經濟部中央標準局貝工消资合作社印裝 ，c?...
、-J -·*✓ J A7 B7 五、發明説明（1〉 優先權主張 我們主張對於1998年8月13日以快遞郵寄（編號 EL140120622US)寄達美國專利商標局的臨時專利申請案 享有優先權。 發明背景： 1 -發明領域 本發明係大致有關高頻積體電路之領域》 2 -相關技術說明 以砷化鎵為材料的高頻微波範圍積體電路（Integrated Circuit ;簡稱1C)是習知的。包含以矽為材料製造的組件之 低頻範園積體電路也是習知的。最妤是利用碎晶圓製程中 現成的材料及設備，再經過調整，而使坤化鎵為材料的1C 之高頻性能可被以矽為材料的1C所延用。 矽晶圓技術是微電子工業的基礎，但是在嘗試將較成熟 的矽晶圓技術延伸到整合諸如共面傳輸線及電感等的高頻 微波組件時，矽的電阻係數（於純矽時最大）之固有限制已 成為製造以矽為材料的裝置之障礙，因而此種裝置於微波 範園内在技術上無法與砷化鎵競爭〃例如，矽晶圓上大约 10 GHz的耗損大約為砷化鎵上的20倍；以砷化鎵為材料 的微波結構具有較低的正切耗損，這是製造以矽為材料的 結構時所希望達到的目標。可製造性所要求的是穩定、可 預測、可重複生產、且低成本的製程及結果。以砷化錄為 材料的高頻裝置在製造成本上高於以矽為材料的低頻裝 置，但是以矽為材料的低頻裝置可以產生穩定、可預測、 -4- 本紙張尺度適用中關家揉準（CNS > ( 21GX297公兼] ' ------ I ί —I n 1 11— n i , n n 1^1 —訂— — i I -* I 線 (請先閱讀背面之注意事項再填离本頁) 經濟部中央棣準局貝工消費合作社印裝 4 41 08 3 ^ A7 B7 五、發明説明（2 ) 且可重複生產的結果之製程來製造。 於1996年6月18曰授與Mcdonald等人的美國專利 5,528,209說明了 一種以矽為材料的高頻單片式結構，其中 係以電鍍金製程來製造高頻傳輸線。電鍍金製程可能產生 的問題包括：成本、產生阻擋金電遷移到鋼所需之額外製 程步驟、以及電鍍金電解液之處理及沖洗。本發明並不包 含電鍍金製程。相反地’本發明使用濺鍍沈積、濺射清洗、 及灰化製程’而避免了溼式電鍍製程。5,528,2〇9專利說明 了利用活性離子蚀刻（Reactive Ion Etching ;簡稱RIE)製程 而進行的通孔（via)製造。在本發明中，由於使用了可對通 孔斜角此一關鍵性尺寸作較佳控制的雷射消熔（丨aser ablation)製程，所以避免了其中包括溼式或活性離子蝕刻 (RIE)製程的通孔微影製程。5,528,209專利使用苯環丁烯 (BCB)樹脂’但我們發現此種樹脂無法以雷射作良好的處理 而不適用於本發明。本發明所用的聚醯亞胺（p!)則有下列優 點：可以雷射作良好的處理、低介質常數、低溼氣吸收率、 能夠被施加且固化成厚度至少為15微米的一 PI層、以及 能夠耐受銲接或銲線接合（wire bond)成品而不會破裂之溫 度。
Michael Case 等人於 1995 年 IEEE conference 所發表的 論文”High Performance Microwave Elements for SiGe MMICs"說明了一種利用BCB( —種用於預浸潰體技術的樹 脂成分，係作為介質材料之用）的以矽為材料之微波裝置。 我們發現BCB並不適用於本發明之製程，特別是在雷射製 -5- 一 · 本紙張尺度14财關家料（CNS ) A4^ ( 21Gx297公金) — --------^------1τ-------^ {诗先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 41 0 8 3 A7 B7 經濟部中央樣準局貝工消費合作社印«. 五、發明説明（3 ) 程時更不適用。 