JPH0677709A - Semiconductor millimeter wave device - Google Patents
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- JPH0677709A JPH0677709A JP4230251A JP23025192A JPH0677709A JP H0677709 A JPH0677709 A JP H0677709A JP 4230251 A JP4230251 A JP 4230251A JP 23025192 A JP23025192 A JP 23025192A JP H0677709 A JPH0677709 A JP H0677709A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、半導体基板上に導波
路、入出力結合装置および素子を集積化した半導体ミリ
波装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor millimeter wave device in which a waveguide, an input / output coupling device and an element are integrated on a semiconductor substrate.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来のミリ波装置としては、図７、図
８、図９に示すものがある。なお、図７は金属導波管を
用いた伝送装置の一例の斜視図、図８はＭＭＩＣ（ Mic
rowaveMonolithic IC）の斜視図（例えば、Peter H. La
dbrooke著 “MMIC Design GaAsFETs and HEMTs” pp29
に記載）、図９は上記のＭＭＩＣに用いたマイクロ・ス
トリップ線路の一部断面斜視図（例えば、上記図８の文
献の第３１頁に記載）である。電気信号の周波数が高く
なると、いわゆる集中定数回路として取り扱えなくな
り、分布定数回路として取り扱わなければならない。信
号線路においても同軸ケーブルが使えるのは数１００Ｍ
Ｈｚ程度までであり、それ以上の周波数では損失が大き
くなるために電磁波の形で伝送する必要がある。電磁波
の伝送には、図７に示すような金属導波管６や図９に示
すようなマイクロ・ストリップ線路などが用いられてい
た。図７において、５は入出力結合装置、６は金属導波
管、７は高周波装置、８は制御装置である。図７に示し
た金属導波管６の形状は、方形や円形等があるが通常は
方形が用いられる。方形導波管の断面寸法は縦（３／
８)λ×横（３／４)λ程度であり、ミリ波（３０ＧＨｚ
〜３００ＧＨｚ）を扱う場合には、縦３.７５ｍｍ×横
７.５ｍｍ（３０ＧＨｚ）〜縦０.３７５ｍｍ×横０.７
５ｍｍ（３００ＧＨｚ）程度の寸法になる。そして波長
が短くなるにつれて導波管の寸法も小さくなるため、加
工精度や組み立て精度を高くしなければならない。通
常、最小寸法の１／１０以下の精度が要求されるので、
上記の場合にはミクロンオーダーの加工及び組み立て精
度が必要となる。2. Description of the Related Art Conventional millimeter wave devices are shown in FIGS. 7, 8 and 9. 7 is a perspective view of an example of a transmission device using a metal waveguide, and FIG. 8 is an MMIC (Mic
rowaveMonolithic IC) perspective view (eg Peter H. La
dbrooke “MMIC Design GaAsFETs and HEMTs” pp29
FIG. 9 is a partial cross-sectional perspective view of the micro strip line used for the above MMIC (for example, described on page 31 of the document of FIG. 8). When the frequency of the electric signal becomes high, it cannot be handled as a so-called lumped constant circuit and must be handled as a distributed constant circuit. Coaxial cables can be used in signal lines for several hundred meters
It is necessary to transmit in the form of electromagnetic waves because it is up to about Hz and the loss becomes large at frequencies higher than that. For the transmission of electromagnetic waves, a metal waveguide 6 as shown in FIG. 7 and a micro strip line as shown in FIG. 9 have been used. In FIG. 7, 5 is an input / output coupling device, 6 is a metal waveguide, 7 is a high frequency device, and 8 is a control device. The metal waveguide 6 shown in FIG. 7 may have a rectangular shape, a circular shape or the like, but a rectangular shape is usually used. The cross-sectional dimension of the rectangular waveguide is vertical (3 /
8) λ × horizontal (3/4) λ, and millimeter wave (30 GHz
~ 300 GHz), 3.75 mm in length x 7.5 mm in width (30 GHz) to 0.375 mm in length x 0.7 in width
The size is about 5 mm (300 GHz). Since the size of the waveguide becomes smaller as the wavelength becomes shorter, the processing accuracy and the assembly accuracy must be increased. Usually, an accuracy of 1/10 or less of the minimum dimension is required, so
In the above case, micron order processing and assembling accuracy are required.
