CN113810003B - 基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器。本发明带通滤波器在经典的三阶切比雪夫带通滤波器的基础上，在源端口与谐振器1之间插入一个电容从而引入容性耦合，在上边带的带外抑制处产生一个传输零点；在源端口处并联一个LC谐振器，在下边带的带外抑制处产生一个传输零点；在负载端口处并联一个LC谐振器，在上边带的带外抑制处再产生一个传输零点，从而实现滤波器的高带外抑制性能。衬底介质采用砷化镓材料，其电阻率较以往的硅材料要高，所以能减少涡流效应带来的衬底损耗。因此该带通滤波器采用零点控制技术很好的实现了高带外抑制的功能，较好得覆盖了5G通信频段3300～4900MHz。
Description
技术领域
本发明属于射频/微波/毫米波技术领域，尤其涉及利用低损耗衬底砷化镓(GaAs)材料，具体是一种基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器。
背景技术
近年来集成无源器件(IPD)技术在5G手机、无线蓝牙、Wifi、可穿戴式等电子设备上应用越来越广泛，相比较于LTCC工艺，集成无源器件(IPD)工艺更容易实现射频器件的小型化并且更易于CMOS工艺集成，从而实现把整个射频收发前端集成在芯片中。目前，在IPD技术中，普遍应用的基本都是硅(si)和砷化镓(GaAs)衬底，砷化镓材料电阻率高，所以其涡流效应就较弱，设计出来的射频芯片的损耗就较小；玻璃衬底因其更低的介质损耗是IPD技术的优选材料，但是目前国内基于玻璃衬底的IPD技术并不成熟。综合起来看，砷化镓(GaAs)衬底在介质损耗和工艺制作方面均具有优势。传输零点可控技术在国内外的相关文献中也有报道，被大量地应用于微带PCB板级电路中，通过微带线耦合形式引入传输零点增强带外抑制能力，但是其尺寸很大不适合集成到芯片中；集总元器件零点控制技术主要有LC串联谐振器、LC并联谐振器以及在相关支路之间引入电感或电容等元器件以额外产生新的耦合。但是文献中很多都是采用单一的零点控制方式，这往往会导致较大的插入损耗，很少有文献把多种零点控制技术融合起来以产生高带外抑制性能并且具有插入损耗小的特点。本发明为了解决这个产品痛点，利用IPD工艺采用多种传输零点控制技术设计一款高性能的带通滤波器。目前市面上，尚未出现一款覆盖5G频段3300～4900MHz并且具有高带外抑制性能的IPD带通滤波器。
发明内容
本发明的目的在于实现一款覆盖5G频段3300～4900MHz，并且具有较高带外抑制性能的IPD带通滤波器，提供一种基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器。该滤波器在经典的切比雪夫带通滤波器的基础上，采用零点控制技术，较好的实现了高带外抑制性能，且整体结构紧凑、尺寸小、易于集成化。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器包括介质叠层(0)，以及主体电路；
所述介质叠层(0)采用多层结构，从下往上依次包括砷化镓衬底(1)、第一氮化硅介质层(2)、第二氮化硅介质层(3)、第三氮化硅层(4)、第四氮化硅介质层(5)、苯并环丁烯介质层(6)、第五氮化硅介质层(7)；介质叠层(0)多层间通过金属过孔连通；
所述主体电路包括第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三并联谐振器、输入输出端口、带外传输零点调谐元件；其中第一串联谐振器包括第一电感(14)、第一电容(15)，第二串联谐振器2包括第二电感(17)、第二电容(16)，第三并联谐振器包括第三电感(18)、第三电容(19)，带外传输零点调谐元件包括上边带带外传输零点调谐元件、下边带带外传输零点调谐元件、上边带带外抑制传输零点控制组件，上边带带外传输零点调谐元件包括第四电容(20)，下边带带外传输零点调谐元件包括第四串联电感(21)、第五电容(22)，上边带带外抑制传输零点控制组件包括第五电感(23)、第六电容(24)；输入端口的第一个地(8)接第三电感(18)的一端、第三电容(19)的一端，第三电感(18)的另一端接第三电容(19)的另一端、第一电容(15)的一端、第二电容(16)的一端、第四电容(20)的一端；输入端口的信号层(10)接第一电感(14)的一端、第四串联电感(21)的一端、第四电容(20)的另一端，第一电感(14)的另一端接第一电容(15)的另一端；输入端口的第二个地(9)接第五电容(22)的一端，第五电容(22)的另一端接第四串联电感(21)的一端；第二电容(16)的另一端接第二电感(17)的一端；第二电感(17)的另一端接第五电感(23)的一端、输出端口的信号层(13)；第五电感(23)的另一端接第六电容(24)的一端，第六电容(24)的另一端接输出端口的第二个地(12)；输出端口的第一个地(11)用以接探针。
