CN109644558A - 用于改进的玻璃上无源（pog）多路复用器性能的多密度mim电容器 - Google Patents

用于改进的玻璃上无源（pog）多路复用器性能的多密度mim电容器 Download PDF

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Abstract

一种无源器件可以包括具有互连迹线区段的电感器。无源器件还可以包括平行板电容器。多个平行板电容器中的每一个可以具有在一对导电板之间的电介质层。平行板电容器可以不与多于一个互连迹线区段重叠。

Description

用于改进的玻璃上无源(POG)多路复用器性能的多密度MIM电 容器
技术领域
本公开的各方面涉及半导体器件，并且更具体地涉及用于改进的玻璃上无源(POG)多路复用器性能的多密度金属绝缘体金属(MIM)电容器。
背景技术
驱动无线通信行业的一个目标是为消费者提供增加的带宽。在当前一代通信中使用载波聚合针对实现该目标提供了一种可能的解决方案。通过针对单个通信流同时使用两个频率，载波聚合使得在特定地理区域中具有针对两个频带(例如，700MHz和2GHz)的许可的无线载波能够最大化带宽。虽然向终端用户提供了增加的数据量，但由于用于数据传输的频率，在谐波频率处产生的噪声使载波聚合实现复杂化。例如，700MHz传输可能会在2.1GHz处产生谐波，这会干扰2GHz频率的数据广播。
对于无线通信，无源器件用于处理载波聚合系统中的信号。在载波聚合系统中，信号以高频带和低频带两者进行通信。在芯片组中，通常在天线与调谐器(或射频(RF)开关)之间插入无源器件(例如，双工器)以确保高性能。通常，双工器设计包括电感器和电容器。双工器可以通过使用具有高品质(Q)因子的电感器和电容器来获取高性能。通过减少部件之间的电磁耦合，也可以获取高性能双工器，这可以通过部件的几何形状和方向的布置来实现。
由于成本和功耗考虑，包括高性能多路复用器的移动RF芯片设计(例如，移动RF收发器)已经迁移到深亚微米工艺节点。这种移动RF收发器的设计在这个深亚微米工艺节点处变得复杂。这些移动RF收发器的设计复杂性通过增加用于支持诸如载波聚合等通信增强的电路功能而进一步复杂化。移动RF收发器的进一步设计挑战包括模拟/RF性能考虑因素，包括失配、噪声和其他性能因素。这些移动RF收发器的设计包括使用附加的无源器件例如以抑制谐振以及/或者执行滤波、旁路和耦合。
玻璃上无源器件涉及高性能电感器和电容器部件，这些部件具有优于诸如通常用于制造移动射频(RF)芯片设计的表面安装技术或多层陶瓷芯片等其他技术的各种优点。由于成本和功耗考虑因素，通过迁移到深亚微米工艺节点而使得移动RF收发器的设计复杂性变得复杂。间距考虑因素也会影响移动RF收发器设计深亚微米工艺节点，诸如大电容器，这可能会在RF多路复用器的设计集成过程中造成性能瓶颈。
发明内容
一种无源器件可以包括具有互连迹线区段的电感器。无源器件还可以包括平行板电容器。多个平行板电容器中的每一个可以具有在一对导电板之间的电介质层。平行板电容器可以不与多于一个互连迹线区段重叠。
一种无源器件可以包括在公共平面中的一组金属绝缘体金属(MIM)电容器。该组MIM电容器中的第一MIM电容器可以包括第一介电常数的第一单层电介质材料，并且该组MIM电容器中的第二MIM电容器还可以包括具有与第一介电常数不同的第二介电常数的第二单层电介质材料。
一种无源器件可以包括在公共平面中的一组金属绝缘体金属(MIM)电容器。第一电容器可以具有第一电介质层的第一电介质厚度和第一介电常数。第二电容器还可以具有第二电介质层的第二电介质厚度。第一电介质厚度可以与第二电介质厚度不同。第一电介质层和第二电介质层具有相同的材料。
一种射频(RF)前端模块可以包括多路复用器。多路复用器可以包括具有互连迹线区段的电感器以及平行板电容器。多个平行板电容器中的每个平行板电容器具有在一对导电板之间的电介质层。每个平行板电容器与不多于一个互连迹线区段重叠。RF前端模块还可以包括耦合到多路复用器的输出的天线。
这已经相当广泛地概述了本公开的特征和技术优点，以便可以更好地理解随后的详细描述。下面将描述本公开的附加特征和优点。本领域技术人员应当理解，本公开可以容易地用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应当认识到，这种等效构造不脱离所附权利要求中阐述的本公开的教导。当结合附图考虑时，从以下描述将更好地理解被认为是关于其组织和操作方法的本公开的特征的新颖特征以及其他目的和优点。然而，应当清楚地理解，提供每个附图仅用于说明和描述的目的，并且不旨在作为本公开的范围的定义。
附图说明
图1A是根据本公开的一个方面的采用双工器的射频(RF)前端(RFFE)模块的示意图。
图1B是根据本公开的各方面的采用用于芯片组的双工器以提供载波聚合的射频(RF)前端(RFFE)模块的示意图。
图2A是根据本公开的一个方面的双工器设计的图。
图2B是根据本公开的一个方面的射频(RF)前端(RFFE)模块的图。
图3示出了根据本公开的一个方面的具有不同电介质材料厚度的电容器的多路复用器的截面图。
图4示出了根据本公开的一个方面的具有不同电介质材料常数的电容器的多路复用器装置的截面图。
图5A和图5B示出了根据本公开的各方面的多路复用器的俯视图。
图6示出了根据本公开的一个方面的两个无源器件的俯视图。
图7示出了根据本公开的一个方面的制造具有多个电容器的无源器件的方法。
图8是示出其中可以有利地采用本公开的一个方面的示例性无线通信系统的框图。
