JPH0677709A - Semiconductor millimeter wave device - Google Patents

Semiconductor millimeter wave device

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JPH0677709A
JPH0677709A JP4230251A JP23025192A JPH0677709A JP H0677709 A JPH0677709 A JP H0677709A JP 4230251 A JP4230251 A JP 4230251A JP 23025192 A JP23025192 A JP 23025192A JP H0677709 A JPH0677709 A JP H0677709A
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Hidetomo Nojiri
正樹 廣田
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    • H01L2224/47Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process
    • H01L2224/48Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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    • H01L2224/48463Connecting portions the connecting portion on the bonding area of the semiconductor or solid-state body being a ball bond

Abstract

PURPOSE:To easily manufacture the semiconductor millimeter wave device with high precision and to decrease the transmission loss and deterioration of a signal by forming a groove or ridge on a semiconductor substrate as a waveguide and forming the waveguide, an element, and an input/output coupling device on the same substrate. CONSTITUTION:The waveguide 2, a silicon element part 3, a high-frequency element part 4, and the input/output coupling device 5 are formed on the silicon substrate 1. The waveguide 2 is formed at the part 2' of the groove formed in the substrate 1, a metal layer 21 is formed on its bottom part and side wall, and a metal layer 22 is formed at the upper part to effectively confine an electromagnetic wave. Further, the element part 3 and an antenna 25 which sends and receives the electromagnetic wave are provided at specific places in the waveguide 2. The element part 3 is formed directly on the substrate 1. The input/output coupling device 5 transmits and receives electromagnetic waves inside and outside the substrate and is formed where the waveguide 2 and substrate end surface cross each other.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板上に導波路、入出力結合装置および素子を集積化した半導体ミリ波装置に関する。 BACKGROUND OF THE INVENTION This invention is a waveguide on a semiconductor substrate, a semiconductor millimeter wave device obtained by integrating the input and output coupling device and the element.

【0002】 [0002]

【従来の技術】従来のミリ波装置としては、図7、図8、図9に示すものがある。 As a conventional millimeter wave device, 7, 8, there is shown in FIG. なお、図7は金属導波管を用いた伝送装置の一例の斜視図、図8はMMIC( Mic Note that FIG. 7 is a perspective view of an example transmission device using a metal waveguide, 8 MMIC (Mic
rowaveMonolithic IC)の斜視図(例えば、Peter H. La Perspective view of rowaveMonolithic IC) (e.g., Peter H. La
dbrooke著 “MMIC Design GaAsFETs and HEMTs” pp29 dbrooke Author "MMIC Design GaAsFETs and HEMTs" pp29
に記載)、図9は上記のMMICに用いたマイクロ・ストリップ線路の一部断面斜視図(例えば、上記図8の文献の第31頁に記載)である。 Described) in FIG. 9 is a partially sectional perspective view of a microstrip line using the above MMIC (e.g., according to a 31-page document of FIG. 8). 電気信号の周波数が高くなると、いわゆる集中定数回路として取り扱えなくなり、分布定数回路として取り扱わなければならない。 When the frequency of the electrical signal is high, can not be handled as a so-called lumped constant circuit, it must be handled as a distributed constant circuit. 信号線路においても同軸ケーブルが使えるのは数100M The number of available coaxial cables even in the signal line 100M
Hz程度までであり、それ以上の周波数では損失が大きくなるために電磁波の形で伝送する必要がある。 Is up to about Hz, it is necessary to transmit in the form of electromagnetic waves for loss increases at higher frequencies. 電磁波の伝送には、図7に示すような金属導波管6や図9に示すようなマイクロ・ストリップ線路などが用いられていた。 The transmission of electromagnetic waves, such as a micro-strip lines shown in the metal waveguide 6 and 9 as shown in FIG. 7 has been used. 図7において、5は入出力結合装置、6は金属導波管、7は高周波装置、8は制御装置である。 7, 5 is input and output coupling device, 6 metal waveguide, 7 high frequency device, 8 is a control device. 図7に示した金属導波管6の形状は、方形や円形等があるが通常は方形が用いられる。 The shape of the metal waveguide 6 shown in FIG. 7, it is rectangular or circular etc. Typically a square are used. 方形導波管の断面寸法は縦(3/ Cross-sectional dimension of rectangular waveguide and the vertical (3 /
8)λ×横(3/4)λ程度であり、ミリ波(30GHz 8) lambda × horizontal (3/4) is about lambda, millimeter waves (30 GHz
〜300GHz)を扱う場合には、縦3.75mm×横7.5mm(30GHz)〜縦0.375mm×横0.7 When dealing with ~300GHz), the vertical 3.75mm × horizontal 7.5mm (30GHz) ~ vertical 0.375mm × horizontal 0.7
5mm(300GHz)程度の寸法になる。 On the order of size 5mm (300GHz). そして波長が短くなるにつれて導波管の寸法も小さくなるため、加工精度や組み立て精度を高くしなければならない。 And since the smaller size of the waveguide as the wavelength becomes shorter, it must be high machining accuracy and assembling accuracy. 通常、最小寸法の1/10以下の精度が要求されるので、 Usually, less than 1/10 of the accuracy of the minimum size is required,
上記の場合にはミクロンオーダーの加工及び組み立て精度が必要となる。 Machining and assembling precision of micron order is required in the case described above.

