分布式LC滤波器结构的制作方法
本发明涉及包括电感部件和电容部件的集成滤波器结构。
背景技术：
近来，出现了使用越来越小、越来越智能和越来越自主的通信装置的物联网(iot)应用。这些应用有望在未来十年推动电子集成领域的创新。具体地，由于iot装置的关键特征是成本、尺寸和效率，因此提供高效率、高度集成的电源电路系统是iot应用研究的主要重点。
在电源的一般领域中，线性调节器现在已经被在越来越高的频率下操作的开关电感性dc-dc降压转换器取代了很多年。图1是示出降压dc-dc转换器的示例输出级100的电路图。如图1中所示，输出级100包括串联电感器102、并联电容器104和负载106。电感器102耦接在输出级100的输入端子与输出端子之间。通常，电感器102与寄生电阻110相关联。电容器104在输出端子与接地端子之间并联耦接至负载106。通常，电容器104与寄生电阻112和寄生电感114相关联。
在一种滤波应用中，例如通过开关在输入端子处提供方波输入信号108。输入信号108由电感器102积分以产生三角波信号。电容器104对三角波信号进行滤波以跨负载106生成低摆幅正弦输出信号。
在降压转换器的硅封装集成方面的尝试受到限制。一方面，这是因为：常规上，电感器102和电容器104由分立器件制成，分立器件由于技术(例如，厚度差异、热膨胀差异等)和可靠性原因不能容易地集成在封装中和/或硅上方。此外，由于esl(等效串联电感)性能较差，与分立无源部件的集成在开关频率方面受到限制，以防止不可接受的效率损失。然而，随着操作频率持续增加，允许越来越小的无源值，重新建立了对降压转换器集成的兴趣。
一些努力已经集中于减小电感器尺寸和增强电感器泄漏性能。已经针对减小电容性部件的esr(等效串联电阻)和esl做出了其他努力。例如，图2是基于无源集成公共基板
然而，到目前为止，现有方法趋向于分别优化电感器和电容器，导致以不同工艺技术制造的部件的效率低下、异构集成，特别是对于低功率转换器。另外，在诸如图2中所示的
鉴于以上问题而产生了本发明。
技术实现要素：
在一方面，本发明的某些实施方式使得分布式lc滤波器结构能够在同一结构中同时提供分布式电感和分布式电容。因此，消除了分立无源元件，并且实现了高度的同构集成。在根据本发明的另一方面的某些实施方式中，不是将由分布式电容产生的电感当作寄生(并且试图减小它)，而是这些实施方式调整分布式电感与分布式电容之间的互连，以利用该寄生电感来增加分布式lc滤波器结构的整体电感。类似地，调整分布式电感与分布式电容之间的互连以利用由分布式电感产生的寄生电容来与分布式电容相加，从而增加该结构的整体电容。
在一个实施方式中，本发明提供一种分布式lc滤波器结构。该分布式lc滤波器结构包括：基板，其具有蚀刻在其顶表面中的沟槽；第一导电层，其设置在沟槽中；第一绝缘体-金属结构，其在沟槽中设置在第一导电层的顶部上，第一绝缘体-金属结构包括设置在第一导电层的顶部上的第一绝缘体层和设置在第一绝缘体层的顶部上的第二导电层；第二绝缘体-金属结构，其在沟槽中设置在第一绝缘体-金属结构的顶部上，第二绝缘体-金属结构包括设置在第二导电层的顶部上的第二绝缘体层和设置在第二绝缘体层的顶部上的第三导电层；第一绝缘层，其沿着基板的顶表面沉积；第一金属层，其沉积在第一绝缘层的顶部上；第二绝缘层，其沉积在第一金属层的顶部上；第二金属层，其沉积在第二绝缘层的顶部上；第一接触阵列，其将第一导电层连接至第一金属层；第二接触阵列，其将第二导电层连接至第二金属层；以及第三接触阵列，其将第三导电层连接至第一金属层。
在一个实施方式中，第一导电层、第二导电层和第三导电层分别提供第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极形成分布式lc滤波器的第一电容性单元。在另一个实施方式中，第一电极、第二电极和第三电极形成分布式lc滤波器的与第一电容性单元并联的第二电容性单元。在又一个实施方式中，在第一电容性单元和第二电容性单元中的至少一个中，第一电极和第二电极形成第一电容，并且第二电极和第三电极形成与第一电容并联的第二电容。
在一个实施方式中，第二金属层提供分布式lc滤波器结构的电感。在另一个实施方式中，第一接触阵列、第二接触阵列和第三接触阵列中的至少一个被配置成使得第一电容性单元和第二电容性单元中的至少一个的寄生电感与由第二金属层提供的电感串联耦接。这样的耦接增加了分布式lc滤波器结构的整体电感，提供了更好的滤波性能。
在一个实施方式中，第一电容性单元和第二电容性单元位于第二金属层的整个长度之下，从而形成均匀分布的lc结构。在可替选实施方式中，第一电容性单元和第二电容性单元位于第二金属层的整个长度的仅一部分之下，从而形成非均匀分布的lc结构。
