新型的分形圖案接地屏蔽結構的製作方法
2023-05-10 18:14:51
專利名稱：新型的分形圖案接地屏蔽結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於集成電路技術領域，具體涉及ー種新型的應用分形理論的接地屏蔽結構，而此分形屏蔽接地結構主要應用於射頻集成電路的単元電路。
背景技術：
隨著CMOS射頻集成電路的快速發展，高性能/低功耗/集成度的要求越來越高。而單元電路如低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器、中頻濾波器，功率放大器等是整個電路成功的基礎，在這其中片上電感/變壓器又是必不可少的元件，因此，其設計和優化已成為整個電路成功設計的關鍵之一。評價電感/變壓器性能的ー個重要指標是品質因數Q，它定義為電感在ー個周期內存儲的能量和損耗能量的比值，電感的Q值越大，表示該電感的質量越好。在片電感/變壓器一般通過金屬薄膜在矽襯底上繞制而成，因此它們是ー個比較開放性的結構，其工作時候的電場和磁場會滲透到整個襯底之中，從而在襯底中以及襯底表面的區域產生反方向的感應電流，會反作用於金屬線圈，會相對降低電感線圈的L值，同時也會導致額外的襯底能量損耗，降低了電感/變壓器Q值。如果能夠有效的減小參透到襯底的電磁場，對於減小損耗，提高電感/變壓器線圈的L值和Q值以及減小變壓器的插入損耗IL，是有很大影響
發明內容
由上述可知，本發明要解決的問題是，利用線圈和襯底之間的薄的金屬層製造一接地屏蔽層，有效的屏蔽掉滲透到襯底的電磁場，從而減小在襯底中以及襯底表面區域產生的感應電流，達到降低襯底能量損耗和提高線圈的品質因數的作用。為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案如下
在矽基半導體襯底的頂層或次頂層，用螺旋電感線繞製成所需要的電感/變壓器，然後在纏繞成的電感/變壓器所形成的中心部分，利用底層薄的兩層或者更多層金屬層製造分形的屏蔽接地結構。上層的屏蔽結構懸浮，下層的屏蔽結構接地，或者兩者反過來，且兩個屏蔽層彼此絕緣。而中心部分的分形接地屏蔽結構的基本形狀有兩種情況，一種是提出的十字形基本單元，ー種是提出來的H形基本単元。採用分形理論的自相似和疊加原理，在基本單元的基礎上不斷的疊加變化的基本単元，形成ニ階、三階以致更高階的接地屏蔽結構。本發明的有益效果一方面該發明基於原有的製作エ藝，沒有増加任何的エ藝步驟，比較容易實現，也不會增加花費。另ー方面該分形PGS結構，能夠有效的屏蔽掉線圈滲透到襯底的電磁場，這樣降低可在襯底和襯底表面區域產生的感應電流，既可以達到降低襯底能量損耗和提高品質因數的作用，又可以使得工作頻率提高，並可增加慢波因子，使得波走的比較慢，縮小電路布局所需要的面積。
圖I為本發明的ー階H形分形接地屏蔽結構平面示意圖。圖2為本發明的ニ階H形分形接地屏蔽結構平面示意圖。圖3為本發明的三階H形分形接地屏蔽結構平面示意圖。圖4為本發明的ー階的十字形分形接地屏蔽結構平面示意圖。圖5為本發明的ニ階的十字形分形接地屏蔽結構平面示意圖。圖6為本發明的三階的十字形分形接地屏蔽結構平面示意圖。