Anthony Cataldo 及 Ron Wilson 於 1988 年 1 月.26 日出版 的"Electronic Engineering Times"第1頁上發表的文章述及 IBM在以矽鍺為材料的射頻1C領域中之某些活動。 David C. Laney ' Lawrence E. Larson' John Malinowski ' David Harame'Seshu Subanna、Ric.h Volant、Michael Case、 及 Paul Chan 於 1998 年 9 月在 BCTM meeting in Minnesota 簡報 了論文"Low-Loss Microwave Transmission Lines and Inductors Implemented in a Manufacturable Si/SiGe HBT Process"。該論文說明了在具有銅銘金屬線路（CuAl metallization)及厚聚酸亞胺介質的標準妙VLSI結構下對 正方形平面電感及微細長條傳輸線所作量測的實驗結果。 上述研究指示了利用矽VLSI技術製造這些傳輸線及電感 的可行性，並預測了未來可將此種方式應用於以矽為材料 的高性能且低成本的5-10 GHz MMIC。 1989年5月16日授與Ronald S. Horwath等人的美國專 利4,83 0,706說明了一種不必用到雷射的方法，其中係在對 一樹脂絕緣材料作初始部份固化之後，再對傳統上各通孔 壁為筆直且角落為正方形的該樹脂絕緣材料進行最後的固 化，而製造出具有圓角的斜壁通孔。該專利說明了與直壁 通孔相關聯的問題、以及斜壁通孔及使通孔壁與平面化表 面交叉處變圓之效益。 所引述的所有這些參考文件都無述及到本發明的製程及 製品。 -6- 仏浪尺度通用中國國家‘率（<：叫八4祕（210\297公釐） '" (诗先Μ婧背面之注意事項再填寫本頁) 裝. 訂 .丨瘃 經濟部中央樣準局負工消費合作社印衷 , /1 Ί 〇 ；· i υ Ο Α7 ------Β7__ 五、發明説明（4 ) 發明概述 因此，本發明之一目的在於提供一種具有以砷化鎵為材 料的結構的高頻性能特性之以矽為材料的積體電路結構。 本發明之另一目的在於提供—種具有以砷化鎵為材料的高 頻結構的性能特性之以矽為材料的積體電路結構，其中所 採用的製程步驟及設備係與現有矽晶圓技術製程所採用的 製程步騾及設備相容，且整體製造成本在市場上具有競爭 力。 本發明達到了上迷這些目的及其他目的，其中一以矽為 材料的高頻積體電路結構包含一用來隔離各信號線之介質 樹脂。基材通常是以矽為材料的線路後端 (Back-End-Of-Line ;簡稱BE0L)iC製造所用的基材，係以 真空沈積非珍貴金屬之方式而有效率地執行於製造電感、 傳輸線、及電容等元件時之金屬沈積，且以取代亦用於非 微波應用的此種對厚聚醯亞胺介質進行的溼式製程或rie l雷射消熔製程來執行通孔製造。使用雷射時，可製造具 有可預測的且可重複生產的平坦一致之斜壁通孔，且不論 介質之厚度為何都可在該斜壁通孔上沈積連續金屬線路。 與習用技術比較時，本發明之製程步驟數目減少了，且 也儘量減少了溼式製程步驟的數目。所得到的以矽為材料 的模組化結構可設有許多整合式高品質被動微波線路與組 件、以及利用BEOL·金屬線路製法製造的—接地平面。所 製造的結構可根據應用而設有或不設有一接地平面。該楔 組化結構在高頻性能上可與以砰化鎵為材料的結構競爭， 本纸張尺度用中關家標準（CNS ) ί 210X297公釐） --------^------1T------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Α7 Β7 經濟部中央樣準局員工消費合作社印裝 五、發明说明（5 ) 且在成本上可與以矽為材料的結構競爭。本發明適用於諸 如調諧四配網路、無功負載、功率分割器、電晶體、電感、 傳輸線、諧振器、偶合器、類比信號、混合信號、射頻信 號、通訊、阻抗變量器、單片式微波積體電路（M〇n〇Ht仏 Microwave Integrated Circuit;簡稱 乂"1〇：)連接線路等微波 元件之應用及市場。 