一种基于硅通孔阵列的LC高通滤波器的制作方法

本发明涉及一种滤波器，具体涉及一种基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，属于面向射频/微波集成电路应用的无源器件领域。

背景技术：

滤波器做为一类无耗的二端口网络器件,被广泛应用于微波通信、电子对抗、微波测量以及雷达中,其性能的优劣往往直接影响到整个通信系统的优劣。在过去的几十年里，随着各种新材料、新技术的不断给提出和成熟，滤波器也得到了长足的发展。随着从高功率容量、高品质因数的金属波导，到平面集成化的微带线，微波技术行业经历着一个又一个里程碑。

目前，金属波导由于体积庞大已经不再适应当今社会微波集成化的要求，微带电路以其体积小、成本低、易于集成等特点，在如今的集成化进程中倍受青睐，但是微带电路自身的开放结构限制了其品质因数和功率容量。基片集成波导是一种在介质基片上实现的滤波器，它的性能类似矩形波导，但却属于平面电路，具有品质因数高，功率容量大，易于加工，易于集成等特点。但是除了基片上的通孔外，基片集成波导的所有元件都分布于基片表面，容易受到周边电磁环境的干扰；并且其元件尺寸皆为毫米级别，虽然远小于金属波导，但是仍然不能与普通CMOS集成电路兼容。

硅通孔(TSV)是一种穿透硅衬底的三维结构，可以有效提高电路的集成度和电路系统的质量和性能，工艺技术也日渐成熟，为硅基集成高通滤波器的设计和制造提供了新的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于硅通孔阵列的、具有结构紧凑、集成度高、面积小、工作频带宽等优点的LC高通滤波器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，

前述中间层为半导体衬底层(201)，采用硅材料制成，其上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，前述硅通孔按4行、5列的阵列结构排布，在该阵列中，列间距等于硅通孔的直径，第1行与第2行间的行间距、第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径，第2行与第3行间的行间距等于硅通孔直径的2倍，前述硅通孔内填充有与硅通孔等高的金属柱(203)，前述金属柱(203)与硅通孔的内壁之间还填充有绝缘层(202)；

前述顶层为顶层介质层(101)，采用绝缘材料制成，其上设置有顶层金属互连线(102)、顶层第一金属极板(103)、顶层第二金属极板(104)和顶层金属地极板(105)，其中，前述顶层金属互连线(102)由8段金属线构成，每段金属线连接两根相邻金属柱(203)的顶端，形成顶端连接关系的金属柱(203)分别为：第1行第2列与第1行第3列，第1行第4列与第1行第5列，第2行第5列与第3行第4列，第2行第4列与第3行第3列，第2行第3列与第3行第2列，第2行第2列与第3行第1列，第4行第1列与第4行第2列，第4行第3列与第4行第4列；前述顶层第一金属极板(103)连接在中间层中第2行第1列的金属柱(203)上，作为本发明LC高通滤波器的输入极板；前述顶层第二金属极板(104)连接在中间层中第3行第5列的金属柱(203)上，作为本发明LC高通滤波器的输出极板；前述顶层金属地极板(105)由两段分开的金属板构成，第一段金属板连接第1行第1列金属柱(203)，作为本发明LC高通滤波器的接地极板，第二段金属板连接第4行第5列金属柱(203)，作为本发明LC高通滤波器的接地极板；

前述底层为底层介质层(301)，采用绝缘材料制成，其上设置有底层金属互连线(302)，前述底层金属互连线(302)由10段分开的金属线构成，每段金属线连接两根相邻金属柱(203)的底端，形成底端连接关系的金属柱(203)分别为：第1行第1列与第1行第2列，第1行第3列与第1行第4列，第1行第5列与第2行第5列，第2行第4列与第3行第5列，第2行第3列与第3行第4列，第2行第2列与第3行第3列，第2行第1列与第3行第2列，第3行第1列与第4行第1列，第4行第2列与第4行第3列，第4行第4列与第4行第5列；

