专利名称：新型的分形pgs结构的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及ー种新型的应用分形理论的PGS(Patterned Ground Shield)结构，而此分形PGS结构主要应用于无源器件电感/变压器等。
背景技术：
随着CMOS射频集成电路的快速发展，高性能/低功耗/集成度的要求越来越高。而单元电路如低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器，功率放大器等是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。评价电感/变压器性能的ー个重要指标是品质因数Q，它定义为电感在ー个周期内存储的能量和损耗能量的比值，电感的Q值越大，表示该电感的质量越好。在片电感/变压器一般通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，因此它们是ー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，会反作用于金属线圈，会相对降低电感线圈的L值，同时也会导致额外的衬底能量损耗，降低了电感/变压器Q值。如果能够有效的减小參透到衬底的电磁场，对于减小损耗，提高电感/变压器线圈的L值和Q值以及减小变压器的插入损耗IL，是有很大影响。
发明内容
由上述可知，本发明要解决的问题是，利用线圈和衬底之间的薄的金属层制造一接地屏蔽层，有效的屏蔽掉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
在硅基半导体衬底的顶层或次顶层，用螺旋电感线绕制成所需要的电感/变压器，然后在缠绕成的电感/变压器所形成的中心部分，利用底层薄的ー层或者多层金属层制造分形的PGS结构。而中心部分的分形PGS结构的基本形状有两种情况，一种是提出的十字形基本单元，ー种是提出来的H形基本単元。采用分形理论的自相似和叠加原理，在基本单元的基础上不断的叠加变化的基本単元，形成ニ阶、三阶以致更高阶的PGS结构。本发明的有益效果一方面该发明基于原有的制作エ艺，没有増加任何的エ艺步骤，比较容易实现，也不会增加花费。另ー方面该分形PGS结构，能够有效的屏蔽掉线圈渗透到衬底的电磁场，这样降低可在衬底和衬底表面区域产生的感应电流，既可以达到降低衬底能量损耗和提高品质因数的作用，又可以使得工作频率提高，并可增加慢波因子，使得波走的比较慢，縮小电路布局所需要的面积。
图I为本发明的ー阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图2为本发明的ニ阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图3为本发明的三阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图4为本发明的ー阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图5为本发明的ニ阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图6为本发明的三阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图7为本发明采用多层金属的H形接地屏蔽(PGS)结构的横截面示意图。
图8为本发明采用多层金属的十字形接地屏蔽(PGS)结构的横截面示意图。图9为图4的不意图应用于个对称电感的L值与频率的关系图。图10为图4的不意图应用于个对称电感的Q值与频率的关系图。图11为图I的不意图应用于个对称电感的L值与频率的关系图。图12为图I的不意图应用于个对称电感的Q值与频率的关系图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进ー步描述。图I为本发明的ー阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构应用于电感的一个实施例的平面示意图，如图所示，电感线11是由位于半导体衬底10 (例如硅衬底)的顶层金属绕制而成，电感线12a和12b由半导体衬底10的次顶层金属绕制而成，电感线11和12由空气隔离开，S为金属线圈间的间距。在电感的中心部分就是利用底层金属层制成的H形的ー阶PGS基本单元13。