一种新型的分形PGS结构制造技术

本实用新型专利技术涉及一种新型的分形PGS结构。现有的片上螺旋电感、变压器由于产生交变的电磁场，会在衬底引起感应电流，产生能量损耗，降低了电感值和Q值。本实用新型专利技术的PGS位于线圈绕成的电感/变压器的中心部分，采用底层薄的金属层，通过分形理论的自相似和迭代原理在H形的基本单元和十字形的基本单元的基础上，构造一阶、二阶、三阶、甚至更高阶的图案接地屏蔽层。本实用新型专利技术有效的屏蔽掉渗透到衬底的电磁场，降低可在衬底和衬底表面区域产生的感应电流，达到降低衬底能量损耗和提高了电感值和品质因数的作用。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于集成电路
，具体涉及一种新型的应用分形理论的PGS(Patterned Ground Shield)结构，而此分形PGS结构主要应用于无源器件电感/变压器坐寸ο
技术介绍
随着CMOS射频集成电路的快速发展，高性能/低功耗/集成度的要求越来越高。而单元电路如低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器，功率放大器等是整个电路成功的基础，在这其中片上电感/变压器又是必不可少的元件，因此，其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。评价电感/变压器性能的一个重要指标是品质因数Q，它定义为电感在一个周期内存储的能量和损耗能量的比值，电感的Q值越大，表示该电感的质量越好。在片电感/变压器一般通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，因此它们是一个比较开放性的结构，其工作时候的电场和磁场会渗透到整个衬底之中，从而在衬底中以及衬底表面的区域产生反方向的感应电流，会反作用于金属线圈，会相对降低电感线圈的L值，同时也会导致额外的衬底能量损耗，降低了电感/变压器Q值。如果能够有效的减小参透到衬底的电磁场，对于减小损耗，提高电感/变压器线圈的L值和Q值以及减小变压器的插入损耗IL，是有很大影响。
技术实现思路
由上述可知，本技术要解决的问题是，利用线圈和衬底之间的薄的金属层制造一接地屏蔽层，有效的屏蔽掉渗透到衬底的电磁场，从而减小在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，达到降低衬底能量损耗和提高线圈的品质因数的作用。为了解决上述技术问题，本技术采用的技术方案如下—种新型的分形PGS结构，应用于片上螺旋电感或变压器，该分形PGS结构位于线圈绕成的电感或变压器的中心部分，采用底层的薄金属层，利用分形理论在基本图形单元的基础上，构造多阶的图案接地屏蔽层。所采用的薄金属层，可以是单层的，也可以是几层金属并联使用。所述的基本图形单元共有两种，分别是H形和十字形，这两种形状都是由相互垂直的金属条和平行的金属条合并为一体构成。本技术的有益效果一方面该技术基于原有的制作工艺，没有增加任何的工艺步骤，比较容易实现，也不会增加花费。另一方面该分形PGS结构，能够有效的屏蔽掉线圈渗透到衬底的电磁场，这样降低可在衬底和衬底表面区域产生的感应电流，既可以达到降低衬底能量损耗和提高品质因数的作用，又可以使得工作频率提高，并可增加慢波因子，使得波走的比较慢，缩小电路布局所需要的面积。附图说明图I为本技术的一阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图2为本技术的二阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图3为本技术的三阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图4为本技术的一阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图5为本技术的二阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图6为本技术的三阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构平面示意图。图7为本技术采用多层金属的H形接地屏蔽(PGS)结构的横截面示意图。图8为本技术采用多层金属的十字形接地屏蔽(PGS)结构的横截面示意图。图9为图4的不意图应用于Iv对称电感的L值与频率的关系图。图10为图4的不意图应用于Iv对称电感的Q值与频率的关系图。