【0003】また、ミリ波よりも波長の長いマイクロ波帯(3GHz〜30GHz)では、図9に示したようなマイクロ・ストリップ線路を利用した図8のごときMM [0003] In the long microwave band wavelength than the millimeter wave (3GHz~30GHz), such as FIG. 8 using the micro-strip line as shown in FIG. 9 MM
ICなども用いられていた。 Also it has been used, such as IC. なお、図8において、9はGaAs基板、10はviaホール、12は接地電極、 In FIG. 8, the GaAs substrate 9, the via holes 10, 12 is a ground electrode,
21および22は金属層である。 21 and 22 are metal layers. また、図9において、 Further, in FIG. 9,
23は誘電体である。 23 is a dielectric. 上記のごときMMICの構造をミリ波装置に適用することは原理的には可能であるが、前記の金属導波管よりも伝送損失(50dB/m程度)が大きく、また上部が空いているために保護膜の特性に影響されるなどの問題があった。 While applying the structure of the above such MMIC millimeter wave device is possible in principle, the transmission loss than a metal waveguide (about 50 dB / m) due to significant vacant upper there is a problem, such as being affected by the properties of the protective film. さらに、この構造では、 In addition, in this structure,
主面上の構造体と接地電極12とを接続するため経路用の孔(viaホール10)を設ける必要があるが、厚い基板を用いた場合にはこのviaホール10の形成が困難になるという問題がある。 That it is necessary to provide a hole (via hole 10) for route for connecting the structure on the main surface and the ground electrode 12, the formation of the via hole 10 becomes difficult in the case of using a thick substrate There's a problem. また、半導体基板は誘電体として用いられているので、抵抗率ができるだけ高いことが望まれる。 Further, the semiconductor substrate is so used as the dielectric, the resistivity is desired that as high as possible. GaAs基板はCrなどをドープすることで抵抗率が10 7 〜10 9 (Ωcm)の半絶縁性基板が容易に得られるが、シリコン基板等の他の材料ではこのような高抵抗基板は得られていない。 GaAs substrate is semi-insulating substrate of resistivity of 10 7 ~10 9 (Ωcm) by doping and Cr is easily obtained, such a high-resistance substrate obtained by other materials such as a silicon substrate not. また、シリコン基板などに溝などを形成し、それを導波管として用いることは、従来よく用いられていたマイクロ波帯では波長が長く、導波路の断面積が大きすぎることや非常に深い方形の溝を形成する技術が確立されていなかったので不可能であった。 Further, such a form and groove silicon substrate, it is to use it as a waveguide, a long wavelength is in the microwave band which has been used conventionally well, that the cross-sectional area of ​​the waveguide is too large and very deep square It was not possible because a technique for forming grooves has not been established.

【0004】 [0004]

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来のミリ波装置においては、次のごとき問題があった。 As described above [0006] In the conventional millimeter wave device has the following such problems. (1)金属導波管を用いた場合には、 (ア)ディスクリート構成のため、コストおよび重量が増大する。 (1) When a metal waveguide, for (a) discrete composition, cost and weight are increased. (イ)信号伝送距離が長く、結合部が多いため、信号の劣化や損失が大きい、 (ウ)立体回路となるため、設計、組み立てが難しく、 (B) signal transmission distance is long, since the coupling portion is large, signal degradation or loss is large, since the (c) three-dimensional circuit design, assembly is difficult,
特に波長の短い電磁波では高性能化が困難である。 In particular, it is difficult to high performance in the short electromagnetic wavelengths. (2)マイクロ・ストリップ線路などを用いたMMIC (2) MMIC using such as a micro-strip line
の場合には、 (ア)導波管を用いた場合に比べると伝送損失が大きい。 In the case of the large transmission loss as compared to the case of using the (A) waveguide. (イ)大口径の厚い半導体基板を用いた場合には、表面と裏面に形成される接地電極とを接続するviaホールを形成するのが困難となる。 In the case of using a thick semiconductor substrate having (i) a large diameter, it is difficult to form a via hole for connecting the ground electrode formed on the front and back. (ウ)外部に電磁波が漏れるので、線路間の電磁的な結合で信号が劣化する。 (C) since electromagnetic waves leak outside, signal deteriorates in electromagnetic coupling between the lines.

【0005】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、高精度の製造が容易で、信号の伝送損失および劣化を小さくすることの出来る半導体ミリ波装置を提供することを目的とする。 [0005] The present invention has been made to solve the above-described such prior art problems, it is easy to manufacture a high precision, a semiconductor millimeter wave device capable of reducing the signal transmission loss and degradation of an object of the present invention is to.

