專利名稱：用于具有高q電抗元件的集成電路的設(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到高Q無源元件的結(jié)構(gòu)，這些元件通常指例如在射頻設(shè)備中所使用的元件。這些元件在半導(dǎo)體芯片中引入的困難性是眾所周知的集總和分散電抗部分的品質(zhì)因素(Q)主要取決于金屬的電阻、介質(zhì)耗損以及寄生電抗。集總元件的電感和電容的真實值大大受限于半導(dǎo)體芯片可以利用的面積。類似的，分布傳輸線諧振器很難按期望頻率配置在半導(dǎo)體芯片上的原因也在于受空間的限制。常用的慣例是將集總電抗放置在PC板上。然而，傳統(tǒng)封裝技術(shù)所帶來的寄生電抗常常嚴重降低功能電路的性能。例如，在功率放大器設(shè)備中，封裝導(dǎo)線的寄生電抗常常接近或超出有源半導(dǎo)體器件的輸出阻抗。在很多情況下，封裝電抗排除了用硅或硅-鍺工藝制造可以接受的功率放大器的可能性。類似地，在小信號設(shè)備中也存在著相同的問題。
集成電路通常安裝在塑料或陶瓷封裝內(nèi)，該封裝將半導(dǎo)體芯片與隨后焊接在PCB上的導(dǎo)線或焊球相連接。有些封裝類型包含了多種金屬層，例如，倒裝-球柵陣列，以便確定I/O焊片的線路，并且利用焊片來和封裝外部接觸。
圖11例舉了一種典型的球柵封裝。半導(dǎo)體芯片1102放置在基片1112上，并由未填滿的環(huán)氧樹脂化合物1106固定?；ㄒ唤M金屬互連層，在芯片的焊球(或“塊”)1104和基片的焊球1114之間提供一條電通路。模制環(huán)氧樹脂1110被用來包裹在芯片外面，從而構(gòu)成球柵封裝。圖12是基片1112一部分的放大視圖，該基片在圖11中已說明?？梢钥匆娀莎B層結(jié)構(gòu)的金屬交互層1212組成。這些金屬層通過絕緣材料層1210，例如環(huán)氧樹脂或陶瓷而彼此絕緣。這些金屬層在半導(dǎo)體芯片1102上的鍵合片或“塊”之間提供了互連。這些金屬層由互連(未圖示)和通路1202組成圖案，通路1202提供金屬層之間的互連性。
我們所需要的是一種能夠在IC器件中不必使用分立元件就能提供高Q元件的方案。希望將這樣的器件與IC器件自身結(jié)合在一起，從而能節(jié)省PCB上的空間，同時獲得使用高Q元件的好處。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，一種改進的IC封裝包括在IC封裝中配入無源元件。一種IC安裝基片載有半導(dǎo)體芯片，并且有著對芯片的I/O焊片和電源與接地等公用焊片提供外部接觸的金屬互連疊層結(jié)構(gòu)。金屬互連層的內(nèi)部設(shè)計有與包含互連的軌跡直接或經(jīng)通路相連的無源元件，從而為半導(dǎo)體芯片提供了額外的電功能性。因而，想要的電抗元件從合適的封裝金屬層上制造出來。電阻大大減小，是因為與芯片上典型厚度小于1微米的金屬相比，封裝金屬典型的厚度為20微米。典型的應(yīng)用包括(但沒有受限于)對輸入輸出信號進行濾波的濾波電路、電源旁路電容器、阻抗匹配電路、諧振器等等。本發(fā)明也適用于在單個IC封裝內(nèi)封裝兩個或多個半導(dǎo)體芯片的多芯片模塊。無源元件可以被用于耦合各芯片之間的信號傳遞。
一種制造本發(fā)明所述的基片的方法包括淀積絕緣層和金屬層。每層金屬層都形成圖案，并且經(jīng)過了光刻膠蝕刻的步驟。形成圖案步驟包括限定建立互連的軌跡。建立無源元件的結(jié)構(gòu)的形成圖案步驟和互連同時進行。沒有額外的金屬被消耗，因為無源結(jié)構(gòu)是從相同的互連金屬層上構(gòu)圖的；它們唯一的區(qū)別在于無源結(jié)構(gòu)蝕刻的金屬更少一些。


圖1是展示本發(fā)明的IC基片中互連的排列和無源元件的頂視圖。
圖2和圖3是兩種電容器元件的側(cè)視圖。
圖4A和4B是一種螺旋電感器的頂視圖和側(cè)視圖。
圖5A-5C是一種螺旋電感器的頂視圖、正視圖和側(cè)視圖。
圖6是一種諧振器的透視圖。
圖7A和7B是一種電阻器的頂視圖和側(cè)視圖。
圖8和9是IC基片中構(gòu)成的兩種典型電路的橫截面視圖。
圖10是本發(fā)明處理步驟的流程圖。
圖11和12展示了一種典型的原有IC封裝方案。
具體實施例方式
