CN106329038A - 一种基于硅通孔阵列实现的lc低通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，中间层包括：半导体衬底、绝缘层和硅通孔金属，半导体衬底为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，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，第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径，本发明的LC低通滤波器的等效电路为7阶LC集总结构。本发明的有益之处在于：(1)结构紧凑、集成度高、面积小、电感值大、设计灵活；(2)有效消除了电磁辐射和耦合噪声；(3)频率选择性好，同时能有效减小带内插入损耗、增大带外抑制。

Description

一种基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器
技术领域
本发明涉及一种LC低通滤波器，具体涉及一种基于硅通孔阵列实现的LC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
几十年来，随着电子行业的迅速发展，微波技术在工程应用领域得到了越来越广泛的应用，同时也对了微波技术系统化集成提出了更高的要求。目前，微波元件朝着微型化、多功能集成的方向发展，在很多应用中需要将其与普通CMOS有源电路进行系统集成，以实现各种高功能集成度的系统模块，但是目前已有的微波元件还不能实现该目标。
滤波器作为一个关键性的选频器件，被广泛用于选择或限定信号的频段范围，在微波领域中起着非常重要的作用。
硅通孔(Through Silicon Via，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阵列实现的LC低通滤波器，该LC低通滤波器采用普通硅衬底进行制作，尺寸为几十微米量级，相当于一个有源器件的大小，且可以实现与普通CMOS有源电路的单片集成。
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实现的LC低通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，
前述中间层包括：半导体衬底(201)、绝缘层(202)和硅通孔金属(203)，其中，前述半导体衬底(201)为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，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，第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径；前述绝缘层(202)制备在硅通孔的内表面上；前述硅通孔金属(203)将硅通孔完全填充；
前述顶层包括：顶层介质层(101)、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)，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)均制作于前述顶层介质层(101)内，其中，顶层金属互连线(102)由三段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第2列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第3列的硅通孔，第三段金属线连接第2行第4列和第3行第4列的硅通孔；前述顶层第一金属极板(103)连接在中间层中第3行第1列的硅通孔上，作为本发明LC低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2行第5列的硅通孔上，作为本发明LC低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，第一段金属板连接中间层中第1行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板，第二段金属板连接中间层中第4行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板；
前述底层包括：底层介质层(301)和底层金属互连线(302)，前述底层金属互连线(302)制作于前述底层介质层(301)内，其中，底层金属互连线(302)由六段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第1列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第2列的硅通孔，第三段金属线连接中间层中第2行第4列和第3行第3列的硅通孔，第四段金属线连接中间层中第2行第5列和第3行第4列的硅通孔，第五段金属线连接中间层中第1行所有硅通孔和第2行第1列硅通孔，第六段金属线连接中间层中第4行所有硅通孔和第2行第5列硅通孔；
顶层、中间层和底层结合后，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)、中间层第2行中的第2至5列的硅通孔金属(203)、中间层第3行中的第1至4列的硅通孔金属(203)和底层金属互连线(302)在竖直平面内共同形成一个螺旋形结构，该结构构成一个分布式电感器；顶层金属地极板(105)、中间层第1行硅通孔金属(203)、中间层第2行第1列硅通孔金属(203)、中间层第4行第5列硅通孔金属(203)、中间层第5行硅通孔金属(203)和底层金属互连线(302)在竖直平面内共同形成一个竖直方向的参考地平面，组成电感器的硅通孔金属(203)与周围邻近参考地平面耦合，形成耦合电容器。
前述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，前述顶层介质层(101)、绝缘层(202)和底层介质层(301)为二氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层。
前述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，前述硅通孔金属(203)为铜或铝。