【0006】 [0006]

【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するため、本発明においては、特許請求の範囲に記載するように構成している。 To solve the above problems BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION In the present invention, it is configured as described in the appended claims. すなわち、請求項1においては、半導体基板と、上記半導体基板の主面に形成された溝またはリッジからなる導波路と、上記半導体基板に形成され、 That is, in claim 1, a semiconductor substrate, a waveguide made of the semiconductor substrate grooves or ridges formed on the main surface of, formed on the semiconductor substrate,
電磁波の送信または受信もしくは双方を行なう入出力結合装置と、上記半導体基板の主平面に形成された半導体素子と、を備えるように構成している。 And input and output coupling device for transmitting or receiving or both of the electromagnetic waves, are configured with a semiconductor element formed on the main plane of the semiconductor substrate. なお、この構成は、例えば後記図1または図5の実施例に相当する。 In this arrangement, for example corresponding to Example described later FIG. 1 or 5.

【0007】また、請求項2に記載の発明は、上記の導波路を囲む導電層を設けたものである。 [0007] The invention described in Claim 2, is provided with a conductive layer surrounding the waveguide. この構成は、例えば後記図4(a)、(b)または(d)の実施例に相当する。 This configuration, for example, later view 4 (a), corresponding to Example of (b) or (d). また、請求項3に記載の発明は、上記導波路内を上記半導体基板の誘電率よりも高い誘電体で充填したものである。 The invention according to claim 3, in which the inside of the waveguide is filled with a high dielectric than the dielectric constant of the semiconductor substrate. この構成は、例えば後記図4(b)、 This configuration, for example, later view 4 (b),
(c)、(d)または(f)の実施例に相当する。 (C), it corresponds to the embodiment of (d) or (f). また、請求項4に記載の発明は、上記半導体基板の上記導波路近傍の領域の導電率を、その周辺の領域の導電率よりも高い値に設定したものである。 The invention according to claim 4, in which the conductivity of the region of the waveguide near the semiconductor substrate was set to a value higher than the conductivity of the region of its periphery. この構成は、例えば後記図4(e)または(f)の実施例に相当する。 This configuration corresponds to the embodiment of example below Figure 4 (e) or (f). また、請求項5に記載の発明においては、上記半導体基板としてシリコン基板を用いたものである。 Further, in the invention described in claim 5, in which the silicon substrate is used as the semiconductor substrate.

【0008】 [0008]

【作用】上記のように、請求項1に記載の発明においては、半導体基板の主面に形成された溝またはリッジを導波路として用い、かつ、導波路と、入出力結合装置と、 [Action] As described above, in the invention described in claim 1, with grooves or ridges formed on the main surface of the semiconductor substrate as a waveguide, and a waveguide, the input-output coupling device,
半導体素子とを同一半導体基板上に形成するように構成している。 It is configured to form a semiconductor device on the same semiconductor substrate. したがって使用波長に対応して各部の寸法が小さくなっても半導体プロセスを用いて高精度で形成できるので、特に波長の短い電磁波を扱う場合に性能を向上させることが出来る。 Hence the size of each part corresponding to the working wavelength can be formed with high accuracy by using a semiconductor process even smaller, in particular it is possible to improve the performance when dealing with short wave wavelength. また、配線距離が短く、結合部が無いため、信号の伝送損失および劣化を小さくできる。 The wiring distance is short, since there is no coupling portion, it is possible to reduce the signal transmission loss and degradation of. また、従来のMMICのように裏面に形成される接地電極と表面とを接続するviaホールを形成する必要がないため、厚くならざるを得ない大口径基板を用いても容易に製造することができる。 Moreover, since there is no need to form a via hole for connecting the ground electrode and the surface to be formed on the back surface as in the conventional MMIC, it can also be easily produced by using a large-diameter substrate inevitably thicker it can.

【0009】また、請求項2に記載の発明においては、 Further, in the invention described in claim 2,
導波路を囲む導電層を設けたことにより、半導体基板の他の部分に漏洩する電磁波を減少させることが出来、その分だけ伝送損失を低下させることが出来る。 By providing the conductive layer surrounding the waveguide, it is possible to reduce electromagnetic waves leaking to other portions of the semiconductor substrate, it is possible to reduce the transmission loss by that much. また、請求項3に記載の発明においては、導波路内を半導体基板の誘電率よりも高い誘電体で充填したことにより、導波路の寸法を小型にすることが出来る。 Further, in the invention described in claim 3, by filled in the waveguide with a high dielectric than the dielectric constant of the semiconductor substrate, the dimensions of the waveguide can be reduced in size. また、請求項4に記載の発明においては、半導体基板の導波路近傍の領域の導電率を、その周辺の領域の導電率よりも高い値に設定したことにより、請求項2に記載の発明と同様の作用効果が得られる。 Further, in the invention described in claim 4, the conductivity of the region of the waveguide near the semiconductor substrate, by setting to a value higher than the conductivity of the area around them, and the invention described in claim 2 the same effect can be obtained. また、導波路として溝を用いた構成では、電磁波の伝送路が空間(空所2′)となるので、請求項5に記載のように、シリコン基板のように絶縁体に近い高抵抗基板が得られない材料で半導体基板を構成した場合でも信号の伝送損失の少ない伝送が可能となる。 Further, in the configuration using the groove as a waveguide, the transmission path of the electromagnetic wave becomes a space (cavity 2 '), as claimed in claim 5, the high resistance substrate close to the insulator such as a silicon substrate the resulting material not less transmission with transmission loss of a signal even when the semiconductor substrate can be performed with.

