CN1184696C - 具有天线的半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有天线的半导体元件，该元件包括一半导体基底，该基底具有至少一晶体管；多个顶部金属层，设置于该半导体基底上方，以当作电磁波屏蔽层，其中所述多个顶部金属层彼此之间并无电性连接；一钝化层，设置于所述多个顶部金属层的表面；一第一绝缘层，设置于该钝化层上方；以及一金属线，设置于该第一绝缘层表面，用以当作讯号传收的天线。另外，上述顶部金属层与钝化层的位置可以互换。本发明能够在单一芯片中形成该元件，达到集成电路缩小化的目标，并且可提高天线效率。
Description
技术领域
本发明涉及应用于高频的(high frequency，HF)集成电路半导体装置，具体是关于一种半导体装置的具有天线的半导体元件。
背景技术
以下利用图1所示的芯片构造剖面图说明习知技术之一。
如图1所示，符号10代表例如单晶硅构成的半导体基底，半导体基底10表面形成有以栅极18、源极12、漏极14与栅极氧化层16构成的金属氧化物半导体晶体管(metal oxide semiconductor transistor；MOS transistor)。上述金属氧化物半导体晶体管的上方形成有介电层20。
图1的符号GSG代表共面波导金属线，分别为接地，讯号，接地，用以传输高频讯号，其电场分布E如图所示。半导体基底10的厚度约500μm左右，且在半导体基底10的背面形成一接地用的导体层26。
然而，半导体基底10由掺有p型离子的单晶硅材料构成，由于半导体基底10导电特性，使得高频讯号在传输过程中发生讯号损失或递减。
另外，在美国专利第6239752号中，揭示将天线与半导体芯片分开，之间以金属线相连结。该专利所揭示的天线构造并不是整合在单一芯片中，所以较占面积。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有天线的半导体元件，能够整合晶体管与天线于单一芯片中。
根据上述目的，本发明提供一种具有天线(antenna)的半导体元件，包括：一半导体基底，该基底具有至少一金属氧化物半导体晶体管；多个顶部金属层(topmetal)，设置于上述半导体基底上方，以当作电磁波屏蔽层，其中所述多个顶部金属层彼此之间并无电性连接；一钝化层(passivation)，设置于所述多个顶部金属层的表面，用以保护该半导体基底与所述多个顶部金属层；一第一绝缘层(insulator)，设置于该钝化层上方；以及一金属线，设置于该第一绝缘层表面，用以当作讯号传收的天线。
其中所述多个顶部金属层与该半导体基底之间更包括互相绝缘的多层金属线。而其中在该天线上方更包括有一第二绝缘层，用以保护该天线。而其中在该基底下方更包括有一导体层，用以当作该半导体元件的地线。
本发明又提供另一种具有天线的半导体元件，包括：一半导体基底，该基底具有至少一金属氧化物半导体晶体管；一钝化层，设置于该基底上方，用以保护该半导体基底；多个金属层，设置于该钝化层上方，以当作电磁波屏蔽层，其中所述多个金属层彼此之间并无电性连接；一第一绝缘层，设置于所述多个金属层上方；以及一金属线，设置于该第一绝缘层表面，用以当作讯号传收的天线。
其中该钝化层与该半导体基底之间更包括互相绝缘的多层金属线。而其中在该天线上方更包括有一第二绝缘层，用以保护该天线。而其中在该基底下方更包括有一导体层，用以当作该半导体元件的地线。
本发明能够在单一芯片(single chip)中形成该元件，达到集成电路缩小化的目标，并且可提高天线效率(antenna efficiency)。
附图说明
图1为习知技术的构造剖面图；
图2为根据本发明第一实施例的具有天线的半导体元件构造剖面图；
图3为根据本发明第一实施例的具有天线的半导体元件构造上视图(只绘出天线与电磁波屏蔽层)；
图4为根据本发明第二实施例的具有天线的半导体元件构造剖面图；
图5为根据本发明第二实施例的具有天线的半导体元件构造上视图(只绘出天线与电磁波屏蔽层)。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、特征和优点更加明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，作进一步详细说明。
第一实施例
以下利用图2及图3所示的具有天线的半导体元件构造剖面图及上视图(只绘出天线与电磁波屏蔽层)说明根据本发明的第一实施例。
如图2所示，符号100代表例如单晶硅构成的半导体基底，该基底100下方表面可更包括有一导体层110，用以当作地线，半导体基底100表面形成有以栅极180、源极120、漏极140与栅极氧化层160构成的金属氧化物半导体晶体管(MOS)。
形成上述金属氧化物半导体晶体管之后，形成一介电层101，接着在介电层101表面可形成彼此绝缘设置的多个金属导线M，以连系各个电路。上述多个金属导线M之间具有介电层103、105、107、109，使金属导线M绝缘地分布于不同层级。
