CN112382625A - 一种氮化镓基有源器件的保护环 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮化镓基有源器件的保护环，涉及新一代信息技术。所述的保护环包括设置在衬底上围成闭环的欧姆接触层，所述欧姆接触层上层叠第一金属层；所述的第一金属层通过纵向通孔连接上方的第二金属层，所述第二金属层设有微带线，所述微带线串接集总电容后与接地通孔电性连接。优点在于，通过合理调整集总电容的大小，可以使保护环的接地阻抗降到最低，将环内有源器件产生的高频噪声有效吸收，并且导出至参考地平面。仿真测试表明，添加保护环可将高频噪声隔离度提高10dB以上。第一金属层的设置可以降低欧姆接触层的寄生电阻。

Description

一种氮化镓基有源器件的保护环
技术领域
本发明涉及高频芯片的保护结构，尤其涉及一种氮化镓基有源器件的保护环。
背景技术
在第三代半导体集成电路领域，基于氮化镓工艺的毫米波射频芯片是5G通信芯片中最重要的模块之一。广泛应用于汽车雷达、飞机雷达、精确制导和卫星通信等。氮化镓HEMT是氮化镓芯片中最重要的有源器件，其高耐压、低噪声和高电子迁移率的特性十分适合高性能功率放大器(PA),低噪声放大器(LNA)和射频开关(SW)的设计。毫米波的频率范围是26.5～300GHz，在该频段所设计的氮化镓射频前端芯片由于频率高，功率大，常面临着有源器件间互相干扰的问题，并进一步造成芯片成品性能恶化等问题。因此，对有源器件进行抗干扰模块的设计变得尤为重要。
发明内容
本发明目的在于提供一种氮化镓基有源器件的保护环，以解决上述现有技术存在的问题。
本发明所述的一种氮化镓基有源器件的保护环，包括设置在衬底上围成闭环的欧姆接触层，所述欧姆接触层上层叠第一金属层；所述的第一金属层通过纵向通孔连接上方的第二金属层，所述第二金属层设有微带线，所述微带线串接集总电容后与接地通孔电性连接。
所述的第一金属层或第二金属层或欧姆接触层或纵向通孔由TiPtAu制成。
所述的第一金属层厚度为600nm至700nm；优选为650nm。
所述的第二金属厚度为1.05um至1.45um；优选为1.25um。
所述的欧姆接触层厚度为180nm至240nm；优选为210nm。
本发明所述的一种氮化镓基有源器件的保护环，其优点在于，通过合理调整集总电容的大小，可以使保护环的接地阻抗最小，将环内有源器件产生的高频噪声有效吸收，并且导出至参考地平面。仿真测试表面，可将高频噪声隔离度提高10dB以上。第一金属层的设置可以降低欧姆接触层的寄生电阻。
附图说明
图1是本发明所述保护环的结构示意图。
图2是图1中A处的层叠结构示意图。
图3是图1中B处的层叠结构示意图。
图4是接地通孔的等效电路图。
图5是本发明所述保护环的等效电路图。
图6是对本发明所述保护环进行仿真测试的电路结构图。
图7是图6所示电路对应的等效电路图。
图8是仿真效果的曲线图。
附图标记：
gnd Via～接地通孔、TL～微带线、Sub～衬底、GaN HEMT～氮化镓基HEMT；Met in～第二金属层、co via～纵向通孔、Met1～第一金属层、Oh-C～欧姆接触层。
Lvia～接地通孔的等效电抗、Rvia～接地通孔的等效电阻；ROh&m1～欧姆接触层和第一金属层串联的等效电阻、RTL～微带线的等效电阻、LTL～微带线的等效电抗、C1～集总电容；R～保护环的总寄生电阻、L～保护环的总寄生电抗、C～保护环的总寄生电容。
Guard ring～本发明所述的保护环；M1～信号注入区、M2～信号接收区；R1～第一电阻、R2～第二电阻；Power Source～信号源、Detect～探测器。
具体实施方式
如图1-图2所示，本发明所述的一种氮化镓基有源器件的保护环设置在芯片的衬底之上，包括围成闭环的欧姆接触层Oh-C，以及层叠设置在所述欧姆接触层上的第一金属层Met1。所述的第一金属层通过纵向通孔连接上方的第二金属层，所述第二金属层设有微带线，所述微带线串接集总电容后与接地通孔电性连接。在欧姆接触层和第一金属层围成的空间内，可设置有源器件。本实施例中的有源器件以氮化镓HEMT为例。
欧姆接触层和第一金属层组成高频噪声的吸收环，可以是吸收环内向外扩散的高频噪声，同样也可以吸收环外向内输入的高频噪声。所述的第一金属层或第二金属层或欧姆接触层或纵向通孔可以由TiPtAu材料制成。其中欧姆接触层用于与衬底进行电学耦合。第一金属层的设置可以有效降低欧姆接触层的寄生电阻，使得高频噪声更容易进入保护环。
在吸收环周围设置若干纵向通孔，所述纵向通孔贯穿且电性连接第二金属层Metin和第一金属层Met1。所述第二金属层位于第一金属层上方，且设有若干微带线TL。每一纵向通孔均电性连接一微带线TL的一端，微带线TL的另一端串接集总电容C1后与接地通孔gnd Via电性连接。
本发明还提供所述保护环的参数范围：所述的第一金属层厚度为600nm至700nm；优选为650nm。所述的第二金属厚度为1.05um至1.45um；优选为1.25um。所述的欧姆接触层厚度为180nm至240nm；优选为210nm。