【０００３】また、ミリ波よりも波長の長いマイクロ波
帯（３ＧＨｚ〜３０ＧＨｚ）では、図９に示したような
マイクロ・ストリップ線路を利用した図８のごときＭＭ
ＩＣなども用いられていた。なお、図８において、９は
ＧａＡｓ基板、１０はｖｉａホール、１２は接地電極、
２１および２２は金属層である。また、図９において、
２３は誘電体である。上記のごときＭＭＩＣの構造をミ
リ波装置に適用することは原理的には可能であるが、前
記の金属導波管よりも伝送損失（５０ｄＢ／ｍ程度）が
大きく、また上部が空いているために保護膜の特性に影
響されるなどの問題があった。さらに、この構造では、
主面上の構造体と接地電極１２とを接続するため経路用
の孔（ｖｉａホール１０）を設ける必要があるが、厚い
基板を用いた場合にはこのｖｉａホール１０の形成が困
難になるという問題がある。また、半導体基板は誘電体
として用いられているので、抵抗率ができるだけ高いこ
とが望まれる。ＧａＡｓ基板はＣｒなどをドープするこ
とで抵抗率が１０7〜１０9（Ωｃｍ）の半絶縁性基板が
容易に得られるが、シリコン基板等の他の材料ではこの
ような高抵抗基板は得られていない。また、シリコン基
板などに溝などを形成し、それを導波管として用いるこ
とは、従来よく用いられていたマイクロ波帯では波長が
長く、導波路の断面積が大きすぎることや非常に深い方
形の溝を形成する技術が確立されていなかったので不可
能であった。In the microwave band (3 GHz to 30 GHz) having a wavelength longer than the millimeter wave, the MM as shown in FIG. 8 using the micro strip line as shown in FIG.
ICs were also used. In FIG. 8, 9 is a GaAs substrate, 10 is a via hole, 12 is a ground electrode,
21 and 22 are metal layers. In addition, in FIG.
Reference numeral 23 is a dielectric. Although it is possible in principle to apply the MMIC structure as described above to a millimeter wave device, the transmission loss (about 50 dB / m) is larger than that of the above-mentioned metal waveguide, and the upper part is vacant. However, there are problems such as being affected by the characteristics of the protective film. Furthermore, in this structure,
It is necessary to provide a hole (via hole 10) for a path to connect the structure on the main surface and the ground electrode 12, but it is difficult to form the via hole 10 when a thick substrate is used. There's a problem. Moreover, since the semiconductor substrate is used as a dielectric, it is desired that the resistivity be as high as possible. Although a GaAs substrate can be easily obtained as a semi-insulating substrate having a resistivity of 10 7 to 10 9 (Ωcm) by doping with Cr or the like, such a high resistance substrate can be obtained with other materials such as a silicon substrate. Not not. In addition, forming a groove on a silicon substrate and using it as a waveguide means that the wavelength is long in the microwave band that has been often used in the past, the cross-sectional area of the waveguide is too large, and the waveguide is very deep. It was impossible because the technology for forming the groove was not established.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
ミリ波装置においては、次のごとき問題があった。 （１）金属導波管を用いた場合には、 （ア）ディスクリート構成のため、コストおよび重量が
増大する。 （イ）信号伝送距離が長く、結合部が多いため、信号の
劣化や損失が大きい、 （ウ）立体回路となるため、設計、組み立てが難しく、
特に波長の短い電磁波では高性能化が困難である。 （２）マイクロ・ストリップ線路などを用いたＭＭＩＣ
の場合には、 （ア）導波管を用いた場合に比べると伝送損失が大き
い。 （イ）大口径の厚い半導体基板を用いた場合には、表面
と裏面に形成される接地電極とを接続するｖｉａホール
を形成するのが困難となる。 （ウ）外部に電磁波が漏れるので、線路間の電磁的な結
合で信号が劣化する。As described above, the conventional millimeter wave device has the following problems. (1) When a metal waveguide is used, (a) The cost and weight increase due to the discrete structure. (A) The signal transmission distance is long and there are many coupling parts, so signal deterioration and loss are large. (C) Since it becomes a three-dimensional circuit, it is difficult to design and assemble.
In particular, it is difficult to achieve high performance with electromagnetic waves having a short wavelength. (2) MMIC using micro strip line
In case (a), the transmission loss is larger than that in the case where the waveguide is used. (A) When a large-diameter thick semiconductor substrate is used, it is difficult to form a via hole connecting the front surface and the ground electrode formed on the back surface. (C) Since electromagnetic waves leak to the outside, signals are deteriorated due to electromagnetic coupling between lines.
【０００５】本発明は上記のごとき従来技術の問題を解
決するためになされたものであり、高精度の製造が容易
で、信号の伝送損失および劣化を小さくすることの出来
る半導体ミリ波装置を提供することを目的とする。The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above, and provides a semiconductor millimeter-wave device which can be easily manufactured with high precision and which can reduce signal transmission loss and deterioration. The purpose is to do.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の問題を解決するた
め、本発明においては、特許請求の範囲に記載するよう
に構成している。すなわち、請求項１においては、半導
体基板と、上記半導体基板の主面に形成された溝または
リッジからなる導波路と、上記半導体基板に形成され、
電磁波の送信または受信もしくは双方を行なう入出力結
合装置と、上記半導体基板の主平面に形成された半導体
素子と、を備えるように構成している。なお、この構成
は、例えば後記図１または図５の実施例に相当する。In order to solve the above problems, the present invention is constructed as described in the claims. That is, in claim 1, a semiconductor substrate, a waveguide formed of a groove or a ridge formed on the main surface of the semiconductor substrate, and formed on the semiconductor substrate,
An input / output coupling device that transmits or receives electromagnetic waves, or both, and a semiconductor element formed on the main plane of the semiconductor substrate are provided. Note that this configuration corresponds to, for example, the embodiment of FIG. 1 or FIG. 5 described later.