在一个实施方式中，分布式lc滤波器结构包括l+lc滤波器、lc+l滤波器或l+lc+l滤波器中的一个。这样的分布式滤波器结构的仅l部分仅包括由第二金属层提供的电感性部件，而不包括位于电感性部件之下的电容性单元。
在一个实施方式中，分布式lc滤波器结构的第二金属层具有长度和宽度，长度比宽度大至少100倍。
在一个实施方式中，第一金属层连接至接地端子，并且第二金属层连接至输入信号端子。
在一个实施方式中，第一接触阵列、第二接触阵列和第三接触阵列具有相等的接触密度。可替选地或另外地，第一接触阵列、第二接触阵列和第三接触阵列具有相等的间距。在另一个实施方式中，第一接触阵列、第二接触阵列和第三接触阵列具有相等的接触表面。
在一个实施方式中，分布式lc滤波器结构耦接至接合在基板上的电源管理集成电路(pmic)倒装芯片。
在一个实施方式中，分布式lc滤波器结构用于诸如降压转换器的dc-dc转换器中。
通过以下参照附图对实施方式的详细描述，本发明的其他特征、元件、特性和优点将变得更加显见。
附图说明
附图示出了本发明的某些实施方式，并且与说明书一起用于告知本领域技术人员关于如何使本发明生效。
图1是示出降压dc-dc转换器的示例输出级的电路图。
图2是基于
图3是示出根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的电路图。
图4是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的第一图案布局的顶视图。
图5是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的第二图案布局的顶视图。
图6是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图。
图7是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图。
图8是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图。
图9是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图。
图10a至图10g是示出根据实施方式的可以用于形成分布式lc滤波器结构的一系列图案布局的顶视图。
将参照附图描述本公开内容。一般地，元件第一次在其中出现的附图通常由相应附图标记中的最左侧的数字指示。
具体实施方式
本发明的实施方式克服了现有解决方案的缺陷。在一方面，实施方式使得分布式lc滤波器结构能够在同一结构中同时提供分布式电感和分布式电容。因此，消除了分立的无源元件，并且实现了高度的同构集成。另一方面，不是将由分布式电容产生的电感当作寄生(并且试图减小它)，而是实施方式调整分布式电感与分布式电容之间的互连，以利用该寄生电感来增加分布式lc滤波器结构的整体电感。类似地，调整分布式电感与分布式电容之间的互连以利用由分布电感产生的寄生电容来与分布式电容相加，从而增加了结构的整体电容。
图3是示出根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构300的电路图。例如，分布式lc滤波器结构300可以用作低通滤波器。在一个实施方式中，分布式lc滤波器结构300可以用作dc-dc降压转换器的输出滤波级。在另一个实施方式中，分布式lc滤波器结构300耦接至接合在基板上的电源管理集成电路(pmic)倒装芯片。
如图3中所示，示例lc滤波器结构300包括分布式电感器302和分布式电容器304。分布式电感器302包括多个串联的电感性部件302-1、......、302-n。每个电感性部件302-1、……、302-n可以具有相关联的寄生电阻306-1、......、306-n。分布式电容器304包括多个并联的电容性部件304-1、......、304-n。每个电容性部件304-1、……、304-n可以具有相关联的寄生电阻308-1、......、308-n。因此，分布式lc滤波器结构300基于使滤波器电感器在水平路径上串行化以及使并联电容器在竖直路径上并行化。
多个电感性部件302-1、......、302-n各自还可以包括相应的寄生电容，并且多个电容性部件304-1、......、304-n各自还可以包括相应的寄生电感。在一个实施方式(在图3中未示出)中，进行分布式电感器302与分布式电容器304之间的互连，使得除了实现图3中示出的电路之外，所述互连还允许多个电感性部件302-1、......、302-n的寄生电容与多个电容性部件304-1、......、304-n并联耦接。另外或替选地，在另一个实施方式中，进行分布式电感器302与分布式电容器304之间的互连，使得多个电容性部件304-1、......、304-n的寄生电感与多个电感性部件302-1、......、302-n串联耦接。因此，不是试图减小并联电容器的寄生电感和/或滤波器电感器的寄生电容，而是利用寄生来增加lc滤波器的并联电容和/或滤波器电感。从而改善所得到的lc滤波器的性能。