基本单元13的构造细节首先选定ー个中心点，构造H图形最中间的长为し宽为W的横向金属条，起始点为-L/2、-W/2，终点为L/2、W/2，确保L、W变化吋，图形始终位于中心；其次构造垂直于中间金属条的两侧的竖直的长L的两个金属条；然后构造垂直于两条竖直金属条的长为L/2的四个金属条；令所有金属条宽度W相等，最后把所有的金属条合并为一体，ー阶的H形分形PGS基本图形单元13完成，接地部分由两侧的竖直金属条的中间部分引出连接到地(图中虚线部分)。ニ阶H形PGS结构图2就是利用分形理论的自相似及叠代原理在ー阶H形PGS结构图I的基础上，叠加四个主长度为原来1/2、次长度为原来1/4、宽度不变的H图形13a。三阶H形PGS结构图3就是利用分形理论的自相似及叠代原理在ニ阶H形PGS结构图2的基础上，叠加十六个主长度为原来1/4、次长度为原来1/8、宽度不变的H图形13b。其实按照原理是可以无限迭代的，但是由于エ艺等原因，只能用有限次迭代的准分形PGS结构，观察其对电感、变压器性能的影响。在上述的实施例中，电感的内径ID的取值范围为40μπι 120 μ m，电感线的线宽取值范围为2 μ m 10 μ m，间距S取值为2 μ m。且电感的类型不只限于例子，也可以是非对称电感以及电感的形状也不只限于例子，也可以是六边形、八边形、圆形等常用形状。H形的基本单元的金属条的长度L取值为10 μ m 70 μ m，宽度W取值范围为O. 12 μ m 2 μ m。图4为本发明的ー阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构应用于电感的一个实施例的平面示意图。和图的区别就是中心部分的PGS为十字形的基本単元13.基本単元13的构造细节首先选定ー个中心点，构造两个相互垂直的长LI、宽Wl的金属条，起始点为-Ll/2、-Wl/2，终点为Ll/2、Wl/2，确保L1、W1变化吋，图形始终位于中心；然后把两个金属条合并为一体，ー阶的十字形PGS基本图形单元14完成，接地部分由十字形的四个顶点部分引出连接到地(图中虚线部分)。ニ阶的十字形PGS结构图5就是在ー阶的十字形PGS结构图4的基础上，在主长度1/4处叠加四个长度为L1/2减去ー个间距a，宽度为W1/2的垂直金属条14a。三阶的十字形PGS结构图6就是在ニ阶的十字形PGS结构图5的基础上，在主长度的1/8处和3/8处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W1/4的垂直金属条13b，在14a上次主长度的1/8处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W1/4的垂直金属条14b。同样的其按照原理是可以无限迭代的，但是由于エ艺等原因，只能用有限次迭代的准分形PGS结构，观察其对电感、变压器性能的影响。在上述的实施例中，电感的内径ID的取值范围为40μπι 120μπι，电感线的线宽 取值范围为2 μ m 10 μ m，间距S取值为2 μ m。且电感的类型不只限于例子，也可以是非对称电感以及电感的形状也不只限于例子，也可以是六边形、八边形、圆形等常用形状。十字形的基本单元的金属条的长度LI取值为40 μ m 120 μ m,宽度Wl取值范围为O. 12 μ m 4 μ m0图7为本发明的一个ー阶的H形PGS结构采用多层金属制造的横截面示意图。如图所示，基本单元13采用底部的四个金属层Ml、M2、M3、M4通过通孔并联形成ー个厚金属层制造，而Ml、M2、M3、M4分别位于介质层IDLl、IDL2、IDL2、IDL4中。金属Ml的厚度为O. 24 μ m、M2、M3、M4 的厚度为 O. 31 μ m,介质层 IDLl 的厚度为 O. 56 μ m、IDL2、IDL2、IDL4 的厚度为O. 63 μ m,金属间通孔的厚度均为O. 32 μ m。图8为本发明的一个ー阶的十字形PGS结构采用多层金属制造的横截面示意图，如图所示，除了基本単元13不一样外，其他都相似。综上所述的各种PGS也均适用于变压器，无论是平面螺旋变压器，还是层叠螺旋变压器。电感线的线宽取值范围为2 μ m 10 μ m，间距S取值为2 μ m。图9和图10为ー阶的十字形PGS结构应用于ー个対称的L值、Q值与频率的关系图。对称电感的尺寸为内径ID=120 μ m,匝数N=3，线宽W=IO μ m,间距S=2 μ m，而PGS的尺寸为Ll=SOym,槽宽Wl=Iym15图中带圆点的曲线为L值和Q值曲线图，带方点的曲线为未采用PGS时的原电感的L值和Q值曲线图。图11和图12为ー阶的H形PGS结构应用于ー个对称的L值、Q值与频率的关系图。对称电感的尺寸同图9和图10采用的尺寸一祥，而PGS的尺寸为L=30ym，槽宽W=O. 5μπι。图中带圆点的曲线为L值和Q值曲线图，带方点的曲线为未采用PGS时的原电感的L值和Q值曲线图。以上所述仅是本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。