圖11展示了一種典型的球柵IC封裝，包括芯片1102，它裝配在基片1112上并被密封劑1110密封。轉(zhuǎn)過來看圖1，根據(jù)本發(fā)明較好模式配置的疊層基片114包括單層或多層互連金屬層，每層都被一層絕緣材料分隔開。圖1展示的最上互連層包括多條互連軌跡120和無源元件102-106。具體而言，元件102和104是電容器，而元件106是一個電感器?？梢钥匆婋姼衅?06包括軌跡122和124。這層互連層被安置在基片114的上表面112上。
參照圖2，圖1中沿線2-2截取的電容器102的側(cè)視圖展示了基片114的一部分。在絕緣層202上部安置著一金屬層200，該絕緣層按順序也被放置在另一金屬層204上。展示的電容器102由兩塊金屬板220和222組成。每塊板都形成在金屬層200和204中被絕緣層202分隔開。絕緣層被當做電介質(zhì)。典型的絕緣材料包括環(huán)氧樹脂或可以是陶瓷材料。由于材料的選擇取決于很多因素，例如期望的電氣特性、期望的物理特性、制造成本以及其他因素，因此沒有一種較好的材料。本發(fā)明的IC器件的特殊應(yīng)用將決定使用的具體材料。
參照圖3，圖1中沿線3-3截取的電容器104的側(cè)視圖展示了基片114的附加金屬和絕緣層306-312。電容器104是一種多層板極電容器。在這個實例中，電容器的結(jié)構(gòu)橫跨了四層互連金屬層200、204、308和312。四層板極320、322、324和326各自在金屬層200、204、308和312中構(gòu)成。這些板極按照交迭方式垂直排列。絕緣層構(gòu)成了電容器的電介質(zhì)。通路330將板極320和324耦合在一起，另一通路332將板極322和326耦合在一起。層202、306和310的絕緣材料被當做電容器104的電介質(zhì)材料。
必須注意的是，電容器102和104可以被耦合到芯片焊片(例如芯片902，圖9)作為芯片電路的元件，或位于芯片焊片和一根IC封裝的外部引腳(焊球)之間。這樣的耦合可以在通過在下層金屬層互連中期望提供連通性的情況下，使用通路來完成。還必須注意的是，電容器可以被安置在基片114內(nèi)部的金屬層上。例如，圖2所示的板極電容器可以由圖3中的金屬層204和308組成。實際上，清楚地說，任意無源元件都可以被安置在基片任意金屬層中。最終，電容器板極的連接可以使用許多方法中的任意一種完成。互連軌跡可以從板極發(fā)散出去來構(gòu)圖，并且通路被用來和其他金屬層上的互連耦合在一起。這種特殊的連接結(jié)構(gòu)依賴于無源元件如何耦合和與什么耦合。
轉(zhuǎn)回首看圖4A和4B，展示了一種安置在絕緣層414表面412上的螺旋電感器402的實例。螺旋的外部端點和互連軌跡420相連。螺旋的內(nèi)部端點與在下層金屬層上構(gòu)成并通過通路424耦合在一起的軌跡422相耦合。雖然一種空中橋梁可以被用來提供與螺旋內(nèi)部端點的連通性，但這樣的結(jié)構(gòu)通常很難制造，所以本實施例圖4A和4B中所示的是較佳的方案?；ミB軌跡420和422如圖所示可以在相對的金屬層上，或者安置在同一螺旋金屬層上，或者可以在其他一些金屬層上，這取決于該元件是如何連接的。
參照圖5A-5C，展示了一種螺旋電感器502的實例。該元件由放置在第一金屬層上并且沿一對角線相互并行排列的第一組金屬段550、552和554組成。第二組金屬段540、542、544和546放置在第二金屬層上，并且沿與第一金屬段相對的對角線方向相互平行排列。一組通路522-532以端對端的方式連接第一段和第二段。結(jié)果從上面看下去就如圖5A所示成為鋸齒狀配置，雖然螺旋結(jié)構(gòu)的外規(guī)是一種正方的螺旋結(jié)構(gòu)。末段540和546通過通路520和534與互連軌跡506和504耦合在一起。或者，軌跡506和504可以在末段540和546同一金屬層上構(gòu)成，這樣可以消除對通路的需求。這樣的具體結(jié)構(gòu)取決于在哪里完成和無源元件的連接。
轉(zhuǎn)到圖6，一種傳輸線諧振器602的透視圖展示了放置在第一金屬層610中的第一板極620和放置在第二金屬層614中的第二板極624。金屬層被絕緣材料622分隔開。夾在兩板極間的是一金屬片626，放置在第三金屬層612中。板極的寬度W2比金屬片的寬度W1寬。另外，諧振器能只用兩塊板極620和624中的一塊構(gòu)成。
作為根據(jù)本發(fā)明制造的無源元件的最后一個實例，圖7A和7B展示了一種放置在絕緣層714的表面712上的金屬層上的電阻器702。從先前的實例可見，其他無源元件可以按上述同樣的方法配入IC封裝疊層基片中。本發(fā)明的一種優(yōu)點在于封裝基片的互連層通常和半導(dǎo)體芯片中的基片密集程度不同。因此，這使得構(gòu)建低值電阻器成為可能，因為有更多的空間蝕刻較寬的軌跡，并且封裝金屬互連比在芯片上的金屬軌跡厚。同樣，使用本發(fā)明可以減小電感器和電容器金屬的電阻，并且使得制造高Q器件成為可能。
