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新型的分形PFS結構.pdf

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新型 PFS 結構
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摘要
申請專利號:

CN201210226689.0

申請日:

2012.06.29

公開號:

CN102738125B

公開日:

2015.01.28

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):H01L 23/552申請日:20120629|||公開
IPC分類號: H01L23/552; H01L23/64 主分類號: H01L23/552
申請人: 杭州電子科技大學
發明人: 劉軍; 趙倩
地址: 310018 浙江省杭州市下沙高教園區2號大街
優先權:
專利代理機構: 杭州求是專利事務所有限公司 33200 代理人: 杜軍
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201210226689.0

授權公告號:

102738125B||||||

法律狀態公告日:

2015.01.28|||2012.12.12|||2012.10.17

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種應用分形理論的PFS(PatternedFloatShield)結構。現有的片上螺旋電感、變壓器由于產生交變的電磁場,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PFS位于電感、變壓器和襯底之間,采用底層薄的金屬層,通過自相似和迭代原理進行構造,最后由一條條的相互垂直的金屬條合并構成分形結構。本發明有效的屏蔽掉襯底的電磁場效應,降低襯底的損耗,提高了電感值和品質因數。

權利要求書

1.?新型的分形PFS結構,應用于片上螺旋電感或變壓器,其特征在于:該分形PFS結構位于線圈繞成的電感或變壓器的中心部分,采用底層的薄金屬層,利用分形理論在基本圖形單元的基礎上,構造一階、二階、三階、甚至更高階的圖案接地屏蔽層。2.如權利要求1所述的新型的分形PFS結構,其特征在于:所述的基本圖形單元共有兩種:分別是十字形和?H形;基本圖形單元為十字形時,利用位于線圈內徑里的底部的薄金屬層構造中心兩條長度L、寬度W相同的金屬條相交呈十字形,形成一階PFS結構;二階PFS結構就是一階PFS結構的基礎上在主長度的1/4處疊加四個長度為主長度1/2倍減去一個間距a、寬度為原來1/2的金屬條,三階PFS結構就是二階PFS結構的基礎上在主長度的1/8處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/2的金屬條,在次主長度的1/4處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4的金屬條;基本圖形單元為H形時,利用位于線圈內徑里的底部的薄金屬層構造最中間的金屬條和金屬條兩側的長度L1相同的兩條金屬條及兩條金屬條兩側的四條長度為原來的1/2的金屬條,所有金屬條寬度W1相等,形成一階PFS結構;二階PFS結構就是在一階PFS結構的基礎上疊加四個主長度為原來1/2、側長度為原來1/4、寬度不變的H圖形;三階PFS結構就是在二階PFS結構的基礎上疊加十六個主長度為原來1/4、側長度為原來1/8、寬度不變的H圖形。3.根據權利要求2所述的新型的分形PFS結構,其特征在于:所述的十字形的二階PFS結構和三階PFS結構疊加的金屬條的寬度是可不變的;所述的H圖形的二階PFS結構和三階PFS結構疊加的H圖形的寬度是可變的。4.根據權利要求2所述的新型的分形PFS結構,其特征在于:所述的十字形中金屬條的長度取值范圍為10μm~60μm,寬度取值范圍為0.12μm~3μm;所述的H形中金屬條的長度取值為10μm~70μm,寬度取值范圍為0.12μm~1μm。

說明書

新型的分形PFS結構

技術領域

本發明屬于集成電路技術領域,具體涉及一種新型的應用分形理論的PFS(Patterned?Float?Shield)結構。

背景技術

隨著CMOS射頻集成電路的快速發展,一些高性能、低功耗的單元電路如低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器、中頻濾波器,功率放大器等成為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、變壓器性能的一個重要指標是品質因數Q,它定義為電感/變壓器在一個周期內存儲的能量和損耗能量的比值,品質因數Q值越大,表示該電感/變壓器的質量越好。

評價變壓器性能的另一個重要指標是插入損耗IL,?它定義為器件的輸出功率與輸入功率之比的分貝數,在數值上等于S參數中的前向傳輸系數(Forward?Transmission?Coefficient)S21的幅值。變壓器的IL值越小,即S21值越大,表示變壓器的性能越好。

