專利名稱：用于在芯片內(nèi)放置有源和無源裝置的技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路(IC)。更具體來說，本發(fā)明提供用于在半導(dǎo)體芯片內(nèi)布置有源和無源裝置的技術(shù)。
背景技術(shù)：
圖1為常規(guī)CMOS設(shè)計100的說明。常規(guī)設(shè)計100包括襯底102和升高的金屬層 Ml到Mn。在此實例中，重新分布設(shè)計層(Redistributed Design Layer，RDL) 101包括金屬氧化物，且因此還可被稱作金屬層。升高的金屬層Ml到Mn在后段工藝期間進行制造，且被稱作后段工藝(BEOL)層103。有源層106被制造在襯底102上，且包括例如匪OS晶體管107和PMOS晶體管108 等有源裝置。襯底處理和有源裝置制造發(fā)生于前段工藝期間且被稱作前段工藝(FEOL)層。設(shè)計100還包括制造于升高的金屬層Ml到Mn中的一者中的電感器110。因此， 電感器110坐落于直接處于有源層106上方的BEOL金屬層堆疊中。圖2展示設(shè)計100的簡化版本，其展示電感器110被放置在BEOL金屬層堆疊內(nèi)。在有源層106內(nèi)，區(qū)域105為直接在電感器110下方的區(qū)域。應(yīng)注意到，如本文中所使用，“上方”和“下方”并不指示上 /下的方向關(guān)系，而是指代在堆疊中的放置。舉例來說，BEOL組件被稱作在襯底102上方或在有源層106上方，而RDL 101被稱作在襯底102下方。在常規(guī)設(shè)計100中，區(qū)域105經(jīng)歷來自電感器110的高電磁干擾水平，使得區(qū)域 105不適合于有源裝置。區(qū)域105表示襯底102上的大部分空間，可在所述大部分空間上以其它方式制造有源裝置。事實上，在一些常規(guī)設(shè)計中，有源層106中的等于AXB的面積 (見圖1)不可用，且在當(dāng)前設(shè)計中，AXB可處于300微米乘300微米的范圍中一足夠大以容納約1，000，000個晶體管的面積。常規(guī)設(shè)計常具有增加的裸片大小，以便容納歸因于電感器的放置而損耗的大量浪費的空間。浪費的裸片空間轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾拥某杀?。?dāng)前，除了限制無源裝置的使用外，不存在用以限制由例如電感器等無源裝置造成的大量浪費的空間的有效和可用技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各種實施例針對于在襯底的與安置有源裝置(例如，晶體管)的側(cè)面不同的側(cè)面上安置無源裝置(例如，電感器)的系統(tǒng)和方法。在一個實例中，一種半導(dǎo)體裸片包括半導(dǎo)電襯底層，其具有第一側(cè)面和第二側(cè)面；金屬層，其鄰近于所述半導(dǎo)電襯底層的所述第二側(cè)面；一個或一個以上有源裝置，其位于有源層中，所述有源層為所述半導(dǎo)電襯底層的所述第一側(cè)面的一層；以及無源裝置，其位于所述金屬層中，與所述有源層電連通。在另一實例中，一種裸片包括有源層，其位于半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面上；有源裝置，其位于所述有源層中；金屬層，其位于所述半導(dǎo)體襯底的一第二側(cè)面上；無源裝置，其位于所述金屬層中；以及用于穿過所述半導(dǎo)體襯底提供所述有源裝置與所述無源裝置之間的電連通的裝置，其中所述用于提供電連通的裝置可包括一個或一個以上穿硅通孔(TSV)。
另一實例包括一種用于制造半導(dǎo)體裝置的方法。安置若干層以使得在半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面上存在金屬層和安置于所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)面上的有源層。將有源裝置安置在所述有源層內(nèi)，且將一個或一個以上無源裝置安置在所述金屬層中。在所述一個或一個以上無源裝置與所述一個或一個以上有源裝置之間形成電連接。前文已相當(dāng)廣泛地概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)勢以便可較好地理解隨后的本發(fā)明的具體實施方式