【０００７】また、請求項２に記載の発明は、上記の導
波路を囲む導電層を設けたものである。この構成は、例
えば後記図４（ａ）、（ｂ）または（ｄ）の実施例に相
当する。また、請求項３に記載の発明は、上記導波路内
を上記半導体基板の誘電率よりも高い誘電体で充填した
ものである。この構成は、例えば後記図４（ｂ）、
（ｃ）、（ｄ）または（ｆ）の実施例に相当する。ま
た、請求項４に記載の発明は、上記半導体基板の上記導
波路近傍の領域の導電率を、その周辺の領域の導電率よ
りも高い値に設定したものである。この構成は、例えば
後記図４（ｅ）または（ｆ）の実施例に相当する。ま
た、請求項５に記載の発明においては、上記半導体基板
としてシリコン基板を用いたものである。The invention according to claim 2 is to provide a conductive layer surrounding the waveguide. This configuration corresponds to, for example, the embodiment shown in FIG. 4 (a), (b) or (d) described later. In the invention according to claim 3, the inside of the waveguide is filled with a dielectric material having a dielectric constant higher than that of the semiconductor substrate. This configuration is, for example, shown in FIG.
It corresponds to the embodiment of (c), (d) or (f). In the invention according to claim 4, the conductivity of the region of the semiconductor substrate near the waveguide is set to a value higher than the conductivity of the peripheral region. This configuration corresponds to, for example, the embodiment shown in FIG. 4E or 4F described later. Further, in the invention according to claim 5, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate.
【０００８】[0008]
【作用】上記のように、請求項１に記載の発明において
は、半導体基板の主面に形成された溝またはリッジを導
波路として用い、かつ、導波路と、入出力結合装置と、
半導体素子とを同一半導体基板上に形成するように構成
している。したがって使用波長に対応して各部の寸法が
小さくなっても半導体プロセスを用いて高精度で形成で
きるので、特に波長の短い電磁波を扱う場合に性能を向
上させることが出来る。また、配線距離が短く、結合部
が無いため、信号の伝送損失および劣化を小さくでき
る。また、従来のＭＭＩＣのように裏面に形成される接
地電極と表面とを接続するｖｉａホールを形成する必要
がないため、厚くならざるを得ない大口径基板を用いて
も容易に製造することができる。As described above, in the invention described in claim 1, the groove or the ridge formed in the main surface of the semiconductor substrate is used as a waveguide, and the waveguide, the input / output coupling device, and
The semiconductor element and the semiconductor element are formed on the same semiconductor substrate. Therefore, even if the size of each part is reduced according to the wavelength used, it can be formed with high precision by using a semiconductor process, so that the performance can be improved especially when handling an electromagnetic wave having a short wavelength. Moreover, since the wiring distance is short and there is no coupling portion, signal transmission loss and deterioration can be reduced. Further, unlike the conventional MMIC, it is not necessary to form a via hole for connecting the ground electrode formed on the back surface to the front surface, and therefore, it is possible to easily manufacture even a large-diameter substrate that must be thickened. it can.
【０００９】また、請求項２に記載の発明においては、
導波路を囲む導電層を設けたことにより、半導体基板の
他の部分に漏洩する電磁波を減少させることが出来、そ
の分だけ伝送損失を低下させることが出来る。また、請
求項３に記載の発明においては、導波路内を半導体基板
の誘電率よりも高い誘電体で充填したことにより、導波
路の寸法を小型にすることが出来る。また、請求項４に
記載の発明においては、半導体基板の導波路近傍の領域
の導電率を、その周辺の領域の導電率よりも高い値に設
定したことにより、請求項２に記載の発明と同様の作用
効果が得られる。また、導波路として溝を用いた構成で
は、電磁波の伝送路が空間（空所２′）となるので、請
求項５に記載のように、シリコン基板のように絶縁体に
近い高抵抗基板が得られない材料で半導体基板を構成し
た場合でも信号の伝送損失の少ない伝送が可能となる。According to the second aspect of the invention,
By providing the conductive layer surrounding the waveguide, it is possible to reduce the electromagnetic waves leaking to other portions of the semiconductor substrate, and to reduce the transmission loss accordingly. Further, in the invention according to the third aspect, the size of the waveguide can be reduced by filling the inside of the waveguide with a dielectric having a dielectric constant higher than that of the semiconductor substrate. Further, in the invention according to claim 4, the conductivity of the region in the vicinity of the waveguide of the semiconductor substrate is set to a value higher than the conductivity of the region in the periphery thereof. Similar effects can be obtained. Further, in the configuration using the groove as the waveguide, the electromagnetic wave transmission path becomes a space (space 2 '). Therefore, as described in claim 5, a high resistance substrate close to an insulator such as a silicon substrate is used. Even if the semiconductor substrate is made of a material that cannot be obtained, it is possible to perform signal transmission with less transmission loss.