現(xiàn)在，將把話題轉(zhuǎn)移到可能配在IC封裝基片中的典型電路。圖8展示了一種作為振蕩器，例如VOC(電壓控制振蕩器)的諧振器的振蕩回路800，包括一個電感器802和電容器804的并行組合。該振蕩回路通常經(jīng)端子810與812和半導(dǎo)體芯片上的電路耦合，構(gòu)成振蕩器電路。
圖8的橫截面視圖展示了一種安置在疊層基片822上的半導(dǎo)體芯片820。芯片的焊球828和頂層基片822上的互連840-810耦合在一起。通路850-854提供了一條到下層金屬層824和826的電通路。定義電容器804的板極860和862分別放置在金屬層824和826上。電感器802被放置在金屬層824中的螺旋結(jié)構(gòu)870所限定，更詳細的細節(jié)已經(jīng)在圖4A和4B中給出。通路850將電容器804的一塊板極和互連軌跡840耦合在一起，而通路852將螺旋結(jié)構(gòu)870的外部端點872和軌跡840相連。可以看見，軌跡840相當于電路端子810。
接著，橫截面視圖還進一步展示了工作于電容器板極862到接至上述金屬層螺旋結(jié)構(gòu)870內(nèi)部端點874的通路858之間的互連軌跡880。通路854將軌跡880和焊片842相耦合。軌跡880因而相當于電路端子812。完成了圖8的討論，可以了解芯片820通過焊片844、通路856和焊片846與外部可到達的焊球830直接相連，說明了半導(dǎo)體芯片如何接收和發(fā)送外部信號。
轉(zhuǎn)到圖9看另一個電路實例。所展示的電路是一個低通濾波器900，包括電阻器902和電容器904。端子914和916接收外部信號，而端子910和912與半導(dǎo)體芯片上的電路相連。橫截面視圖展示了安置在疊層基片922上的半導(dǎo)體芯片920。放置在金屬層924上的是電阻器970。電阻器的橫截面視圖是從圖7A中的視圖線970-970中截取的。電阻器970的一端點和依次與電容器904中一板極960相連的軌跡980耦合，電容器的另一板極962放置在金屬層926上。
通路952沿基片922的絕緣材料延伸，并且與和半導(dǎo)體芯片焊球928相連的焊片940接觸?？梢粤私鈮|片940相當于電路端子910。軌跡982與電容器904的板極962相連。通路954和956分別與焊片942和946相連?？梢粤私?，焊片942和946分別相當于端子914和916。最終，通路950提供了一條從焊片944(相當于端子914)到電阻器970另一端的電通路。
這些示范電路說明了多種根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)的無源電路。之前所揭示的這種無源結(jié)構(gòu)有幾個重要的優(yōu)點。如果適合地構(gòu)造在半導(dǎo)體芯片上，電抗值(C或L)和用這樣的方法制造的諧振器的諧振頻率可以被設(shè)計為大大超出通常可獲得的值。IC封裝的基片通常具有比芯片本身更大的面積，因此，允許更大的物理尺寸和相應(yīng)更大的電容器和電感器值。在電容器情況下，多層金屬層的出現(xiàn)使得制造多板極電容器成為可能。電容器、電感器和諧振器的Q值能被做得更高，因為陶瓷或環(huán)氧樹脂的特性比得上半導(dǎo)體材料且有更大的金屬導(dǎo)體。沒有額外的金屬被消耗，因為無源結(jié)構(gòu)是從同樣的互連金屬層中構(gòu)圖的，唯一的不同在于更少的金屬被蝕刻掉。因為封裝中的金屬是“自由”的，所以這種器件的成本也很低。按所揭示的方法在封裝基片中配入無源元件創(chuàng)造出一種可以使任意給定芯片設(shè)計的性能比原有方法更好的電氣可裁IC封裝。
另外的典型電路包括(但不受限于)電源旁路電容器，其特征在于，從半導(dǎo)體基片到旁路電容器的多根旁路導(dǎo)線允許在基片中使用高電阻率材料，導(dǎo)致芯片上的基片更高的絕緣性。兩個或更多的電感器可以被配置在被絕緣層隔離的鄰近金屬層上以提供相互耦合而構(gòu)成一個變壓器。諧振器可以通過使用短傳輸線(當使用高電介質(zhì)的絕緣材料，例如陶瓷時，特別有用)來構(gòu)建。這種類型的諧振器可以被用于帶通濾波器、帶阻濾波器、VCO或自由振蕩振蕩器的諧振器，和射頻功能調(diào)諧。在多芯片模塊(MCM)應(yīng)用中，耦合電路可以將裝在基片上的多個半導(dǎo)體芯片耦合在一起。
