CN106207334B - 一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，该滤波器包括：顶层、中间层和底层，其中，顶层上有顶层金属互连线，其对称地绕成两个四边形平面螺旋结构，绕线方向相反且最外端连在一起，形成两个螺旋电感器；中间层上刻蚀有两对硅通孔，内填充有等高的金属柱，二者之间还填充有绝缘层，位于内侧的两个金属柱分别与前述两个螺旋电感器的中心端连接，中间层等效为两个柱形电容器；底层上有两根底层金属互连线，每对金属柱对应一根。顶层、中间层和底层叠加后，顶层的两个螺旋电感器与中间层的两个柱形电容器交叉排布，形成C‑L‑C‑C‑L‑C的等效电路结构，与现有的LC低通滤波器的结构相比，体积大幅减小，最大尺寸小于100um，方便与传统CMOS集成电路单片集成。

Description

一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器

技术领域

本发明涉及一种滤波器，具体涉及一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，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

滤波器作为微波系统集成中的关键器件，随着系统级封装等技术的发展，硅基集成滤波器通过在硅片上实现电感、电容、LC滤波器等无源器件，便于与其它微波系统组件集成，引起了学界和工业界的广泛关注。然而，目前已有的硅基集成滤波器都主要采用表面金属层实现电感和电容元件。一方面，表面元件在高频工作时产生的空间电场在三维方向上发散分布，不仅造成了电磁场的非必要损耗和泄漏，而且对周边集成的其它系统模块引入了噪声干扰；另一方面，该元件尺寸都是毫米级别、并且消耗的功耗动辄以几十毫瓦甚至几瓦计，严重制约了微波系统的单片集成度。因此，业界亟需开发新的技术和设计方法，以进一步减小滤波器的尺寸和功耗，推进微波系统的大规模集成。

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，为硅基集成低通滤波器的设计和制造提供了新的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于硅通孔的、具有结构简单、面积小、滤波频带宽、易于集成等优点的硅基集成低通滤波器。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，

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)和顶层第二金属极板(104)，其中，前述顶层金属互连线(102)在前述顶层介质层(101)上对称地绕成两个四边形平面螺旋结构，绕线方向相反，并且二者的最外端连接在一起，形成两个螺旋电感器，前述两个螺旋电感器的最外围还围绕有一圈非封闭的金属线用以收集电场线，前述顶层第一金属极板(103)和顶层第二金属极板(104)分别位于非封闭的金属线的敞口处，构成本发明的硅基集成低通滤波器的两个引出端；

前述中间层为半导体衬底层(201)，采用硅材料制成，其上对称的刻蚀有两对贯通上下表面的硅通孔，四个硅通孔的直径均相等，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)，位于内侧的两个金属柱(203)的顶部分别与前述两个螺旋电感器的中心端连接，位于外侧的两个金属柱(203)的顶部分别与前述顶层第一金属极板(103)和顶层第二金属极板(104)连接，中间层等效为两对柱形电容器；

前述底层为底层介质层(301)，采用绝缘材料制成，其上设置有两根底层金属互连线(302)，每对金属柱(203)对应一根底层金属互连线(302)，并且构成一对的两个金属柱(203)的底部通过前述底层金属互连线(302)进行连接；

前述顶层、中间层和底层依次叠加组成一个整体后，顶层结构中的两个螺旋电感器与中间层结构中的两对柱形电容器交叉排布，所有电容C的下极板全部接地，两个电感L与位于中间位置的2个电容C共同产生1个主极点，两个电感L与位于两侧的2个电容C分别产生一个第二极点，这两个第二极点大小相等，从而形成C-L-C-C-L-C的等效电路结构。

前述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，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。

前述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，其特征在于，制作前述金属柱(203)使用的材料为铜或铝。

前述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，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)和顶层第二金属极板(104)使用的材料为铜或铝。

本发明的有益之处在于：

(1)顶层结构中的两个螺旋电感器与中间层结构中的两对柱形电容器交叉排布，所有电容C的下极板全部接地，形成C-L-C-C-L-C的等效电路结构，该等效结构实现了低频导通、高频截止的低通滤波器频率选择功能；

