專利名稱：微波集成電路無源元件的結(jié)構(gòu)和降低信號傳播損耗的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般說來涉及到高頻電路，更確切地說是涉及微波集成電路的無源元件。
現(xiàn)有的高性能單片微波集成電路(MMIC)都制作在GaAs襯底上以便將信號傳播損耗減到最小。標準的硅襯底，盡管在購置、處理和加工方面的費用比GaAs襯底低，但由于原先都認為硅不適合于這種通常傳播頻率高于500MHz的信號的電路，而未被用作MMIC的高性能襯底。特別是硅的電阻率比GaAs低這一點被認為是采用硅襯底的一個重要缺陷。然而若能夠采用硅襯底，則MMIC的片子和加工成本將大大地降低。因此，人們希望出現(xiàn)一種采用硅襯底的MMIC，并希望將其信號傳播損耗限制到可以與現(xiàn)有GaAs襯底MMIC的信號傳播損耗相比擬的水平。


圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的微波集成電路中無源元件的剖面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的雙層金屬無源元件的剖面圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明第三實施例的金屬—絕緣體—金屬(MIM)電容器的剖面圖；以及圖4是根據(jù)本發(fā)明第四實施例的無源元件加以平帶電壓情況的剖面圖。
簡而言之，本發(fā)明在微波集成電路中提供了一種無源元件結(jié)構(gòu)以及降低信號傳播損耗的方法。本發(fā)明通常借助于降低無源元件下方的襯底表面處的電荷密度的方法來達到此目的。此種電荷降低可如下列實施例所述來實現(xiàn)。
參照圖1—4可更充分地描述本發(fā)明。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施例的無源元件10的剖面圖。絕緣層12排列在具有表面15的硅襯底14上，而金屬層16排列在絕緣層12上。如同例如在共平面波導傳輸線中見到的那樣，將金屬層16圖形化為信號線18和接地面20。絕緣層12有一個第一窗口22和一個第二窗口24，它們被例如通路所填充。信號線18和接地面20經(jīng)由第一窗口22和第二窗口24形成與襯底14的肖特基接觸。由于這一接觸，就形成了耗盡區(qū)26。
根據(jù)本發(fā)明，無源元件10至少有一部分金屬層16同襯底14相接觸以形成至少一個耗盡區(qū)26。在襯底14的表面15上金屬層16疊置在表面15上的地方都將出現(xiàn)電荷的積累或反型。然而，在耗盡區(qū)26中不出現(xiàn)這種電荷。表面15處反型或積累電荷的形成是因為金屬層16和襯底14之間的能級差別。這些電荷在表面15處的出現(xiàn)是不可取的，因為這會降低表面15靠近金屬層16的區(qū)域中襯底14的電阻率。這一降低了的電阻率會增加信號線18所傳播信號的傳播損耗。接地面20下方的電荷積累或反型也會增加這種傳播損耗。
其襯底具有上述表面電荷的現(xiàn)有無源元件在高頻下受到傳播損耗的損害，這是由于傳播的信號不再傳播于其導體內(nèi)部，而是以電磁場的形式傳過媒體。通常，傳播的媒體包含一個或多個導體和相應的接地面。這些接地面對電磁場的傳播以及電磁場如何傳過圍繞著傳播媒質(zhì)的半導體材料起控制作用。當半導體材料如上所述帶有導電電荷時，信號就被衰減。
然而，根據(jù)本發(fā)明，由于存在耗盡區(qū)26，上述不希望有的電荷被基本上從表面15耗盡掉，因而大大降低了傳播損耗。上述耗盡是由于表面15在與金屬層16接觸處載流子被耗盡而出現(xiàn)的。由于這一耗盡，耗盡區(qū)26的電阻率顯著地大于襯底14的體電阻率。更確切地說，耗盡區(qū)26的電阻率大體上等于襯底14的本征電阻率。應該承認，本征電阻率是選用的特定半導體可能獲得的最高電阻率。例如，對硅來說，此最大的本征電阻率約為100000Ωcm。
耗盡區(qū)26的寬度是襯底14體電阻率的函數(shù)。例如，在金屬層16和襯底14之間具有0.6V內(nèi)建電壓的2000Ωcm N型硅襯底的情況下，可獲得20μm的耗盡寬度。
