CN1777992A - 半导体器件 - Google Patents

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岩田穆
角南英夫
汉斯·J.·马塔什
横山新
芝原健太郎
中岛安理
小出哲士
哈鲁恩－尤尔·R.·A·B·M.
渡边慎治
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Abstract

提供一种半导体器件：为了消除布线延迟，取代长距离的金属布线及通路孔连接，能够由形成在半导体芯片上的发射偶极天线发射电磁波，并由设置在其他半导体芯片电路块内部的接收天线接收。半导体器件中，将形成在半导体衬底(1)上的发射天线(3)所发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底(1)或者其他多个半导体衬底上的接收天线(4)，从而实现无线互连，分别在所述多个半导体衬底上形成宽带收发天线，所述1个或1个以上半导体衬底发射信号，并由所述半导体衬底(1)或其他多个半导体衬底的接收天线接收，该收发射号具有超宽带通信功能。

Description

半导体器件
技术领域
本发明涉及半导体器件，特别是涉及集成化天线的结构，该集成化天线用于实现能够在多个半导体衬底间进行超高速信号传输的reconfigurable无线互连(利用超宽带通信的无线互连)。
背景技术
以往的金属布线，是将形成在半导体衬底上的铝薄膜进行微细加工，与晶体管直接连接。
而且，涉及本发明的无线互连方式的相关文献分别刊登在下述非专利文献1-3中。
[非专利文献1]
IEEE美国电子电气学会IITC国际布线技术会议2002年6月预备稿集，A.B.M.H.Rashid，S.Watanabe，T.Kikkawa，X.Guo，and K.O，“Interference suppression of wireless interconnection in Si integratedantenna，”Proc.International Interconnect Technology Conference(IEEE，San Francisco，USA，June 3-5)，pp.173-175.
[非专利文献2]
固体元件材料会议2002年9月预备稿集，A.B.M.H.Rashid，S.Watanabe and T.Kikkawa，“Wireless Interconnection on Si usingIntegrated Antenna，”Proceedings of 2002 International Conference onSolid State Devices and Materials(Nagoya，Japan，September，2002)，pp.648-649.
[非专利文献3]
先行镀金属(法)会议2002年10月预备稿集，S.Watanabe，A.B.M.H.Rashid and T.Kikkawa，“Influence of Si Substrate Ground onAntenna Transmission Gain for on-chip Wireless Interconnects，”Proc.Advanced Metallization for ULSI Application，(2002)pp.94-95.
发明内容
但是，以往的利用金属布线的连接方式，在高集成化的同时布线长度变长时，布线的寄生电容和电阻值会上升，并且由于他们的积——时间常数增大，通过布线的信号也会延迟。
而且，随着系统规模变大和器件尺寸缩小，必须实现3维的集成化。但是，为了实现3维集成化，金属布线连接必须实现通过硅衬底的孔对准和深通路孔连接，难以制造且不实用。
本发明鉴于所述情况，目的在于提供下述半导体器件：为了消除布线延迟，取代长距离的金属布线及通路孔连接，能够由形成在半导体芯片上的发射偶极天线发射电磁波，并由设置在其他半导体芯片电路块内部的接收天线接收。
[1]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，分别在所述多个半导体衬底上形成宽带收发天线，从所述1个或1个以上半导体衬底发射信号，并由所述半导体衬底或其他多个半导体衬底的接收天线接收，该收发射号具有超宽带通信功能。
[2]半导体器件的特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的第1层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第2绝缘膜中，所述第2绝缘膜的介电常数与相邻的第1层间绝缘膜不同，满足电磁波在所述第1和第2绝缘膜的界面上全反射的条件，与所述天线在同一平面的发射方向的逆方向上设置了反射器。