图11为图I的不意图应用于一个对称电感的L值与频率的关系图。图12为图I的不意图应用于Iv对称电感的Q值与频率的关系图。具体实施方式以下结合附图对本技术作进一步描述。图I为本技术的一阶H形分形接地屏蔽(PGS)结构应用于电感的一个实施例的平面示意图，如图所示，电感线11是由位于半导体衬底10 (例如硅衬底)的顶层金属绕制而成，电感线12a和12b由半导体衬底10的次顶层金属绕制而成，电感线11和12由空气隔离开，S为金属线圈间的间距。在电感的中心部分就是利用底层金属层制成的H形的一阶PGS基本单元13。基本单元13的构造细节首先选定一个中心点，构造H图形最中间的长为L、宽为W的横向金属条，起始点为-L/2、-W/2，终点为L/2、W/2，确保L、W变化时，图形始终位于中心；其次构造垂直于中间金属条的两侧的竖直的长L的两个金属条；然后构造垂直于两条竖直金属条的长为L/2的四个金属条；令所有金属条宽度W相等，最后把所有的金属条合并为一体，一阶的H形分形PGS基本图形单元13完成，接地部分由两侧的竖直金属条的中间部分引出连接到地(图中虚线部分)。二阶H形PGS结构图2就是利用分形理论的自相似及叠代原理在一阶H形PGS结构图I的基础上，叠加四个主长度为原来1/2、次长度为原来1/4、宽度不变的H图形13a。三阶H形PGS结构图3就是利用分形理论的自相似及叠代原理在二阶H形PGS结构图2的基础上，叠加十六个主长度为原来1/4、次长度为原来1/8、宽度不变的H图形13b。其实按照原理是可以无限迭代的，但是由于工艺等原因，只能用有限次迭代的准分形PGS结构，观察其对电感、变压器性能的影响。在上述的实施例中，电感的内径ID的取值范围为40μπι 120 μ m，电感线的线宽取值范围为2 μ m 10 μ m，间距S取值为2 μ m。且电感的类型不只限于例子，也可以是非对称电感以及电感的形状也不只限于例子，也可以是六边形、八边形、圆形等常用形状。H形的基本单元的金属条的长度L取值为10 μ m 70 μ m，宽度W取值范围为O. 12 μ m 2 μ m。图4为本技术的一阶的十字形分形接地屏蔽(PGS)结构应用于电感的一个实施例的平面示意图。和图的区别就是中心部分的PGS为十字形的基本单元13.基本单元13的构造细节首先选定一个中心点，构造两个相互垂直的长LI、宽Wl的金属条，起始点为-Ll/2、-Wl/2，终点为Ll/2、Wl/2，确保L1、W1变化时，图形始终位于中心；然后把两个金属条合并为一体，一阶的十字形PGS基本图形单元14完成，接地部分由十字形的四个顶点部分引出连接到地(图中虚线部分)。二阶的十字形PGS结构图5就是在一阶的十字形PGS结构图4的基础上，在主长度1/4处叠加四个长度为L1/2减去一个间距a，宽度为W1/2的垂直金属条14a。三阶的十字形PGS结构图6就是在二阶的十字形PGS结构图5的基础上，在主长度的1/8处和3/8处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W1/4的垂直金属条13b，在14a上次主长度的1/8处叠加八个长度为L1/4减去3/2倍的间距a，宽度为W1/4的垂直金属条14b。同样的其按照原理是可以无限迭代的，但是由于工艺等原因，只能用有限次迭代的准分形PGS结构，观察其对电感、变压器性能的影响。 在上述的实施例中，电感的内径ID的取值范围为40μπι 120μπι，电感线的线宽取值范围为2 μ m 10 μ m，间距S取值为2 μ m。且电感的类型不只限于例子，也可以是非对称电感以及电感的形状也不只限于例子，也可以是六边形、八边形、圆形等常用形状。十字形的基本单元的金属条的长度LI取值为40 μ m 120 μ m,宽度Wl取值范围为O. 12 μ m 4 μ m0图7为本技术的一个一阶的H形PGS结构采用多层金属制造的横截面示意图。如图所示，基本单元13采用底部的四个金属层M1、M2、M3、M4通过通孔并联形成一个厚金属层制本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型的分形PGS结构，应用于片上螺旋电感或变压器，其特征在于：该分形PGS结构位于线圈绕成的电感或变压器的中心部分，采用底层的薄金属层，利用分形理论在基本图形单元的基础上，构造多阶的图案接地屏蔽层。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘军，赵倩，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：实用新型
国别省市：