专利名称：电信号传输线的制作方法
技术领域：
本发明涉及传播电信号的电信号传输线。具体地，本发明涉及半导体电路内传输高频电信号的电信号传输线。
背景技术：
用来处理集成电路内的电信号的信号处理频率的上限取决于有源元件如晶体管和无源元件如传输线。虽然晶体管的截止频率到2002年为止已经达到500GHz，但是因为信号处理频率的上限仍然保持在100GHz左右，所以集成电路中的信号处理频率的上限约为100GHz。高频信号可以在封装衬底的微波传输带波导内和在半导体衬底的共平面形波导内传播。
图5示出微带线的结构横截面。该微带线包括信号电极101、半导体衬底102和接地电极103。微带线具有易于构造和制造便宜的优点。然而，尽管微带线内电信号的传播大多发生在半导体衬底102内，但是仍有一部分电信号存在于信号电极101一侧的空气内。由此产生的在介质与空气内信号的相速度差会导致沿传播方向具有电场和磁场的混合波型。在高频波区域内，混合波型是引起辐射损耗的主要原因。而且，随着信号频率的增加，信号波长减小，从而显示出混合波型。因此，微带线并不适合于高频传输，而主要适用于其中频率相对较低的封装衬底。
现在，说明共平面形波导。图6示出共平面形波导的横截面。这种共平面形波导包括设在半导体衬底104上的信号电极105和接地电极106，信号电极105设置在接地电极106之间。这种结构的一个优点是易于安装半导体器件。由于接地电极106邻近信号电极105，电信号局限于信号电极105与接地电极106之间。因为电信号的空间局域化，所以共平面形波导可以处理比微带线更高的频率。然而，与微带线的情形一样，信号也是在半导体衬底104和空气内传播，从而容易导致不匹配的相速度。因此，其缺陷在于随着频率的升高，混合模变得明显，辐射损耗增大。
接下来，说明一种能够在比微带线或共平面形波导更高的频率处传输信号的传输线。到2002年为止，据称能够实现最高信号传输频率的传输线是M.J.W.Rodwell提出的非线性传输线(NLTL)。这是一类其中电容器设在信号线与接地线之间的有源传输线。NLTL利用电容相对于电压的非线性属性来压缩电脉冲并使高频信号能够传输。
在NLTL的情形下，通过利用金属和半导体间的肖特基结的电容迄今为止已经实现了电脉冲的压缩(M.J.W.Rodwell et al，Proc.IEEE，vol.82，No.7，pp1037-1059(1994))。同时，通过利用这种有源传输线，已经制造出能够在725GHz取样信号的原型取样电路(U.Bhattacharya，S.T.Allen和M.J.W.Rodwell，IEEE，vol.5，No.2(1995))。
图7示出这种NLTL的横截面图和平面图。参看图7(a)的横截面图，该NLTL具有共平面形的结构，信号线位于半导体衬底107上，接地线位于每一侧处。构成信号线的金属电极的信号电极108、和构成接地线的金属电极的接地电极109接触N型导电半导体110a和110b。接地电极109经由该N型半导体111互相接触。位于信号电极108之下的N型半导体110a与接地线109绝缘，而且经由绝缘层112与N型半导体111绝缘。接地线109的每个都由主线109a和若干延伸部109b构成，该若干延伸部109b沿信号线的方向延伸，与设在信号电极108下的N型半导体110a形成肖特基结(图中用“SJ”表示)。
在这样配置的NLTL中，接地电极109的延伸部109b产生增加的电感分量。在由肖特基结产生的非线性电容与该增加的电感分量之间获得平衡对电脉冲的压缩性质产生主要的影响。
然而，用NLTL传播的信号在半导体衬底和传输线上的空气内传播，从而类似于在共平面形波导的情形，NLTL是非均匀波导。信号在半导体衬底内和在空气内的相速度的差异容易导致混合模型，产生沿传播方向的电场分量和磁场分量。因此，在高频波区域内，由混合模引起的辐射损耗不能被忽略。
