化合物半导体集成电路的制作方法
【专利摘要】本发明有关一种化合物半导体集成电路，包含一基板、至少一化合物半导体电子元件、一第一金属层、一保护层、数层第二金属层以及至少一介电层，其中前述第一金属层包含金且不包含铜，且其至少部分电性连接于前述化合物半导体电子元件；前述保护层覆盖于前述化合物半导体电子元件以及至少部份前述第一金属层；前述数层第二金属层中的每一层包含至少一铜金属层，且前述数层第二金属层中至少一层部分电性连接于前述第一金属层；而任两层相邻的第二金属层由一前述的介电层所分隔；此数层金属层可用以形成被动元件。
【专利说明】化合物半导体集成电路
【技术领域】
[0001]本发明有关一种化合物半导体集成电路，尤指一种具有数层金属层，且其中至少一层至少包含一铜金属层的化合物半导体集成电路。
【背景技术】
[0002]近年来，化合物半导体单晶微波集成电路(monolithic microwave integratedcircuits, MMIC)已被广泛使用于移动通信及感测器元件，因此，对高集成度、高效能的单晶微波集成电路的需求也日益增加。传统上，单晶微波集成电路的组件如电晶体、电容、电阻、电感及传输线等是以二维的方式配置，为了提高元件的集成度，故而发展出将被动元件以三维方式叠放于化合物半导体元件上方的三维单晶微波集成电路。在化合物半导体单晶微波集成电路中，通常是以金作为被动元件以及元件间连接线的材料，以避免交叉污染，然而构成被动元件的金属层厚度却受限于金的昂贵价格。以传输线为例，在三维单晶微波集成电路中的金传输线，若其宽度较传统单晶微波集成电路中为窄，将造成较高的阻抗，进而导致信号耗损及过量杂讯的问题。而集成电路的效能，如功率放大器的功率增益以及杂讯指数，亦将因为阻抗的增加而下降。因此，为改进电路效能，必须增加金的金属层的厚度，然而此举又会大幅增加整体制造成本；使用金为金属层的电路其性能不得不受到金价的限制。与金相比，铜的价格低廉许多，且其导电性及导热性亦较金为佳；因此，发展以铜取代金的三维单晶微波集成电路成为一较佳选择。
【发明内容】
[0003]本发明的主要目的在于提供一种化合物半导体集成电路，其具有数层金属层，其中至少一层包含至少一铜金属层；此数层金属层可用以形成以三维形式叠置的被动元件。于化合物半导体集成电路使用铜金属可增加其导电性并且降低原料成本。此外，铜金属的低廉价格使得制作较厚的金属层得以执行，因此能大幅降低金属层的电阻。
[0004]为达上述目的，本发明提供一种化合物半导体集成电路，包含一基板、至少一化合物半导体电子元件、一第一金属层、一保护层、数层第二金属层以及至少一介电层，其中前述第一金属层包含金且不包含铜，且其至少部分电性连接于前述化合物半导体电子元件；前述保护层覆盖于前述化合物半导体电子元件以及至少部份前述第一金属层；前述数层第二金属层中的每一层包含至少一铜金属层，且前述数层第二金属层中至少一层部分电性连接于前述第一金属层；而任两层相邻的第二金属层由一前述的介电层所分隔。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种化合物半导体集成电路，其具有数层金属层，其中至少一层包含至少一铜金属层，以及一背面金属层，通过基板通孔(through substratevia hole)与化合物半导体电子元件连接作为接地面。在此结构中，接地面可制作于电子元件的附近，因此能提高电子元件的功率增益。
[0006]为达上述目的，本发明所提供的一种化合物半导体集成电路更包含一背面金属层，且该基板更包含至少一基板通孔(through substrate via hole),其中该基板通孔贯穿该基板，且该背面金属层覆盖于该基板通孔的表面以及至少部份基板背面。
[0007]于实施时,前述基板可由砷化镓(GaAs)、炭化娃(SiC)、或蓝宝石(saphire)所构成。
[0008]于实施时，前述化合物半导体电子元件可为一场效电晶体(FET)或一异质接面双极性电晶体(HBT)。
[0009]于实施时，前述化合物半导体电子元件可为一氮化镓(GaN)场效电晶体(FET)。
[0010]于实施时，前述铜金属层的厚度可为大于等于3μηι。
[0011]于实施时，前述数层第二金属层形成至少一接地层。
[0012]于实施时，前述介电层可由介电物质聚苯恶唑(Polybenzoxazole, ΡΒ0)所构成。
[0013]于实施时，前述由介电物质聚苯恶唑(Polybenzoxazole, ΡΒ0)所构成的介电层，其厚度可为介于ΙΟμπι与30μπι之间。
[0014]于实施时，构成前述保护层的材料可为氮化硅(SiN)。
[0015]于实施时，前述第二金属层可形成一微带线(microstrip line)、一稱合器(coupler)、或一电感器(inducer)。。
[0016]于实施时，前述背面金属层至少部份由铜金属形成。
[0017]为对于本发明的特点与作用能有更深入的了解，在此借助实施例配合附图详述于后。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明所提供的化合物半导体集成电路的一种实施例的剖面结构示意图。
[0019]图2为本发明所提供的化合物半导体集成电路的另一种实施例的剖面结构示意图。
