專利名稱：電子裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電子裝置，該電子裝置包括薄膜電容器和電感器的網(wǎng)絡，所述電容器和電感器位于半導體材料的襯底的第一側上，該襯底具有足夠高以限制電感器的電損耗的電阻率，并且在其第一側上設有電絕緣表面層。
這種電子裝置從US 6,538,874中獲知。已知的電子裝置是具有第一和第二導電層的網(wǎng)絡，其間存在介電層和絕緣層。
這里該絕緣層用作隔離物并設有接觸窗口，通過該接觸窗口，電容器的電極可被連接。第二導電層鄰近該絕緣層，并在工作頻率優(yōu)選具有大于穿透深度的厚度。對于100MHz到3GHz的射頻且使用Al或者Al合金的情況來說，該厚度至少為1μm。
該第一導電層被置于介電層的相對側上。這里限定了電容器電極以及互連?？梢栽O置附加的和中間的導電層，其中限定另一電容器電極。該已知的電子裝置主要用做阻抗匹配。
已知裝置的缺點在于，其需要與用作開關的分立半導體元件組合在一起。于是仍有一些部件需要組裝到載體上，并限制了集成網(wǎng)絡的優(yōu)點。
因此，本發(fā)明的目的是提供在開篇中提及的類型的電子裝置，其中開關可以被集成到網(wǎng)絡內(nèi)，且該網(wǎng)絡仍然適合于在高頻下使用，特別是在RF應用中。
該目的的實現(xiàn)在于在襯底中限定的第一和第二橫向pin二極管，每個pin二極管具有摻雜p區(qū)，摻雜n區(qū)和中間本征區(qū)。該第一pin二極管的本征區(qū)大于第二pin二極管的本征區(qū)。
按照本發(fā)明，橫向pin二極管用作開關。該橫向pin二極管具有不同大小的本征區(qū)。這是基本優(yōu)點，因為它允許根據(jù)需要的應用設計pin二極管，因此性能足夠滿足需求。
雖然橫向pin二極管已經(jīng)公知，然而考慮到襯底中產(chǎn)生的電效應，它們的集成仍存在問題。這些效應被稱為pin二極管之間的串擾。該串擾出現(xiàn)在大距離內(nèi)，特別是考慮到襯底的高歐姆特性，其在任何情況下都不會妨礙穿過襯底的電場結構。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，存在抑制所述串擾的裝置。已經(jīng)觀察到，對于一些應用，例如傳統(tǒng)天線開關電路，該串擾本身不是主要問題；兩個pin二極管同時關斷或?qū)?。在這種開關電路中，在兩個pin二二極管之間提供四分之一波長(λ/4)的傳輸線。該襯底效應可以導致穿過襯底的寄生通路，特別是通向接地或者通向第二pin二極管。這種通路的存在導致了λ/4長度的偏移，和由此退化的信號傳輸。
該抑制串擾的裝置可以以不同方式實施。首先可以在第一和第二pin二極管之間提供屏蔽層或區(qū)。該屏蔽層可以是襯底中的掩埋層，同襯底表面基本平行。這種掩埋層優(yōu)選為高度絕緣，例如氧化物或氮氧化物層?？商鎿Q地，該屏蔽層也可為基本橫向于襯底面的區(qū)域。它可以橫向地圍繞該pin三極管，并且可以通過利用干法刻蝕或濕法腐蝕技術進行孔的刻蝕來制作。由于加工原因這些孔優(yōu)選被填充。該屏蔽可以是電絕緣的，也可以是導電的而且連接到地。
在第一優(yōu)選實施例中，用于抑制串擾的裝置包括襯底部分的隔離，其中限定了第一pin二極管。該隔離包括襯底中的掩埋層和從該掩埋層延伸到襯底表面的環(huán)形側壁，因此所述襯底部分同其它襯底部分基本電絕緣。由于屏蔽原因這種用以形成空腔部分的絕緣的屏蔽層組合表現(xiàn)出高度優(yōu)勢。不過它仍可在不需要具有絕緣層的昂貴襯底的情況下被制造，其到處存在。這通過借助注入步驟局部地提供掩埋層，同時通過填充孔提供環(huán)形側壁來實現(xiàn)。應當理解，對于將設有這種隔離的每個pin二極管來說，高度優(yōu)選的是，襯底的本體基本保持沒有任何來源于pin二極管的電荷載流子。