(2)在形成的C-L-C-C-L-C等效电路结构中，两个电感L与位于中间位置的2个电容C共同产生1个主极点，两个电感L与位于两侧的2个电容C分别产生一个第二极点，这两个第二极点大小相等，因此本发明的硅基集成低通滤波器输入阻抗、输出阻抗匹配，且有利于降低输入端回波散射噪声；

(3)在顶层结构中，由于两个螺旋电感器的电场线被外围的非封闭的金属线完全收集，所以提高了能量利用率；

(4)在顶层结构中，由于两个螺旋电感器的绕线方向相反，其对周边其它集成电路模块的耦合电感相互抵消，所以减小了寄生效应，并降低了本发明的硅基集成低通滤波器通带内的插入损耗；

(5)与现有的LC低通滤波器的结构相比，本发明的硅基集成低通滤波器体积大幅减小，最大尺寸小于100μm，方便与传统CMOS集成电路单片集成；

(6)本发明的硅基集成低通滤波器的中心频率为几十吉赫兹。

附图说明

图1是本发明的硅基集成低通滤波器的顶层的主视图；

图2是本发明的硅基集成低通滤波器的中间层的主视图；

图3是本发明的硅基集成低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中的硅基集成低通滤波器的A-A’剖面图；

图6是本发明的硅基集成低通滤波器的等效电路模型示意图；

图7是本发明的硅基集成低通滤波器的仿真结果图。

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、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、基于硅通孔的硅基集成低通滤波器的结构

本发明的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器包括：顶层、中间层和底层。

1、顶层

顶层为顶层介质层101，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和顶层第二金属极板104。

顶层介质层101用于电学隔离顶层金属互连线102、顶层第一金属极板103和顶层第二金属极板104。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。

顶层金属互连线102在顶层介质层101上对称的绕成两个四边形平面螺旋结构，绕线方向相反，并且二者的最外端连接在一起，形成两个螺旋电感器。两个螺旋电感器的最外围还围绕有一圈非封闭的金属线，该非封闭的金属线用以收集电场线，从而屏蔽本发明的硅基集成低通滤波器对周边其它片上集成电路模块的影响。

顶层第一金属极板103位于其中一个螺旋电感器的最外围围绕的非封闭的金属线的敞口处，顶层第二金属极板104位于另一个螺旋电感器的最外围围绕的非封闭的金属线的敞口处，顶层第一金属极板103和顶层第二金属极板104构成本发明的硅基集成低通滤波器的两个引出端。

每一个螺旋电感器的两个极板分别为四边形平面螺旋结构的中心端和位于非封闭的金属线的敞口处的顶层第一/第二金属极板。

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和最外围的非封闭的金属线使用的材料为铜或铝。

在顶层结构中，由于两个螺旋电感器的电场线被外围的非封闭的金属线完全收集，所以提高了能量利用率；由于两个螺旋电感器的绕线方向相反，其对周边其它集成电路模块的耦合电感相互抵消，所以减小了寄生效应，并降低了本发明的硅基集成低通滤波器通带内的插入损耗。

2、中间层

中间层为半导体衬底层201，采用硅材料制成，参照图2，半导体衬底层201上对称的刻蚀有两对贯通上下表面的硅通孔，四个硅通孔的直径均相等，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，位于内侧的两个金属柱203的顶部分别与前述两个螺旋电感器的中心端连接，位于外侧的两个金属柱203的顶部分别与前述顶层第一金属极板103和顶层第二金属极板104连接，金属柱203与半导体衬底层201之间能够产生耦合电容，整个中间层结构可以等效为两对柱形电容器。由于柱形电容器穿透了整个半导体衬底层201，面积利用率高，所以本发明的硅基集成低通滤波器具有尺寸小、集成度高、生产成本低等优点。

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。

3、底层

底层为底层介质层301，采用绝缘材料制成，参照图3，底层介质层301上设置有两根底层金属互连线302，每对金属柱203对应一根底层金属互连线302，并且构成一对的两个金属柱203的底部通过对应的底层金属互连线302进行连接。

