一種基于硅通孔耦合電容分配的lc帶通濾波器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其在三維方向上形成一個分布式的電容器與電感器交叉排布的電路網(wǎng)絡(luò)，從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中，在每個電感器的兩端分別連接著一個耦合電容器；在該LCL電路中，通帶外的低頻和高頻輸入信號將被導(dǎo)通到地，類似于開路，只有通帶頻率內(nèi)的信號才能直接傳輸?shù)捷敵龆?，從而?shí)現(xiàn)了信號頻率的選擇；整個結(jié)構(gòu)僅由4段頂層金屬互連線和12個金屬柱構(gòu)成，具有面積緊湊、集成度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)；電感器和分配式耦合電容器的電感值和電容值都是由硅通孔之間的間距決定，因此本發(fā)明的LC帶通濾波器具有設(shè)計靈活的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】
一種基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種LC帶通濾波器，具體涉及一種基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，屬于面向射頻/微波集成電路應(yīng)用的無源器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微波、毫米波技術(shù)的迅猛發(fā)展，微波濾波器己經(jīng)成為無源微波器件的主角之一，在微波系統(tǒng)中用于分開或者組合不同頻率傳輸信號的重要器件。隨著單片微波集成電路技術(shù)和多芯片組件技術(shù)的發(fā)展，各類應(yīng)用于武器系統(tǒng)中的電子組件不斷向小型化、高性能、低功耗、低成本方向發(fā)展。然而，在微波濾波器的小型化方面還存在有很多問題，尤其是LC濾波器的小型化己經(jīng)成為微波電路小型化的一個瓶頸。
[0003]硅通孔(TSV)是一種穿透硅襯底的三維結(jié)構(gòu)，可以有效提高電路的集成度和電路系統(tǒng)的質(zhì)量和性能，工藝技術(shù)也日漸成熟，為硅基集成濾波器的設(shè)計和制造提供了新的方法。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于硅通孔耦合電容分配的、具有結(jié)構(gòu)緊湊、方便與傳統(tǒng)CMOS集成電路單片集成、面積小等優(yōu)點(diǎn)的LC帶通濾波器。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0006]—種基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，包括:頂層和底層，其特征在于，
[0007]前述底層為半導(dǎo)體襯底層(201)，采用硅材料制成，其上刻蝕有4列貫通上下表面的硅通孔，其中，第I列和第4列硅通孔各有2行，分別排布在左側(cè)和右側(cè)水平居中位置，行間距等于硅通孔的直徑;第2列和第3列硅通孔按2列、4行的陣列結(jié)構(gòu)排布在中心位置，在該陣列中，行、列間距均等于硅通孔的直徑;前述硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱(203)，前述金屬柱(203)與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層(202);
[0008]前述頂層為頂層介質(zhì)層(101)，采用絕緣材料制成，其上設(shè)置有若干條頂層金屬互連線(102)和12塊金屬板，前述12塊金屬板均為邊長等于硅通孔直徑的正方形金屬板，這些正方形金屬板覆蓋在6對金屬柱(203)的頂端，其中，位于第I列第I行的金屬板為頂層第一金屬極板(103)，前述頂層第一金屬極板(103)為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第2列第2行和第3行的金屬板連接，前述頂層金屬互連線(102)以S形的方式進(jìn)行布置;位于第4列第2行的金屬板為頂層第二金屬極板(104)，前述頂層第二金屬極板(104)為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第3列第2行和第3行的金屬板連接，前述頂層金屬互連線(102)以S形的方式進(jìn)行布置；位于第I列第2行的金屬板為一個頂層金屬地極板(105)，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第2列第4行和第3列第4行的金屬板連接，前述頂層金屬互連線(102)以平直的方式進(jìn)行布置;位于第4列第I行的金屬板為另一個頂層金屬地極板(105)，其通過頂層金屬互連線
(102)與位于第2列第I行和第3列第I行的金屬板連接，前述頂層金屬互連線(102)以平直的方式進(jìn)行布置；