权利要求
1.新型的分形PGS结构，应用于片上螺旋电感或变压器，其特征在于该分形PGS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単元的基础上，构造ー阶、ニ阶、三阶、甚至更高阶的图案接地屏蔽层。
2.如权利要求I所述的新型的分形PGS结构，其特征在于所采用的薄金属层，可以是单层的，也可以是几层金属并联使用。
3.如权利要求I所述的新型的分形PGS结构，其特征在于所述的基本图形单元共有两种，分别是H形和十字形，这两种形状都是由相互垂直的金属条和平行的金属条合并为一体构成。
4.如权利要求3所述的新型的分形PGS结构，其特征在干当基本图形单元为H形时，首先选定ー个中心点，构造H图形最中间的长为L、宽为W的横向金属条，起始点为-L/2、-W/2，终点为L/2、W/2，确保L、W变化吋，图形始终位于中心；其次构造垂直于中间金属条的两侧的竖直的长L的两个金属条；然后构造垂直于两条竖直金属条的长为L/2的四个金属条；令所有金属条宽度W相等，最后把所有的金属条合并为一体，由此ー阶图案接地屏蔽层完成，接地部分由两侧的竖直金属条的中间部分引出连接到地；H形的基本图形单元的金属条的长度L取值范围为10 μ m 70 μ m，宽度W取值范围为O. 12 μ m 2 μ m。
5.如权利要求4所述的新型的分形PGS结构，其特征在于构造ニ阶图案接地屏蔽层是在ー阶图案接地屏蔽层的基础上，叠加四个主长度为L/2、次长度为L/4、宽度W不变的H图形(13a);构造三阶图案接地屏蔽层是在ニ阶图案接地屏蔽层的基础上，叠加十六个主长度为L/4、次长度为L/8、宽度W不变的H图形(13b)。
6.如权利要求5所述的新型的分形PGS结构，其特征在于叠加的H图形中的金属条宽度W是可变的。
7.如权利要求3所述的新型的分形PGS结构，其特征在于当基本图形单元为十字形时，首先选定ー个中心点，构造两个相互垂直的长L、宽W的金属条，起始点为-Ll/2、-Wl/2，终点为Ll/2、Wl/2，确保L1、W1变化吋，图形始终位于中心；然后把两个金属条合并为一体，一阶图案接地屏蔽层完成，接地部分由十字形的四个顶点部分引出连接到地；十字形的基本图形单元的金属条长度LI取值范围为40 μ m 120 μ m,宽度Wl取值范围为O. 12 μ m 4 μ m0
8.如权利要求7所述的新型的分形PGS结构，其特征在于构造ニ阶图案接地屏蔽层是在ー阶图案接地屏蔽层的基础上，在L1/4处叠加四个长度为L1/2减去ー个间距a，宽度为W1/2的垂直金属条(14a);构造三阶图案接地屏蔽层是在ニ阶图案接地屏蔽层的基础上，在L1/8处和3*Ll/8处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W1/4的垂直金属条14b，在14a上L1/4处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W/4的垂直金属条(14b)。
9.如权利要求8所述的新型的分形PGS结构，其特征在于叠加的金属条宽度Wl是可不变的。
全文摘要
本发明涉及一种应用分形理论的PGS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PGS位于线圈绕成的电感/变压器的中心部分，采用底层薄的金属层，通过分形理论的自相似和迭代原理在H形的基本单元和十字形的基本单元的基础上，构造一阶、二阶、三阶、甚至更高阶的图案接地屏蔽层。本发明有效的屏蔽掉渗透到衬底的电磁场，降低可在衬底和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了电感值和品质因数的作用。
文档编号H01L23/58GK102738127SQ201210227598
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月29日 优先权日2012年6月29日
发明者刘军, 赵倩 申请人:杭州电子科技大学