前述顶层、中间层和底层依次叠加组成一个整体后，顶层金属互连线(102)、中间层第2行和第3行金属柱(203)以及底层金属互连线(302)在竖直平面内共同形成一个嵌套的双螺旋形结构，该结构构成一个分布式的电容、电感网络；顶层金属互连线(102)、中间层第1行金属柱(203)以及底层金属互连线(302)在竖直平面内形成一个三维分布式电感器，并连接到顶层金属地极板(105)，作为本发明LC高通滤波器的接地极板；顶层金属互连线(102)、中间层第1行金属柱(203)以及中间层第2行金属柱(203)形成一个分布式的耦合电容器；顶层金属互连线(102)、中间层第4行金属柱(203)以及底层金属互连线(302)在竖直平面内形成一个三维分布式电感器，并连接到顶层金属地极板(105)，作为本发明的LC高通滤波器的接地极板；顶层金属互连线(102)、中间层第3行金属柱(203)以及中间层第4行金属柱(203)形成一个分布式的耦合电容器；顶层、中间层和底层在三维方向上形成一个分布式的、电容器与电感器交叉排布的电路网络，且电感器连接到地。

前述的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其特征在于，制作前述顶层介质层(101)、绝缘层(202)和底层介质层(301)使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

前述的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其特征在于，制作前述金属柱(203)使用的材料为铜或铝。

前述的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其特征在于，制作前述顶层金属互连线(102)、顶层第一金属极板(103)、顶层第二金属极板(104)和顶层金属地极板(105)使用的材料为铜或铝。

本发明的有益之处在于：

(一)耦合电感器

本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其电感器全部由硅通孔阵列中的相邻金属柱耦合形成，具体涉及2种耦合电感器结构，一是顶层金属互连线、中间层第2行和第3行金属柱以及底层金属互连线在竖直平面内共同形成一个嵌套的双螺旋形结构，该结构中包含一个分布式的电感器网络；二是顶层金属互连线、中间层第1行金属柱以及底层金属互连线在竖直平面内形成一个三维分布式电感器，以及类似的，顶层金属互连线、中间层第4行金属柱以及第3行金属柱形成一个分布式的耦合电感器；这2种电感器都充分利用了金属柱之间的耦合电感，形成了较强的近场耦合，金属柱利用率高，因此具有集成度高、面积小等优点；

(二)耦合电容器

本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其电容器全部由硅通孔阵列中的相邻金属柱耦合形成，具体涉及2种耦合电容器结构，一是顶层金属互连线、中间层第2行和第3行金属柱以及底层金属互连线在竖直平面内共同形成一个嵌套的双螺旋形结构，该结构中包含一个分布式的电容器网络；二是顶层金属互连线、中间层第1行金属柱以及第2行金属柱形成一个分布式的耦合电容器，以及类似的，顶层金属互连线、中间层第3行金属柱以及第4行金属柱形成一个分布式的耦合电容器；这2种电容器采用相邻金属柱作为两个极板，形成矩阵结构的分布式耦合电容，因此具有集成度高、面积小等优点；

(三)高通滤波器

本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器，其由上述2种耦合电感器和上述2种耦合电容器构成，在三维方向上形成一个分布式的、电容器与电感器交叉排布的电路网络，其中电感器连接到地，该电路网络构成了本发明的高通滤波器，该高通滤波器的有效电感和有效电容都分布于金属柱的竖直方向，占据的芯片面积非常小，因此具有结构紧凑、集成度高、成本低等显著优点；

因为分布式电容器串接在输入极板与输出极板之间，同时所有分布式电感器的都有一个极板接地，该电路网络在高频条件下，允许信号从输入端传输到输出端，类似短路电路；而在低频条件，信号被短路到地，无法从输入端传输到输出端，类似开路电路，所以实现了信号频率的选择；

因为构成本高通滤波器的主要元件是耦合电感器和耦合电容器，每个元件的电感值和电容值都是由硅通孔之间的间距决定；同时，上述耦合电感器和耦合电容器的数量由硅通孔阵列的行数和列数决定，通过单纯改变硅通孔之间的间距以及硅通孔阵列的行数和列数，即可得到不同截止频率的高通滤波器，因此，本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器具有设计灵活的优点。

附图说明

图1是本发明的LC高通滤波器的顶层的主视图；

图2是本发明的LC高通滤波器的中间层的主视图；

图3是本发明的LC高通滤波器的底层的主视图；

图4是顶层、中间层和底层叠加后的透视图；

图5是图4中的LC高通滤波器的A-A’剖面图；

图6是图4中的LC高通滤波器的B-B’剖面图；

图7是本发明的LC高通滤波器的等效电路模型示意图。

图中附图标记的含义：101-顶层介质层、102-顶层金属互连线、103-顶层第一金属极板、104-顶层第二金属极板、105-顶层金属地极板、201-半导体衬底层、202-绝缘层、203-金属柱，301-底层介质层、302-底层金属互连线。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