就信號傳播而論，本發(fā)明的一個優(yōu)點是，對于諸如圖1所示的共平面型結(jié)構(gòu)，電磁場的大部分集中在從表面15算起的數(shù)十微米的范圍內(nèi)。因此，大部分電磁場基本上行進在靠近電荷耗盡了的表面的半絕緣環(huán)境中。
在形成無源元件10的集成電路布局(未示出)的過程中，通常最好是在布局中只要有可能就在金屬層16和襯底14之間建立接觸。然而，即使只有小部分的金屬層16同襯底14相接觸，亦可觀察到信號傳播損耗有某種有利的降低。通過實驗測量已發(fā)現(xiàn)，除了受可用的電路設(shè)計規(guī)則限制者外，只要可能就在絕緣層12中制作諸如第一窗口22那樣的窗口，這種做法所提供的微波集成電路其信號傳播損耗可基本上降到采用GaAs襯底的現(xiàn)有高性能MMIC所達到的水平。例如，在一種情況下，測得的損耗其范圍從不采用窗口時的約85dB/m到帶有無限長窗口(亦即在整個信號線下方的窗口)時的約8.5dB/m。
同時，在其它的做法中，金屬層16和襯底14之間的接觸可用一個或多個填充以不同于金屬層16的導電材料的通路來實現(xiàn)。換言之，用來填充通路的金屬可以不同于用作金屬層16的金屬。
表示無源元件10的結(jié)構(gòu)可用于微波集成電路所用的很多種無源元件。圖1具體示出了一種共平面波導傳輸線的剖面。其它無源元件可包括例如電感器、電容器、其它類型的傳輸線和互連線、電阻器以及濾波器。在運行中，無源元件10可方便地傳播頻率高于約500MHz的信號，并且對頻率高于約1GHz的信號甚至更有利。MMIC中大于所傳播的信號波長的 的無源線的任何長度，通常都適用于本發(fā)明。對于超過信號波長 的無源線長度，無源線輸入和輸出之間的電壓差不再可忽略，從而引起顯著的寄生電容。其出現(xiàn)的原因部分是由于傳播信號的電流和電壓分量不再只在導體內(nèi)部行進的緣故。
就用于制造的材料而論，襯底14為高阻硅襯底，其體電阻率最好至少約為2000Ωcm，大于3000Ωcm更好。作為一個例子，可采用(100)或(111)取向的高阻N型硅襯底。也可采用P型硅襯底。最佳硅襯底的典型體電阻率范圍為約3000到7000Ωcm(體電阻率越高，則得到的耗盡區(qū)26的耗盡寬度越大)。
此外，高阻襯底14最好應由非補償?shù)母呒児鑱順?gòu)成，這意味著沒有金屬原子替代硅而形成高阻特性。補償?shù)墓栌捎谄渲械难a償金屬原子產(chǎn)生深能級雜質(zhì)陷阱而達到其高阻率。采用純度較低的補償硅可導致有害的影響，這是因為進行補償?shù)慕饘僭釉诟叩墓に嚋囟认聝A向下在襯底中遷移。例如在制作有源器件時就需要這種溫度。這種遷移可能產(chǎn)生的有害影響包括襯底體電阻率的降低和襯底的半導體類型從n型轉(zhuǎn)變?yōu)镻型或者從P型轉(zhuǎn)變成n型。
雖然此處示出的是單層，但應指出的是絕緣層12或金屬層16都可以是單層也可以是多層。例如，絕緣層12可以是二氧化硅和/或氮化硅。同時，金屬層16可以是銅和金組成的勢壘金屬。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施例的雙層金屬無源元件30的剖面圖。第一金屬層32排列在諸如高阻硅的硅襯底34上。絕緣層36覆蓋著第一金屬層32，其中有一窗口40，而第二金屬層38覆蓋著絕緣層36并通過窗口40同襯底34接觸。在第一金屬層32同襯底34接觸處形成一個耗盡區(qū)42，并在第二金屬層38同襯底34接觸處形成耗盡區(qū)44。如上面圖1所討論的，耗盡區(qū)42和44具有高的電阻率，可降低無源元件30所傳播的信號的傳播損耗。適用于襯底34的材料以及典型的信號頻率運行范圍都相似于上述圖1所討論的情況。
圖2的無源元件30也可用來與圖1的無源元件10連接以構(gòu)成電感器，以使接地面短路，或構(gòu)成跨越兩個金屬化系統(tǒng)的金屬層的區(qū)域。第一金屬層32可用來將這種電感器的中心互連到其輸出，或用來互連其接地面。第二金屬層38一般用來傳播高頻信號，因為其金屬化結(jié)構(gòu)通常比第一金屬層32厚。這導致無源元件的Q值高(例如電容器、電感器或傳輸線)。