图9是示出根据本公开的一个方面的用于基于鳍的结构的电路、布局和逻辑设计的设计工作站的框图。
具体实施方式
以下结合附图阐述的详细描述旨在作为各种配置的描述，而非旨在表示可以实践本文中描述的概念的仅有配置。详细描述包括具体细节以便提供对各种概念的透彻理解。然而，对于本领域技术人员很清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践这些概念。在一些实例中，以框图形式示出了公知的结构和部件，以便避免模糊这些概念。如本文中使用，术语“和/或”的使用旨在表示“包括性的或”，并且术语“或”的使用旨在表示“排他性的或”。
由于成本和功耗考虑，包括高性能多路复用器的移动RF芯片设计(例如，移动RF收发器)已经迁移到深亚微米工艺节点。这种移动RF收发器的设计复杂性通过增加用于支持诸如载波聚合等通信增强的电路功能而进一步复杂化。移动RF收发器的进一步设计挑战包括模拟/RF性能考虑因素，包括失配、噪声和其他性能考虑因素。这些移动RF收发器的设计包括使用附加无源器件例如以抑制谐振以及/或者执行滤波、旁路和耦合。
现代半导体芯片产品的成功制造涉及材料与所采用的工艺之间的相互作用。特别地，在后端线工艺(BEOL)工艺中的半导体制造期间形成无源器件是工艺流程中越来越具有挑战性的部分。在保持小特征尺寸方面尤其如此。保持小尺寸特征的挑战同样也适用于玻璃上无源(POG)技术，其中诸如电感器和电容器等高性能部件被构建在高度绝缘的衬底上，该衬底也可能具有非常低的损耗以支持移动RF收发器设计。
玻璃上无源器件涉及高性能电感器和电容器部件，这些部件具有优于诸如通常用于制造移动RF芯片设计的表面安装技术或多层陶瓷芯片等其他技术的各种优点。由于成本和功耗考虑，迁移到深亚微米工艺节点使得移动RF收发器的设计复杂性变得很复杂。间距考虑因素也会影响移动RF收发器设计深亚微米工艺节点，诸如大电容器，这可能会在RF多路复用器的设计集成过程中造成性能瓶颈。
电容器是被用在在集成电路中用于存储电荷的无源元件。电容器通常使用导电的板或结构利用在板之间的绝缘材料来制成。给定电容器的存储量或电容量取决于用于制造板和绝缘体的材料、板的面积以及板之间的间隔。绝缘材料通常是电介质材料。金属绝缘体金属(MIM)电容器是平行板电容器的一个示例，其中绝缘体是电介质材料，并且板由导电材料(例如，金属)制成。
平行板电容器经常用于半导体管芯中以向半导体管芯上的电路提供电容。平行板电容器越来越多地用于提高在越来越高的频率下工作的器件的性能。例如，MIM电容器通常用于高频(例如，射频(RF))电信应用，诸如蜂窝电话、无线设备和其他电信产品。通常，MIM电容器在集成电路中提供各种功能，诸如与电源去耦、模数转换和滤波、以及传输线的端接。去耦应用通常具有相对宽松的漏电流规范，而模拟通常涉及更接近的电容器匹配和相对良好的电压线性。此外，在很多电信应用中，特别是在手持式应用中，期望低损耗和相对较小的温度线性。
传统上，电容器基于一种规范来被设计，其中电容器的电介质材料的常数和厚度不能在器件内或在平面上变化。然而，对于越来越多的应用，对于无源器件，期望的电容密度和电容器尺寸可以从一个电容器到另一电容器而变化。例如，针对某些电容器可能期望高电容密度，而针对其他电容器可能期望高品质(Q)因子。针对另一不同组的电容器可能期望高密度和高Q因子的组合。
一个这样的应用示例是射频(RF)前端(RFFE)器件的多路复用器或双工器，其适应宽范围的无线电频率(例如，从700MHz的基带一直到20GHz或更高)。对于特定频率范围，存在期望的电容密度，并且期望的电容密度随着使用中的频带的变化而变化。因此，期望定制电容器以满足应用的不同容量密度规范。在一些其他情况下，在同一无源器件内可能期望不同的电容大小或减小的电容大小以满足特定设计规范。
本公开的各方面提出了无源器件内的电容器电介质的厚度或材料的变化，以便以多密度MIM电容器的形式来适应不同电容密度或减小的电容器尺寸。根据本公开的一个方面，相同电介质材料的仅厚度可以在无源器件上的一组电容器之间变化。这种方法的一个优点是，制造工艺相对简单，因为该工艺被校准到相同的电介质材料。根据本公开的另一方面，无源器件上的一组电容器的电介质材料的常数可以变化，同时保持电介质材料的厚度相同。
根据本公开的又一方面，电介质材料的常数和厚度都可以变化，以适应应用的特定设计规范。这种方法的一个优点是适应宽范围的电容密度，特别是当电容器尺寸受到限制时。本公开的其他优点包括在芯片的同一衬底上制造的电容器和电感器两者的质量改进。在一种配置中，电感器建立在电容器附近。通过增加各电容器的电介质材料的厚度，可以在保持类似电容值的同时减小各电容器尺寸。由于电感器迹线区段与电容器板之间的重叠减少，这又改善了电感器的品质因数(Q)。
图1A是根据本公开的一个方面的采用双工器200的射频(RF)前端(RFFE)模块100的示意图。RF前端模块100包括功率放大器102、双工器/滤波器104和射频(RF)开关模块106。功率放大器102将信号放大到某个功率水平以进行传输。双工器/滤波器104根据各种不同的参数(包括频率、插入损耗、抑制或其他类似参数)对输入/输出信号进行滤波。另外，RF开关模块106可以选择输入信号的某些部分以传递到RF前端模块100的其余部分。
