CN1306611C - 集成滤波器 - Google Patents
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Abstract
滤波器电路(10)形成在具有用介质层(38)作衬里的沟槽的半导体衬底(11)上。导电材料(37)放在沟槽中，并连接到节点(62)，提供改变输入信号(VIN)的频率响应的电容，产生滤波后的信号(VOUT)。静电放电装置包括连接到在衬底中形成的背靠背二极管(17、18)的电感(74)，当节点电压达到预定幅度时产生雪崩。
Description
技术领域
本发明一般涉及半导体器件，更具体地，涉及在半导体衬底上形成的低频滤波器网络。
背景技术
无线通信装置通常使用射频(RF)信号和较低频率的音频信号工作。例如，移动电话发射工作频率为6GHz或更高并用音频语音信息调制的RF载波信号。麦克风从语音信息产生音频信号，被放大和用来调制RF载波信号。大多数无线通信装置在麦克风输入端使用低通滤波器来抑制可能被麦克风“拾取”或检测到的周围的RF载波信号，以避免由于噪杂的操作、环路不稳定性或降低调制音频信号质量的其它影响导致通信装置的性能降低。为了实现该功能，低通滤波器具有在音频范围内的通带，即，小于大约20kHz。
目前，由于难以形成设置滤波器的低频通带的大元件值，所以这些音频滤波器用分立无源元件形成。但是，分立滤波器增加了无线装置的实际制造成本。基于半导体技术的集成滤波器具有更低的成本，但是由于集成音频元件同时提供足够的电压容量需要大量管芯面积，所以还没有实用。
因此，存在对提供高水平的频率选择同时保持低制造成本的集成滤波器的需求。
发明内容
根据本发明的一方面，提供一种对输入信号滤波的集成滤波器，包括：半导体衬底其形成有利用介质层作为衬里的沟槽；第一导电材料其被放置在所述沟槽中，并连接到节点，以提供改变输入信号的频率响应的电容，产生滤波后的信号；以及包括在衬底中形成的背靠背二极管的保护电路，当节点上的电压达到预定幅度时，产生雪崩。
根据本发明的另一方面，提供一种无线通信装置，包括：接收调制信号并发射无线通信装置的输出信号的功率级；用音频信号调制射频载波信号产生调制信号的调制器；将语音信息转换为音频信号的麦克风，其中麦克风接收输出信号的一部分；以及在半导体衬底上形成的插在麦克风与功率级之间的滤波器，用来衰减输出信号的射频分量，包括放在半导体衬底的沟槽中的第一导电材料，提供衰减射频分量的电容；以及包括在半导体衬底中形成的背靠背二极管的静电放电电路，将滤波器的端电压的幅度限制在预定值。
附图说明
图1是无线通信装置的框图；
图2是滤波器电路的示意图；
图3是集成在半导体衬底上的滤波器电路的剖面图；
图3A是图3的滤波器电路的顶视图，示出了电感；
图4是在备选实施例中的滤波器电路的剖面图；以及
图5是在另一个备选实施例中的滤波器电路的剖面图。
具体实施方式
在附图中，具有相同参考数字的元件具有类似的功能。
图1是无线通信装置3的框图，包括麦克风4、天线5、振荡器6、功率级7、调制器8音频放大器9和滤波器10。无线通信装置3将通过麦克风4收到的语音信息在滤波器10的引线64处转换为电输入信号VIN，并在两瓦或更大的功率值产生RF发射信号VXMIT，由天线5发射。在一个实施例中，构成通信装置3作为例如向蜂窝基站广播发射信号VXMIT的移动电话。
滤波器10是低通麦克风线路滤波器，用来为通信装置3的其它电路，例如，音频放大器9，抑制输入信号VIN的RF成分。即，滤波器10通过输入信号VIN中的音频分量，同时去除或衰减RF分量。音频分量由麦克风4根据音频信息产生，而RF分量，例如，由天线5在VXMIT载波频率产生的入射电磁波产生。在移动电话的情况下，麦克风4靠近天线5，如果不衰减或抑制RF分量，则RF分量的幅度足以使音频放大器9过载，或导致信号失真、噪声、不稳定或对通信装置3的性能产生其它不希望的影响。滤波器10在引线65输出，产生滤波后的音频输出信号VOUT。规定滤波器10通过VIN的音频分量，同时在6GHz的频率下使RF分量至少衰减30dB。因此，VOUT基本由音频分量和少量RF分量构成，或没有RF分量。
