專利名稱：具有天線的半導(dǎo)體元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及應(yīng)用于高頻的(high frequency，HF)集成電路半導(dǎo)體裝置，具體是關(guān)于一種半導(dǎo)體裝置的具有天線的半導(dǎo)體元件。
如

圖1所示，符號10代表例如單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基底，半導(dǎo)體基底10表面形成有以閘極18、源極12、汲極14與閘極氧化層16構(gòu)成的金氧半晶體管(metaloxide semiconductor transistor；MOS transistor)。上述金氧半晶體管的上方形成有介電層20。
圖1的符號GSG代表共面波導(dǎo)金屬線，分別為接地，訊號，接地，用以傳輸高頻訊號，其電場分布E如圖所示。半導(dǎo)體基底10的厚度約500μm左右，且在半導(dǎo)體基底10的背面形成一接地用的導(dǎo)體層26。
然而，半導(dǎo)體基底10由摻有p型離子的單晶硅材料構(gòu)成，由于半導(dǎo)體基底10導(dǎo)電特性，使得高頻訊號在傳輸過程中發(fā)生訊號損失或遞減。
另外，在美國專利第6239752號中，揭示將天線與半導(dǎo)體晶粒分開，之間以金屬線相連結(jié)。該專利所揭示的天線構(gòu)造并不是整合在單一晶粒中，所以較占面積。
有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種具有天線的半導(dǎo)體元件，能夠整合晶體管與天線于單一晶粒中。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明提供一種具有天線(antenna)的半導(dǎo)體元件，包括一半導(dǎo)體基底，該基底具有至少一金氧半晶體管；復(fù)數(shù)個頂部金屬層(topmetal)，設(shè)置于上述半導(dǎo)體基底上方，以當(dāng)作電磁波遮蔽層，其中該等頂部金屬層彼此之間并無電性連接；一鈍化層(passivation)，設(shè)置于該等頂部金屬層的表面，用以保護(hù)該半導(dǎo)體基底與該等頂部金屬層；一第一絕緣層(insulator)，設(shè)置于該鈍化層上方；以及一金屬線，設(shè)置于該第一絕緣層表面，用以當(dāng)作訊號傳收的天線。
其中該等頂部金屬層與該半導(dǎo)體基底之間更包括互相絕緣的復(fù)數(shù)層金屬線。而其中在該天線上方更包括有一第二絕緣層，用以保護(hù)該天線。而其中在該基底下方更包括有一導(dǎo)體層，用以當(dāng)作該半導(dǎo)體元件的地線。
本發(fā)明又提供另一種具有天線的半導(dǎo)體元件，包括一半導(dǎo)體基底，該基底具有至少一金氧半晶體管；一鈍化層，設(shè)置于該基底上方，用以保護(hù)該半導(dǎo)體基底；復(fù)數(shù)個金屬層，設(shè)置于該鈍化層上方，以當(dāng)作電磁波遮蔽層，其中該等金屬層彼此之間并無電性連接；一第一絕緣層，設(shè)置于該等金屬層上方；以及一金屬線，設(shè)置于該第一絕緣層表面，用以當(dāng)作訊號傳收的天線。
其中該鈍化層與該半導(dǎo)體基底之間更包括互相絕緣的復(fù)數(shù)層金屬線。而其中在該天線上方更包括有一第二絕緣層，用以保護(hù)該天線。而其中在該基底下方更包括有一導(dǎo)體層，用以當(dāng)作該半導(dǎo)體元件的地線。
本發(fā)明能夠在單一晶粒(single chip)中形成該元件，達(dá)到集成電路縮小化的目標(biāo)，并且可提高天線效率(antenna efficiency)。
圖3為根據(jù)本發(fā)明第一實施例的具有天線的半導(dǎo)體元件構(gòu)造上視圖(只繪出天線與電磁波遮蔽層)；圖4為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的具有天線的半導(dǎo)體元件構(gòu)造剖面圖；圖5為根據(jù)本發(fā)明第二實施例的具有天線的半導(dǎo)體元件構(gòu)造上視圖(只繪出天線與電磁波遮蔽層)。
第一實施例以下利用圖2及圖3所示的具有天線的半導(dǎo)體元件構(gòu)造剖面圖及上視圖(只繪出天線與電磁波遮蔽層)說明根據(jù)本發(fā)明的第一實施例。
如圖2所示，符號100代表例如單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基底，該基底100下方表面可更包括有一導(dǎo)體層110，用以當(dāng)作地線，半導(dǎo)體基底100表面形成有以閘極180、源極120、汲極140與閘極氧化層160構(gòu)成的金氧半晶體管(MOS)。