本發明之優點包括：提供耗損低於以矽為材料的BE()ij 結構之傳輸線結構；超過砰化鎵的自行踏振頻率，且q因 數遠優於BEOL ;矽晶圓技術可進行用於不得設有整合式 被動元件之雷達（20 GHz)應用；以及使碎化鎵得以進行高 階的整合（BiCMOS)。本發明結構的模組化可將額外的高頻 Μ波接收/發射能力加入與妙、硬錯、坤化嫁、及其他半導 體基材有關的現有產品. 在本發明的一實施例中，係利用固體導電端點通孔之形 成而正常地處理矽鍺晶圓。在大約攝氏400度的溫度下， 將數量足以造成標稱厚度15微米的一固化層之聚酿亞胺 (PI)58ll(為 ε. I, Dupont et Nemours and Co, (Delaware)之 產品）置於晶圓上旋轉塗佈並固化《在固化的PI上執行將 深入每—端點銷通孔之雷射消熔，以便產生約為62度角的 一圓形斜壁通孔。在矽鍺與聚醯亞胺之間設有TV介質， 該τν介質包含一個二氧化矽/氮化矽夾層。利用ΚΙΕ製程 而以含氧電漿將消熔之通孔灰化，亦可選擇性地執行後績 的錢射蝕刻製程，以保證自斜壁通孔去除雷射施加之後所 留下的任何碎片。寬度最窄的通孔之直徑約為1〇微米。然 8 - 尽紙狀^適用中國國家標率（CNS ) Μ胁（210X297公釐） ΙΙΙΙΙ1 II 裝 1 1 訂 II I 成 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 4 41 0 8 3 經濟部中央樣準局勇工消費合作杜印裳 A7 _________B7_ 五、發明説明（6 ) 後在PI上（包括沿著端點銷通孔之斜壁及底部），以濺鍍沈 積製程沈積一厚度約為2微米至2.5微米的鋁銅金屬層， 以便在各傳輸線之間作出電氣連接。該紹銅層之合金比中 銅約佔總重的0.2°/。到5.0%。在微影製程之後，以一上方金 屬钱刻製程使各傳輸線成形。在該結構上旋轉塗佈一第二 光阻層’並固化成約為3微米的厚度，而且製造”球形通 孔"，以便使在各預定位置上的傳輸線具有電氣連接。雖然 因係以雷射而非以微影製程使構形成形，而使厚聚酿亞胺 層無須具有感光性’但是第二聚醯亞胺層可以具有感光 性，這是因為該層薄得足以用微影製程取代雷射製程即可 產生圖樣。在球形通孔上施加鉛錫鲜料，再進行迴鲜及冷 卻’即可形成銲球，以供後續以錫料熔接受控制的晶片連 接法（Controlled Collapse Chip Connection;簡稱 C4)連接 到春戶指定的構裝。鮮線接合（wire bonding)是C4接合的 一種替代方式β 為了有助於對本發明的進一步了解，請配合各圖示而參 閱下文中之詳細說明。 附圖簡述 圖ΙΑ、1Β、1C、1D、及1Ε合而以橫斷面圖之方式示出 於準備本發明的結構時之各主要階段β 圖2是其中包括多個端點銷通孔及球形通孔的本發明— 完成結構之橫斷面圖。 圖3Α示出當配置線路的介質材料之厚度為β微米且其 有效介質常數為2.8時用來計算分別具有三個寬度中的— -9- 本紙張又度適用中國國家標隼（CNS ) 格（210X297公楚) ' 〜" (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局貝工消背合作社印裝 4 41 08 3 A7 B7 ----------~--------' ' 五、發明説明（7 ) 寬度的傳輸線阻抗預測值之方程式。圖3 B示出該計算的結 果及每一寬度之平均量測阻抗。 圖4示出有效介質常數隨著三種量測線寬的每一線寬之 頻率而變之情形。 圖5示出以分貝/毫米為單位的耗損隨著三種量測線寬的 每一線寬之頻率而變之情形。 圖6示出以分貝/波長為單位的耗損隨著三種量測線寬的 每一線寬之頻率而變之情形= 圖7示出Q(品質）因數隨著三種量測線寬的每一線寬之 頻率而變之情形β 圖8Α示出用來計算圖8Β所示最大阻抗隨著三種量測線 寬的每一線寬之頻率而變之方程式。 