音频放大器9放大输出信号VOUT，产生放大的音频信号VAUD。振荡器6在发射信号VXMIT所希望的载波频率产生RF振荡信号VOSC。调制器8用VAUD制VOSC，产生调制后的信号VMOD，VMOD耦合到功率级7并放大，产生发射信号VXMIT。在一个实施例中，VXMIT具有大约6GHz的RF载波频率。
图2是滤波器10的原理图，包括电阻24、电容21-22、钳位二极管27以及包括背靠背的二极管17-18和电感74的静电放电(ESD)装置20。输入信号VIN具有音频分量和不希望的RF分量。输出65产生在音频下工作的滤波后的输出信号VOUT，RF分量被衰减或抑制。构成滤波器10用来集成到半导体管芯上，形成集成电路。
ESD装置20的二极管17-18由在半导体衬底中形成结的背靠背的齐纳或雪崩二极管构成，如下面所述。二极管17-18称作背靠背二极管是由于它们的共阴极(或共阳极)排列导致不管VIN的极性如何，总有一个二极管是反偏的。ESD装置20泄放可能损坏敏感系统元件的短持续时间高电压峰值形式的静电能量。在一个实施例中，所形成的ESD装置20符合International Electrotechnical Commission标准IEC610004-2级别四。在图3的实施例中，当在节点66的电压幅度达到大约+14V和-14V时，二极管17-18使它们各自如图所示连接在一起的阴极对称击穿。在正电压峰值期间，二极管17正向偏置，二极管18在大约13.3V发生雪崩，在负电压峰值期间，二极管18正向偏置，二极管17在大约13.3V发生雪崩。或者，ESD装置20包括阳极而不是阴极连接在一起形成的背靠背二极管，来实现相同的保护功能。
电感74由平面螺旋电感形成，具有在1-5nH范围内的典型值。在一个实施例中，通过构图标准金属互连层形成电感74。
电容21-22由如图所示连接的沟槽电容形成，分别产生大约为C21＝C22＝1.0nF的电容，改变VIN的频率响应，产生滤波后的输出信号VOUT。沟槽设计提供具有较低等效串联电阻的电容21-22，因此得到高品质因数，在RF频率具有低阻抗和高质量滤波功能。
电阻24通常由具有低寄生衬底电容的薄膜电阻形成，用来提高滤波器的性能。电阻24与电容21-22一起构成滤波器10的特性频率响应。在一个实施例中，电阻24用具有选择的浓度的掺杂多晶硅形成，从而在小的管芯面积中产生指定的电阻值，同时对将电阻值保持在指定的容差中提供高级别的控制。在一个实施例中，电阻24的值控制在正或负10％之内。在一个实施例中，电阻24具有大约50欧姆的电阻值，并且电阻值的温度系数接近零。
箝位二极管27为雪崩二极管，通过击穿来限制引线65的电压波动，从而避免使放大器9的输入级过载。因此，箝位二极管27还在引线65处提供ESD保护功能。在一个实施例中，箝位二极管27由与二极管17或二极管18类似的结构形成，所以具有类似的特性，即，大约13.3V的击穿电压。
图3示出了在半导体衬底11上形成并构成集成的滤波器电路的滤波器10的剖面图，示出了电感74、电阻24、ESD装置20、箝位二极管27和电容21-22。
基底层30由半导体材料形成，并且重掺杂，作为滤波器10的低阻抗地平面。在一个实施例中，基底层30具有在1016和1021原子/cm3之间的范围内的掺杂浓度。例如，基底层30由掺杂的单晶硅构成，以提供p型导电性，并且掺杂浓度为大约2*1020原子/cm3。低电阻率的基底层30提供有效的地平面，衰减其他的将通过基底层30沿寄生信号路径传播从而产生串扰并降低滤波器性能的寄生信号。
在基底层30上生长外延层31，并掺杂产生n型导电性。外延层31与基底层30形成结，构成二极管18，所以选择外延层31的掺杂浓度，为二极管18提供指定的雪崩电压，例如13.3V。外延层31通常具有在2和10μm之间的范围内的厚度。在一个实施例中，外延层31生长到大约2.5μm的厚度，浓度为大约5*1017原子/cm3。