【0010】 [0010]

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。 EXAMPLES The following description will explain the present invention in the Examples.
図1は、本発明の第1の実施例の断面図である。 Figure 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention. 図1において、シリコン基板1には、導波路2、シリコン素子部3、高周波素子部4、入出力結合装置5が形成されている。 In Figure 1, the silicon substrate 1, the waveguide 2, the silicon device portion 3, the high-frequency element 4, input and output coupling device 5 is formed. 導波路2は、シリコン基板1に設けられた溝の部分(空所2′の部分)に形成されており、その底部および側壁には第1の金属層21、上部には第2の金属層2 Guide 2, portions of the groove provided in the silicon substrate 1 is formed in a (part of the cavity 2 '), the first metal layer 21 on its bottom and side walls, the second metal layer on the top 2
2が形成されており、電磁波を有効に閉じ込めることが出来るようになっている。 2 is formed, so that it is possible to confine effectively the electromagnetic wave. また、導波路2内の所定の場所にはシリコン素子部3との電磁波のやりとりのためのアンテナ25が設けられている。 The antenna 25 for electromagnetic interaction with the silicon element portion 3 is provided at a predetermined location in the waveguide 2. この導波路の寸法は、 The dimensions of the waveguide,
従来例の中でも記載したごとく、縦3.75mm×横7. As described even in the conventional example, vertical 3.75 mm × 7 horizontal.
5mm(30GHz)〜縦0.375mm×横0.75m 5mm (30GHz) ~ vertical 0.375mm × horizontal 0.75m
m(300GHz)程度の寸法である。 It is the dimension of the order of m (300GHz). また、シリコン素子部3は、シリコン基板1に直接形成された素子であり、図1ではCMOSを示してある。 The silicon element 3 is an element that is directly formed on the silicon substrate 1, there is shown a CMOS in FIG. シリコン素子は、 Silicon element,
高集積化が可能であるため、通常の周波数の信号を処理する回路部分に用いられる。 For higher integration is possible, used in the circuit portion for processing the normal frequency of the signal. そのような信号は、通常の配線での伝送が可能である。 Such signals may transmit a normal wiring. 素子の構造について簡単に説明すれば、フィールド酸化膜33のない部分が素子が形成されている領域であり、ウエル31、ゲート酸化膜32、ソース・ドレイン領域35、ポリシリコン・ゲート電極34、配線層となる第3の金属層36が形成されている。 Briefly describes the structure of the device, a region where no portions of the field oxide film 33 is formed elements, the well 31, a gate oxide film 32, the source-drain region 35, polysilicon gate electrode 34, wiring the third metal layer 36 serving as the layers are formed. また、図には示していない受動素子は、通常の集積回路と同様の構造で形成することが可能である。 Further, passive elements not shown in the figure, can be formed in the same structure as conventional integrated circuits.

【0011】また、高周波素子部4は、ミリ波帯の信号の処理、増幅を行なうための素子であり、図1では、H Further, the high-frequency element 4, the processing of the signal in the millimeter wave band, an element for performing the amplification, FIG. 1, H
EMT(High Electron Mobility Transistor)を示してある。 Is shown the EMT (High Electron Mobility Transistor). HEMTは、様々な文献で公知のように非常に高い周波数の信号を増幅することが可能であり、ミリ波帯の能動素子として最も有望である。 HEMT is capable of amplifying a very high frequency signals as is known in various documents, the most promising as an active element in the millimeter wave band. この素子の構造を簡単に説明すれば、シリコン基板1上に複数の層からなる化合物半導体層41が形成されている。 To briefly explain the structure of the device, compound semiconductor layer 41 composed of a plurality of layers on the silicon substrate 1 is formed. この化合物半導体層41の形成法は、ヘテロ・エピタキシャル成長によることも可能であるし、ボンディング法(例えば“Ap Method of forming the compound semiconductor layer 41, to it is also possible by the hetero epitaxial growth, bonding method (e.g., "Ap
plied PhysicsLetters” 56(24), 11 June 1990, pp241 plied PhysicsLetters "56 (24), 11 June 1990, pp241
9〜2421に記載)でもよい。 It may be described) in 9-2421. 上記の化合物半導体層41 The above compound semiconductor layer 41
には、電子走行層42および電子供給層43等が形成されている。 The, such as an electron transit layer 42 and the electron supply layer 43 is formed. HEMTには複数の材料系による構成があるが最も基本的な構成による場合には、電子走行層42はノンドープのGaAs、電子供給層43はn型のAlG In case of multiple materials system by configuration but are the most basic configuration in the HEMT, the electron transit layer 42 of undoped GaAs, the electron supply layer 43 of n-type AlG
aAsが用いられる。 aAs is used. さらに、ゲート電極44、ソース・ドレイン領域45、配線層である第4の金属層46が形成される。 Furthermore, the gate electrode 44, source and drain regions 45, a fourth metal layer 46 is formed is a wiring layer. ただし、ノンオーミックコンタクト法を用いることも多く、その場合には前記のソース・ドレイン領域45は形成されない。 However, many also be used non-ohmic contact process, the source-drain region 45 of the case is not formed. これらの高周波素子間の信号の伝送には、前記の導波路2が用いられる。 The transmission of signals between these high frequency device, wherein the waveguide 2 is used. また、入出力結合装置5は、シリコン基板1内外の電磁波の送受信を行なうものであり、導波路2と基板端面が交わったところに形成される。 Further, input and output coupling device 5, which performs transmission and reception of the silicon substrate 1 out of the electromagnetic waves, is formed where the waveguide 2 and the substrate end face intersect. この入出力結合装置5は、図1に示すように導波路2をそのまま用いてもよいが、電磁波の反射を減らすためにホーン形状にしてもよい。 The input and output coupling device 5 may be used as the waveguide 2 as shown in FIG. 1, it may be the horn shape to reduce the reflection of electromagnetic waves. また、導波路2あるいは入出力結合装置5の構成によっては基板表面または裏面から電磁波の授受を行なうことも可能である。 Also, depending on the configuration of the waveguide 2, or input and output coupling device 5 is also possible to transmit and receive electromagnetic waves from the back or the substrate surface. また、各金属層の絶縁のために層間絶縁膜11が設けられている。 Further, the interlayer insulating film 11 for insulation of each metal layer is provided.