前述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，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)、顶层金属地极板(105)和底层金属互连线(302)为铜线或铝线。
本发明的有益之处在于：
(1)顶层金属互连线、顶层第一金属极板、顶层第二金属极板、中间层第2行中的第2至5列的硅通孔金属、中间层第3行中的第1至4列的硅通孔金属和底层金属互连线在竖直平面内共同构成了一个分布式电感器，该电感器充分利用了硅通孔金属之间的耦合电感，并形成了一个近似封闭的耦合磁场，因此具有集成度高、面积小、电感值大等优点；
(2)顶层金属地极板、中间层第1行硅通孔金属、中间层第2行第1列硅通孔金属、中间层第4行第5列硅通孔金属、中间层第5行硅通孔金属和底层金属互连线在竖直平面内共同形成了一个竖直方向的参考地平面，该参考地平面不仅为LC低通滤波器提供了耦合电流泄放通道，而且实现了LC低通滤波器模块与外部相邻电路模块的屏蔽，有效消除了LC低通滤波器的电磁辐射和耦合噪声；
(3)组成电感器的硅通孔金属与周围邻近参考地平面耦合形成耦合电容器，该耦合电容器充分利用了硅通孔竖直方向的排列特点，具有面积小、集成度高的优点；
(4)本发明的LC低通滤波器充分利用了硅通孔金属之间的耦合，电感和电容元件都分布于竖直方向，因此具有结构紧凑、集成度高、占用芯片面积小、成本低等显著优点；
(5)本发明的LC低通滤波器等效电路为7阶LC集总结构，因此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；
(6)本发明的LC低通滤波器的主要元件为按阵列结构排列的硅通孔金属，其电感值和电容值主要由硅通孔之间的间距决定，通过改变该间距即可改变滤波器的LC参数；同时，其等效电路的阶数由构成硅通孔的列数决定，通过改变硅通孔阵列的列数即可改变滤波器的阶数，因此，本发明的LC低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低通滤波器的透视图；
图2是图1中的LC低通滤波器的A-A’剖面图；
图3是图1中的LC低通滤波器的B-B’剖面图；
图4是图1中的LC低通滤波器的顶层的主视图；
图5是图1中的LC低通滤波器的中间层的主视图；
图6是图1中的LC低通滤波器的底层的主视图；
图7是本发明的LC低通滤波器的等效电路模型示意图；
图8是本发明的LC低通滤波器的仿真结果。
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、202-绝缘层、203-硅通孔金属，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低通滤波器的结构
参照图1、图2和图3，本发明的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器包括：顶层、中间层和底层。
1、中间层
参照图1、图2、图3和图5，中间层包括：半导体衬底201、绝缘层202和硅通孔金属203。
半导体衬底201为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，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，第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径。
绝缘层202制备在硅通孔的内表面上。
硅通孔金属203将硅通孔完全填充。
2、顶层
参照图1、图2、图3和图4，顶层包括：顶层介质层101、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、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均制作于顶层介质层101内。
顶层金属互连线102由三段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第2列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第3列的硅通孔，第三段金属线连接第2行第4列和第3行第4列的硅通孔。
顶层第一金属极板103连接在中间层中第3行第1列的硅通孔上，作为本发明LC低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2行第5列的硅通孔上，作为本发明LC低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，第一段金属板连接中间层中第1行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板，第二段金属板连接中间层中第4行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板。
3、底层
参照图1、图2、图3和图5，底层包括：底层介质层301和底层金属互连线302，底层金属互连线302制作于底层介质层301内。
底层金属互连线302由六段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第1列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第2列的硅通孔，第三段金属线连接中间层中第2行第4列和第3行第3列的硅通孔，第四段金属线连接中间层中第2行第5列和第3行第4列的硅通孔，第五段金属线连接中间层中第1行所有硅通孔和第2行第1列硅通孔，第六段金属线连接中间层中第4行所有硅通孔和第2行第5列硅通孔。
在本发明中，顶层介质层101、绝缘层202和底层介质层301为二氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层，硅通孔金属203为铜或铝，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、顶层金属地极板105和底层金属互连线302为铜线或铝线。
顶层、中间层和底层结合后：
(1)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、中间层第2行中的第2至5列的硅通孔金属203、中间层第3行中的第1至4列的硅通孔金属203和底层金属互连线302在竖直平面内共同形成一个螺旋形结构，该结构构成一个分布式电感器，该电感器充分利用了硅通孔金属之间的耦合电感，并形成了一个近似封闭的耦合磁场，因此具有集成度高、面积小、电感值大等优点；
