成果報告書詳細
管理番号20100000001900
タイトル平成20年度-平成21年度成果報告書 立体構造新機能集積回路(ドリームチップ)技術開発 複数周波数対応通信三次元デバイス技術 1
公開日2011/1/25
報告書年度2008 - 2009
委託先名国立大学法人東京工業大学
プロジェクト番号P08009
部署名電子・情報技術開発部
和文要約 半導体デバイスの高集積化、高機能化は、これまでCMOSーLSI を二次元的に微細化することにより追求されてきたが、新たな機能の発揮と飛躍的な性能向上を可能とするため、三次元化技術による立体構造新機能集積回路技術の実現が期待されている。また、無線通信分野においては次世代の携帯無線電話端末として、いつでも、どこでも様々なサービスの送受信を可能とする小型、低消費電力で動作する複数周波数対応通信回路の実現が要望されている。
 そこで本研究開発では、複数周波数対応通信三次元デバイス技術の1つとして高性能可変インダクタ回路技術の確立を目的とした。具体的には、自己共振周波数10GHz以上の高周波特性を有し、0.5-3nHのインダクタ値に対して50%以上の可変率の小型インダクタ素子の実現を目指した。
 まずは基本検討として、ミアンダ型、ソレノイド型、平面スパイラル型などの各種MEMSインダクタの基本特性を3次元電磁界解析により比較し、その結果をもとに基本特性評価用TEGの設計、試作を実施した。 その結果、(1)オンチップインダクタやパッケージ配線を利用したインダクタに比べ MEMSインダクタは中空構造であることから高いQ値を広い周波数範囲で確保でき目標とする700MHz-6GHzの広い周波数範囲でのインダクタンス値の可変素子として最も優れていることを明らかにした。また、(2) インダクタンス値を可変する構成としてシールドパタンによる磁束遮蔽型ソレノイドインダクタや磁束面積制御によるミアンダ型インダクタの特性の比較を行いミアンダ型構成の方が高い可変率を得られる見通しを得た。
 さらに高可変率の可変インダクタ素子の実現にはMEMS回路とRF CMOS集積回路との融合が不可欠と判断し、MEMS可動機構および低電圧CMOS集積回路による高電圧出力回路の設計、試作を実施した。(3) 100%以上の広可変率を得られる構成として円形アクチュエータを用いる構成を考案し設計、試作を行った。回転機構を取り入れることにより大きなMEMS配線の変位を実現できる。しかし、円形アクチュエータを金メッキ配線MEMSプロセスにより実際に試作した結果、可変動作を得ることはできなかった。円形アクチュエータのばね定数が小さすぎ、制御電圧を加える電極の短絡、環境の静電気による円形スプリングの変形が発生し可変動作を実現できなかった。設計段階では想定していなかった重力や環境の静電気等を考慮した設計が必要であることが明らかとなった。なお、本試作では可動変位を想定した複数水準のTEG回路も同時に試作した。その結果、ミアンダ型インダクタ構成において、円形アクチュエータを当初の設計通り可動させることができれば、2-4nH(可変率100%)のインダクタ値の実現が可能となる見通しを得た。(4)高電圧発生回路の検討では、ポジティブとネガティブのチャージポンプの組み合わせ構成およびチャージポンプ用容量への耐圧制限を緩和したチャージポンプ構成を明らかにし、0.18μmCMOSプロセス技術により試作した結果、電源電圧3.3Vで24Vの高電圧出力を得ることに成功した。CMOS回路とMEMS回路の融合を行う上でのMEMS制御回路として応用できる。
 以上、本研究開発では、可変インダクタの実現までには至らなかったが、MEMSインダクタの基本特性、可動機構の設計手法、課題およびCMOS集積回路による高電圧発生回路技術を明らかにすることができた。これらの成果をベースに今後も我々は本研究開発を継続発展させ高可変率のインダクタの実現を目指して行く。
英文要約[Abstract] Tokyo institute of Technology
In order to progress the semiconductor device performances dramatically, three-dimensional, 3D, technologies has been focused for next generation devices. On the other hand in wireless communication systems, as various services, such as mobile phone, wireless LAN, one segment TV and so on, have been demonstrated in the world, multi-frequency RF circuit techniques are desired to get more conformable services at anytime and anywhere.
In this research, purpose is to develop a high performance variable inductor using 3D device technologies for multi-frequency communications. At first, 3D magnetic field simulation analysis and fabrication of various MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) inductors was done to get basic data for realizing the variable inductors, targeting 0.5 to 3.0 nH with a tuning range of more than 50 %. As results, (i) high Q and wideband characteristics, that are suitable for target applications ranging from 700 MHz to 6GHz, have been confirmed in MEMS inductors, because of the thick metal, non-dielectric and large distance between inductor and Si substrate. And then, (ii) it is clarified that meander type inductors have potential to realizing the most wide tuning range compared with the other type of inductors.
Furthermore, as a fusion of MEMS and CMOS circuits is indispensable to realize small variable inductors, we studied about a mechanical movement design in MEMS inductors and a CMOS circuit that can output a high voltage to control the MEMS devices. To get wide tuning range of inductor value, large mechanical movement is required in the MEMS inductors. To meet this, (iii) we investigated a spiral type MEMS actuator. By using the rotation mechanism, a large movement can be obtained. Variable inductors with the spiral actuators were fabricated by using the MEMS process with gilding metal lines on Si substrate. But, an appropriate movement could not be obtained because of the weak spring constant in the actuator that cause the shape distortion and then shortening the electric field controlling terminals. However, by measuring test devices with fixed shapes supposing a several mechanical movements, it was clarified that variable inductor with tuning range from 2 to 4 nH can be realized when the movement is realized as designed. As long as the CMOS circuit for the MEMS controlling, (iv) a new charge pumping circuit using combination of positive and negative charge pump and a circuit topology tolerable for the breakdown voltage limitation was investigated. To verify the validity, the circuit was fabricated by using 0.18 um CMOS technology. And then, we succeeded in obtaining a high voltage of 24 V from 3.3 V power supply.
In conclusion, spite of we could not reach realizing a variable inductor devices, useful MEMS inductor design data and techniques were succeeded in accumulation. Based on those, we continue to study techniques for realizing variable inductors as a milestone toward the 3D integration era.
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