RF前端模块100还包括调谐器电路112(例如，第一调谐器电路112A和第二调谐器电路112B)、双工器200、电容器116、电感器118、接地端子115和天线114。调谐器电路112(例如，第一调谐器电路112A和第二调谐器电路112B)包括诸如调谐器、便携式数据输入终端(PDET)和内务处理模数转换器(HKADC)等部件。调谐器电路112可以针对天线114执行阻抗调谐(例如，电压驻波比(VSWR)优化)。RF前端模块100还包括耦合到无线收发器(WTR)120的无源组合器108。组合器108组合来自第一调谐器电路112A和第二调谐器电路112B的检测功率。无线收发器120处理来自无源组合器108的信息，并且将该信息提供给调制解调器130(例如，移动台调制解调器(MSM))。调制解调器130向应用处理器(AP)140提供数字信号。
如图1A所示，双工器200位于调谐器电路112的调谐器部件与电容器116、电感器118和天线114之间。双工器200可以放置在天线114与调谐器电路112之间以提供从RF前端模块100到包括无线收发器120、调制解调器130和应用处理器140的芯片组的高系统性能。双工器200还对高频带频率和低频带频率两者执行频域多路复用。在双工器200对输入信号执行其频率多路复用功能之后，双工器200的输出被馈送到包括电容器116和电感器118的可选LC(电感器/电容器)网络。LC网络可以在期望时针对天线114提供额外的阻抗匹配部件。然后，由天线114发射或接收具有特定频率的信号。尽管示出了单个电容器和电感器，但也可以考虑多个部件。
图1B是根据本公开的一个方面的用于提供载波聚合的用于芯片组160的无线局域网(WLAN)(例如，WiFi)模块170和RF前端(RFFE)模块150的示意图，WiFi模块170包括第一双工器200-1，RF前端模块150包括第二双工器200-2。WiFi模块170包括将天线192通信地耦合到无线局域网模块(例如，WLAN模块172)的第一双工器200-1。RF前端模块150包括通过双工器180将天线194通信地耦合到无线收发器(WTR)120的第二双工器200-2。无线收发器120和WiFi模块170的WLAN模块172耦合到由电源152通过电源管理集成电路(PMIC)156供电的调制解调器(MSM，例如，基带调制解调器)130。芯片组160还包括电容器162和164、以及电感器166以提供信号完整性。PMIC 156、调制解调器130、无线收发器120和WLAN模块172均包括电容器(例如，158、132、122和174)并且根据时钟154进行操作。芯片组160中的各种电感器和电容器部件的几何形状和布置可以减少部件之间的电磁耦合。
图2A是根据本公开的一个方面的双工器200的图。双工器200包括高频带(HB)输入端口212、低频带(LB)输入端口214和天线216。双工器200的高频带路径包括高频带天线开关210-1。双工器200的低频带路径包括低频带天线开关210-2。包括RF前端模块的无线设备可以使用天线开关210和双工器200来针对无线设备的RF输入和RF输出实现宽范围频带。另外，天线216可以是多输入多输出(MIMO)天线。多输入多输出天线将广泛用于无线设备的RF前端以支持诸如载波聚合等特征。
图2B是根据本公开的一个方面的RF前端模块250的图。RF前端模块250包括天线开关(ASW)210和双工器200(或三工器)以实现图2A所示的宽范围频带。此外，RF前端模块250包括由衬底202支撑的滤波器230、RF开关220和功率放大器218。滤波器230可以包括各种LC滤波器，具有沿着衬底202布置的电感器(L)和电容器(C)以用于形成双工器、三工器、低通滤波器、巴伦滤波器和/或陷波滤波器以防止RF前端模块250中的高次谐波。
在这种配置中，双工器200被实现为系统板201(例如，印刷电路板(PCB)或封装衬底)上的表面安装器件(SMD)。相反，天线开关210在由RF前端模块250的系统板201支撑的衬底202上实现。此外，滤波器230的各种LC滤波器也被实现为RF前端模块250的衬底202上的表面安装器件。虽然被示出为滤波器230，但是LC滤波器包括使用拾取和放置技术而在整个衬底布置的低通滤波器和/或陷波滤波器以防止RF前端模块250中的高次谐波。
传统上，RF前端模块250将包括基于规范而设计的电容器，其中电容器的电介质材料的常数和厚度不能在器件内或在平面上变化。然而，在RF前端模块250中，期望的电容密度和电容器尺寸从各种无源器件的一个电容器到另一电容器而变化。例如，针对双工器200的一些电容器可能期望高电容密度，并且针对诸如天线开关210的其他可能期望高品质(Q)因子。针对RF前端模块250的另一不同组电容器可能期望高密度和高Q因子的组合。
根据本公开的各方面，RF前端模块250的多路复用器或双工器200包括具有可变电容密度和尺寸的电容器，以用于适应宽范围的无线电频率(例如，从700MHz的基带一直到20GHz或更高)。对于特定频率范围，存在期望的电容密度，并且期望的电容密度随着使用中的频带的变化而变化。因此，期望定制电容器以满足应用的不同容量密度规范。在一些其他情况下，在同一无源器件内可能期望不同的容量大小或减小的容量大小以满足特定设计规范。
本公开的各个方面提供了用于调节电容器材料和/或电介质材料的厚度以满足不同电容密度和电容器尺寸规范的技术。在一种配置中，相同电介质材料的厚度可以在一组电容器之间变化，例如，如图3所示。在另一种配置中，一组电容器的一对导电板之间的电介质材料的常数可以变化，同时保持电介质材料的厚度相同，如图4所示。这些变化可以实现具有相同或相似电容密度的尺寸减小的电容器(例如，电容器占用空间)，例如如图5所示。