[3]半导体器件的特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的第1层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第2绝缘膜中，所述第2绝缘膜的介电常数与相邻的第1层间绝缘膜不同，电磁波在所述第1及第2绝缘膜的界面上不发生全反射时，从所述天线到所述内部金属布线之间的距离与所述第2绝缘膜厚度的关系为下式所决定的值，与所述天线在同一平面的发射方向的逆方向上设置了反射器。
全反射角度＝sin-1√(第1绝缘膜的介电常数/第2绝缘膜的介电常数)......(1)
全反射角度＝tan-1√(从天线到布线之间的距离/第2绝缘膜的厚度)......(2)
[4]半导体器件的特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的多层层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，所述发射天线通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第1绝缘膜中，所述第1绝缘膜在厚度方向上贯穿了多个细孔，形成天线传输电磁波频率中的光带间隙(photonic band gap)。
[5]半导体器件的特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的多层层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，所述发射天线通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第1绝缘膜中，所述第1绝缘膜在厚度方向上形成了多个细孔，所述细孔中埋入有介电常数不同的第2绝缘膜，形成天线传输电磁波频率中的光带间隙。
[6]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，在形成在半导体衬底表面上的多层布线金属层的一部分上形成收发天线，所述天线与接地金属衬底及内部金属布线的距离大于半导体中电磁波的波长所规定的远方界距离，其中，距离＝Si衬底中的波长/2π。
[7]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，在所述半导体衬底和接地金属衬底间插入低介电常数绝缘膜，使所述天线与接地金属衬底及内部金属布线的距离大于半导体中电磁波的波长所规定的远方界(farfield distance)距离，其中，距离＝Si衬底中的波长/2π。
[8]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，与所述发射天线的发射方向垂直设置的多个金属布线层通过通路连接孔连接，其全长分割为小于半导体中电磁波波长的8分之1，电源、接地布线以及共同布线与天线的发射方向平行地设置。
[9]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，排列多个所述半导体衬底并层叠集成化，在所述半导体衬底背面以及离所述半导体衬底最远的外侧半导体衬底背面形成全面金属接地层，并向外设置，在其他半导体衬底上不形成背面接地金属层，在衬底表面上进行接地接触。
[10]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述半导体衬底背面的接地金属层被分割为长方形，其宽度小于半导体中电磁波波长的4分之1，其间隔大于半导体中电磁波波长的4分之1。
[11]半导体器件的特征在于：电磁波传输信号由设置于半导体衬底上的发射天线发射到设置于所述半导体衬底上的接收天线或设置于多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，透镜状的绝缘膜设置在所述发射天线之上，所述透镜状的绝缘膜由形成第1或第2层间绝缘膜的材料制成并具有抛物面，第1和第2层间绝缘膜具有不同的介电常数，金属层设置于所述透镜状的绝缘膜上。
[12]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，从所述发射天线发射同步时钟信号，由形成在所述半导体衬底上的各接收天线接收时，将从所述发射天线到所述各接收天线之间的直线距离除以电磁波传播速度而得到的时间作为时钟接收电路的延迟时间来进行定时调整。