轉(zhuǎn)到圖10來討論一下將無源元件配到IC封裝基片中去的處理方法?？梢粤私?，相同的步驟被用來制造無源元件來構(gòu)成多互連層。第一步，絕緣材料層構(gòu)成，步驟1010。在這一步中，通路可能穿過絕緣層而構(gòu)成，并且被填充，來獲得通向絕緣層外部表面的導(dǎo)電路徑，以便在半導(dǎo)體芯片上構(gòu)成電連接。接著，導(dǎo)電材料(典型使用的如銅、金、鎢和相關(guān)合金)沉積在絕緣層中，步驟1012。繪制一個或更多的圖案來定義金屬層互連，步驟1014。同時，繪制附加的圖案來定義放置在金屬層中的無源元件的結(jié)構(gòu)。圖案接著被蝕刻，并且進行光刻膠處理來除去不想要的金屬，留下需要的圖案。在步驟1016中，下一絕緣層在頂層的金屬層上構(gòu)成。為了提供下層金屬層連通性，必須在絕緣層中鉆出通路并填充金屬，步驟1018。在步驟1020，如果需要附加層，那么重復(fù)上述步驟，直到制造出一個疊層基片。最終步驟包括在基片上放置和固定半導(dǎo)體芯片，并且在BGA情況下，將焊球附加在芯片的多層基片封裝上。前述處理步驟在IC封裝技術(shù)領(lǐng)域眾所周知。任何一種技術(shù)都能實現(xiàn)本發(fā)明。任意給定技術(shù)的選擇取決于某些因素，例如材料的使用、期望的操作條件、封裝要求、生產(chǎn)成本等等。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，其特征在于，包括至少一塊在其上形成電路的半導(dǎo)體芯片；和在其表面上裝有所述印模的疊層基片，所述基片具有單層或多層金屬層和單層或多層絕緣層，所述芯片和一些所述的金屬層電耦合；所述金屬層具有第一金屬結(jié)構(gòu)，所述第一金屬結(jié)構(gòu)是互連的；所述金屬層具有第二金屬結(jié)構(gòu)，所述的第二金屬結(jié)構(gòu)是將所述互連電耦合到其他所述互連和所述半導(dǎo)體芯片的通路；所述金屬層中至少有一層具有至少一個第三金屬結(jié)構(gòu)，所述的第三金屬結(jié)構(gòu)是無源元件；所述的無源元件和所述的半導(dǎo)體芯片電耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述單層或多層的絕緣層是環(huán)氧樹脂材料。
3.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述單層或多層的絕緣層是陶瓷材料。
4.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是電容器，所述電容器具有放置在所述單層或多層金屬層上第一層中的第一板極和放置在所述單層或多層金屬層上第二層中的第二板極，所述第一和第二板極被所述單層或多層絕緣層中的一層分隔開。
5.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是電容器，所述電容器包括多塊板極，每一所述板極放置在所述單層或多層金屬層上分隔開的某一層中，所述板極以交迭方式垂直排列，所述板極的奇數(shù)層相互電耦合，所述板極的偶數(shù)層相互電耦合。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是電感器，所述電感器是一放置在所述單層或多層金屬層上某一層中的金屬螺旋結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是電感器；所述電感器包括放置在所述單層或多層金屬層上第一層中的第一組段和放置在所述單層或多層金屬層上第二層中的第二組段；所述單層或多層金屬層上的第一層和第二層被所述單層或多層絕緣層中的一層分隔開；所述電感器進一步包括多條將所述第一段和第二段電耦合的被金屬填充的通路。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是諧振器；所述諧振器具有放置在所述單層或多層金屬層上第一層中的第一板極和放置在所述單層或多層金屬層上第二層中的金屬片；所述第一板極具有比所述金屬片尺寸更加寬的尺寸。
9.如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述諧振器包括放置在所述單層或多層金屬層上第三層中的第二板極。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述無源元件是電阻器，所述電阻器放置在所述單層或多層金屬層上的某層中。