[0009]頂層和底層依次疊加組成整體后，底層第I列金屬柱(203)在豎直平面內(nèi)形成一個耦合電容器，頂層第一金屬極板(103)為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板(105)為該耦合電容器的另一個極板;底層第4列金屬柱(203)在豎直平面內(nèi)形成另一個耦合電容器，頂層第二金屬極板(104)為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板(105)為該耦合電容器的另一個極板;第2列和第3列的金屬柱(203)共同形成一個分配式的耦合電容陣列，該耦合電容陣列可分配成3個子電容，第一個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板接地，第二個子電容的上極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板接地，第三個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102);連接第I列第I行、第2列第2行和第2列第3行金屬板的頂層金屬互連線(102)在頂層平面內(nèi)形成一個電感器;連接第4列第2行、第3列第2行和第3列第3行金屬板的頂層金屬互連線(102)在頂層平面內(nèi)形成另一個電感器;頂層和底層在三維方向上形成一個分布式的、電容器與電感器交叉排布的電路網(wǎng)絡(luò)，從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中在每個電感器的兩端分別連接著一個耦合電容器，這4個耦合電容器的下極板均接地。
[0010]前述的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作前述頂層介質(zhì)層(101)和絕緣層(202)使用的絕緣材料為二氧化硅層氮化硅層氮氧化硅。
[0011]前述的基于娃通孔親合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作前述金屬柱(203)使用的材料為銅或鋁。
[0012]前述的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作前述頂層金屬互連線(102)、頂層第一金屬極板(103)、頂層第二金屬極板(104)和頂層金屬地極板
(105)使用的材料為銅或鋁。
[0013]本發(fā)明的有益之處在于:
[OOM]( — )親合電容
[0015]底層第I列金屬柱在豎直平面內(nèi)形成一個耦合電容器，底層第4列金屬柱在豎直平面內(nèi)形成另一個耦合電容器；
[0016]上述2個耦合電容器主體都制作在半導(dǎo)體襯底層(硅材料)中，位于輸入/輸出極板和金屬地極板的正下方，相當(dāng)于不消耗任何芯片面積，可以大幅降低本發(fā)明LC帶通濾波器的制作成本。
[0017](二)分配式耦合電容
[0018]第2列和第3列的金屬柱在豎直平面內(nèi)共同形成一個分配式的耦合電容陣列，由于第2列第I行和第4行、第3列第I行和第4行的金屬板均與頂層金屬地極板連接，且第2列第2行和第3行的金屬板均與左側(cè)的頂層金屬互連線連接，第3列第2行和第3行的金屬板均與右側(cè)的頂層金屬互連線連接，所以該耦合電容陣列可分配成3個子電容，第一個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線，下極板接地，第二個子電容的上極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線，下極板接地，第三個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線，下極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線；
[0019]上述第2列和第3列的金屬柱(共8個)通過耦合電容分配的方式形成了3個子電容，且這三個子電容形成字形連接關(guān)系;該電容分配方式面積緊湊、結(jié)構(gòu)簡單、制作方便，且只需簡單改變金屬柱之間的間距即可改變3個子電容的容值分配比例，因此還具有很好的設(shè)計靈活性。
[0020](三)電感器
[0021]連接第I列第I行、第2列第2行和第2列第3行金屬板的頂層金屬互連線在頂層平面內(nèi)形成一個電感器;連接第4列第2行、第3列第2行和第3列第3行金屬板的頂層金屬互連線在頂層平面內(nèi)形成另一個電感器；
[0022]上述兩個電感器采用電容極板之間的連接線形成，可以通過簡單改變頂層金屬互連線的長度和繞線圈數(shù)可以得到不同的電感值，結(jié)構(gòu)新穎、面積緊湊、設(shè)計靈活方便，尤其適合于高頻段濾波器應(yīng)用。
[0023](四)LC帶通濾波器
[0024]上述頂層和底層在三維方向上形成一個分布式的、電容器(C)與電感器(L)交叉排布的電路網(wǎng)絡(luò)，從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中在每個電感器(L)的兩端分別連接著一個耦合電容器，這4個耦合電容器的下極板均接地;在該LCL電路中，通帶外的低頻和高頻輸入信號將被導(dǎo)通到地，類似于開路，只有通帶頻率內(nèi)的信號才能直接傳輸?shù)捷敵龆?，從而?shí)現(xiàn)了信號頻率的選擇；
[0025]整個LC帶通濾波器結(jié)構(gòu)僅由4段頂層金屬互連線和12個金屬柱構(gòu)成，形成了5個有效耦合電容器和2個電感器，因此具有面積緊湊、集成度高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)；
[0026]構(gòu)成本發(fā)明的LC帶通濾波器的電感器和分配式耦合電容器的電感值和電容值都是由硅通孔之間的間距決定，因此本發(fā)明的LC帶通濾波器具有設(shè)計靈活的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明的LC帶通濾波器的頂層的主視圖；
[0028]圖2是本發(fā)明的LC帶通濾波器的底層的主視圖；
[0029]圖3是頂層和底層疊加后的透視圖；
[0030]圖4是圖3中的LC帶通濾波器的A-A’剖面圖；
[0031 ]圖5是本發(fā)明的LC帶通濾波器的等效電路模型示意圖；
[0032]圖6是本發(fā)明的LC帶通濾波器的仿真結(jié)果圖。
[0033]圖中附圖標(biāo)記的含義:101-頂層介質(zhì)層、102-頂層金屬互連線、103-頂層第一金屬極板、104-頂層第二金屬極板、105-頂層金屬地極板、201-半導(dǎo)體襯底層、202-絕緣層、203-
