TWI753067B - 單石積體裝置 - Google Patents
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Abstract
一種具有允許聲學元件傳導表面聲波或體聲波的結構的單石積體裝置。該單石積體裝置包括：一基底層(101)，作為該單石積體裝置的基底；一層間介電質(102)，配置在該基底層(101)的頂部上；一電子電路，基本形成在該層間介電質(102)中並由該基底層(101)所支撐，該電子電路包括由一個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層；以及一壓電體(301)，夾置在在該層間介電質(102)內的一頂部電極和一底部電極之間。該頂部電極是屬於該電子電路的上部金屬層的金屬(204)並且該底部電極是屬於該電子電路的下部金屬層的金屬(204)。為了傳導體聲波，在頂部電極上方形成頂部空腔(105)，在底部電極下方形成底部空腔(106)。
Description
本發明是關於半導體領域中的元件，特別是關於可應用於受控頻率電路設計應用中的單石積體裝置(monolithic integrated device)。
聲波元件有利於頻率過濾以實現特定頻寬的信號的發送和接收。習知上此種元件通常用於廣播無線電、電視和移動通信應用中。這些無源(passive)聲波元件的眾多功能是通過將它們與有源(active)電路集成(integration)來形成各種元件，如振盪器、有源濾波器、低噪音放大器、質量傳感器、溫度傳感器等。這些由互補金屬氧化物半導體(complementary-metal-oxide semiconductor，CMOS)技術製造的電子電路和由微電子機械系統(micro-electro mechanical systems，MEMS)技術製造的聲學元件被安裝在層壓板(laminated board)或矽中介層(silicon interposer)上。
通常，電子電路和聲學元件的集成是通過單石或異構(heterogeneous)集成方法來實現的，其中聲學元件被構建在電子電路的頂部。與異構集成相比，單石集成提供了更佳的解決方案。US20060202779A1描述了一種單石積體裝置的示例，其包括基底、由基底支撐的電子電路、在電子電路上方的聲學隔離器以及在聲學隔離器上的聲學諧振器，其用於傳導(transduce)體聲波(bulk acoustic wave)。聲學諧
振器與電子電路垂直集成在單個單石元件中。此種元件具有縮短聲學諧振器和電子電路之間的信號傳播距離並且減少連接的數量的特徵，因此導致單石積體裝置的性能和靈敏度的提高，並減小單石積體裝置的尺寸，同時與聲學諧振器與電子電路橫向集成的單石積體裝置相比，增加了可在基底的給定區域內製造的聲學諧振器元件和電子電路元件的數量。
在US5260596A中揭示的單石積體裝置的另一個例子描述了與體結構諧振器(bulk structure resonator)集成的單石電路晶片。該晶片包含多個積體電路元件，其被製造作為安裝有用於支撐質量的彈簧的半導體基底的一部分。該發明包括一激發裝置，其用於對質量施加變化的靜電力以引起質量中的機械振動。製造於半導體基底上的空腔為機械振動的發生提供了空間。該發明的其它實施例包括使用能產生表面聲波(surface acoustic wave)或體聲波(bulk acoustic wave)的非壓電(non-piezoelectric)機械諧振器、石英晶體諧振器和薄膜壓電諧振器。
習知的單石積體裝置，特別是那些被配置成具有在CMOS元件的電子電路之上構建聲學元件的單石積體裝置，在聲學元件和CMOS元件之間造成了複雜性和兼容性問題，這會犧牲聲學元件的功能。因此，此處公開的本發明旨在為這些問題提供解決方案。
本發明的目的之一在於提供一種單石積體裝置，其具有通過將聲學元件嵌入CMOS元件的電子電路內而利用電子電路的金屬層作為聲學元件的電極來減少互連電子寄生效應(interconnect electronic parasitic)的結構。
本發明的另一目的在於提供一種單石積體裝置，其具有通過將聲學元件嵌入CMOS元件的電子電路內而利用電子電路的金屬層作為聲學元件的電極來減少互連電子寄生效應(interconnect electronic parasitic)的結構。
本發明的另一目的在於提供一種單石積體裝置，其具有允許聲學元件與具有或不具有鈍化層的電子電路集成的結構。
本發明的另一個目的在於提供一種單石積體裝置，其能夠使得聲學元件與有源電子電路電子地斷開連接的單石積體裝置而使得聲學元件可以被用於無源元件。
本發明的另一個目的在於一種單石積體裝置，其具有簡化的元件結構和配置同時增強聲學元件和CMOS元件之間的兼容性，而不必犧牲聲學元件的功能。
