CN103367352A - 被动元件单元及相关的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种被动元件单元及相应的制造方法。所述被动元件单元具有基底层、被动元件、以及介于基底层与被动元件间的中介层。中介层包含多个电感电容谐振器。本发明所提供的被动元件的结构及相应的制造方法可提升被动元件的效能及增加被动元件工艺的稳定度。

Description

被动元件单元及相关的制造方法
技术领域
本发明相关于一种被动元件，尤指一种与基底层之间相隔有中介层的被动元件单元以及相关的制造方法。
背景技术
被动元件(passive device)一般指的是无法产生功率增益(power gain)的电路元件。换句话说，被动元件无法放大信号。电容、电感、及电阻是被动元件几种较常见的例子。
一般来说，在集成电路(integrated circuit，IC)中、被动元件会形成于基底(substrate)的上方。当流经被动元件的电流随时间变化时，此时变电流会导致被动元件下方的基底产生涡电流(eddy current)，从而造成能量损耗，并降低被动元件的效能(performance)。
发明内容
为了解决上述的被动元件的技术问题，本发明特提供一种被动元件单元及一种被动元件制造方法。
本发明的一个实施例提供了一种被动元件单元。所述被动元件单元具有基底层、被动元件、以及介于基底层与被动元件间的中介层。中介层包含多个电感电容谐振器。
本发明另一个实施例提供了一种被动元件单元。所述被动元件单元具有基底层、被动元件、以及介于基底层与被动元件间的介间物质层。
本发明又一个实施例提供了一种被动元件制造方法。首先，于基底层上方先形成中介层，所述中介层包含多个电感电容谐振器。接下来，再于所述中介层上方形成被动元件。
本发明所提供的被动元件单元的结构及相应的制造方法可提升被动元件的效能及增加被动元件工艺的稳定度。
附图说明
图1为本发明位于集成电路内的被动元件单元的实施例纵剖面图。
图2及图3为图1的被动元件单元的上视图的两个例子。
图4为电感电容谐振器的等效电路的一个例子。
图5为以隙环谐振器所实现的电感电容谐振器的上视图的一个例子。
图6及图7为图1的被动元件单元的上视图的另外两个例子。
图8为用以制造图1的被动元件单元的工艺流程图的一个例子。
具体实施方式
在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来称呼特定的元件。本领域的技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则。在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可直接电气连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电气连接到第二装置。
图1为本发明位于集成电路内的被动元件单元的实施例纵剖面图。图中的集成电路100可包含被动元件及主动元件(active devices)、或是包含被动元件但没有主动元件。若集成电路100包含被动元件但没有主动元件，则其可称为集成被动元件(integrated passive device，IPD)。
集成电路100至少具有三层，包含电路元件层(circuit componentlayer)120、中介层(intermediary layer)140、及基底层(substratelayer)160。中介层140介于电路元件层120及基底层160之间。此三层中任一层皆可包含一个或多个子层(sub-layer)。在集成电路100中，电路元件层120及基底层160可以延伸于其所处的整个横截面上、中介层140可以延伸于其所处的整个横截面上或是仅形成于被动元件的下方。
被动元件单元110是集成电路100上用于形成被动元件122的立体区块。举例来说，被动元件122形成于被动元件单元110区块内的电路元件层120中。由于被动元件122可以是电阻、电容、电感、或其他的被动元件，图1仅用一个方块来代表被动元件122的纵剖面。至于电路元件层120中未被被动元件122占据的区域则可能已被磨掉或蚀刻掉。
中介层140可以是介间物质层(metamaterial layer)，或亦可称为负折射率物质层(negative index material layer)或左手介质层(left-handedmedium layer)。图2及图3绘示了图1的被动元件单元110的上视图的两个例子。在这两个例子中，被动元件122为电感，此外，图中的每一个实心小方块代表形成于中介层140的一个电感电容谐振器(LCresonator)。为避免图示过于复杂，每个图中皆只有一个电感电容谐振器标示为142，然而，其他未标示的电感电容谐振器亦可称为电感电容谐振器142。
如图2及图3所示，中介层140可让多个电感电容谐振器142形成于其中。举例来说，在形成于电路元件层120中的每一个被动元件(例如被动元件122)的下方，皆可以有多个电感电容谐振器142形成于中介层140内。在图2的例子中，多个电感电容谐振器142在中介层140内构成了二维阵列(two dimensional array)。在图3的例子中，多个电感电容谐振器142在中介层140内则并未排列成整齐的二维阵列，而是比图2较为不规则地排列。