图3示出了根据本公开的各方面的多路复用器300的截面图，其中相同电介质材料的厚度可以在布置在共同平面中的一组电容器之间变化。在这种配置中，多路复用器300包括三个平行板电容器，包括第一平行板电容器310、第二平行板电容器320和第三平行板电容器330。三个电容器包括共享的第一导电板304，第一导电板304由衬底302支撑。在这种配置中，共享的第一导电板304可以使用第一后端线(BEOL)互连层(例如，金属1(M1))制造，并且衬底302可以是玻璃衬底。多路复用器300的无源部件(例如，电感器和电容器)的长度和宽度用于说明的目的，并且未按比例绘制。
如图3中进一步所示，第一平行板电容器310可以包括共享的第一导电板304、第二导电板314和布置在共享的第一导电板304与第二导电板314之间的第一电介质层312。第二平行板电容器320由共享的第一导电板304、第二导电板324和布置在共享的第一导电板304与第二导电板324之间的第二电介质层322组成。类似地，第三平行板电容器330由共享的第一导电板304、第二导电板334和布置在共享的第一导电板304与第二导电板334之间的第三电介质层332组成。在一个示例配置中，三个平行板电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。在这种配置中，第二导电板314、第二导电板324和第二导电板334可以使用第二后端线互连层(例如，金属2(M2))制造。
根据本公开的各方面，第一电介质层312、第二电介质层322和第三电介质层332由具有相同介电常数的相同电介质材料组成。电介质材料可以是高K电介质材料，诸如氮化硅(SiN)、氧化铝(AlO)或五氧化二钽(Ta2O5)或其他类似的电介质材料。在一个示例配置中，第一电介质层312、第二电介质层322和第三电介质层332具有不同的厚度。如本文中描述，术语厚度可以是指由第一电介质层312、第二电介质层322或第三电介质层332占据的在共享的第一导电板304与第二导电板(例如，314、324或334)之间的距离。
如图3所示，第一电介质层312具有第一电介质厚度316，第二电介质层322具有第二电介质厚度326，并且第三电介质层332具有第三电介质厚度336。在这种配置中，第一电介质厚度316、第二电介质厚度326和第三电介质厚度336彼此不同。例如，第二电介质厚度326大于第三电介质厚度336，第三电介质厚度336大于第一电介质厚度316。根据本公开的各方面，第一电容器、第二电容器和第三电容器的电介质层厚度被选择为满足诸如多路复用器300的给定RF应用的不同电容密度规范。在一个示例配置中，第一电介质厚度316、第二电介质厚度326和第三电介质厚度336可以在0.1微米(μm)至二十(20)μm的范围内。
图3还示出了多路复用器300的电感器360。电感器360由第三导电层350的第一部分350-1、第四导电层366和布置在第三导电层350的第一部分350-1与第四导电层366之间的通孔364组成。导电凸块370耦合到第四导电层366以实现封装连接。在一个示例配置中，电感器360可以是导电(例如，铜)再分布层(RDL)电感器。在这种配置中，第三导电层350可以使用第三后端线互连层(例如，金属3(M3))来制造。另外，第四导电层366可以使用第四后端线互连层(例如，金属4(M4))来制造。
多路复用器300还包括将第二导电板314耦合到第三导电层350的第一部分350-1的第一通孔342；将第二导电板324耦合到第三导电层350的第二部分350-2的第二通孔344；以及将第二导电板334耦合到第三导电层350的第三部分350-3的第三通孔346。在一个示例配置中，第三导电层350的第四部分350-4使得能够通过第四通孔340来访问共享的第一导电板304。多路复用器300包括设置在围绕多路复用器300的无源部件的层间电介质(ILD)374上的钝化层372。
图4示出了根据本公开的各方面的包括布置在同一平面内但使用不同电介质材料的一组平行板电容器的多路复用器400的截面图。在这种配置中，多路复用器400还包括第一平行板电容器410、第二平行板电容器420和第三平行板电容器430。三个电容器各自包括由衬底层402支撑的共享的第一导电板404。在这种配置中，共享的第一导电板404使用第一后端线互连层M1来制造，并且衬底402是玻璃衬底。
如图4中进一步所示，第一平行板电容器410包括共享的第一导电板404、第二导电板414和布置在共享的第一导电板404与第二导电板424之间的第一电介质层412。第二平行板电容器420由共享的第一导电板404、第二导电板424和布置在共享的第一导电板404与第二导电板424之间的第二电介质层422组成。类似地，第三平行板电容器430由共享的第一导电板404、第二导电板434和布置在共享的第一导电板404与第二导电板434之间的第三电介质层432组成。在这种配置中，第二导电板414、第二导电板424和第二导电板434使用第二后端线互连层M2来制造。
根据本公开的各方面，第一电介质层412、第二电介质层422和第三电介质层432具有相同的厚度，但是使用具有不同介电常数的不同电介质材料制造。例如，第一电介质层412可以具有第一介电常数，第二电介质层422可以具有第二介电常数，并且第三电介质层432可以具有第三介电常数。在示例配置中，一组金属绝缘体金属(MIM)电容器(例如，410、420和430)布置在共同平面中。该组MIM电容器中的第一MIM电容器(例如，410)包括第一介电常数的第一单层电介质材料(例如，412)。该组MIM电容器中的第二MIM电容器(例如，420)具有不同于第一介电常数的第二介电常数的第二单层电介质材料(例如，422)。
