射频芯片、射频芯片保护环布置结构及布置方法与流程

1.本发明总体上涉及半导体结构，并具体涉及一种用于工作在射频频率下的半导体芯片的 保护环布置。


背景技术：

2.射频(rf)或微波/毫米波频率电路通常包括介电材料，其在高射频频率下将产生过多的 介电热功率损耗。为了提高射频电路的性能，特别是针对更高的射频频率，低介电常数(低 k)的多孔材料，如碳硅氧氢化物(sicoh)或多孔碳硅氧氢化物(p-sicoh)，已被广泛地 应用于多种先进的射频集成电路(ic)。
3.但是，相较于非多孔的传统介电材料，例如通过化学气相沉积制得的sio2薄膜(cvd
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sio2)，这类低介电常数的多孔材料将更容易吸收湿气。为避免湿气侵入射频芯片，造成sicoh 开裂或降低芯片的可靠性，例如电迁移、应力迁移等，通常采用从外侧横向环绕包围半导体 芯片的堆叠式后道工序(beol)金属结构构成的芯片保护环。芯片保护环能够防止离子污染 物，而且可以在芯片可靠性应力测试和正常使用过程中起到防止芯片介质层分层作用以减少 环境暴露的影响。
4.部分保护环(也称为密封环)包括与衬底接触的金属，其向芯片衬底接地提供低电阻路 径以抑制浪涌电流。在射频或微波/毫米波频率，连续闭合的保护环可能引起电感耦合，从而 干扰片上信号路径。
5.因此，有必要提供一种布置保护环的系统和方法以提高半导体射频芯片的性能。


技术实现要素：

6.本发明提供了在半导体射频芯片中布置保护环以提高其性能的系统及方法的实施例。
7.本发明公开了双重保护环结构的实施例，双重保护环结构包括外保护环和内保护环。每 个保护环可以由贯穿多层的后道工序(beol)金属结构的堆叠构成。beol金属结构环绕包 围低-k多孔介电材料。双重保护环结构具有设置于外保护环上的外开口和设置于内保护环上 的内开口，由此形成开口环结构来避免电感耦合效应对射频信号传输过程中的干扰。这种开 口结构形成了多条湿气侵入路径，例如，位于外开口和内开口之间的第一湿气侵入路径和第 二湿气侵入路径。在一个或多个实施例中，外开口与内开口的相对设置以使得第一湿气侵入 路径和第二湿气侵入路径长度相等。通过这种方式，湿气侵入便没有“捷径”。环境中的湿气 总是需要途经一段加长的距离，其长度大约为保护环周长的一半，方能侵入半导体芯片。所 以，湿气侵入影响将大幅降低或放缓。两个保护环上的开口断开了金属环，从而最大限度地 减少了闭合保护环所导致的片上射频信号受到寄生耦合和电感耦合干扰。考虑到加长的湿气 侵入路径，双重保护环结构能够避免复杂且昂贵的开口密封处理，进而使这种结构更易于实 现。
8.本发明还公开了倒装射频芯片中的闭合保护环结构的实施例。闭合保护环内侧设
置有一 个或多个接地凸块焊盘。所述闭合保护环可以由贯穿多层的beol金属结构堆叠构成以从外 侧横向环绕包围低k多孔介电材料。所述射频芯片可以是倒装芯片并且包括位于所述多层之 上的绝缘层和晶圆基片(在芯片倒装后)。闭合保护环可以连接至接地凸块焊盘，接地凸块焊 盘通过凸块柱连接至基板的顶部接地层。所述顶部接地层可以通过一个或多个设置于基板上 的接地通孔与底部接地层电连接。通过这种倒装芯片连接方式，闭合保护环接地可以不依赖 于穿过晶圆基片的通孔来实现，因而更加容易实施。
9.进一步地，接地凸块焊盘可以位于射频信号凸块焊盘的两侧以构成地-信号-地(gsg) 焊盘结构，其特征阻抗与射频信号路径的特征阻抗相匹配以用于平滑或低损耗的射频信号传 输进出所述射频芯片。接地凸块柱和信号凸块柱也可以构成具有与gsg焊盘结构相匹配的特 征阻抗的gsg柱结构。为满足特征阻抗匹配条件，射频信号传输过程中的电压驻波比(vswr) 需小于等于2:1。
附图说明