作为优选，第一电感(14)、第二电感(17)、第三电感(18)、第四串联电感(21)、第五电感(23)均设置在苯并环丁烯介质层(6)的上表面；
作为优选，第一电容(15)、第二电容(16)、第三电容(19)、第四电容(20)、第五电容(22)、第六电容(24)采用双层金属板通过层间耦合构成等效电容，其中顶层金属板M2均设置在苯并环丁烯介质层(6)的上表面，底层金属板由第一金属层M1和第二金属层CAP通过过孔连接构成，其中第一金属层M1设置在第二氮化硅介质层的上表面，第二金属层CAP设置在第三氮化硅介质层的上表面；
作为优选，第一电感(14)、第二电感(17)、第三电感(18)、第四串联电感(21)、第五电感(23)采用螺旋电感；
作为优选，所述输入端口第一个地(8)、第二个地(9)、信号层(10)，以及输出端口第一个地(11)、第二个地(12)、信号层(13)均采用GSG的探针馈电形式；
本发明的另一个目的是提供上述基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备工艺，具体如下：
步骤(1)：对砷化镓GaAs衬底(1)晶圆进行表面清洗，即采用超声波丙酮浴、异丙酮、去离子水去除晶圆表面上的离子污染物、有机杂质和化学氧化物；
作为优选，所述砷化镓GaAs衬底(1)的厚度为100um。
步骤(2)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在砷化镓GaAs衬底(1)晶圆上表面沉积一层第一氮化硅介质层(2)；
作为优选，所述第一氮化硅介质层(2)的厚度为0.36um。
步骤(3)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第一氮化硅介质层(2)上表面沉积上一层第二氮化硅介质层(3)；
作为优选，所述第二氮化硅介质层(3)的厚度为0.05um。
步骤(4)：在第二氮化硅介质层(3)上表面溅射沉积第一种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成第一金属层M1；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第一种子金属层；
作为优选，第一金属层M1的厚度为1.065um。
步骤(5)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第一金属层M1上表面沉积上一层第三氮化硅层(4)；
作为优选，第三氮化硅层(4)的厚度为1.142um；
步骤(6)：在第三氮化硅层(4)上表面溅射沉积第二种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成第二金属层CAP；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第二种子金属层；第一金属层M1、第二金属层CAP通过过孔连接作为电容的底部金属板；
作为优选，第二种子金属层采用厚度为20nm的钛金属或厚度为80nm的金金属；
作为优选，第二金属层CAP的厚度为0.4um。
步骤(7)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第二金属层CAP上表面沉积上一层第四氮化硅介质层(5)；
作为优选，第四氮化硅介质层(5)的厚度为2.6um。
步骤(8)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第四氮化硅介质层(5)上表面沉积上一层苯并环丁烯介质层(6)；
作为优选，苯并环丁烯介质层(6)的厚度为0.501um。
步骤(9)：在苯并环丁烯介质层(6)上表面溅射沉积第三种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成顶层金属板M2和螺旋线金属；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第三种子金属层；顶层金属板M2作为电容的顶部金属板，螺旋线金属作为电感；
作为优选，顶层金属板M2的厚度为4um。
步骤(12)：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在顶层金属板M2和螺旋线金属上表面沉积上一层第五氮化硅介质层(7)；
作为优选，第五氮化硅介质层(7)的厚度为4.5um。
作为优选，第一至三种子金属层采用厚度为20nm的钛金属或厚度为80nm的金金属；