形成上述金氧半晶體管之后，形成一介電層101，接著在介電層101表面可形成彼此絕緣設(shè)置的復(fù)數(shù)個金屬導(dǎo)線M，以連系各個電路。上述復(fù)數(shù)個金屬導(dǎo)線M之間具有介電層103、105、107、109，使金屬導(dǎo)線M絕緣地分布于不同層級。
接著，形成復(fù)數(shù)個頂部金屬層(top metal)111的同時，于欲形成天線區(qū)域118的相對位置，定義一電磁波遮蔽層(shielding layer)。這里要特別強調(diào)的是，請參見圖3所示的上視圖，該等頂部金屬層111彼此之間并無電性連接，其用意是當(dāng)將來形成天線的金屬線S上有電流時，若頂部金屬層是一整片的話，就會在一整片的頂部金屬層上產(chǎn)生與天線電流反方向的鏡像電流(imagecurrent)，而抵銷天線的電場，導(dǎo)致天線的訊號發(fā)不出去，因此本發(fā)明的彼此互不電性接觸的片狀層(sheet layer)的該等頂部金屬層111，亦即該等頂部金屬層111之間具有絕緣性質(zhì)的縫隙(slot)320，能夠使鏡像電流中斷而解決上述的習(xí)知問題。另外該等頂部金屬層111的材料例如是銅、金、銀、鋁等，厚度約大于等于6μm。
接著，請參見圖2，由該等頂部金屬層構(gòu)成的電磁波遮蔽層111表面形成有一利用低介電常數(shù)(low dielectric constant)材料構(gòu)成的鈍化層115，材料例如是氮化硅(Si3N4)或二氧化硅。
接著，請參見圖2，采用低介電常數(shù)的聚酰亞胺(polyimide)材料以當(dāng)作鈍化層上方的絕緣層117。其中該絕緣層117的厚度約大于等于20μm，具有足夠厚度(＞＝20μm)的絕緣層117用以使電磁波遠(yuǎn)離上述半導(dǎo)體基底100，并且采用使電磁波在傳遞時不會有任何能量的損失的絕緣材料。
請參見圖2、圖3，符號S表示用來發(fā)送或接收訊號的天線，該天線S的材質(zhì)例如是銅、銀、鋁等金屬，厚度約2-20μm，其設(shè)置于該等頂部金屬層111相對位置的絕緣層117表面。這里要特別強調(diào)的是，該金屬線S為一非直線的金屬線，例如像圖3所示的上視圖的天線S的形狀，該天線S連接到一主動元件310，例如是功率放大器用的MOS。
另外請參見圖2，在該天線S上方，可更形成有一例如是聚酰亞胺的絕緣層117’，用以保護(hù)該天線S。
本實施例的優(yōu)點是由于以頂部金屬層(top metal)當(dāng)作電磁波遮蔽層111，然后再形成厚度至少是20μm的聚酰亞胺層117，使得電磁波能量被限制于上述頂部金屬層之上的聚酰亞胺材料間，因此能夠降低傳輸高頻訊號時的損失或遞減，并避免與CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)之間的干擾(cross talk)。另外，由于本發(fā)明的頂部金屬層構(gòu)成的電磁波遮蔽層111具有彼此相互絕緣的不連續(xù)的片狀板的特征，所以能夠降低鏡像電流的產(chǎn)生，提升天線效率。另外，本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板頂部金屬層111可減少應(yīng)力，可避免不同材料之件龜裂的問題。另外，本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板頂部金屬層111在曝光制程中的曝光均勻度會比一大片金屬層好，較不會產(chǎn)生金屬層與周圍電路產(chǎn)生短路的困擾。以及本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板頂部金屬層111，在CMP(chemicalmechanical polishing)研磨制成中，較不會產(chǎn)生Dishing現(xiàn)象。
第二實施例以下利用圖4及圖5所示的具有天線的半導(dǎo)體元件構(gòu)造剖面圖及上視圖(只繪出天線與電磁波遮蔽層)說明根據(jù)本發(fā)明的第二實施例，而本實施例內(nèi)與前實施例所用的各層若性質(zhì)相同，將盡量以相同圖標(biāo)符號表示。
如圖4所示，符號100代表例如單晶硅構(gòu)成的半導(dǎo)體基底，該基底100下方表面可更包括有一層導(dǎo)體層110，用以當(dāng)作地線，半導(dǎo)體基底100表面形成有以閘極180、源極120、汲極140與閘極氧化層160構(gòu)成的金氧半晶體管(MOS)。
形成上述金氧半晶體管之后，形成一介電層101，接著在介電層101表面可形成彼此絕緣設(shè)置的復(fù)數(shù)個金屬導(dǎo)線M，以連系各個電路。上述復(fù)數(shù)個金屬導(dǎo)線M之間具有介電層103、105、107、109，使金屬導(dǎo)線M絕緣地分布于不同層級。
