CN101106208A - 半导体集成电路中的波导以及电磁波屏蔽 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体集成电路中的波导以及电磁波屏蔽，特别涉及一种半导体集成电路中的波导，包括：一水平的第一金属板；一水平的第二金属板，位于该第一金属板之上，且通过一第一绝缘材料与该第一金属板分隔；以及多个第一金属导通孔，互相分隔且排列形成两个互相平行的平面，其中所述第一金属导通孔垂直地形成于该第一绝缘材料中，且接触该第一金属板及该第二金属板；其中该第一金属板、该第二金属板以及由所述第一金属导通孔所形成的两个互相平行的平面形成一第一金属围封物。本发明所提供的半导体集成电路中的波导以及电磁波屏蔽，以高密度的导通孔作为波导的侧壁可产生完全的三维围封物，具有屏蔽电磁波的功能。
Description
技术领域
本发明是有关于一种集成电路(IC)设计，且特别有关于一种集成电路中的波导(waveguide)设计。
背景技术
在半导体元件中，无论于晶片(chip)级或基板(board)级中皆需要传输线以传输信号。主要的传输线结构可分为四类：微带线(microstrip)、带线(stripline)、同轴线(coaxial line)以及波导(waveguide)。
微带线是薄且平坦的导体，其通过绝缘层或空气缝隙与接地面隔开，而带线则类似于微带线，然而带线是设置于两个接地面及各个绝缘层之间。同轴线是导线位于中心，且沿着其外围具有导电层，而内部的导体及外部的导体通过绝缘层隔开。简单的说，由剖面图来看波导是完全由金属围绕的围封物(enclosure)。
由于微带线及带线是二维结构，因此在集成电路中制作微带线及带线都是较简单的制程。波导相较于微带线及带线具有许多优点，因为其完全的被屏蔽，所以邻近信号之间的隔离效果良好。波导可传输极高波峰的能量，且在高微波频率时损耗极小，几乎可忽略。
因此，目前亟需在集成电路中建立波导传输线。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成电路中的波导，其是利用高密度的导通孔阵列模仿金属平面以引导电磁波，其亦具有屏蔽电磁波的功能。
本发明提供一种半导体集成电路中的波导，包括：一水平的第一金属板；一水平的第二金属板，位于该第一金属板之上，且通过一第一绝缘材料与该第一金属板分隔；以及多个第一金属导通孔，互相分隔且排列形成两个互相平行的平面，其中所述第一金属导通孔垂直地形成于该第一绝缘材料中，且接触该第一金属板及该第二金属板；其中该第一金属板、该第二金属板以及由所述第一金属导通孔所形成的两个互相平行的平面形成一第一金属围封物。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，更包括一半导体基底，形成于该第一金属板之下，其中该半导体基底上具有多个半导体元件。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第一金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第一金属板具有一或多个开口。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第二金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第二金属板具有一或多个开口。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中所述第一金属导通孔的间距约小于传输至该第一金属围封物的电磁波的波长的1/10。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中所述第一金属导通孔包括铜、铜合金、铝、铝合金或钨。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，该两个互相平行的平面更包括：一或多个导通孔叠层，其包括多个互相分隔的第二金属导通孔，其中所述第二金属导通孔垂直地形成于该第一绝缘材料中，且与所述第一金属导通孔排成一直线并形成于所述第一金属导通孔之上；以及一或多个金属带，位于所述第一金属导通孔及第二金属导通孔之间，且接触所述第一金属导通孔及第二金属导通孔；其中该两个互相平行的平面是通过于所述第一金属导通孔之上的该导通孔叠层以及该金属带所形成。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，更包括一第一导线，于该第一金属围封物内由该第一绝缘材料所围绕，且平行于该第一金属板及第二金属板，其中该第一导线是作为中心导体，而该第一金属围封物作为同轴线的外部导电层。