太阳城集团

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新型的分形PFS结构.pdf

摘要
申请专利号:

CN201210226689.0

申请日:

2012.06.29

公开号:

CN102738125B

公开日:

2015.01.28

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):H01L 23/552申请日:20120629|||公开
IPC分类号: H01L23/552; H01L23/64 主分类号: H01L23/552
申请人: 杭州电子科技大学
发明人: 刘军; 赵倩
地址: 310018 浙江省杭州市下沙高教园区2号大街
优先权:
专利代理机构: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 杜军
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201210226689.0

授权太阳城集团号:

102738125B||||||

法律状态太阳城集团日:

2015.01.28|||2012.12.12|||2012.10.17

法律状态类型:

太阳城集团授权|||实质审查的生效|||公开

摘要

太阳城集团本发明涉及一种应用分形理论的PFS(PatternedFloatShield)结构。现有的片上螺旋电感、变压器由于产生交变的电磁场,会在衬底引起感应电流,产生能量损耗,降低了电感值和Q值。本发明的PFS位于电感、变压器和衬底之间,采用底层薄的金属层,通过自相似和迭代原理进行构造,最后由一条条的相互垂直的金属条合并构成分形结构。本发明有效的屏蔽掉衬底的电磁场效应,降低衬底的损耗,提高了电感值和品质因数。

权利要求书

1. 新型的分形PFS结构,应用于片上螺旋电感或变压器,其特征在于:该分形PFS结构位于线圈绕成的电感或变压器的中心部分,采用底层的薄金属层,利用分形理论在基本图形单元的基础上,构造一阶、二阶、三阶、甚至更高阶的图案接地屏蔽层。2.如权利要求1所述的新型的分形PFS结构,其特征在于:所述的基本图形单元共有两种:分别是十字形和 H形;基本图形单元为十字形时,利用位于线圈内径里的底部的薄金属层构造中心两条长度L、宽度W相同的金属条相交呈十字形,形成一阶PFS结构;二阶PFS结构就是一阶PFS结构的基础上在主长度的1/4处叠加四个长度为主长度1/2倍减去一个间距a、宽度为原来1/2的金属条,三阶PFS结构就是二阶PFS结构的基础上在主长度的1/8处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/2的金属条,在次主长度的1/4处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4的金属条;基本图形单元为H形时,利用位于线圈内径里的底部的薄金属层构造最中间的金属条和金属条两侧的长度L1相同的两条金属条及两条金属条两侧的四条长度为原来的1/2的金属条,所有金属条宽度W1相等,形成一阶PFS结构;二阶PFS结构就是在一阶PFS结构的基础上叠加四个主长度为原来1/2、侧长度为原来1/4、宽度不变的H图形;三阶PFS结构就是在二阶PFS结构的基础上叠加十六个主长度为原来1/4、侧长度为原来1/8、宽度不变的H图形。3.根据权利要求2所述的新型的分形PFS结构,其特征在于:所述的十字形的二阶PFS结构和三阶PFS结构叠加的金属条的宽度是可不变的;所述的H图形的二阶PFS结构和三阶PFS结构叠加的H图形的宽度是可变的。4.根据权利要求2所述的新型的分形PFS结构,其特征在于:所述的十字形中金属条的长度取值范围为10μm~60μm,宽度取值范围为0.12μm~3μm;所述的H形中金属条的长度取值为10μm~70μm,宽度取值范围为0.12μm~1μm。

说明书

新型的分形PFS结构

技术领域

太阳城集团本发明属于集成电路技术领域,具体涉及一种新型的应用分形理论的PFS(Patterned Float Shield)结构。

背景技术

太阳城集团随着CMOS射频集成电路的快速发展,一些高性能、低功耗的单元电路如低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器,功率放大器等成为整个电路成功的基础,在这其中片上电感/变压器又是必不可少的元件,因此,其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。

太阳城集团评价电感、变压器性能的一个重要指标是品质因数Q,它定义为电感/变压器在一个周期内存储的能量和损耗能量的比值,品质因数Q值越大,表示该电感/变压器的质量越好。

太阳城集团评价变压器性能的另一个重要指标是插入损耗IL, 它定义为器件的输出功率与输入功率之比的分贝数,在数值上等于S参数中的前向传输系数(Forward Transmission Coefficient)S21的幅值。变压器的IL值越小,即S21值越大,表示变压器的性能越好。