【００１０】[0010]
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１の実施例の断面図である。図１に
おいて、シリコン基板１には、導波路２、シリコン素子
部３、高周波素子部４、入出力結合装置５が形成されて
いる。導波路２は、シリコン基板１に設けられた溝の部
分（空所２′の部分）に形成されており、その底部およ
び側壁には第１の金属層２１、上部には第２の金属層２
２が形成されており、電磁波を有効に閉じ込めることが
出来るようになっている。また、導波路２内の所定の場
所にはシリコン素子部３との電磁波のやりとりのための
アンテナ２５が設けられている。この導波路の寸法は、
従来例の中でも記載したごとく、縦３.７５ｍｍ×横７.
５ｍｍ（３０ＧＨｚ）〜縦０.３７５ｍｍ×横０.７５ｍ
ｍ（３００ＧＨｚ）程度の寸法である。また、シリコン
素子部３は、シリコン基板１に直接形成された素子であ
り、図１ではＣＭＯＳを示してある。シリコン素子は、
高集積化が可能であるため、通常の周波数の信号を処理
する回路部分に用いられる。そのような信号は、通常の
配線での伝送が可能である。素子の構造について簡単に
説明すれば、フィールド酸化膜３３のない部分が素子が
形成されている領域であり、ウエル３１、ゲート酸化膜
３２、ソース・ドレイン領域３５、ポリシリコン・ゲー
ト電極３４、配線層となる第３の金属層３６が形成され
ている。また、図には示していない受動素子は、通常の
集積回路と同様の構造で形成することが可能である。EXAMPLES The present invention will be described below based on examples.
FIG. 1 is a sectional view of the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a waveguide 2, a silicon element portion 3, a high frequency element portion 4, and an input / output coupling device 5 are formed on a silicon substrate 1. The waveguide 2 is formed in a groove portion (cavity 2 ′ portion) provided in the silicon substrate 1, and has a first metal layer 21 on the bottom and side walls thereof and a second metal layer on the top thereof. Two
2 is formed so that electromagnetic waves can be effectively trapped. In addition, an antenna 25 for exchanging electromagnetic waves with the silicon element portion 3 is provided at a predetermined place in the waveguide 2. The dimensions of this waveguide are
As described in the conventional example, 3.75 mm in length x 7.
5mm (30GHz) ~ 0.375mm length x 0.75m width
The size is about m (300 GHz). Further, the silicon element portion 3 is an element directly formed on the silicon substrate 1, and a CMOS is shown in FIG. The silicon element is
Since it can be highly integrated, it is used in a circuit portion that processes a signal of a normal frequency. Such signals can be transmitted by ordinary wiring. The structure of the device will be briefly described. A portion where the field oxide film 33 is not formed is a region where the device is formed, and the well 31, the gate oxide film 32, the source / drain region 35, the polysilicon / gate electrode 34, the wiring. A third metal layer 36 to be a layer is formed. Further, a passive element not shown in the drawing can be formed in the same structure as a normal integrated circuit.
【００１１】また、高周波素子部４は、ミリ波帯の信号
の処理、増幅を行なうための素子であり、図１では、Ｈ
ＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）を示し
てある。ＨＥＭＴは、様々な文献で公知のように非常に
高い周波数の信号を増幅することが可能であり、ミリ波
帯の能動素子として最も有望である。この素子の構造を
簡単に説明すれば、シリコン基板１上に複数の層からな
る化合物半導体層４１が形成されている。この化合物半
導体層４１の形成法は、ヘテロ・エピタキシャル成長に
よることも可能であるし、ボンディング法（例えば“Ap
plied PhysicsLetters” 56(24), 11 June 1990, pp241
9〜2421に記載）でもよい。上記の化合物半導体層４１
には、電子走行層４２および電子供給層４３等が形成さ
れている。ＨＥＭＴには複数の材料系による構成がある
が最も基本的な構成による場合には、電子走行層４２は
ノンドープのＧａＡｓ、電子供給層４３はｎ型のＡｌＧ
ａＡｓが用いられる。さらに、ゲート電極４４、ソース
・ドレイン領域４５、配線層である第４の金属層４６が
形成される。ただし、ノンオーミックコンタクト法を用
いることも多く、その場合には前記のソース・ドレイン
領域４５は形成されない。これらの高周波素子間の信号
の伝送には、前記の導波路２が用いられる。また、入出
力結合装置５は、シリコン基板１内外の電磁波の送受信
を行なうものであり、導波路２と基板端面が交わったと
ころに形成される。この入出力結合装置５は、図１に示
すように導波路２をそのまま用いてもよいが、電磁波の
反射を減らすためにホーン形状にしてもよい。また、導
波路２あるいは入出力結合装置５の構成によっては基板
表面または裏面から電磁波の授受を行なうことも可能で
ある。また、各金属層の絶縁のために層間絶縁膜１１が
設けられている。The high frequency element section 4 is an element for processing and amplifying a millimeter wave band signal, and in FIG.