而且，在NLTL内，对于信号电极，非线性电容变成一个问题，因为它存在于信号电极与接地电极之间的区域内。由于在NLTL内传播的电信号的能量存在于信号电极与接地电极之间，因此对该区域内的肖特基结若干个金属电极的使用产生阻抗失配，从而对行进的电磁波产生反射和散射。参看图7(b)的平面图，例如，波长比形成肖特基结的两电极之间的间隙长的电磁波由于多次反射而导致损耗的主要增加，该肖特基结内存在着阻抗失配。
另外，形成肖特基结的金属电极对传播的电信号产生边界效应，使这些电信号复杂化，而且使其不能类似于TEM模那样代表传输模。在半导体制造过程中，由于在NLTL内利用的是化合物半导体肖特基势垒，因此也会出现一些问题。肖特基结的电容取决于肖特基势垒的高度和厚度。肖特基势垒的厚度反比于化合物半导体界面处的缺陷密度，而缺陷密度高度依赖于所采用的表面处理方法在目前的半导体制造过程中，均匀表面处理并不能再现。因此，在实际效用方面，难于再现非线性电容的尺寸和均匀性，而非线性电容是NLTL很关键的参数。
鉴于上述问题，本发明的目标是提供一种电信号传输线，它能够高速地传播电信号，而且能够用目前的半导体制造方法以稳定的质量制造。
发明内容
依照本发明，上述的目标通过提供一种电信号传输线来获得，该电信号传输线包括形成在半导体衬底上的信号电极部分、接地电极部分和介电部分，所述信号电极部分具有电信号流过的金属电极，所述接地电极部分具有接地金属电极，所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极由半导体PN结连接，以及所述介电部分通过用电介质覆盖所述信号电极部分的金属电极与所述接地电极部分的金属电极之间的区域形成，其中电力线穿过该区域，即，该区域是传输的电信号的能量存在的区域。
在本发明的这种电信号传输线中，通过用半导体PN结将信号电极部分的金属电极与接地电极部分的金属电极相连，就可以确保信号电极部分与接地电极部分之间所需的电容，从而可以确保用目前的半导体制造方法制造的电信号传输线的再现性和同质性，其中这种半导体制造方法能够使杂质密度以良好的精度进行控制。而且，通过用电介质覆盖传输电信号能量存在于其内的介电部分，可以避免信号电极部分与接地电极部分之间的绝缘击穿或蠕缓放电。另外，大部分信号传播发生在电介质内也具有抑制信号衰减的效应。
在这种电信号传输线内，接地电极部分包括分别设在所述信号电极部分相对侧且配有金属电极的两个接地电极，所述两个接地电极部分的金属电极用第一导电半导体连接，极性不同于所述第一导电半导体的第二导电半导体插在所述信号电极部分的金属电极与所述第一导电半导体之间形成PN结，所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极由所述PN结和所述第一导电半导体串联地连接。
依照本发明第二方面提到的电信号传输线，信号电极部分的金属电极和接地电极部分的金属电极用借助于PN结实现的电容器和借助于第一导电半导体实现的电阻串联地连接。因而，当电信号是低频信号时，电压借助于PN结电容器产生，而当电信号是高频信号时，电压由电阻产生。这就使其能够有效地抑制由供给至信号电极部分的金属电极上的电信号引起的接地电极部分的金属电极的电势波动。
本发明第二方面提到的电信号传输线还包括通过在所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极之间蚀刻形成合适深度的间隙，该间隙将所述第一导电半导体的裸露表面与电力线在其中穿过的所述区域隔开，而且该间隙内填满电介质，以形成同样覆盖所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极的介电部分。
依照这种电信号传输线，第一导电半导体与电能流过的区域分开，其中该区域设在信号电极部分的金属电极和接地电极部分的金属电极之间。因此，即使在第一导电半导体内由供给至信号电极部分的电信号产生电动势，也可以抑制高频分量的衰减，以及信号电极部分的金属电极中边界条件的局部改变引起的辐射和散射，从而确保高水平的信号传输可靠性。
在本发明的任何一种电信号传输线内，用来形成所述介电部分的电介质是介电常数不大于3的有机材料。
介电常数不大于3的电介质意味着介电常数充分地低于通常的半导体，因而在高频处可以有助于极大地降低介电损耗。
