毫米波/太赫茲多金屬層半導(dǎo)體器件的接地屏蔽結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及毫米波/太赫茲單片集成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫米波/太赫茲多金屬層半導(dǎo)體器件的接地屏蔽結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]毫米波/太赫茲具有寬頻帶、高精度、高分辨率和大信息容量等優(yōu)點(diǎn)，在軍事雷達(dá)系統(tǒng)、射電天文學(xué)和太空以及短距離無(wú)線高速傳輸?shù)阮I(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。單片微波集成電路(MMIC-Monolithic Microwave Integrated Circuit)作為毫米波/太赫茲通信、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等系統(tǒng)的核心元件，它是利用離子注入、濺射、蒸發(fā)等工藝流程，在一塊半導(dǎo)體襯底上集成有源、無(wú)源器件的微波電路。隨著三五代半導(dǎo)體材料的發(fā)展，硅基技術(shù)仍然以它低成本，高集成度的優(yōu)點(diǎn)成為工程師的首選，。隨著硅基技術(shù)的成熟發(fā)展，SiGe-HBT器件不僅解決了硅基工藝高頻性能缺陷的問(wèn)題，同時(shí)還繼承了其高集成度的優(yōu)點(diǎn)，為同一個(gè)IC芯片以較低的成本集成多種功能的SOC系統(tǒng)提供了可能性。
[0003]對(duì)于單片微波集成電路而言，最為重要的就是減少襯底損耗、提高器件的截止頻率，從而提高器件的適用工作頻率。在進(jìn)行毫米波單片集成電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到硅基固有的襯底損耗，通常使用最底層金屬層作為電路的地層，最高層金屬層作為信號(hào)傳輸層，在信號(hào)傳輸層進(jìn)行電路的連接和匹配。而半導(dǎo)體技術(shù)器件的電阻層或者有源層等都埋在第一層金屬層下面，使用這些半導(dǎo)體器件的電路設(shè)計(jì)時(shí)，就必須使用通孔把器件與最高層金屬層進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)電路的連接和匹配。連接器件和最高層金屬的通孔連接會(huì)給電路帶來(lái)一些感性的損耗，尤其對(duì)于有源器件晶體管而言，它的輸入和輸出非常接近，因此由引入通孔帶來(lái)的輸入損耗、輸出損耗以及它們之間損耗的交叉耦合會(huì)明顯地提高器件的總體損耗。在高增益下的低頻段應(yīng)用中，這種損耗并不明顯，但是在毫米波和太赫茲頻段中，該影響會(huì)擴(kuò)大并嚴(yán)重降低器件的性能。
[0004]Soon Wee Ho等人利用同軸的概念，研制出一種適用于芯片封裝的降低襯底損耗的方法[“Development of Coaxial Shield Via in Silicon Carrier for HighFrequency Applicat1n”，作者:Soon Wee Ho,Vempati Srinivasa Rao,Oratti KalandarNavas Khan ,Seung Uk Yoon,Vaidyanathan Kripesh,2006 Electronics PackagingTechnology Conferenc，pp825_830]。該方法利用同軸的概念，使用同軸屏蔽通孔替代傳統(tǒng)通孔，減少了三維集成電路襯底帶來(lái)的損耗。
[0005]專(zhuān)利US5338897[US5338897Coaxial shield for a semiconductor device]提出一種在多層半導(dǎo)體中組成同軸屏蔽線的方法，該方法提高了信號(hào)線的質(zhì)量，改變了阻抗，且沒(méi)有與任何有源器件連接。專(zhuān)利US6943452 [Coaxial wiring within SOIsemiconductor,PCB to system for high speed operat1n and signal quality]為避免干擾對(duì)數(shù)字線路和數(shù)字電路進(jìn)行屏蔽。專(zhuān)利US6876076[US6876076 Multilayersemiconductor device for transmitting microwave signals and associated metho]對(duì)有源器件與外部器件進(jìn)行屏蔽，避免了外部干擾和噪聲。