原理分析：接地通孔的寄生电抗和寄生电阻等效如图4所示。将第二金属层的微带线、集总电容和接地通孔进行串联，从而构成串联RLC谐振网络，其等效电路如图5所示。由于微带线和接地通孔具有较大的寄生电感，高频噪声的接地路径阻抗较大，会使得屏蔽效果降低。因此串联集总电容与寄生电感形成串联RLC谐振网络。在谐振频率附近，串联RLC谐振网络的阻抗达到最小值，即高频噪声短路到地的路径阻抗最小，此时隔离度达到最佳。通过调节集总电容的大小，串联RLC谐振网络的中心频率发生变化，因此可以根据需要调整最佳隔离度的中心频率。
其中微带线寄生电容影响极小，因此忽略以简化分析，因此总寄生电容C等于集总电容C1。在整个串联链路中，总寄生电感与集总电容将产生谐振效应，其谐振频率为
Figure BDA0002777940330000041
品质因子为
Figure BDA0002777940330000042
在谐振频率附近，串联RLC谐振效应使得保护环的接地阻抗达到最小值，即Zresonance＝Roh&m1+RTL+Rvia。在实际芯片设计中，接地阻抗Zresonance通常是一个比衬底寄生电阻小很多的值。因此衬底中的高频噪声将通过阻抗更低的保护环流向地面，达到防止高频噪声在整个衬底中扩散的目的。
仿真验证：设计如图6所示的电路结构，在衬底上放置两个相隔一定距离的信号注入区M1和信号接收区M2。所述的信号注入区M1外围设置本发明所述的保护环，然后通过导线对地串接第一电阻R1和信号源Power Source。所述的信号接收区M2外围不设置任何保护结构，通过导线对地串接第二电阻R2和探测器Detect。其中保护环的微带线长度取200um，集总电容为0.1pF，第一电阻R1和第二电阻R2均取值50Ω，谐振频率大概在25-30GHz之间，其等效电路如图7所示。
信号源将高频交流信号通过信号注入区M1注入衬底，然后在信号接收区M2上检测泄露信号的强度，并计算出S(2,1)值，得到如图8中所示的上方曲线。在谐振频率附近流入信号接收区M2的电流大小为
Figure BDA0002777940330000051
其中Iin为信号源输入电流。根据理论推导可知，保护环中的总寄生电阻越小，保护环品质因子越高，流入负载的电流噪声也就越小，从而隔离效果越好。所述负载在本实施例中为第二电阻R2。
然后保持仿真模型中的各项参数不变，将保护环删除，再进行泄露信号强度的检测，再次计算出S(2,1)值，得到如图8中所示的下方曲线。根据仿真结果可知，在加保护环后，隔离度提高了10dB以上。
其他技术拓展以及对其他在后技术方案的启示：欧姆接触层和第一金属层组成的吸收环可以通过增大宽度来降低寄生电阻；接地通孔可以通过增大尺寸来降低寄生电阻，以提高谐振的品质因子。此外，吸收环与被保护的有源器件的距离应尽可能小，以降低吸收环寄生电阻，例如设计的距离在10um至50um之间，还可以减少占用面积；优选30um。对于微带线的长度在一定范围内越大，谐振的品质因子越高，隔离效果就越好，但是带宽也将相应缩窄。所加入的集总电容可调整不同的取值来调节串联RLC谐振的中心频率，因此可以调整需要隔离的噪声频率。
对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，包括设置在衬底上围成闭环的欧姆接触层，所述欧姆接触层上层叠第一金属层；所述的第一金属层通过纵向通孔连接上方的第二金属层，所述第二金属层设有微带线，所述微带线串接集总电容后与接地通孔电性连接。
2.根据权利要求1所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的第一金属层或第二金属层或欧姆接触层或纵向通孔由TiPtAu制成。
3.根据权利要求1所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的第一金属层厚度为600nm至700nm。
4.根据权利要求3所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的第一金属层厚度为650nm。
5.根据权利要求1所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的第二金属厚度为1.05um至1.45um。
6.根据权利要求5所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的第二金属层厚度为1.25um。
7.根据权利要求1所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的欧姆接触层厚度为180nm至240nm。
8.根据权利要求7所述一种氮化镓基有源器件的保护环，其特征在于，所述的欧姆接触层厚度为210nm。
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