圖7為本發明的H形接地屏蔽結構的橫截面示意圖。圖8為本發明的十字形接地屏蔽結構的橫截面示意圖。圖9為本發明的十字形和H形相結合的接地屏蔽結構的平面示意圖。圖10為圖I的不意圖應用於個對稱電感的L值與頻率的關係圖。圖11為圖I的不意圖應用於個對稱電感的Q值與頻率的關係圖。圖12為圖4的不意圖應用於個對稱電感的L值與頻率的關係圖。圖13為圖4的不意圖應用於個對稱電感的Q值與頻率的關係圖。圖14為圖9的不意圖應用於個對稱電感的L值與頻率的關係圖。圖15為圖9的不意圖應用於個對稱電感的Q值與頻率的關係圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進ー步描述。圖I為本發明的ー階H形分形接地屏蔽結構應用於電感的一個實施例的平面示意圖，如圖I所示，電感線11是由位於半導體襯底10 (例如矽襯底)的頂層金屬繞制而成，電感線12a和12b由半導體襯底10的次頂層金屬繞制而成，電感線11和12由空氣隔離開，S為金屬線圈間的間距。在電感的中心部分就是利用底層金屬層Ml製成的H形的ー階接地屏蔽基本單元13。基本單元13的構造細節首先選定ー個中心點，構造H圖形最中間的長為L、寬為W的橫向金屬條，起始點為-L/2、-W/2，終點為L/2、W/2，確保L、W變化吋，圖形始終位於中心；其次構造垂直於中間金屬條的兩側的豎直的長L的兩個金屬條；然後構造垂直於兩條豎直金屬條的長為L/2的四個金屬條；令所有金屬條寬度W相等，最後把所有的金屬條合併為一體，ー階的H形分形接地屏蔽基本圖形單元完成，接地部分由兩側的豎直金屬條的中間部分引出連接到地(圖中虛線部分)。在金屬層M2製造一個相同的H形的ー階接地屏蔽結構，但和金屬層Ml相互絕緣。ニ階H形接地屏蔽結構圖2就是利用分形理論的自相似及疊代原理在ー階H形PGS結構圖I的基礎上，疊加四個主長度為原來1/2、次長度為原來1/4、寬度不變的H圖形13a。三階H形接地屏蔽結構圖3就是利用分形理論的自相似及疊代原理在ニ階H形PGS結構圖2的基礎上，疊加十六個主長度為原來1/4、次長度為原來1/8、寬度不變的H圖形 13b。其實按照原理是可以無限迭代的，但是由於エ藝等原因，只能用有限次迭代的準分形接地屏蔽結構，觀察其對電感、變壓器性能的影響。在上述的實施例中，電感的內徑ID的取值範圍為40iim 120 ym，電感線的線寬取值範圍為2 i! m 10 i! m，間距S取值為2 u m。且電感的類型不只限於例子，也可以是非對稱電感以及電感的形狀也不只限於例子，也可以是六邊形、八邊形、圓形等常用形狀。H形的基本單元的金屬條的長度L取值為10 ii m 70 ii m，寬度W取值範圍為0. 12 y m 2 y m。圖4為本發明的ー階的十字形分形接地屏蔽結構應用於電感的一個實施例的平面示意圖。和圖的區別就是中心部分的屏蔽結構為十字形的基本単元14.基本単元14的構造細節首先選定ー個中心點，構造兩個相互垂直的長LI、寬Wl的金屬條，起始點為-Ll/2、-Wl/2，終點為Ll/2、Wl/2，確保L1、W1變化吋，圖形始終位於中心；然後把兩個金屬條合併為一體，ー階的十字形接地屏蔽結構基本圖形單元完成，接地部分由十字形的四個頂點部分引出連接到地(圖中虛線部分)，在金屬層M2製造一個相同的十字形的ー階接地屏蔽結構，但和金屬層Ml相互絕緣。ニ階的十字形屏蔽結構圖5就是在ー階的十字形屏蔽結構圖4的基礎上，在主長度1/4處疊加四個長度為L1/2減去ー個間距a，寬度為W1/2的垂直金屬條14a。三階的十字形屏蔽結構圖6就是在ニ階的十字形屏蔽結構圖5的基礎上，在主長 度的1/8處和3/8處疊加八個長度為L1/4減去3/2倍的間距a，寬度為W1/4的垂直金屬條14b，在14a上主長度的1/8處疊加八個長度為L1/4減去3/2倍的間距a，寬度為W1/4的垂直金屬條14b。同樣的其實按照原理是可以無限迭代的，但是由於エ藝等原因，只能用有限次迭代的準分形接地屏蔽結構，觀察其對電感、變壓器性能的影響。在上述的實施例中，電感的內徑ID的取值範圍為40iim 120iim，電感線的線寬取值範圍為2 y m 10 y m，間距S取值為2 u m。