在上述的电信号传输线内，用来形成所述介电部分的电介质由聚酰亚胺形成。
用聚酰亚胺形成介电部分可以确保高绝缘性、良好的抗高温性和化学稳定性、以及良好的机械性能，从而有助于改善电信号传输线的可靠性。就形成介电部分所需的时间和成本而论，聚酰亚胺比二氧化硅、金刚石碳以及其它无机材料是更加有利的。
从所附的附图和下面对本发明的详细描述，本发明的其它特征、性质和各种优点会变得更加明白。
图1(a)是示出依照本发明一种实施方式的电信号传输线的示意性横截面图；图1(b)是示出依照本发明这种实施方式的电信号传输线的示意性平面图；图2(a)示出在本发明电信号传输线的信号电极与接地电极之间的等效电路；图2(b)示出在NLTL的肖特基结电极之间的等效电路；图3是以一种实施方式的原型制造的电信号传输线的示意性横截面图；图4是基于观察从以一种实施方式的原型制造的电信号传输线元件得到的结果的波形图；图5是依照现有技术的微带线的示意性横截面图；图6是依照现有技术的共平面形波导的示意性横截面；图7(a)是NLTL的示意性横截面图；图7(b)是NLTL的示意性平面图。
具体实施例方式
现在，参看
依照本发明的电信号传输线的一种实施方式。
图1(a)示出依照本发明一种实施方式的电信号传输线其结构的横截面，图1(b)示出其平面图(不包括最顶层，该最顶层是介电部分)。这种电信号传输线包括形成在半导体(如硅Si，磷化铟InP，氮化镓GaN，碳化硅SiC，等)衬底1上的信号电极部分2、接地电极部分3和介电部分4。信号电极部分2包括电信号经由其流动的金属电极21、上导电半导体22和下导电半导体23。接地电极部分3每个都包括接地的金属电极31和导电半导体32。接地电极部分3位于信号电极部分2的每一侧处。金属电极31经由导电半导体32通过导电半导体32’连接在一起。
金属电极21与上导电半导体22之间存在着欧姆接触，上导电半导体22和下导电半导体23具有相反的极性。信号电极部分2的上导电半导体22和接地电极部分3的导电半导体32、32’也具有不同的极性(下导电半导体23和导电半导体32、32’的极性相同)。金属电极21通过半导体PN结(图中用“PNJ”表示)连接到接地电极部分3的每个金属电极31上。该P型半导体和N型半导体的顺序需要设定，以使反转电压施加到对应于信号电势电平和接地电极电势的PN结上。
尽管在本实施方式中信号电极部分2设有不同极性的上导电半导体22和下导电半导体23，但是本发明并不限于此。即使是在不提供上导电半导体23时，PN结也可实现，但替代的是上导电半导体22形成在与下导电半导体23相同极性的导电半导体32’上。然而，就器件性能而言，为了形成PN结，提供比导电半导体32’更高掺杂的独立的下导电半导体23是很有效的，如在本实施方式的情形中那样。
在本实施方式的电信号传输线中，位于信号电极部分2的金属电极21与接地电极部分3的金属电极31之间的区域蚀刻适当的深度，而未蚀刻掉每个金属电极31之下的导电半导体32’。然后，用电介质在金属电极21与31之间的蚀刻间隙内形成介电部分4，从而通过形成介电部分4来填充和覆盖该间隙，直到该介电部分4延伸至高于金属电极31的合适高度。
这样，由此形成的介电部分4就包括电介质，该介质填满信号电极部分2的金属电极21与接地电极3的金属电极31之间的区域，并覆盖着该区域和这些电极，从而也覆盖着电力线穿过的区域，在该区域内存在着传输的电信号能量。尽管在本实施方式的情形中，介电部分4是通过将电介质形成至均匀高度来形成，但这并不是限制性的，只要电介质设在金属电极21与31之间电力线所穿过的区域内即可。同时，对用来形成介电部分4的电介质也没有特别的限制。例如，可以用无机材料如二氧化硅或碳化硅，或者有机材料如类金刚石碳或聚酰亚胺。而且，介电部分4也不限于用单个的电介质形成。相反，可以用若干电介质形成。
接下来，说明在这样配置的电信号传输线中PN结的功能。在金属电极21与金属电极31之间的是电路，用如图2(a)所示的等效电路表示，包括串联的PN结的电容C和导电半导体32、32’的电阻R。在图2(b)中，NLTL情形中的相应连接用等效电路的形式示出，包括与相邻接地电极与信号电极间的电感L并联的肖特基结的电容C和电阻R。