接着，形成多个顶部金属层(top metal)111的同时，于欲形成天线区域118的相对位置，定义一电磁波屏蔽层(shielding layer)。这里要特别强调的是，请参见图3所示的上视图，所述多个顶部金属层111彼此之间并无电性连接，其用意是当将来形成天线的金属线S上有电流时，若顶部金属层是一整片的话，就会在一整片的顶部金属层上产生与天线电流反方向的镜像电流(imagecurrent)，而抵销天线的电场，导致天线的讯号发不出去，因此本发明的彼此互不电性接触的片状层(sheet layer)的所述多个顶部金属层111，亦即所述多个顶部金属层111之间具有绝缘性质的缝隙(slot)320，能够使镜像电流中断而解决上述的习知问题。另外所述多个顶部金属层111的材料例如是铜、金、银、铝等，厚度约大于等于6μm。
接着，请参见图2，由所述多个顶部金属层构成的电磁波屏蔽层111表面形成有一利用低介电常数(low dielectric constant)材料构成的钝化层115，材料例如是氮化硅(Si3N4)或二氧化硅。
接着，请参见图2，采用低介电常数的聚酰亚胺(polyimide)材料以当作钝化层上方的绝缘层117。其中该绝缘层117的厚度约大于等于20μm，具有足够厚度(＞＝20μm)的绝缘层117用以使电磁波远离上述半导体基底100，并且采用使电磁波在传递时不会有任何能量的损失的绝缘材料。
请参见图2、图3，符号S表示用来发送或接收讯号的天线，该天线S的材质例如是铜、银、铝等金属，厚度约2-20μm，其设置于所述多个顶部金属层111相对位置的绝缘层117表面。这里要特别强调的是，该金属线S为一非直线的金属线，例如像图3所示的上视图的天线S的形状，该天线S连接到一主动元件310，例如是功率放大器用的MOS。
另外请参见图2，在该天线S上方，可更形成有一例如是聚酰亚胺的绝缘层117’，用以保护该天线S。
本实施例的优点是由于以顶部金属层(top metal)当作电磁波屏蔽层111，然后再形成厚度至少是20μm的聚酰亚胺层117，使得电磁波能量被限制于上述顶部金属层之上的聚酰亚胺材料间，因此能够降低传输高频讯号时的损失或递减，并避免与CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)之间的干扰(cross talk)。另外，由于本发明的顶部金属层构成的电磁波屏蔽层111具有彼此相互绝缘的不连续的片状板的特征，所以能够降低镜像电流的产生，提升天线效率。另外，本发明的不连续的片状板顶部金属层111可减少应力，可避免不同材料之件龟裂的问题。另外，本发明的不连续的片状板顶部金属层111在曝光制程中的曝光均匀度会比一大片金属层好，较不会产生金属层与周围电路产生短路的困扰。以及本发明的不连续的片状板顶部金属层111，在CMP(chemicalmechanical polishing)研磨制成中，较不会产生凹陷的(Dishing)现象。
第二实施例
以下利用图4及图5所示的具有天线的半导体元件构造剖面图及上视图(只绘出天线与电磁波屏蔽层)说明根据本发明的第二实施例，而本实施例内与前实施例所用的各层若性质相同，将尽量以相同图标符号表示。
如图4所示，符号100代表例如单晶硅构成的半导体基底，该基底100下方表面可更包括有一层导体层110，用以当作地线，半导体基底100表面形成有以栅极180、源极120、漏极140与栅极氧化层160构成的金属氧化物半导体晶体管(MOS)。
形成上述金属氧化物半导体晶体管之后，形成一介电层101，接着在介电层101表面可形成彼此绝缘设置的多个金属导线M，以连系各个电路。上述多个金属导线M之间具有介电层103、105、107、109，使金属导线M绝缘地分布于不同层级。
接着，请参见图4，形成一例如由低介电常数氮化硅(Si3N4)或二氧化硅所构成的钝化层415于该介电层109上，然后在该钝化层415上形成例如是金(Au)的多个金属层(metal on passivation)411的同时，于欲形成天线区域418的相对位置，定义一电磁波屏蔽层(shielding layer)。这里要特别强调的是，请参见图5所示的上视图，所述多个金属层411彼此之间并无电性连接，其用意是当将来形成天线的金属线S上有电流时，若金属层是一整片的话，就会在一整片的金属层上产生与天线电流反方向的镜像电流(image current)，而抵销天线的电场，导致天线的讯号发不出去，因此本发明的彼此互不电性接触的片状层(sheetlayer)的所述多个金属层411，亦即所述多个金属层411之间具有绝缘性质的缝隙(slot)520，能够使镜像电流中断而解决上述的习知问题。另外所述多个金属层411的材料例如是铜、金、银、铝等，厚度通常约大于等于6μm。
接着，请参见图4，采用低介电常数的聚酰亚胺(polyimide)材料以当作所述多个金属层411上方的绝缘层417。其中该绝缘层417的厚度约大于等于20μm，具有足够厚度(＞＝20μm)的绝缘层417用以使电磁波远离上述半导体基底100，并且采用使电磁波在传递时不会有任何能量的损失的绝缘材料。
请参见图4、图5，符号S表示用来发送或接收讯号的天线，该天线S的材质例如是铜、银、铝等金属，厚度约2-20μm，其设置于所述多个金属层411相对位置的绝缘层417表面。这里要特别强调的是，该金属线S为一非直线的金属线，例如像图5所示的上视图的天线S的形状，该天线S连接到一主动元件510，例如是功率放大器用的MOS。另外请参见图4，在该天线S上方，可更形成有一例如是聚酰亚胺的绝缘层417’，用以保护该天线S。