圖9示出27微米線寬之阻抗隨著頻率而變之情形^ 圖10示出27微米線寬的有效介質常數隨著頻车而變之 情形β 較佳實施例之詳細說明： 製造及結構： 圖1Α示出已準備好接地平面（17)的一矽鍺晶圓基材 (1 〇) ’其中包含端點銷（18)。在包含端點銷（18)的晶圓基材 (10)表面上配置一厚介質材料層（11)，該厚介質材料層（η) 最好是使用 Dupont et Nemours and Co.(Delaware)生產的 聚醯亞胺581 1或5878。施加該介質，並將該介質固化， 亦即將該介質加熱到約攝氏400度，以便蒸發掉溶劑，並 以熱交連樹脂聚醯亞胺介質。固化後厚聚醯亞胺介質（11) -10- ---------^------1T------^ (諳先聞讀背面之注意事項再填寫本頁〕 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) — 經濟部中央標隼局—工消費合作社印装_ 4 41 0 8 3 發明説明（8 最.、厚度係取決於最終裝置的功能需求，而為^微米到 15微米？約比以硬為材料的ic技術中傳統所用的厚度 個數量、及纟此種厚聚酿亞胺層中，以逵式微影製程 產生此種狹窄寬度的精密通孔將是不切實際或是無法製造 的為了避免圖1C所不金屬層（2〇)中形成的各微波傳輸線 與叫圓基材(10)間疋信號耗損，並為了保證在高射頻下能 有间叩#(Q)的電厚介質層（⑴是必要的。最好是將液 ㈣Μ 質旋轉塗佈H上，並使該介質固 化’以便得到所需的厚度；旋轉塗饰速度愈慢該層將愈 厚。此外，亦可利用若干中間固化步驟進行—次以上的塗 佈，而將該介質建立成所需的厚度。如果使用此種替代的 技術，則在每一次固化之後，且在施加下一樹脂層之前， 先施加諸如Union Carbide所生產的有機性矽烷底層塗劑 之六甲基二亞颯（HMDS)或Ai 1〇〇等的黏著促進劑，隨後再 執行加氧灰化這一額外的步驟。Lam Research公司（CA)所 供應的一種Drytek Quad RIE工具係用來進行灰化，該灰化 步驟使用下列參數：200瓦的功率、5〇 sccm的流量率' 3〇〇 mT的愿力、對每一片晶圓進行3〇秒的時間。在固化製程 中，係在一充滿氮氣的紅外線烤箱中，以每分鐘大約上升 攝氏5度的速率，使溫度徐緩上升到大約攝氏4〇〇度的最 後固化溫度。在一個2步騾的固化製程中，第一塗層係被 固化到大約攝氏220度的溫度，而第二塗層則被固化到大 約攝氏385度的溫度。 圖1B示出一固化後聚醯亞胺介質層（11),該介質層已經 -本紙依尺度適用中國國家標準（CNS M4規格（210X297公釐） --------^------------.綵 (讀先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
經濟部中央標隼局貝工消费合作社印裂 五、發明説明（9 ) 過雷射消熔、加氧灰化、及濺射清洗等製程，而產生了一 個延仲到端點銷（18)之清潔通孔（12)，且由於雷射消嫁，而 使該通孔（12)具有最好是約為62度的斜壁（13)，以便容納 圖lc所示之一連續金屬層（2〇)。每一通孔（12)都包含亦如 圖lc所示之各圓形邊緣（21)，其中斜壁銷通孔（12)壁與固 化厚聚醯亞胺（II)的平面化表面交叉=對該聚醯亞胺厚度 進行的雷射消熔產生了精密通孔，該等精密通孔在寬度最 窄處可窄到大約1 〇微米到2 5微米。雖然通孔的雷射消馆: 壁（13)之角度最好是約為62度，但是請注意，角度在62 度的加或減15 %而在大約5 2度到7 1度之間角度的消熔壁 也可差強人意地製造出具有連續金屬層及圓形邊緣（21)之 窄寬度精密通孔。 雷射去除足夠的聚醯亞胺’而在不會損及端點銷（18)下 層金屬的情形下形成斜壁通孔（12)-所用的雷射消溶工具 是 Tamarack Scientific Co.