一、基于硅通孔阵列实现的LC高通滤波器的结构

本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器包括：顶层、中间层和底层。

1、中间层

中间层为半导体衬底层，采用硅材料制成，参照图2，半导体衬底层201上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，所有硅通孔按4行、5列的阵列结构排布，在该阵列中，列间距等于硅通孔的直径，第1行与第2行间的行间距、第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径，第2行与第3行间的行间距等于硅通孔直径的2倍。

硅通孔内填充有与硅通孔等高的金属柱203，金属柱203与硅通孔的内壁之间还填充有绝缘层202。

制作绝缘层202使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

制作金属柱203使用的材料为铜或铝。

2、顶层

顶层为顶层介质层，采用绝缘材料制成，参照图1，顶层介质层101上设置有顶层金属互连线102、顶层第一金属极板103、顶层第二金属极板104和顶层金属地极板105。

顶层金属互连线102由8段金属线构成，每段金属线连接两根相邻金属柱203的顶端，形成顶端连接关系的金属柱203分别为：第1行第2列与第1行第3列，第1行第4列与第1行第5列，第2行第5列与第3行第4列，第2行第4列与第3行第3列，第2行第3列与第3行第2列，第2行第2列与第3行第1列，第4行第1列与第4行第2列，第4行第3列与第4行第4列。

顶层第一金属极板103连接在中间层中第2行第1列的金属柱203上，作为本发明LC高通滤波器的输入极板。

顶层第二金属极板104连接在中间层中第3行第5列的金属柱203上，作为本发明LC高通滤波器的输出极板。

顶层金属地极板105由两段分开的金属板构成，第一段金属板连接第1行第1列金属柱203，作为本发明LC高通滤波器的接地极板，第二段金属板连接第4行第5列金属柱203，作为本发明LC高通滤波器的接地极板。

制作顶层介质层101使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

制作顶层金属互连线102、顶层第一金属极板103、顶层第二金属极板104和顶层金属地极板105使用的材料为铜或铝。

3、底层

底层为底层介质层，采用绝缘材料制成，参照图3，底层介质层301上设置有底层金属互连线302，底层金属互连线302由10段分开的金属线构成，每段金属线连接两根相邻金属柱203的底端，形成底端连接关系的金属柱203分别为：第1行第1列与第1行第2列，第1行第3列与第1行第4列，第1行第5列与第2行第5列，第2行第4列与第3行第5列，第2行第3列与第3行第4列，第2行第2列与第3行第3列，第2行第1列与第3行第2列，第3行第1列与第4行第1列，第4行第2列与第4行第3列，第4行第4列与第4行第5列。

制作底层介质层301使用的绝缘材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

参照图4、图5和图6，顶层、中间层和底层依次叠加组成一个整体后：

顶层金属互连线102、中间层第2行和第3行金属柱203以及底层金属互连线302在竖直平面内共同形成一个嵌套的双螺旋形结构，该结构构成一个分布式的电容、电感网络；

顶层金属互连线102、中间层第1行金属柱203以及底层金属互连线302在竖直平面内形成一个三维分布式电感器，并连接到顶层金属地极板105，作为本发明LC高通滤波器的接地极板；

顶层金属互连线102、中间层第1行金属柱203以及中间层第2行金属柱203形成一个分布式的耦合电容器；

顶层金属互连线102、中间层第4行金属柱203以及底层金属互连线302在竖直平面内形成一个三维分布式电感器，并连接到顶层金属地极板105，作为本发明的LC高通滤波器的接地极板；

顶层金属互连线102、中间层第3行金属柱203以及中间层第4行金属柱203形成一个分布式的耦合电容器；

顶层、中间层和底层在三维方向上形成一个分布式的、电容器与电感器交叉排布的电路网络，且电感器连接到地。

图7是本发明的基于硅通孔阵列的LC高通滤波器的等效电路模型示意图。该等效电路的结构如下：

从顶层第一金属极板103到顶层第二金属极板104之间，串联了若干个的电容器，在每个电容器的首尾端都连接一个耦合电感器的上极板，所有耦合电容器的下极板都连接到顶层金属地极板105上。

由此可见，本发明的LC高通滤波器的等效电路为9阶LC集总结构，因此其具有很好的频率选择性，同时能有效减小带内插入损耗、增大带外抑制。

需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。