[13]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述多个半导体衬底被等间隔地层叠集成化，形成在所述各半导体衬底上的收发天线与形成在所述半导体衬底上的发射天线设置在同一边上，成为所述发射天线所发射的同步时钟信号的中继器，所述收发天线之间的直线距离除以电磁波传播速度而得到的最大时间小于其时钟周期的1/4。
[14]半导体器件的特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述多个半导体衬底被等间隔地层叠集成化，形成在所述各半导体衬底上的收发天线是传输增益为-10dB、频带为中心频率的25％以上的宽带天线。
根据本发明，作为系统，在多个硅衬底上形成偶极天线及超宽带收发电路，穿过硅衬底进行通信。而且，在硅衬底中传播的对应电磁波的频率为20GHz。
附图说明
图1为表示本发明第1实施例的半导体器件的模式图。
图2为表示本发明第1实施例的半导体器件的集成化天线的构造以及半导体器件的剖面图。
图3表示涉及本发明的超宽带(UWB)通信的发射电路例子。
图4表示涉及本发明的超宽带通信的接收电路例子。
图5为表示本发明第2实施例的半导体器件的剖面图。
图6为表示本发明实施例的半导体器件的制造工序剖面图之一。
图7为表示本发明实施例的半导体器件的制造工序剖面图之二。
图8表示改变本发明第3实施例的Si衬底厚度时的天线传输增益特性，以及半导体器件的剖面模式图。
图9表示天线附近有金属布线时，介电常数不同的层间绝缘膜界面上的反射率与天线增益的关系。
图10表示本发明第4实施例的天线附近有金属布线时，金属布线长与天线增益的关系。
图11表示将本发明实施例的金属纵横交替设置的布线图案。
图12表示布线图案的天线增益的频率依存性，该布线图案是将表示本发明实施例的金属布线长分割为电磁波波长的1/8且纵横交替设置的布线图案。
图13为表示本发明第5实施例的半导体衬底间传输天线结构图。
图14为表示本发明第6实施例的半导体器件的平面图。
图15为表示本发明第7实施例的半导体器件间传输状态的模式图。
图16为与图15中的频率相对的天线增益特性图。
具体实施方式
下面详细说明本发明的实施方式。
首先说明本发明的第1实施例(与权利要求1对应)。
图1为表示本发明第1实施例的半导体器件的模式图。图1(a)为平面图，图1(b)为剖面图。图2为该半导体器件的集成化天线的结构及半导体器件的剖面图，图2(a)为该半导体器件的集成化天线的结构，图2(b)为该半导体器件的剖面图。
如图1所示，在1000℃下，在氢气和氧气的混合气体流动的电炉内，进行约120分钟的热处理，在电阻率为10Ω·cm(平均值)的P型(100)Si衬底1上形成厚度为0.5μm的氧化硅膜(SiO2膜)2。然后，由直流磁控管溅射，向铝靶进行氩离子冲击，在相对的晶片(未图示)上堆积厚度为1μm的铝膜。
接着，通过半导体蚀刻技术，即，将光刻胶作为掩膜，通过使用了氯系气体的等离子蚀刻技术，在二氧化硅膜2上形成宽度为10μm的偶极铝天线图案3、4。另外，在Si衬底1的下部形成接地金属层5，并如图1(a)所示集成化。
另外，在图2中，Si衬底1′的电阻率为8-12Ω·cm，厚度为260μm，SiO2膜2′的厚度为0.5μm，在Si衬底1′下部形成厚度为2.6mm的低介电常数材料层(low-k)6，在最下部形成接地金属层7。在SiO2膜2′上设置了偶极铝天线图案3′、4′。
图3表示涉及本发明的超宽带(UWB)通信的发射电路例子。图4表示涉及本发明的超宽带通信的接收电路例子。在此，参考刊登在日经电子工程学2002年8月26日号p.137上的报道进行以下说明。
如图3所示，发射电路10具有：规则地生成脉冲波形12的帧节拍电路11，接收此脉冲波形12和从扩散符号生成电路13发射的信号后输出扩散符号信号15的时间跳跃电路14，接收该扩散符号信号15和输入数据信号16后输出延迟信号17A的、利用输入序列的延迟电路17，接收该延迟信号17A后输出发射波形19的发射波形生成电路18。
另外，如图4所示，接收电路20具有：规则地生成脉冲波形22的帧节拍电路21，接收该脉冲波形22后生成扩散符号信号24的时间跳跃电路23，接收该扩散符号信号24后输出发射波形26的发射波形生成电路25，接收该发射波形26和接收波形27的脉冲相关器28，接收该脉冲相关器28发射的输出信号的脉冲序列求和电路29，接收该脉冲序列求和电路29发射的输出信号并输出输出信号31的判别电路30。
