CN105609486A - 毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构 - Google Patents

毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种关于改善毫米波/太赫兹电路器件性能的接地屏蔽结构。该接地屏蔽结构，包括了一个接地屏蔽金属环和一个接地隔离金属条，接地屏蔽金属环把半导体器件的两个端口包围形成一个环状，接地隔离金属条把半导体器件两个端口隔离。该发明有效地降低半导体器件的损耗，提高其截止频率，适用于毫米波/太赫兹的单片电路设计。

Description

毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构
技术领域
本发明涉及毫米波/太赫兹单片集成技术领域，具体涉及一种毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构。
背景技术
毫米波/太赫兹具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。单片微波集成电路(MMIC-MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit)作为毫米波/太赫兹通信、雷达、电子战等系统的核心元件，它是利用离子注入、溅射、蒸发等工艺流程，在一块半导体衬底上集成有源、无源器件的微波电路。随着三五代半导体材料的发展，硅基技术仍然以它低成本，高集成度的优点成为工程师的首选，。随着硅基技术的成熟发展，SiGe-HBT器件不仅解决了硅基工艺高频性能缺陷的问题，同时还继承了其高集成度的优点，为同一个IC芯片以较低的成本集成多种功能的SOC系统提供了可能性。
对于单片微波集成电路而言，最为重要的就是减少衬底损耗、提高器件的截止频率，从而提高器件的适用工作频率。在进行毫米波单片集成电路设计的时候，考虑到硅基固有的衬底损耗，通常使用最底层金属层作为电路的地层，最高层金属层作为信号传输层，在信号传输层进行电路的连接和匹配。而半导体技术器件的电阻层或者有源层等都埋在第一层金属层下面，使用这些半导体器件的电路设计时，就必须使用通孔把器件与最高层金属层进行连接，从而实现电路的连接和匹配。连接器件和最高层金属的通孔连接会给电路带来一些感性的损耗，尤其对于有源器件晶体管而言，它的输入和输出非常接近，因此由引入通孔带来的输入损耗、输出损耗以及它们之间损耗的交叉耦合会明显地提高器件的总体损耗。在高增益下的低频段应用中，这种损耗并不明显，但是在毫米波和太赫兹频段中，该影响会扩大并严重降低器件的性能。
SoonWeeHo等人利用同轴的概念，研制出一种适用于芯片封装的降低衬底损耗的方法[“DevelopmentofCoaxialShieldViainSiliconCarrierforHighFrequencyApplication”,作者：SoonWeeHo,VempatiSrinivasaRao,OrattiKalandarNavasKhan,SeungUkYoon,VaidyanathanKripesh,2006ElectronicsPackagingTechnologyConferenc,pp825-830]。该方法利用同轴的概念，使用同轴屏蔽通孔替代传统通孔，减少了三维集成电路衬底带来的损耗。
专利US5338897[US5338897Coaxialshieldforasemiconductordevice]提出一种在多层半导体中组成同轴屏蔽线的方法，该方法提高了信号线的质量，改变了阻抗，且没有与任何有源器件连接。专利US6943452[CoaxialwiringwithinSOIsemiconductor,PCBtosystemforhighspeedoperationandsignalquality]为避免干扰对数字线路和数字电路进行屏蔽。专利US6876076[US6876076Multilayersemiconductordevicefortransmittingmicrowavesignalsandassociatedmetho]对有源器件与外部器件进行屏蔽，避免了外部干扰和噪声。
对比与上述几种屏蔽方法，本发明采用接地金属环和接地金属条组成一种新的接地屏蔽结构。降低了硅基器件由于引入通孔连接带来的感性损耗，提高了器件的工作频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是减少硅基半导体器件因通孔连接带来的不良影响，这些器件通常处于最底层金属下面，需要通孔与更高层或最高层金属层进行连接。进行毫米波/太赫兹电路设计的时候都会使用最高层金属层构成微带线或者共面波导线来进行电路的匹配。下层金属连接到顶层金属的微波电路设计见图1。由图可知，最底层金属和顶层金属的连接就是一段长距离通孔连接，这段距离在毫米波/太赫兹电路设计中会带来一个很大的阻抗并对电路带来无法预测的损耗。该损耗随着工作频率的升高以指数方式增长。从器件的角度来看，会是器件端口的隔离度变差并降低器件的性能。受限于硅基固态器件的截止频率，器件的增益对电路设计非常重要，因此，对毫米波/太赫兹电路设计者而言，降低器件的损耗是一项很重要的工作。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：提出一种可以提高阻抗使其匹配到所需的电路阻抗值，尤其是匹配到50欧姆阻抗值，并且可以屏蔽电磁辐射的接地屏蔽结构。进一步的是，所述接地屏蔽结构包括接地金属环和接地隔离金属条。