10.附图中示出了本发明的示例性实施例以供参考，这些附图旨在说明而非限制本发明。虽 然本发明已大致记载于实施例中，但如此做的目的不是将本发明的保护范围限制为所描述的 实施例中的具体技术特征。
11.图1示出了现有技术中的带连续闭合保护环的射频芯片；
12.图2为本发明一个或多个实施例中开口相对设置的一种双重保护环结构的布局图；
13.图3为本发明一个或多个实施例中一种双重保护环结构的剖视图；
14.图4为本发明一个或多个实施例中每个保护环上均设置有多个开口的另一种双重保护环 结构的布局图；
15.图5为本发明一个或多个实施例中闭合保护环结构的布局图；
16.图6为本发明一个或多个实施例中具有闭合保护环结构的倒装芯片的剖视图；
17.图7为本发明一个或多个实施例中具有闭合保护环结构和用于射频信号传输的地-信号
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地(gsg)焊盘结构的射频芯片的布局图；
18.图8为本发明一个或多个实施例中射频芯片及用于射频信号传输的gsg柱结构的剖视 图。
19.本领域技术人员将认识到，根据说明书能够实施本发明的多种实施方式和实施例。所有 这些实施方式和实施例均应包含在本发明的保护范围之内。
具体实施方式
20.在下文的描述中，为了解释本发明，将陈述本发明的具体细节以方便理解本发明。但即 使不具备部分或者全部所述的具体细节，本发明亦可实施。下文所述的本发明的实施例可能 被包含在许多不同的电气组件、电路、设备和系统中。附图的框图中所示的结构和设备用以 说明本发明的示例性实施例，但不作为用于模糊本发明宽泛指导的托辞。附图中所示的元件 之间的连接关系不限于直接连接。而是元件之间的连接能够通过中间组件被修改、重构或者 以其他方式改变。
21.说明书中对“一个实施例”或“某个实施例”的引用表示与该被讨论的实施例有关
的具 体特征、结构、特征或功能包含在本发明至少一个预期的实施例中。因此，在说明书中不同 位置出现的短语“在一个实施例中”并不构成对本发明单个实施例的多次引用。
22.保护环技术被广泛应用于gaas、sige、射频互补金属氧化物半导体(rfcmos)、以及 射频绝缘体上硅(rfsoi)等多种不同的半导体技术中。图1示出了现有技术中的带连续闭 合保护环的射频芯片。然而在射频或微波/毫米波频率，连续闭合的保护环可能引起电感耦合， 从而干扰片上信号路径。为避免寄生耦合和电感耦合，可以采用分段的保护环。但是，当保 护环上具有开口时，湿气可能会通过开口从芯片切割边缘渗入。分段保护环的使用可能导致 低k多孔介电材料的可靠性失效。因此，具有分段保护环与低k sicoh或p-sicoh的mol (中间工序)/beol(后道工序)的rfsoi芯片在传统上是不兼容的。
23.本发明描述的保护环的各实施例能够有效地构建于低k多孔介电材料射频芯片的四周以 降低或减缓湿气侵入影响。
24.【实施例1】
25.图2示出了本发明一个或多个实施例中具有开口位置相对设置的双重保护环结构200。 所述双重保护环结构200包括外保护环210和内保护环220。两个保护环优选为相互平行以 使得两个保护环之间的距离沿保护环各处一致。如图3中示出的剖视图(该剖视图沿图2中 的a-a'线)所示，每个保护环可以由堆叠的后道工序(beol)金属结构构成，其贯穿薄膜 层310(例如，氧化物或sin)、多孔层320、以及半导体层330。该双重保护环结构200位于 绝缘层340和晶圆基片350之上。所述外保护环210和内保护环220可以接地，也可以电浮 接的方式，即不与半导体芯片有电连接。
26.如图2和图3所示，beol金属结构从侧面环绕半导体射频芯片，尤其是低k多孔介电 材料。双重保护环结构200具有设置于外保护环210上的外开口212和设置于内保护环220 上的内开口222以形成开口保护环，避免射频信号传输过程中受电感耦合影响。这种双重保 护环开口结构形成了多条湿气侵入路径，例如，位于外开口212和内开口222之间的第一湿 气侵入路径214和第二湿气侵入路径216。
