一种片上集成变压器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种片上集成变压器，尤其涉及射频集成电路中具有屏蔽层的片上集成变压器。
【背景技术】
[0002]近年来，随着CMOS工艺快速发展，集成化、小型化已经成为射频集成电路(RFIC)的发展趋势。硅基片上变压器作为一种重要的片上无源器件，被广泛用于射频集成电路中实现阻抗匹配、功率合成、交流耦合、DC隔离及带宽扩展等功能。
[0003]通常硅基片上变压器在芯片中占据的面积较大，为了使电路获得更好集成度，减小芯片面积，可将硅基片上变压器和电路中其它器件采用层叠式设计。这种集成化层叠式设计方法虽然有效减小了单集成芯片面积，但是随着工作频率的不断提高，硅基片上变压器与层间其他器件寄生耦合效应急剧增加，导致层间串扰效应十分显著，变压器的性能和电路的稳定性都受到了严重影响。
[0004]如申请号为:CN201110064627.X的《一种垂直结构片上集成变压器》和申请号为:CN200910047729.3的《片上小面积叠层结构变压器》的中国发明专利所述，对硅基片上变压器设计采用了层叠结构，但是并未将电路器件进行层叠式集成设计。而申请号为:CN200710180625.0的《混合型片上片下变压器和射频识别系统》的中国专利，虽然将片上变压器和集成电路单元整体进行了层叠设计，但对变压器与层间其他器件间串扰屏蔽并未提出解决办法，层间串扰导致系统存在可靠性问题。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]本发明的目的在于，提供一种片上集成变压器，通过层叠化设计使系统高度单片集成化，并能屏蔽变压器层上的层间串扰，保证变压器层的信号和功率传输性能。
[0007]( 二)技术方案
[0008]本发明提供一种片上集成变压器，包括电路层和层叠在电路层之上的变压器层，还包括屏蔽层，层叠于变压器层及电路层之间，用于屏蔽变压器层上形成的电场。
[0009](三)有益效果
[0010]本发明提供的片上集成变压器具有以下优点:
[0011]1、芯片面积小:现有技术中的片上集成变压器，一种是将变压器单独制成一块芯片或单独放置在一块芯片，一种是将变压器与部分电路水平布置在芯片同一平面，本发明采用层叠化设计，有效减小芯片面积的，此外，通过栅格屏蔽结构可增加慢波因子，使得波走的较慢，缩小电路布局所需面积。
[0012]2、成本低:本发明没有增加任何工艺步骤，比较容易实现，也不会增加芯片制作成本。
[0013]3、损耗低:本发明的栅格屏蔽结构将上层硅基片上变压器形成的电场阻断在其上方，同时防止了屏蔽结构自身形成涡流对硅基片上变压器的影响，有效降低了因串扰引起的能量损耗。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例提供的片上集成变压器的层叠式设计IC器件的侧视图。
[0015]图2是本发明实施例提供的变压器层与屏蔽层的立体图。
[0016]图3是本发明实施例提供的变压器层与屏蔽层的俯视图。
【具体实施方式】
[0017]本发明提供一种片上集成变压器，包括电路层和层叠在电路层之上的变压器层，还包括屏蔽层，层叠于变压器层及电路层之间，用于屏蔽变压器层上形成的电场。本发明通过层叠化设计使系统高度单片集成化，并通过增加屏蔽层，能屏蔽变压器层上的层间串扰，保证变压器层的信号和功率传输性能。
[0018]根根据本发明的一种实施方式，变压器层可以是变压器层为硅基片上变压器，包括初级线圈、隔离层和次级线圈，隔离层位于所述初级线圈和所述次级线圈之间，初级线圈和次级线圈由金属线绕成螺旋状而成。初级线圈与次级线圈通过磁耦合方式传递信号和能量，线圈材料可为金，铜，铝等，线圈可采用溅射，蒸发，电镀等方法实现。根据工艺的不同，为使初级线圈与次级线圈具有隔离和抗高击穿电压性能，隔离层可选取不同的厚度，隔离层的材料为聚酰亚胺，该隔离层可通过类似于旋涂光刻胶的方法实现。
[0019]根据本发明的一种实施方式，屏蔽层由多个金属屏蔽条构成栅格形状，相邻的金属屏蔽条之间具有间隙，其中所述间隙一般设计非常狭窄，可根据工艺不同选取合适尺寸，以保证变压器层间产生的电场不会经由这些间隙通过栅格屏蔽层的下方，并利用金属屏蔽条作为电场的终止，故能屏蔽电场对下层集成电路的干扰。此外，每个金属屏蔽条与其垂直方向上的金属线正交，可以防止因与变压器层耦合形成的涡电流的流动，降低位于栅格屏蔽层上的涡流对上层变压器层的影响。其中，金属屏蔽条的材料与线圈材料相同，可以是金、铜和铝等，可采用溅射，蒸发，电镀等方法实现。
[0020]根据本发明的一种实施方式，电路层可以是集成电路，包括初级驱动电路和次级接收电路，初级驱动电路用于对所述变压器层的信号进行驱动，次级接收电路用于对所述变压器层的信号进行处理。
[0021]根据本发明的一种实施方式，片上集成变压器还包括绝缘氧化物，其填充在所述变压器层、屏蔽层及电路层之间，其中，该绝缘氧化物可以是硅氧化物，可通过化学气相沉积等方法将其填充在片上集成变压器中。