。下文將描述形成本發(fā)明的權(quán)利要求書的標的物的本發(fā)明的額外特征和優(yōu)勢。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，所揭示的概念和特定實施例可易于用作修改或設(shè)計用于實現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其它結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)認識到，此些等效構(gòu)造并不脫離如所附權(quán)利要求書中所陳述的本發(fā)明的精神和范圍。當(dāng)結(jié)合附圖考慮時， 從以下描述將更好地理解據(jù)信為本發(fā)明所特有的新穎特征(關(guān)于其組織和操作方法兩者) 以及其它目的和優(yōu)勢。然而應(yīng)明確理解，僅為說明和描述的目的而提供所述圖中的每一者， 且無意作為本發(fā)明的限制的定義。


為了更完整地理解本發(fā)明，現(xiàn)參考結(jié)合附圖進行的以下描述。圖1為常規(guī)CMOS設(shè)計的說明。圖2為展示常規(guī)設(shè)計的簡化版本的說明，其展示電感器在BEOL金屬堆疊內(nèi)的放置。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性設(shè)計的說明。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性設(shè)計的說明。圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性方法的說明。圖6展示可有利地使用本發(fā)明的一實施例的示范性無線通信系統(tǒng)。
具體實施例方式穿硅通孔(TSV)為非常新的技術(shù)，且當(dāng)前正用于各種應(yīng)用中。如其名稱所暗示的， TSV通常為用以穿過半導(dǎo)體形成電連接的大體上垂直互連。TSV可用以連接同一裸片或不同但鄰近(例如，堆疊的)裸片內(nèi)的裝置。本發(fā)明的各種實施例使用TSV(和/或其它結(jié)構(gòu))以促進有源和無源裝置在裸片內(nèi)的新穎布置。圖3為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性設(shè)計300的說明，且其展示裸片的橫截面。設(shè)計300包括RDL 301、襯底302(例如，硅襯底)和BEOL升高的金屬層303。有源層306安置于襯底302的頂部上，且包括大量有源裝置，這些有源裝置中的一者展示為裝置305。設(shè)計300還包括安置于升高的金屬層303中的無源裝置307。設(shè)計300進一步包括無源裝置，在此實例中，所述無源裝置為芯片上電感器310。 芯片上電感器310經(jīng)制造于RDL 301中，且通過TSV 321和322電連接到有源裝置305。設(shè)計300與設(shè)計100 (圖1和圖2)的不同之處在于，設(shè)計300使用RDL 301而非BEOL金屬層 303來實施電感器310。結(jié)果，有源層306通過襯底302而向電感器310屏蔽。在設(shè)計300 中，電感器310的存在不應(yīng)妨礙有源裝置305在有源層306內(nèi)、甚至有源層306的直接在電感器310上方的區(qū)域308內(nèi)任何處的放置。在電感器310具有三百微米乘三百微米的大致尺寸且有源裝置中的一些與約一微米乘一微米一樣大且其它與約0. 3微米乘0. 3微米一樣小的一實施例中，設(shè)計300可在有源層306的另外不可用的區(qū)域308內(nèi)實施約1，000，000個有源裝置。事實上，有源層306
可代管例如晶體管、存儲器組件等多種裝置中的任一者。在其中電感器310與有源層306之間的距離處于五十微米與二百微米之間且其中襯底302具有一歐姆/厘米的電阻率的一實施例中，由襯底302提供的屏蔽量可相當(dāng)大。通過比較，現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(例如，圖1和圖2的設(shè)計)將電感器放置于BEOL金屬層中，在與有源層相距約二到五微米內(nèi)。設(shè)計300使用TSV 321和322將電感器310連接到有源裝置305。設(shè)計300的特性在于，TSV 321和322(或其至少一部分)的長度在電方面充當(dāng)電感器310的部分，且借此對電感器310的電感值有影響。因此，當(dāng)計算電感值時，工程師要考慮TSV 321和322的長度。一些實施例的益處在于，TSV 321和322的長度允許針對給定電感值使用具有較小面積的電感器。還可使用TSV 321和322將裝置307耦合到電感器310。舉例來說，裝置307可耦合到有源層306中的導(dǎo)電襯墊，導(dǎo)電襯墊包括到TSV 321和322的連接。雖然以上實例提供一些物理特性的特定值，但本發(fā)明不受如此限制。事實上，一些實施例可適于具有不同尺寸值以及不同材料(例如，絕緣體上硅技術(shù)，其包括FEOL層中的 Si02層)的多種應(yīng)用中的任一者。