An EMT (High Electron Mobility Transistor) is shown. The HEMT is capable of amplifying a signal having a very high frequency as known in various documents, and is most promising as an active element in the millimeter wave band. To briefly explain the structure of this element, a compound semiconductor layer 41 composed of a plurality of layers is formed on a silicon substrate 1. The compound semiconductor layer 41 can be formed by a hetero-epitaxial growth method or a bonding method (for example, “Ap
plied PhysicsLetters ”56 (24), 11 June 1990, pp241
9 to 2421)). Compound semiconductor layer 41 described above
An electron transit layer 42, an electron supply layer 43, and the like are formed on this. Although the HEMT has a structure made of a plurality of material systems, in the case of the most basic structure, the electron transit layer 42 is a non-doped GaAs and the electron supply layer 43 is an n-type AlG.
aAs is used. Further, the gate electrode 44, the source / drain regions 45, and the fourth metal layer 46 which is a wiring layer are formed. However, a non-ohmic contact method is often used, and in that case, the source / drain regions 45 are not formed. The waveguide 2 is used to transmit signals between these high-frequency elements. The input / output coupling device 5 transmits and receives electromagnetic waves inside and outside the silicon substrate 1, and is formed at the intersection of the waveguide 2 and the end face of the substrate. The input / output coupling device 5 may use the waveguide 2 as it is as shown in FIG. 1, but may have a horn shape in order to reduce reflection of electromagnetic waves. Further, depending on the configuration of the waveguide 2 or the input / output coupling device 5, it is possible to exchange electromagnetic waves from the front surface or the back surface of the substrate. Further, an interlayer insulating film 11 is provided for insulating each metal layer.
【００１２】次に、上記の実施例における導波路２の形
成方法について説明する。図２および図３は、導波路２
の形成工程を説明するための断面図であり、図２の
（ｅ）から図３の（ｆ）に続く。まず、図２において、
（ａ）に示すシリコン基板１に、ＲＩＥなどのドライエ
ッチングを用いて（ｂ）に示す溝を形成する。次に、上
記溝の内側に第１の金属層２１を蒸着やスパッタ法など
で形成する（ｃ）。なお、この第１の金属層２１には高
融点金属を用いる。次に、ＳＯＧ（spin on glass）な
どの充填物２７で上記の溝を充填する（ｄ）。次に、充
填物２７の上に第２の金属層２２を形成する（ｅ）。次
に、図３において、（ｆ）では、上記第２の金属層２２
のうち、アンテナ２５を形成する部分を除去する。次
に、全体の表面に層間絶縁膜１１を形成する（ｇ）。次
に、アンテナ２５を形成するために層間絶縁膜１１と充
填物２７にドライエッチングによって穴を掘る（ｈ）。
次に、上記の穴に、アンテナ２５を蒸着などで形成する
（ｉ）。最後に、充填物２７をウエットエッチングで除
去し、空所２′を形成する。この際、エッチャントは、
図には示されていない層間絶縁膜１１および第２の金属
層２２にあけられた孔を通って充填物２７に達する。上
記のようにして、空所２′内にアンテナ２５を備え、か
つ空所２′の内表面が金属層で覆われた導波路２が形成
される。Next, a method of forming the waveguide 2 in the above embodiment will be described. 2 and 3 show the waveguide 2
FIG. 3C is a cross-sectional view for explaining the formation process of FIG. 2F, continuing from FIG. 2E to FIG. 3F. First, in FIG.
The groove shown in (b) is formed in the silicon substrate 1 shown in (a) by dry etching such as RIE. Next, the first metal layer 21 is formed inside the groove by vapor deposition or sputtering (c). A refractory metal is used for the first metal layer 21. Next, the groove is filled with a filling material 27 such as SOG (spin on glass) (d). Next, the second metal layer 22 is formed on the filler 27 (e). Next, in FIG. 3, in (f), the second metal layer 22 is formed.
The part forming the antenna 25 is removed. Next, the interlayer insulating film 11 is formed on the entire surface (g). Next, holes are formed in the interlayer insulating film 11 and the filling material 27 by dry etching to form the antenna 25 (h).
Next, the antenna 25 is formed in the hole by vapor deposition or the like (i). Finally, the filling 27 is removed by wet etching to form the void 2 '. At this time, the etchant
The filling 27 is reached through the holes formed in the interlayer insulating film 11 and the second metal layer 22 which are not shown in the figure. As described above, the waveguide 2 is formed in which the antenna 25 is provided in the cavity 2'and the inner surface of the cavity 2'is covered with the metal layer.
