[发明专利]毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构

说明书

技术领域

本发明涉及毫米波/太赫兹单片集成技术领域，具体涉及一种毫米波/太赫兹多金属层半导体器件的接地屏蔽结构。

背景技术

毫米波/太赫兹具有宽频带、高精度、高分辨率和大信息容量等优点，在军事雷达系统、射电天文学和太空以及短距离无线高速传输等领域有着巨大的应用价值和市场前景。单片微波集成电路(MMIC-MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit)作为毫米波/太赫兹通信、雷达、电子战等系统的核心元件，它是利用离子注入、溅射、蒸发等工艺流程，在一块半导体衬底上集成有源、无源器件的微波电路。随着三五代半导体材料的发展，硅基技术仍然以它低成本，高集成度的优点成为工程师的首选，。随着硅基技术的成熟发展，SiGe-HBT器件不仅解决了硅基工艺高频性能缺陷的问题，同时还继承了其高集成度的优点，为同一个IC芯片以较低的成本集成多种功能的SOC系统提供了可能性。

对于单片微波集成电路而言，最为重要的就是减少衬底损耗、提高器件的截止频率，从而提高器件的适用工作频率。在进行毫米波单片集成电路设计的时候，考虑到硅基固有的衬底损耗，通常使用最底层金属层作为电路的地层，最高层金属层作为信号传输层，在信号传输层进行电路的连接和匹配。而半导体技术器件的电阻层或者有源层等都埋在第一层金属层下面，使用这些半导体器件的电路设计时，就必须使用通孔把器件与最高层金属层进行连接，从而实现电路的连接和匹配。连接器件和最高层金属的通孔连接会给电路带来一些感性的损耗，尤其对于有源器件晶体管而言，它的输入和输出非常接近，因此由引入通孔带来的输入损耗、输出损耗以及它们之间损耗的交叉耦合会明显地提高器件的总体损耗。在高增益下的低频段应用中，这种损耗并不明显，但是在毫米波和太赫兹频段中，该影响会扩大并严重降低器件的性能。

SoonWeeHo等人利用同轴的概念，研制出一种适用于芯片封装的降低衬底损耗的方法[“DevelopmentofCoaxialShieldViainSiliconCarrierforHighFrequencyApplication”,作者：SoonWeeHo,VempatiSrinivasaRao,OrattiKalandarNavasKhan,SeungUkYoon,VaidyanathanKripesh,2006ElectronicsPackagingTechnologyConferenc,pp825-830]。该方法利用同轴的概念，使用同轴屏蔽通孔替代传统通孔，减少了三维集成电路衬底带来的损耗。

专利US5338897[US5338897Coaxialshieldforasemiconductordevice]提出一种在多层半导体中组成同轴屏蔽线的方法，该方法提高了信号线的质量，改变了阻抗，且没有与任何有源器件连接。专利US6943452[CoaxialwiringwithinSOIsemiconductor,PCBtosystemforhighspeedoperationandsignalquality]为避免干扰对数字线路和数字电路进行屏蔽。专利US6876076[US6876076Multilayersemiconductordevicefortransmittingmicrowavesignalsandassociatedmetho]对有源器件与外部器件进行屏蔽，避免了外部干扰和噪声。

对比与上述几种屏蔽方法，本发明采用接地金属环和接地金属条组成一种新的接地屏蔽结构。降低了硅基器件由于引入通孔连接带来的感性损耗，提高了器件的工作频率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是减少硅基半导体器件因通孔连接带来的不良影响，这些器件通常处于最底层金属下面，需要通孔与更高层或最高层金属层进行连接。进行毫米波/太赫兹电路设计的时候都会使用最高层金属层构成微带线或者共面波导线来进行电路的匹配。下层金属连接到顶层金属的微波电路设计见图1。由图可知，最底层金属和顶层金属的连接就是一段长距离通孔连接，这段距离在毫米波/太赫兹电路设计中会带来一个很大的阻抗并对电路带来无法预测的损耗。该损耗随着工作频率的升高以指数方式增长。从器件的角度来看，会是器件端口的隔离度变差并降低器件的性能。受限于硅基固态器件的截止频率，器件的增益对电路设计非常重要，因此，对毫米波/太赫兹电路设计者而言，降低器件的损耗是一项很重要的工作。