專利名稱：電信號傳輸線的制作方法
技術領域：
本發明涉及傳播電信號的電信號傳輸線。具體地，本發明涉及半導體電路內傳輸高頻電信號的電信號傳輸線。
背景技術：
用來處理集成電路內的電信號的信號處理頻率的上限取決于有源元件如晶體管和無源元件如傳輸線。雖然晶體管的截止頻率到2002年為止已經達到500GHz，但是因為信號處理頻率的上限仍然保持在100GHz左右，所以集成電路中的信號處理頻率的上限約為100GHz。高頻信號可以在封裝襯底的微波傳輸帶波導內和在半導體襯底的共平面形波導內傳播。
圖5示出微帶線的結構橫截面。該微帶線包括信號電極101、半導體襯底102和接地電極103。微帶線具有易于構造和制造便宜的優點。然而，盡管微帶線內電信號的傳播大多發生在半導體襯底102內，但是仍有一部分電信號存在于信號電極101一側的空氣內。由此產生的在介質與空氣內信號的相速度差會導致沿傳播方向具有電場和磁場的混合波型。在高頻波區域內，混合波型是引起輻射損耗的主要原因。而且，隨著信號頻率的增加，信號波長減小，從而顯示出混合波型。因此，微帶線并不適合于高頻傳輸，而主要適用于其中頻率相對較低的封裝襯底。
現在，說明共平面形波導。圖6示出共平面形波導的橫截面。這種共平面形波導包括設在半導體襯底104上的信號電極105和接地電極106，信號電極105設置在接地電極106之間。這種結構的一個優點是易于安裝半導體器件。由于接地電極106鄰近信號電極105，電信號局限于信號電極105與接地電極106之間。因為電信號的空間局域化，所以共平面形波導可以處理比微帶線更高的頻率。然而，與微帶線的情形一樣，信號也是在半導體襯底104和空氣內傳播，從而容易導致不匹配的相速度。因此，其缺陷在于隨著頻率的升高，混合模變得明顯，輻射損耗增大。
接下來，說明一種能夠在比微帶線或共平面形波導更高的頻率處傳輸信號的傳輸線。到2002年為止，據稱能夠實現最高信號傳輸頻率的傳輸線是M.J.W.Rodwell提出的非線性傳輸線(NLTL)。這是一類其中電容器設在信號線與接地線之間的有源傳輸線。NLTL利用電容相對于電壓的非線性屬性來壓縮電脈沖并使高頻信號能夠傳輸。
在NLTL的情形下，通過利用金屬和半導體間的肖特基結的電容迄今為止已經實現了電脈沖的壓縮(M.J.W.Rodwell et al，Proc.IEEE，vol.82，No.7，pp1037-1059(1994))。同時，通過利用這種有源傳輸線，已經制造出能夠在725GHz取樣信號的原型取樣電路(U.Bhattacharya，S.T.Allen和M.J.W.Rodwell，IEEE，vol.5，No.2(1995))。
圖7示出這種NLTL的橫截面圖和平面圖。參看圖7(a)的橫截面圖，該NLTL具有共平面形的結構，信號線位于半導體襯底107上，接地線位于每一側處。構成信號線的金屬電極的信號電極108、和構成接地線的金屬電極的接地電極109接觸N型導電半導體110a和110b。接地電極109經由該N型半導體111互相接觸。位于信號電極108之下的N型半導體110a與接地線109絕緣，而且經由絕緣層112與N型半導體111絕緣。接地線109的每個都由主線109a和若干延伸部109b構成，該若干延伸部109b沿信號線的方向延伸，與設在信號電極108下的N型半導體110a形成肖特基結(圖中用“SJ”表示)。
在這樣配置的NLTL中，接地電極109的延伸部109b產生增加的電感分量。在由肖特基結產生的非線性電容與該增加的電感分量之間獲得平衡對電脈沖的壓縮性質產生主要的影響。
然而，用NLTL傳播的信號在半導體襯底和傳輸線上的空氣內傳播，從而類似于在共平面形波導的情形，NLTL是非均勻波導。信號在半導體襯底內和在空氣內的相速度的差異容易導致混合模型，產生沿傳播方向的電場分量和磁場分量。因此，在高頻波區域內，由混合模引起的輻射損耗不能被忽略。