UWB是指所利用的频带占中心频率的25％以上的情况。信息传输不使用载波，而是使用称为高斯脉冲的短脉冲，该高斯脉冲的脉宽在1ns以下，如几十psec到几百psec，脉冲间隔为几nsec。因此，是几GHz的超宽带脉冲波。以短周期生成此脉宽非常短的信号，直接以基带信号的状态由天线发射出。
香农界限是能够无误差收发射的数据传输速度的界限。该香农界限如下所述。
C＝Blog(1+P/N)
这里，C：最大信道容量(位/秒)，B：带宽(Hz)，P：信号平均功率(W)，N：噪声平均功率(W)。即，最大信道容量与带宽成比例。
另外，如图3所示，由于发射电路10不需要以往的载波，所以不需要VCO(压控振荡器)、频率合成器、混频器、中频滤波器。必需的电路是规则地生成脉冲波形12的帧节拍电路11，取入扩散符号引起的延迟，将脉冲序列随机地扩散到时间轴上，形成时间跳跃图案。
而且，图4所示的接收电路20与样板波形相关，识别脉冲信号。
本发明使用以上技术，在硅衬底上将超宽带发射电路和宽带发射天线集成化。其特征在于，由该硅衬底发射电磁波信号，由分别在其他多个硅衬底上集成化的接收天线接收，并识别脉冲信号。
下面说明本发明的第2实施例(与权利要求2或3对应)。
图5为表示本发明第2实施例的半导体器件的剖面图。
此图中，41为Si衬底，42为包围由多层布线构成的布线金属层的第1绝缘膜(低介电常数，相对介电常数为2.0)，43为布线金属层，44为天线45(发射天线45A与接收天线45B)的第2绝缘膜(高介电常数，相对介电常数为7.0)，45A为发射天线，45B为接收天线，46为反射器，47为天线层。
本实施例中，若要减少天线45(发射天线45A与接收天线45B)和布线金属层43的干扰，需要分离布线金属层43和天线层47，在此表示其标准。
为了不使发射天线45A发射出的电磁波与布线金属层43干扰，只要找出电磁波在包围布线金属层43的第1绝缘膜42的界面上的全反射条件即可。而且，不满足全反射条件的区域里不设置布线金属层43。
因此，在形成在Si衬底41上的相对介电常数为2.0的低介电常数层间绝缘膜42内夹着的、由铜的多层布线构成的布线金属层43和用相对介电常数为7.0的高介电常数层间绝缘膜44来绝缘的天线45中，在天线层47的一部分上形成发射天线45A，布线金属层43的上下夹在相对介电常数为2.0的低介电常数多孔二氧化硅(第1绝缘膜)42中。
另外，第2绝缘膜44是用等离子CVD(化学汽相增长)形成的氮化硅薄膜，其介电常数比相邻的第1绝缘膜42高，满足与不满足电磁波在所述第1绝缘膜42和第2绝缘膜44的界面上全反射的条件的部位，取决于天线45到布线金属层43之间的距离x与第2绝缘膜44厚度t的关系由下式决定的值。在天线层47中，在同一平面的发射方向的逆方向上设置了反射器46。
全反射角度＝sin-1√(第1绝缘膜的介电常数/第2绝缘膜的介电常数)......(1)
全反射角度＝tan-1√(从天线到布线之间的距离/第2绝缘膜的厚度)......(2)
通过这样的结构，能够改善半导体器件的天线增益。
关于用于改善所述天线增益的半导体器件的结构，使用图6及图7说明其制造工序。
首先，如图6(a)所示，在电阻率为10Ω·cm的P型(100)Si衬底141上形成厚度为0.5μm的二氧化硅膜(未图示)，在二氧化硅膜上，通过在400℃下使四氢化硅、硅烷和氨NH3反应，进行等离子化学汽相增长，形成厚度为0.2μm的氮化硅薄膜142，作为干蚀停止层。在氮化硅薄膜上形成相对介电常数为2.0的低介电常数层间绝缘膜143，作为第1绝缘膜。这时，以3000rpm在SOG(旋涂玻璃)上旋转涂抹使用了ATMA(烷基三甲基铵)的溶剂，该SOG是通过将TEOS(正硅酸乙酯)溶解在作为溶剂的乙醇里而得到的，该ATMA是作为多孔剂的阳离子类界面活性剂。在180℃和400℃下分别进行1小时的烘培，得到厚度为500nm的多孔二氧化硅膜，作为第1绝缘膜143。
低介电常数层间绝缘膜143，可以以3000rpm旋转涂抹相对介电常数为2.0的如多孔的甲基倍半硅氧烷前驱体，接着，在空气中分别在150℃下烘培3分钟、250℃下烘培5分钟、400℃下烘培30分钟，形成0.5μm的厚度。
用于干蚀的硬质掩膜(未图示)，是在400℃下使四氢化硅、硅烷和一氧化二氮N2O反应，通过等离子化学汽相增长，形成厚度为0.2μm的二氧化硅膜。接着，如图6(b)所示，由光刻法，在利用等离子的二氧化硅膜上形成布线沟图案，将其作为掩膜，由碳氟化合物类气体将第1绝缘膜143等离子蚀刻，形成沟144。
除去光刻胶(未图示)后，如图6(c)所示，由DC磁控管溅射法，向钽靶进行等离子中的氩离子冲击，在相对的晶片上形成厚度为0.1μm的钽薄膜145，作为屏蔽金属。
