專利名稱：一種片上lc無源低通濾波器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種片上LC無源低通濾波器及其制備方法，確切說，一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器及其制備方法，屬射頻通信中片上無源器件及其制備的技術(shù)領(lǐng)域背景技術(shù)在射頻和微波通信中，片上LC無源低通濾波器可由片上電感和片上MIM電容，即片上LC電路和襯底組成，它便于實現(xiàn)片上集成(SOC)，是最終實現(xiàn)單片微波/射頻集成電路(MMIC/RFIC)的關(guān)鍵。
采用片上電感和片上MIM電容技術(shù)實現(xiàn)的片上LC無源低通濾波器具有制作工藝簡單和成本低廉的特點(diǎn)，更重要的是能與現(xiàn)今的CMOS工藝兼容。近年來隨著移動通信向小型化、低功耗化方向發(fā)展，對制作與CMOS工藝兼容的高品質(zhì)片上無源器件的研究也越來越多。如IEEE報道，1990年NHATM.NGUYEN等人采用硅雙極型工藝制作了片上LC無源低通濾波器，其通帶中心頻率處的插入損耗為2.5dB，截止頻率為880MHZ。但該濾波器的襯底的插入損耗較大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是推出一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器，該濾波器有濾波性能好的優(yōu)點(diǎn)，在通帶內(nèi)插入損耗小，幾乎完全抑制了由低阻硅襯底引入的插入損耗。此外，它還有其制作工藝能與CMOS工藝兼容的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案的特征在于，所述的濾波器含片上微電感、片上MIM電容、片上共面波導(dǎo)傳輸線和復(fù)合襯底，復(fù)合襯底由氧化多孔硅薄膜、多孔硅層和低阻硅片組成，多孔硅層夾在氧化多孔硅薄膜和低阻硅片之間，由片上微電感、片上MIM電容和片上共面波導(dǎo)傳輸線組成的片上LC無源低通濾波電路依附在氧化多孔硅薄膜上。
本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是推出一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器的制備方法，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案使上述第二個技術(shù)問題得到解決。
本發(fā)明的第二個技術(shù)方案的特征在于，用與CMOS工藝兼容的工藝，先制作由氧化多孔硅薄膜、多孔硅層和低阻硅片組成的復(fù)合襯底，再在氧化多孔硅薄膜上，形成由片上微電感、片上MIM電容和片上共面波導(dǎo)傳輸線組成的片上LC無源低通濾波電路。
現(xiàn)詳細(xì)說明本發(fā)明的第二個技術(shù)方案。一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器的制備方法，其特征在于，用與CMOS工藝兼容的工藝進(jìn)行制作，具體操作步驟第一步制作復(fù)合襯底先在HF乙醇溶液中，用電化學(xué)的陽極氧化法腐蝕低阻硅片的一個表面，在該表面上形成多孔硅層，接著用H2O2浸泡和去離子水沖洗后，將該低阻硅片烘干，然后用高溫濕氧氧化法，在多孔硅層的表面上形成氧化多孔硅薄膜，制得復(fù)合襯底；第二步制作片上LC無源低通濾波電路用熱蒸發(fā)法，先在氧化多孔硅薄膜上沉積第一金屬層，光刻形成片上MIM電容的下極板和片上微電感的下層金屬連線，然后再在第一金屬層上沉積介質(zhì)層，光刻形成使片上微電感的上、下層金屬連線能連通的過孔，最后，在介質(zhì)層上沉積第二金屬層，光刻形成片上微電感的漸開螺旋線、片上微電感的上層金屬連線、片上MIM電容的上極板和由一條信號線和兩條地線組成的片上共面波導(dǎo)傳輸線，至此，制得了基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步的特征在于，第一步中，氧化多孔硅薄膜、多孔硅層和低阻硅片的厚度分別為1μm、20μm和350μm。