且電感的類型不只限於例子，也可以是非對稱電感以及電感的形狀也不只限於例子，也可以是六邊形、八邊形、圓形等常用形狀。十字形的基本單元的金屬條的長度LI取值為40 ii m 120 ii m,寬度Wl取值範圍為0. 12 y m 4 u m0圖7為本發明的一個ー階的H形屏蔽結構的橫截面示意圖。如圖所示，基本單元13採用底部的金屬層Ml、M2製造，而Ml、M2分別位於介質層IDL1、IDL2中。金屬Ml的厚度為0. 24 ii m、M2的厚度為0. 31 u m,介質層IDLl的厚度為0. 56 u m、IDL2的厚度為0. 63 u m。圖8為本發明的一個ー階的十字形屏蔽結構的橫截面示意圖，如圖所示，除了基本単元不一樣外，其他都相似。圖9為本發明的ー個十字形和H形相結合的接地屏蔽結構的平面示意圖，金屬M2的屏蔽結構為十字形，金屬Ml的屏蔽結構為H形,且金屬Ml接地,從H形豎直兩側的中心部分引出(附圖中虛線部分)，十字形和H形的中心點在同一點處，金屬條寬度W相等。綜上所述的各種接地屏蔽結構也均適用於變壓器，無論是平面螺旋變壓器，還是層疊螺旋變壓器。變壓器的內徑ID的取值範圍為40 ii m 120 ii m,電感線的線寬取值範圍^ 2 u m ~ 10 u m, 1' S ￠(1 2 y m。圖10和圖11為ー階的H形接地屏蔽結構應用於ー個対稱的L值、Q值與頻率的關係圖。對稱電感的尺寸為內徑ID=120 u m,匝數N=3，線寬W=IO u m,間距S=2 y m，而PGS的尺寸為L=30iim，槽寬W=0.4iim。圖中帶圓點的曲線為L值和Q值曲線圖，帶方點的曲線為未採用接地屏蔽結構時的原電感的L值和Q值曲線圖。圖12和圖13為ー階的十字形接地屏蔽結構應用於ー個対稱的L值、Q值與頻率的關係圖。對稱電感的尺寸同圖10和圖11中的一祥，而接地屏蔽結構的尺寸為Ll=30iim，寬度Wl=O. 12 u m0圖中帶圓點的曲線為L值和Q值曲線圖，帶方點的曲線為未採用接地屏蔽結構時的原電感的L值和Q值曲線圖。圖14和圖15為ー階的上層為懸浮的十字形，下層為接地的H形的接地屏蔽結構應用於一個對稱的L值、Q值與頻率的關係圖。對稱電感的尺寸同圖10和圖11中的一祥，而接地屏蔽結構的尺寸為L=30iim，槽寬W=0.4iim。圖中帶圓點的曲線為L值和Q值曲線圖，帶方點的曲線為未採用接地屏蔽結構時的原電感的L值和Q值曲線圖。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。
權利要求
1.新型的分形圖案接地屏蔽結構，應用於射頻集成電路，其特徵在於該分形圖案接地屏蔽結構位於線圈繞成的電感或變壓器的中心部分，採用底層的薄金屬層，利用分形理論在基本圖形單元的基礎上，構造ー階、ニ階、三階、甚至更高階的圖案接地屏蔽層。
2.如權利要求I所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於所述的基本圖形単元共有兩種分別是H形和十字形，這兩種形狀都是由相互垂直的和平行的金屬條合併為一體構成。
3.如權利要求2所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於當基本圖形單元為H形時,首先在金屬層Ml選定ー個中心點，構造H圖形最中間的長為L、寬為W的橫向金屬條，起始點為-L/2、-W/2，終點為L/2、W/2，確保L、W變化吋，圖形始終位於中心；其次構造垂直於中間金屬條的兩側的豎直的長L的兩個金屬條；然後構造垂直於兩條豎直金屬條的長為L/2的四個金屬條；令所有金屬條寬度W相等，最後把所有的金屬條合併為一體，由此ー階圖案屏蔽結構完成，接地部分由兩側的豎直金屬條的中間部分引出連接到地，利用金屬層M2製造一個相同的H形的ー階懸浮屏蔽結構，但和金屬層Ml相互絕緣；H形的基本單元的金屬條的長度L取值範圍為10 ii m 70 ii m，寬度W取值範圍為0. 12 y m 2 y m。