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，更包括：一水平的第三金属板，位于该第二金属板上，通过一第二绝缘材料与该第二金属板分隔；多个第三金属导通孔，于该两个互相平行的平面中，垂直地形成于该第二绝缘材料中，且接触该第二金属板及第三金属板；其中该第二金属板与第三金属板以及所述第三金属导通孔形成一第二金属围封物。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第三金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，其中该第三金属板具有一或多个开口。
本发明所述的半导体集成电路中的波导，更包括一第二导线，于该第二金属围封物内由该第二绝缘材料所围绕，且平行于该第二金属板及第三金属板，其中该第二导线是作为中心导体，而该第二金属围封物作为同轴线的外部导电层。
本发明另提供一种半导体集成电路中的电磁波屏蔽，包括：一水平的第一金属板；一水平的第二金属板，设置于该第一金属板上；一水平的第三金属板，设置于该第一金属板及第二金属板上，且平行于该第一金属板及第二金属板，并通过一绝缘材料与该第一金属板及第二金属板分隔；多个第一金属导通孔，垂直地形成于该绝缘材料中，且接触该第一金属板及该第二金属板；多个第二金属导通孔，垂直地形成于该绝缘材料中，且接触该第二金属板及该第三金属板；其中由该第一金属板、第二金属板与第三金属板以及所述第一金属导通孔与第二金属导通孔形成一金属空隙。
本发明所述的半导体集成电路中的电磁波屏蔽，其中更包括一半导体基底，位于该第一金属板及第二金属板下，多个半导体元件形成于该第一金属板及第二金属板之间。
本发明所述的半导体集成电路中的电磁波屏蔽，其中所述第一金属导通孔的间距及第二金属导通孔的间距约小于被屏蔽的电磁波的波长的1/10。
本发明所提供的半导体集成电路中的波导以及电磁波屏蔽，以高密度的导通孔作为波导的侧壁可产生完全的三维围封物，具有屏蔽电磁波的功能。
附图说明
图1是绘示已知的微带线的剖面图；
图2是绘示已知的带线的剖面图；
图3是绘示本发明实施例的于集成电路中的波导的透视图；
图4A至图4C是绘示本发明另一实施例的波导的剖面图；
图5是绘示本发明实施例的电磁波屏蔽的剖面图。
具体实施方式
请参阅图1，其是绘示已知的微带线100的剖面图。在集成电路中，于基底(图中未绘示)上沉积接地板110，接地板110是例如为金属层的导电层，之后于接地板110上沉积绝缘材料120，接着于绝缘材料120的顶部沉积金属带130，另一层的绝缘材料120沉积于金属带130及原有的绝缘材料120上，借此，金属带130完全的被绝缘材料120所包围，且平行于位于其下的接地板110。
请参阅图2，其是绘示已知的带线200的剖面图。在集成电路中，图1中微带线100与图2中带线200的差异在于在完成的图1的微带线100结构上更沉积另一如金属的接地板210，借此，金属带130位于两个平行的接地板110、210之间，如图2所示。值得注意的是，微带线100及带线200皆不是包围的结构。
请参阅图3，其是绘示本发明实施例的于集成电路中的波导400的透视图。排成两列的导通孔(via)410形成波导400的侧壁，导通孔410例如为金属，其位于底部金属板420及顶部金属板430之间。若在同一列中邻近的导通孔410的间距甚小于一波长，则就电磁波的观点，该列的导通孔可被视为金属板。当导通孔410的间距小于电磁波的波长的1/10时，所述导通孔即可视为电磁波的金属板，举例而言，毫米波的波长约为1mm，导通孔410的间距需小于100μm；具有波长约为850nm的垂直激光二极管，导通孔410的间距需小于85nm；具有波长约为1.3μm的垂直激光二极管，导通孔410的间距需小于130nm。底部金属板420及顶部金属板430可包括铜、铜合金、铝或铝合金，导通孔410可包括铜、铜合金、铝、铝合金或钨。
垂直共振腔面射型激光(vertical cavity surface emittinglaser，VCSEL)是一种半导体激光二极管(diode)，其激光光的发射方向垂直于晶片顶部的表面，有别于自晶片与晶圆的劈裂面发射激光光束的传统边射型(edge-emitting)半导体激光。一般而言，VCSEL的波长约介于650nm至1300nm，而其通常形成于砷化镓(GaAs)晶圆。
