一种全屏蔽片上共面波导传输结构及其制备方法与流程

本发明涉及半导体集成电路技术领域，尤其涉及一种片上共面波导传输结构及其制备方法。

背景技术：

随着半导体技术的发展，硅器件的特征尺寸不断减小。随着器件的沟道长度越来越小，CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)器件的f_T(截止频率)也越来越高。因此，CMOS技术越来越适合射频、微波和毫米波领域的应用。在汽车防撞雷达芯片和5G通讯芯片等应用领域，CMOS射频芯片和逻辑、存储等芯片越来越多地整合在一起，甚至做成SOC(System on Chip，系统级芯片)。

CMOS射频芯片需要在片上集成螺旋电感、传输线或共面波导等无源器件，其中，共面波导是一种常用的片上波导结构。一般共面波导带有对半导体衬底的屏蔽结构，如图1所示为现有技术的射频芯片用到的共面波导的结构示意图。其包括半导体衬底101，中间填充层102，同属顶层金属层的信号线103和地线104。共面波导即是利用CMOS工艺中顶层金属层作为信号线103传输射频/微波信号，并利用信号线103的同层金属在信号线103周围形成走向相同的导线作为地线104来形成电磁场的边界。同时，在图1所示的现有技术的共面波导结构中，还包括底层金属屏蔽层105，其位于半导体衬底101和中间填充层102之间，用来屏蔽半导体衬底101，防止电磁波的泄露。

然而，由于底层金属屏蔽层105上方开放空间的存在，使得该底层金属屏蔽层105不足以完全屏蔽电磁波，因此会造成电磁波向芯片上方开放空间的泄露，从而造成一定的损耗。

因此，如何提供一种新的共面波导传输结构，可以有效消除电磁波向半导体上方开放空间的泄露，从而可以减小损耗，就已成为本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题在于提供一种全屏蔽的片上共面波导传输结构，不仅包括对半导体衬底进行屏蔽的底层金属屏蔽层，还包括对开放空间进行屏蔽的顶层金属屏蔽结构。这种顶层金属屏蔽结构可以有效的减小甚至消除电磁波向半导体上方开放空间的泄露，从而优化信号的传输特性，弥补了只有底层屏蔽层结构的不足，在射频、微波和毫米波芯片中有较好的应用前景。

为实现上述目的，本发明提供了一种全屏蔽的片上共面波导传输结构，包括半导体衬底，底层金属屏蔽层，中间填充层，信号线，以及位于顶层金属层的地线，其中，所述底层金属屏蔽层位于所述半导体衬底和所述中间填充层之间，所述中间填充层位于所述底层金属屏蔽层和所述顶层金属层之间，其特征在于，还包括一个RDL(Redistribution Layer，再分布层)金属屏蔽层，其位于所述顶层金属层上方，并通过通孔结构连接至所述顶层金属层。

在一些优选的实施例中，所述中间填充层为介质层，所述信号线位于顶层金属层中，且所述地线位于所述信号线的周围。

在一些优选的实施例中，所述中间填充层包括由至少一层通孔层(V₁到V_N-1)和至少一层金属层(M₂到M_N)交替构成的金属堆叠结构，铜导线通过位于所述至少一层金属层上的触孔贯穿通孔层，连接所述顶层金属层和所述底层屏蔽层，实现共面波导器件的上下联通的多层地线结构，其中N为大于等于2的整数。

在一些优选的实施例中，所述信号线位于金属层M_X中，所述多层地线分布于该信号线周围，其中，X为小于等于N的整数，所述信号线位于中间填充层中的一层金属层上，所述多层地线结构的宽度相同且分布于所述信号线周围。在另一些更优选的实施例中，所述信号线位于金属层M_X中，所述多层地线分布于该信号线周围，其中，X为小于等于N的整数，所述多层地线结构的宽度不相同且呈圆形分布于所述信号线周围，越靠近所述信号线的地线宽度越小。