在图2(b)所示的NLTL的情形中，当向信号线施加高频电信号时存在着两个问题。一个是通过电容C的高频信号分量的衰减，另一个是由于电感分量引起的接地电极电势的波动。因为肖特基结的接地电极位于电信号传播的区域内，所以传播信号受位于肖特基结接地侧的金属电极的电势波动的影响。
与之相反，由于在如图2(a)所示本发明的电信号传输线的情形中，导电半导体32和32’的PN结电容分量和电阻分量是串联的，因此可以避免低频信号分量被电容C衰减，高频信号分量被电阻R衰减。因此，由电信号产生的信号电极电势的变化被电容C和电阻R吸收，从而，金属电极31的电势变化非常小。导电半导体32和32’的电阻特性可以通过调节杂质的掺杂浓度和层厚度进行适当地调整。
与肖特基结相比，PN结的优点在于用目前的半导体制造工艺，它可以再现地获得具有良好精度的均匀性质。因为肖特基结基电容依赖于半导体界面的缺陷密度，而且半导体界面的缺陷密度强烈依赖于半导体的表面处理，所以很难保持可再现性和均匀性。相反，PN结基电容依赖于该结的杂质密度，而且由于杂质的密度可以用目前的半导体制造工艺进行精确地控制，因此可以确保器件的可再现性和均匀性。
现在，说明用电介质填充信号电极部分2的金属电极21与接地电极部分3的金属电极31之间的间隙的必要性。若没有使用任何电介质，则信号的主要部分会通过金属电极21与31之间的气隙传播。在这种情形下，在金属电极拐角内电场的集中容易导致放电。穿过半导体表面的蠕缓放电也会产生。尤其在传输高频信号时，所产生的电压可能非常高。通常，频率越高，电介质的击穿电压越低。因此，为了确保在电信号以高频率传输的情形中避免电介质的击穿或蠕缓放电，至少需要用电介质填充金属电极21与31之间的区域。
同时，由于电介质具有比空气高的介电常数，作为设置介电部分4的次级效应，电场变得集中于空间地包含传播电信号的介电材料内。因而，大部分电信号在电介质内传播，从而有助于降低信号衰减。
如上所述，在依照本发明的电信号传输线内，信号电极部分2的金属电极21和接地电极部分3的金属电极31由PN结和导电半导体32和32’串联地连接，而且电极21与32之间的间隙用介电材料填充构成介电部分4，从而使得在这种结构中，可以抑制接地电极部分3的电势变化和抑制高频分量的衰减。也即，由于金属电极21和31由PN结基电容器和导电半导体32’的电阻串联地连接，因此在低频电信号的情形中，该PN结电容器产生电压，而在高频信号的情形中，该电阻产生电压。因而，可以抑制由供给信号电极部分2的金属电极21的电信号引起的接地金属部分3的金属电极31的电势变化。另外，导电半导体32’的裸露面与金属电极21和31之间的区域借助于一个间隙空间地隔开，其中电能在该区域内流过，而且该空间用电介质填满，形成覆盖电极21和31的介电部分4。因而，介电部分4与电连接在介电部分4和信号电极部分2、接地电极部分3的PN结空间地隔开，并与连接在该PN结上的导电半导体32和32’也空间地隔开，从而可以抑制高频分量的衰减，和由金属电极21边界条件的局部变化引起的辐射及散射。因此，可以实现一种适合于传输高频信号的电信号传输线，而且该电信号传输线还可以作为高速电路来应用。
下面，说明一种制造电信号传输线的实施方式。图3示意性示出这种实施方式的横截面结构图。这种实施方式采用厚度为300μm的半绝缘GaAs半导体衬底1，以及每个宽度都为6μm的信号电极部分2和接地电极部分3的金属电极21和31。在金属电极21之下，采用P型的GaAs半导体，以形成厚度为1000nm的上导电半导体22。在该上导电半导体22之下的是N型的GaAs导电半导体32，厚度为2000nm，而且用作下导电半导体23。因此，在电极21和32之间形成一个PN结。
将金属电极21与一个金属电极31之间的区域湿刻蚀至2μm深度。采用侧向蚀刻以一个倾斜角蚀刻导电半导体(上导电半导体22和导电半导体32)。然后，用低介电常数的光敏聚酰亚胺涂敷该器件，形成厚度约3μm的介电涂层。