[0020]图3为应用本发明所提供的化合物半导体集成电路制作的低杂讯放大器的电路图。
[0021]图4A及4B为图3所示的低杂讯放大器的布线俯视示意图。
[0022]【主要元件符号说明】
基板101 化合物半导体电子元件110
第一金属层120 电极121电容122电阻123
保护层130第二金属层140 接地层141微带线142
率禹合器143 电感器144介电层150背面金属层160
基板通孔161微带线142a - 142g。
【具体实施方式】
[0023]图1为本发明所提供的化合物半导体集成电路的一种实施例的剖面结构示意图，包括一基板101、至少一化合物半导体电子元件110、一第一金属层120、一保护层130、数层第二金属层140、以及至少一介电层150 ;基板101由半绝缘性半导体物质所构成，其中以砷化镓(GaAs)、炭化娃(SiC)、或蓝宝石(saphire)为较佳；化合物半导体电子元件110形成于基板101之上；化合物半导体电子兀件110可为一主要构成材料为砷化镓(GaAs)的场效电晶体(FET)或异质接面双极性电晶体(HBT);化合物半导体电子元件110亦可为一氮化镓(GaN)场效电晶体；第一金属层120形成于化合物半导体电子元件110之上，且其至少部份电性连接于化合物半导体电子元件110 ;第一金属层120可用以形成被动元件，如化合物半导体电子元件110的电极121、电容122、或电阻123的接点；第一金属层120为含有金的金属层，且第一金属层120与化合物半导体电子元件110的接触区域由金或由金与位于金下方以如钛等金属所构成的薄金属附着层所构成；数层第二金属层140中的每一层包含至少一铜金属层；已知铜原子能快速扩散进入化合物半导体材料例如砷化镓并形成深能阶陷讲(deep level trap),因此一含铜金属层与一化合物半导体电子元件接触将导致元件效能降低，然而在本发明中，与元件的接触是通过一主要由金所构成的金属层，因此能保护元件不受铜污染；保护层130覆盖于化合物半导体电子元件110以及至少部份第一金属层120以隔绝电子元件110与其他上层物质，尤其是数层含铜的第二金属层；构成保护层130的材料以氮化硅(SiN)为较佳；数层第二金属层140中至少一层部分电性连接于第一金属层120 ;数层第二金属层140中包含至少一铜金属层，该铜金属层厚度可大于3 μ m ;第二金属层140可用以形成至少一接地层141及其他被动元件，如微带线(microstrip line) 142、率禹合器(coupler) 143、或电感器(inductor) 144 ;任两层相邻的第二金属层140由一介电层150所分隔，介电层150的厚度应能充分隔绝电子元件110以及第二金属层140，以降低耦合电容对电子元件效能造成的影响，由于聚苯恶唑(Polybenzoxazole, PB0)介电材料即使在固化之后仍可达较厚的涂布厚度，且其耐湿性(humidity resistance)及薄膜抗应力性(film stress resistance)亦较传统介电材料如聚亚酰胺(polyimide)及苯并环丁烯(Benzocyclobutene, BCB)为佳，因此介电层150以聚苯恶唑所构成为较佳,且其厚度以介于10 μπι至30 μ m为较佳。
[0024]图2为本发明所提供的化合物半导体集成电路的另一种实施例的剖面结构示意图，其是于图1的结构进一步包含一背面金属层160以及至少一基板通孔161，基板通孔161系贯穿基板101，而背面金属层160系覆盖于基板通孔161的表面以及至少部份基板101的背面；因为铜的导电性较佳且价格较低，背面金属层160以至少部份由铜金属形成为较佳；在此实施例中，背面金属层160可通过基板通孔161与化合物半导体电子元件连接而作为电子元件的接地层。
[0025]图3为应用本发明所提供的化合物半导体集成电路制作的低杂讯放大器的电路图，此电路包含两个主动电子元件110、微带线142a?142g、电容122、电阻123、一射频输入端、一射频输出端、接地层141、以及做为接地层的背面金属层160。该电子元件为闸极宽度0.15 ym的赝晶型高电子迁移率电晶体(pHEMT)，微带线作为阻抗及杂讯匹配，以及直流偏压。图4A及图4B分别为图3所示的低杂讯放大器中虚线框及点虚线框部份的布线俯视示意图。图4A为第一级放大器的布线俯视示意图(虚线框)，微带线142a为提供pHEMT闸极偏压的一短截线，微带线142b及142c用以获得杂讯匹配，微带线142d作为pHEMT输出端的阻抗匹配；微带线142a、142b、142c及142d形成于接地层141的上方，因此可以达成微带线的高密度布线于一小区域。图4B为第二级放大器的布线俯视示意图(点虚线框)，微带线142e及142f分别用以获得pHEMT的输入及输出端的阻抗匹配；微带线142g为一短截线段(short stub),用以提供pHEMT的汲极偏压；同样地,这些微带线形成于接地层的上方，因此可以达成微带线的高密度布线于一小区域；pHEMT通过基板通孔161连接背面金属层160使源极的接地层得以形成于电子元件附近；在此实施例中，接地层141与微带线间的距离为10 μ m ;接地层与微带线中铜金属层的厚度约为3 μ m,而宽度约为15 μπι,在此条件下，相邻微带线间的距离可以缩减至30 μπι; — 3 μ m厚的铜金属层其电阻值约为一
