CN102946231A

CN102946231A - 一种低噪声放大器及其制造方法

Info

Publication number: CN102946231A
Application number: CN2012105200221A
Authority: CN
Inventors: 李琛
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN102946231B

Abstract

本发明公开了一种低噪声放大器及其制造方法，低噪声放大器包括电感及其他器件，所述电感及其他器件形成在衬底的电感区域及其他器件区域上，所述电感区域被所述其他器件区域隔开，所述电感区域下方形成高阻衬底隔离区，且所述电感区域周围设置环状的n阱接地保护层，所述n阱接地保护层环绕所述其他器件区域。本发明可解决低噪声放大器模块与其他模块间噪声干扰的问题，更能有效降低噪声系数以提高低噪声放大器的性能。

Description

一种低噪声放大器及其制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路领域，特别涉及一种低噪声放大器及其制造方法。

背景技术

无线传感器网络芯片的一个重要的特点就是微型化和集成化，随着对无线传感器网络芯片研究的不断深入，人们已经开始不满足于仅仅实现功能，而是对芯片的成本、集成度、功能方面提出了越来越迫切的要求。系统芯片所带来的单片系统集成芯片解决方案不仅能够明显增加集成度、减小芯片体积、提高封装密度，而且可以有效降低芯片系统的成本和造价。因此，在当前无线传感器网络的芯片设计中，人们已经越来越多地依赖系统集成概念来设计相关电路并开发新一代的芯片产品。

随着越来越多的系统集成无线传感器网络芯片的开发，系统集成中不同模块衬底间互相串扰以及高频下衬底较大损耗的问题开始显现并制约着系统集成无线传感器网络芯片的发展。这些问题在目前CMOS工艺所普遍采用的低阻衬底中被表现得更加突出，严重限制了传感器系统芯片的应用和发展。

值得注意的是，作为无线传感器网络接收机系统中第一级重要模块的低噪声放大器，其噪声系数的水平将直接影响到整个接收机的性能。现有技术中通常采用通过提升系统复杂度、增加片外原件的方法来降低噪声系数，然而却存在增加系统功耗，提高系统成本的缺陷。影响噪声系数水平的一个直接原因是电感性能的好坏，而衬底损耗则是决定电感品质因数的主要因素。因此，如何降低衬底损耗以及如何提高电感的品质因数是实现高性能的低噪声放大器以致实现高性能无线传感器网络芯片的关键所在。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种低噪声放大器及其制造方法，以抑制衬底串扰及衬底损耗，改善衬底特性，有效提升电感的品质因子，从而使得低噪声放大器的性能得到有效的改善。

为达成所述目的，本发明提供一种低噪声放大器，包括电感及其他器件，所述电感及其他器件形成在衬底的电感区域及其他器件区域上，所述电感区域下方形成高阻衬底隔离区；所述电感区域被所述其他器件区域隔开。

根据本发明的低噪声放大器，所述电感区域周围设置环状的第一n阱接地保护层，且所述第一n阱接地保护层环绕所述电感区域及所述其他器件区域。

根据本发明的低噪声放大器，所述高阻衬底隔离区环绕所述其他器件区域周围。

根据本发明的低噪声放大器，所述高阻衬底隔离区通过衬底高阻化技术形成。

根据本发明的低噪声放大器，所述衬底高阻化技术包括质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术。

根据本发明的低噪声放大器，所述电感由顶层金属和次顶层金属绕制而成。

根据本发明的低噪声放大器，所述电感包括保护层，且所述电感上沉积钝化层。

根据本发明的低噪声放大器，所述其他器件包括MOS晶体管，负载电阻与跨接电容。

本发明还提供一种低噪声放大器制造方法，包括以下步骤：

在衬底上形成电感区域及其他器件区域，所述电感区域被所述其他器件区域隔开；以及

利用衬底高阻化技术，在所述电感区域的下方形成高阻衬底隔离区。

根据本发明的低噪声放大器制造方法，还包括在所述电感区域周围设置环状的第一n阱接地保护层，所述第一n阱接地保护层环绕所述电感区域及所述其他器件区域。

根据本发明的低噪声放大器制造方法，所述高阻衬底隔离区环绕所述其他器件区域。

根据本发明的低噪声放大器制造方法，还包括在所述其他器件区域周围设置环状的第二n阱接地保护层。

根据本发明的低噪声放大器制造方法，所述高阻衬底隔离区环绕所述其他器件区域周围。

根据本发明的低噪声放大器制造方法，所述衬底高阻化技术包括质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术。

本发明的优点在于当低噪声放大器模块与其它模块一起工作时，其它模块以及低噪声放大器模块中非电感器件产生的噪声扰动均会被电感区域下方的高阻衬底隔离区隔离并被n阱接地保护层吸收，使收发机芯片的衬底上的其它模块不会对低噪声放大器模块产生噪声干扰；此外，由于本发明的低噪声放大器模块中的电感具有高性能高品质因数，使得低噪声放大器的噪声系数得到有效降低，低噪声放大器性能也得以改善。