類似地，在一些實施例中，可使用例如電容器等其它無源裝置來代替電感器，或除了電感器之外，可使用例如電容器等其它無源裝置。圖4為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性設(shè)計400的說明。設(shè)計400包括 BEOL升高的金屬層403、襯底402、RDL 401、有源層406、有源裝置405 (在有源層406中)、 裝置407(在BEOL升高的金屬層403中)和電感器410。再次，將電感器410制造于RDL 401中而非BEOL升高的金屬層403中。設(shè)計400使用金屬跡線421和422將電感器410連接到有源裝置405。金屬跡線421和422不穿透襯底402，而是遵循裸片的外側(cè)上圍繞襯底 402的路徑，且在有源層406中形成連接。例如跡線421和422的跡線還可用以通過將裝置 407連接到有源層406上的所述跡線來形成到裝置407的連接。各種實施例可使用TSV(如在圖3中)、側(cè)面跡線(如在圖4中)、其它技術(shù)或其組合來將RDL金屬層中的無源裝置連接到有源層。圖5為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例調(diào)適的示范性方法500的說明。方法500為一種用于制造裸片(例如，圖3和圖4的設(shè)計中的裸片)的技術(shù)。在方框501中，在半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面上制造有源層，所述有源層包括一個或一個以上有源裝置。有源裝置包括(但不限于)晶體管。可使用現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何方法在襯底上制造有源層和有源裝置，且本發(fā)明的各種實施例不限于制造有源裝置和有源層的任何技術(shù)。在方框502中，在半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)面上制造金屬層，其中所述金屬層包括無源裝置。在一個實例中，所述金屬層為金屬氧化物RDL，且所述無源裝置為電感器。然而，本發(fā)明不受如此限制。舉例來說，無源裝置可為電容器或例如電阻器等其它裝置。此外，可使用現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何方法制造金屬層和無源裝置，且本發(fā)明的各種實施例不限于制造無源裝置和金屬層的任何技術(shù)。在方框503中，提供無源裝置與有源裝置中的一者或一者以上之間的電連接。在一個實例中，使用TSV穿過襯底形成電連接。在另一實例中，裸片的外側(cè)上的金屬跡線提供電連接。實施例的范圍不限于用于提供電連接的任何特定技術(shù)，且下文論述一些實例技術(shù)。在方框504中，將一個或一個以上BEOL升高的金屬層安置于有源層上方。在此實例中，所述一個或一個以上BEOL金屬層提供有源層內(nèi)的各種有源裝置間的連接?？墒褂矛F(xiàn)在已知或以后開發(fā)的任何方法來制造BEOL金屬層，且本發(fā)明的各種實施例不限于制造 BEOL金屬層的任何技術(shù)。本發(fā)明的各種實施例并不排除將無源裝置放置于BEOL金屬層中， 如一實施例除了在襯底的另一側(cè)面上的金屬層(例如，RDL)中的無源裝置外，還可包括在 BEOL金屬層中的無源裝置。舉例來說，當(dāng)無法在RDL中制造給定無源裝置時，可在BEOL金屬層中的一者或一者以上中制造給定無源裝置。雖然將方法500展示為一系列離散方框，但本發(fā)明不受如此限制。各種實施例可添加、省略、修改或重新布置方框501-504的動作。舉例來說，可在與制造金屬層自身不同的步驟中執(zhí)行在金屬層中制造無源裝置。事實上，可使用用于制造根據(jù)圖3到圖4的設(shè)計的裸片的任何方法，包括(例如)先通孔技術(shù)和后通孔技術(shù)。先通孔方法涉及在發(fā)生電路的其它制造之前在襯底中形成TSV。將通孔的圖案蝕刻或鉆孔到基礎(chǔ)襯底的一部分深度中。接著用絕緣層和導(dǎo)電材料填充通孔，且隨后進行電路制造。研磨襯底的含有TSV的背面以暴露TSV。在后通孔方法中，在形成TSV之前進行電路制造。所述電路含有將是用于TSV的耦合點的互連襯墊。通過穿過襯底的深度來蝕刻或鉆孔到襯墊中或從襯底的背面蝕刻或鉆孔到襯墊來產(chǎn)生TSV。接著用絕緣勢壘和導(dǎo)電材料填充TSV。在使用先通孔技術(shù)的情況下，首先執(zhí)行前段工藝處理，接著制造通孔，隨后為后段工藝處理。通過使用后通孔方法，首先執(zhí)行前段工藝處理，接著執(zhí)行后段工藝處理，接著形成穿過堆疊的通孔。本發(fā)明的各種實施例不限于用于制造TSV的任何特定方法，因為可使用現(xiàn)在已知或以后開發(fā)的用以制造TSV的任何方法。