【００１３】次に、導波路の種々の実施例について説明
する。図４は、導波路の種々の構造を示す断面図であ
る。図４において、（ａ）は、前記図１で説明した例で
あり、金属層２１、２２で囲まれた空所２′を導波路と
した構造である。次に、（ｂ）は、上記（ａ）の構造に
おいて、空所２′の内部を誘電体２３で充填した構造を
示す。ミリ波帯においても波長が長い領域では導波路の
断面積が大きくなり、特に他のプロセスとの整合が難し
くなる。その場合、内部を誘電体で充填すれば、その誘
電体の誘電率に反比例して断面積を小さくすることが出
来る。例えば、目的の電磁波の周波数を６０ＧＨｚとす
ると、波長λは５ｍｍであり、空所のままであれば、縦
１.８７５ｍｍ、横３.７５ｍｍの大きさを要する。しか
し、誘電体２３の比誘電率を１００とすれば、縦（深
さ）が１８.７５μｍ、横（幅）が３７.５μｍと極めて
小さくすることが出来るため、通常のプロセスとの整合
性が非常によくなる。なお、誘電体２３として用いられ
るのは、ＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＳｒＴｉＯ3、
ＢａＴｉＯ3、ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等の酸化物やＳｉＮ等
の窒化物などがある。この実施例の製造方法は、基本的
には前記図２、図３で説明した方法と同じであり、ＳＯ
Ｇなど充填物２７の代わりに所望の誘電体２３を充填
し、最後の除去工程を除くだけでよい。Next, various embodiments of the waveguide will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view showing various structures of the waveguide. In FIG. 4, (a) is the example described in FIG. 1 and has a structure in which a cavity 2 ′ surrounded by the metal layers 21 and 22 is used as a waveguide. Next, (b) shows a structure obtained by filling the inside of the void 2 ′ with the dielectric 23 in the structure of (a). Even in the millimeter wave band, the cross-sectional area of the waveguide becomes large in a region where the wavelength is long, and matching with other processes becomes particularly difficult. In that case, if the inside is filled with a dielectric, the cross-sectional area can be reduced in inverse proportion to the dielectric constant of the dielectric. For example, if the frequency of the target electromagnetic wave is 60 GHz, the wavelength λ is 5 mm, and if it is a vacant space, a size of 1.875 mm in length and 3.75 mm in width is required. However, if the relative permittivity of the dielectric 23 is 100, the height (depth) can be made extremely small at 18.75 μm and the width (width) can be made extremely small at 37.5 μm. Very good In addition, what is used as the dielectric 23 is SiO 2 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , SrTiO 3 ,
There are oxides such as BaTiO 3 , PZT and PLZT and nitrides such as SiN. The manufacturing method of this embodiment is basically the same as the method described in FIG. 2 and FIG.
It is only necessary to fill the desired dielectric 23 instead of the filling 27 such as G and to omit the last removal step.
【００１４】次に、（ｃ）は、空所２′の内壁および上
部に第１の金属層２１や第２の金属層２２を設けず、シ
リコン基板１よりも比誘電率の大きな誘電体２３で充填
しただけの構造を示す。この構造は、プロセス的には
（ａ）や（ｂ）よりも簡単である。ただし、シリコン基
板１へ洩れていく電磁界があるので伝送損失は大きくな
る。次に、（ｄ）は、導波路の上下のみに第１の金属層
２１と第２の金属層２２を形成した構造である。この構
造は、側壁への堆積が難しい、いわゆるステップ・カバ
レッジの悪い蒸着法等でも形成が可能である。次に、
（ｅ）は、空所２′の内面に金属層を設ける代わりに、
空所２′の近傍のシリコン基板１の導電率をその他の領
域に比べて高くした構造を示す。導電率を高くする方法
としては、ドーパントをドーピングして不純物濃度を高
くする方法とシリサイドを形成する方法とがある。前者
には、通常行なわれている選択拡散法やイオン注入法を
用いればよい。後者の例では、チタン・シリサイドがあ
る。チタン・シリサイドは、チタン薄膜よりも導電率が
高いため、この方法が望ましい。次に、（ｆ）は、上記
（ｅ）において、空所２′の内部を誘電体２３で埋めた
構造を示す。この実施例の作用効果は前記（ｂ）とほぼ
同様である。Next, in (c), the first metal layer 21 and the second metal layer 22 are not provided on the inner wall and the upper portion of the void 2 ', and the dielectric 23 having a relative dielectric constant larger than that of the silicon substrate 1 is used. The structure just filled with is shown. This structure is simpler in process than (a) and (b). However, since there is an electromagnetic field leaking into the silicon substrate 1, the transmission loss becomes large. Next, (d) shows a structure in which the first metal layer 21 and the second metal layer 22 are formed only above and below the waveguide. This structure can also be formed by a vapor deposition method or the like, which is difficult to deposit on the side wall, so-called poor step coverage. next,
(E) shows that instead of providing a metal layer on the inner surface of the void 2 ',
This shows a structure in which the conductivity of the silicon substrate 1 in the vicinity of the void 2'is made higher than in other regions. Methods for increasing the conductivity include a method of doping a dopant to increase the impurity concentration and a method of forming silicide. For the former, a usual selective diffusion method or ion implantation method may be used. In the latter example, there is titanium silicide. This method is desirable because titanium silicide has higher conductivity than titanium thin film. Next, (f) shows a structure in which the inside of the void 2'is filled with the dielectric 23 in (e). The operation and effect of this embodiment are almost the same as those in (b) above.