请再次参阅图3，在相同一列中的邻近的导通孔410的间距可取决于设计规范(design rule)，举例而言，在0.18微米制程中，导通孔间距的设计规范约为0.4微米。若是导通孔之间的间距过小，则可能发生金属填入导通孔不完全的情况，然而由于导通孔410是为波导400的用途，而不是作为底部金属板420及顶部金属板430之间的固体连接，因此可忽略导通孔的最小间距的设计规范，例如导通孔410的间距可为零。在导通孔间距为零的情况下，波导的侧壁为连续的金属侧壁，如此以形成完整的围封物。
在图3中，若有金属线沉积于底部金属板420及预部金属板430之间，且该金属线平行于两列的导通孔410，则此波导结构变为一同轴线。
图4A至图4C其是绘示本发明另一实施例的波导的剖面图，此波导是在集成电路中。首先请参阅图4A，在集成电路中具有两个堆叠的波导500及505，在集成电路的制程中至少形成三个金属层510、520及530，在金属层510及520之间形成第一导通孔阵列540，而在金属层520及530之间形成第二导通孔阵列550。波导500及505的制程原则大致上类似于图3中的单一波导400的形成方法，然而需制作额外的导通孔及金属。
请参阅图4B，图4A中的堆叠波导500及505设置于另外的金属层560及565之间，其中金属层560位于波导500及505之下，而金属层565位于波导500及505之上。图4B的结构说明波导不需形成于顶部金属层及底部金属层之间，任何两个金属层即可形成波导，如图4C所示。
在图4C中，波导570是由两个堆叠的导通孔阵列540及550所形成，并且通过中间金属层520协助导通孔阵列540及550两者之间的相互连接，由于中间金属层520在波导570中是空的，因此波导570的侧壁即为两个堆叠的导通孔阵列540及550所形成。
在图3至图4C中，顶部及底部金属层不限定于连续的金属板，在某些半导体制程中，较大的金属板可具有一或多个开口以释放应力，而在此的顶部及底部金属层可具有直径小于导通孔间距的开口。
在图1至图4C中，用以形成上述的微带线、带线及波导的基底可包括硅、玻璃或如砷化镓三-五族化合物，或者亦可包括硅覆盖绝缘层(SOI)或玻璃覆盖绝缘层(GOI)。底部金属层不限定于直接沉积于基底上，其亦可沉积于基底上的绝缘层，并且在基底与绝缘层之间可存在其他的绝缘层或金属层。再者，基底上可形成各种半导体元件，例如金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、电阻、电感器以及电容。金属层510、520及530可包括铜、铜合金、铝或铝合金，导通孔阵列540及550可包括铜、铜合金、铝、铝合金或钨。
当半导体制程通常涉及较机械制程更有形态灵活性(geographic flexibility)的光刻及化学制程，本发明亦可应用于L形波导、定向耦合器及其他微波元件。
本发明的利用高密度的导通孔阵列模仿金属平面以引导电磁波的概念，亦具有屏蔽电磁波的功能。在许多集成电路中，某些部分的电路系统，如低噪声放大器，对于其他电路或传输线产生的电磁干扰相当敏感，因此这些电路系统通常需要屏蔽。已知的屏蔽电路的方法通常为设置金属带于该敏感电路的周围，以及设置金属板于电路区域之上。然而，以高密度的导通孔作为波导的侧壁可借此产生完全的三维围封物。
请参阅图5，其是绘示本发明实施例的电磁波屏蔽600的剖面图。电磁波屏蔽600具有金属板610于其上，两个导通孔阵列630于其两侧，并由两个金属带620所围绕。于半导体基底650中的N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管640为敏感电路系统，其可通过位于其上的金属板610及侧边的导通孔阵列630完全的屏蔽。
以上所揭露多个不同的实施例以实施各种实施例的不同特征，上述说明特定实施例中的元件及制程以简化说明，其仅用以作为示例而非用以限定本发明。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
100：微带线
110：接地板
120：绝缘材料
130：金属带
200：带线
210：接地板
400：波导
410：金属导通孔
420：底部金属板
430：顶部金属板
500、505、570：波导
510、520、530：金属层
540、550、630：导通孔阵列
560、565：金属层
600：电磁波屏蔽
610：金属板
640：N型金属氧化物半导体(NMOS)晶体管
650：半导体基底
Claims (17)
1.一种半导体集成电路中的波导，其特征在于，包括：
一水平的第一金属板；
一水平的第二金属板，位于该第一金属板之上，且通过一第一绝缘材料与该第一金属板分隔；以及
多个第一金属导通孔，互相分隔且排列形成两个互相平行的平面，其中所述第一金属导通孔垂直地形成于该第一绝缘材料中，且接触该第一金属板及该第二金属板；
其中该第一金属板、该第二金属板以及由所述第一金属导通孔所形成的两个互相平行的平面构成一第一金属围封物。