而且，在NLTL內，對于信號電極，非線性電容變成一個問題，因為它存在于信號電極與接地電極之間的區域內。由于在NLTL內傳播的電信號的能量存在于信號電極與接地電極之間，因此對該區域內的肖特基結若干個金屬電極的使用產生阻抗失配，從而對行進的電磁波產生反射和散射。參看圖7(b)的平面圖，例如，波長比形成肖特基結的兩電極之間的間隙長的電磁波由于多次反射而導致損耗的主要增加，該肖特基結內存在著阻抗失配。
另外，形成肖特基結的金屬電極對傳播的電信號產生邊界效應，使這些電信號復雜化，而且使其不能類似于TEM模那樣代表傳輸模。在半導體制造過程中，由于在NLTL內利用的是化合物半導體肖特基勢壘，因此也會出現一些問題。肖特基結的電容取決于肖特基勢壘的高度和厚度。肖特基勢壘的厚度反比于化合物半導體界面處的缺陷密度，而缺陷密度高度依賴于所采用的表面處理方法在目前的半導體制造過程中，均勻表面處理并不能再現。因此，在實際效用方面，難于再現非線性電容的尺寸和均勻性，而非線性電容是NLTL很關鍵的參數。
鑒于上述問題，本發明的目標是提供一種電信號傳輸線，它能夠高速地傳播電信號，而且能夠用目前的半導體制造方法以穩定的質量制造。

發明內容
依照本發明，上述的目標通過提供一種電信號傳輸線來獲得，該電信號傳輸線包括形成在半導體襯底上的信號電極部分、接地電極部分和介電部分，所述信號電極部分具有電信號流過的金屬電極，所述接地電極部分具有接地金屬電極，所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極由半導體PN結連接，以及所述介電部分通過用電介質覆蓋所述信號電極部分的金屬電極與所述接地電極部分的金屬電極之間的區域形成，其中電力線穿過該區域，即，該區域是傳輸的電信號的能量存在的區域。
在本發明的這種電信號傳輸線中，通過用半導體PN結將信號電極部分的金屬電極與接地電極部分的金屬電極相連，就可以確保信號電極部分與接地電極部分之間所需的電容，從而可以確保用目前的半導體制造方法制造的電信號傳輸線的再現性和同質性，其中這種半導體制造方法能夠使雜質密度以良好的精度進行控制。而且，通過用電介質覆蓋傳輸電信號能量存在于其內的介電部分，可以避免信號電極部分與接地電極部分之間的絕緣擊穿或蠕緩放電。另外，大部分信號傳播發生在電介質內也具有抑制信號衰減的效應。
在這種電信號傳輸線內，接地電極部分包括分別設在所述信號電極部分相對側且配有金屬電極的兩個接地電極，所述兩個接地電極部分的金屬電極用第一導電半導體連接，極性不同于所述第一導電半導體的第二導電半導體插在所述信號電極部分的金屬電極與所述第一導電半導體之間形成PN結，所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極由所述PN結和所述第一導電半導體串聯地連接。
依照本發明第二方面提到的電信號傳輸線，信號電極部分的金屬電極和接地電極部分的金屬電極用借助于PN結實現的電容器和借助于第一導電半導體實現的電阻串聯地連接。因而，當電信號是低頻信號時，電壓借助于PN結電容器產生，而當電信號是高頻信號時，電壓由電阻產生。這就使其能夠有效地抑制由供給至信號電極部分的金屬電極上的電信號引起的接地電極部分的金屬電極的電勢波動。
本發明第二方面提到的電信號傳輸線還包括通過在所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極之間蝕刻形成合適深度的間隙，該間隙將所述第一導電半導體的裸露表面與電力線在其中穿過的所述區域隔開，而且該間隙內填滿電介質，以形成同樣覆蓋所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極的介電部分。
依照這種電信號傳輸線，第一導電半導體與電能流過的區域分開，其中該區域設在信號電極部分的金屬電極和接地電極部分的金屬電極之間。因此，即使在第一導電半導體內由供給至信號電極部分的電信號產生電動勢，也可以抑制高頻分量的衰減，以及信號電極部分的金屬電極中邊界條件的局部改變引起的輻射和散射，從而確保高水平的信號傳輸可靠性。
在本發明的任何一種電信號傳輸線內，用來形成所述介電部分的電介質是介電常數不大于3的有機材料。
介電常數不大于3的電介質意味著介電常數充分地低于通常的半導體，因而在高頻處可以有助于極大地降低介電損耗。