本發(fā)明的技術(shù)方案的進(jìn)一步的特征在于，第二步中，第一金屬層是金層，第二金屬層是鋁層，介質(zhì)層是氮化硅層，金層、鋁層和氮化硅層的厚度分別為0.1μm、1μm和0.2μm。
工作原理。
本低通濾波器的片上LC無源低通濾波電路由片上微電感、片上MIM電容和片上共面波導(dǎo)傳輸線組成，該低通濾波電路依附氧化多孔硅/多孔硅上，截止頻率為1.2GHZ。當(dāng)加載在信號線上的信號的頻率低于截止頻率時，信號能通過；當(dāng)信號的頻率高于截止頻率時，信號因被大幅度衰減而不能通過。
射頻無源器件的損耗主要由兩種損耗組成襯底介電損耗和導(dǎo)體歐姆損耗。襯底介電損耗是由于襯底材料仍具有一定的電導(dǎo)率，不完全絕緣，由襯底電磁耦合而產(chǎn)生漏電流，所以其微波隔離效果隨襯底電阻減小而變差。襯底介電損耗αd的大小在很大程度上取決于襯底本身的絕緣性能以及工作頻率，可表示為αd＝27.3εr(εeff-1)tanδ/[εeff1/2(εr-1)λ0](dB/m)其中εr為襯底的相對介電常數(shù)，εeff為有效介電常數(shù)，δ為真空中襯底的介電損耗角，tanδ為真空中襯底的介電損耗角正切，λ0為自由空間波長。
對上式分析可知，降低襯底損耗的關(guān)鍵在于襯底介質(zhì)材料的選擇。選擇高電阻率的硅襯底，可減小襯底介質(zhì)損耗，但CMOS工藝所采用的襯底是低阻硅片，適合于高阻硅的工藝不能與CMOS工藝兼容。而本發(fā)明提出的制備方法在低阻硅片襯底上形成電阻率高且表面特性好的氧化多孔硅/多孔硅材料，是實現(xiàn)既能制得襯底插入損耗小的片上LC無源低通濾波器又能與CMOS工藝兼容的有效方法，有利于獲得較佳的器件和電路性能。
本發(fā)明與背景技術(shù)比較，有以下優(yōu)點(diǎn)在本低通濾波器通帶內(nèi)，所述的復(fù)合襯底的插入損耗比低阻硅襯底的插入損耗減少了40％，與高阻硅襯底的插入損耗相接近，幾乎完全消除了襯底的插入損耗；本發(fā)明的低通濾波器體積小，易于制造，生產(chǎn)成本低；而且，本發(fā)明的低通濾波器的復(fù)合襯底能與現(xiàn)今的CMOS工藝相兼容，即在復(fù)合襯底的低阻硅片上可用CMOS工藝制作CMOS器件。


圖1是本發(fā)明所涉及的低通濾波器的結(jié)構(gòu)俯視圖。圖2是圖1中AA’截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中1是第一金屬層，2是介質(zhì)層，3是第二金屬層，4是氧化多孔硅薄膜，5是多孔硅層，6是低阻硅片，7是片上微電感，8是片上MIM電容，9是信號線，10是地線，11是復(fù)合襯底，12是片上共面波導(dǎo)傳輸線。
具體實施例方式
實施例一種采用上述方法制備具有上述結(jié)構(gòu)的基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器。
先制作復(fù)合襯底11。低阻硅片6是晶向為100和緩電阻率ρ為0.01Ω·cm的硅片。將低阻硅片6浸入40％HF乙醇溶液中，HF∶C2H5OH的體積比＝1∶1，陽極氧化電流的電流密度為25mA·cm-2。陽極氧化時間，即腐蝕時間為20分鐘，在低阻硅片6上形成厚度為20μm的多孔硅層5。將低阻硅片6用H2O2浸泡和去離子水沖洗后，放入烘箱200℃烘干。然后在1180℃下，使多孔硅層5濕氧氧化30分鐘，在多孔硅層5的表面形成厚度為1μm的氧化多孔硅薄膜4，制得復(fù)合襯底11。