(2)顶层金属地极板105、中间层第1行硅通孔金属203、中间层第2行第1列硅通孔金属203、中间层第4行第5列硅通孔金属203、中间层第5行硅通孔金属203和底层金属互连线302在竖直平面内共同形成一个竖直方向的参考地平面，该参考地平面不仅为LC低通滤波器提供了耦合电流泄放通道，而且实现了LC低通滤波器模块与外部相邻电路模块的屏蔽，有效消除了LC低通滤波器的电磁辐射和耦合噪声；
(3)组成电感器的硅通孔金属203与周围邻近参考地平面耦合，形成耦合电容器，该耦合电容器充分利用了硅通孔竖直方向的排列特点，具有面积小、集成度高的优点。
由此可见，本发明的LC低通滤波器充分利用了硅通孔金属之间的耦合，电感和电容元件都分布于竖直方向，因此具有结构紧凑、集成度高、占用芯片面积小、成本低等显著优点。
本发明的LC低通滤波器的主要元件为按阵列结构排列的硅通孔金属，其电感值和电容值主要由硅通孔之间的间距决定，通过改变该间距即可改变滤波器的LC参数。同时，其等效电路的阶数由构成硅通孔的列数决定，通过改变硅通孔阵列的列数即可改变LC低通滤波器的阶数，因此，本发明的LC低通滤波器具有设计灵活的优点。
图7是本发明的LC低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，串联了四个首尾相连的电感器，在每个电感器的首尾端都连接一个耦合电容器的上极板，所有耦合电容器的下极板都为参考地平面，连接到顶层金属地极板105上。
可见，本发明的LC低通滤波器的等效电路为7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。
二、基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器的性能检测
图8是本发明的LC低通滤波器的仿真结果。由图8可知：
(1)该LC低通滤波器截止频率为6.8GHz，通带内插入损耗小于0.51dB；
(2)阻带内，从8GHz到15GHz范围内抑制大于30dB。
综上，本发明的LC低通滤波器具有带内插入损耗小、频率选择性好、结构紧凑、集成度高、占用芯片面积小、成本低、设计灵活等显著优点，可广泛应用于手机、蓝牙模块、GPS、PDA、WLAN等射频无线通信领域中。
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)

1.一种基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，包括：顶层、中间层和底层，其特征在于，
所述中间层包括：半导体衬底(201)、绝缘层(202)和硅通孔金属(203)，其中，所述半导体衬底(201)为硅衬底，其上刻蚀有贯通上下表面的硅通孔，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，第3行与第4行间的行间距等于硅通孔的直径；所述绝缘层(202)制备在硅通孔的内表面上；所述硅通孔金属(203)将硅通孔完全填充；
所述顶层包括：顶层介质层(101)、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)，所述顶层金属互连线(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)均制作于所述顶层介质层(101)内，其中，顶层金属互连线(102)由三段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第2列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第3列的硅通孔，第三段金属线连接第2行第4列和第3行第4列的硅通孔；所述顶层第一金属极板(103)连接在中间层中第3行第1列的硅通孔上，作为本发明LC低通滤波器的输入极板；所述顶层第二金属极板(104)连接在中间层中第2行第5列的硅通孔上，作为本发明LC低通滤波器的输出极板；所述顶层金属地极板(105)由两段分开的金属板构成，第一段金属板连接中间层中第1行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板，第二段金属板连接中间层中第4行所有硅通孔以及第2行第1列硅通孔，作为本发明LC低通滤波器的接地极板；
所述底层包括：底层介质层(301)和底层金属互连线(302)，所述底层金属互连线(302)制作于所述底层介质层(301)内，其中，底层金属互连线(302)由六段分开的金属线构成，第一段金属线连接中间层中第2行第2列和第3行第1列的硅通孔，第二段金属线连接中间层中第2行第3列和第3行第2列的硅通孔，第三段金属线连接中间层中第2行第4列和第3行第3列的硅通孔，第四段金属线连接中间层中第2行第5列和第3行第4列的硅通孔，第五段金属线连接中间层中第1行所有硅通孔和第2行第1列硅通孔，第六段金属线连接中间层中第4行所有硅通孔和第2行第5列硅通孔；
顶层、中间层和底层结合后，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)、中间层第2行中的第2至5列的硅通孔金属(203)、中间层第3行中的第1至4列的硅通孔金属(203)和底层金属互连线(302)在竖直平面内共同形成一个螺旋形结构，该结构构成一个分布式电感器；顶层金属地极板(105)、中间层第1行硅通孔金属(203)、中间层第2行第1列硅通孔金属(203)、中间层第4行第5列硅通孔金属(203)、中间层第5行硅通孔金属(203)和底层金属互连线(302)在竖直平面内共同形成一个竖直方向的参考地平面，组成电感器的硅通孔金属(203)与周围邻近参考地平面耦合，形成耦合电容器。
2.根据权利要求1所述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，所述顶层介质层(101)、绝缘层(202)和底层介质层(301)为二氧化硅层、氮化硅层或氮氧化硅层。
3.根据权利要求1所述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，所述硅通孔金属(203)为铜或铝。
4.根据权利要求1所述的基于硅通孔阵列实现的LC低通滤波器，其特征在于，所述顶层金属互连线(102)、顶层第一金属极板(103)、顶层第二金属极板(104)、顶层金属地极板(105)和底层金属互连线(302)为铜线或铝线。
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