一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構的製作方法
2023-09-15 01:44:10
專利名稱：一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於微波技術領域，涉及一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構。
背景技術：
近年來，有關將CMOS工藝在射頻技術中應用的可能性研究大量增多，尤其是深亞微米的CMOS技術在IOGHz以下的某些領域已經能同傳統的GaAs微器件一爭高下，這無疑推動了 CMOS電路的發展。利用CMOS標準工藝實現在一塊晶片上的數字、模擬及部分射頻部分的集成，不僅可以大大降低製造成本，而且可以實現各種不同的功能。這也迎合了全球通訊市場的迅猛發展中，無線通信系統對減小晶片尺寸，降低製作成本以及縮短研發周期的要求。故而，近年來應用於通信系統中的微波單片集成電路得到了空前的高速發展，而變壓器作為RFIC與MMIC中極為重要的無源器件，通常被應用與低噪聲放大器、壓控振蕩器、 雙平衡混頻器、功率放大器等電路中，以此來實現阻抗匹配、差分與單端信號轉換，交流耦合及增加帶寬等。與數字集成電路和低頻電路不同，射頻集成電路廣泛使用無源元件。由於受到工藝的限制，集成無源元件的性能遠低於分立元件，而且對射頻集成電路來說，電路性能在很大程度上受限於無源元件。因此，在工藝允許的情況下，通過尺寸或者版圖設計儘可能提高集成無源元件的性能，對於射頻集成電路來說具有特別重要的意義。特別是隨著近幾十年來，數字集成電路的工作電壓根據Moore定律不斷下降，限制了模擬以及射頻電路的工作電壓。也有人使用多工作電壓系統來緩解這一問題，不過這會增加電路的功耗及複雜程度。因此，為了適應現今的低電壓工作環境，基於繞線間磁場耦合工作的片上變壓器在片上系統中扮演著越來越重要的角色，而其在射頻前端電路中的作用更是不可替代。片上變壓器應用能提高射頻電路的緊湊性並實現電路高性能。變壓器能有效地實現阻抗匹配、穩定性、直流偏置。不同於傳統的單端結構的射頻電路，差分結構的電路能很好地利用片上變壓器耦合的優點，能實現比相同面積下的單端結構高出3dB的輸出功率。 變壓器因於其自身電阻、耦合係數以及內在的阻抗，基本上不需要額外的結構就能提高穩定性。變壓器來進行匹配能簡化電路結構，直接可以通過變壓器直接進行偏置和匹配，不需額外的扼流電感。不過，隨著射頻通信頻率的不斷提高，片上變壓器的導電矽基襯底將會引入越來越多的寄生耦合現象。採用標準CMOS工藝實現的片上變壓器的品質因子都較低，一般在10 以下。這是由於片上器件存在的各種非理想因素引起的，這包括微帶線有限的電導率引起的損耗，高頻時由於趨膚效應和其他的磁場效應而使得這種損耗更加嚴重；高頻時非絕緣的襯底和微帶線之間的電磁場相互作用而引起的損耗；金屬層和襯底之間存在的寄生電容以及金屬線之間的邊緣電容。類似於片上電感，為了減少襯底的影響可以加大變壓器與襯底之間的氧化層的厚度、採用輕摻雜襯底或者使用絕緣襯底(S0I工藝或者單獨將變壓器下的襯底掏空並填充
3絕緣材料)。這些工藝都與標準CMOS工藝不兼容，會使得成本增加。更好的辦法是在標準 CMOS工藝的支持下，通過對片上變壓器進行優化來提高性能，在變壓器下使用最底層金屬接地隔離層來將變壓器和襯底隔離，減小襯底損耗。
發明內容
為了克服襯底效應對片上變壓器的影響，本發明的目的是提供一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構。本發明解決技術問題所採取的技術方案
一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構，包括片上變壓器，在片上變壓器的正下方設置有多層襯底屏蔽層；所述的襯底屏蔽層由矩形金屬條和多根形狀相同的金屬柵條組成， 所述的金屬柵條與矩形金屬條垂直設置，金屬柵條之間等間距平行設置。作為優選，所述的襯底屏蔽層為一層。本發明的有益效果