不同的电介质材料可以包括但不限于氮化硅(SiN)、氧化铝(AlO)、五氧化二钽(Ta2O5)、二氧化硅、硅酸铪、硅酸锆、二氧化铪和二氧化锆等。根据本公开的该方面，第一平行板电容器410、第二平行板电容器420和第三平行板电容器430由具有不同介电常数的不同电介质材料制成，以满足诸如多路复用器400的RF应用的不同电容密度和电容器尺寸规范。
图4还示出了多路复用器400的电感器460。电感器460由第三导电层450的第一部分450-1、第四导电层466和布置在第三导电层450的第一部分450-1与第四导电层466之间的通孔464组成。导电凸块470耦合到第四导电层466以实现封装连接。在一个示例配置中，电感器460可以是导电(例如，铜)再分布层电感器。在这种配置中，第三导电层450使用第三后端线互连层M3来制造。另外，第四导电层466可以使用第四后端线互连层M4来制造。
多路复用器400还包括将第二导电板414耦合到第三导电层450的第一部分450-1的第一通孔442；将第二导电板424耦合到第三导电层450的第二部分450-2的第二通孔444；以及将第二导电板434耦合到第三导电层450的第三部分450-3的第三通孔446。在一个示例配置中，第三导电层450的第四部分450-4使得能够通过第四通孔440来访问共享的第一导电板404。多路复用器400包括设置在围绕多路复用器300的无源部件的层间电介质(ILD)474上的钝化层472。
图5A和图5B分别示出了根据本公开的各方面的在电容器和电感器之间具有不同重叠水平的第一多路复用器500和第二多路复用器550的俯视图。同样，提供第一多路复用器500和第二多路复用器550用于说明的目的而未按比例绘制。图5A和图5B中的每个俯视图示出了输出端口502和552、以及分别形成第一多路复用器500和第二多路复用器550的平行板电容器和电感器的多个导电板和迹线。
参考图5B，第二多路复用器550包括第一平行板电容器580、第二平行板电容器590和共享板串联耦合的平行板电容器560。在这种配置中，串联耦合的平行板电容器与平面二维(2D)螺旋电感器570的迹线区段(TS1、TS2、TS3)重叠。第一共享板电容器560-1由共享的第一导电板562和第二导电板564组成。另外，第二共享板电容器560-2由共享的第一导电板562和第二导电板566组成。串联耦合的平行板电容器560被布置成提供由第二多路复用器550的设计指定的电容密度。在这种配置中，串联耦合的平行板电容器560的共享的第一导电板562、第二导电板564和第二导电板566基本上与2D螺旋电感器570的第一迹线区段TS1和第二迹线区段TS2重叠。
在该示例配置中，串联耦合的平行板电容器560的电介质厚度是固定的，并且可以不改变以适应RF应用的特定电容密度或容量大小规范。结果，串联耦合的平行板电容器560与2D螺旋电感器570的第一迹线区段TS1的整体和第二迹线区段TS2的一部分重叠。不幸的是，串联耦合的平行板电容器560与2D螺旋电感器570的迹线区段TS1和TS2的这种重叠布置实质上降低了2D螺旋电感器570的性能，导致多路复用器的降低的品质(Q)因子和退化的插入损耗。
参考图5A，第一多路复用器500包括第一平行板电容器530、第二平行板电容器540和可变电介质厚度的平行板电容器510。可变电介质厚度的平行板电容器510由第一导电板512、可变厚度电介质层和第二导电板514组成。类似于图5B，第一多路复用器500还包括由第一迹线区段TS1、第二迹线区段TS2和第三迹线区段TS3组成的平面二维(2D)螺旋电感器520。
与第二多路复用器550相比，第一多路复用器500被布置成具有可变电介质厚度的平行板电容器510与2D螺旋电感器520的迹线区段(TS1、TS2、TS3)之间的减小的重叠。在本公开的一个方面，可变电介质厚度的平行板电容器510可以对应于图3的多路复用器300的第一平行板电容器310。在一个示例配置中，平行板电容器510的电介质层厚度减小以满足特定电容密度和电容器尺寸规范。结果，平行板电容器510与2D螺旋电感器520的迹线区段(TS1、TS2和TS3)的重叠减少。特别地，平行板电容器510仅与2D螺旋电感器520的第一迹线区段TS1的一部分重叠。
在一个示例配置中，重叠区域可以被表示为电容器的导电板的总面积的百分比。在另一种配置中，重叠区域可以被表示为特定测量，诸如0.1微米(μm)。在又一种配置中，重叠区域可以在螺旋电感器的多个迹线区段方面被表示。例如，平行板电容器510被称为通过第一迹线区段TS1的一部分与2D螺旋电感器520重叠，并且串联耦合的平行板电容器560被称为通过多于一个迹线区段与2D螺旋电感器570重叠。
图6示出了根据本公开的一个方面的第一串联耦合电容器610和第二串联耦合电容器620的俯视图600。在本公开的一个示例方面，第二串联耦合电容器620具有固定厚度。例如，50×50μm的固定电介质层厚度可以利用两个SiNx电容器来实现，这两个SiNx电容器在两个电容器622和624之间具有固定的大间隙623。
仍然参考图6，第一串联耦合电容器610具有增加的电介质层厚度，以实现不同的电容密度和封装尺寸规范。例如，通过在同一板上串联连接四个电容器612、614、616和618来增加电介质层的厚度，其中在电容器614与电容器616之间具有减小的间隙613。诸如在第一串联耦合电容器610中示出的示例配置可以导致更厚的电介质层和更大的电容器尺寸。这又可以针对无源器件实现更好的容差和电容密度控制，这对于某些应用是期望的。在一个示例配置中，当利用电容器之间的减小的间隙613将四个电容器612、614、616和618串联连接在同一板上时，第一串联耦合电容器610可以具有100μm×100μm的厚度。