在上述的電信號傳輸線內，用來形成所述介電部分的電介質由聚酰亞胺形成。
用聚酰亞胺形成介電部分可以確保高絕緣性、良好的抗高溫性和化學穩定性、以及良好的機械性能，從而有助于改善電信號傳輸線的可靠性。就形成介電部分所需的時間和成本而論，聚酰亞胺比二氧化硅、金剛石碳以及其它無機材料是更加有利的。
從所附的附圖和下面對本發明的詳細描述，本發明的其它特征、性質和各種優點會變得更加明白。


圖1(a)是示出依照本發明一種實施方式的電信號傳輸線的示意性橫截面圖；圖1(b)是示出依照本發明這種實施方式的電信號傳輸線的示意性平面圖；圖2(a)示出在本發明電信號傳輸線的信號電極與接地電極之間的等效電路；圖2(b)示出在NLTL的肖特基結電極之間的等效電路；圖3是以一種實施方式的原型制造的電信號傳輸線的示意性橫截面圖；圖4是基于觀察從以一種實施方式的原型制造的電信號傳輸線元件得到的結果的波形圖；圖5是依照現有技術的微帶線的示意性橫截面圖；圖6是依照現有技術的共平面形波導的示意性橫截面；圖7(a)是NLTL的示意性橫截面圖；圖7(b)是NLTL的示意性平面圖。
具體實施例方式
現在，參看

依照本發明的電信號傳輸線的一種實施方式。
圖1(a)示出依照本發明一種實施方式的電信號傳輸線其結構的橫截面，圖1(b)示出其平面圖(不包括最頂層，該最頂層是介電部分)。這種電信號傳輸線包括形成在半導體(如硅Si，磷化銦InP，氮化鎵GaN，碳化硅SiC，等)襯底1上的信號電極部分2、接地電極部分3和介電部分4。信號電極部分2包括電信號經由其流動的金屬電極21、上導電半導體22和下導電半導體23。接地電極部分3每個都包括接地的金屬電極31和導電半導體32。接地電極部分3位于信號電極部分2的每一側處。金屬電極31經由導電半導體32通過導電半導體32’連接在一起。
金屬電極21與上導電半導體22之間存在著歐姆接觸，上導電半導體22和下導電半導體23具有相反的極性。信號電極部分2的上導電半導體22和接地電極部分3的導電半導體32、32’也具有不同的極性(下導電半導體23和導電半導體32、32’的極性相同)。金屬電極21通過半導體PN結(圖中用“PNJ”表示)連接到接地電極部分3的每個金屬電極31上。該P型半導體和N型半導體的順序需要設定，以使反轉電壓施加到對應于信號電勢電平和接地電極電勢的PN結上。
盡管在本實施方式中信號電極部分2設有不同極性的上導電半導體22和下導電半導體23，但是本發明并不限于此。即使是在不提供上導電半導體23時，PN結也可實現，但替代的是上導電半導體22形成在與下導電半導體23相同極性的導電半導體32’上。然而，就器件性能而言，為了形成PN結，提供比導電半導體32’更高摻雜的獨立的下導電半導體23是很有效的，如在本實施方式的情形中那樣。
在本實施方式的電信號傳輸線中，位于信號電極部分2的金屬電極21與接地電極部分3的金屬電極31之間的區域蝕刻適當的深度，而未蝕刻掉每個金屬電極31之下的導電半導體32’。然后，用電介質在金屬電極21與31之間的蝕刻間隙內形成介電部分4，從而通過形成介電部分4來填充和覆蓋該間隙，直到該介電部分4延伸至高于金屬電極31的合適高度。
這樣，由此形成的介電部分4就包括電介質，該介質填滿信號電極部分2的金屬電極21與接地電極3的金屬電極31之間的區域，并覆蓋著該區域和這些電極，從而也覆蓋著電力線穿過的區域，在該區域內存在著傳輸的電信號能量。盡管在本實施方式的情形中，介電部分4是通過將電介質形成至均勻高度來形成，但這并不是限制性的，只要電介質設在金屬電極21與31之間電力線所穿過的區域內即可。同時，對用來形成介電部分4的電介質也沒有特別的限制。例如，可以用無機材料如二氧化硅或碳化硅，或者有機材料如類金剛石碳或聚酰亞胺。而且，介電部分4也不限于用單個的電介質形成。相反，可以用若干電介質形成。
接下來，說明在這樣配置的電信號傳輸線中PN結的功能。在金屬電極21與金屬電極31之間的是電路，用如圖2(a)所示的等效電路表示，包括串聯的PN結的電容C和導電半導體32、32’的電阻R。在圖2(b)中，NLTL情形中的相應連接用等效電路的形式示出，包括與相鄰接地電極與信號電極間的電感L并聯的肖特基結的電容C和電阻R。