[0006]對(duì)比與上述幾種屏蔽方法，本發(fā)明采用接地金屬環(huán)和接地金屬條組成一種新的接地屏蔽結(jié)構(gòu)。降低了硅基器件由于引入通孔連接帶來(lái)的感性損耗，提高了器件的工作頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是減少硅基半導(dǎo)體器件因通孔連接帶來(lái)的不良影響，這些器件通常處于最底層金屬下面，需要通孔與更高層或最高層金屬層進(jìn)行連接。進(jìn)行毫米波/太赫茲電路設(shè)計(jì)的時(shí)候都會(huì)使用最高層金屬層構(gòu)成微帶線或者共面波導(dǎo)線來(lái)進(jìn)行電路的匹配。下層金屬連接到頂層金屬的微波電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。由圖可知，最底層金屬和頂層金屬的連接就是一段長(zhǎng)距離通孔連接，這段距離在毫米波/太赫茲電路設(shè)計(jì)中會(huì)帶來(lái)一個(gè)很大的阻抗并對(duì)電路帶來(lái)無(wú)法預(yù)測(cè)的損耗。該損耗隨著工作頻率的升高以指數(shù)方式增長(zhǎng)。從器件的角度來(lái)看，會(huì)是器件端口的隔離度變差并降低器件的性能。受限于硅基固態(tài)器件的截止頻率，器件的增益對(duì)電路設(shè)計(jì)非常重要，因此，對(duì)毫米波/太赫茲電路設(shè)計(jì)者而言，降低器件的損耗是一項(xiàng)很重要的工作。
[0008]本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:提出一種可以提高阻抗使其匹配到所需的電路阻抗值，尤其是匹配到50歐姆阻抗值，并且可以屏蔽電磁輻射的接地屏蔽結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的是，所述接地屏蔽結(jié)構(gòu)包括接地金屬環(huán)和接地隔離金屬條。
[0009]進(jìn)一步的是，有源器件晶體管埋在金屬層I下面，晶體管的發(fā)射極接地，晶體管的集電極和基極都引入通孔與最高層金屬層8相連。
[0010]進(jìn)一步的是，所述接地金屬環(huán)把集電極和基極包圍并與外部器件屏蔽，所述接地隔離金屬條把集電極與基級(jí)隔離開(kāi)，所述接地金屬環(huán)與所述接地隔離金屬條相連形成一個(gè)接地屏蔽結(jié)構(gòu)。
[0011]進(jìn)一步的是，所述接地金屬環(huán)為從金屬層1、金屬層2、金屬層3、金屬層4到金屬層5組成的一個(gè)環(huán)狀屏蔽層。所述接地隔離金屬條為從金屬層1、金屬層2、金屬層3、金屬層4到金屬層5組成的一個(gè)條狀隔離層
[0012]進(jìn)一步的是，金屬層I為接地層，即為單片集成電路的信號(hào)參考地
[0013]本發(fā)明的有益效果:通過(guò)引入中間的金屬層，抑制了器件由于引入通孔在高頻段產(chǎn)生的電輻射，隔離端口之間的耦合磁場(chǎng)，使得二端口之間的耦合量大為減少，因通孔在兩端口產(chǎn)生的互感消失，提高了端口間的隔離度。在毫米波/太赫茲應(yīng)用該接地屏蔽結(jié)構(gòu)使器件的發(fā)射極或者源級(jí)有效接地，增加了器件的可靠性，并減少了損耗，使得器件的截止頻率提尚了 10%。接地屏蔽金屬環(huán)把輸入和輸出包圍，并用接地隔尚金屬條把輸入和輸出分開(kāi)，增加了輸入輸出之間的隔離度，襯底屏蔽中使用了底層金屬，減少了襯底與電路之間的耦合噪聲。
【附圖說(shuō)明】
[0014]圖1是微波器件傳統(tǒng)連接的三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明提出的帶有接地屏蔽結(jié)構(gòu)的微波器件三維結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明提出的帶有接地屏蔽結(jié)構(gòu)的微波器件橫截面示意圖；
[0017]圖4是本發(fā)明提出的帶有接地屏蔽結(jié)構(gòu)的微波器件應(yīng)用于單級(jí)放大器電路的S參數(shù)曲線圖；