通過本發明全部或部分地滿足了上述方面中的至少一個，本發明的較佳實施例描述了一種單石積體裝置，其包括：一基底層，作為該單石積體裝置的基底；一層間介電質，配置在該基底層的頂部上；一電子電路，基本形成在該層間介電質中並由該基底層所支撐，該電子電路包括由一個或多個間隔開的金屬形成的多個金屬層；以及一壓電體，夾置在該層間介電質內的一頂部電極和一底部電極之間；其中該頂部電極是屬於該電子電路的上部金屬層的金屬並且該底部電極是屬於該電子電路的下部金屬層的金屬。此種結構允許表面聲波的傳導。為了傳導體聲波，在頂部電極上方和底部電極下方形成空腔。
101:基底層
102:層間介電質
103:鈍化層
104:接合焊盤開口
105、106:空腔
201:閘極
202:源極和汲極區
203:接觸元件
204:金屬
205:通孔
301:壓電體
圖1示出了具有允許聲學元件傳導表面聲波的結構的單石積體裝置的示意圖。
圖2示出了具有允許通過聲學元件傳導表面聲波或體聲波的結構的單石積體裝置的示意圖。
為了更好地理解本發明，將詳細描述在附圖中示出的本發明的較佳實施例。
此處公開的發明涉及一種將聲學元件與通過互補金屬氧化物半導體技術製造的電子電路集成在一起的單石積體裝置。根據電子電路和聲學元件的類型，單石積體裝置通過響應於施加的機械應力而產生電荷的聲學元件的集成可以形成為振盪器、有源濾波器、低噪音放大器、質量傳感器、溫度傳感器等。作為無源電子頻率產生器的聲波元件通常由夾在頂部電極和底部電極之間的壓電體(piezoelectric)形成。應當注意的是，這裡使用的術語“電子電路”是指包括通過諸如CMOS元件的電連接而連接的電子元件或多個電子元件的有源電路。
參照圖1和圖2，單石積體裝置具有充當元件基座的基底層(101)。基底層(101)由諸如但不限於矽的半導體製成。層間介電質(inter-layer dielectric)(102)設置在基底層(101)的頂部，其中電子電路基本上在基底層(101)和層間介電質(102)間形成並被基底層(101)支撐。
電子電路包括基底層(101)中的至少一閘極(201)、位於層間介電質(102)中且具有分別連接到閘極(201)的源極和汲極的至少一源極和汲極區(202)、由一個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層、至少一接觸元件(203)，其用於將源極和汲極區(202)和閘極(201)中
的任何一個或其組合連接到多個金屬(204)之一、和用於連接不同金屬層的通孔(205)。
閘極(201)、源極和汲極是使用電場來控制電子電路的電流流動的場效電晶體(field-effect transistor，FET)的端子。在圖1和2所示的本發明的較佳實施例中，一對閘極(201)分別連接到源極和汲極。通過嵌入在基底層(101)中而與電子電路的其餘元件絕緣的閘極(201)被施以一電壓。所施加的閘極電壓將電場施加到電子電路中，導致電荷載體相對於嵌入在層間介電質(102)中的源極和汲極之間的區域的吸引或排斥。電荷的密度影響源極和汲極之間的導電性，從而控制電子電路的電流流動。如圖1和圖2所示，接觸元件(203)用於將閘極(201)連接到金屬(204)中的任何一個以及將源極和汲極區(202)連接到金屬(204)中的任何一個。不同的金屬層通過通孔(205)連接。
此處所描述的單石積體裝置其特徵在於電子電路和聲學元件之間的金屬(204)為共享。此共享通過利用來自兩個不同金屬層的兩個金屬(204)作為聲學元件的頂部電極和底部電極而成為可能。壓電體(301)夾在層間介電質(102)內的頂部電極和底部電極之間。因此，與習知的單石積體裝置不同，聲學元件不是形成在電子電路的頂部，而是嵌入在層間介電質(102)內。頂部電極是位於上部金屬層的金屬(204)，而底部電極是位於下部金屬層的金屬(204)。此外，儘管聲學元件使用電子電路的金屬(204)作為電極，當聲學元件與有源電子電路電子地斷開時，這種單石積體裝置的元件結構和構造允許聲學元件用作無源元件。
充當電子電路和壓電體(301)的保護層的鈍化層(103)可選擇地形成在層間介電質(102)上。習知上，聲學元件被構建在鈍化層(103)的頂部上。通過使用電子電路的金屬(204)作為聲學元件的電極而將聲學
元件嵌入在層間介電質(102)內，即使沒有鈍化層(103)，也可以實現聲學元件與電子電路的集成。該元件利用至少一延伸穿過鈍化層(103)並部分地進入層間介電質(102)直到到達多個金屬(204)之一的接合焊盤開口(bond-pad opening)(104)而形成，而該金屬(204)被用作單石積體裝置的焊盤。優選地，將這些接合焊盤開口(104)蝕刻到鈍化層(103)和層間介電質(102)中以暴露接合焊盤。