在被动元件单元110中，所有电感电容谐振器142所共同占据的面积可以大于、等于、或小于被动元件122所占据的面积。所有电感电容谐振器142所占据的平面可以大致平行于120、140、及160这三层。视被动元件122及各个电感电容谐振器142的大小而定，被动元件122下方可以有上百、上千、甚至更多个电感电容谐振器142。至于各电感电容谐振器142的大小及设置方式，则可通过电磁模拟(electromagnetic simulation)决定。举例来说，每一电感电容谐振器142可以比被动元件122小一百倍以上。
每一电感电容谐振器142实质上相当于由等效电感(equivalentinductor)及等效电容(equivalent capacitor)所并联组成的等效电路(equivalent circuit)。图4绘示了此等效电路的一个例子。为了让电感电容谐振器142等效于图4的电路，其可包含有至少一对(a pair of)导电性元件，例如一对相邻而相互电性独立的金属区段。
举例来说，任一电感电容谐振器142可为隙环谐振器(split-ringresonator，SRR)。隙环谐振器可包含至少一对导电性隙环(conductivesplits)，一对导电性隙环中两个隙环上的裂隙(split)可以朝向两个不同的方向，例如朝向两个相反的方向。若一对导电性隙环中两个隙环皆处于相同平面上，则其中一者可以实质上环绕另一者。若没有裂隙，每一个导电性隙环的形状皆可类似于圆形、矩形、或其他几何图形。图5为以隙环谐振器所实现的电感电容谐振器142的上视图的一个例子。此电感电容谐振器142具有第一导电性隙环142a及第二导电性隙环142b。此二导电性隙环142a及142b的形状皆类似于英文字母"C"，而朝向两个相反的方向。第一导电性隙环142a实质上环绕着第二导电性隙环142b。
图6及图7为图1的被动元件单元110的上视图的另两个例子。不同于图2及图3的例子，图6及图7中的中介层140内部不仅有多个电感电容谐振器142，还有多对导电性短划线(dashed conductivelines)。这些短划线中的每一个短划(dash)皆可由金属区段所构成，而不同的金属区段则相互电性独立。为了避免图示过于复杂，图6及图7皆只将一对导电性短划线分别标示为第一导电性短划线146a及第二导电性短划线146b。然而，其他任一对未标示的导电性短划线亦可称为导电性短划线146a及146b。任一对导电性短划线中的第一导电性短划线146a以及第二导电性短划线146b可以彼此相邻且实质上平行，且第一导电性短划线146a的多个裂隙(splits)以及第二导电性短划线146b的多个裂隙彼此并不对齐。任一对导电性短划线146a及146b可以等效于多个相当小的电感电容谐振器。
在图6的例子中，多个电感电容谐振器142在中介层140内构成了二维阵列。在图7的例子中，多个电感电容谐振器142在中介层140内则并未排列成整齐的二维阵列，而是与多对导电性短划线146a及146b以较不规则的形式排列于中介层140内。虽然图6及图7所示的每条导电性短划线皆为直线，但任一对导电性短划线也可包含有相互平行的曲线(curved line)或折线(broken line)。
图8所示为用以制造(fabricate)被动元件单元110的工艺流程图的一个例子。本流程图仅绘示了有助于了解本实施例的主要步骤，每一个所绘示的步骤皆可以包含有一个或多个子步骤。首先，于步骤820，先形成中介层140于基底层160的上方。举例来说，此步骤可包含有将导电性材质掺杂(e.g.doping or deposition)于半导体晶圆(semiconductor wafer)上以形成中介层140内的多个微小而相互电性独立的电感电容谐振器。接下来，于步骤840，则形成被动元件122于中介层140上方。由于较为坚固的中介层140位于被动元件122的下方，步骤840可以较稳定地执行。
在被动元件122及基底层160之间加入中介层140可以带来几个好处。第一，这可以提升被动元件122的效能。举例来说，当时变电流流过被动元件122时，电流的变化会导致磁场线(magnetic field line)产生于被动元件122的周围。此时，中介层140内的多个电感电容谐振器可以作为多个微小的电感电容槽(LC tanks)，以防止部分的磁场线进入位于被动元件122下方的基底层160。至于图6及图7所绘式的多对导电性短划线亦可强化对于磁场线的阻隔，特别是沿着图示的横方向的阻隔。因此，中介层140的存在可以减少在被动元件122下方的基底层160所感生(induced)的涡电流(eddy current)，而减少能量的损耗。因为损耗了较少的能量，被动元件122应可具有更好的效能Q。