27.在一个或多个实施例中，外开口212位于与内开口222相对的位置，如图2所示，以使 第一湿气侵入路径214与第二湿气侵入路径216的长度相等。通过这种方式，湿气侵入便没 有“捷径”。环境中的水分总是需要途经一段加长的距离，大约为保护环周长的一半，方能进 入半导体芯片。所以，湿气侵入影响将大幅降低或放缓。在制成工艺许可的条件下，外保护 环210与内保护环220之间的间距尽量小，可以使得湿气侵入路径变得狭窄，这将进一步放 缓湿气侵入的影响。两个保护环上的开口断开了金属环，从而减少了闭合保护环所导致的片 上射频信号寄生耦合和电感耦合效应。考虑到加长的湿气侵入路径，双重保护环结构200能 够避免复杂且昂贵的开口密封，进而使这种结构更易于实现。
28.本领域技术人员应当理解，图2所示的外开口212与内开口222的相对位置是示例性的。 例如，外开口212和内开口222可以位于保护环对角的拐角处而非对边的中点处。这种变化 仍在本专利公开的保护范围内。
29.本领域技术人员应当理解，双重保护环结构的概念可扩展到超过两个保护环。例如，可 以在双重保护环结构的基础上增加一个或多个具有开口的附加保护环以进一步加长湿气侵入 路径。这种变化也应在本专利公开的保护范围内。
30.【实施例2】
31.对于射频芯片，频率提高或者芯片尺寸增大将使片上射频信号寄生耦合和电感耦合的影 响变大，因此保护环上需要更多的开口以降低这种影响。图4示出了本发明一个或多个实施 例中各保护环上均具有多个开口的另一种双重保护环结构400的布局图。双重保护环结构400 包括外保护环410和内保护环420。外保护环410具有相对设置的第一外开口412和第二外 开口414。内保护环420具有相对设置的第一内开口422和第二内开口424。在一个或多个实 施例中，连接外开口412/414和内开口422/424的线可以形成循环对称结构，例如，如图4 所示的位于内保护环420的水平边中间点的内开口、以及位于外保护环410的垂直边中间点 的外开口。该循环对称开口结构形成了多条湿气侵入路径，例如，第一湿气侵入路径432、 第二湿气侵入路径434、第三湿气侵入路径436、第四湿气侵入路径438，各路径长度相等， 约为保护环的四分之一周长。各湿气侵入路径的一致性确保湿气侵入没有“捷径”，从而减缓 或降低湿气侵入的影响。
32.【实施例3】
33.尽管具有开口的双重或多重保护环能够降低或延缓湿气侵入以提高芯片的湿气敏感水 平，但从理论上讲，开口保护环无法避免湿气侵入。当射频电路工作在更高的频率或者芯片 尺寸更大时，将需要更多的开口，因而更易受湿气侵入的影响。
34.图5为本发明一个或多个实施例中闭合保护环结构的布局图。闭合保护环结构500包括 闭合保护环510、以及设置于所述闭合保护环510内侧并电连接至闭合保护环510的至少一 个接地凸块焊盘。如图5所示，所述至少一个接地凸块焊盘包括沿所述闭合保护环510的各 边设置的第一接地凸块焊盘512、第二接地凸块焊盘514、第三接地凸块焊盘516和第四凸块 焊盘518。这些接地凸块焊盘可以连接至对应的接地凸块柱以使闭合保护环510接地。
35.图6为本发明一个或多个实施例中具有闭合保护环结构的倒装芯片610的沿b-b’线(图 5中)的剖视图。闭合保护环510可以由贯穿了薄膜(例如氧化物或sin)层615、多孔层614、 以及半导体层613的堆叠的beol金属结构构成。芯片610为倒装芯片且包括位于半导体层 613之上的绝缘层612和晶圆基片611(在芯片倒装后)。闭合保护环510连接至接地凸块焊 盘512和514，接地凸块焊盘512和514通过凸块柱630连接至基板620的顶部接地层622。 所述顶部接地层622可以通过一个或多个设置于基板620上的接地通孔626与底部接地层624 电连接。通过这种倒装芯片连接方式，闭合保护环510接地可以不依赖于穿过晶圆基片的通 孔来实现，因而更加容易实施。
