專利名稱：一種新型的分形pfs結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的應(yīng)用分形理論的PFS(Patterned Float Shield)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著CMOS射頻集成電路的快速發(fā)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(gè)電路成功的基礎(chǔ)，在這其中片上電感/變壓器又是必不可少的元件，因此，其設(shè)計(jì)和優(yōu)化已成為整個(gè)電路成功設(shè)計(jì)的
關(guān)鍵之一。評(píng)價(jià)電感、變壓器性能的一個(gè)重要指標(biāo)是品質(zhì)因數(shù)Q，它定義為電感/變壓器在一 個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的能量和損耗能量的比值，品質(zhì)因數(shù)Q值越大，表示該電感/變壓器的質(zhì)量越好。評(píng)價(jià)變壓器性能的另一個(gè)重要指標(biāo)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(shù)，在數(shù)值上等于S參數(shù)中的前向傳輸系數(shù)(Forward TransmissionCoefficient) 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(guò)金屬薄膜在硅襯底上繞制而成，因此它們是一個(gè)比較開(kāi)放性的結(jié)構(gòu)，其工作時(shí)候的電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)滲透到整個(gè)襯底之中，從而在襯底中以及襯底表面的區(qū)域產(chǎn)生反方向的感應(yīng)電流，導(dǎo)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(yīng)，對(duì)于減小損耗，提高Q值是有很大影響。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的問(wèn)題是，在原有制作工藝基礎(chǔ)上，利用底層薄的金屬層Ml制作一層屏蔽層，有效的屏蔽掉線圈滲透到襯底的電磁場(chǎng)，從而減小在襯底中以及襯底表面區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電流，達(dá)到降低襯底能量損耗和提高線圈的品質(zhì)因數(shù)的作用。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種新型的分形PFS結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于片上螺旋電感或變壓器，該分形PFS結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，構(gòu)造多階的圖案接地屏蔽層，所述的基本圖形單元共有兩種分別是十字圖形和H圖形。所述的十字圖形中金屬條的長(zhǎng)度取值范圍為IOym 60μπι，寬度取值范圍為0. 12μπι 3μπι;所述的H圖形中金屬條的長(zhǎng)度取值為IOym 70μπι，寬度取值范圍為0. 12 μ m I μ m0本實(shí)用新型的有益效果一方面基于原有的制作工藝，比較容易實(shí)現(xiàn)。另一方面通過(guò)分形PFS結(jié)構(gòu)，有效的屏蔽掉線圈和襯底間的電場(chǎng)線，同時(shí)又不會(huì)引入較大的電容，這樣既減小了在襯底中以及襯底表面區(qū)域產(chǎn)生的感應(yīng)電流，又達(dá)到降低襯底能量損耗和提高電感品質(zhì)因數(shù)的作用。
圖l(al)為本實(shí)用新型一階H圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖l(a2)為本實(shí)用新型二階H圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖l(a3)為本實(shí)用新型三階H圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖l(bl)為本實(shí)用新型一階十字圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖l(b2)為本實(shí)用新型二階十字圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖l(b3)為本實(shí)用新型三階十字圖形的PFS結(jié)構(gòu)平面示意圖。圖2為圖I (al)實(shí)施例的對(duì)稱電感示意圖。圖3為圖I (al)實(shí)施例的對(duì)稱電感的電感L與頻率關(guān)系圖。圖4為圖I (al)實(shí)施例的對(duì)稱電感的品質(zhì)因數(shù)Q與頻率關(guān)系圖。圖5為圖I (al)實(shí)施例的層疊變壓器示意圖。圖6為圖I (al)實(shí)施例的層疊變壓器的電感L與頻率關(guān)系圖。圖7為圖I (al)實(shí)施例的層疊變壓器的品質(zhì)因數(shù)Q與頻率關(guān)系圖。圖8為圖I (al)實(shí)施例的層疊變壓器的S參數(shù)與頻率關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述。圖I (al)本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例的分形PFS示意圖，該結(jié)構(gòu)采用底層金屬層1，其厚度為O. 24// m,其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)為首先構(gòu)造H圖形最中間的橫著的長(zhǎng)L、寬W的金屬條；其次構(gòu)造垂直于中間金屬條的兩側(cè)的豎直的同長(zhǎng)同寬的金屬條；然后構(gòu)造垂直于兩條豎直金屬條的四條同寬的、1/2長(zhǎng)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(gòu)造完成。圖I (a2)是在圖I (al)的基礎(chǔ)上疊加四個(gè)主長(zhǎng)度為原來(lái)1/2、側(cè)長(zhǎng)度為原來(lái)1/4、寬度不變的H圖形，構(gòu)成二階的H形PFS結(jié)構(gòu)。圖I (a3)是在圖I (a2)的基礎(chǔ)上疊加十六個(gè)主長(zhǎng)度為原來(lái)1/4、側(cè)長(zhǎng)度為原來(lái)1/8、寬度不變的H圖形，構(gòu)成三階的H形PFS結(jié)構(gòu)。圖I (bl)是一階十字圖形的PFS結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)為首先選定中心點(diǎn)，其次構(gòu)造中心兩條長(zhǎng)LI、寬Wl的相互垂直的金屬條呈十字形，然后把兩個(gè)金屬條合并為一體，至此分形PFS的一階的十字形構(gòu)造完成。圖I (b2)是在圖I (bl)的基礎(chǔ)上在主長(zhǎng)度的1/4處疊加四個(gè)長(zhǎng)度為主長(zhǎng)度1/2倍減去一個(gè)間距a、寬度為原來(lái)1/2的金屬條,構(gòu)成二階的十字形PFS結(jié)構(gòu)。