【0012】次に、上記の実施例における導波路2の形成方法について説明する。 [0012] Next, a method for forming the waveguide 2 in the above embodiment. 図2および図3は、導波路2 2 and 3, the waveguide 2
の形成工程を説明するための断面図であり、図2の(e)から図3の(f)に続く。 A cross-sectional view for explaining a step of forming, subsequent to (f) of FIG. 3 in FIG. 2 (e). まず、図2において、 First, in FIG. 2,
(a)に示すシリコン基板1に、RIEなどのドライエッチングを用いて(b)に示す溝を形成する。 The silicon substrate 1 shown in (a), a groove shown in using dry etching such as RIE (b). 次に、上記溝の内側に第1の金属層21を蒸着やスパッタ法などで形成する(c)。 Next, a first metal layer 21 in the vapor deposition or sputtering on the inner side of the groove (c). なお、この第1の金属層21には高融点金属を用いる。 Incidentally, the use of refractory metal on the first metal layer 21. 次に、SOG(spin on glass)などの充填物27で上記の溝を充填する(d)。 Then, filling the groove with filler 27, such as SOG (spin on glass) (d). 次に、充填物27の上に第2の金属層22を形成する(e)。 Next, a second metal layer 22 over the filler 27 (e). 次に、図3において、(f)では、上記第2の金属層22 Next, in FIG. 3, in (f), the second metal layer 22
のうち、アンテナ25を形成する部分を除去する。 Of, removing a portion of forming the antenna 25. 次に、全体の表面に層間絶縁膜11を形成する(g)。 Next, an interlayer insulating film 11 on the entire surface (g). 次に、アンテナ25を形成するために層間絶縁膜11と充填物27にドライエッチングによって穴を掘る(h)。 Then, dig by dry etching the interlayer insulating film 11 and the filling material 27 to form the antenna 25 (h).
次に、上記の穴に、アンテナ25を蒸着などで形成する(i)。 Next, the above holes, to form the antenna 25 deposited by such (i). 最後に、充填物27をウエットエッチングで除去し、空所2′を形成する。 Finally, the filler 27 is removed by wet etching to form the cavity 2 '. この際、エッチャントは、 In this case, the etchant,
図には示されていない層間絶縁膜11および第2の金属層22にあけられた孔を通って充填物27に達する。 FIG reaches the packing 27 through a hole drilled in the interlayer insulating film 11 and the second metal layer 22 which is not shown. 上記のようにして、空所2′内にアンテナ25を備え、かつ空所2′の内表面が金属層で覆われた導波路2が形成される。 As described above, 'with an antenna 25 within, and voids 2' space 2 waveguide 2 has an inner surface covered with a metal layer is formed.