底层介质层301用于实现底层金属互连线302之间的电学隔离。

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。

制作底层金属互连线302使用的材料为铜或铝。

参照图4和图5，顶层、中间层和底层依次叠加组成一个整体后，顶层结构中的两个螺旋电感器与中间层结构中的两对柱形电容器交叉排布，所有电容C的下极板全部接地，两个电感L与位于中间位置的2个电容C共同产生1个主极点，两个电感L与位于两侧的2个电容C分别产生一个第二极点，这两个第二极点大小相等，从而形成C-L-C-C-L-C的等效电路结构，该等效电路结构能够实现低频导通、高频截止的低通滤波器频率选择功能。

与现有的LC低通滤波器的结构相比，本发明的硅基集成低通滤波器体积大幅减小，最大尺寸小于100μm，方便与传统CMOS集成电路单片集成。

图6是本发明的硅基集成低通滤波器的等效电路图。

从图6可以看出：本发明的硅基集成低通滤波器具有5阶集总结构，具有很好的频率选择性。

二、基于硅通孔的硅基集成低通滤波器的性能检测

图7是本发明的硅基集成低通滤波器的仿真结果图。

由图7可知：

(1)该硅基集成低通滤波器通带中心频率约为12GHz，截止频率为23.65GHz，通带内插入损耗小于1.3dB；

(2)阻带内，从26GHz到80GHz范围内抑制大于18dB。

三、小结

综上所述，本发明的硅基集成低通滤波器不仅面积小(最大尺寸小于100μm)，方便与传统CMOS集成电路单片集成，而且还具有结构简单、滤波频带宽等优点。

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。

Claims (4)

1.一种基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，

所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)和顶层第二金属极板(104)，其中，所述顶层金属互连线(102)在所述顶层介质层(101)上对称地绕成两个四边形平面螺旋结构，绕线方向相反，并且二者的最外端连接在一起，形成两个螺旋电感器L，所述两个螺旋电感器L的最外围还围绕有一圈非封闭的金属线用以收集电场线，所述顶层第一金属极板(103)和顶层第二金属极板(104)分别位于非封闭的金属线的敞口处，构成所述硅基集成低通滤波器的两个引出端；

所述中间层为半导体衬底层(201)，采用硅材料制成，其上对称的刻蚀有两对贯通上下表面的硅通孔，四个硅通孔的直径均相等，所述硅通孔内填充有与硅通孔等高的金属柱(203)，所述金属柱(203)与硅通孔的内壁之间还填充有绝缘层(202)，位于内侧的两个金属柱(203)的顶部分别与所述两个螺旋电感器的中心端连接，位于外侧的两个金属柱(203)的顶部分别与所述顶层第一金属极板(103)和顶层第二金属极板(104)连接，中间层等效为两对柱形电容器C；

所述底层为底层介质层(301)，采用绝缘材料制成，其上设置有两根底层金属互连线(302)：与左侧螺旋电感器L中心端连接的金属柱和与顶层第一金属极板(103)连接的金属柱对应一根底层金属互连线，与右侧螺旋电感器L中心端连接的金属柱和与顶层第二金属极板(104)连接的金属柱对应另外一根底层金属互连线；

所述顶层、中间层和底层依次叠加组成一个整体后，顶层结构中的两个螺旋电感器与中间层结构中的两对柱形电容器交叉排布，所有柱形电容器C的下极板全部接地，两个螺旋电感器L与位于中间位置的2个柱形电容器C共同产生1个主极点，两个螺旋电感器L与位于两侧的2个柱形电容器C分别产生一个第二极点，这两个第二极点大小相等，从而形成C-L-C-C-L-C的等效电路结构。

2.根据权利要求1所述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，其特征在于，制作所述顶层介质层(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。

3.根据权利要求1所述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，其特征在于，制作所述金属柱(203)使用的材料为铜或铝。

4.根据权利要求3所述的基于硅通孔的硅基集成低通滤波器，其特征在于，制作所述顶层金属互连线(102)、顶层第一金属极板(103)和顶层第二金属极板(104)使用的材料为铜或铝。