在第一修改中，該掩埋層是硅化物，其通過注入合適的元素，例如鉬、鈦或者鉆來提供。在接下來的加熱步驟中，其可以同其它加熱步驟組合，或者可以通過照射來實現(xiàn)，進行固態(tài)反應以形成硅化物。這種硅化(silicidation)可以在pin二極管形成之前或者之后完成。它提供了很好的保護以防止特別高的頻率。優(yōu)選地，這些孔包括導電材料，以具有完全的電磁屏蔽。合適的材料例如是多晶硅，其可以通過電鍍來增強。
在第二修改中，該掩埋層是通過注入提供的氧化物。該掩埋層優(yōu)選是‘SIMOX’層，該縮寫代表注入氧隔離(Separation by ImplantedOxygen)。該SIMOX層恰好在薄硅層的下面形成很薄的絕緣層。該絕緣層光滑且特征是實際上沒有缺陷或雜質(zhì)同時保持了高成品率。SIMOX層本身的提供從S.Wolf和R.N.Tauber的Silicon Processing for the VLSI Era，(Sunset BeachLattice Press，2000)，258-259中得知。這里，這些孔優(yōu)選被電絕緣材料填充以形成側壁。適合的填充材料例如是氧化物、氮化物的堆疊和氧化物層。
在進一步的實施例中，該襯底包括附加的孔，以通過襯底限定垂直溝道電容器和/或垂直互連。該垂直溝道電容器足以相對于低成本提供高密度容量。以這種方式，該溝道電容器可以以同所述側壁一樣的制造步驟制造?？紤]到工藝兼容性，在這種情況下這些側壁將包括導電性材料。
然而，優(yōu)選地，抑制串擾的裝置被任意地或一致地提供在襯底中。由此的第一實施例是，通過利用電磁輻射束或粒子束的輻照產(chǎn)生晶格缺陷。合適的射束包括電子束，特別是高能電子束、中子束和離子束。該實施例具有的另外的優(yōu)點是降低了電容器的等效串聯(lián)電阻。其第二實施例是使用嵌入的導電粒子，例如Au、Pt、Ni等。
此外觀察到這些裝置可以組合使用。特別優(yōu)選地作為附加裝置是在襯底表面使用離子注入，例如Ar、N、He的那些。該注入是在生長熱氧化物之后以及第一導電層沉積之前提供的。其結果可以是在與氧化物層的界面處的襯底的無定形化(amorphisation)。該注入適于作為附加裝置，因為它用作源自pin二極管的離子的復合中心。
在進一步的實施例中，該pin二極管在平行于襯底表面的截面上具有基本上是圓形或橢圓形的形狀。特別地，圓形形狀具有良好限定了本征區(qū)寬度的優(yōu)點。另一優(yōu)點是pin二極管整體上可以合適地同該裝置的其它部分絕緣。一般認為，圓形的pin二極管的尺寸大于在交叉指型電極的布局中具有相應特性的pin二極管。然而，該尺寸并不是本發(fā)明的包括電容器和電感器的裝置的著重點。
在由此的特別適合的修改中，該n摻雜區(qū)橫向位于本征區(qū)內(nèi)。這是通常為n摻雜的襯底的優(yōu)選選擇。
在另一優(yōu)選修改中，該橢圓形或圓形形狀設置有間隙。設置用于互連pin二極管的內(nèi)部區(qū)域的互連使得在襯底表面上的互連的垂直投影上其具有與該間隙的基本重疊。結果令人驚異地發(fā)現(xiàn)，該橢圓形或圓形形狀的間隙并沒有負面地影響pin二極管的特性。同時，該間隙有益于減小互連和外部區(qū)域之間的寄生電容。
在進一步的實施例中，該網(wǎng)絡具有用作隔離物的絕緣層。該實施例是現(xiàn)有技術的那個。特別有益的是，在第二導電層中可以提供任何互連，其具有足夠的厚度以限制其電阻率。因而，可以選擇pin二極管和另一部件之間的距離以優(yōu)化該設計，同時電感損耗非常低。在更進一步的實施例中，第一導電層包括接地平面，使得第二層中的互連具有傳輸線特點。這進一步改善了電子裝置的RF性能。
本發(fā)明的電子裝置特別適合用作組合的天線阻抗匹配和天線開關。這是由于多個原因首先，由于集成規(guī)模，組件的數(shù)量特別受限制。其次，互連可以作為整體來設計，且適合于RF應用。此外，天線開關具有不同尺寸的本征區(qū)。
本發(fā)明的裝置特別適合于在大約100MHz和更高的頻率下使用。它們可以用在移動電話聽筒中，還可以用在基站中。本發(fā)明的裝置也可以用作插入型襯底(interposer substrate)，在其頂部上組裝了另外的裝置。