【００１５】次に、図５は、本発明の第２の実施例の断
面図である。この実施例は、シリコン基板１の主面に設
けたリッジ２６を導波路として用いるものである。図５
において、２６はリッジ、２４はリッジ２６の下部に設
けた高導電率領域、４６はリッジ２６の上面を覆う第４
の金属層であり、その他、図１と同符号は同一物を示
す。なお、上記高導電率領域２４としては、埋め込み層
などを用いればよい。また、リッジ２６内は、シリコン
基板１と同じ半導体でもよいが、この部分を高誘電率層
にしてもよい。その場合には、あらかじめシリコン基板
１として絶縁性の高い基板を用い、その後、リッジ２６
以外の部分をドーピングして必要な導電度に形成すれば
よい。Next, FIG. 5 is a sectional view of a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the ridge 26 provided on the main surface of the silicon substrate 1 is used as a waveguide. Figure 5
In the figure, 26 is a ridge, 24 is a high conductivity region provided under the ridge 26, and 46 is a fourth region covering the upper surface of the ridge 26.
The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same things. A buried layer or the like may be used as the high conductivity region 24. Further, the inside of the ridge 26 may be the same semiconductor as the silicon substrate 1, but this portion may be a high dielectric constant layer. In that case, a substrate having a high insulating property is used as the silicon substrate 1 in advance, and then the ridge 26 is used.
It suffices to dope the portion other than the above to form it to the required conductivity.
【００１６】また、図６は、図５の実施例における導波
路の形成工程を示す断面図である。図６において、ま
ず、（ａ）に示すように、シリコン基板１にリッジ２６
を形成し、次に、（ｂ）に示すように、リッジ２６の上
面および側面を第２の金属層２２で覆い、底面の一部を
第１の金属層２１で覆うことにより、導波路２を形成す
ることが出来る。なお、第１の金属層２１を形成する場
合には、あらかじめ選択エッチングでシリコン基板１を
除去しておき、その後、ＣＶＤ法で第１の金属層２１を
形成する。また、（ｃ）に示すように、第１の金属層２
１の代わりに、シリコン基板１のリッジ２６下部の部分
に、高導電率領域２４を設けてもよい。FIG. 6 is a sectional view showing a process of forming a waveguide in the embodiment of FIG. In FIG. 6, first, as shown in (a), a ridge 26 is formed on the silicon substrate 1.
And then cover the top surface and side surfaces of the ridge 26 with the second metal layer 22 and part of the bottom surface with the first metal layer 21, as shown in FIG. Can be formed. When the first metal layer 21 is formed, the silicon substrate 1 is removed by selective etching in advance, and then the first metal layer 21 is formed by the CVD method. In addition, as shown in (c), the first metal layer 2
Instead of 1, the high conductivity region 24 may be provided in the portion below the ridge 26 of the silicon substrate 1.
【００１７】なお、これまでの説明では、半導体基板と
してシリコン基板を用いた例について説明したが、他の
半導体基板、例えばＧａＡｓ、ＩｎＰ等を用いてもよ
い。さらに、ミリ波帯で動作が可能な素子を形成できる
ＧａＡｓ、ＩｎＰ基板では前述のようなヘテロ・エピタ
キシャルやボンディングを用いる必要はなく、全ての素
子を同一の基板に形成してもよい。In the above description, an example in which a silicon substrate is used as a semiconductor substrate has been described, but other semiconductor substrates such as GaAs and InP may be used. Further, in a GaAs or InP substrate capable of forming an element capable of operating in the millimeter wave band, it is not necessary to use the above-mentioned hetero-epitaxial or bonding, and all elements may be formed on the same substrate.
【００１８】[0018]
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、半導体基板上に形成された溝またはリッジを導波路
とし、かつ導波路と素子と入出力結合装置を同一基板上
に形成するように構成したことにより、 （１）モノリシック構成のため、低コスト、軽量小型化
が可能となる。 （２）配線距離が短く、結合部が無いため、信号の伝送
損失、劣化を小さくすることが出来る。 （３）各部の寸法が小さくなっても半導体プロセスを用
いて高精度で形成できるため、特に波長の短い電磁波を
扱う場合に各性能が向上する。 （４）マイクロ・ストリップ線路を用いた従来のＭＭＩ
Ｃに比べて伝送損失が著しく小さくなり、線路間の結合
や上部保護膜の影響による信号の劣化が少なくなる。 （５）マイクロ・ストリップ線路を用いた従来のＭＭＩ
Ｃのように裏面に形成される接地電極と表面とを接続す
るｖｉａホールを形成する必要がないため、厚くならざ
るを得ない大口径基板を用いても容易に製造することが
できる。 （６）溝を用いた構成では、シリコン基板等のように絶
縁体に近い高抵抗基板が得られない材料に対しても伝送
損失の少ない伝送が可能となる。 等の多くの効果が得られる。As described above, according to the present invention, the groove or ridge formed on the semiconductor substrate is used as the waveguide, and the waveguide, the element and the input / output coupling device are formed on the same substrate. With the above configuration, (1) the monolithic configuration enables low cost, light weight, and miniaturization. (2) Since the wiring distance is short and there is no coupling portion, signal transmission loss and deterioration can be reduced. (3) Even if the size of each part is reduced, it can be formed with high accuracy by using a semiconductor process, so that each performance is improved especially when an electromagnetic wave having a short wavelength is handled. (4) Conventional MMI using micro strip line
The transmission loss is significantly smaller than that of C, and the signal deterioration due to the coupling between lines and the influence of the upper protective film is reduced. (5) Conventional MMI using micro strip line
Since it is not necessary to form a via hole for connecting the ground electrode formed on the back surface to the front surface as in C, it can be easily manufactured even if a large-diameter substrate that must be thick is used. (6) With the configuration using the groove, it is possible to perform transmission with less transmission loss even for a material such as a silicon substrate for which a high resistance substrate close to an insulator cannot be obtained. Many effects such as
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明の第１の実施例の断面図。FIG. 1 is a sectional view of a first embodiment of the present invention.