附图说明

图1为本发明一实施例低噪声放大器的结构剖视图。

图2为本发明一实施例低噪声放大器的结构俯视图。

图3为本发明另一实施例低噪声放大器的结构俯视图。

图4为本发明实施例低噪声放大器的电路示意图。

图5为本发明实施例低噪声放大器制造方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。此外，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

首先请参照图1及图2，其为本发明一实施例低噪声放大器的结构图。电感形成在衬底200上，其所在区域为电感区域100，低噪声放大器的其他器件例如晶体管等则形成在衬底的其他器件区域500，且电感区域100被其他器件区域500所隔开。对于电感区域100，其下方也即其水平位置以下，利用高阻化技术形成高阻衬底隔离区300。其中，高阻化技术可以是质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术，本发明并不限于此。由于电感区域100下方形成高阻衬底隔离区300，隔离低噪声放大器其他器件的噪声串扰影响电感。另一方面，高阻衬底隔离区300还使得衬底200的电阻值变大，其电导率变小，从而减少了衬底损耗，改善了衬底特性，从而有效提升了电感的品质因子。此外，在电感100区域的周围还利用n阱工艺形成环形的第一保护层400，并且将该第一保护层400接地。第一n阱接地保护层400环绕电感区域100和其他器件区域500，从而能够吸收低噪声放大器模块以外区域产生的噪声，使得衬底上的其它模块不会对低噪声放大器模块的产生噪声干扰。值得注意的是，由于低噪声放大器模块中其他器件区域500离电感区域100很近，因此其产生的噪声扰动也会对电感产生严重影响，因此在图3所示的本发明另一优选实施例中，其他器件区域500周围还设置第二n阱接地保护层400’，第二n阱接地保护层400’环绕其他器件区域500，使得其他器件区域500被第二n阱接地保护层所包围而形成一个封闭的孤立区域，如此一来，其他器件区域500所产生的噪声就能够完全被吸收，不会对电感区域100产生影响。此外，对于其他器件区域500的电路也应尽可能采用低噪声的设计方法，例如选用小噪声的器件替代普通器件，或在不影响收发机通信链路要求的情况下尽可能减小电路的摆幅等。

较佳的，如图3所示，高阻衬底隔离区300也可环绕其他器件区域500周围，进一步地使衬底上其它模块所产生的噪声扰动被高阻衬底隔离区隔离，而难以进入低噪声放大器模块，从而降低不同模块衬底间的互相串扰，同时也可使其他器件区域产生的噪声扰动被隔离，进一步降低了对电感区域的影响。

此外，在本发明中，电感采用层叠结构，由顶层金属102和次顶层金属103绕制而成，不仅可以减少电感所占面积，优化版图设计，更减少了电感与衬底200之间的耦合。此外，电感还包括保护层104，以起到隔离电感线圈和衬底的作用。电感上沉积有钝化层101，用以保护顶层金属102。

为了表明本发明的低噪声放大器的噪声系数能够有效降低，以下以共源结构的应用于5GHz频段的CMOS低噪声放大器为例说明。请参考图3，低噪声放大器包括无源器件第一电感L1，第二电感L2，电容Cgs，电阻RL以及有源器件晶体管M1等。其中晶体管M1为放大管，用以实现低噪声放大器最基本的放大功能；负载电阻RL为放大器提供谐振负载。第一电感L1为输入匹配电感，第二电感L2为源极负反馈电感，通过联合设计输入匹配电感L1、源极负反馈电感L2和跨接电容Cgs，能够实现低噪声放大器输入端的阻抗匹配。

请参阅图3，电感L1区域和电感L2区域分开排布，被包括晶体管M1等的其他器件区域500隔开。通过衬底高阻化技术，在电感区域100下方形成高阻衬底隔离区300，隔离低噪声放大器其他器件的噪声串扰影响电感。较佳的，高阻衬底隔离区300还环绕其他器件区域500周围，从而隔离衬底其他模块的噪声串扰影响到低噪声放大器。电感L1，L2的区域100的周围还利用n阱工艺形成环形接地的第一保护层400，第一n阱接地保护层400同时环绕电感L1，L2的区域100和其他器件区域500。其他器件区域500周围设置有第二n阱接地保护层400’，如此一来，其他器件区域500被第二n阱接地保护层400’所包围，其产生的噪声就能够完全被吸收，不会对电感区域100产生影响；而其他模块产生的噪声也会被第一n阱接地保护层400吸收，并且通过高阻衬底隔离区300，衬底上其他模块产生的噪声串扰也难以进入低噪声放大器模块，进一步提高了低噪声放大器的性能。

另一方面，根据噪声放大器的噪声系数的公式：

Noise Factor of LNA=1+(kωL2)/(Q*Rs)

其中ω为工作频率，Q为电感的品质因数，Rs为电源的源阻抗（通常为50Ω）。由此可知，电感的品质因数对低噪声放大器的噪声系数性能有着直接的影响。而影响电感品质因数的因素则主要有欧姆损耗、寄生电容和衬底损耗等，其中在高频段，衬底损耗是决定品质因数的主要因素。而通过高阻衬底隔离区300能够减少衬底损耗，改善衬底特性，从而有效提升了电感的品质因子，使得低噪声放大器本身的噪声系数得到有效降低。

