態について図を参照に説明する。

【0020】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のオンチップアンテナの構成を示した図である。図１のように、第１実施形態のオンチップアンテナは、ハンドル層１と、ハンドル層１上に設けられた第１絶縁層２と、第１絶縁層２上に設けられたデバイス層３と、デバイス層３上に設けられた第２絶縁層４と、第２絶縁層４上に設けられたアンテナ５と、を有している。ハンドル層１と、第１絶縁層２と、デバイス層３はＳＯＩ基板を用いて構成されている。

【0021】

ハンドル層１は、Ｓｉからなる層である。ハンドル層１の厚さは、たとえば１００～１０００μｍである。ハンドル層１には伝導型制御のため不純物がドーピングされていてもよく、ｎ型、真性、ｐ型のいずれでもよい。

【0022】

第１絶縁層２は、ハンドル層１上に設けられた絶縁体からなる層である。第１絶縁層２の材料は、ハンドル層１とデバイス層３とを十分に絶縁できる材料であれば任意であり、たとえばＳｉＯ_２、などである。第１絶縁層２の厚さも、ハンドル層１とデバイス層３とを十分に絶縁できる範囲であればよい。たとえば、０．１～１０μｍである。

【0023】

デバイス層３は、第１絶縁層２上に設けられたＳｉからなる層である。デバイス層３は、Ｓｉからなる半導体素子により構成される集積回路（図示しない）を含んでいる。集積回路は、たとえばＳｉ発振回路を含む。デバイス層３の厚さは、たとえば１～１００μｍである。ＳＯＩ基板では、通常、ハンドル層１よりもデバイス層３の方が薄い。デバイス層３には伝導型制御のため不純物がドーピングされていてもよく、ｎ型、真性、ｐ型のいずれでもよい。

【0024】

ハンドル層１およびデバイス層３の抵抗率は１０Ω・ｃｍ以下が好ましい。ハンドル層１およびデバイス層３の抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下の場合、アンテナ５の直下にＳｉ層が存在していることによるアンテナ５の信号放射量低下が顕著となるが、第１実施形態によれば信号放射量の低下を効果的に抑制できる。より好ましくは５Ω・ｃｍ以下、さらに好ましくは１Ω・ｃｍ以下である。

【0025】

ハンドル層１とデバイス層３のうち、デバイス層３はグランドに接続され、ハンドル層１はフローティングにされている。逆に、ハンドル層１がグランドに接続され、デバイス層３がフローティングにされていてもよい（図２）。また、ハンドル層１とデバイス層３の両方をフローティングとしてもよい。

【0026】

グランドとの接続は、たとえば次のようにする。第１実施形態のオンチップアンテナを実装する実装基板にグランドパターンを形成し、そのグランドパターンと接続する配線を形成する。そして、ハンドル層１をグランドに接続する場合には、実装基板の配線とハンドル層１とが接するように第１実施形態のオンチップアンテナを実装基板に実装する。デバイス層３をグランドと接続する場合には、第２絶縁層４の一部を除去してデバイス層３を露出させ、第１実施形態のオンチップアンテナを実装基板に実装後、露出させたデバイス層３と実装基板の配線をワイヤボンディングで接続することでグランドと接続する。

【0027】

第２絶縁層４は、デバイス層３上に設けられた絶縁体からなる層である。第２絶縁層４の材料は、デバイス層３とアンテナ５とを十分に絶縁できる材料であれば任意であり、たとえばＳｉＯ_２、などである。第１絶縁層２と第２絶縁層４は同一材料でもよい。また、第２絶縁層４の厚さも、デバイス層３とアンテナ５を十分に絶縁できる範囲であればよい。たとえば、１～５００μｍである。

【0028】

アンテナ５は、第２絶縁層４上に設けられ、所定の平面パターンに形成された導電体の膜である。導電体は、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕなどである。アンテナ５は、デバイス層３の集積回路と接続されている。アンテナ５の位置は、集積回路の上方であってもよい。

【0029】

アンテナ５の平面パターンは、電磁波の送受信可能な任意のパターンでよい。たとえば、線路をつづら折り状としたメアンダアンテナである（図３参照）。メアンダアンテナとすることでアンテナの帯域幅を広くすることができる。メアンダアンテナはデバイス層３がＳｉ発振回路を含む場合に好適である。Ｓｉ発振回路はトランジスタの特性ばらつきや温度特性によって周波数にばらつきを有するが、広帯域なメアンダアンテナを用いることで周波数がばらついても動作させることができる。メアンダアンテナの線路幅や折り返し回数などは、共進周波数や帯域幅に応じて設定される。メアンダアンテナ以外にも、正方形、長方形、円形のパッチアンテナなどでもよい。