金屬柱。
【具體實(shí)施方式】
[0034]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作具體的介紹。
[0035]本發(fā)明的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器包括:頂層和底層。
[0036]1、底層
[0037]底層為半導(dǎo)體襯底層，采用硅材料制成。
[0038]參照圖2，半導(dǎo)體襯底層201上刻蝕有4列貫通上下表面的硅通孔，其中，第I列和第4列硅通孔各有2行，分別排布在左側(cè)和右側(cè)水平居中位置，行間距等于硅通孔的直徑;第2列和第3列硅通孔按2列、4行的陣列結(jié)構(gòu)排布在中心位置，在該陣列中，行、列間距均等于硅通孔的直徑。
[0039]此外，硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱203，金屬柱203與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層202。
[0040]制作金屬柱203使用的材料為銅或鋁。
[0041 ]制作絕緣層202使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0042]本發(fā)明的LC帶通濾波器可以在普通硅襯底上進(jìn)行制作，而且同一襯底的周邊可以放置其它普通有源和無源集成電路模塊，方便與傳統(tǒng)CMOS集成電路單片集成。
[0043]2、頂層
[0044]頂層為頂層介質(zhì)層，采用絕緣材料制成，使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。
[0045]參照圖1，頂層介質(zhì)層101上設(shè)置有若干條頂層金屬互連線102和12塊金屬板，制作頂層金屬互連線102和金屬板使用的材料為銅或鋁。
[0046]12塊金屬板均為邊長等于硅通孔直徑的正方形金屬板，這些正方形金屬板覆蓋在6對金屬柱203的頂端，其中:
[0047]位于第I列第I行的金屬板為頂層第一金屬極板103，為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，其通過頂層金屬互連線102與位于第2列第2行和第3行的金屬板連接；
[0048]位于第4列第2行的金屬板為頂層第二金屬極板104，為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，其通過頂層金屬互連線102與位于第3列第2行和第3行的金屬板連接；
[0049]位于第I列第2行的金屬板為一個頂層金屬地極板105，其通過頂層金屬互連線102與位于第2列第4行和第3列第4行的金屬板連接，該頂層金屬互連線102以平直的方式進(jìn)行布置；
[0050]位于第4列第I行的金屬板為另一個頂層金屬地極板105，其通過頂層金屬互連線102與位于第2列第I行和第3列第I行的金屬板連接，該頂層金屬互連線102以平直的方式進(jìn)行布置。
[0051 ] 3、頂層和底層依次疊加
[0052]頂層和底層依次疊加組成整體后，其最小面積僅為80um X 40um，中心頻率為20吉赫茲，為單片微波集成電路設(shè)計提供了新的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法。
[0053]參照圖3和圖4，頂層和底層依次疊加組成整體后:
[0054]底層第I列金屬柱203在豎直平面內(nèi)形成一個親合電容器，頂層第一金屬極板103為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板105為該耦合電容器的另一個極板；
[0055]底層第4列金屬柱203在豎直平面內(nèi)形成另一個耦合電容器，頂層第二金屬極板104為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板105為該耦合電容器的另一個極板；
[0056]第2列和第3列的金屬柱203共同形成一個分配式的耦合電容陣列，該耦合電容陣列可分配成3個子電容，第一個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線102，下極板接地，第二個子電容的上極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線102，下極板接地，第三個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線102，下極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線 102;
[0057]連接第I列第I行、第2列第2行和第2列第3行金屬板的頂層金屬互連線102在頂層平面內(nèi)形成一個電感器；
[0058]連接第4列第2行、第3列第2行和第3列第3行金屬板的頂層金屬互連線102在頂層平面內(nèi)形成另一個電感器；
[0059]頂層和底層在三維方向上形成一個分布式的、電容器與電感器交叉排布的電路網(wǎng)絡(luò)，從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中在每個電感器的兩端分別連接著一個親合電容器，這4個親合電容器的下極板均接地。
[0060]4、等效電路
[0061]圖5是本發(fā)明的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器的等效電路。
[0062]從圖5可知:從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中在每個電感器(L)的兩端分別連接著一個耦合電容器，這4個耦合電容器的下極板均接地。