图7是用于制造具有厚度不同的多个电容器的无源器件的方法。在框702中，在衬底上沉积第一导电层以形成共享的第一导电板。衬底可以是衬底302，并且共享的第一导电板可以是图3的共享的第一导电板304。在框704中，在共享的第一导电板的第一部分上沉积具有第一电介质层厚度的第一电介质层。第一电介质层可以是图3的第一平行板电容器310的第一电介质层312。
再次参考图7，在框706中，在共享的第一导电板的第二部分上沉积具有第二厚度的第二电介质层。共享的第一导电板的第二部分可以与第一电介质层相邻，其中在第一电介质层与第二电介质层之间具有预定的间隔。在一个示例配置中，第一电介质层和第二电介质层具有相同的电介质材料，并且第二电介质层的厚度不同于第一电介质层的厚度。第二电介质层可以是如图3所示的第二平行板电容器320的具有第二电介质厚度326的第二电介质层322。
再次参考图7，在框708中，方法700包括在第一电介质层上沉积第二导电层以形成第一平行板电容器的第二板。在框710中，在第二电介质层上沉积第二导电层以形成第二平行板电容器的第二板。在一个示例配置中，框708和框710形成具有第一电介质厚度316的第一平行板电容器310以及具有小于第一电介质厚度316的第二电介质厚度326的第二平行板电容器320，如图3所示。
传统电容器是基于一种规范而被设计，其中电容器的电介质材料的常数和厚度不能在器件或平面内变化。然而，对于越来越多的应用，期望的电容密度和电容器尺寸可以从例如无源RF器件内的一个电容器到另一电容器而变化。例如，针对某些电容器可能期望高电容密度，并且针对其他电容器可能期望高品质(Q)因子。针对另一不同组的电容器可能期望高密度和高Q因子的组合。
一个这样的应用示例是射频(RF)前端(RFFE)器件的多路复用器或双工器，其适应宽范围的无线电频率(例如，从700MHz的基带一直到20GHz或更高)。对于特定频率范围，存在期望的电容密度，并且期望的电容密度随着使用中的频带的变化而变化。因此，期望定制电容器以满足RF应用的不同容量密度规范。在一些其他情况下，在同一无源器件内可能期望不同的电容大小或减小的电容大小以满足特定设计规范。
本公开的各方面提出了无源器件内的电容器电介质的厚度或材料的变化，以便以多密度MIM电容器的形式来适应不同电容密度或减小的电容器尺寸。根据本公开的一个方面，相同的电介质材料的仅厚度可以在一组电容器之间变化。这种方法的一个优点是，制造工艺相对简单，因为该工艺被校准到相同的电介质材料。根据本公开的另一方面，一组电容器的电介质材料的常数可以变化，同时保持电介质材料的厚度相同。
根据本发明的又一方面，电介质材料的常数和厚度都可以变化，以适应应用的特定设计规范。这种方法的一个优点是适应宽范围的电容密度，特别是当电容器尺寸受到限制时。本公开的其他优点包括在芯片的同一衬底上制造的电容器和电感器两者的质量改进。在一种配置中，电感器建立在电容器附近。通过增加电容器的电介质材料的厚度，可以在保持类似电容值的同时减小各电容器尺寸。这又可以通过减小电感器的插入损耗来改善电感器的性能。
图8是示出其中可以有利地采用本公开的一个方面的示例性无线通信系统800的框图。出于说明的目的，图8示出了三个远程单元820、830和850以及两个基站840。将认识到，无线通信系统可以具有更多的远程单元和基站。远程单元820、830和850包括包含所公开的多密度MIM电容器的IC器件825A、825C和825B。将认识到，其他设备也可以包括所公开的多密度MIM电容器，诸如基站、开关设备和网络设备。图8示出了从基站840到远程单元820、830和850的前向链路信号880以及从远程单元820、830和850到基站840的反向链路信号890。
在图8中，远程单元820被示出为移动电话，远程单元830被示出为便携式计算机，并且远程单元850被示出为无线本地回路系统中的固定位置远程单元。例如，远程单元可以是移动电话、手持个人通信系统(PCS)单元、诸如个人数字助理(PDA)等便携式数据单元、GPS使能设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、通信设备、娱乐单元，诸如抄表设备等固定位置数据单元、或者存储或取回数据或计算机指令的其他设备、或者其组合。尽管图8示出了根据本公开的各方面的远程单元，但是本公开不限于这些示例性示出的单元。本公开的各方面可以适用于包括所公开的多密度MIM电容器的很多设备。
图9是示出用于上文中公开的多密度MIM电容器的电路、布局和逻辑设计的设计工作站的框图。设计工作站900包括硬盘901，硬盘901包含操作系统软件、支持文件和诸如Cadence或OrCAD等设计软件。设计工作站900还包括显示器902，以便于设计电路910或多密度MIM电容器912。提供存储介质904，以用于有形地存储电路910或多密度MIM电容器912的设计。电路910或多密度MIM电容器912的设计可以以诸如GDSII或GERBER等文件格式存储在存储介质904上。存储介质904可以是CD-ROM、DVD、硬盘、闪存或其他适当的设备。此外，设计工作站900包括用于接受来自存储介质904的输入或向存储介质904写入输出的驱动装置903。
记录在存储介质904上的数据可以指定逻辑电路配置、用于光刻掩模的图案数据、或用于诸如电子束光刻等串行写入工具的掩模图案数据。数据还可以包括逻辑验证数据，诸如与逻辑模拟相关联的时序图或网络电路。通过减少用于设计半导体晶片的工艺数目，在存储介质904上提供数据有助于设计电路910或多密度MIM电容器912。