【0030】

また、アンテナ５は電界放射型であることが好ましい。従来のオンチップアンテナでは、電界放射型のアンテナの信号放射量を増加させることは困難であったが、第１実施形態のオンチップアンテナでは電界放射型のアンテナであっても信号放射量を増加させることができる。

【0031】

アンテナ５の共振周波数は特に限定されないが、デバイス層３の回路の動作周波数よりも高い周波数が好ましい。たとえば、回路の動作周波数が１～２ＧＨｚであれば、アンテナ５の共振周波数は２～３ＧＨｚが好ましい。

【0032】

なお、第２絶縁層４上には、アンテナ５の他、デバイス層３の集積回路の各素子を接続する配線が設けられている（図示しない）。第２絶縁層４に空けられた孔を介してデバイス層３の素子と第２絶縁層４上の配線が接続される。第２絶縁層４と配線を交互に多層にした多層配線としてもよい。

【0033】

第１実施形態のオンチップアンテナでは、従来のオンチップアンテナに比べて信号放射量を増加させることができる。その理由は以下の通りである。

【0034】

Ｓｉは導電性を有しているため、アンテナ５の下方に存在するグランドと接続されたＳｉ層は、アンテナ５のグランド面として機能する。一般に、アンテナ５の下面にグランド面が存在すると信号放射量が低下してしまう。そこで第１実施形態のオンチップアンテナでは、ハンドル層１とデバイス層３のうち、一方のみをグランドに接続し、他方はフローティングとしている。これにより、グランドと接続されたＳｉ層のトータルの厚さを薄くし、Ｓｉ層のアンテナ５のグランド面としての機能を弱めている。その結果、第１実施形態のオンチップアンテナではアンテナ５の信号放射量を増加させることができる。

【0035】

上記理由からわかるように、ハンドル層１とデバイス層３のうち、薄い方をグランドに接続することが好ましい。通常、ＳＯＩ基板ではハンドル層１よりもデバイス層３の方が薄いため、デバイス層３をグランドに接続することが好ましいことになる。

【0036】

以上、第１実施形態のオンチップアンテナでは、アンテナ５の信号放射量を向上させることができる。

【0037】

次に、第１実施形態に関するシミュレーション結果について説明する。

【0038】

第１実施形態のオンチップアンテナについて、アンテナ５を共振周波数３ＧＨｚのミアンダアンテナとしたものを２つ用意し、２つのオンチップアンテナをアンテナ５が５ｍｍ離間するように配置した。ハンドル層１とデバイス層３は、グランドに接続した状態とフローティングにした状態とで計４つの状態に変えた。ハンドル層１およびデバイス層３の抵抗率は、４０Ω・ｃｍ、１０Ω・ｃｍ、１Ω・ｃｍの３通りとした。以下、ハンドル層１をグランドに接続してデバイス層３をフローティングにしたものを実施例１、デバイス層３をグランドに接続してハンドル層１をフローティングにしたものを実施例２、両方フローティングにしたものを実施例３、両方グランドに接続したものを比較例１とする。なお、アンテナ５はデバイス層３の回路と接続せずに、アンテナ５単体で評価した。

【0039】

図４～６は、アンテナ５間の信号伝搬量の周波数特性を示したグラフである。図４はハンドル層１およびデバイス層３の抵抗率を４０Ω・ｃｍとした場合、図５は１０Ω・ｃｍとした場合、図６は１Ω・ｃｍとした場合である。図５、６のグラフを見ると、実施例３、実施例１、実施例２、比較例１の順で信号伝搬量が多いことがわかった。この結果、グランドと接続された層数が少ないほど、信号伝搬量が多くなることがわかった。また、ハンドル層１をグランドと接続した場合よりもデバイス層３をグランドと接続した場合の方が、信号伝搬量が多かったことから、グランドと接続されたＳｉ層（ハンドル層１とデバイス層３）のトータルの厚さが薄いほど、信号伝搬量が多くなることがわかった。また、Ｓｉ層の抵抗率が低いほど、グランドとの接続状態が信号伝搬量に影響することがわかり、抵抗率が１０Ω・ｃｍ以下でそれが顕著となることがわかった。

【産業上の利用可能性】

【0040】

本発明は各種通信に利用できる。

【符号の説明】

【0041】

１：ハンドル層
２：第１絶縁層
３：デバイス層
４：第２絶縁層
５：アンテナ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】