4.如權利要求3所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於構造ニ階圖案接地屏蔽層是在ー階圖案接地屏蔽層的基礎上，疊加四個主長度為L/2、次長度為L/4、寬度W不變的H圖形(13a);構造三階圖案接地屏蔽層是在ニ階圖案接地屏蔽層的基礎上，疊加十六個主長度為L/4、次長度為L/8、寬度W不變的H圖形(13b)。
5.如權利要求4所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於疊加的H圖形中的金屬條寬度W是可變的。
6.如權利要求2所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於當基本圖形單元為十字形時，首先在金屬層Ml上選定ー個中心點，構造兩個相互垂直的長LI、寬Wl的金屬條，起始點為-Ll/2、-Wl/2，終點為Ll/2、Wl/2，確保L1、W1變化時，圖形始終位於中心；然後把兩個金屬條合併為一體，ー階的十字形接地屏蔽基本単元完成，接地部分由十字形的四個頂點部分引出連接到地，利用金屬層M2製造一個相同的十字形的ー階懸浮屏蔽結構，但和金屬層Ml相互絕緣；十字形的基本單元的金屬條的長度LI取值範圍為40 ii m 120 ii m，寬度Wl取值範圍為0. 12 ii m 4 ii m。
7.如權利要求6所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於構造ニ階圖案接地屏蔽層是在ー階圖案接地屏蔽層的基礎上，在L/4處疊加四個長度為L/2減去ー個間距a，寬度為W/2的垂直金屬條(14a);構造三階圖案接地屏蔽層是在ニ階圖案接地屏蔽層的基礎上，在L/8處和3*L/8處疊加八個長度為L/4減去3/2倍的間距a，寬度為W/4的垂直金屬條13a，在13a上L/8處疊加八個長度為L/4減去3/2倍的間距a，寬度為W/4的垂直金屬條(14b)。
8.如權利要求7所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於疊加的金屬條寬度Wl是可不變的。
9.如權利要求3或權利要求6所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於金屬層Ml的屏蔽結構和M2的屏蔽結構是可以彼此錯開的。
10.如權利要求2所述的新型的分形圖案接地屏蔽結構，其特徵在於可把H形和十字形相結合，ー層為H形屏蔽結構，一層為十字形屏蔽結構，彼此是絕緣的，下層的屏蔽結構作為接地層，同時上下層的屏蔽結構是 可以錯開的。
全文摘要
本發明涉及一種應用分形理論的接地屏蔽結構。現有的片上螺旋電感、變壓器由於產生交變的電磁場，會在襯底引起感應電流，產生能量損耗，降低了電感值和Q值。本發明的屏蔽結構位於線圈繞成的電感/變壓器的中心部分，採用底層薄的金屬層M1和M2，通過分形理論的自相似和迭代原理在H形和十字形的基本單元的基礎上，構造一階、二階、三階、甚至更高階的圖案接地屏蔽層。本發明有效的屏蔽掉滲透到襯底的電磁場，降低可在襯底和襯底表面區域產生的感應電流，達到降低襯底能量損耗和提高了電感值和品質因數的作用。
文檔編號H01L23/552GK102738124SQ201210226478
公開日2012年10月17日 申請日期2012年6月29日 優先權日2012年6月29日
發明者劉軍, 孫玲玲, 趙倩 申請人:杭州電子科技大學