接着，如图6(d)所示，由DC磁控管溅射法，向铜靶进行等离子中的氩离子冲击，在相对的晶片上形成厚度为0.2μm的铜薄膜146，作为镀铜的基片层。
然后，如图7(a)所示，在硫酸铜及稀硫酸溶液中进行镀铜，在晶片上形成1μm的铜147。
而且，如图7(b)所示，通过化学机械研磨使铜147的表面平坦化，使布线图案(布线金属层)148保留在沟144内。
各布线金属层148之间的连接，重复图6(a)-(d)、图7(a)-(b)，通过在400℃下使四氢化硅、硅烷和氨NH3反应，形成厚度为0.2μm、等离子化学汽相增长后的氮化硅薄膜142′，作为盖层。在氮化硅薄膜上形成相对介电常数为2.0的低介电常数层间绝缘膜143′(未图示)，作为第1绝缘膜。这时，以3000rpm在SOG(旋涂玻璃)上旋转涂抹使用了ATMA(烷基三甲基铵)的溶剂，该SOG是将TEOS(正硅酸乙酯)溶解在作为溶剂的乙醇里，该ATMA是作为多孔剂的阳离子类界面活性剂。在180℃和400℃下分别进行1小时的烘培，得到厚度为500nm的多孔二氧化硅膜(未图示)，作为第1绝缘膜143′。
低介电常数层间绝缘膜143′，可以以3000rpm旋转涂抹相对介电常数为2.0的如多孔的甲基倍半硅氧烷前驱体，接着，在空气中分别在150℃下烘培3分钟、250℃下烘培5分钟、400℃下烘培30分钟，形成0.5μm的厚度。
接着，利用光刻技术，在光刻胶上形成通路孔(未图示)图案，将其作为掩膜，在第1绝缘膜143′(未图示)上用碳氟化合物类气体进行等离子蚀刻，形成沟144′(未图示)。然后将盖层的等离子氮化硅薄膜腐蚀，形成与下部铜布线连接的通路孔。接着，用DC磁控管溅射法，向钛靶进行等离子中的氩离子及氮离子冲击，在相对晶片的通路孔上形成厚度为0.1μm的氮化钛薄膜，作为阻挡金属。这里用六氟化钨的化学汽相增长法进行还原，形成钨插头。重复后形成多层波形花纹(damascene)布线(未图示)。也可以使用镀铜的插头代替钨插头。
然后，如图7(c)所示，在构图后的布线金属层148上，通过在400℃下使四氢化硅、硅烷和氨NH3反应进行等离子化学汽相增长，形成厚度为1.0μm的氮化硅薄膜149，作为高介电常数绝缘膜。
接着，如图7(d)所示，用DC磁控管溅射法，向铝靶进行等离子中的氩离子冲击，在相对的晶片上形成1μm的铝薄膜，将用光刻法形成的光刻胶(未图示)作为掩膜，由利用氯系气体等离子的干蚀法腐蚀形成厚1μm、宽10μm的偶极天线图案150、151。
下面说明本发明第3实施例(与权利要求4对应)。
首先，如图1所示，在1000℃下，在氢气和氧气的混合气体流动的电炉内，进行约120分钟的热处理，在电阻率为10Ω·cm、厚度为260μm的P型(100)Si衬底1上形成厚度为0.5μm的二氧化硅膜2。然后，利用直流磁控管溅射，向铝靶进行氩离子冲击，在相对的晶片上堆积厚度为1μm的铝膜。通过半导体蚀刻技术将光刻胶作为掩膜，用利用了氯系气体的等离子蚀刻技术形成宽10μm、天线长2mm的偶极铝天线图案3、4。
另外，使晶片背面导电，形成接地金属层5，作为与衬底的接触。这时，在Si衬底1接地时，天线传输增益对Si衬底厚度的依存性及半导体器件的剖面模式图如图8所示。
图8中，图8(a)为本发明半导体器件的Si衬底以直接金属层接地时(■)和Si衬底通过低介电常数材料层接地时(●)的、改变有损失的Si衬底厚度时的天线传输增益特性图，图8(b)为Si衬底以直接金属层接地时半导体器件的剖面模式图，图8(c)为Si衬底与金属层之间插入低介电常数材料层时半导体器件的剖面模式图。
具体来说，关于改变有损失的Si衬底厚度时的天线传输增益特性，天线长L＝2.0mm、天线间距离d＝3.0mm，使Si衬底1的厚度h以260μm为刻度，在260μm至2340μm之间变化，在Si衬底1以直接金属层5接地时(■)和Si衬底1与接地金属层7之间插入低介电常数材料层6时(●)进行测定。
如图8(b)所示，Si衬底1以金属层5直接接地时(■)，若Si衬底的厚度变薄，天线增益会急剧降低。Si衬底的厚度在某种程度以上时，天线增益大致饱和。
如图8(c)所示，Si衬底1与接地金属层7之间插入低介电常数材料层6时(●)，若Si衬底1的厚度变厚，天线增益会降低。而且，膜厚超过1500μm左右时，天线增益会上升。
因此，Si衬底1的厚度薄时，通过在Si衬底与接地金属层7之间插入低介电常数材料层6，可以将天线增益改善约10dB以上。
这里，由天线所发射的电磁波产生的电磁场的Far-Field的边界在下式(3)中作为Si衬底中电磁波波长的函数，由此，电磁场的Far-Field边界计算为689μm。
r≥(λSi-20GHz)/2π             ......(3)