在圖2(b)所示的NLTL的情形中，當向信號線施加高頻電信號時存在著兩個問題。一個是通過電容C的高頻信號分量的衰減，另一個是由于電感分量引起的接地電極電勢的波動。因為肖特基結的接地電極位于電信號傳播的區域內，所以傳播信號受位于肖特基結接地側的金屬電極的電勢波動的影響。
與之相反，由于在如圖2(a)所示本發明的電信號傳輸線的情形中，導電半導體32和32’的PN結電容分量和電阻分量是串聯的，因此可以避免低頻信號分量被電容C衰減，高頻信號分量被電阻R衰減。因此，由電信號產生的信號電極電勢的變化被電容C和電阻R吸收，從而，金屬電極31的電勢變化非常小。導電半導體32和32’的電阻特性可以通過調節雜質的摻雜濃度和層厚度進行適當地調整。
與肖特基結相比，PN結的優點在于用目前的半導體制造工藝，它可以再現地獲得具有良好精度的均勻性質。因為肖特基結基電容依賴于半導體界面的缺陷密度，而且半導體界面的缺陷密度強烈依賴于半導體的表面處理，所以很難保持可再現性和均勻性。相反，PN結基電容依賴于該結的雜質密度，而且由于雜質的密度可以用目前的半導體制造工藝進行精確地控制，因此可以確保器件的可再現性和均勻性。
現在，說明用電介質填充信號電極部分2的金屬電極21與接地電極部分3的金屬電極31之間的間隙的必要性。若沒有使用任何電介質，則信號的主要部分會通過金屬電極21與31之間的氣隙傳播。在這種情形下，在金屬電極拐角內電場的集中容易導致放電。穿過半導體表面的蠕緩放電也會產生。尤其在傳輸高頻信號時，所產生的電壓可能非常高。通常，頻率越高，電介質的擊穿電壓越低。因此，為了確保在電信號以高頻率傳輸的情形中避免電介質的擊穿或蠕緩放電，至少需要用電介質填充金屬電極21與31之間的區域。
同時，由于電介質具有比空氣高的介電常數，作為設置介電部分4的次級效應，電場變得集中于空間地包含傳播電信號的介電材料內。因而，大部分電信號在電介質內傳播，從而有助于降低信號衰減。
如上所述，在依照本發明的電信號傳輸線內，信號電極部分2的金屬電極21和接地電極部分3的金屬電極31由PN結和導電半導體32和32’串聯地連接，而且電極21與32之間的間隙用介電材料填充構成介電部分4，從而使得在這種結構中，可以抑制接地電極部分3的電勢變化和抑制高頻分量的衰減。也即，由于金屬電極21和31由PN結基電容器和導電半導體32’的電阻串聯地連接，因此在低頻電信號的情形中，該PN結電容器產生電壓，而在高頻信號的情形中，該電阻產生電壓。因而，可以抑制由供給信號電極部分2的金屬電極21的電信號引起的接地金屬部分3的金屬電極31的電勢變化。另外，導電半導體32’的裸露面與金屬電極21和31之間的區域借助于一個間隙空間地隔開，其中電能在該區域內流過，而且該空間用電介質填滿，形成覆蓋電極21和31的介電部分4。因而，介電部分4與電連接在介電部分4和信號電極部分2、接地電極部分3的PN結空間地隔開，并與連接在該PN結上的導電半導體32和32’也空間地隔開，從而可以抑制高頻分量的衰減，和由金屬電極21邊界條件的局部變化引起的輻射及散射。因此，可以實現一種適合于傳輸高頻信號的電信號傳輸線，而且該電信號傳輸線還可以作為高速電路來應用。
下面，說明一種制造電信號傳輸線的實施方式。圖3示意性示出這種實施方式的橫截面結構圖。這種實施方式采用厚度為300μm的半絕緣GaAs半導體襯底1，以及每個寬度都為6μm的信號電極部分2和接地電極部分3的金屬電極21和31。在金屬電極21之下，采用P型的GaAs半導體，以形成厚度為1000nm的上導電半導體22。在該上導電半導體22之下的是N型的GaAs導電半導體32，厚度為2000nm，而且用作下導電半導體23。因此，在電極21和32之間形成一個PN結。
將金屬電極21與一個金屬電極31之間的區域濕刻蝕至2μm深度。采用側向蝕刻以一個傾斜角蝕刻導電半導體(上導電半導體22和導電半導體32)。然后，用低介電常數的光敏聚酰亞胺涂敷該器件，形成厚度約3μm的介電涂層。