2ym厚的金金属层的一半；在使用金微带线的先前技术中，一低杂讯放大器的增益约为15dB，杂讯指数约为3.0 dB ;而本发明所提供的使用铜微带线的低杂讯放大器，与先前技术相t匕，其杂讯指数的改进可超过1.0 dB。
[0026]本发明具有以下优点:
1.本发明所提供的厚铜金属层所制作的微带线，其电阻值较先前技术中使用金的金属层制作的微带线为低，因此可减少因高电阻值而产生的损耗以及杂讯，而铜的高导电性更可进一步改进集成电路的其他性能。
[0027]2.使用铜金属可大幅降低制作金属层的生产成本，与使用金相比，使用铜可节省超过50%的生产成本。
[0028]3.于化合物半导体元件的连接点使用金可避免元件受铜金属污染而降低性能的问题。
[0029]4.使用聚苯恶唑(ΡΒ0)介电材料隔绝金属层，可形成较厚的介电层，因此能降低上层金属层对下层电子元件的影响，并可增进晶片的耐湿性及力学稳定性。
[0030]5.通过基板通孔制作电子元件的接地连结使元件的接地可形成于元件的附近，因此能提闻电子兀件的功率增益。
[0031]综上所述，本发明确实可达到预期的目的，而提供一种化合物半导体集成电路，其具有数层金属层，其中至少一层包含至少一铜金属层，此数层金属层可用以形成被动元件。于化合物半导体集成电路使用铜金属可增加其导电性并且降低原料成本，而铜金属的低廉价格使得制作较厚的金属层得以执行，因此能大幅降低金属层的电阻。其确具产业利用的价值，爰依法提出专利申请。
[0032]又上述说明与附图仅是用以说明本发明的实施例，凡熟于此业技艺的人士，仍可做等效的局部变化与修饰，其并未脱离本发明的技术与精神。
【权利要求】
1.一种化合物半导体集成电路，其特征包括:一基板；至少一化合物半导体电子元件，位于该基板上方；一第一金属层，包含金，位于该化合物半导体电子元件上方，且其至少部分电性连接于该化合物半导体电子元件；一保护层，覆盖于该化合物半导体电子元件以及至少部份该第一金属层；数层第二金属层，其中每一层包含至少一铜金属层，该数层第二金属层位于该保护层之上，且该数层第二金属层中至少一层部分电性连接于该第一金属层；以及至少一介电层，分隔任两层相邻的第二金属层。
2.如权利要求1所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:更包含一背面金属层，且该基板更包含至少一基板通孔，其中该基板通孔贯穿该基板，且该背面金属层覆盖于该基板通孔的表面以及至少部份基板背面。
3.如权利要求2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该背面金属层至少部份由铜金属形成。
4.如权利要求2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该介电层由介电物质聚苯恶唑所构成。
5.如权利要求4所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该介电层的厚度为介于10 μ m % 30 μ m 111]。
6.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该基板由砷化镓、炭化硅、或蓝宝石所构成。
7.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该化合物半导体电子元件为一场效电晶体或一异质接面双极性电晶体。
8.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该化合物半导体电子兀件为一氮化镓场效电晶体。
9.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该铜金属层的厚度为大于等于3 μ m。
10.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:构成该保护层的材料为氮化硅。
11.如权利要求1或2所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该第二金属层形成一微带线、一稱合器、或一电感器。
12.如权利要求1所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该数层第二金属层形成至少一接地层。
13.如权利要求1所述的化合物半导体集成电路，其特征在于:该介电层由介电物质聚苯恶唑所构成。
14.如权利要求13所述的化合物半导体集成电路， 其特征在于:该介电层的厚度为介于ΙΟμ--与30μπ?之间。
【文档编号】H01L23/522GK103633062SQ201210438323
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2012年11月6日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】高谷信一郎, 萧献赋, 吴玉凯 申请人:稳懋半导体股份有限公司