图8(b)所示的从天线到接地面之间的距离r小于689μm时，为Near-Field，在发射天线中，由于与Si衬底接地金属面的静电容耦合的影响，从天线发射出的电磁波的传输功率减少，天线传输增益下降。由此，天线与接地面(Metal)的距离r必须满足电磁波的Far-Field条件。
如图8(c)所示，Si衬底1与接地金属层7之间插入低介电常数材料层6时，虽然满足电磁波Far-Field条件，但是由于Si衬底1为损失介质，所以增加电磁波路径中的Si衬底1的厚度时，损失增大，天线传输增益降低。
图9表示天线附近有金属布线时，介电常数不同的层间绝缘膜界面上的反射率与天线增益的关系，图9(a)为该半导体器件的剖面模式图[图9(b)中曲线b的情况]，图9(b)为对于该天线下部层间绝缘膜的厚度(μm)的传输增益(dB)特性图，a表示频率为20GHz、下部层间绝缘膜为氧化膜的情况，b表示频率为20GHz、下部层间绝缘膜为高相对介电常数(εr＝50)膜的情况。
下面说明本发明的第4实施例(与权利要求9对应)。
天线附近有金属布线时会发生干扰。图10表示该金属布线长与天线增益的关系。
图10表示本发明第4实施例的天线附近有金属布线时，金属布线长与天线增益的关系，下横轴表示金属布线长(mm)，上横轴表示金属布线长与天线长度的比(％)，纵轴表示天线增益Ga(dB)。而且，这里表示金属布线垂直于天线的电磁波发射方向的情况。
从图10中可以得知，垂直设置在天线的电磁波发射方向上的金属布线长度超过天线长的25％时，天线增益降低。即，金属布线长超过在Si衬底中传输的电磁波波长的1/8时，由于反射和干扰，天线增益降低。
图11表示布线平行或垂直于天线设置时的图，51为发射天线，52为金属布线，53为接收天线，54为发射天线51发射的发射图案。
图12表示将金属布线长分割为电磁波波长的1/8且纵横交替设置的布线图案的模式图和此时的天线增益的频率依存性。图12中，横轴表示频率(GHz)，纵轴表示天线增益G。(dB)，○表示干扰的金属布线(IL)不存在的情况，表示有金属布线(IL)的情况。
下面说明本发明第5实施例(与权利要求11对应)。
图13为表示本发明第5实施例的半导体器件的剖面图。
图13(a)中，61为Si衬底，62为第1绝缘膜(相对介电常数为4.0)，63为布线金属层，64为第2绝缘膜(相对介电常数为2-3，如2.7)，65为天线(65A为发射天线、65B为接收天线)，66为反射器，67为天线层，68为具有抛物面的透镜状绝缘膜，该抛物面由第1绝缘膜材料或第2绝缘膜材料形成在天线65上方，69A、69B为抛物面镜。
另外，图13(b)中，71为Si衬底，72为第1绝缘膜(相对介电常数为4.0)，73为布线金属层，74为第2绝缘膜(相对介电常数为2-3，如2.7)，75A为发射天线、75B为接收天线，76为反射器，77为天线层。
此第1实施方式中，形成无线互连，用于将发射天线65A所发射的电磁波传输信号传输到形成在Si衬底61或者其他多个Si衬底上的接收天线65B，在天线65上方形成具有抛物面的透镜状绝缘膜68，该抛物面由第1或介电常数不同的第2绝缘膜材料形成，所述透镜状绝缘膜68的表面上形成反射金属层69。抛物面镜69A、69B的焦点位置上分别形成作为天线65A、65B的金属层。反射器66也形成在同一面上。
下面说明本发明的第6实施例(与权利要求12对应)。
图14为表示本发明第6实施例的半导体器件的平面图。
由形成在Si衬底上的发射天线T1发射出电磁波传输信号，并且作为同步时钟信号向形成在同一Si衬底上的接收天线R1、R2、R3传输时，将从所述发射天线T1到所述各接收天线R1、R2、R3之间的直线距离d1、d2、d3除以电磁波传播速度得到的时间t1、t2、t3作为时钟接收电路的延迟时间进行定时调整。
下面说明本发明的第7实施例(与权利要求13对应)。
与第6实施例(图14)一样，在电阻率为10Ω·cm的P型(100)Si衬底上形成相对介电常数为4.0的第1绝缘膜，在第1绝缘膜上形成相对介电常数为2.7的第2绝缘膜，例如：以3000rpm旋转涂抹多孔的甲基倍半硅氧烷前驱体后，在空气中150℃下烘培3分钟、250℃下烘培5分钟、400℃下烘培30分钟，形成厚度为0.5μm的第2绝缘膜。用DC磁控管溅射法，向铝靶进行等离子中的氩离子冲击形成铝薄膜，将光刻法形成的光刻胶作为掩膜，用干蚀法腐蚀形成厚1μm、宽10μm的偶极天线。重复后形成多层布线。天线图案以外的布线层形成以往的布线图案。
将多个形成了半导体集成电路的Si衬底层叠排列，将发射天线图案设置在其中一个衬底上的Si芯片端的一边。该发射天线发射出20GHz的正弦波，作为多个Si芯片的同步时钟信号。与层叠的其他Si衬底相同位置对应的一边上分别设置接收天线，通过Si衬底接收同步时钟的电磁波正弦波信号。通过该衬底的电路来调整作为同步时钟偏离的信号相位延迟。