(Anaheim, CA)製造的 Tamarack model 290。產生以氣化氙為媒介之準分子雷射，該準分子 雷射之規格如下：波長308奈米、頻率300赫、脈衝密度 400脈衝/平方毫米、及能量密度2〇〇毫焦耳/平方釐米可 利用加氧灰化製程去除消熔製程所留下的任何碎屑，該加 氧灰化製程即是一種脈衝密度為4〇〇脈衝/平方毫米的準分 子雷射製程’用以自包園斜壁通孔（12)的固化聚醯亞胺介 質層（1 1)之外露表面去除較少的介質，而使向下切削最 小’並使聚酸亞胺（11)有大致均勻的厚度。在Drytek Quad RIE的工具（由Lam Research公司（California)所生產）中， -12- --------^------.訂------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家揉準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 f 441083 A7 ______ B7 五、發明説明p〇 ) 係在200瓦的功率、50 seem的流量率、及300 mT的壓力 下執行灰化製程》在濺鍍該連續金屬層（2〇)之前進行的濺 射預清洗製程去除斜壁通孔（12)内任何尚存的殘餘物。 然後執行鋁銅的覆蓋濺鍍沈積，以便產生所需厚度的金 屬層（20)，該厚度通常約為1到5微米，例如約為2.5微米。 然後準備以微影製程界定金屬層（20)，並蝕刻入高頻傳輸 線’或製造出其他的微波元件《利用容積比例為1份硝酸·· 3份去離子水：16份磷酸（這些酸具有"市場現成品〃的濃 度’並在每加命酸中加入幾滴諸如Ashland Chemical公司 所供應的Igepal等的非離子表面作用劑。）的溶液來姓刻鋁 銅線路。該蝕刻劑適當地控制分別影響到高頻結構中的耗 損及阻抗之細微線寬及各線間之間隔。使用氯氣乾式RIE 製程時，可證明4%鋁銅或0.5%鋁銅有比溼式蝕刻更佳的 解析度。將抗反射的氮化鈦（圖中未示出）濺鍍沈積在金屬 層（20)的外露表面時’有助於完成一致的微影製程，大約 320埃到600埃的氮化鈦即已足夠。利用熱過氧化氫去除 在形成傳輸線之後的殘餘物。 此時’將圖1D所示的第二聚醯亞胺介質層（14)施加到表 面，並以約攝氏400度的溫度將該介質層固化，而得到大 約3微米到4微米的厚度，且露出圖I e所示之球形通孔 (15)，並使球形通孔（15)向下生成到金屬層（2〇)中製造的傳 輸線。在此步驟中’可使用雷射製程以取代溼式微影製程。 將錯錫銲料施加到球形通孔（丨5)，然後對鉛錫銲料執行迴 銲製程，並冷卻成一球形（1 9) β銲線接合是C4接合的—種 13- 本紙張財固國家橾準（CNS ) μ胁（2丨j --- --------t------ΐτ------^ (請先W讀背面之注項再填寫本頁) 441083 A7 B7 經濟部中央標準局貝工消費合作社印装 五、發明说明（11 ) 替代方式"現在已可利用錫料熔接受控制的晶片連接（<：4) 方式將銲球（19)接合到—客戶指定的構裝，而安裝該結構。 圖2中本發明的一結構之橫斷面圖示出：通常在—基材 上會製造出比則文中參照圖1A一 1 e針對單一元件實例而示 出及說明的更複雜之圖樣D 量測： 進行各種量測，以便決定配置在一厚聚醯亞胺層上的各 種長度及寬度的傳輸線之性能。除非另有指示，否則都是 針對一信號導體執行所有的量測，而該信號導體係由配置 在一硬化聚醯亞胺581 1層上的厚度為2.5微米的4%鋁銅 所構成’而該硬化聚醯亞胺5811層具有大約13微米之標 稱厚度、及2.8之有效介質常數（Eeff)，丑該硬化聚醯亞胺 58 11層又係配置在一覆蓋有厚度大约15微米且為大約4〇/〇 鋁铜的接地平面之矽基材上。係針對長度為370微米及 3362微米且寬度分別為15微米及27微米的信號導體進行 量測，並針對長度為171微米及1668微米且寬度為8.5微 米的信號導體進行量測β 收集雙淳的S參數資料，並將結果與預期值比較。