本实施例的优点是由于以所述多个金属层(metal on passivation)当作电磁波屏蔽层411，然后再形成厚度至少是20μm的聚酰亚胺层417，使得电磁波能量被限制于上述金属层411之上的聚酰亚胺材料间，因此能够降低传输高频讯号时的损失或递减，并避免与CMOS之间的干扰(cross talk)。另外，由于本发明的所述多个金属层构成的电磁波屏蔽层411具有彼此相互绝缘的不连续的片状板的特征，所以能够降低镜像电流的产生，提升天线效率。另外，本发明的不连续的片状板金属层411可减少应力，可避免不同材料之件龟裂的问题。另外，本发明的不连续的片状板金属层411在曝光制程中的曝光均匀度会比一大片金属层好，较不会产生金属层与周围电路产生短路的困扰。以及本发明的不连续的片状板金属层411，在CMP研磨制成中，较不会产生凹陷的(Dishing)现象。
虽然本发明已以较佳实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的范围为准。
Claims (20)
1.一种具有天线的半导体元件，其特征在于：该半导体元件包括：
一半导体基底，该基底具有至少一晶体管；
多个顶部金属层位于同一平面内，设置于上述半导体基底上方，以当作电磁波屏蔽层，其中所述多个顶部金属层彼此之间并无电性连接；
一钝化层，设置于所述多个顶部金属层的表面，用以保护该半导体基底与所述多个顶部金属层；
一第一绝缘层，设置于该钝化层上方；以及
一金属线，设置于该第一绝缘层表面，用以当作讯号传收的天线。
2.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中所述多个顶部金属层与该半导体基底之间更包括互相绝缘的多层金属线。
3.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中在该天线上方更包括有一第二绝缘层，用以保护该天线。
4.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中在该基底下方更包括有一导体层，用以当作该半导体元件的地线。
5.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该钝化层由氮化硅或二氧化硅材料所构成。
6.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第一绝缘层由聚酰亚胺材料所构成。
7.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该天线由铜、银或铝材料所构成。
8.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第一绝缘层的厚度大于等于20μm。
9.如权利要求1所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该天线的外观形状为弯曲线形状。
10.如权利要求3所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第二绝缘层由聚酰亚胺材料所构成。
11.一种具有天线的半导体元件，其特征在于：该半导体元件包括：
一半导体基底，该基底具有至少一晶体管；
一钝化层，设置于该基底上方，用以保护该半导体基底；
多个金属层位于同一平面内，设置于该钝化层上方，以当作电磁波屏蔽层，其中所述多个金属层彼此之间并无电性连接；
一第一绝缘层，设置于所述多个金属层上方；以及
一金属线，设置于该第一绝缘层表面，用以当作讯号传收的天线。
12.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该钝化层与该半导体基底之间更包括互相绝缘的多层金属线。
13.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中在该天线上方更包括有一第二绝缘层，用以保护该天线。
14.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中在该基底下方更包括有一导体层，用以当作该半导体元件的地线。
15.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该钝化层由氮化硅或二氧化硅材料所构成。
16.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第一绝缘层由聚酰亚胺材料所构成。
17.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该天线由铜、银或铝材料所构成。
18.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第一绝缘层的厚度大于等于20μm。
19.如权利要求11所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该天线的外观形状为弯曲线形状。
20.如权利要求13所述的具有天线的半导体元件，其特征在于：其中该第二绝缘层由聚酰亚胺材料所构成。
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