對于天線開關的接收通路，需要非常大的絕緣，以防止任何信號被接收通路上的功率放大器放大且導致低噪聲放大器損壞。本征區(qū)因而可以更大，例如5-25μm，且優(yōu)選為8-10μm。對于發(fā)送通路來說，限制電阻以便限制已經(jīng)被放大的信號的損耗是重要的。在發(fā)送通路中pin二極管的本征區(qū)因而具有小的寬度，例如0.1-10μm，且優(yōu)選為1-3μm。這些寬度是指該裝置中的那些，由于通過襯底的擴散，其可以小于在制造過程中使用的掩模上的寬度。
此外有利的是，第一和第二pin二極管串聯(lián)連接。這種連接是與上面所概述的不同的實施例，雖然這種結構可以施加在一條通路內(nèi)。
與pin二極管的平行切換相比，該實施例的優(yōu)點在于小阻抗損耗。盡管如此一并且這不同于在單個襯底上串聯(lián)放置的垂直pin二極管-可量測性提供了該串聯(lián)連接的pin二極管可以被賦予不同的特性。在單個襯底上的垂直pin二極管中，所有的本征區(qū)具有相同的寬度。
本發(fā)明的裝置的襯底可以被制作得更薄。此外，有源器件可以被放置在該襯底的腔中。然后導電層也可以用作這些裝置的互連。另外，熱沉可以設置在襯底的背面，優(yōu)選是其減薄的背面，以便去除任何多余的熱量。該熱沉同時適合于作為接地平面。用于優(yōu)選的、凸塊的放置、或線接合的接觸墊可以設置在第二導電層中。
高得足以限制電感器的電損耗的電阻，一般是大于100Ω.cm的電阻，且優(yōu)選是至少1kΩ.cm。雖然優(yōu)選該襯底是全部高歐姆的，然而這主要地不是必需的，并且該高歐姆特性可以被限制到特定區(qū)域。
在襯底頂部上的層堆疊內(nèi)，其包括導電層、介電層和隔離物，可以限定另外的部件。它們包括傳輸線、微電機械系統(tǒng)(MEMS)開關和可變電容器、可變電抗器、電阻器和諧振器。這允許使用襯底作為平臺和載體，其上多種功能可以被集成，其包括一個或多個低噪聲放大器和功率放大器、收發(fā)機IC、壓控振蕩器和任何互連以及為匹配、耦合、反饋回路和其他諸如此類的所需的附加部件。層的堆疊特別適于MEMS元件的集成，因為這通過在第二導電層下面提供圖案化的犧牲層來實現(xiàn)，其在提供該第二導電層以后通過刻蝕去除。
將參照附圖對本發(fā)明的裝置的這些和其它的方面進行進一步解釋，其中

圖1示出第一實施例中的裝置的示意截面圖；圖2示出具有兩個pin二極管的電路的電氣圖；圖3示出高歐姆襯底上的電感器和電容器的電路的電氣圖；圖4示出對于多種電阻率的襯底，電感器的Q因數(shù)和頻率之間的函數(shù)關系；圖5示出對于多種電阻率的襯底，電容器的串聯(lián)電阻和頻率之間的函數(shù)關系。
圖1示出該裝置的示意截面圖。電子裝置10包括硅襯底1，其具有第一側41和第二側42。在第二側42上，襯底1被氧化硅的電絕緣層2覆蓋。Al的第一導電層3，其中限定了第一電容器11的第一電容器電極21，位于所述層2上。介電材料層5，其在通孔13的區(qū)域中被去除，位于第一導電層3上。介電材料層5包括SiNx，0.5□x□2，并在電容器11的中間地帶24中構成電介質(zhì)26。在邊緣地帶22和23中，電介質(zhì)26不僅包括介電材料層5，還包括電絕緣材料層4，在該實例中為SiOx，1□x□2。包含Al的中間層6位于介電材料層5之上，并且部分地被電絕緣材料層4覆蓋。導體軌道28被限定在中間層6中。也包括Al的第二導電層7的第二圖案29與該導體軌道28電接觸。該導體軌道28與第二圖案29一起形成了第一電容器11的第二電容器電極25。該第二導電層7另外包括作為第一圖案的第一線圈12，通孔13，和互連14，且被保護層8覆蓋。第二圖案29在中間層6上的垂直投影部分地位于導體軌道28以外。第二圖案29在第一導電層3上的垂直投影部分地位于第一電容器電極21以外，即在互連14的區(qū)域中?；ミB14是連接第二電容器電極25和裝置110的其它部分所必需的。因此，第二電容器電極25在第一導電層3上的垂直投影至少部分地位于第一電容器電極21之內(nèi)。