下面进一步描述的图4和图5示出了根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的图案布局。图4和图5中示出的分布式lc滤波器结构可以是分布式lc滤波器结构300的实施方式。
图4是示例分布式lc滤波器结构的第一图案布局400的顶视图。第一图案布局400示出了lc滤波器结构的沟槽图案404、第一导电层402、第二导电层406和第三导电层408的布局。在一个实施方式中，第一导电层402、第二导电层406和第三导电层408提供了形成lc滤波器结构的至少一个电容性单元的第一电极、第二电极和第三电极。出于呈现的目的，省略了不同导电层之间的中间层，例如隔离层。
在一个实施方式中，沟槽图案404通过蚀刻基板的顶表面而形成。然后第一导电层402设置在基板的顶表面上方并设置到由沟槽图案404形成的沟槽中。在图10a中示出了由第一导电层402和沟槽图案404产生的图案布局。沟槽图案404允许由lc滤波器结构形成的电容器的表面竖直延伸到基板中。因此，所得到的lc滤波器结构的电容增加。然而，在另一个实施方式中，可以在不将沟槽图案404蚀刻到基板中的情况下形成lc滤波器结构。
返回至图4，在在第一导电层404的顶部上设置第一绝缘体层(未示出)之后，根据所示图案，第二导电层406被设置在第一绝缘体层的顶部上并且设置到由沟槽图案404形成的沟槽中。在一个实施方式中，第一绝缘体层和第二导电层406形成lc滤波器结构的第一绝缘体-金属结构。如图4中所示，第二导电层406沿着基板的除了围绕第一接触阵列ca1的第一六边形区域之外的整个顶表面设置，第一接触阵列ca1被设置成将第一导电层402连接至该结构的第一金属层(未示出，下面进一步讨论)。图10b示出了由第一导电层402、沟槽图案404和第二导电层406产生的图案布局。围绕第一接触区域ca1(图10b中未示出)的第一六边形区域由数字1002表示。如本领域技术人员将理解的，区域1002可以具有除六边形形状以外的其他形状，诸如例如正方形、矩形或圆形形状。
返回至图4，然后在第二导电层406的顶部上设置第二绝缘体层(未示出)，并且在第二绝缘体层的顶部上设置第三导电层408。第三导电层408被设置到由沟槽图案404形成的沟槽中。在一个实施方式中，第二绝缘体层和第三导电层408形成lc滤波器结构的第二绝缘体-金属结构。如图4中所示，第三导电层408沿着基板的除了围绕第一接触阵列ca1的第二六边形区域(第二六边形区域包围由第二导电层406的不存在形成的第一六边形区域)和围绕第二接触阵列ca2的第三六边形区域之外的整个顶表面设置，第二接触阵列ca2被设置成将第二导电层406连接至结构的第二金属层(下面进一步讨论)。
图10c示出了由第一导电层402、沟槽图案404、第二导电层406和第三导电层408产生的图案布局。第二六边形区域由数字1006表示，并且第三六边形区域由数字1004表示。如本领域技术人员将理解的，区域1004和/或1006可以具有除六边形形状以外的其他形状，诸如例如正方形、矩形或圆形形状。
返回至图4，然后如图案ca3所示，第三接触阵列ca3被设置成将第三导电层408连接至结构的第一金属。图10d示出了由第一导电层402、沟槽图案404、第二导电层406、第三导电层408、第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3产生的图案布局。在一个实施方式中，第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3具有相等的接触密度(被定义为每表面单元的接触的数量)。在另一个实施方式中，第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3具有相等的接触表面(被定义为每表面单元的接触的累计表面)。在又一个实施方式中，第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3具有相等的接触间距(被定义为接触之间的距离)。在一个实施方式中，如图10d中所示，第一接触阵列ca1相对于第二接触阵列ca2错开并且与第三接触阵列ca3水平对齐，第三接触阵列ca3与第二接触阵列ca2竖直对齐。
图5是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的第二图案布局500的顶视图。第二图案布局400示出了lc滤波器结构的第一金属层502、第二金属层504和金属间绝缘层的布局。第二图案布局500是对图4中所示的第一图案布局400的补充布局，其中第二图案布局500形成在分布式lc滤波器结构中的第一图案布局400上方。