对于固件和/或软件实现，方法可以利用执行本文中描述的功能的模块(例如，过程、功能等)来实现。有形地实施指令的机器可读介质可以用于实现本文中描述的方法。例如，软件代码可以存储在存储器中并且由处理器单元执行。存储器可以在处理器单元内实现或者在处理器单元外部实现。如本文中使用，术语“存储器”是指长期、短期、易失性、非易失性或其他存储器类型，并且不限于特定存储器类型或存储器数目、或者存储有存储器的介质类型。
如果以固件和/或软件实现，则可以将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上。示例包括利用数据结构编码的计算机可读介质和利用计算机程序编码的计算机可读介质。计算机可读介质包括物理计算机存储介质。存储介质可以是可由计算机访问的可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储装置、磁盘存储装置或其他磁存储设备、或者可以用于以指令或数据结构的形式存储期望的程序代码并且可以由计算机访问的其他介质；如本文中使用，磁盘和光盘，其包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。
除了存储在计算机可读介质上之外，还可以将指令和/或数据作为信号在通信装置中包括的传输介质上提供。例如，通信装置可以包括具有指示指令和数据的信号的收发器。指令和数据被配置为引起一个或多个处理器实现权利要求中概述的功能。
尽管已经详细描述了本公开及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本公开的技术的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和更改。例如，关于衬底或电子设备使用诸如“上方”和“下方”等关系术语。当然，如果衬底或电子设备倒置，则上方变为下方，反之亦然。另外，如果侧向定向，则上方和下方可以是指衬底或电子设备的侧面。此外，本申请的范围不旨在限于在说明书中描述的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法和步骤的特定配置。本领域普通技术人员根据本公开将容易理解，根据本公开，可以利用与本文中描述的相应配置执行基本上相同的功能或实现基本上相同的结果的现有的或以后开发的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法或步骤。
所属领域的技术人员将进一步了解，结合本文中的公开内容而描述的各种说明性逻辑块、模块、电路和算法步骤可以实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，上面已经在其功能方面对各种说明性的部件、块、模块、电路和步骤进行了总体描述。这样的功能实现为硬件还是软件取决于特定应用和强加于整个系统的设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同方式实现所描述的功能，但是这种实现决策不应当被解释为导致脱离本公开的范围。
结合本文中的公开内容而描述的各种说明性逻辑块、模块和电路可以用被设计为执行本文中描述的功能的通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件部件或其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但是在替代方案中，处理器可以是任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合(例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或任何其他这样的配置)。
结合本公开而描述的方法或算法的步骤可以直接实施为硬件、由处理器执行的软件模块或两者的组合。软件模块可以驻留在RAM、闪存、ROM、EPROM、EEPROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中已知的任何其他形式的存储介质中。示例性存储介质耦合到处理器，使得处理器可以从存储介质读取信息和向存储介质写入信息。在替代方案中，存储介质可以是处理器的组成部分。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在替代方案中，处理器和存储介质可以作为分立部件驻留在用户终端中。
在一个或多个示例性设计中，所描述的功能可以用硬件、软件、固件或其任何组合来实现。如果用软件实现，则这些功能可以作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，包括便于将计算机程序从一个地方传送到另一地方的任何介质。存储介质可以是可以由通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为示例而非限制，这样的计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储器、磁盘存储器或其他磁存储设备、或者可以用于以指令或数据结构的形式携带或存储指定程序代码并且可以由通用或专用计算机或通用或专用处理器访问的任何其他介质。而且，任何连接都适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或无线技术(诸如红外线、无线电和微波)从网站、服务器或其他远程源传输软件，则介质的定义中包括同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术(诸如红外线、无线电和微波)。本文中使用的磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字通用盘(DVD)、软盘和蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述的组合也应当被包括在计算机可读介质的范围内。