在片电感/变压器一般通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成,因此它们是一个比较开放性的结构,其工作时候的电场和磁场会渗透到整个衬底之中,从而在衬底中以及衬底表面的区域产生反方向的感应电流,导致额外的衬底能量损耗,降低了电感、变压器的L值和Q值。如果能够有效的屏蔽掉衬底效应,对于减小损耗,提高Q值是有很大影响。

发明内容

太阳城集团本发明要解决的问题是,在原有制作工艺基础上,利用底层薄的金属层M1制作一层屏蔽层,有效的屏蔽掉线圈渗透到衬底的电磁场,从而减小在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流,达到降低衬底能量损耗和提高线圈的品质因数的作用。

为了解决上述技术问题,本发明采用的技术方案如下:

太阳城集团本发明包括两种基本形状:一种是提出来的十字图形,一种是提出来的H图形。提出来的十字图形又分为两种情况:一种情况是一阶十字图形就是利用位于线圈内径里的底部的薄金属层构造中心两条长度、宽度均相同的金属条相交呈十字形,二阶PFS结构就是一阶PFS结构的基础上在主长度的1/4处叠加四个长度为主长度1/2倍减去一个间距a、宽度为原来1/2的金属条,三阶PFS结构就是二阶PFS结构的基础上在主长度的1/8处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4的金属条,在次主长度的1/4处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4的金属条;另一种情况就是随着阶次的变化,二阶PFS结构和三阶PFS结构叠加的金属条的宽度是可不变的;提出来的一阶H图形就是利用位于线圈内径里的底部的薄金属层构造位于线最中间的金属条和金属条两侧的长度相同的两条金属条及两条金属条两侧的四条长度为原来的1/2的金属条,所有金属条宽度相等。二阶PFS结构就是在一阶PFS结构的基础上叠加四个主长度为原来1/2、侧长度为原来1/4、宽度不变的H图形。三阶PFS结构就是在二阶PFS结构的基础上叠加十六个主长度为原来1/4、侧长度为原来1/8、宽度不变的H图形。其实按照原理是可以无限迭代的,但是由于工艺等原因,只能用有限次迭代的准分形结构,观察其对电感、变压器性能的影响。

太阳城集团作为本发明的进一步改进,提出来的十字图形,金属条的长度取值范围为10μm~60μm,宽度取值范围为0.12μm~3μm;所述的H图形,金属条的长度取值为10μm~70μm,宽度取值范围为0.12μm~1μm。

本发明的有益效果:一方面基于原有的制作工艺,比较容易实现。另一方面通过分形PFS结构,有效的屏蔽掉线圈和衬底间的电场线,同时又不会引入较大的电容,这样既减小了在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流,又达到降低衬底能量损耗和提高电感品质因数的作用。

附图说明

图1(a1) 为本发明一阶H图形的PFS结构平面示意图。

太阳城集团图1(a2) 为本发明二阶H图形的PFS结构平面示意图。

太阳城集团图1(a3) 为本发明三阶H图形的PFS结构平面示意图。

图1(b1) 为本发明一阶十字图形的PFS结构平面示意图。

太阳城集团图1(b2) 为本发明二阶十字图形的PFS结构平面示意图。

图1(b3) 为本发明三阶十字图形的PFS结构平面示意图。

图2为图1(a1)实施例的对称电感示意图。

图3为图1(a1)实施例的对称电感的电感L与频率关系图。

图4为图1(a1)实施例的对称电感的品质因数Q与频率关系图。

太阳城集团图5为图1(a1)实施例的层叠变压器示意图。

图6为图1(a1)实施例的层叠变压器的电感L与频率关系图。

图7为图1(a1)实施例的层叠变压器的品质因数Q与频率关系图。

图8为图1(a1)实施例的层叠变压器的S参数与频率关系图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。

图1(a1)本发明的一个优选的实施例的分形PFS示意图,该结构采用底层金属层1,其厚度为0.24μm,其结构细节为:首先构造H图形最中间的横着的长L、宽W的金属条;其次构造垂直于中间金属条的两侧的竖直的同长同宽的金属条;然后构造垂直于两条竖直金属条的四条同宽的、1/2长的金属条;最后把所有的金属条合并为一体,至此分形PFS的一阶H图形构造完成。