36.图5和图6所示的保护环结构没有在金属环上形成开口切口，因此能够最大限度地降低 湿气侵入的影响。同时，片上射频信号寄生耦合和电感耦合的影响也通过接地凸块焊盘、凸 块柱将保护环接地至基板接地层而降低。保护环上的寄生耦合信号直接接地而不影响片上射 频电路。优选地，所述保护环通过至少一个接地凸块焊盘接地。连接至保护环的接地凸块焊 盘越多，寄生耦合或电感耦合越不容易发生。
37.【实施例4】
38.图7为本发明一个或多个实施例中具有闭合保护环结构和用于射频信号传输的gsg焊盘 结构的射频芯片700的布局图。保护环710为没有开口的闭合环。多个接地凸块焊盘设置在 保护环710的内侧并与保护环710电连接。进一步地，接地凸块焊盘712/714位于射频信号 凸块焊盘722的两侧以构成gsg焊盘结构705，其特征阻抗与射频信号路径720的
特征阻抗 相匹配以用于平滑或低损耗的射频信号传输进出所述射频芯片700。
39.图8为本发明一个或多个实施例中射频芯片和用于射频信号传输的gsg柱结构的剖视图 (沿图7中的c-c’线)。闭合保护环710可以由贯穿了薄膜(例如氧化物或sin)层815、 多孔层814、以及半导体层813的堆叠的beol金属结构构成。芯片700为倒装芯片且包括 位于半导体层813之上的绝缘层812和晶圆基片811(在芯片倒装后)。射频芯片700被倒装 并且接地凸块焊盘712/714通过接地凸块柱817和818连接至基板820(位于射频芯片下方) 的顶部接地层822。顶部接地层822可以通过设置于基板820上的一个或多个接地通孔826 与底部接地层824电连接。射频信号凸块焊盘722连接至信号凸块柱816，后者位于接地凸 块柱817和818之间用于射频信号路径连接。接地凸块柱817、818，以及信号凸块柱816也 可以构成具有与gsg焊盘结构705的特征阻抗匹配的gsg柱结构。为满足特征阻抗匹配条 件，射频信号传输过程中的电压驻波比(vswr)需小于等于2:1。
40.虽然为了简化起见，上述图7中的芯片实施例具有平直的信号通路，但本领域技术人员 应当理解芯片可以是仅具有一个信号输出接口的信号源芯片，可以是具有一个信号输入接口 和多个输出接口的信号分路器，也可以是具有多个信号输入接口和一个输出接口的信号合路 器，等等。前述gsg焊盘结构和gsg柱结构的特征阻抗相匹配的实施例也适用于每个输入 或输出信号接口。本领域技术人员应当理解接地凸块焊盘和射频信号凸块焊盘也可以形成地
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信号(gs)或者信号-地(sg)焊盘结构，而非一定是gsg焊盘结构。类似地，接地凸块柱 和信号凸块柱可以形成gs(或sg)柱结构而非仅是gsg柱结构。这种变化也应在本专利公 开的保护范围内。
41.前文已经对本发明进行了描述以清楚和理解本发明，而无意于将本发明限制在所公开的 精确形式。在所附权利要求项的范围和等同范围内的各种修改方式也是可能的。
42.本领域技术人员应当理解的是前文所述的实施方式和实施例是示例性的，而无意于限制 本发明的保护范围。所有根据阅读本发明说明书及研究本发明附图后所作出的对于本领域技 术人员来说显而易见的置换、增强、等同、结合和改进都应落入本发明的真实精神和保护范 围中。
43.还应当注意的是，各项权利要求中的元件可以进行不同的布置，包括多种依赖关系、结 构及组合。例如，在某些实施例中，各权利要求项的主题可以与其他权利要求项结合。