【0013】次に、導波路の種々の実施例について説明する。 [0013] The disclosure now turns to various embodiments of the waveguide. 図4は、導波路の種々の構造を示す断面図である。 Figure 4 is a cross-sectional view showing various structures of the waveguide. 図4において、(a)は、前記図1で説明した例であり、金属層21、22で囲まれた空所2′を導波路とした構造である。 In FIG. 4, (a) is an example described in FIG. 1, a structure with waveguide cavity 2 'surrounded by the metal layers 21, 22. 次に、(b)は、上記(a)の構造において、空所2′の内部を誘電体23で充填した構造を示す。 Next, (b), in the structure of the (a), showing an interior filled with a dielectric 23 structure of the cavity 2 '. ミリ波帯においても波長が長い領域では導波路の断面積が大きくなり、特に他のプロセスとの整合が難しくなる。 Also the cross-sectional area of ​​the waveguide becomes large in the long wavelength region in the millimeter wave band, especially consistent with other processes difficult. その場合、内部を誘電体で充填すれば、その誘電体の誘電率に反比例して断面積を小さくすることが出来る。 In that case, if filled inside with a dielectric, it is possible to reduce the cross-sectional area and inversely proportional to the dielectric constant of the dielectric. 例えば、目的の電磁波の周波数を60GHzとすると、波長λは5mmであり、空所のままであれば、縦1.875mm、横3.75mmの大きさを要する。 For example, it required if the 60GHz frequency of the electromagnetic wave of interest, the wavelength λ is 5 mm, if left in the cavity, vertical 1.875 mm, the magnitude of the lateral 3.75 mm. しかし、誘電体23の比誘電率を100とすれば、縦(深さ)が18.75μm、横(幅)が37.5μmと極めて小さくすることが出来るため、通常のプロセスとの整合性が非常によくなる。 However, if the relative permittivity of the dielectric 23 and 100, the vertical (depth) 18.75Myuemu, since the lateral (width) can be made extremely small as 37.5, consistent with normal process very better. なお、誘電体23として用いられるのは、SiO 2 、Ta 25 、TiO 2 、SrTiO 3 Incidentally, for use as the dielectric 23, SiO 2, Ta 2 O 5 , TiO 2, SrTiO 3,
BaTiO 3 、PZT、PLZT等の酸化物やSiN等の窒化物などがある。 BaTiO 3, PZT, or the like oxide or nitride such as SiN such as PLZT. この実施例の製造方法は、基本的には前記図2、図3で説明した方法と同じであり、SO The manufacturing method of this embodiment, FIG. 2 is basically the same as the method explained in FIG. 3, SO
Gなど充填物27の代わりに所望の誘電体23を充填し、最後の除去工程を除くだけでよい。 Filling the desired dielectric 23 in place of G such filler 27, it is only but the last removal step.

【0014】次に、(c)は、空所2′の内壁および上部に第1の金属層21や第2の金属層22を設けず、シリコン基板1よりも比誘電率の大きな誘電体23で充填しただけの構造を示す。 [0014] Next, (c) is the inner wall and the top of the cavity 2 'without providing the first metal layer 21 and the second metal layer 22, a large dielectric 23 having a relative dielectric constant than the silicon substrate 1 in showing the structure of only filled. この構造は、プロセス的には(a)や(b)よりも簡単である。 This structure, in the process manner is simpler than (a) and (b). ただし、シリコン基板1へ洩れていく電磁界があるので伝送損失は大きくなる。 However, the transmission loss because of the electromagnetic field will leak into the silicon substrate 1 increases. 次に、(d)は、導波路の上下のみに第1の金属層21と第2の金属層22を形成した構造である。 Next, (d) is a structure formed first metal layer 21 and the second metal layer 22 only above and below the waveguide. この構造は、側壁への堆積が難しい、いわゆるステップ・カバレッジの悪い蒸着法等でも形成が可能である。 This structure, deposition on the side walls is difficult, it is possible to form even a bad evaporation method or the like having a so-called step-coverage. 次に、 next,
(e)は、空所2′の内面に金属層を設ける代わりに、 (E), instead of providing a metal layer on the inner surface of the cavity 2 ',
空所2′の近傍のシリコン基板1の導電率をその他の領域に比べて高くした構造を示す。 The conductivity of the silicon substrate 1 in the vicinity of the cavity 2 'shows a raised structure in comparison with other regions. 導電率を高くする方法としては、ドーパントをドーピングして不純物濃度を高くする方法とシリサイドを形成する方法とがある。 As a method of increasing the conductivity, and a method of forming a method and silicide to increase the impurity concentration of the dopant is doped. 前者には、通常行なわれている選択拡散法やイオン注入法を用いればよい。 The former may be used to select diffusion method is commonly performed or an ion implantation method. 後者の例では、チタン・シリサイドがある。 In the latter example, titanium silicide. チタン・シリサイドは、チタン薄膜よりも導電率が高いため、この方法が望ましい。 Titanium silicide has high conductivity than titanium thin, this method is preferable. 次に、(f)は、上記(e)において、空所2′の内部を誘電体23で埋めた構造を示す。 Next, (f), in the above-mentioned (e), it shows the interior was filled with dielectric 23 the structure of the cavity 2 '. この実施例の作用効果は前記(b)とほぼ同様である。 Operation and effect of this embodiment is substantially the same as the (b).