按照本發(fā)明，裝置10包括第一橫向pin二極管50和第二橫向pin二極管60。在該實施例中兩個pin二極管50、60具有圓形形狀，且第一n摻雜區(qū)51、61橫向位于第二p摻雜區(qū)52、62之內(nèi)。在n摻雜區(qū)51、61和p摻雜區(qū)52、62之間提供本征區(qū)53、63。按照本發(fā)明，第一pin二極管50的本征區(qū)53的寬度d1小于第二pin二極管的本征區(qū)63的寬度d2。因此，第一pin二極管50具有比第二pin二極管60更低的電阻。因此第一pin二極管50非常適合于移動電話的發(fā)送通路中的集成，而第二pin二極管60適于其接收通路中的集成。為了防止串擾，適當?shù)貫楦邭W姆的襯底1包括防止串擾的裝置。如初始測量已經(jīng)表明的，本征區(qū)具有8μm的寬度的橫向pin二極管在1mA的電流和100MHz的頻率下具有大約3-6Ω的電阻，當電流增加時，在10mA下該電阻降低到0.3-0.6Ω。對于大約700MHz的頻率，且在低電流下，該插入損耗小于-1.5dB。擊穿電壓在20和30V之間。
由圖1清楚的是，橫向pin二極管50、60具有明顯的優(yōu)點，即它們可以從頂部被接觸。這樣互連56、66、67可以被集成在第一和第二導電層3、7中。通過這些互連，這些pin二極管能夠被集成在電路中，這對于技術人員來說是明顯的。由此的實施例例如從未預公開的申請EP03102255.1(PHNL030882)以及EP02079324.6(PHNL020986)中得知，其在此被包括作為參考。所示的實際布局僅是示例性的，其中電感器12和電容器11橫向位于pin二極管50、60之間。也可以設計其它的布局。由此的例子是電感器和pin二極管橫向地隔開，并且只有在電感器和電容器的下面或鄰近處的襯底區(qū)被制作成高歐姆的。此外，第二導電層7被示為具有大的厚度。然而，通過選擇替換金屬例如Cu，可以減小該厚度。
圖2示出電氣圖，其表示具有在天線開關中使用的pin二極管的電路。所示出的是僅對于一個頻率帶寬的電路。該電路包括至具有功率放大器的發(fā)送通路的連接110；至具有低噪聲放大器的接收通路的連接120；和至天線130的連接。另外，提供四分之一波長λ/4的諧振傳輸線140，以及第一pin二極管50，其位于至接收通路120的連接和地之間；和第二pin二極管，其位于發(fā)送通路110和至天線130的連接之間。在來自發(fā)送通路110的信號必須被發(fā)送到天線130的情況下，pin二極管50、60導通?？商鎿Q地，在接收模式中，pin二極管50、60關斷。
圖3示出電氣圖，其是用于襯底中電損耗的模型。從該模型中可以理解，對于電容器，襯底損耗在低頻時占優(yōu)勢，而對于電感器，損耗在高頻時開始占優(yōu)勢。該襯底引起的損耗可以被分為本體引起的損耗和在Si-SiO2界面處引起的損耗。在零偏置條件下，在Si-SiO2界面處存在積累層，該積累層由例如熱氧化硅中通常存在的固定電荷引起。從CV測量中推導得到，積累的電荷的量大約是比4kΩcm Si的本體中存在的移動電荷的總量大的數(shù)量級。因此，明顯地，次于體電阻，與該積累電荷有關的界面電阻顯著地影響了在頂部處理的無源損耗?？梢酝ㄟ^將Si襯底的頂表面制作成非晶的來增加Si-SiO2界面處的低電阻，因而降低了載流子遷移率。在我們的情況中，這是使用在熱氧化物生長之后且在第一導電層3沉積之前的例如Ar或N的離子注入來實現(xiàn)的。
圖4示出作為襯底電阻的函數(shù)的5nH電感器的Q因數(shù)的曲線圖。可以看到，對于本發(fā)明中使用的高歐姆Si(ρ·4kΩ..cm)，獲得了電感器Q的顯著改善。對于體電阻率＜1kΩ.cm幾乎不存在電感器Q的增加。對于低于1kΩcm的襯底電阻率，本體引起的損耗明顯優(yōu)于在Si-Si2界面處引起的損耗。
對襯底損耗進一步的抑制通過在本體中引入晶格缺陷來獲得。通過在Si的帶隙內(nèi)制造局部化的能量狀態(tài)，捕獲移動電荷，并且因此該特定電阻率提高。當使用高能量(E＞1MeV)電磁輻射束或粒子束例如離子束和中子束時，可能導致對晶格的永久破壞。該輻照是低溫過程，并因此可以在層的堆疊3、4、5、7被沉積并被構造以后進行。使用范德格拉夫(Van-de-Graaf)加速器，其產(chǎn)生1-5MeV的電子能量。加工的晶片以1.4×1015e.cm-2的劑量被輻照。