此外，雖然術(shù)語“穿硅通孔”包括字硅， 但注意到，穿硅通孔不一定建構(gòu)于硅中。而是，材料可為任何裝置襯底材料。圖6展示可有利地使用本發(fā)明的一實施例的示范性無線通信系統(tǒng)600。為了說明的目的，圖6展示三個遠程單元620、630和640以及兩個基站650、660。將認識到，典型無線通信系統(tǒng)可具有多得多的遠程單元和基站。遠程單元620、630和640可包括多種組件中的任一者，例如，存儲器單元、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器(DAC)、處理器、Δ-Σ數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等。本發(fā)明的實施例可用于各種基于半導(dǎo)體芯片的組件(例如，射頻(RF)電路和使用堆疊裸片的半導(dǎo)體芯片)中。圖6展示從基站650、660到遠程單元620、630和640的前向鏈路信號680和從遠程單元620、630和640到基站650、660的反向鏈路信號690。一般來說，遠程單元可包括蜂窩式電話、手持式個人通信系統(tǒng)(PCQ單元、例如個人數(shù)據(jù)助理等便攜式數(shù)據(jù)單元、例如儀表讀取設(shè)備等固定位置數(shù)據(jù)單元和/或類似物。在圖6中，將遠程單元620展示為移動電話，將遠程單元630展示為便攜式計算機，且將遠程單元640展示為在無線本地環(huán)路系統(tǒng)中的固定位置遠程單元?；?50、660可為多種無線基站中的任一者，包括(例如)蜂窩式電話基站、無線網(wǎng)絡(luò)接入點(例如，遵照IEEE 802. 11 的接入點)等。盡管圖6說明根據(jù)本發(fā)明的教示的遠程單元，但本發(fā)明不限于這些示范性所說明的單元。雖然已陳述特定電路，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，實踐本發(fā)明并不需要所揭示電路中的全部。此外，尚未描述特定眾所周知的電路以維持對本發(fā)明的關(guān)注。類似地，雖然所述描述在某些地方提到邏輯“0”和邏輯“ 1”，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，在不影響本發(fā)明的操作的情況下，可切換邏輯值，其中相應(yīng)地調(diào)整電路的剩余部分。某一實施例的一個優(yōu)勢在于，在RDL中制造裝置提供了增強的自由度，因為RDL的厚度可變化。因此，在許多實施例中，RDL的厚度可從一微米到十微米不等，且在一些實施例中更厚，借此提供在設(shè)計無源裝置的厚度時的較大靈活性。換句話說，因為存在對RDL中的厚度的較少約束，所以獲得較大的設(shè)計靈活性。一些實施例的另一優(yōu)勢為成本節(jié)省。舉例來說，可通過使用較小裸片(因較少浪費的空間而成為可能)來補償可歸因于在RDL中制造無源裝置而引起的一些或所有增加的成本。浪費的空間是一關(guān)注問題，尤其是在使用大量無源裝置的設(shè)計(例如，射頻(RF)電路，其可在一裸片上具有十個或十個以上電感器)中。此些裝置可受益于本發(fā)明的各種實施例。雖然已詳細地描述了本發(fā)明及其優(yōu)勢，但應(yīng)理解，可在不脫離如由所附權(quán)利要求書界定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下在本文中進行各種改變、替換和更改。此外，本申請案的范圍無意局限于說明書中所描述的過程、機器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法和步驟的特定實施例。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易從本發(fā)明的揭示內(nèi)容了解，可根據(jù)本發(fā)明利用目前存在或以后將開發(fā)的執(zhí)行與本文中描述的對應(yīng)實施例大體上相同功能或?qū)崿F(xiàn)與本文中描述的對應(yīng)實施例大體上相同結(jié)果的過程、機器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。