接著，請參見圖4，形成一例如由低介電常數(shù)氮化硅(Si3N4)或二氧化硅所構(gòu)成的鈍化層415于該介電層109上，然后在該鈍化層415上形成例如是金(Au)的復(fù)數(shù)個金屬層(metal on passivation)411的同時，于欲形成天線區(qū)域418的相對位置，定義一電磁波遮蔽層(shielding layer)。這里要特別強調(diào)的是，請參見圖5所示的上視圖，該等金屬層411彼此之間并無電性連接，其用意是當(dāng)將來形成天線的金屬線S上有電流時，若金屬層是一整片的話，就會在一整片的金屬層上產(chǎn)生與天線電流反方向的鏡像電流(image current)，而抵銷天線的電場，導(dǎo)致天線的訊號發(fā)不出去，因此本發(fā)明的彼此互不電性接觸的片狀層(sheetlayer)的該等金屬層411，亦即該等金屬層411之間具有絕緣性質(zhì)的縫隙(slot)520，能夠使鏡像電流中斷而解決上述的習(xí)知問題。另外該等金屬層411的材料例如是銅、金、銀、鋁等，厚度通常約大于等于6μm。
接著，請參見圖4，采用低介電常數(shù)的聚酰亞胺(polyimide)材料以當(dāng)作該等金屬層411上方的絕緣層417。其中該絕緣層417的厚度約大于等于20μm，具有足夠厚度(＞＝20μm)的絕緣層417用以使電磁波遠(yuǎn)離上述半導(dǎo)體基底100，并且采用使電磁波在傳遞時不會有任何能量的損失的絕緣材料。
請參見圖4、圖5，符號S表示用來發(fā)送或接收訊號的天線，該天線S的材質(zhì)例如是銅、銀、鋁等金屬，厚度約2-20μm，其設(shè)置于該等金屬層411相對位置的絕緣層417表面。這里要特別強調(diào)的是，該金屬線S為一非直線的金屬線，例如像圖5所示的上視圖的天線S的形狀，該天線S連接到一主動元件510，例如是功率放大器用的MOS。另外請參見圖4，在該天線S上方，可更形成有一例如是聚酰亞胺的絕緣層417’，用以保護(hù)該天線S。
本實施例的優(yōu)點是由于以該等金屬層(metalon passi vation)當(dāng)作電磁波遮蔽層411，然后再形成厚度至少是20μm的聚酰亞胺層417，使得電磁波能量被限制于上述金屬層411之上的聚酰亞胺材料間，因此能夠降低傳輸高頻訊號時的損失或遞減，并避免與CMOS之間的干擾(cross talk)。另外，由于本發(fā)明的該等金屬層構(gòu)成的電磁波遮蔽層411具有彼此相互絕緣的不連續(xù)的片狀板的特征，所以能夠降低鏡像電流的產(chǎn)生，提升天線效率。另外，本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板金屬層411可減少應(yīng)力，可避免不同材料之件龜裂的問題。另外，本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板金屬層411在曝光制程中的曝光均勻度會比一大片金屬層好，較不會產(chǎn)生金屬層與周圍電路產(chǎn)生短路的困擾。以及本發(fā)明的不連續(xù)的片狀板金屬層411，在CMP研磨制成中，較不會產(chǎn)生Dishing現(xiàn)象。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例說明如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此項技藝者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)以權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于該半導(dǎo)體元件包括一半導(dǎo)體基底，該基底具有至少一晶體管；復(fù)數(shù)個頂部金屬層，設(shè)置于上述半導(dǎo)體基底上方，以當(dāng)作電磁波遮蔽層，其中該等頂部金屬層彼此之間并無電性連接；一鈍化層，設(shè)置于該等頂部金屬層的表面，用以保護(hù)該半導(dǎo)體基底與該等頂部金屬層；一第一絕緣層，設(shè)置于該鈍化層上方；以及一金屬線，設(shè)置于該第一絕緣層表面，用以當(dāng)作訊號傳收的天線。
2.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該等頂部金屬層與該半導(dǎo)體基底之間更包括互相絕緣的復(fù)數(shù)層金屬線。
3.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中在該天線上方更包括有一第二絕緣層，用以保護(hù)該天線。