圖5示出對于具有接收到的不同處理的襯底作為頻率的函數(shù)的電容器11的等效串聯(lián)電阻(ESR)的曲線圖。點線表示未經(jīng)處理的裝置，短劃線表示利用輻照處理的裝置。短劃和點線(dash-and-dot line)表示利用注入處理的裝置。短劃-點線(dash-dot line)表示采用注入和輻照兩者處理的裝置。為了比較，ESR是在玻璃襯底上加工的相同電容器所繪制的，其被示為連續(xù)線。從該圖5可以看到，電子束輻照后的ESR下降了與利用界面離子注入所獲得的大約相同的數(shù)量級。當結合電子束輻照和界面離子注入時，ESR進一步降低。如所期望的，這明顯地表明輻照是注入的補充。采用圖3所示的模型擬合這些數(shù)據(jù)表明相比于“未經(jīng)處理的”高歐姆硅，有效襯底電阻增加了10,000(！)倍。電子束輻照之后，電容器11的漏電流沒有顯著變化。
權利要求
1.一種電子裝置，包括在半導體材料的襯底的第一側上的至少一個薄膜電容器和至少一個電感器的網(wǎng)絡，所述襯底具有足夠高以限制所述電感器的電損耗的電阻率，并且在其第一側上設有電絕緣表面層；其中，第一和第二橫向pin二極管被限定在襯底中，每個pin二極管具有摻雜p區(qū)、摻雜n區(qū)和中間本征區(qū)，且在所述pin二極管中，第一pin二極管的本征區(qū)大于第二pin二極管的本征區(qū)。
2.如權利要求1所述的電子裝置，其中所述襯底設有用于防止第一和第二pin二極管之間的串擾的裝置。
3.如權利要求2所述的電子裝置，其中用于防止串擾的裝置包括襯底部分的隔離，其中限定了第一pin二極管，該隔離包括襯底中的掩埋層和從該掩埋層延伸到襯底表面的環(huán)形側壁，使得所述襯底部分與其它襯底部分基本上電絕緣。
4.如權利要求2所述的電子裝置，其中用于防止串擾的裝置可通過借助粒子中的電磁射輻射束輻照襯底實現(xiàn)對晶格造成損傷。
5.如權利要求2所述的電子裝置，其中用于防止串擾的裝置包括導電粒子。
6.如權利要求1所述的電子裝置，其中第一pin二極管在平行于襯底表面的截面上具有基本圓形或者橢圓形的形狀。
7.如權利要求6所述的電子裝置，其中摻雜n區(qū)橫向地位于本征區(qū)內(nèi)部。
8.如權利要求6或7所述的電子裝置，其中該圓形或橢圓形的形狀設有間隙，并且其中用于連接第一pin二極管的區(qū)域的互連被設置使得在該互連在襯底表面上的垂直投影上存在與該間隙的基本重疊。
9.如權利要求1所述的電子裝置，其中線圈和電容器被嵌入在堆疊中，其包括第一和第二導電層和介電層以及在它們之間的絕緣層，所述絕緣層用作隔離物，并包括用于連接電容器的電極的接觸窗口。
10.如權利要求1所述的電子裝置，其中第一pin二極管用作接收通路中的天線開關，以及第二pin二極管用作發(fā)送通路中的天線開關。
11.如權利要求9所述的電子裝置，其中該無源部件網(wǎng)絡用作阻抗匹配網(wǎng)絡。
全文摘要
電子裝置包括在半導體材料的襯底的第一側上的至少一個薄膜電容器和至少一個電感器的網(wǎng)絡。所述襯底具有足夠高以限制所述電感器的電損耗的電阻率，并且在其第一側上設有電絕緣表面層。第一和第二橫向pin二極管被限定在襯底中，每個pin二極管具有摻雜p區(qū)、摻雜n區(qū)和中間本征區(qū)。第一pin二極管的本征區(qū)大于第二pin二極管的本征區(qū)。
文檔編號H01L27/08GK1951004SQ200580014191
公開日2007年4月18日 申請日期2005年5月3日 優(yōu)先權日2004年5月6日
發(fā)明者A·登德克, J·F·迪克惠斯, N·J·普爾斯福德, J·T·M·范比克, F·羅澤布姆, A·L·A·M·克梅倫, J·H·克羅特維克, M·D·-J·諾倫 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司