[0063]在該電路中，通帶外的低頻和高頻輸入信號將被導(dǎo)通到地，類似于開路，只有通帶頻率內(nèi)的信號才能直接傳輸?shù)捷敵龆耍员景l(fā)明的LC帶通濾波器具有很好的頻率選擇性。
[0064]5、基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器的性能檢測
[0065]圖6是本發(fā)明的LC帶通濾波器的仿真結(jié)果圖。
[0066]由圖6可知:
[0067](I)該帶通濾波器通帶中心頻率約為2.3GHz，帶寬為3.5GHz，插入損耗小于0.5dB ；
[0068](2)阻帶內(nèi)，OGHz?0.25GHz和4.55?8GHz范圍內(nèi)，抑制大于1dB。
[0069]需要說明的是，上述實(shí)施例不以任何形式限制本發(fā)明，凡采用等同替換或等效變換的方式所獲得的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，包括:頂層和底層，其特征在于， 所述底層為半導(dǎo)體襯底層(201)，采用硅材料制成，其上刻蝕有4列貫通上下表面的硅通孔，其中，第I列和第4列硅通孔各有2行，分別排布在左側(cè)和右側(cè)水平居中位置，行間距等于硅通孔的直徑；第2列和第3列硅通孔按2列、4行的陣列結(jié)構(gòu)排布在中心位置，在該陣列中，行、列間距均等于硅通孔的直徑;所述硅通孔內(nèi)填充有與硅通孔等高的金屬柱(203)，所述金屬柱(203)與硅通孔的內(nèi)壁之間還填充有絕緣層(202); 所述頂層為頂層介質(zhì)層(101)，采用絕緣材料制成，其上設(shè)置有若干條頂層金屬互連線(102)和12塊金屬板，所述12塊金屬板均為邊長等于硅通孔直徑的正方形金屬板，這些正方形金屬板覆蓋在6對金屬柱(203)的頂端，其中，位于第I列第I行的金屬板為頂層第一金屬極板(103)，所述頂層第一金屬極板(103)為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第2列第2行和第3行的金屬板連接，所述頂層金屬互連線(102)以S形的方式進(jìn)行布置;位于第4列第2行的金屬板為頂層第二金屬極板(104)，所述頂層第二金屬極板(104)為本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第3列第2行和第3行的金屬板連接，所述頂層金屬互連線(102)以S形的方式進(jìn)行布置;位于第I列第2行的金屬板為一個頂層金屬地極板(105)，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第2列第4行和第3列第4行的金屬板連接，所述頂層金屬互連線(102)以平直的方式進(jìn)行布置;位于第4列第I行的金屬板為另一個頂層金屬地極板(105)，其通過頂層金屬互連線(102)與位于第2列第I行和第3列第I行的金屬板連接，所述頂層金屬互連線(102)以平直的方式進(jìn)行布置； 頂層和底層依次疊加組成整體后，底層第I列金屬柱(203)在豎直平面內(nèi)形成一個耦合電容器，頂層第一金屬極板(103)為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸入極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板(105)為該耦合電容器的另一個極板;底層第4列金屬柱(203)在豎直平面內(nèi)形成另一個耦合電容器，頂層第二金屬極板(104)為該耦合電容器的一個極板，同時也是本發(fā)明LC帶通濾波器的輸出極板，對應(yīng)的頂層金屬地極板(105)為該耦合電容器的另一個極板;第2列和第3列的金屬柱(203)共同形成一個分配式的耦合電容陣列，該耦合電容陣列可分配成3個子電容，第一個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板接地，第二個子電容的上極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板接地，第三個子電容的上極板為與第2列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102)，下極板為與第3列第2行和第3行金屬板連接的頂層金屬互連線(102);連接第I列第I行、第2列第2行和第2列第3行金屬板的頂層金屬互連線(102)在頂層平面內(nèi)形成一個電感器;連接第4列第2行、第3列第2行和第3列第3行金屬板的頂層金屬互連線(102)在頂層平面內(nèi)形成另一個電感器;頂層和底層在三維方向上形成一個分布式的、電容器與電感器交叉排布的電路網(wǎng)絡(luò)，從輸入端到輸出端通路上串聯(lián)的元件分別為LCL結(jié)構(gòu)，其中在每個電感器的兩端分別連接著一個耦合電容器，這4個耦合電容器的下極板均接地。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作所述頂層介質(zhì)層(101)和絕緣層(202)使用的絕緣材料為二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作所述金屬柱(203)使用的材料為銅或鋁。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于硅通孔耦合電容分配的LC帶通濾波器，其特征在于，制作所述頂層金屬互連線(102)和金屬板使用的材料為銅或鋁。
【文檔編號】H01P1/203GK106099280SQ201610703062
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月22日
【發(fā)明人】尹湘坤, 朱樟明, 楊銀堂, 李躍進(jìn), 丁瑞雪
【申請人】西安電子科技大學(xué)