本發明的新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構能實現更好的襯底隔離，減小襯底損耗， 並且通過多個襯底屏蔽層能實現電容功能。
圖1是本發明的新型襯底屏蔽層示意圖。圖2是本發明利用第一層金屬(Ml)作為屏蔽層的片上變壓器立體示意圖。圖3是本發明利用第一層金屬(Ml)及第二層金屬(M2)作為屏蔽層實現電容功能的截面示意圖。圖4是本發明利用第一層金屬(Ml)、第二層金屬(M2)及第三層金屬(M3)作為屏蔽層實現電容功能的截面示意圖。
具體實施例方式本發明的新型襯底屏蔽層可以是多層，作為優選，所述的襯底屏蔽層為一層。如圖 1、圖2所示，本發明包括片上變壓器，在片上變壓器的正下方設置有一層襯底屏蔽層；所述的襯底屏蔽層由矩形金屬條和多根形狀相同的金屬柵條組成，所述的金屬柵條與矩形金屬條垂直設置，金屬柵條之間等間距平行設置。本發明能有效地實現片上變壓器和襯底的隔離，使得片上變壓器磁場與襯底之間實現隔斷，避免隔離層中出現渦流損耗，使得襯底損耗減小，同時也減小了對相鄰器件的信號串擾。圖2是本發明利用第一層金屬(Ml)作為屏蔽層的片上電感立體示意圖。射射頻信號從變壓器初級線圈的埠 1 (Portl)、埠 3 (Port3)，通過磁場耦合後從次級線圈的埠 2 (Port2)、埠 4 (Port4)出來。通過屏蔽層(如第一層金屬Ml)實現變壓器和襯底的隔離，可以避免隔離層中出現渦流損耗，減小襯底損耗。本發明能通過多個襯底屏蔽層來實現電容功能，圖3為本發明利用第一層金屬 (Ml)及第二層金屬(M2)作為屏蔽層來實現電容功能的截面示意圖。具體實現方式為屏蔽層2 (用第二層金屬M2實現)通過連線連接到電源端，屏蔽層1 (用第一層金屬Ml實現)通過連線接地。這樣就可以形成第二層金屬(M2)與襯底之間的電容Cl、第一層金屬(Ml)與第二層金屬(M2)之間的電容C2，得到總的電容C為電容Cl與電容C2的並聯。
若圖3所示的兩層襯底屏蔽層所得到的電容值不夠大，則可以用更多層金屬實現屏蔽層，比如圖4所示為本發明利用第一層金屬(Ml)、第二層金屬(M2)、第三層金屬(M3)作為屏蔽層實現電容功能。具體的實現方式為屏蔽層2 (第二層金屬M2)通過連線連接到電源端，屏蔽層1 (第一層金屬Ml)與屏蔽層3 (第三層金屬M3)分別接地。這樣就可以得到第二層金屬(M2)與襯底之間的電容Cl、第一層金屬(Ml)與第二層金屬(M2)之間的電容 C2、第三層金屬(M3)與第二層金屬(M2)之間的電容C2，得到總的電容C為電容Cl與電容 C2的並聯。
權利要求
1.一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構，其特徵在於包括片上變壓器，在片上變壓器的正下方設置有多層襯底屏蔽層；所述的襯底屏蔽層由矩形金屬條和多根形狀相同的金屬柵條組成，所述的金屬柵條與矩形金屬條垂直設置，金屬柵條之間等間距平行設置。
2.根據權利要求1所述的片上變壓器結構，其特徵在於所述的襯底屏蔽層為一層。
全文摘要
本發明涉及一種新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構。本發明包括片上變壓器，在片上變壓器的正下方設置有多層襯底屏蔽層；所述的襯底屏蔽層由矩形金屬條和多根形狀相同的金屬柵條組成，所述的金屬柵條與矩形金屬條垂直設置，金屬柵條之間等間距平行設置。本發明的新型襯底屏蔽層的片上變壓器結構能實現更好的襯底隔離，減小襯底損耗，並且通過多個襯底屏蔽層能實現電容功能。
文檔編號H01F30/06GK102522402SQ20111044194
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月27日 優先權日2011年12月27日
發明者孫玲玲, 文進才, 章南, 蘇國東 申請人:杭州電子科技大學