4.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中在該基底下方更包括有一導(dǎo)體層，用以當(dāng)作該半導(dǎo)體元件的地線。
5.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該鈍化層由氮化硅或二氧化硅材料所構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第一絕緣層由聚酰亞胺材料所構(gòu)成。
7.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該天線由銅、銀或鋁材料所構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第一絕緣層的厚度大于等于20μm。
9.如權(quán)利要求1所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該天線的外觀形狀為彎曲線形狀。
10.如權(quán)利要求3所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第二絕緣層由聚酰亞胺材料所構(gòu)成。
11.一種具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于該半導(dǎo)體元件包括一半導(dǎo)體基底，該基底具有至少一晶體管；一鈍化層，設(shè)置于該基底上方，用以保護(hù)該半導(dǎo)體基底；復(fù)數(shù)個金屬層，設(shè)置于該鈍化層上方，以當(dāng)作電磁波遮蔽層，其中該等金屬層彼此之間并無電性連接；一第一絕緣層，設(shè)置于該等金屬層上方；以及一金屬線，設(shè)置于該第一絕緣層表面，用以當(dāng)作訊號傳收的天線。
12.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該鈍化層與該半導(dǎo)體基底之間更包括互相絕緣的復(fù)數(shù)層金屬線。
13.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中在該天線上方更包括有一第二絕緣層，用以保護(hù)該天線。
14.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中在該基底下方更包括有一導(dǎo)體層，用以當(dāng)作該半導(dǎo)體元件的地線。
15.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該鈍化層由氮化硅或二氧化硅材料所構(gòu)成。
16.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第一絕緣層由聚酰亞胺材料所構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求所11述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該天線由銅、銀或鋁材料所構(gòu)成。
18.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第一絕緣層的厚度大于等于20μm。
19.如權(quán)利要求11所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該天線的外觀形狀為彎曲線形狀。
20.如權(quán)利要求13所述的具有天線的半導(dǎo)體元件，其特征在于其中該第二絕緣層由聚酰亞胺材料所構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種具有天線的半導(dǎo)體元件，該元件包括一半導(dǎo)體基底，該基底具有至少一晶體管；復(fù)數(shù)個頂部金屬層，設(shè)置于該半導(dǎo)體基底上方，以當(dāng)作電磁波遮蔽層，其中該等頂部金屬層彼此之間并無電性連接；一鈍化層，設(shè)置于該等頂部金屬層的表面；一第一絕緣層，設(shè)置于該鈍化層上方；以及一金屬線，設(shè)置于該第一絕緣層表面，用以當(dāng)作訊號傳收的天線。另外，上述頂部金屬層與鈍化層的位置可以互換。本發(fā)明能夠在單一晶粒中形成該元件，達(dá)到集成電路縮小化的目標(biāo)，并且可提高天線效率。
文檔編號H01L29/78GK1437268SQ0210349
公開日2003年8月20日 申請日期2002年2月6日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月6日
發(fā)明者蔡肇杰 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司