作为优选，第一至三种子金属层溅射沉积条件为温度250℃、气压1200毫托、气流2000立方厘米、射频功率100W，气流采用体积比1:19的甲硅烷和氨气混合物。
本发明的有益效果为：
1、采用砷化镓(GaAs)材料作为介质衬底，可降低器件的插入损耗。
2、引入多零点控制技术，提高带外抑制性能。
3、采用IPD集成电路制作工艺，使器件小型化，易于与射频收发前端集成在一个芯片内。
4、本发明的带通滤波器工作在5G频段3300～4900MHz，可有效填补这一市场空白。
5、适用于手机、无线蓝牙、Wifi、可穿戴式等无线通信系统中。
附图说明
图1为IPD工艺的叠层信息示意图；
图2为IPD带通滤波器的版图；
图3为对应图2所示IPD带通滤波器的仿真结果；
图4为LC串联谐振单元。
具体实施方式
为了更加清楚地说明本发明解决的问题、采用的技术方案和有益效果，下面结合图示说明本发明的具体实施方式，这里所描述的优选实施例子仅用于说明和解释本发明，并不用以限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应在本发明的保护范围之内。
一种基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器包括介质叠层(0)，以及主体电路；
如图1所示，介质叠层0从下往上依次包括采用多层结构，从下往上依次包括砷化镓衬底1、第一氮化硅介质层2、第二氮化硅介质层3、第三氮化硅层4、第四氮化硅介质层5、苯并环丁烯介质层6、第五氮化硅介质层7；介质叠层0多层间通过金属过孔连通；
如图2所示，所述主体电路包括第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三并联谐振器、输入输出端口、带外传输零点调谐元件；其中第一串联谐振器包括第一电感14、第一电容15，第二串联谐振器2包括第二电感17、第二电容16，第三并联谐振器包括第三电感18、第三电容19，带外传输零点调谐元件包括上边带带外传输零点调谐元件、下边带带外传输零点调谐元件、上边带带外抑制传输零点控制组件，上边带带外传输零点调谐元件包括第四电容20，下边带带外传输零点调谐元件包括第四串联电感21、第五电容22，上边带带外抑制传输零点控制组件包括第五电感23、第六电容24；输入端口的第一个地8接第三电感18的一端、第三电容19的一端，第三电感18的另一端接第三电容19的另一端、第一电容15的一端、第二电容16的一端、第四电容20的一端；输入端口的信号层10接第一电感14的一端、第四串联电感21的一端、第四电容20的另一端，第一电感14的另一端接第一电容15的另一端；输入端口的第二个地9接第五电容22的一端，第五电容22的另一端接第四串联电感21的一端；第二电容16的另一端接第二电感17的一端；第二电感17的另一端接第五电感23的一端、输出端口的信号层13；第五电感23的另一端接第六电容24的一端，第六电容24的另一端接输出端口的第二个地12；地(11)作为输出端口的第一个地用以接探针。
第一电感14、第二电感17、第三电感18、第四串联电感21、第五电感23均设置在苯并环丁烯介质层6的上表面；
第一电容15、第二电容16、第三电容19、第四电容20、第五电容22、第六电容24采用双层金属板通过层间耦合构成等效电容，其中顶层金属板M2均设置在苯并环丁烯介质层6的上表面，底层金属板由M1和CAP通过过孔连接构成，其中M1设置在第二氮化硅介质层的上表面，CAP设置在第三氮化硅介质层的上表面；
第一电感14、第二电感17、第三电感18、第四串联电感21、第五电感23采用螺旋电感；
所述输入端口第一个地8、输入端口信号层10、输入端口第二个地9、输出端口第一个地11、输出端口信号层13、输出端口第二个地12均采用GSG的探针馈电形式；
本发明IPD滤波器在传统的三阶带通滤波器的基础上，加入零点控制技术以实现高带外抑制性能。
传统的三阶带通滤波器主要由第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三并联谐振器组成；第一串联谐振器由第一电感14和第一电容15组成；第二串联谐振器由第二电感17和第二电容16组成；第三并联谐振器由第三电感18和第三电容19组成。
上边带的带外传输零点由第四电容20控制，此电容并联在滤波器的输入端口与第一串联谐振器之间；下边带的带外传输零点由一个第四串联电感21和第五电容22组成，并联在滤波器的输入端口；最后一个上边带的带外抑制传输零点由一个并联的第五电感23和第六电容24组成。
本发明专利的所有电感和电容值都在电磁仿真软件中进行了优化，具体的数值如下所示。
第一电感14的内直径95.05um，圈数4.5圈；
第二电感17的内直径102.569um，圈数4.5圈；
第三电感18的内直径47.5779um，圈数3.5圈；
第四串联电感21的内直径63.5673um，圈数8.5圈；