聚酰亚胺是一种用在集成电路中作为微结构的绝缘填充物的有机材料。聚酰亚胺自身具有良好的电绝缘性和机械特性，以及良好的抗高温性和化学稳定性。它的相对介电常数是3，约是相对介电常数为12.4的GaAs的四分之一。因而，与半导体材料相比，这种小相对介电常数可以显著地减小介电损耗。由于介电损耗与频率的平方成正比，从而有助于减小高频时出现的介电损耗。当填充涂层具有5μm或更厚的厚度时，如在本实施方式中那样，用聚酰亚胺形成介电部分比用二氧化硅、金刚石碳以及其它这类无机材料更快、更便宜。
因此，可以将高速光接收元件与用上述电信号传输线试验制造的这种器件相结合。对在距光接收元件50μm距离处的器件进行的测量显示出290fs的极高速响应(参看图4)。这等同于10000GHz的频率，高速响应比NLTL的700GHz取样频率快大约1.5倍。这个频率响应超过了目前据说是最快的晶体管的操作速度，从而这就表明，有可能会显著地增加集成电路其信号处理频率的上限。
工业适用性如前所述，本发明的电信号传输线用适合应用于高频电信号传输的技术实现，而且可以用目前的半导体制造技术高质量地制造。因此，可以通过增加信号处理的频率获得更高速率的电路，而这正是集成电路的瓶颈所在。
权利要求
1.一种电信号传输线，包括形成在半导体衬底(1)上的信号电极部分(2)、接地电极部分(3)和介电部分(4)，所述信号电极部分具有电信号流过的金属电极(31)，所述接地电极部分具有接地金属电极，所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极由半导体PN结连接，以及所述介电部分通过用电介质覆盖所述信号电极部分的金属电极与所述接地电极部分的金属电极之间的区域而形成，其中电力线穿过该区域，而且该区域是被传输的电信号的能量存在的区域。
2.依照权利要求1所述的电信号传输线，其特征在于所述接地电极部分包括分别设在所述信号电极部分的相对侧且配有金属电极的两个接地电极，所述两个接地电极部分的金属电极由第一导电半导体连接，极性不同于所述第一导电半导体的第二导电半导体插在所述信号电极部分的金属电极与所述第一导电半导体之间形成PN结，所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极由所述PN结和所述第一导电半导体串联地连接。
3.依照权利要求2所述的电信号传输线，还包括通过在所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极之间蚀刻形成合适深度的间隙，该间隙将所述第一导电半导体的裸露表面与电力线在其中穿过的所述区域隔开，而且该间隙内填满电介质，以形成同样覆盖所述信号电极部分的金属电极和所述接地电极部分的金属电极的介电部分。
4.依照权利要求1至3中任一项所述的电信号传输线，其特征在于用来形成所述介电部分的电介质是介电常数不大于3的有机材料。
5.依照权利要求4所述的电信号传输线，其特征在于用来形成所述介电部分的电介质由聚酰亚胺形成。
全文摘要
一种电信号传输线，包括形成在半导体衬底(1)上的信号电极部分(2)、接地电极部分(3)和介电部分(4)。信号电极部分(2)具有电信号流过的金属电极(21)、上导电半导体(22)和下导电半导体(23)。接地电极部分(3)具有接地金属电极(31)和导电半导体(32)。在上导电半导体(22)和下导电半导体(23)具有相反的极性的情形下，信号电极部分(2)的金属电极(21)和接地电极部分(3)的金属电极(31)用半导体PN结连接。介电材料填满和覆盖信号电极部分(2)的金属电极(21)和接地电极部分(3)的金属电极(31)之间的区域，电力线穿过该区域形成介电部分(4)。在这种结构下，可以提供能够高速电信号传播和用目前的半导体制造方法以稳定质量制造的电信号传输线。
文档编号H01L21/02GK1630947SQ0282921
公开日2005年6月22日 申请日期2002年5月24日 优先权日2002年5月24日
发明者板谷太郎, 八木修一 申请人:独立行政法人产业技术综合研究所