提供先前对本公开的描述是为了使得所属领域的技术人员能够制作或使用本公开。对于本领域技术人员来说，对本公开的各种修改是很清楚的，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文中定义的一般原理可以应用于其他变型。因此，本公开不旨在限于本文中描述的示例和设计，而是符合与本文中公开的原理和新颖特征相一致的最宽范围。

Claims (24)

1.一种无源器件，包括：
电感器，包括多个互连迹线区段；以及
多个平行板电容器，所述多个平行板电容器中的每个平行板电容器具有在一对导电板之间的电介质层，所述多个平行板电容器中的每个平行板电容器与所述多个互连迹线区段中的不多于一个互连迹线区段重叠。
2.根据权利要求1所述的无源器件，其中所述电感器包括二维(2D)螺旋电感器，并且所述无源器件包括玻璃上无源(POG)器件。
3.根据权利要求1所述的无源器件，其中所述多个平行板电容器包括具有不同介电常数的金属绝缘体金属(MIM)电容器。
4.根据权利要求3所述的无源器件，其中所述金属绝缘体金属(MIM)电容器由不同的电介质材料组成。
5.根据权利要求3所述的无源器件，其中所述金属绝缘体金属(MIM)电容器具有不同的电介质厚度。
6.根据权利要求1所述的无源器件，被集成到射频(RF)前端模块中，所述RF前端模块被包含到音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、移动电话和便携式计算机中的至少一个中。
7.一种无源器件，包括：
在公共平面中的金属绝缘体金属(MIM)电容器的集合，所述MIM电容器的集合中的第一MIM电容器具有第一介电常数的第一单层电介质材料，并且所述MIM电容器的集合中的第二MIM电容器具有第二介电常数的第二单层电介质材料，所述第二介电常数不同于所述第一介电常数。
8.根据权利要求7所述的无源器件，进一步包括具有所述第一单层电介质材料和所述第一介电常数的第三平行板电容器，所述第三平行板电容器与所述第一电容器串联连接。
9.根据权利要求7所述的无源器件，进一步包括二维(2D)螺旋电感器。
10.根据权利要求7所述的无源器件，其中所述无源器件是多路复用器的一部分。
11.根据权利要求7所述的无源器件，被集成到射频(RF)前端模块中，所述RF前端模块被包含到音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、移动电话和便携式计算机中的至少一个中。
12.一种无源器件，包括：
在公共平面中的金属绝缘体金属(MIM)电容器的集合，第一电容器具有第一电介质层的第一电介质厚度和第一介电常数，并且第二电容器具有第二电介质层的第二电介质厚度，所述第一电介质厚度与所述第二电介质厚度不同，其中所述第一电介质层和所述第二电介质层具有相同的材料。
13.根据权利要求12所述的无源器件，进一步包括具有所述第一厚度和所述第一常数的第三电容器，所述第三电容器与所述第一电容器串联连接。
14.根据权利要求12所述的无源器件，其中所述第一电介质层和所述第二电介质层包括氮化硅(SiN)、氧化铝(AlO)和五氧化二钽(Ta2O5)。
15.根据权利要求12所述的无源器件，进一步包括二维(2D)螺旋电感器。
16.根据权利要求12所述的无源器件，其中所述无源器件是多路复用器的一部分。
17.根据权利要求12所述的无源器件，其中所述无源器件是移动设备的一部分。
18.根据权利要求12所述的无源器件，其中所述第一厚度和所述第二厚度的范围包括0.1微米至1微米。
19.根据权利要求12所述的无源器件，被集成到射频(RF)前端模块中，所述RF前端模块被包含到音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、移动电话和便携式计算机中的至少一个中。
20.一种射频(RF)前端模块，包括：
多路复用器，包括：电感器，包括多个互连迹线区段；以及多个平行板电容器，所述多个平行板电容器中的每个平行板电容器具有在一对导电板之间的电介质层，所述多个平行板电容器中的每个平行板电容器与所述多个互连迹线区段中的不多于一个互连迹线区段重叠；以及
天线，耦合到所述多路复用器的输出。
21.根据权利要求20所述的RF前端模块，其中所述多个平行板电容器包括具有不同介电常数的金属绝缘体金属(MIM)电容器。
22.根据权利要求21所述的RF前端模块，其中所述金属绝缘体金属(MIM)电容器由不同的电介质材料组成。
23.根据权利要求21所述的RF前端模块，其中所述金属绝缘体金属(MIM)电容器具有不同的电介质厚度。
24.根据权利要求20所述的RF前端模块，被包含到音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、导航设备、通信设备、个人数字助理(PDA)、固定位置数据单元、移动电话和便携式计算机中的至少一个中。
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