第五电感23的内直径6.00041um，圈数0.5圈；
第一电容15的金属板长度15.3754um，宽度23um；
第二电容16的金属板长度20.3339um，宽度27.0917um；
第三电容19的金属板长度16.0076um，宽度82.9983um；
第四电容20的金属板长度13.3643um，宽度30.8875um；
第五电容22的金属板长度23.8278um，宽度20.1627um；
第六电容24的金属板长度15.5294um，宽度21.4544um。
输入端口GSG8、10、9和输出端口GSG11、13、12，其pad尺寸为75um×75um。
本发明采用LC串联调谐器件与一个耦合电容共同形成了多零点控制技术以提高滤波器的带外抑制能力。上边带带外传输零点调谐元件包括第四电容20，下边带带外传输零点调谐元件包括第四串联电感21、第五电容22，上边带带外抑制传输零点控制组件包括第五电感23、第六电容24。前面的零点调谐元件是一个电容20，其插入在输入端口与第一个谐振器之间，根据滤波器耦合矩阵系数的原理，相当于引入电容耦合，从而产生一个传输零点；后面两个零点控制组件均为LC串联谐振式元器件，为了统一说明其原理统一为如图4以及推导过程如下：
图4所示的LC串联谐振单元的ABCD矩阵表达式为：
其中j表示虚数符号，ω表示功率单位瓦特，C表示电容，L表示电感；
根据S参数与ABCD矩阵的表达式可推导出其传输系数表达式为：
为了得到传输零点，令|S21|＝0，可得其零点表达式为：
所以只要确定好上下边带的带外抑制传输零点频率，代入公式3即可求得相应的电感和电容值，可作为初始值，后用电磁仿真HFSS进行优化。
如图3所示，该滤波器工作贷款完全覆盖5G通信频段3300～4900MHz；回波损耗S11基本都在-15dB以下；插入损耗S21小于1.8dB；带外抑制基本都在-20dB以下，实现高带外抑制目标。综上可知本发明IPD带通滤波器是一款结构紧凑、重量轻、尺寸小、易于与射频收发前端集成一块芯片中，满足5G无线通信对无源集成器件的需求。
上述实施例并非是对于本发明的限制，本发明并非仅限于上述实施例，只要符合本发明要求，均属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器，其特征在于包括介质叠层（0），以及主体电路；
所述介质叠层（0）采用多层结构，包括砷化镓衬底（1）、第一氮化硅介质层（2）、第二氮化硅介质层（3）、第三氮化硅层（4）、第四氮化硅介质层（5）、苯并环丁烯介质层（6）、第五氮化硅介质层（7）；
所述主体电路包括第一串联谐振器、第二串联谐振器、第三并联谐振器、输入输出端口、带外传输零点调谐元件；其中第一串联谐振器包括第一电感（14）、第一电容（15），第二串联谐振器包括第二电感（17）、第二电容（16），第三并联谐振器包括第三电感（18）、第三电容（19），带外传输零点调谐元件包括上边带带外传输零点调谐元件、下边带带外传输零点调谐元件、上边带带外抑制传输零点控制组件，上边带带外传输零点调谐元件包括第四电容（20），下边带带外传输零点调谐元件包括第四串联电感（21）、第五电容（22），上边带带外抑制传输零点控制组件包括第五电感（23）、第六电容（24）；输入端口的第一个地（8）接第三电感（18）的一端、第三电容（19）的一端，第三电感（18）的另一端接第三电容（19）的另一端、第一电容（15）的一端、第二电容（16）的一端、第四电容（20）的一端；输入端口的信号层（10）接第一电感（14）的一端、第四串联电感（21）的一端、第四电容（20）的另一端，第一电感（14）的另一端接第一电容（15）的另一端；输入端口的第二个地（9）接第五电容（22）的一端，第五电容（22）的另一端接第四串联电感（21）的一端；第二电容（16）的另一端接第二电感（17）的一端；第二电感（17）的另一端接第五电感（23）的一端、输出端口的信号层（13）；第五电感（23）的另一端接第六电容（24）的一端，第六电容（24）的另一端接输出端口的第二个地（12）；输出端口的第一个地(11)用以接探针。
2.如权利要求1所述的基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器，其特征在于第一电感（14）、第二电感（17）、第三电感（18）、第四串联电感（21）、第五电感（23）均设置在苯并环丁烯介质层（6）的上表面。
3.如权利要求1所述的基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器，其特征在于第一电容（15）、第二电容（16）、第三电容（19）、第四电容（20）、第五电容（22）、第六电容（24）采用双层金属板通过层间耦合构成等效电容，其中顶层金属板M2均设置在苯并环丁烯介质层（6）的上表面，底层金属板由第一金属层M1和第二金属层CAP通过过孔连接构成，第一金属层M1设置在第二氮化硅介质层的上表面，第二金属层CAP设置在第三氮化硅介质层的上表面。
