用于背侧集成电路高频信号辐射、接收的方法和设备以及互连件技术

在设备(700)的所描述实例中，半导体衬底(710)具有前侧表面及与所述前侧表面相对的背侧表面。金属导体(714)形成于所述前侧表面上方。至少一个空腔开口蚀刻于所述背侧表面中。辐射或耦合结构(716)形成于所述金属导体(714)的一部分中且配置成通过所述背侧表面中的所述空腔开口辐射信号。

Method and equipment for high frequency signal radiation and reception of back integrated circuits and interconnects

In the described example of the device (700), the semiconductor substrate (710) has a front surface and a back surface opposite the front surface. A metal conductor (714) is formed above the front surface. At least one cavity opening is etched in the back surface. The radiation or coupling structure (716) is formed in a part of the metal conductor (714) and is configured to radiate signals through the cavity opening in the back surface.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于背侧集成电路高频信号辐射、接收的方法和设备以及互连件
本专利技术大体上涉及集成电路和集成波结构，且更确切地说，涉及构建用于在半导体装置中高频辐射和接收的背侧波结构。
技术介绍
如本文中所使用，术语“兆赫兹”涵盖具有对应于大致0.1THz到大致30.0THz的频率范围的大致3000μm到10μm的波长的电磁发射。由于三个关键问题，将来自集成电路的毫米波信号、次THZ信号和THz信号耦合到天线或互联件在常规解决方案中可能有问题。第一个问题涉及在后端材料中由于金属中的趋肤深度和氧化物及氮化物中的介电损耗而出现的损耗。为实现高增益天线，或为形成高频芯片间互连件，在后端加工中相对于波长需要大型结构，这大大地增加了导体和介电损耗。第二个问题涉及表面波，其是在金属界面上的介电质相对于信号波长较大时所出现的传播模式。表面波引起天线及互连件中的信号损耗(效率损耗)。图1A及1B展示效率的曲线(展示于图1A的竖直轴上)，其中H为金属M1的顶部上方的介电质的厚度，且比率H/λ_o展示于水平轴上。典型后端介电质为6微米厚，其在1THz频率下为0.02(H/λ_o)，如图1A中所示，由于贴片天线(类似于后端中的发射线)中的表面波，这导致10％电力损耗。图1B说明实例结构中的表面波效应，其展示能量作为波沿着介电层的表面转移且因此不会有效地远离所述结构发射。第三个问题涉及通常用于常规半导体装置的顶层级金属结构和介电材料。在用于辐射器或耦合结构时，这些材料对于THz频率信号的有效辐射和接收来说损耗过大。在一个解决专利第US8,450,687号(“所述'687专利”)中的至少一些问题的常规方法中，天线直接集成在集成电路(IC)上。在'687专利中，天线形成在IC上，意图在IC的电路侧或顶侧(有时被称作“前”侧)上辐射能量。'687专利中所描述的天线结构是以相比先前方法降低生产成本的方式形成，是因为天线构造可以并入到IC构建过程中，由此与先前方法中一样节省额外微机械加工成本。'687专利的方法的另一特征在于所使用的天线相比常规平面型集成天线改进了辐射效率。然而，额外问题仍然存在。图2A及2B说明在IC制造系统内构建的常规顶侧天线。在图2A中，横截面视图200展示半导体衬底210a、形成有源区212的掺杂表面区域以及金属导体堆叠214。在金属导体堆叠中，形成接地平面220a及天线222a，其中天线222a在金属导体堆叠214的最高部分处。金属导体堆叠214可由多层级金属结构形成，其中导体形成在由介电层分离的层级处，例如，在集成电路制造中形成在半导体衬底的表面上方。在图2B中，再次说明此结构的顶视图202，其展示半导体衬底210b、接地平面220b以及天线结构222b。并且，展示多个焊垫224和焊线230以帮助说明这种天线结构形成于半导体衬底(例如硅、锗化硅、砷化镓或其它半导体晶片)的顶侧或电路侧上。在天线222a形成于半导体衬底的顶侧上的情况下，能量朝上远离晶片或衬底210b的顶侧辐射。图3展示处于操作中的辐射信号的常规顶侧天线300(例如，如图2A及2B中所展示)和相对应的气球图340。图3展示包含晶片或半导体衬底310、顶侧天线322、焊垫324和焊线330的布置300。气球图340表示由操作中的顶侧天线322所辐射的模拟能量。在此布置300中，在模拟中发现峰值增益为大致7dB，如图3的图标尺342及气球图340所指示。因此，需要继续改进方法和耦合器或天线，所述方法与商用半导体工艺兼容且所述耦合器或天线可在THz及次THz频率下有效发射及接收信号。期望较高增益天线能够更有效地将经辐射能量耦合到其它THz组件。
技术实现思路
