[发明专利]集成电路空气桥结构及其制造方法

说明书

本发明涉及集成电路空气桥结构及其制造方法，这种结构是密封的，目的是保护集成电路和任何元件，如互连导体空气桥、电感或电容，免受来自器件外部的损伤或沾污。

为了减小高运行和高频过程中的互连电容，经常使用空气桥。典型的空气桥是用淀积并构图于牺牲材料上的第二层互连金属层形成的。牺牲材料以后将去除，留下由空气而不是由如氧化物等介质包围的金属引线。由于空气的介电常数比固体绝缘体例如二氧化硅或氮化硅等的介电常数低，这样减小了衬底及其它金属引线的电容。

然而，常规空气桥制造技术和结构有一些缺点。空气桥的长度经常受两通道间金属弯度的限制。所以，只有把数个短空气桥结合在一起才能制造出较长的空气桥。另一个问题是，用空气桥制造的电路不能钝化。按常规工艺，集成电路上应淀积有钝化层。典型的钝化层有氧化硅或氮化硅。然而，对于空气桥结构来说，不得不省去钝化层，否则钝化层将替代桥下的空气，从而增大空气桥电容或损坏桥自身。

因此，需要一种其金属比现有技术的空气桥的金属长的空气桥，还要求空气桥能引入一种有钝化层的集成电路中。

本发明的目的是提供改进的集成电路空气桥结构，该结构可在衬底平面上制造，并可在制造过程中进行钝化，从而免除对陶瓷封装或密封的要求，并且不会显著地增加集成电路和任何元件占据的空间，还提供一种改进的集成电路空气桥结构，该结构的空气桥或其它元件由导电元件(例如，电感或电容)构成，其中空气桥的元件和有源集成电路间有足够大的间隔，用以减小导电元件和电路间的寄生电容效应，减弱对这些电路的高频响应的不良影响。

根据本发明的集成电路结构的空气桥是在具有与空气桥要连接的集成电路相同的芯片上制得。本发明提供一种适用于单衬底和键合衬底结构的硅上的空气桥。本发明提供一种在半导体衬底或器件衬底上的空气桥结构。器件或半导体衬底可以有一个或多个形成于其中的集成电路或半导体器件。空气桥结构包含一个包封在介质外壳中的长金属导体。该外壳至少部分暴露于周围的空气中。在一个实施例中，整个外壳皆暴露在空气中。然而，其它实施例中，基本上有一部分外壳暴露于周围的空气中，用以减小外壳与半导体衬底间的介质耦合。典型结构中，包封的导体跨越衬底中的凹腔。包封的导体由从该凹腔底表面延伸的柱支撑，并跨越该凹腔。支撑柱包括介质材料、衬底材料或这两者兼有。

在半导体衬底上形成介质层可制得空气桥结构。长导体在介质层上形成，并包封在介质材料中。然后，除去衬底或介质层的某些部分，或这两者的某些部分全都除去，把包封的长导体暴露于空气中。该方法利用了衬底上包封的导体之间的牺牲材料。除去牺牲材料，构成空气桥腔。本发明的方法还包括除去衬底的某些部分以形成空气桥腔的步骤。

本发明的特别实施例包括形成于衬底和/或衬底上的介质层中的凹腔。包封的导体延伸跨越该腔，进入并引出覆盖该腔的介质层。

在键合衬底结构中，器件衬底与支撑衬底(handle substrate)一般由氧化键合层键合。在器件衬底中形成空气桥结构有几种方式。槽式隔离是形成器件和键合衬底时常用的步骤。本发明的空气桥适用在键合衬底中经常使用的槽形成步骤。在一个键合衬底实施例中，形成的槽下至氧化物键合层。用介质涂敷该槽，并进行填充和平面化。介质层覆盖已平面化的槽，长导体在空气桥槽上的介质层上构图。为把导体包封在介质中，用另一介质层覆盖已构图的导体。然后，再接着对衬底进行构图和腐蚀，去除已填充的空气桥槽间的材料。最终结构为包封在与键合氧化层隔开的介质中的空气桥导体。

键合衬底结构用于构成电感。在一个实施例中，长导体包封于介质层中，介质层置于隔离槽之间的器件衬底区之上。在介质层中开出通道，除去衬底材料，形成在包封导体之下的空气桥腔。可以形成两个彼此靠近且被第三腔隔开的空气桥腔。连续在每个空气桥腔上构图，使金属路径成螺旋形以形成电感。用铁磁材料填充该第三腔。

本发明的另外两个实施例使用了牺牲层，用于在包封的长导体下形成凹腔。在一个实施例中，在半导体衬底上的第一介质层上形成多晶硅牺牲层。包封的导体形成于牺牲层之上。在牺牲多晶硅层中开出通道，并除去多晶硅，留下包封的导体之下以及包封的导体与硅衬底之间的空气桥凹腔。在另一实施例中，在淀积牺牲多晶硅之前，部分去除衬底表面上的介质层。牺牲多晶硅与底层衬底的一些部分被一起去除。后者在包封的导体之下形成长空气桥腔。

本发明涉及半导体衬底中的空气桥结构，所述半导体衬底中有一个或多个集成电路或半导体器件，该空气桥结构包括有介质敷层的长金属导体，所述介质敷层至少围绕所述导体长度部分，所述外壳暴露于周围空气。