因此， 所附權(quán)利要求書意在其范圍內(nèi)包括此些過程、機器、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裸片，其包含半導(dǎo)電襯底層，其具有第一和第二側(cè)面； 金屬層，其鄰近于所述半導(dǎo)電襯底層的所述第二側(cè)面； 有源層，其安置于所述半導(dǎo)電襯底層的所述第一側(cè)面上；以及無源裝置，其位于所述金屬層中，其適于耦合到所述有源層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其中所述無源裝置包含電感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其中所述無源裝置包含電容器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其中所述有源層包含有源裝置，且其中所述有源裝置包含晶體管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其進一步包含 穿硅通孔，其提供所述無源裝置與所述有源層之間的電耦合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體裸片，其中所述穿硅通孔穿過至少五十微米的襯底材料而穿透所述襯底。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其進一步包含跡線，其位于所述裸片的外表面上，其提供所述無源裝置與所述有源層之間的電耦合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其進一步包含 多個升高的金屬層，其布置于所述有源層上方。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裸片，其進一步包含一個或一個以上有源裝置，所述一個或一個以上有源裝置安置于所述有源層中，處于直接在所述無源裝置的一區(qū)域上方的一區(qū)域內(nèi)。
10.一種用于制造半導(dǎo)體裝置的方法，所述方法包含 在半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面上制造有源層；以及在所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)面上制造金屬層，其中所述金屬層包括無源裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中所述金屬層包含金屬氧化物。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包含穿過所述半導(dǎo)體襯底而制造從所述有源層到所述金屬層的通孔。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在制造所述有源層之前執(zhí)行所述制造至少一個通孑L。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中在制造所述有源層之后執(zhí)行所述制造至少一個通孑L。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包含在所述半導(dǎo)體襯底外制造從所述有源層到所述金屬層的至少一個邊緣跡線。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其進一步包含在所述有源層上方制造至少一個升高的金屬層，所述至少一個升高的金屬層提供所述有源層內(nèi)的多個有源裝置間的電耦合。
17.一種裸片，其包含有源層，其位于半導(dǎo)體襯底的第一側(cè)面上； 金屬層，其位于所述半導(dǎo)體襯底的第二側(cè)面上； 無源裝置，其位于所述金屬層中；以及用于穿過所述半導(dǎo)體襯底而提供所述有源層與所述無源裝置之間的電連通的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裸片，其中所述無源裝置選自由以下各物組成的列表電感器；以及電容器。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裸片，其中所述金屬層包含金屬氧化物。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裸片，其進一步包含升高的金屬層，其位于所述有源層上方，其提供所述有源層的有源裝置間的電連接。
全文摘要
一種半導(dǎo)體裸片(300)包括半導(dǎo)電襯底層(302)，其具有第一和第二側(cè)面；金屬層，其鄰近于所述半導(dǎo)電襯底層的所述第二側(cè)面；一個或一個以上有源裝置(305)，其位于所述半導(dǎo)電襯底層的所述第一側(cè)面上的有源層(306)中；以及無源裝置(310)，其位于所述金屬層中，與所述有源層電連通。所述無源裝置可通過穿硅通孔(TSV)(321、322)電耦合到所述有源層。
文檔編號H01L23/48GK102301472SQ201080005706
公開日2011年12月28日 申請日期2010年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月3日
發(fā)明者布雷恩·馬修·亨德森, 托馬斯·R·湯姆斯, 金鄭海, 顧時群, 馬修·諾瓦克 申請人:高通股份有限公司