本發明的主要特徵之一是其能夠傳導表面聲波或體聲波的結構。圖1示出了允許聲學元件傳導表面聲波的單石積體裝置的結構，而圖2示出了可用於傳導表面聲波或體聲波的單石積體裝置的結構。在圖1中，在電極的上方和下方不形成用於壓電體(301)振動的空腔。因此，圖1所示的單石積體裝置中的聲學元件傳導表面聲波。另一方面，圖2中的層間介電質(102)形成有在頂部電極上方的頂部空腔(105)和在底部電極下方的底部空腔(106)。這些空腔(105、106)為壓電體的振動提供空間，從而允許壓電體傳導體聲波或表面聲波。
儘管本發明已詳細描述和說明，但應該理解的是，本發明是通過說明和示例的方式，並非作為限制。本發明之精神和範圍僅受後附之申請專利範圍所界定者之限制。
101:基底層
102:層間介電質
103:鈍化層
104:接合焊盤開口
105:空腔
106:空腔
201:閘極
202:源極和汲極區
203:接觸元件
204:金屬
205:通孔
301:壓電體
Claims (8)
- 一種單石積體裝置，包括：一基底層(101)，是該單石積體裝置的基底；一層間介電質(102)，配置在該基底層(101)的頂部上；一電子電路，基本形成在該層間介電質(102)中並由該基底層(101)所支撐，該電子電路包括由兩個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層；一鈍化層(103)，形成於該層間介電質(102)的頂部上；以及一壓電體(301)，夾置在在該層間介電質(102)內的一頂部電極和一底部電極之間，位於該鈍化層(103)附近的該頂部電極是屬於該電子電路的上部金屬層的金屬(204)並且該底部電極是屬於該電子電路的下部金屬層的金屬(204)；其中，該單石積體裝置形成有接合焊盤開口(104)，該接合焊盤開口(104)延伸穿過該鈍化層(103)並部分地進入該層間介電質(102)，直到該接合焊盤開口(104)到達該電子電路的多個金屬(204)之一，其用以作為該頂部電極和一焊盤。
- 如請求項1所述之單石積體裝置，其中，該層間介電質(102)形成有在該頂部電極上方的一頂部空腔(105)和在該底部電極下方的一底部空腔(106)。
- 如請求項1所述之單石積體裝置，其中該電子電路包括該基底層(101)中的至少一閘極(201)。
- 如請求項3所述之單石積體裝置，其中該電子電路包括在該層間介電質(102)中的至少一源極和汲極區(202)，該源極和汲極區(202)具有分別連接到該閘極(201)的一源極和一汲極。
- 如請求項4所述之單石積體裝置，其中，該電子電路包括用於將該源極和汲極區(202)和該閘極(201)中的任何一個或其組合連接到該多個金屬(204)之一的一接觸元件(203)。
- 如請求項1所述之單石積體裝置，還包括一個或多個通孔(205)，用於連接不同的該金屬層。
- 如請求項1所述之單石積體裝置，其中該電子電路是一CMOS元件。
- 一種單石積體裝置，包括：一基底層(101)，是該單石積體裝置的基底；一層間介電質(102)，配置在該基底層(101)的頂部上；一鈍化層(103)，配置在該層間介電質(102)的頂部上的；一電子電路，基本形成在該層間介電質(102)中並由該基底層(101)所支撐，該電子電路包括由兩個或多個間隔開的金屬(204)形成的多個金屬層；以及一壓電體(301)，夾置在在該層間介電質(102)內的一頂部電極和一底部電極之間，位於該鈍化層(103)附近的該頂部電極是屬於該電子電路的上部金屬層的金屬(204)並且該底部電極是屬於該電子電路的下部金屬層的金屬(204)；其中該層間介電質(102)形成有在該頂部電極上方的一頂部空腔(105)和在該底部電極下方的一底部空腔(106)，又該單石積體裝置形成有至少一個接 合焊盤開口(104)，該接合焊盤開口(104)延伸穿過該鈍化層(103)並部分地進入該層間介電質(102)，直到該接合焊盤開口(104)到達該電子電路的多個金屬(204)之一，其用以作為該頂部電極和一焊盤。
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| CN102933318A (zh) * | 2010-01-29 | 2013-02-13 | 三角形研究学会 | 用于形成压电超声换能器的方法和相关的设备 |
| CN106877836A (zh) * | 2015-12-14 | 2017-06-20 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 一种薄膜体声波谐振器及其制造方法和电子装置 |
| CN107181472A (zh) * | 2016-03-10 | 2017-09-19 | 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 | 薄膜体声波谐振器、半导体器件及其制造方法 |
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