在设备的所描述实例中，半导体衬底具有前侧表面及与所述前侧表面相对的背侧表面。金属导体形成于所述前侧表面上方。至少一个空腔开口蚀刻于所述背侧表面中。辐射或耦合结构形成于所述金属导体的一部分中并配置成通过所述背侧表面中的所述空腔开口辐射信号。附图说明图1A和1B说明信号效率，其展示出具有表面波效应的常规结构中的损耗。图2A及2B说明与IC集成的常规顶侧天线。图3展示常规顶侧天线和说明从所述天线辐射的信号强度的气球图。图4A、4B及4C说明在CMOS工艺内利用形成于半导体衬底的背侧中的空腔构建的天线布置。图5A、5B及5C说明利用形成于半导体衬底的背侧中的波导构建的另一天线布置。图6展示指示由系统中的背侧天线所辐射的能量的气球图。图7A、7B、7C及7D展示形成于半导体衬底的背侧中的天线及波导的不同视图来说明几种实例布置。图8A、8B及8C展示形成于半导体衬底的背侧上的天线及空腔的额外布置的横截面视图。具体实施方式除非另有指示，否则不同图中的对应标号和符号通常是指对应部分。所述图式未必按比例绘制。实例实施例详述有效辐射及检测来自集成电路、晶片或半导体衬底上所制造的辐射器或耦合结构的THz频率辐射能量的能力。在此描述中，术语“耦合”包含“直接连接”和利用介入元件进行的连接。可在描述为“经耦合”的任何元件之间使用额外元件和各种连接。在所描述实例中，通过用形成在IC的背侧上的空腔来构建天线部分，集成天线将提供从半导体衬底或晶片的背侧引导的次THz及THz辐射以供接收或发射。在衬底的背侧内构建天线使得辐射结构均一平行地定向到接地平面，在辐射器与强化经辐射信号的接地平面反射器之间有精确间距，从而改进增益。并且，实例实施例提供用于高频信号的天线及耦合结构，其是机械稳固的并与现有半导体制造工艺兼容。此外，实例实施例包含在晶片或衬底内的博导，其使得THz能量能够有效耦合到其它IC、封装、重布层、波导或同一IC上的其它点。至少一个实例实施例包含倒转天线结构以从半导体衬底或晶片的背侧中辐射能量的结构。在各种布置中，使用不同蚀刻技术及工艺以在晶片或半导体衬底的背侧中形成各种空腔或波导，并以不同模式布置在天线或耦合结构下方或接近所述天线或耦合结构。实例实施例相比常规方法改进了经辐射能量的增益特征。并且，实例实施例实现在常规方法不可用于制造次THz及THz天线的额外耦合结构和发射方法。实例实施例提供用于将THz信号从非辐射波导结构中的一点导引到另一点的耦合结构。因为天线或耦合结构形成于晶片的背侧上，所以避免了由常规顶侧天线引发的损耗。如下文中所描述，实例实施例实现另外的优点。空腔可经布置作为波导或天线喇叭。通过控制天线或耦合结构与电或磁性反射器之间的间距和通过改变空腔的形状(包含通过半导体衬底材料的可控蚀刻及通过薄化或控制半导体衬底或晶片的厚度)，可以实现重布层或THz波束成形技术。实例实施例提供用于次THz及THz频率信号的高效辐射器及检测器，其无法使用常规方法实现。可以针对先前不可用的高频下的裸片上、裸片到裸片或裸片到封装连接来现使用耦合结构及空腔或波导的THz信令。图4A到4C说明在半导体工艺内利用形成于晶片衬底的背侧中的空腔开口或波导构建的THz天线的实例布置。图4A说明利用常规CMOS加工制造的具有空腔开口或波导424a的晶片410a的横截面400。在衬底410a的表面处的区域412可含有有源或无源电路组件。在使用标准MOS半导体工艺形成的实例布置中，CMOS组件(例如，由MOS晶体管形成的有源电路，且在一些布置中，无源电路，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备，其包括：半导体衬底，其具有前侧表面及与所述前侧表面相对的背侧表面；金属导体，其形成于所述前侧表面上方；至少一个空腔开口，其蚀刻于所述背侧表面中；及辐射或耦合结构，其形成于所述金属导体的一部分中并配置成通过所述背侧表面中的所述空腔开口辐射信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.29 US 14/982,9321.一种设备，其包括：半导体衬底，其具有前侧表面及与所述前侧表面相对的背侧表面；金属导体，其形成于所述前侧表面上方；至少一个空腔开口，其蚀刻于所述背侧表面中；及辐射或耦合结构，其形成于所述金属导体的一部分中并配置成通过所述背侧表面中的所述空腔开口辐射信号。2.根据权利要求1所述的设备，其中所述辐射或耦合结构形成于所述金属导体的上覆所述前侧表面的层级中。3.根据权利要求2所述的设备，其进一步包括反射表面，其与所述辐射或耦合结构间隔形成且上覆所述辐射或耦合结构，并配置成朝向所述背侧表面中的所述开口反射所述信号。4.根据权利要求3所述的设备，其中所述反射表面为电反射器。5.根据权利要求4所述的设备，其中所述反射表面以180度相移反射所述经辐射信号。6.根据权利要求4所述的设备，其中所述反射表面与所述辐射或耦合结构间隔一距离，所述距离是所述经辐射信号的波长的分数，介于所述波长的1/100与1/2之间。7.根据权利要求3所述的设备，其中所述反射表面为磁性反射器。8.根据权利要求7所述的设备，其中所述反射表面以0度相移反射所述经辐射信号。9.根据权利要求1所述的设备，其中所述经辐射信号的频率在0.1THz与30THz之间。10.根据权利要求1所述的设备，其中所述空腔开口具有倾斜侧壁。11.根据权利要求1所述的设备，其中所述空腔开口形成用于所述经辐射信号的波导。12.根据权利要求1所述的设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：本杰明·史塔生·库克，斯瓦米纳坦·桑卡兰，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US