在片電感/變壓器一般通過金屬薄膜在硅襯底上繞制而成,因此它們是一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,導致額外的襯底能量損耗,降低了電感、變壓器的L值和Q值。如果能夠有效的屏蔽掉襯底效應,對于減小損耗,提高Q值是有很大影響。

發明內容

本發明要解決的問題是,在原有制作工藝基礎上,利用底層薄的金屬層M1制作一層屏蔽層,有效的屏蔽掉線圈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,本發明采用的技術方案如下:

本發明包括兩種基本形狀:一種是提出來的十字圖形,一種是提出來的H圖形。提出來的十字圖形又分為兩種情況:一種情況是一階十字圖形就是利用位于線圈內徑里的底部的薄金屬層構造中心兩條長度、寬度均相同的金屬條相交呈十字形,二階PFS結構就是一階PFS結構的基礎上在主長度的1/4處疊加四個長度為主長度1/2倍減去一個間距a、寬度為原來1/2的金屬條,三階PFS結構就是二階PFS結構的基礎上在主長度的1/8處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4的金屬條,在次主長度的1/4處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4的金屬條;另一種情況就是隨著階次的變化,二階PFS結構和三階PFS結構疊加的金屬條的寬度是可不變的;提出來的一階H圖形就是利用位于線圈內徑里的底部的薄金屬層構造位于線最中間的金屬條和金屬條兩側的長度相同的兩條金屬條及兩條金屬條兩側的四條長度為原來的1/2的金屬條,所有金屬條寬度相等。二階PFS結構就是在一階PFS結構的基礎上疊加四個主長度為原來1/2、側長度為原來1/4、寬度不變的H圖形。三階PFS結構就是在二階PFS結構的基礎上疊加十六個主長度為原來1/4、側長度為原來1/8、寬度不變的H圖形。其實按照原理是可以無限迭代的,但是由于工藝等原因,只能用有限次迭代的準分形結構,觀察其對電感、變壓器性能的影響。

作為本發明的進一步改進,提出來的十字圖形,金屬條的長度取值范圍為10μm~60μm,寬度取值范圍為0.12μm~3μm;所述的H圖形,金屬條的長度取值為10μm~70μm,寬度取值范圍為0.12μm~1μm。

本發明的有益效果:一方面基于原有的制作工藝,比較容易實現。另一方面通過分形PFS結構,有效的屏蔽掉線圈和襯底間的電場線,同時又不會引入較大的電容,這樣既減小了在襯底中以及襯底表面區域產生的感應電流,又達到降低襯底能量損耗和提高電感品質因數的作用。

附圖說明

圖1(a1)?為本發明一階H圖形的PFS結構平面示意圖。

圖1(a2)?為本發明二階H圖形的PFS結構平面示意圖。

圖1(a3)?為本發明三階H圖形的PFS結構平面示意圖。

圖1(b1)?為本發明一階十字圖形的PFS結構平面示意圖。

圖1(b2)?為本發明二階十字圖形的PFS結構平面示意圖。

圖1(b3)?為本發明三階十字圖形的PFS結構平面示意圖。

圖2為圖1(a1)實施例的對稱電感示意圖。

圖3為圖1(a1)實施例的對稱電感的電感L與頻率關系圖。

圖4為圖1(a1)實施例的對稱電感的品質因數Q與頻率關系圖。

圖5為圖1(a1)實施例的層疊變壓器示意圖。

圖6為圖1(a1)實施例的層疊變壓器的電感L與頻率關系圖。

圖7為圖1(a1)實施例的層疊變壓器的品質因數Q與頻率關系圖。

圖8為圖1(a1)實施例的層疊變壓器的S參數與頻率關系圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明作進一步描述。

圖1(a1)本發明的一個優選的實施例的分形PFS示意圖,該結構采用底層金屬層1,其厚度為0.24μm,其結構細節為:首先構造H圖形最中間的橫著的長L、寬W的金屬條;其次構造垂直于中間金屬條的兩側的豎直的同長同寬的金屬條;然后構造垂直于兩條豎直金屬條的四條同寬的、1/2長的金屬條;最后把所有的金屬條合并為一體,至此分形PFS的一階H圖形構造完成。