利用 MatLab公司（Massachusetts)所供應的MatLab軟體程式，而 自其中並不包括接觸墊及探針所產生影響的所量測S參數 資料計算Zo、Eeff、及分貝（耗損）之傳輸線資料。經由一 般用途介面卡（General Purpose Interface Board;簡稱 GPIB) 將資料傳送到一個人電腦。利用 HP Tester 8750(由 Hewlett-Packard 公司（Oregon)所生產）、Cascade 100 微米 -14- 本纸張尺度適用中國國家標牟（CNS ) A4規格（210X29?公釐} (請先聞讀背面之注意事項再填窝本頁) A7 B7 經濟部中央橾準局貝工消费合作社印製 五、發明説明（12) 間距探針、SOLT校準裝置及Alessi晶圓工作站來收集資 料。資料分析程序包含由University of California at Los Angeles (UCLA)的H. J，Orchard教授所建議的一種方法， 且該方法係示於圖13A-13D。 係利用圖3 A所示之方程式來計算阻抗之預期值，且 在圖3B中繪出Z〇隨著線寬而變化的情形。位於預期值曲 線圖稍微上方的二個點是量測值，該等量測值與預期值約 有10°/。内之誤差。較窄的線有較高的阻抗。 Eeff隨著每一量測線寬的頻率而變化的情形係示於圖 4。當頻率高於約8·5 GHz時，所測試的所有線寬之Eeff 值是相當一致的。 每一毫米的耗損（分貝）隨著每一量測線寬的頻率而變之 情形係示於圖5，而每一波長的分貝數隨著頻率而變之情 形係示於圖6。在微波頻率時，較寬的線通常具有較低的 耗損’但是在最高頻率範圍時，特定線寬間之差異較不顯 著《在所測試的頻率範圍中，較窄的線在耗損分貝數上有 較為一致。 Q值隨著每一量測線寬的頻率而變之情形係示於圖7。 當頻率低於約10 GHz時’較窄的線寬有較高的Q值，但 是對於鬲於該頻率值的所有量測頻率，所有的線寬不再具 有Q值趨勢的一致性。 圖8 A所示方程式計算出的Zmax(最大阻抗）隨著每—量 測線寬的頻率而變之情形係示於圖8B。15微米及27微米 寬度的線具有比3 8.5微米寬度的線更大的Zmax，但是在 -15- I n I n 1 n n - n n n ^ n ϋ n I 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度逍用中國國家標率（CNSM4規格（2丨0x297公釐〉 經濟部中央標準局負工消費合作.杜印裝 ；4 410 8 3 Α7 ____________Β7_ 五、發明説明（13 ) 所量測的所有頻率上，27微米寬度的線之Zmax值比15微 米寬度的線之Zmax值更具有一致性。 如圖9所示，隨著27微米線寬的頻率而變的阻抗值z〇 在高於約5.5 GHz的頻率上係保持固定。如圖10所示，隨 著27微米線寬的頻率而變之Eeff值在高於约7.5 GHz的 頻率上係保持固定。 較厚的介質雖然提供較低的耗損，但仍需較寬的信號線 寬，以便維持阻抗。 本發明的結構之尺寸是在考慮到最終產品的工作頻率所 需的電氣特性要求下之折衷方案。例如，如果想要使最終 產品在10 GHz下工作，且介質材料具有13微米的厚度及 2·8的Eeff，則3 0微米的線寬將是一個合理的妥協方案。 量測結果顯示本發明之模組化結構是適當的且可製造 的’亦即在用於其特定用途時是穩定的、可預測的、及可 重複生產的。 雖然已配合一個或多個特定實施例而說明了本發明，但 是熟悉本門技術者在參照前文所述的資訊之後將易於作出 各種修改。因此’本發明將包含本發明的精神及廣義範圍 所涵蓋的所有此類修改。 -16- 本尺瞻縣7c叫Α4—ϋχ瓣羡] n 1 —i n n n I ! 士^丁 — 衣 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)