在外延层31上形成具有n型导电性的层32。通过从衬底11的表面35引入p型掺杂剂形成掺杂区33，产生作为二极管17的结。选择外延层32和掺杂区33的掺杂浓度，为二极管17提供指定的雪崩电压，例如13.3V。在一个实施例中，层32是生长到大约3μm的厚度，浓度为大约1*1017原子/cm3的外延层，掺杂区33具有大约1μm的厚度，表面浓度为大约6.0*1019原子/cm3。或者，外延层31生长到大约5.5μm的厚度，并且通过使外延层31经过覆盖p型扩散来降低其有效浓度从而将二极管17的击穿电压设置为所希望的水平而形成层32。该扩散步骤在深度小于大约3μm的范围内降低了外延层31的掺杂浓度。
形成隔离区或下沉区(sinker)12，作为p型导电性的环围绕ESD装置20，并具有大约20微米的深度，将ESD装置20与其它元件电隔离。通过外延层31-32扩散下沉区12，在表面35为基底层30提供外部的电接触，通过使用用来形成掺杂区33的工艺步骤增加掺杂区36容易实现。因此，掺杂区36具有p型导电性，通过掺杂区36将沉区12电连接到连接到引线62的互连布线上。
重掺杂沟道停止层34，以具有n型导电性和大约3μm的深度。沟道停止层34围绕掺杂区33，并防止表面35反转形成沟道，产生从掺杂区33到基底层20的导电路径。另外，沟道停止层34通过保证在ESD事件期间注入的横向电流的泄放以避免在表面35形成电流细丝(currentfilament)来增加ESD坚固性。
在表面35上放置介质材料并构图和蚀刻，以产生介质区45。在一个实施例中，介质区45由热氧化生长到大约500的二氧化硅和随后淀积的一层大约1μm厚的二氧化硅构成。
如图所示，通过在下沉区12中蚀刻半导体衬底11到大约7μm的深度形成多个沟槽40，由沟槽电容形成电容21。在替代实施例中，沟槽40包括沿表面35延伸的几行单个沟槽或单个蛇形线沟槽，并根据需要与观察平面交叉多次，以产生C21＝1.0nF的电容量。
形成介质材料衬在沟槽40的内表面上，形成介质衬里38。在一个实施例中，介质材料包括氮化硅，形成大约400的厚度。
淀积并蚀刻例如掺杂的多晶硅等导电材料，形成填充沟槽40的导电区37，作为电容21的第一电极，下沉区12作为第二电极。下沉区12通过用来形成掺杂区33的工艺步骤形成的浅的重掺杂的p型接触区36连接到引线62。电容22以相同的方式形成。
通过基底层30与外延层31的结形成箝位二极管27，并通过用如图所示的下沉区12围绕与其它元件隔离。因此，箝位二极管27具有与ESD装置20中的二极管18类似的击穿特性。
淀积并蚀刻标准集成电路金属层，沿互连布线形成键合焊盘60和61。通过构图该标准集成电路金属层同时形成电感74。示意性地示出了其它互连布线，以简化附图。
节点64包括显示为例如焊料凸点或铜凸点的金属凸点的键合结构，用来以倒装芯片方式将滤波器10安装到系统电路板(未示出)上。或者，键合结构包括布线键合或其它合适的结构，用来提供外部电和/或机械连接。键合结构具有在大约0.05到0.1nH之间的寄生电感L64，对输入信号VIN产生阻抗或感抗X64＝2*π*fC*L64，其中fC是发射信号VXMIT的RF载波频率。例如，如果L64＝0.1nH，fC＝6.0GHz，则X64＝2*π*(6.0*109)*(0.1*10-9)具有大约4欧姆的值。
在节点65通过类似于节点64的结构提供输出信号VOUT。节点65的键合结构具有寄生电感L65，其值接近L64的值。
图3A为滤波器10的顶视图，示出了形成在键合焊盘60周围的电感74。在图3A的实施例中，电感74由限制在键合焊盘60的周围并且间隔大约20μm的单线圈形成。或者，电感74由具有多个线圈的平面螺旋电感形成。电感74通常具有在1和5nH之间的范围的电感值。电感74提供平滑功能，压平或积分ESD事件的电压峰值，从而改善滤波器10的坚固性。另外，电感74通过补偿由上述寄生电感L64和L65引起的高频信号的馈通来改善信号滤波。
图4是在替代实施例中滤波器10的剖面图。除了外延层31生长到大约5.5μm的厚度之外，之前介绍的部件具有类似的结构和操作。形成层32作为围绕掺杂区33的p型导电性的掩蔽区。在本实施例中，区域32具有相同的导电类型，但是比掺杂区33掺杂得更轻，具有将二极管17的击穿部分移到层32的下表面而不是侧面的作用。该调整保证二极管17具有大的有效击穿面积和低阻抗来泄放ESD事件产生的能量，从而提供高度的可靠性。