圖1(a2)是在圖1(a1)的基礎上疊加四個主長度為原來1/2、側長度為原來1/4、寬度不變的H圖形,構成二階的H形PFS結構。

圖1(a3)是在圖1(a2)的基礎上疊加十六個主長度為原來1/4、側長度為原來1/8、寬度不變的H圖形,構成三階的H形PFS結構。

圖1(b1)是一階十字圖形的PFS結構,其結構細節為:首先選定中心點,其次構造中心兩條長L1、寬W1的相互垂直的金屬條呈十字形,然后把兩個金屬條合并為一體,至此分形PFS的一階的十字形構造完成。

圖1(b2)是在圖1(b1)的基礎上在主長度的1/4處疊加四個長度為主長度1/2倍減去一個間距a、寬度為原來1/2的金屬條,構成二階的十字形PFS結構。

圖1(b3)是在圖1(b2)的基礎上在主長度的1/8處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4金屬條,在次主長度的1/4處疊加八個長度為主長度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來1/4的金屬條,構成三階的十字形PFS結構。

圖3為圖1(a1)發明應用于一個對稱電感的一個實施例的電感L與頻率關系仿真圖,所選的對稱電感為內徑ID=120μm、寬度?W=10μm、間距S=2μm,如圖2所示。按圖1(a1)所示,此時PFS的L=60μm,線寬W=0.4μm,厚度T=0.24μm。帶圓點的曲線L11表示1、2端口的電感值;帶方塊的曲線L11_1表示未采用PFS的1、2端口的電感值。低頻時感值可達2.29nH左右,比不采用PFS時,感值提高10%左右。與此同時,該結構的自諧振頻率也提高10%左右,該特性說明它適用于頻帶拓展電路。

圖4為圖2所示實施例的品質因數Q與頻率關系仿真圖,同樣的帶圓點曲線Q11表示1、2端口的Q值;帶方塊的曲線Q11_1表示未采用PGS的1、2端口的Q值。從圖中可以看出品質因數最大值peak?Q約為20.29,比不采用PFS時,Q提高20%左右。達到最大值頻率peak?Q?frequency約為5.8?GHz。與此同時,此圖可也看出,自諧振頻率有明顯提高。當電流通過電感線圈時,交變電流產生的交變電磁場被PFS有效屏蔽掉,進而在襯底中產生的感應電流會相應很小,同時由于結構簡單,引入的電容較小,因此該電感具有較高的Q值。這個性質不僅說明現有電感的質量比較好,而且說明它適用于RFIC。

圖6為圖1(a1)發明應用于一個層疊變壓器的一個實施例的電感與頻率關系仿真圖,所選的變壓器的內徑ID=120μm、寬度W=10μm、間距S=2μm,如圖5所示。按圖1(a1)所示,此時PFS的L=60μm,線寬W=0.8μm,厚度T=0.24μm。帶圓點的曲線L11表示主線圈的電感值,帶上三角形的曲線L22表示次線圈的電感值;帶方塊的曲線L11_1表示未采用PFS的主線圈的電感值,帶下三角形的曲線L22_1表示次線圈的電感值。可看出低頻主次級的感值提升高達40%。與此同時,自諧振頻率也提高30%左右。該特性說明它適用于寬帶的四端口器件。

圖7為圖6所示實施例的品質因數Q與頻率關系仿真圖,同樣的帶圓點的曲線Q11表示主線圈的Q值,帶上三角形的曲線Q22表示次線圈的Q值;帶方塊的曲線Q11_1表示未采用PFS的主線圈的Q值,帶下三角形的曲線Q22_1表示次線圈的Q值。從圖中可以看出品質因數最大值peak?Q約為8.9,比不采用PFS時,Q提高80%左右,達到最大值頻率peak?Q?frequency約為8.8?GHz。圖8為此實施例的S參數與頻率關系仿真圖,同樣的帶圓點的曲線S11、帶上三角形的曲線S22、帶左三角形的曲線S21、S12表示變壓器S值;帶方塊的曲線S11_1、帶下三角形的曲線S22_1、帶右三角形的曲線S21_1、S12_1、表示未采用PFS的變壓器的S值。從圖中可以看出S11、S22值在達到諧振點時比不采用PFS時明顯降低,約為50%。S21值在達到諧振點時明顯提高,也約為50%。諧振點也明顯的提高,從S11、S22的第二諧振點可明顯看出。從圖8可看出此變壓器的性能很好,適合用作電感對、諧振器以及RF集成電路的級間耦合。

以上所述僅是發明的優選實施方式,應當指出,對于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范圍內。

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