11.一種集成電路，其特征在于，包括在其上置有第一電路的半導(dǎo)體芯片；上面放置著所述芯片的基片，所述基片包括交替的金屬互連層和絕緣材料層，所述芯片具有與單層或多層金屬互連層的電連接；和放置在所述芯片和所述基片頂部的封裝，因而對所述芯片提供一種保護包裝；所述基片進一步包括外部電接點，所述電接點和一些所述的金屬互連電接觸；所述基片進一步包括由放置在單層或多層所述金屬互連層中的單個或多個無源元件構(gòu)成的第二電路，所述電路與所述芯片中的所述某個電子器件電耦合。
12.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述集成電路進一步包括第二半導(dǎo)體芯片。
13.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述絕緣材料是環(huán)氧樹脂。
14.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述絕緣材料是陶瓷材料。
15.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述的第二電路是一濾波電路，該濾波電路具有與兩個所述外部電接觸相耦合的第一對端子和與所述半導(dǎo)體芯片耦合的第二對端子。
16.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述的第二電路是包括一電感器和一電容器的振蕩電路，所述振蕩電路包括一對與所述半導(dǎo)體芯片耦合的端子。
17.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述一個外部電接觸用來耦合電源，并且所述第二電路包括與所述一個外部電接觸耦合的電源旁路電容器。
18.如權(quán)利要求11所述的集成電路，其特征在于，所述單個或多個無源元件包括電感器、電容器、電阻器和變壓器中的一個。
19.一種制造集成電路的方法，其特征在于，包括以下步驟(a)在一半導(dǎo)體芯片上制造電路，包括構(gòu)成多個用于傳送和接收信號和提供單個或多個電壓電位的焊片；(b)制造絕緣材料的基片，包括在所述的基片中至少構(gòu)成一層導(dǎo)電互連層，并且在所述至少一層導(dǎo)電互連中至少構(gòu)成一個無源元件；(c)將所述半導(dǎo)體芯片安裝在所述基片上并且加以固定；(d)在所述半導(dǎo)體芯片和所述至少一層導(dǎo)電互連之間建立電連接；并且(e)在所述半導(dǎo)體芯片和所述至少一個無源元件之間建立電連接。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述步驟(e)包括在所述元件和所述一塊焊片之間構(gòu)成一導(dǎo)電通路。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，至少一個所述無源元件是電容器。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，至少一個所述無源元件是電感器。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，至少一個所述無源元件是諧振器。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，至少一個所述無源元件是電阻器。
25.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，至少一個所述無源元件是變壓器。
全文摘要
在一種IC封裝方案中,一種多層基片(114)由導(dǎo)電互連層(120,122,124)組成,被環(huán)氧樹脂或陶瓷絕緣層分隔開并被通路連接。無源元件(102,104,106)可以通過應(yīng)用于基片的材料技術(shù)來加強有源電路芯片的電氣性能,達到最大程度。封裝的材料選擇可對給定的電路設(shè)計創(chuàng)造最佳無源集成。典型的應(yīng)用包括電源旁路電容器、射頻調(diào)諧和抗阻匹配。封裝基片中無源元件的引入創(chuàng)造出新穎的電氣可裁IC封裝方法,能對任意給定芯片設(shè)計獲得比原有方法更佳的性能。
文檔編號H01L23/12GK1338119SQ99816462
公開日2002年2月27日 申請日期1999年12月2日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月11日
發(fā)明者小R·J·扎夫里爾, D·C·鮑曼 申請人:愛特梅爾股份有限公司