無源元件30為雙層金屬系統(tǒng)提供了一個使傳播損耗變?yōu)樽钚〉母哳l環(huán)境。此處所示的結(jié)構(gòu)使第一金屬層32和襯底34之間以及第二金屬層38和襯底34之間形成最高級的肖特基接觸。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第三實施例的MIM電容器50的剖面圖。更詳細地說，第一金屬層52排列在襯底51上并形成一個耗盡區(qū)58。設(shè)置絕緣層54和第二金屬層56覆蓋在第一金屬層52上。適合于襯底51和電容器50的其它元件的材料以及典型的頻率運行范圍與上述圖1和2所討論的情況類似。
在圖3中，由于在第一金屬層52下形成了耗盡區(qū)58，不再出現(xiàn)反型/積累電荷。而且，耗盡區(qū)58的電阻率很高。因此，基本上沒有信號損耗。如果象在現(xiàn)有MIM電容器中那樣，絕緣體置于第一金屬層52和襯底51之間，則在襯底51中將形成反型/電荷積累區(qū)，從而引起兩個不希望有的效應與MIM電容器50并聯(lián)的寄生電容器，以及可能產(chǎn)生較高信號損耗的低阻通路。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第四實施例的無源元件60并采用平帶電壓(VFB)的剖面圖。絕緣層62排列在帶有表面72的襯底64上。襯底64最好是一個高阻硅襯底，但根據(jù)本實施例也可用其它半導體材料作為襯底64。將金屬層66圖形化形成一個信號線68和接地面70(如同共平面波導傳輸線中所見那樣)，并排列在絕緣層62上。
如上述圖1—3所討論的，在不存在外加電壓VFB的情況下，在襯底64的表面72處可能形成積累或反型區(qū)，在這種區(qū)域中增加的電荷密度會降低表面72處襯底64的電阻率并增大信號線68所傳播的信號的傳播損耗。
然而，根據(jù)本發(fā)明，VFB被加在金屬層66和襯底64的表面72之間，以致襯底64在表面72處的電阻率大體上等于襯底64的體電阻率。借助于消除表面處的反型/積累電荷，從而降低了信號線68所傳播的高頻信號的傳播損耗。這種積累/反型電荷是由于襯底64補償了金屬層66和襯底64之間能級的差別而產(chǎn)生的。
外加VFB的幅度相當于選用于無源元件60的特定金屬—絕緣體—襯底組合的平帶電壓。平帶電壓依賴于許多因素，包括金屬—半導體功函數(shù)差別、固定電荷、可動電荷、界面電荷以及絕緣體厚度。固定電荷、可動電荷及界面電荷都位于半導體和金屬之間。固定電荷和界面電荷由半導體和絕緣體的原子界面所引起，而可動電荷由加工過程中絕緣體的沾污所引起。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，平帶電壓是使表面72處襯底64的價帶和導帶都平坦的電壓。借助于測量恰當?shù)南鄳慕饘佟^緣體—半導體電容器的電容—電壓特性，可以確定平帶電壓的幅度。
在本實施例的實踐中，直流電壓源(未繪出)將電壓V′FB加于信號線68和接地面70，接地參考連接于襯底64。襯底64最好在背表面74上進行重摻雜以便與電壓源形成歐姆接觸。本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員知道，由于襯底64(最好是高阻襯底)上的電阻性的電壓降，V′FB須稍大于VFB。
當用無源元件60來傳播頻率高于約500MHz的信號時更為有利，而且對高于約1GHz的頻率甚至更有利。當用硅作為襯底64時，最佳的電阻率為大于約2000Ωcm，而大于約3000Ωcm的電阻率則更好。無源元件60可用于各種微波應用中，包括例如用作電感器、電容器、傳輸線、電阻器或濾波器。
在此處引作參考的Reyes等人的“硅作為微波襯底”(1994年5月23—27日，微波理論和技術(shù)研討會論文集第三卷，PP1759—1762)中，可以找到有關(guān)硅用作微波襯底的其它討論，包括硅襯底上共平面?zhèn)鬏斁€中觀察到的損耗同GaAs襯底上觀察到的損耗的比較結(jié)果。