在復(fù)合襯底11上制作片上LC低通濾波電路。在氧化多孔硅薄膜4上熱蒸發(fā)淀積厚度為0.1μm的金層，作為第一金屬層1，光刻。再在第一金屬層1上沉積厚度為0.2μm氮化硅層，作為介質(zhì)層2，并光刻。最后，在介質(zhì)層2上沉積厚度約為1μm的鋁層，作為第二金屬層3，并光刻。所得的片上微電感7的圈數(shù)為4，外徑為390μm，線寬為15μm，線間距為10μm，片上MIM電容8的上、下極板都為200×200μm，信號線9和地線10的寬度分別為50μm和30μm。
權(quán)利要求
1.一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器，含片上微電感(7)、片上MIM電容(8)、片上共面波導(dǎo)傳輸線(12)，其特征在于，它還含復(fù)合襯底(11)，復(fù)合襯底(11)是由氧化多孔硅薄膜(4)、多孔硅層(5)和低阻硅片(6)組成，多孔硅層(5)夾在氧化多孔硅薄膜(4)和低阻硅片(6)之間，由片上微電感(7)、片上MIM電容(8)和片上共面波導(dǎo)傳輸線(12)組成的片上LC無源低通濾波電路依附在氧化多孔硅薄膜(4)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器，其特征在于，低阻硅片(6)的電阻率ρ＝0.01Ω·cm，多孔硅層(5)的厚度為20μm，氧化多孔硅薄膜(4)的厚度1μm，片上電感(7)的圈數(shù)為4，外徑為390μm，線寬為15μm，線間距為10μm，片上MIM電容(8)的上、下極板的厚度分別為1μm和0.1μm，片上MIM電容(8)的上、下極板都為200×200μm，片上MIM電容(8)的介質(zhì)是厚度為0.1μm的氮化硅薄膜，信號線(9)和地線(10)的寬度分別為50μm和30μm。
3.權(quán)利要求1所述的基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器及其制備方法，其特征在于，用與CMOS工藝兼容的工藝進(jìn)行制作，具體操作步驟第一步制作復(fù)合襯底(11)先在HF乙醇溶液中，用電化學(xué)的陽極氧化法腐蝕低阻硅片(6)的一個表面，在該表面上形成多孔硅層(5)，接著用H2O2浸泡和去離子水沖洗后，將該低阻硅片(6)烘干，然后用高溫濕氧氧化法，在多孔硅層(5)的表面上形成氧化多孔硅薄膜(4)，制得復(fù)合襯底(11)；第二步制作片上LC無源低通濾波電路用熱蒸發(fā)法，先在氧化多孔硅薄膜(4)上沉積第一金屬層，光刻形成片上MIM電容(8)的下極板和片上微電感(7)的下層金屬連線，然后再在第一金屬層上沉積介質(zhì)層，光刻形成使片上微電感(7)的上、下層金屬連線能連通的過孔，最后，在介質(zhì)層上沉積第二金屬層，光刻形成片上微電感(7)的漸開螺旋線、片上微電感(7)的上層金屬連線、片上MIM電容(8)的上極板和由一條信號線(9)和兩條地線(10)組成的片上共面波導(dǎo)傳輸線(12)，至此，制得了基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器。
全文摘要
一種基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC無源低通濾波器及其制備方法，該濾波器含片上微電感、片上MIM電容、片上共面波導(dǎo)傳輸線和復(fù)合襯底，復(fù)合襯底由氧化多孔硅薄膜、多孔硅層和低阻硅片組成，多孔硅層夾在氧化多孔硅薄膜和低阻硅片之間，由片上微電感、片上MIM電容和片上共面波導(dǎo)傳輸線組成的片上LC無源低通濾波電路依附在氧化多孔硅薄膜上，用與CMOS工藝兼容的工藝制作而成，有體積小，易于制造，生產(chǎn)成本低，能與現(xiàn)今的CMOS工藝相兼容，在通帶內(nèi)襯底插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H01P1/20GK1564372SQ20041001723
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月26日
發(fā)明者石艷玲, 劉赟, 王勇, 丁艷芳 申請人:華東師范大學(xué)