为了易于呈现，图5中示出了第一导电层402，因为第一导电层402限定了该结构的最底层。
在一个实施方式中，第一金属层502沉积在沿着基板的顶表面沉积的第一绝缘层(未示出)的顶部上。在一个实施方式中，第一绝缘层沿着基板的除了与由第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3形成的聚集图案相对应的区域之外的整个顶表面沉积。
如图5中所示，第一金属层502具有与基板的除了其中图案被中断以形成六边形岛的区域之外的顶表面相对应的图案。
图10e示出了由第一导电层402、沟槽图案404、第一金属层502、第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3产生的图案布局。在该图案布局中，第一金属层502包括矩形的岛，而不是如图5所示的六边形的岛。
返回至图5，然后在第一金属层502的顶部上形成第二绝缘层(金属间电介质)。在图5中，第二绝缘层沿着基板的除了由图案506限定的正方形开口之外的整个表面形成。在一个实施方式中，图案506对应于第二接触阵列ca2的位置，如上面所提到的，第二接触阵列ca2将第二导电层506连接至第二金属层504。
根据实施方式，在图10f中示出了由第一导电层402、沟槽图案404、第一金属层502和第二绝缘层产生的图案布局。如图10f中所示，在该实施方式中，图案506还包括在其中第二绝缘层也被中断的带。
返回至图5，然后在第二绝缘层的顶部上沉积第二金属层504。如图5中所示，第二金属层504具有具有长度(l)和宽度(w)的线性形状，其中l比w大至少100倍。在图10g中示出了由沟槽图案404、第一金属层502、第二金属层504和第二绝缘层产生的图案布局。
在一个实施方式中，第二金属层504用于提供分布式lc滤波器结构的分布式电感。电感值l通过等式l＝f(i/w)与长度l和宽度w相关，其中f表示频率。在其他实施方式中，第二金属层504可以具有不同的布局，例如曲折图案、平面环或螺旋形。
图6是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图600。在一个实施方式中，截面视图600对应于上面图4和图5中所示的lc滤波器结构沿图5中所示的线c-c'的截面。
如图6中所示，第一导电层402、第二导电层406和第三导电层408设置在沟槽中。第一导电层402和第二导电层406被第一绝缘体层(未示出)隔开，并且第二导电层406和第三导电层408被第二绝缘体层(未示出)隔开。
层604对应于沉积在第三导电层408上方的第一绝缘层(第一金属间电介质)。层604沿着基板的除了开口以外的顶表面沉积，第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3通过开口竖直延伸，以分别接触第一导电层402、第二导电层406和第三导电层408。换言之，层604的图案是接触阵列ca1、ca2和ca3的聚集图案的补充。在图6中，可以看到与第二接触阵列ca2相对应的通过层602的两个开口。
根据上面参照图5讨论的图案，第一金属层502设置在层604上方。层602对应于沉积在第一金属层502上方的第二绝缘层(第二金属间电介质)。如所示，层602沿着基板的除了与图5中的图案506相对应的正方形开口之外的顶表面沉积。这允许第二金属层504接触第二导电层406。
图7是根据实施方式的示例分布式lc滤波器结构的截面视图700。在一个实施方式中，截面视图700对应于上面参照图4和图5描述的lc滤波器结构的截面。为了易于呈现，在截面视图700中未示出沟槽。
如图7中所示，分布式lc滤波器结构包括第一导电层702、第一绝缘体层704、第二导电层706、第二绝缘体层708、第三导电层710、第一绝缘层712、第一金属层714、第二绝缘层716、第二金属层718、第一接触阵列724、第二接触阵列720和第三接触阵列722。
在一个实施方式中，第一导电层702、第二导电层706、第三导电层710、第一金属层714、第二金属层718、第一接触阵列724、第二接触阵列720和第三接触阵列722分别对应于上面参照图4、图5和图6描述的第一导电层402、第二导电层406、第三导电层408、第一金属层502、第二金属层504、第一接触阵列ca1、第二接触阵列ca2和第三接触阵列ca3。
在一个实施方式中，第一导电层702设置在基板(未示出)的顶表面上。在另一个实施方式中，基板具有蚀刻在其顶表面中的沟槽，并且第一导电层702设置到沟槽中。