第二，中介层140内重复出现的微小电感电容谐振器会让被动元件122下方的支撑更为稳固。即使电路元件层120中一些部分已被蚀刻掉，因而裸露出来的中介层140上表面依旧会较为平坦。换句话说，中介层140的存在可以让集成电路100的工艺(fabrication processes)更为稳定，特别是工艺中的化学机械研磨(chemical mechanicalpolishing，CMP)工艺。第三，由于中介层140的存在，因而较不需额外使用高阻值基底(high-resistance(HR)substrate)、底层图形遮蔽(pattern ground shielding(PGS))、或厚金属层(thick metal layer)来减少涡电流，因此可以减少整体所需的工艺成本。第四，若与底层图形遮蔽相较，中介层140内微小的重复图形会具有相对较小的寄生电容(parasitic capacitance)。
本领域中技术人员应能理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本发明做许多更动与改变。因此，上述本发明的范围具体应以后附的权利要求界定的范围为准。

Claims (20)

1.一种被动元件单元，包含有:
基底层；
中介层，形成于所述基底层上方，所述中介层包含多个电感电容谐振器；以及
被动元件，形成于所述中介层上方。
2.如权利要求1所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一皆比所述被动元件小至少一百倍。
3.如权利要求1所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一皆包含有一对相邻而相互电性独立的导电性元件。
4.如权利要求3所述的被动元件单元，其特征在于，该对导电性元件为一对导电性隙环，该对导电性隙环中的每一皆有裂隙，该对导电性隙环的所述二裂隙朝向相反方向，且该对导电性隙环中的其中一者实质上环绕另一者。
5.如权利要求1所述的被动元件单元，其特征在于，所述中介层另包含多对导电性短划线，所述多对导电性短划线中的每对导电性短划线皆包含相邻且实质上平行的第一导电性短划线以及第二导电性短划线，且所述第一导电性短划线上的多个裂隙与所述第二导电性短划线上的多个裂隙不对齐。
6.如权利要求1所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器在所述中介层内构成二维阵列。
7.一种被动元件单元，包含:
基底层；
介间物质层，形成于所述基底层上方；以及
被动元件，形成于所述介间物质层上方。
8.如权利要求7所述的被动元件单元，其特征在于，所述介间物质层包含多个电感电容谐振器。
9.如权利要求8所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一个皆比所述被动元件小至少一百倍。
10.如权利要求8所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一个皆为隙环谐振器。
11.如权利要求10所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个隙环谐振器中的每一个皆包含一对导电性隙环，该对导电性隙环的每一个皆有裂隙。
12.如权利要求11所述的被动元件单元，其特征在于，该对导电性隙环的所述二裂隙朝向相反方向，且该对导电性隙环中的其中一者实质上环绕另一者。
13.如权利要求8所述的被动元件单元，其特征在于，所述介间物质层另包含多对导电性短划线，该多对导电性短划线中的每对导电性短划线皆包含相邻且实质上平行的第一导电性短划线以及第二导电性短划线，且所述第一导电性短划线上的多个裂隙与所述第二导电性短划线上的多个裂隙不对齐。
14.如权利要求8所述的被动元件单元，其特征在于，所述多个电感电容谐振器在所述介间物质层内构成二维阵列。
15.一种被动元件制造方法，包含:
于基底层上方形成中介层，所述中介层包含多个电感电容谐振器；以及
于所述中介层上方形成被动元件。
16.如权利要求15所述的被动元件制造方法，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一个皆比所述被动元件小至少一百倍。
17.如权利要求15所述的被动元件制造方法，其特征在于，所述多个电感电容谐振器中的每一个皆包含有一对相邻而相互电性独立的导电性元件。
18.如权利要求17所述的被动元件制造方法，其特征在于，该对导电性元件为一对导电性隙环，该对导电性隙环中的每一个皆有裂隙，该对导电性隙环的所述二裂隙朝向相反方向，且该对导电性隙环中的其中一者实质上环绕另一者。
19.如权利要求15所述的被动元件制造方法，其特征在于，所述中介层另包含多对导电性短划线，所述多对导电性短划线中的每对导电性短划线皆包含相邻且实质上平行的第一导电性短划线以及第二导电性短划线，且所述第一导电性短划线上的多个裂隙与所述第二导电性短划线上的多个裂隙不对齐。
20.如权利要求15所述的被动元件制造方法，其特征在于，所述多个电感电容谐振器在所述中介层内构成二维阵列。
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