聚酰亞胺是一種用在集成電路中作為微結構的絕緣填充物的有機材料。聚酰亞胺自身具有良好的電絕緣性和機械特性，以及良好的抗高溫性和化學穩定性。它的相對介電常數是3，約是相對介電常數為12.4的GaAs的四分之一。因而，與半導體材料相比，這種小相對介電常數可以顯著地減小介電損耗。由于介電損耗與頻率的平方成正比，從而有助于減小高頻時出現的介電損耗。當填充涂層具有5μm或更厚的厚度時，如在本實施方式中那樣，用聚酰亞胺形成介電部分比用二氧化硅、金剛石碳以及其它這類無機材料更快、更便宜。
因此，可以將高速光接收元件與用上述電信號傳輸線試驗制造的這種器件相結合。對在距光接收元件50μm距離處的器件進行的測量顯示出290fs的極高速響應(參看圖4)。這等同于10000GHz的頻率，高速響應比NLTL的700GHz取樣頻率快大約1.5倍。這個頻率響應超過了目前據說是最快的晶體管的操作速度，從而這就表明，有可能會顯著地增加集成電路其信號處理頻率的上限。
工業適用性如前所述，本發明的電信號傳輸線用適合應用于高頻電信號傳輸的技術實現，而且可以用目前的半導體制造技術高質量地制造。因此，可以通過增加信號處理的頻率獲得更高速率的電路，而這正是集成電路的瓶頸所在。
權利要求
1.一種電信號傳輸線，包括形成在半導體襯底(1)上的信號電極部分(2)、接地電極部分(3)和介電部分(4)，所述信號電極部分具有電信號流過的金屬電極(31)，所述接地電極部分具有接地金屬電極，所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極由半導體PN結連接，以及所述介電部分通過用電介質覆蓋所述信號電極部分的金屬電極與所述接地電極部分的金屬電極之間的區域而形成，其中電力線穿過該區域，而且該區域是被傳輸的電信號的能量存在的區域。
2.依照權利要求1所述的電信號傳輸線，其特征在于所述接地電極部分包括分別設在所述信號電極部分的相對側且配有金屬電極的兩個接地電極，所述兩個接地電極部分的金屬電極由第一導電半導體連接，極性不同于所述第一導電半導體的第二導電半導體插在所述信號電極部分的金屬電極與所述第一導電半導體之間形成PN結，所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極由所述PN結和所述第一導電半導體串聯地連接。
3.依照權利要求2所述的電信號傳輸線，還包括通過在所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極之間蝕刻形成合適深度的間隙，該間隙將所述第一導電半導體的裸露表面與電力線在其中穿過的所述區域隔開，而且該間隙內填滿電介質，以形成同樣覆蓋所述信號電極部分的金屬電極和所述接地電極部分的金屬電極的介電部分。
4.依照權利要求1至3中任一項所述的電信號傳輸線，其特征在于用來形成所述介電部分的電介質是介電常數不大于3的有機材料。
5.依照權利要求4所述的電信號傳輸線，其特征在于用來形成所述介電部分的電介質由聚酰亞胺形成。
全文摘要
一種電信號傳輸線，包括形成在半導體襯底(1)上的信號電極部分(2)、接地電極部分(3)和介電部分(4)。信號電極部分(2)具有電信號流過的金屬電極(21)、上導電半導體(22)和下導電半導體(23)。接地電極部分(3)具有接地金屬電極(31)和導電半導體(32)。在上導電半導體(22)和下導電半導體(23)具有相反的極性的情形下，信號電極部分(2)的金屬電極(21)和接地電極部分(3)的金屬電極(31)用半導體PN結連接。介電材料填滿和覆蓋信號電極部分(2)的金屬電極(21)和接地電極部分(3)的金屬電極(31)之間的區域，電力線穿過該區域形成介電部分(4)。在這種結構下，可以提供能夠高速電信號傳播和用目前的半導體制造方法以穩定質量制造的電信號傳輸線。
文檔編號H01L21/02GK1630947SQ0282921
公開日2005年6月22日 申請日期2002年5月24日 優先權日2002年5月24日
發明者板谷太郎, 八木修一 申請人:獨立行政法人產業技術綜合研究所