[0022]根据本发明的一种实施方式，片上集成变压器还包括一基板，位于所述电路层的下方，基板的材料可采用硅晶圆。
[0023]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0024]图1是本发明实施例提供的片上集成变压器的层叠式设计IC器件的侧视图，如图1所示，片上集成变压器包括硅基片上变压器100、栅格屏蔽结构300和集成电路400组成。
[0025]娃基片上变压器100包括初级金属线圈110、次级金属线圈120和位于初级金属线圈110、次级金属线圈120之间的隔离层130。初级金属线圈110和次级线圈线圈120是采用金属互连线绕成螺旋状而成。
[0026]栅格屏蔽结构300位于娃基片上变压器100的下方，由多个金属屏蔽条构成；金属屏蔽条存在间隙，可以防止所述硅基片上变压器100形成的电场通过。
[0027]集成电路400位于栅格屏蔽结构300的下方，集成电路具体包括集成化的初级驱动电路和次级接收电路，分别用于上层硅基片上变压器100的信号驱动和信号处理。
[0028]本实施例提供的片上集成变压器还包括硅氧化物210，220，通过化学气相沉积填充在硅基片上变压器100、栅格屏蔽结构300和集成电路400之间。
[0029]本实施例提供的片上集成变压器还包括硅晶圆基板500，位于集成电路400下方。
[0030]图2是本发明实施例提供的变压器层与屏蔽层的立体图，如图2所示，硅基片上变压器和屏蔽层采用层叠式结构，硅基片上变压器包括初级金属线圈110、次级金属线圈120和隔离层130 ;初级金属线圈110与次级金属线圈120是由娃衬底的顶层和次顶层金属绕制而成，中间由隔离层130隔开，通过磁耦合方式传递信号和能量。
[0031]本实施例中，隔离层130的材料为聚酰亚胺，隔离层130通过隔离初级金属线圈110和次级金属线圈120，以使上述两金属线圈有良好的磁性耦合特性。
[0032]图3是本发明实施例提供的变压器层100与屏蔽层300的俯视图，如图3所示，栅格屏蔽层300位于硅基片上变压器100下方的金属层，由多个金属屏蔽条构成，屏蔽条与位于其上方的硅基片上变压器100的线圈的方向垂直。构成栅格屏蔽结构300的金属线线宽和线间距可具有任何合适的尺寸，其作用是屏蔽了层间电磁场扩散和减弱上层硅基片上变压器100对底层集成电路400的影响，保证系统EMC特性。
[0033]本实施例所描述的片上集成变压器可实施于IC、RFIC、ASIC等上，其中，硅基片上变压器可以通过互补金属氧化物半导体(CMOS)、N沟道MOS (NMOS)、P沟道MOS (PMOS)等IC工艺技术来制造。
[0034]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种片上集成变压器，包括变压器层和电路层，所述变压器层叠在所述电路层之上，其特征在于，还包括屏蔽层，其设于所述变压器层及电路层之间，用于屏蔽所述变压器层上形成的电场。2.根据权利要求1所述的片上集成变压器，其特征在于，所述变压器层包括初级线圈、隔离层和次级线圈，所述隔离层位于所述初级线圈和所述次级线圈之间，所述初级线圈和所述次级线圈由金属线绕成螺旋状而成。3.根据权利要求2所述的片上集成变压器，其特征在于，所述隔离层的材料为聚酰亚胺。4.根据权利要求2所述的片上集成变压器，其特征在于，所述屏蔽层由多个金属屏蔽条构成栅格形状，相邻的金属屏蔽条之间具有间隙。5.根据权利要求4所述的片上集成变压器，其特征在于，每个金属屏蔽条与其垂直方向上的金属线正交。6.根据权利要求4所述的片上集成变压器，其特征在于，所述金属屏蔽条的材料为金、铜和铝中的至少一种。7.根据权利要求1所述的片上集成变压器，其特征在于，所述电路层包括初级驱动电路和次级接收电路，所述初级驱动电路用于对所述变压器层的信号进行驱动，所述次级接收电路用于对所述变压器层的信号进行处理。8.根据权利要求1所述的片上集成变压器，其特征在于，还包括绝缘氧化物，其填充在所述变压器层、屏蔽层及电路层之间。9.根据权利要求1所述的片上集成变压器，其特征在于，还包括一基板，位于所述电路层的下方。10.根据权利要求1所述的片上集成变压器，其特征在于，所述变压器层为硅基片上变压器。
【专利摘要】本发明公开了一种片上集成变压器，包括电路层、层叠在电路层之上的变压器层和屏蔽层，屏蔽层设于变压器层及电路层之间，用于屏蔽变压器层上形成的电场。本发明通过层叠化设计使系统高度单片集成化，并通过增加屏蔽层，能屏蔽变压器层上的层间串扰，保证变压器层的信号和功率传输性能。
【IPC分类】H01F27/32, H01L23/58, H01L27/02, H01F27/28
【公开号】CN105185778
【申请号】CN201510548584
【发明人】张峰, 屈操
【申请人】中国科学院自动化研究所
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月31日