图5是在另一个替代实施例中滤波器10的剖面图，其中基底层30由高电阻率材料形成。在本实施例中，基底层30由有效载流子浓度为3*1012原子/cm3和电阻率为大约1000欧姆-cm的轻掺杂n型单晶硅构成。这种高电阻率改善了相邻元件之间的电隔离，减少了通过寄生信号路径的信号耦合，并改善了滤波器性能。
通过表面35注入p型掺杂剂，并扩散进入半导体衬底11，形成阱区51和54。在一个实施例中，形成深度为大约15μm的阱区51和54。阱区51和54掺杂到比下沉区12更低的浓度，但是用相同的热循环将阱区51和54以及下沉区12扩散到衬底11中。阱区51和54更低的浓度导致它们比下沉区12更浅。
n型掺杂剂通过介质区45中的开口引入衬底11，在阱区51中形成掺杂区52-53，在阱区54中形成掺杂区56。掺杂区52-53与阱区51形成分别作为ESD装置20的背靠背二极管17-18工作的结。调节阱区51和掺杂区52-53的浓度来提供预定的击穿电压，以满足ESD装置20的规定的性能。在一个实施例中，掺杂区52-53分别制作成矩形形状，以占据一侧为大约200μm的表面35的区域。注意，由于掺杂区52和53用相同的工艺步骤形成，所以雪崩击穿电压和其它性能参数相对于节点64的电压极性是对称的。
同样，掺杂区56和阱区54形成构成箝位二极管27的结。
综上所述，本发明提供一种集成的滤波器电路，实现指定的频率选择性，同时利用集成电路技术实现小的物理尺寸和低制造成本。形成具有用介质层作为衬里的沟槽的半导体衬底。用导电材料填充沟槽来提供对输入信号滤波的电容。在衬底中形成背靠背二极管，当静电放电电压达到预定幅度时，产生雪崩。
Claims (10)
1.一种对输入信号滤波的集成滤波器，包括：
衬底，其形成有利用介质层作为衬里的沟槽；
第一导电材料，其被放置在所述沟槽中，并连接到节点，以提供改变输入信号的频率响应的电容，产生滤波后的信号；以及
包括在衬底中形成的背靠背二极管的保护电路，当节点上的电压达到预定幅度时，产生雪崩。
2.根据权利要求1的集成滤波器，其中保护电路包括连接到背靠背二极管的电感。
3.根据权利要求1的集成滤波器，其中背靠背二极管包括：
与衬底的基底层形成第一结的第二导电类型的第一掺杂区；以及
具有第一导电类型的第二掺杂区，用来与第一掺杂区形成第二结，其中第二掺杂区连接到节点。
4.根据权利要求3的集成滤波器，其中第一掺杂区包括在基底层上生长的外延层。
5.根据权利要求3的集成滤波器，其中第二掺杂区包括：
具有第一表面浓度并扩散到第一深度的第一部分；以及
具有小于第一表面浓度的第二表面浓度并扩散到大于第一深度的第二深度的第二部分。
6.根据权利要求1的集成滤波器，其中在衬底的第一阱区中形成上述沟槽。
7.根据权利要求6的集成滤波器，其中在衬底的第二阱区中形成背靠背二极管，第二阱区与衬底具有相反的导电类型。
8.根据权利要求7的集成滤波器，其中背靠背二极管还包括：
在第二阱区中形成的第一掺杂区，用以提供背靠背二极管的第一结；以及
在第二阱区中形成的第二掺杂区，用以提供背靠背二极管的第二结。
9.根据权利要求1的集成滤波器，其中通过沟槽电容器产生电容，还包括连接到沟槽电容器的薄膜电阻。
10.一种无线通信装置，包括：
接收调制信号并发射无线通信装置的输出信号的功率级；
用音频信号调制射频载波信号产生调制信号的调制器；
将语音信息转换为音频信号的麦克风，其中麦克风接收上述输出信号的一部分；以及
在半导体衬底上形成的插在麦克风与功率级之间的滤波器，用来衰减上述输出信号的射频分量，该滤波器包括
设置在半导体衬底的沟槽中的第一导电材料，提供衰减射频分量的电容；以及
包括形成在半导体衬底中的背靠背二极管的静电放电电路，将滤波器的端电压的幅度限制在预定值。
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