2.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，更包括一半导体基底，形成于该第一金属板之下，其中该半导体基底上具有多个半导体元件。
3.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第一金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
4.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第一金属板具有一或多个开口。
5.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第二金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
6.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第二金属板具有一或多个开口。
7.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，所述第一金属导通孔的间距小于传输至该第一金属围封物的电磁波的波长的1/10。
8.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，所述第一金属导通孔包括铜、铜合金、铝、铝合金或钨。
9.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该两个互相平行的平面更包括：
一或多个导通孔叠层，其包括多个互相分隔的第二金属导通孔，其中所述第二金属导通孔垂直地形成于该第一绝缘材料中，且与所述第一金属导通孔排成一直线并形成于所述第一金属导通孔之上；以及
一或多个金属带，位于所述第一金属导通孔及第二金属导通孔之间，且接触所述第一金属导通孔及第二金属导通孔；
其中该两个互相平行的平面是通过于所述第一金属导通孔之上的该导通孔叠层以及该金属带所形成。
10.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，更包括一第一导线，于该第一金属围封物内由该第一绝缘材料所围绕，且平行于该第一金属板及第二金属板，其中该第一导线是作为中心导体，而该第一金属围封物作为同轴线的外部导电层。
11.根据权利要求1所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，更包括：
一水平的第三金属板，位于该第二金属板上，通过一第二绝缘材料与该第二金属板分隔；
多个第三金属导通孔，于该两个互相平行的平面中，垂直地形成于该第二绝缘材料中，且接触该第二金属板及第三金属板；
其中该第二金属板与第三金属板以及所述第三金属导通孔形成一第二金属围封物。
12.根据权利要求11所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第三金属板包括铜、铜合金、铝或铝合金。
13.根据权利要求11所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，该第三金属板具有一或多个开口。
14.根据权利要求11所述的半导体集成电路中的波导，其特征在于，更包括一第二导线，于该第二金属围封物内由该第二绝缘材料所围绕，且平行于该第二金属板及第三金属板，其中该第二导线是作为中心导体，而该第二金属围封物作为同轴线的外部导电层。
15.一种半导体集成电路中的电磁波屏蔽，其特征在于，包括：
一水平的第一金属板；
一水平的第二金属板，设置于该第一金属板上；
一水平的第三金属板，设置于该第一金属板及第二金属板上，且平行于该第一金属板及第二金属板，并通过一绝缘材料与该第一金属板及第二金属板分隔；
多个第一金属导通孔，垂直地形成于该绝缘材料中，且接触该第一金属板及该第二金属板；
多个第二金属导通孔，垂直地形成于该绝缘材料中，且接触该第二金属板及该第三金属板；
其中由该第一金属板、第二金属板与第三金属板以及所述第一金属导通孔与第二金属导通孔形成一金属空隙。
16.根据权利要求15所述的半导体集成电路中的电磁波屏蔽，其特征在于，更包括一半导体基底，位于该第一金属板及第二金属板下，多个半导体元件形成于该第一金属板及第二金属板之间。
17.根据权利要求15所述的半导体集成电路中的电磁波屏蔽，其特征在于，所述第一金属导通孔的间距及第二金属导通孔的间距小于被屏蔽的电磁波的波长的1/10。
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