即，将各Si衬底的层叠间距设置为2mm时，由于从发射天线的位置到下一层的接收天线位置的距离也为2mm，所以用此距离除以相位速度能够正确计算延迟时间。由于该延迟时间大约为10psec，比原来的时钟信号的周期50psec的1/4小，所以能够预先调整波形的相位延迟。预先调整波形的相位延迟、提前了相位的时钟信号由设置在同一边的发射天线发射，传输到下一个衬底。即，与接收时钟信号的相位相比，发射时钟信号的相位只提前了芯片间的延迟时间。
下面与之相同，继续向第2、第3衬底的接收天线转播。由此，无论层叠了多少衬底，由于能够调整相位延迟进行转播，所以能够解决时钟偏离问题。
图15为表示本发明第7实施例的半导体器件间传输状态的模式图，图16为与图15中的频率相对的天线增益特性图。
图15中，81为第1半导体器件(第1半导体集成电路装置：第1IC)，82为安装在该第1半导体器件81上的发射天线，83为第2半导体器件(第2半导体集成电路装置：第2IC)，84为安装在该第2半导体器件83上的接收天线，本实施例中，个别半导体器件81、83之间不是由电线连接，而是由GHz带中的无线收发进行连接。
图16为第1半导体器件81与第2半导体器件83之间的间隔为1mm、发射天线82与接收天线84之间的间隔为10mm时的频率所对应的天线增益特性图，横轴表示频率(GHz)，纵轴表示天线增益(dB)。图16中，曲线a表示天线长为3mm的情况，曲线b表示为2mm的情况。曲线a中可以得知，尤其是天线长度为3mm时，在大约14～18GHz(BW＝4GHz)中，天线增益增大。
本发明适用于具有超LSI、DRAM等高速运转的LSI布线的所有半导体器件。
而且，本发明并不限定于所述实施例，根据本发明的宗旨，能够进行多种变形，这些并不排除在本发明的范围之外。
如所述详细说明，根据本发明，能够达到以下效果。
能够提供在多个半导体衬底间进行超高速信号传输的半导体reconfigurable无线互连。即，形成在多个半导体衬底上的金属天线所发射的信号通过半导体衬底，能够无线传输到其他半导体衬底上。
更具体来说，具有以下特征。
(1)分别在多个半导体芯片上形成宽带收发天线。
(2)发送信号通过Si衬底由其他半导体衬底的天线接收。
(3)收发射号利用超宽带通信[中心频率在10-20GHz附近，利用的频带占中心频率的25％以上，传输信号的脉宽在1ns以下且不使用载波，不需要在辐射基准(-41.3dBm/MHz)以下进行的无线通信(利用频带2～20GHz)]。实施例中为6～25GHz。
(4)收发天线层与金属布线层分离。
(5)将收发天线与金属布线分离的层间绝缘膜为高介电常数膜。
(6)金属布线的长度大于收发天线所发射出的电波波长的1/8时，将布线分割。
(7)金属布线的方向设置为垂直于收发天线的方向。
(8)形成收发天线的半导体衬底与接地金属的距离为电磁波的远方界以上的距离。
产业上的利用可能性
本发明的半导体器件能够用于消除布线延迟的新型半导体器件。

Claims (14)

1.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，分别在所述多个半导体衬底上形成宽带收发天线，从所述1个或1个以上半导体衬底发射信号，并由所述半导体衬底或其他多个半导体衬底的接收天线接收，该收发射号具有超宽带通信功能。
2.一种半导体器件，其特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的第1层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第2绝缘膜中，所述第2绝缘膜的介电常数与相邻的第1层间绝缘膜不同，满足电磁波在所述第1和第2绝缘膜的界面上全反射的条件，与所述天线在同一平面的发射方向的逆方向上设置了反射器。
3.一种半导体器件，其特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的第1层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第2绝缘膜中，所述第2绝缘膜的介电常数与相邻的第1层间绝缘膜不同，电磁波在所述第1及第2绝缘膜的界面上不发生全反射时，从所述天线到所述内部金属布线之间的距离与所述第2绝缘膜厚度的关系为下式所决定的值，与所述天线在同一平面的发射方向的逆方向上设置了反射器。
全反射角度＝sin-1√(第1绝缘膜的介电常数/第2绝缘膜的介电常数)......(1)