圖I (b3)是在圖I (b2)的基礎(chǔ)上在主長(zhǎng)度的1/8處疊加八個(gè)長(zhǎng)度為主長(zhǎng)度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來(lái)1/4金屬條，在次主長(zhǎng)度的1/4處疊加八個(gè)長(zhǎng)度為主長(zhǎng)度1/4倍減去3/2倍的間距a、寬度為原來(lái)1/4的金屬條，構(gòu)成三階的十字形PFS結(jié)構(gòu)。圖3為圖I (al)實(shí)用新型應(yīng)用于一個(gè)對(duì)稱電感的一個(gè)實(shí)施例的電感L與頻率關(guān)系仿真圖，所選的對(duì)稱電感為內(nèi)徑ID=120//m、寬度W=10//m、間距S=2//m，如圖2所示。按圖I (&1)所示，此時(shí)？卩5的1^=60//111，線寬胃=0.4//111，厚度1=0.24//111。帶圓點(diǎn)的曲線LU表示1、2端口的電感值；帶方塊的曲線Lll_l表示未采用PFS的1、2端口的電感值。低頻時(shí)感值可達(dá)2. 29nH左右，比不采用PFS時(shí)，感值提高10%左右。與此同時(shí)，該結(jié)構(gòu)的自諧振頻率也提高10%左右，該特性說(shuō)明它適用于頻帶拓展電路。圖4為圖2所示實(shí)施例的品質(zhì)因數(shù)Q與頻率關(guān)系仿真圖，同樣的帶圓點(diǎn)曲線Qll表示1、 2端口的Q值；帶方塊的曲線Qll_l表示未采用PGS的I、2端口的Q值。從圖中可以看出品質(zhì)因數(shù)最大值peak Q約為20. 29，比不采用PFS時(shí)，Q提高20%左右。達(dá)到最大值頻率peak Q frequency約為5. 8 GHz。與此同時(shí),此圖可也看出，自諧振頻率有明顯提高。當(dāng)電流通過(guò)電感線圈時(shí)，交變電流產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)被PFS有效屏蔽掉，進(jìn)而在襯底中產(chǎn)生的感應(yīng)電流會(huì)相應(yīng)很小，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，引入的電容較小，因此該電感具有較高的Q值。這個(gè)性質(zhì)不僅說(shuō)明現(xiàn)有電感的質(zhì)量比較好，而且說(shuō)明它適用于RFIC。圖6為圖I (al)實(shí)用新型應(yīng)用于一個(gè)層疊變壓器的一個(gè)實(shí)施例的電感與頻率關(guān)系仿真圖，所選的變壓器的內(nèi)徑ID=120// m、寬度W=IO// m、間距S=2// m，如圖5所示。按圖I (81)所示，此時(shí)？ 5的1^60//111，線寬1=0.8//111，厚度了=0.24//111。帶圓點(diǎn)的曲線Lll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Lll_l表示未采用PFS的主線圈的電感值，帶下三角形的曲線L22_l表示次線圈的電感值?？煽闯龅皖l主次級(jí)的感值提升高達(dá)40%。與此同時(shí)，自諧振頻率也提高30%左右。該特性說(shuō)明它適用于寬帶的四端口器件。圖7為圖6所示實(shí)施例的品質(zhì)因數(shù)Q與頻率關(guān)系仿真圖，同樣的帶圓點(diǎn)的曲線Qll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Qll_l表示未采用PFS的主線圈的Q值，帶下三角形的曲線Q22_l表示次線圈的Q值。從圖中可以看出品質(zhì)因數(shù)最大值peak Q約為8. 9，比不采用PFS時(shí)，Q提高80%左右，達(dá)到最大值頻率peakQ frequency約為8. 8 GHz。圖8為此實(shí)施例的S參數(shù)與頻率關(guān)系仿真圖，同樣的帶圓點(diǎn)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Sll_l、帶下三角形的曲線S22_l、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Sll、S22值在達(dá)到諧振點(diǎn)時(shí)比不采用PFS時(shí)明顯降低，約為50%。S21值在達(dá)到諧振點(diǎn)時(shí)明顯提高，也約為50%。諧振點(diǎn)也明顯的提高，從S11、S22的第二諧振點(diǎn)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(duì)、諧振器以及RF集成電路的級(jí)間耦合。以上所述僅是實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型構(gòu)思的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種新型的分形PFS結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于片上螺旋電感或變壓器，其特征在于該分形PFS結(jié)構(gòu)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(chǔ)上，構(gòu)造多階的圖案接地屏蔽層；所述的基本圖形單元共有兩種分別是十字圖形和H圖形。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種新型的分形PFS結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的十字圖形中金屬條的長(zhǎng)度取值范圍為10 μ m 60 μ m，寬度取值范圍為O. 12 μ m 3 μ m ;所述的H圖形中金屬條的長(zhǎng)度取值為10 μ m 70 μ m，寬度取值范圍為O. 12 μ m I μ m。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用分形理論的PFS(PatternedFloatShield)結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有的片上螺旋電感、變壓器由于產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，會(huì)在襯底引起感應(yīng)電流，產(chǎn)生能量損耗，降低了電感值和Q值。本實(shí)用新型的PFS位于電感、變壓器和襯底之間，采用底層薄的金屬層，通過(guò)自相似和迭代原理進(jìn)行構(gòu)造，最后由一條條的相互垂直的金屬條合并構(gòu)成分形結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型有效的屏蔽掉襯底的電磁場(chǎng)效應(yīng)，降低襯底的損耗，提高了電感值和品質(zhì)因數(shù)。
文檔編號(hào)H01L23/552GK202633286SQ20122031689
公開(kāi)日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者劉軍, 趙倩 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)