我们对衬底未高阻化和衬底高阻化后的低噪声放大器的噪声系数进行了测试，如下表所示：

测试频率	原衬底的噪声系数	高性能衬底的噪声系数
			4.5Ghz	2.8dB	2.2dB
5.0GHz	3.1dB	2.6dB
			5.2GHz	3.2dB	2.8dB

表1

从表1中可以看出，在电感区域下方增加高阻衬底隔离区，并在电感区域周围设置环状n阱接地的保护层后，噪声系数降低了12.5~21%，从而显著提高了噪声放大器的性能。

请参考图5，本发明还提供了一种低噪声放大器制造方法，包括以下步骤：

在衬底上形成低噪声放大器电感区域及低噪声放大器其他区域，其中电感区域被其他器件区域隔开。电感可为通过顶层金属和次顶层金属绕制而成的电感线圈，通过这一层叠结构，不仅可以减少电感所占面积，优化版图设计，更减少了电感与衬底之间的耦合。此外，也可沉积一层钝化层用以保护电感线圈。

利用衬底高阻化技术，在所述电感区域的下方形成高阻衬底隔离区。其中，高阻化技术可以是质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术，本发明并不限于此。由于衬底的电感区域下方形成高阻衬底隔离区，隔离低噪声放大器其他器件的噪声串扰影响电感。另一方面，高阻衬底隔离区300还使得使得衬底的电阻值变大，其电导率变小，从而可有效减少衬底损耗。进一步的，在电感区域下方形成的高阻衬底隔离区环绕低噪声放大器其他器件区域，当低噪声放大器模块与其它模块一起工作时，其它模块产生的噪声扰动被高阻衬底隔离区隔离而不会影响到低噪声放大器模块。

接着，在电感区域周围设置环状的第一n阱接地保护层，且第一n阱接地保护层环绕低噪声放大器的电感区域及其他器件区域，用以吸收低噪声放大器模块以外其他模块所产生的噪声。较佳的，在其他器件区域周围还设置第二n阱接地保护层包围其他器件区域，用以吸收低噪声放大器模块中其他器件区域所产生的噪声，使电感区域离噪声源尽可能地独立，避免受到噪声影响。

综上，本发明所提出的低噪声放大器及其制造方法，通过在电感区域下方形成高阻衬底隔离区并在电感区域周围及其他器件区域周围分别设置环状的n阱接地保护层，使得低噪声放大器模块与其它模块一起工作时，其它模块所产生的噪声扰动被高阻衬底隔离区隔离并被n阱接地保护层吸收，使得收发机芯片的衬底上的其它模块不会对低噪声放大器模块的产生噪声干扰；此外也能够使低噪声放大器模块中离电感较近的其他器件不会对电感产生噪声干扰。此外，高阻衬底隔离区也减少了衬底损耗从而提升了电感的品质因数，使得放大器本身的噪声系数得到有效降低，提高了低噪声放大器模块的性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述诸多实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。

Claims

1.一种低噪声放大器，包括电感及其他器件，所述电感及其他器件形成在衬底的电感区域及其他器件区域上，所述电感区域下方形成高阻衬底隔离区，其特征在于，所述电感区域被所述其他器件区域隔开。

2.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述电感区域周围设置环状的第一n阱接地保护层，且所述第一n阱接地保护层环绕所述电感区域及所述其他器件区域。

3.根据权利要求2所述的低噪声放大器，其特征在于，所述其他器件区域周围设置环状的第二n阱接地保护层。

4.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述高阻衬底隔离区环绕所述其他器件区域周围。

5.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述高阻衬底隔离区通过衬底高阻化技术形成。

6.根据权利要求5所述的低噪声放大器，其特征在于，所述衬底高阻化技术包括质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术。

7.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述电感由顶层金属和次顶层金属绕制而成。

8.根据权利要求7所述的低噪声放大器，其特征在于，所述电感包括保护层，且所述电感上沉积钝化层。

9.根据权利要求1所述的低噪声放大器，其特征在于，所述其他器件包括MOS晶体管，负载电阻与跨接电容。

10.一种低噪声放大器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

11.根据权利要求10所述的低噪声放大器的制造方法，其特征在于，还包括在所述电感区域周围设置环状的第一n阱接地保护层，所述第一n阱接地保护层环绕所述电感区域及所述其他器件区域。

12.根据权利要求11所述的低噪声放大器的制造方法，其特征在于，还包括在所述其他器件区域周围设置环状的第二n阱接地保护层。

13.根据权利要求10所述的低噪声放大器的制造方法，其特征在于，所述高阻衬底隔离区环绕所述其他器件区域周围。

14.根据权利要求10所述的低噪声放大器的制造方法，其特征在于，所述衬底高阻化技术包括质子注入技术、微机电技术或衬底高阻氧化技术。