进一步的是，有源器件晶体管埋在金属层1下面，晶体管的发射极接地，晶体管的集电极和基极都引入通孔与最高层金属层8相连。
进一步的是，所述接地金属环把集电极和基极包围并与外部器件屏蔽，所述接地隔离金属条把集电极与基级隔离开，所述接地金属环与所述接地隔离金属条相连形成一个接地屏蔽结构。
进一步的是，所述接地金属环为从金属层1、金属层2、金属层3、金属层4到金属层5组成的一个环状屏蔽层。所述接地隔离金属条为从金属层1、金属层2、金属层3、金属层4到金属层5组成的一个条状隔离层
进一步的是，金属层1为接地层，即为单片集成电路的信号参考地
本发明的有益效果：通过引入中间的金属层，抑制了器件由于引入通孔在高频段产生的电辐射，隔离端口之间的耦合磁场，使得二端口之间的耦合量大为减少，因通孔在两端口产生的互感消失，提高了端口间的隔离度。在毫米波/太赫兹应用该接地屏蔽结构使器件的发射极或者源级有效接地，增加了器件的可靠性，并减少了损耗，使得器件的截止频率提高了10％。接地屏蔽金属环把输入和输出包围，并用接地隔离金属条把输入和输出分开，增加了输入输出之间的隔离度，衬底屏蔽中使用了底层金属，减少了衬底与电路之间的耦合噪声。
附图说明
图1是微波器件传统连接的三维结构示意图；
图2是本发明提出的带有接地屏蔽结构的微波器件三维结构示意图；
图3是本发明提出的带有接地屏蔽结构的微波器件横截面示意图；
图4是本发明提出的带有接地屏蔽结构的微波器件应用于单级放大器电路的S参数曲线图；
图中标记说明：1,101,102,103,104,105表示金属层1；2,201,202,203,204,205表示从金属层1连接到金属层3的通孔2；3,301,302,303,304,305表示金属层3；4,401,402,403,404,405表示从金属层3连接到金属层5的通孔4；5,501,502,503,504,505表示金属层5；6,601,602,603,604,605表示从金属层5连接到金属层7的通孔6；7,701,702,703,704,705表示金属层7；8,801,802,803,804,805表示从金属层7连接到金属层9的通孔8；9,901,902,903,904,905表示金属层9；10,1001,1002,1003,1004,1005表示从金属层9连接到金属层11的通孔10；11,1101,1102,1103,1104,1105表示从金属层11；12,1201,1202表示金属层11到金属层13的通孔12；13,1302,1302表示金属层13；14,1401,1402表示金属层13到金属层15的通孔14；15,1501,1502表示金属层15；16表示有缘晶体管基级；17表示有源晶体管发射极；18表示有源晶体管集电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，传统二端口微波器件埋在金属层1下面，通过通孔2,4,6,8,10,12,14逐层从金属层1,3,5,7,9,11,13一直连接到最高层金属层15进行电路的连接和匹配；如图2所示。本发明提出的接地屏蔽金属环和接地隔离金属条由金属层1通过通孔2,4,6,810逐层连接金属层3,5,7,9一直到金属层11形成两个衔接的金属环状。如图3所示，有源晶体管发射极与接地屏蔽环、接地隔离金属条相连接形成良好接地。有源晶体管基级16与金属层103、金属层303、金属层503、金属层703、金属层903、金属层1103、金属层1301通过通孔203、通孔403、通孔603、通孔803、通孔1003、通孔1201、通孔1401、连接的到最高层金属1501；有源晶体管集电极18与金属层104、金属层304、金属层504、金属层704、金属层904、金属层1104、金属层1302通过通孔204、通孔404、通孔604、通孔804、通孔1004、通孔1202、通孔1402、连接的到最高层金属1502。
实施例
在该实施例中，如图3所示结构，把带有接地屏蔽的微波器件应用于单级放大器中，从图4可知在工作频率140GHz，工作电压为1.2V，晶体管工作电流为为10uA，器件于280GHz的时候截止频率降到原来的0.584。当器件加了屏蔽接地结构，在280GHz的时候，截止频率仅仅降到原来的0.913。下降率降低了56.3％，显著提高了半导体器件的性能。

Claims (2)

1.接地屏蔽金属环和接地隔离金属条由金属层1通过通孔2,4,6,810逐层连接金属层3,5,7,9一直到金属层11形成两个衔接的金属环状。
2.如权利要求1所言，有源晶体管发射极与接地屏蔽环、接地隔离金属条相连接形成良好接地。有源晶体管基级16与金属层103、金属层303、金属层503、金属层703、金属层903、金属层1103、金属层1301通过通孔203、通孔403、通孔603、通孔803、通孔1003、通孔1201、通孔1401、连接的到最高层金属1501；有源晶体管集电极18与金属层104、金属层304、金属层504、金属层704、金属层904、金属层1104、金属层1302通过通孔204、通孔404、通孔604、通孔804、通孔1004、通孔1202、通孔1402、连接的到最高层金属1502。
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