第一绝缘体层704设置在第一导电层702的顶部上，并且第二导电层706设置在第一绝缘体层704的顶部上。在一个实施方式中，第一绝缘体层704和第二导电层706形成分布式lc滤波器结构的第一绝缘体-金属结构。在一个实施方式中，第一绝缘体-金属结构设置在蚀刻到基板中的沟槽中。
第二绝缘体层708设置在第二导电层706的顶部上，并且第三导电层710设置在第二绝缘体层708的顶部上。在一个实施方式中，第二绝缘体层708和第三导电层710形成分布式lc滤波器结构的第二绝缘体-金属结构。在一个实施方式中，第二绝缘体-金属结构也被设置在蚀刻到基板中的沟槽中。
第一绝缘层712沿着基板的顶表面沉积在第三导电层710上方，并且第一金属层714沉积在第一绝缘层712的顶部上。形成第一接触阵列724以将第一金属层714连接至第一导电层702，并且形成第三接触阵列722以将第一金属层714连接至第三导电层710。
第二绝缘层716沉积在第一金属层714的顶部上，并且第二金属层718沉积在第二绝缘层716的顶部上。形成第二接触阵列720以将第二金属层718连接至第二导电层706。在一个实施方式中，第二金属层718提供分布式lc滤波器结构的电感。
在一个实施方式中，第一导电层702、第二导电层706和第三导电层710分别提供第一电极、第二电极和第三电极，第一电极、第二电极和第三电极形成分布式lc滤波器的第一电容性单元。如图7中所示，第一电容性单元包括由第一电极和第二电极形成的第一电容以及由第二电极和第三电极形成的第二电容。由于第一电极和第三电极两者均连接至第一金属层714，所以第一电容和第二电容并联。
在另一个实施方式中，第一电极、第二电极和第三电极形成分布式lc滤波器的与第一电容性单元并联的第二电容性单元(未示出)。在图7的截面视图700中，第二电容性单元将位于所示的第一电容性单元的左侧或右侧。
在又一个实施方式中，并联的电容性单元位于第二金属层718的整个长度之下，以创建均匀分布的结构。在另一个实施方式中，电容性单元仅位于第二金属层718的一部分之下，以创建非均匀分布的结构。例如，图9是根据实施方式的非均匀分布的lc滤波器结构的截面视图900。如图9中所示，电容性单元设置在该结构的部分902中，并且在该结构的部分904中不连续。因此，在部分904中，仅形成电感。因此，所得到的结构为lc+l结构。如本领域技术人员基于本文中的教导将理解的，可以通过形成/中断电容性单元在该结构的一个或更多个部分中的形成来形成其他结构。例如，分布式lc滤波器结构可以被设计成包括l+lc滤波器结构、lc+l滤波器结构或l+lc+l滤波器结构。
在一个实施方式中，例如，如图7中所示，第一金属层714经由接地路径728连接至接地端子，并且第二金属层718经由信号路径726连接至输入信号。在一个实现中，如图7中所示，信号连接被设计成增加接地路径728与信号路径726之间的互感。在另一实现中，如图8中所示，信号连接被设计成减小接地路径802与信号路径726之间的互感。
在另一个实施方式中，为了从电磁干扰(emi)发射的角度特别是在高频下增强lc分布式滤波器结构，在信号路径726上方(即，第二金属层718上方)设置接地平面层(未示出)。因此，限制了电磁场并且减少了与其他部件的干扰。
在一个实施方式中，第一接触阵列724、第二接触阵列720和第三接触阵列722中的至少一个被配置成使得第一电容性单元和第二电容性单元中的至少一个的寄生电感与由第二金属层718提供的电感串联耦接。可替选地或另外地，第一接触阵列724、第二接触阵列720和第三接触阵列722中的至少一个可以被配置成使得第二金属层718的寄生电容与第一电容性单元和第二电容性单元并联耦接。
在实施方式中，分布式lc滤波器结构可以被调谐以获得具有与集总lc滤波器等效的频率响应的滤波器。另外地，分布式电容设计与电容性单元之间的创新路由技术相结合允许非常灵活地调谐滤波器包络。在保持高效率并改善输出纹波的同时，可以增加滤波器抑制。
在以上实施方式中，已经主要描述了用于信号滤波用途的分布式lc结构。然而，如本领域技术人员将理解的，该结构不限于滤波应用，并且可以在各种其他应用中使用。例如，该结构可以用于沿着互连线、对地具有强电容耦合的传输线、低通单极滤波器或较高极阶滤波器中的低通单元提供分布式电容去耦。
实施方式的前述描述将如此充分地揭示本公开内容的一般性质，使得其他人可以在不脱离本公开内容的一般概念的情况下通过应用本领域技术范围内的知识，在无需过多的实验的情况下容易地修改和/或改编实施方式以用于各种应用。应理解，本文中的措词或术语是出于描述而非限制的目的，使得本说明书的术语或措词将由技术人员根据教导和指导来解释。
本公开内容的实施方式的广度和范围不应由上述示例性实施方式中的任何实施方式来限制，而应仅根据以下权利要求来限定。
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