4.如权利要求1所述的基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器，其特征在于第一电感（14）、第二电感（17）、第三电感（18）、第四串联电感（21）、第五电感（23）采用螺旋电感。
5.如权利要求1所述的基于集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器，其特征在于所述输入端口第一个地（8）、第二个地（9）、信号层（10），以及输出端口第一个地（11）、第二个地（12）、信号层（13）均采用GSG的探针馈电形式。
6.集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤（1）：对砷化镓GaAs衬底（1）晶圆进行表面清洗；
步骤（2）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在砷化镓GaAs衬底（1）晶圆上表面沉积一层第一氮化硅介质层（2）；
步骤（3）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第一氮化硅介质层（2）上表面沉积上一层第二氮化硅介质层（3）；
步骤（4）：在第二氮化硅介质层（3）上表面溅射沉积第一种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成第一金属层M1；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第一种子金属层；
步骤（5）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第一金属层M1上表面沉积上一层第三氮化硅层（4）；
步骤（6）：在第三氮化硅层（4）上表面溅射沉积第二种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成第二金属层CAP；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第二种子金属层；第一金属层M1、第二金属层CAP通过过孔连接作为电容的底部金属板；
步骤（7）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第二金属层CAP上表面沉积上一层第四氮化硅介质层（5）；
步骤（8）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在第四氮化硅介质层（5）上表面沉积上一层苯并环丁烯介质层（6）；
步骤（9）：在苯并环丁烯介质层（6）上表面溅射沉积第三种子金属层，然后晶圆被光掩模遮蔽，使用光刻胶形成底部金属的图形，通过电镀工艺形成顶层金属板M2和螺旋线金属；电镀后除去光刻胶以及去除光刻胶后暴露的多余第三种子金属层；顶层金属板M2作为电容的顶部金属板，螺旋线金属作为电感；
步骤（12）：采用等离子体增强化学气相沉积的方法在顶层金属板M2和螺旋线金属上表面沉积上一层第五氮化硅介质层（7）。
7.如权利要求6所述的集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备工艺，其特征在于砷化镓GaAs衬底（1）的厚度为100um，第一氮化硅介质层（2）的厚度为0.36um，第二氮化硅介质层（3）的厚度为0.05um，第三氮化硅层（4）的厚度为1.142um，第四氮化硅介质层（5）的厚度为2.6um，苯并环丁烯介质层（6）的厚度为0.501um，第五氮化硅介质层（7）的厚度为4.5um。
8.如权利要求6所述的集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备工艺，其特征在于第一金属层M1的厚度为1.065um；第二金属层CAP的厚度为0.4um；顶层金属板M2的厚度为4um。
9.如权利要求6所述的集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备工艺，其特征在于第一至三种子金属层溅射沉积条件为温度250℃、气压1200毫托、气流2000立方厘米、射频功率100W，气流采用体积比1:19的甲硅烷和氨气混合物。
10.如权利要求6所述的集成无源器件工艺的小型化传输零点可控带通滤波器的制备工艺，其特征在于第一至三种子金属层采用钛金属或金金属。
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