[0018]圖中標(biāo)記說(shuō)明:1,101,102,103,104，105表示金屬層I；2,201,202,203,204，205表示從金屬層1連接到金屬層3的通孔2;3，301，302，303，304，305表示金屬層3;4，401，402，403，404，405表示從金屬層3連接到金屬層5的通孔4 ； 5,501,502,503,504，505表示金屬層5；6,601,602,603,604，605表示從金屬層5連接到金屬層7的通孔6; 7，701，702，703，704，705表示金屬層7；8,801,802,803,804，805表示從金屬層7連接到金屬層9的通孔8;9，901，902，903，904，905表示金屬層9 ； 10,1001,1002,1003,1004,1005表示從金屬層9連接到金屬層 11 的通孔 10; 11,1101,1102，1103，1104，1105 表示從金屬層 11; 12，1201,1202表示金屬層11到金屬層13的通孔12; 13，1302，1302表示金屬層13; 14，1401,1402表示金屬層13到金屬層15的通孔14; 15，1501，1502表示金屬層15; 16表示有緣晶體管基級(jí)；17表示有源晶體管發(fā)射極;18表示有源晶體管集電極。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0020]如圖1所示，傳統(tǒng)二端口微波器件埋在金屬層I下面，通過(guò)通孔2，4，6，8，10，12，14逐層從金屬層I，3，5，7，9，11，13—直連接到最高層金屬層15進(jìn)行電路的連接和匹配;如圖2所示。本發(fā)明提出的接地屏蔽金屬環(huán)和接地隔離金屬條由金屬層I通過(guò)通孔2,4,6,810逐層連接金屬層3，5，7，9一直到金屬層11形成兩個(gè)銜接的金屬環(huán)狀。如圖3所示，有源晶體管發(fā)射極與接地屏蔽環(huán)、接地隔離金屬條相連接形成良好接地。有源晶體管基級(jí)16與金屬層103、金屬層303、金屬層503、金屬層703、金屬層903、金屬層1103、金屬層1301通過(guò)通孔203、通孔403、通孔603、通孔803、通孔1003、通孔1201、通孔1401、連接的到最高層金屬1501;有源晶體管集電極18與金屬層104、金屬層304、金屬層504、金屬層704、金屬層904、金屬層1104、金屬層1302通過(guò)通孔204、通孔404、通孔604、通孔804、通孔1004、通孔1202、通孔1402、連接的到最高層金屬1502。
[0021 ]實(shí)施例
[0022]在該實(shí)施例中，如圖3所示結(jié)構(gòu)，把帶有接地屏蔽的微波器件應(yīng)用于單級(jí)放大器中，從圖4可知在工作頻率140GHz，工作電壓為1.2V，晶體管工作電流為為10uA，器件于280GHz的時(shí)候截止頻率降到原來(lái)的0.584。當(dāng)器件加了屏蔽接地結(jié)構(gòu)，在280GHz的時(shí)候，截止頻率僅僅降到原來(lái)的0.913。下降率降低了 56.3%，顯著提高了半導(dǎo)體器件的性能。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.接地屏蔽金屬環(huán)和接地隔離金屬條由金屬層I通過(guò)通孔2,4,6,810逐層連接金屬層.3,5,7,9 一直到金屬層11形成兩個(gè)銜接的金屬環(huán)狀。2.如權(quán)利要求1所言，有源晶體管發(fā)射極與接地屏蔽環(huán)、接地隔離金屬條相連接形成良好接地。有源晶體管基級(jí)16與金屬層103、金屬層303、金屬層503、金屬層703、金屬層903、金屬層1103、金屬層1301通過(guò)通孔203、通孔403、通孔603、通孔803、通孔1003、通孔1201、通孔.1401、連接的到最高層金屬1501;有源晶體管集電極18與金屬層104、金屬層304、金屬層.504、金屬層704、金屬層904、金屬層1104、金屬層1302通過(guò)通孔204、通孔404、通孔604、通孔.804、通孔1004、通孔1202、通孔1402、連接的到最高層金屬1502。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種關(guān)于改善毫米波/太赫茲電路器件性能的接地屏蔽結(jié)構(gòu)。該接地屏蔽結(jié)構(gòu)，包括了一個(gè)接地屏蔽金屬環(huán)和一個(gè)接地隔離金屬條，接地屏蔽金屬環(huán)把半導(dǎo)體器件的兩個(gè)端口包圍形成一個(gè)環(huán)狀，接地隔離金屬條把半導(dǎo)體器件兩個(gè)端口隔離。該發(fā)明有效地降低半導(dǎo)體器件的損耗，提高其截止頻率，適用于毫米波/太赫茲的單片電路設(shè)計(jì)。
【IPC分類(lèi)】H01L23/552, H01L23/66, H01L23/58
【公開(kāi)號(hào)】CN105609486
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201511000041
【發(fā)明人】王磊, 楊漫菲, 馬凱文, 陳慶, 方堃, 孫博文
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日