【0015】次に、図5は、本発明の第2の実施例の断面図である。 Next, FIG. 5 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention. この実施例は、シリコン基板1の主面に設けたリッジ26を導波路として用いるものである。 This embodiment is to use a ridge 26 provided on the main surface of the silicon substrate 1 as a waveguide. 図5 Figure 5
において、26はリッジ、24はリッジ26の下部に設けた高導電率領域、46はリッジ26の上面を覆う第4 In, 26 ridge, fourth 24 high conductivity region provided in the lower portion of the ridge 26, 46 covering the upper surface of the ridge 26
の金属層であり、その他、図1と同符号は同一物を示す。 A metal layer, and other, the same reference numerals as in FIG. 1 indicate the same product. なお、上記高導電率領域24としては、埋め込み層などを用いればよい。 As the above-mentioned high-conductivity region 24, or the like may be used buried layer. また、リッジ26内は、シリコン基板1と同じ半導体でもよいが、この部分を高誘電率層にしてもよい。 Further, the ridges 26, may be of the same semiconductor as the silicon substrate 1, may be the portion in the high dielectric constant layer. その場合には、あらかじめシリコン基板1として絶縁性の高い基板を用い、その後、リッジ26 In that case, a substrate high insulating property in advance as the silicon substrate 1, thereafter, the ridge 26
以外の部分をドーピングして必要な導電度に形成すればよい。 It may be formed on the conductivity required by doping the portion other than the.

【0016】また、図6は、図5の実施例における導波路の形成工程を示す断面図である。 [0016] FIG. 6 is a sectional view showing the step of forming the waveguide of the embodiment of FIG. 図6において、まず、(a)に示すように、シリコン基板1にリッジ26 6, first, (a), the ridges 26 on the silicon substrate 1
を形成し、次に、(b)に示すように、リッジ26の上面および側面を第2の金属層22で覆い、底面の一部を第1の金属層21で覆うことにより、導波路2を形成することが出来る。 Forming a, then (b), the cover the upper and side surfaces of the ridge 26 in the second metal layer 22, by covering a part of the bottom surface of a first metal layer 21, the waveguide 2 it can be formed. なお、第1の金属層21を形成する場合には、あらかじめ選択エッチングでシリコン基板1を除去しておき、その後、CVD法で第1の金属層21を形成する。 When forming the first metal layer 21 in advance by removing the silicon substrate 1 at a preselected etching, then forming a first metal layer 21 by CVD. また、(c)に示すように、第1の金属層2 Further, as shown in (c), the first metal layer 2
1の代わりに、シリコン基板1のリッジ26下部の部分に、高導電率領域24を設けてもよい。 Instead of one, the ridge 26 lower part of the silicon substrate 1 may be provided with a high conductivity region 24.

【0017】なお、これまでの説明では、半導体基板としてシリコン基板を用いた例について説明したが、他の半導体基板、例えばGaAs、InP等を用いてもよい。 [0017] Incidentally, in the above description, an example has been described using a silicon substrate as a semiconductor substrate, other semiconductor substrate, for example GaAs, it may be used such as InP. さらに、ミリ波帯で動作が可能な素子を形成できるGaAs、InP基板では前述のようなヘテロ・エピタキシャルやボンディングを用いる必要はなく、全ての素子を同一の基板に形成してもよい。 Furthermore, GaAs can form capable of operating elements in the millimeter wave band, it is not necessary to use a hetero-epitaxial and bonding as described above is an InP substrate, may be formed all the elements on the same substrate.

【0018】 [0018]

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、半導体基板上に形成された溝またはリッジを導波路とし、かつ導波路と素子と入出力結合装置を同一基板上に形成するように構成したことにより、 (1)モノリシック構成のため、低コスト、軽量小型化が可能となる。 As described in the foregoing, according to the present invention, the grooves or ridges formed on a semiconductor substrate and a waveguide, and to form the input and output coupling device and waveguide and the element on the same substrate with the arrangements, the (1) for a monolithic structure, it is possible to lower cost, weight and size reduction. (2)配線距離が短く、結合部が無いため、信号の伝送損失、劣化を小さくすることが出来る。 (2) wiring distance is short, since there is no coupling part, transmission loss of signals can be reduced and deterioration. (3)各部の寸法が小さくなっても半導体プロセスを用いて高精度で形成できるため、特に波長の短い電磁波を扱う場合に各性能が向上する。 (3) Since even if the dimension of each part is reduced can be formed with high accuracy by using a semiconductor process, the performance is improved, particularly when dealing with short wave wavelength. (4)マイクロ・ストリップ線路を用いた従来のMMI (4) a conventional MMI using micro-strip line
Cに比べて伝送損失が著しく小さくなり、線路間の結合や上部保護膜の影響による信号の劣化が少なくなる。 Transmission loss is significantly smaller than and C, signal degradation is reduced due to the binding and the influence of the upper protective layer between line. (5)マイクロ・ストリップ線路を用いた従来のMMI (5) conventional MMI using micro-strip line
Cのように裏面に形成される接地電極と表面とを接続するviaホールを形成する必要がないため、厚くならざるを得ない大口径基板を用いても容易に製造することができる。 It is not necessary to form a via hole for connecting the ground electrode and the surface C is formed on the back surface as can be easily manufactured using a large-diameter substrate inevitably thick. (6)溝を用いた構成では、シリコン基板等のように絶縁体に近い高抵抗基板が得られない材料に対しても伝送損失の少ない伝送が可能となる。 (6) In the structure using the groove, it is possible less transmission with transmission loss with respect to the high-resistance substrate is not obtained material close to the insulator such as a silicon substrate or the like. 等の多くの効果が得られる。 Many of the effects of the like can be obtained.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の第1の実施例の断面図。 FIG. 1 is a cross-sectional view of a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の実施例における導波路の製造工程の一部を示す断面図。 2 is a cross-sectional view showing a part of the waveguide manufacturing process in the embodiment of FIG.