为实现上述目的，本发明同时提供了一种片上共面波导传输结构的制造方法，包括：

制备硅衬底，对所述硅衬底表面进行离子注入，形成均匀掺杂的阱；

在硅衬底上方制作形成底层金属屏蔽层；

在底层金属屏蔽层上形成中间填充层；

形成顶层金属层，并通过图形化和化学机械抛光的方法形成地线；

在顶层金属层上方形成RDL金属屏蔽层。

从上述技术方案可以看出，本发明提供的片上共面波导传输结构的有益效果在于：

第一，通过在顶层金属上方增加RDL金属屏蔽层，有效的减小甚至消除了电磁波向半导体上方开放空间的泄露，优化了信号的传输特性，降低了损耗。

第二，制程简单，因此可制造性强，在射频、微波和毫米波芯片中有较好的应用前景。

附图说明

图1所示为现有技术中共面波导的结构示意图。

图2所示为根据本发明的一个优选的实施例的共面波导的结构示意图。

图3所示为图2中优选的实施例的剖面图。

图4所示为根据本发明的另一个优选的实施例的剖面图。

图5所示为根据本发明的另一个优选的实施例的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例进一步详细阐述本发明。以下实施例并不是对本发明的限制。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中。

图2所示为根据本发明提供的一种全屏蔽的共面波导传输结构的示意图，图3为其剖面图。该共面波导传输结构包括：硅衬底201、底层金属屏蔽层202、中间填充层203、同属于顶层金属层204的地线205-1和信号线206。其特征在于，还包括一个RDL金属屏蔽层207，其位于顶层金属层204上方，通过通孔连接至顶层金属层204，用于对泄露的电磁波进行完全屏蔽。

在一些优选的实施例中，所述中间填充层可以完全由介质层构成。如图3所示，在该优选的实施例中，中间填充层由至少一层金属层(M₂到M_N)和通孔层(V₁到V_N-1)交替构成，其中，铜导线208通过位于金属层上的触孔(未示出)贯穿金属层和通孔层，连接所述底层屏蔽层202和位于所述顶层金属层204上的地线205-1，实现该共面波导器件的上下联通的多层地线(205-2到205-N)，其中，N为大于等于2的整数。

图3同时提供了一种全屏蔽共面波导传输结构的制造方法，可以包括：制备硅衬底，对所述硅衬底表面进行离子注入，形成均匀掺杂的阱；在硅衬底上方制作形成底层金属屏蔽层；在底层金属屏蔽层上形成中间填充层；形成顶层金属层，并通过图形化和化学机械抛光的方法形成信号线和地线；在顶层金属层上方形成RDL金属屏蔽层。更优选的，该制造方法还可以包括：制备硅衬底201，对所述硅衬底表面进行离子注入，形成均匀掺杂的阱；在阱上方淀积金属前介质，并电镀铜金属膜形成金属层M₁，用图形化的方法定义金属层M₁形成底层金属屏蔽层202；在底层金属屏蔽层202上淀积介质层作为通孔层V₁，在该通孔层V₁上定义金属线和触孔形状，之后电镀铜金属膜形成金属层M₂并进行化学机械抛光形成双大马士革金属通孔结构，形成铜连接线208和地线205-2；重复上述步骤N-2次，形成上下联通的堆叠结构，构成该共面波导器件的上下联通的地线205-2到205-N，其中N为大于等于2的整数；在金属层M_N上淀积介质层并定义顶层金属形状，之后电镀铜金属膜形成顶层金属层204，并进行化学机械抛光形成地线205-1和信号线206；在顶层金属层204上淀积介质层并定义通孔的形状，之后淀积铝RDL膜，并定义RDL金属形状形成RDL金属屏蔽层207。

图4示出的是根据本发明提供的另一种全屏蔽共面波导传输结构的剖面图，与图3相比，图4中共面波导传输结构的信号线301不是位于顶层金属层302中，而是位于中间填充层303中的某一层金属层M_X中，其中X为小于等于N的整数。在该实施例中，多层地线304-1到304-N的宽度相同，且分布于信号线301的周围。

图5示出的是根据本发明提供的另一种全屏蔽共面波导传输结构的剖面图，与图4相比，图5中多层地线401-1到401-N的宽度不同，更优选地，这些地线呈圆形分布在位于金属层M_X的信号线402的周围，即越靠近信号线402的地线宽度越小。

以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。