全反射角度＝tan-1√(从天线到布线之间的距离/第2绝缘膜的厚度)......(2)。
4.一种半导体器件，其特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的多层层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，所述发射天线通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第1绝缘膜中，所述第1绝缘膜在厚度方向上贯穿了多个细孔，形成天线传输电磁波频率中的光带间隙。
5.一种半导体器件，其特征在于：具有夹在形成在半导体衬底表面上的多层层间绝缘膜内的多层布线，在所述多层布线金属层的一部分上形成发射天线，所述发射天线通过通孔的金属与内部布线金属连接，形成所述发射天线的布线金属层的上下夹在第1绝缘膜中，所述第1绝缘膜在厚度方向上形成了多个细孔，所述细孔中埋入有介电常数不同的第2绝缘膜，形成天线传输电磁波频率中的光带间隙。
6.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，在形成在半导体衬底表面上的多层布线金属层的一部分上形成收发天线，所述天线与接地金属衬底及内部金属布线的距离大于半导体中电磁波的波长所规定的远方界距离，其中，距离＝Si衬底中的波长/2π。
7.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，在所述半导体衬底和接地金属衬底间插入低介电常数绝缘膜，使所述天线与接地金属衬底及内部金属布线的距离大于半导体中电磁波的波长所规定的远方界距离，其中，距离＝Si衬底中的波长/2π。
8.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，与所述发射天线的发射方向垂直设置的多个金属布线层通过通路连接孔连接，其全长分割为小于半导体中电磁波波长的8分之1，电源、接地布线以及共同布线与天线的发射方向平行地设置。
9.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，排列多个所述半导体衬底并层叠集成化，在所述半导体衬底背面以及离所述半导体衬底最远的外侧半导体衬底背面形成全面金属接地层，并向外设置，在其他半导体衬底上不形成背面接地金属层，在衬底表面上进行接地接触。
10.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述半导体衬底背面的接地金属层被分割为长方形，其宽度小于半导体中电磁波波长的4分之1，其间隔大于半导体中电磁波波长的4分之1。
11.一种半导体器件，其特征在于：电磁波传输信号由设置于半导体衬底上的发射天线发射到设置于所述半导体衬底上的接收天线或设置于多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，透镜状的绝缘膜设置在所述发射天线之上，所述透镜状的绝缘膜由形成第1或第2层间绝缘膜的材料制成并具有抛物面，第1和第2层间绝缘膜具有不同的介电常数，金属层设置于所述透镜状的绝缘膜上。
12.一种半导体器件，其特征在于：电磁波传输信号由设置于半导体衬底上的发射天线发射到设置于所述半导体衬底上的接收天线或设置于多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，从所述发射天线发射同步时钟信号，由形成在所述半导体衬底上的各接收天线接收时，将从所述发射天线到所述各接收天线之间的直线距离除以电磁波传播速度而得到的时间作为时钟接收电路的延迟时间来进行定时调整。
13.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述多个半导体衬底被等间隔地层叠集成化，形成在所述各半导体衬底上的收发天线与形成在所述半导体衬底上的发射天线设置在同一边上，成为所述发射天线所发射的同步时钟信号的中继器，所述收发天线之间的直线距离除以电磁波传播速度而得到的最大时间小于其时钟周期的1/4。
14.一种半导体器件，其特征在于：将形成在半导体衬底上的发射天线发射的电磁波传输信号传输到形成在所述半导体衬底或者其他多个半导体衬底上的接收天线，从而实现无线互连，所述多个半导体衬底被等间隔地层叠集成化，形成在所述各半导体衬底上的收发天线是传输增益为-10dB、频带为中心频率的25％以上的宽带天线。
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