【図3】図1の実施例における導波路の製造工程の他の一部を示す断面図。 3 is a cross-sectional view showing another portion of the waveguide of the manufacturing step in the embodiment of FIG.

【図4】本発明の導波路の種々の実施例を示す断面図。 Sectional views showing various embodiments of a waveguide of the present invention; FIG.

【図5】本発明の第2の実施例の断面図。 FIG. 5 is a cross-sectional view of a second embodiment of the present invention.

【図6】第2の実施例における導波路の製造工程を示す断面図。 6 is a sectional view showing a manufacturing step of the waveguide according to the second embodiment.

【図7】従来の金属導波管を用いた伝送装置の一例の斜視図。 7 perspective view of one example of a transmission apparatus using a conventional metal waveguide.

【図8】従来のMMIC( Microwave Monolithic I [8] A conventional MMIC (Microwave Monolithic I
C)の斜視図。 Perspective view of a C).

【図9】従来のMMICに用いたマイクロ・ストリップ線路の一部断面斜視図。 9 partial cross-sectional perspective view of a microstrip line using the conventional MMIC.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1…シリコン基板 24…高導電率領域 2…導波路 25…アンテナ 2′…空所 26…リッジ 3…シリコン素子部 27…充填物 4…高周波素子部 31…ウエル 5…入出力結合装置 32…ゲート酸化膜 6…金属導波管 33…フィールド酸化膜 7…高周波装置 34…ポリシリコンゲート電極 8…制御装置 35…ソース・ドレイン領域 9…GaAs基板 36…第3の金属層 10…viaホール 41…化合物半導体層 11…層間絶縁膜 42…電子走行層 12…接地電極 43…電子供給層 21…第1の金属層 44…ゲート電極 22…第2の金属層 45…ソース・ドレイン領域 23…誘電体 46…第4の金属層 1 ... silicon substrate 24 ... high conductivity region 2 ... waveguide 25 ... antenna 2 '... cavity 26 ... ridge 3 ... silicon device portion 27 ... Charge 4 ... high frequency device 31 ... well 5 ... input and output coupling device 32 ... a gate oxide film 6 ... metal waveguide 33 ... field oxide film 7 ... RF device 34 ... polysilicon gate electrode 8 ... controller 35 ... source and drain regions 9 ... GaAs substrate 36 ... third metal layer 10 ... Via holes 41 ... compound semiconductor layer 11 ... interlayer insulation film 42 ... of the electron transit layer 12 ... ground electrode 43 ... electron supply layer 21 ... first metal layer 44 ... gate electrode 22 ... second metal layer 45 ... drain region 23 ... dielectric body 46 ... the fourth metal layer

Claims (5)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】半導体基板と、 上記半導体基板の主面に形成された溝またはリッジからなる導波路と、 上記半導体基板に形成され、電磁波の送信または受信もしくは双方を行なう入出力結合装置と、 上記半導体基板の主面に形成された半導体素子と、 を有することを特徴とする半導体ミリ波装置。 And 1. A semiconductor substrate, a waveguide made of the semiconductor substrate grooves or ridges formed on the main surface of, formed on the semiconductor substrate, and the input-output coupling device for transmitting or receiving or both of an electromagnetic wave, semiconductor millimeter wave device characterized by having a semiconductor element formed on the main surface of the semiconductor substrate.
  2. 【請求項2】上記導波路を囲む導電層を設けたことを特徴とする請求項1に記載の半導体ミリ波装置。 2. A semiconductor millimeter wave device according to claim 1, characterized in that a conductive layer surrounding the waveguide.
  3. 【請求項3】上記導波路内を上記半導体基板の誘電率よりも高い誘電体で充填したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体ミリ波装置。 3. A semiconductor millimeter wave device according to the above waveguide to claim 1 or claim 2, characterized in that filled with high dielectric than the dielectric constant of the semiconductor substrate.
  4. 【請求項4】上記半導体基板の上記導波路近傍の領域の導電率を、その周辺の領域の導電率よりも高い値に設定したことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体ミリ波装置。 4. A semiconductor according to the conductivity of the region of the waveguide near the semiconductor substrate, to claim 1 or claim 2, characterized in that set to be higher than the conductivity of the region around the millimeter-wave device.
  5. 【請求項5】上記半導体基板はシリコン基板からなるものである、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の半導体ミリ波装置。 Wherein said semiconductor substrate is made of a silicon substrate, a semiconductor millimeter wave device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that.
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