至此，應認為已提供了一種降低微波集成電路中信號傳播損耗的新穎方法。本發(fā)明借助于在高阻硅半導體襯底上產(chǎn)生耗盡區(qū)并消去半導體表面電荷的方法而降低了高頻信號損耗。本發(fā)明的一個優(yōu)點是在硅襯底上提供了高性能的MMIC。比之GaAs工藝，硅工藝是一種成熟的技術(shù)，因而采用這一工藝使得可以制造低成本的MMIC。作為硅工藝有利的一個例子，硅襯底具有優(yōu)良的用于許多倒裝片凸緣連接技術(shù)的平面性。
權(quán)利要求
1.一種形成在硅襯底(14)上并帶有用來傳播信號的無源元件(10)的微波集成電路，上述無源元件的特征是一個覆蓋上述襯底并帶有一個第一窗口(22)的絕緣層(12)；以及一個覆蓋上述絕緣層的金屬層(16)，其中，上述金屬層至少有一部分通過上述第一窗口與上述襯底相接觸。
2.如權(quán)利要求1的電路，其中所述襯底的電阻率大于約2000Ωcm。
3.如權(quán)利要求1的電路，其中上述金屬層包含一個信號線(18)和一個接地面(20)；上述信號線至少一部分通過上述第一窗口與上述襯底相接觸；以及上述接地面至少一部分通過上述絕緣層中的第二窗口(24)與上述襯底相接觸。
4.一種形成在電阻率大于2000Ωcm的硅襯底(14)上并包括一個用來傳播信號的無源元件(10)的微波集成電路，上述信號的頻率大于500MHz，上述無源元件的特征是一個覆蓋上述襯底并帶有一個窗口(22)的絕緣層((12)；以及一個覆蓋上述絕緣層的金屬層(16)，其中，上述金屬層至少有一部分通過上述窗口與上述襯底相接觸。
5.一種形成在硅襯底(34)上并帶有一個用來傳播信號的無源元件(30)的微波集成電路，上述無源元件的特征是一個形成在上述襯底上的第一金屬層(32)；一個覆蓋上述第一金屬層并帶有一個窗口(40)的絕緣層(36)；以及一個覆蓋上述第一金屬層的第二金屬層(38)，其中上述第二金屬層至少有一部分通過上述窗口與上述襯底相接觸。
6.如權(quán)利要求5的電路，其中上述襯底的電阻率大于2000Ωcm；以及上述信號的頻率高于500MHz。
7.一種形成在電阻率大于約2000Ωcm的硅襯底(51)上的微波集成電路，其中的金屬—絕緣體—金屬電容器(50)的特征是一個排列在上述襯底上的第一金屬層(52)；一個排列在上述第一金屬層上的絕緣層(54)；以及一個排列在上述絕緣層上的第二金屬層(56)。
8.一種降低形成在帶有一個表面(72)的襯底(64)上的微波集成電路中傳播的頻率大于500MHz的信號的傳播損耗的方法，其特征是下列步驟提供一個用來傳播上述信號的無源元件，上述無源元件包含一個排列在上述襯底的上述表面上的絕緣層(62)以及一個排列在上述絕緣層上的金屬層(66)；以及在上述金屬層和上述襯底的上述表面之間加一個電壓，其幅度大致等于相應于上述襯底、上述絕緣層和上述金屬層的平帶電壓。
9.如權(quán)利要求8的方法，其中所述的加電壓步驟包括選擇上述的電壓幅度，使上述襯底在上述表面處的第一電阻率大致等于上述襯底的第二體電阻率。
10.一種降低形成在電阻率大于2000Ωcm并帶有一個表面(72)的硅襯底(64)上的微波集成電路中傳播的頻率高于500MHz的信號的傳播損耗的方法，其特征是下列步驟提供一個用來傳播上述信號的無源元件，上述無源元件包含一個排列在上述襯底上述表面上的絕緣層(62)，以及一個排列在上述絕緣層上的金屬層(66)；以及在上述絕緣層和上述襯底的上述表面之間加一個電壓，其幅度大致等于相應于上述襯底、上述絕緣層和上述金屬層的平帶電壓。
全文摘要
一種微波集成電路無源元件結(jié)構(gòu)和降低信號傳播損耗的方法。無源元件(10)帶有一個覆蓋硅襯底(14)的絕緣層(12)。設(shè)置含有一信號線(18)和一接地面(20)的金屬層(16)覆蓋絕緣層(12)，且金屬層(16)至少有一部分通過絕緣層(12)中至少一個窗口(22、24)與襯底(14)相接觸。硅襯底的電阻率大于2000Ωcm，而無源元件最好傳播頻率高于500MHz的信號。由于金屬層下方的襯底在表面處的電荷密度顯著地降低，故信號損耗被減為最小。
文檔編號H01L21/822GK1126371SQ9510960
公開日1996年7月10日 申請日期1995年7月27日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月29日
發(fā)明者阿道夫C·雷耶斯 申請人:摩托羅拉公司