【図２】図１の実施例における導波路の製造工程の一部
を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the manufacturing process of the waveguide in the embodiment of FIG.
【図３】図１の実施例における導波路の製造工程の他の
一部を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing another part of the manufacturing process of the waveguide in the embodiment of FIG.
【図４】本発明の導波路の種々の実施例を示す断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view showing various embodiments of the waveguide of the present invention.
【図５】本発明の第２の実施例の断面図。FIG. 5 is a sectional view of the second embodiment of the present invention.
【図６】第２の実施例における導波路の製造工程を示す
断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the waveguide according to the second embodiment.
【図７】従来の金属導波管を用いた伝送装置の一例の斜
視図。FIG. 7 is a perspective view of an example of a transmission device using a conventional metal waveguide.
【図８】従来のＭＭＩＣ（ Microwave Monolithic I
C）の斜視図。FIG. 8 Conventional MMIC (Microwave Monolithic I
C) perspective view.
【図９】従来のＭＭＩＣに用いたマイクロ・ストリップ
線路の一部断面斜視図。FIG. 9 is a partial cross-sectional perspective view of a micro strip line used in a conventional MMIC.
１…シリコン基板 ２４…高導電率領域 ２…導波路 ２５…アンテナ ２′…空所 ２６…リッジ ３…シリコン素子部 ２７…充填物 ４…高周波素子部 ３１…ウエル ５…入出力結合装置 ３２…ゲート酸化膜 ６…金属導波管 ３３…フィールド酸化
膜 ７…高周波装置 ３４…ポリシリコンゲ
ート電極 ８…制御装置 ３５…ソース・ドレイ
ン領域 ９…ＧａＡｓ基板 ３６…第３の金属層 １０…ｖｉａホール ４１…化合物半導体
層 １１…層間絶縁膜 ４２…電子走行層 １２…接地電極 ４３…電子供給層 ２１…第１の金属層 ４４…ゲート電極 ２２…第２の金属層 ４５…ソース・ドレ
イン領域 ２３…誘電体 ４６…第４の金属層DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 24 ... High conductivity area 2 ... Waveguide 25 ... Antenna 2 '... Space 26 ... Ridge 3 ... Silicon element part 27 ... Filler 4 ... High frequency element part 31 ... Well 5 ... Input / output coupling device 32 ... Gate oxide film 6 ... Metal waveguide 33 ... Field oxide film 7 ... High frequency device 34 ... Polysilicon gate electrode 8 ... Control device 35 ... Source / drain region 9 ... GaAs substrate 36 ... Third metal layer 10 ... Via hole 41 Compound semiconductor layer 11 Interlayer insulating film 42 Electron transit layer 12 Ground electrode 43 Electron supply layer 21 First metal layer 44 Gate electrode 22 Second metal layer 45 Source / drain region 23 Dielectric Body 46 ... Fourth metal layer
Claims (5)
なる導波路と、 上記半導体基板に形成され、電磁波の送信または受信も
しくは双方を行なう入出力結合装置と、 上記半導体基板の主面に形成された半導体素子と、 を有することを特徴とする半導体ミリ波装置。1. A semiconductor substrate, a waveguide comprising a groove or a ridge formed on the main surface of the semiconductor substrate, an input / output coupling device formed on the semiconductor substrate for transmitting and / or receiving electromagnetic waves, A semiconductor millimeter wave device comprising: a semiconductor element formed on the main surface of the semiconductor substrate;
徴とする請求項１に記載の半導体ミリ波装置。2. The semiconductor millimeter wave device according to claim 1, further comprising a conductive layer surrounding the waveguide.
りも高い誘電体で充填したことを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の半導体ミリ波装置。3. The semiconductor millimeter wave device according to claim 1, wherein the inside of the waveguide is filled with a dielectric having a dielectric constant higher than that of the semiconductor substrate.
導電率を、その周辺の領域の導電率よりも高い値に設定
したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の
半導体ミリ波装置。4. The semiconductor according to claim 1, wherein the conductivity of the region of the semiconductor substrate near the waveguide is set to a value higher than the conductivity of the peripheral region. Millimeter wave device.
のである、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいず
れかに記載の半導体ミリ波装置。5. The semiconductor millimeter wave device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate.
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- 1992-08-28 JP JP23025192A patent/JP3161068B2/en not_active Expired - Fee Related
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