图1(a2)是在图1(a1)的基础上叠加四个主长度为原来1/2、侧长度为原来1/4、宽度不变的H图形,构成二阶的H形PFS结构。

太阳城集团图1(a3)是在图1(a2)的基础上叠加十六个主长度为原来1/4、侧长度为原来1/8、宽度不变的H图形,构成三阶的H形PFS结构。

太阳城集团图1(b1)是一阶十字图形的PFS结构,其结构细节为:首先选定中心点,其次构造中心两条长L1、宽W1的相互垂直的金属条呈十字形,然后把两个金属条合并为一体,至此分形PFS的一阶的十字形构造完成。

图1(b2)是在图1(b1)的基础上在主长度的1/4处叠加四个长度为主长度1/2倍减去一个间距a、宽度为原来1/2的金属条,构成二阶的十字形PFS结构。

图1(b3)是在图1(b2)的基础上在主长度的1/8处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4金属条,在次主长度的1/4处叠加八个长度为主长度1/4倍减去3/2倍的间距a、宽度为原来1/4的金属条,构成三阶的十字形PFS结构。

图3为图1(a1)发明应用于一个对称电感的一个实施例的电感L与频率关系仿真图,所选的对称电感为内径ID=120μm、宽度 W=10μm、间距S=2μm,如图2所示。按图1(a1)所示,此时PFS的L=60μm,线宽W=0.4μm,厚度T=0.24μ太阳城集团m。带圆点的曲线L11表示1、2端口的电感值;带方块的曲线L11_1表示未采用PFS的1、2端口的电感值。低频时感值可达2.29nH左右,比不采用PFS时,感值提高10%左右。与此同时,该结构的自谐振频率也提高10%左右,该特性说明它适用于频带拓展电路。

图4为图2所示实施例的品质因数Q与频率关系仿真图,同样的带圆点曲线Q11表示1、2端口的Q值;带方块的曲线Q11_1表示未采用PGS的1、2端口的Q值。从图中可以看出品质因数最大值peak Q约为20.29,比不采用PFS时,Q提高20%左右。达到最大值频率peak Q frequency约为5.8 GHz。与此同时,此图可也看出,自谐振频率有明显提高。当电流通过电感线圈时,交变电流产生的交变电磁场被PFS有效屏蔽掉,进而在衬底中产生的感应电流会相应很小,同时由于结构简单,引入的电容较小,因此该电感具有较高的Q值。这个性质不仅说明现有电感的质量比较好,而且说明它适用于RFIC。

图6为图1(a1)发明应用于一个层叠变压器的一个实施例的电感与频率关系仿真图,所选的变压器的内径ID=120μm、宽度W=10μm、间距S=2μm,如图5所示。按图1(a1)所示,此时PFS的L=60μm,线宽W=0.8μm,厚度T=0.24μ太阳城集团m。带圆点的曲线L11表示主线圈的电感值,带上三角形的曲线L22表示次线圈的电感值;带方块的曲线L11_1表示未采用PFS的主线圈的电感值,带下三角形的曲线L22_1表示次线圈的电感值。可看出低频主次级的感值提升高达40%。与此同时,自谐振频率也提高30%左右。该特性说明它适用于宽带的四端口器件。

图7为图6所示实施例的品质因数Q与频率关系仿真图,同样的带圆点的曲线Q11表示主线圈的Q值,带上三角形的曲线Q22表示次线圈的Q值;带方块的曲线Q11_1表示未采用PFS的主线圈的Q值,带下三角形的曲线Q22_1表示次线圈的Q值。从图中可以看出品质因数最大值peak Q约为8.9,比不采用PFS时,Q提高80%左右,达到最大值频率peak Q frequency约为8.8 GHz。图8为此实施例的S参数与频率关系仿真图,同样的带圆点的曲线S11、带上三角形的曲线S22、带左三角形的曲线S21、S12表示变压器S值;带方块的曲线S11_1、带下三角形的曲线S22_1、带右三角形的曲线S21_1、S12_1、表示未采用PFS的变压器的S值。从图中可以看出S11、S22值在达到谐振点时比不采用PFS时明显降低,约为50%。S21值在达到谐振点时明显提高,也约为50%。谐振点也明显的提高,从S11、S22的第二谐振点可明显看出。从图8可看出此变压器的性能很好,适合用作电感对、谐振器以及RF集成电路的级间耦合。

以上所述仅是发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。

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