专利名称：具有短路短截线和mim电容器的谐振器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有短路短截线(shorted stub)和MIM电容器
的谐振器件。
本发明还涉及一种用于制造这种谐振器件的方法。 本发明进一步涉及这种谐振器件在电子设备中的使用，尤其是在 微波频率范围内的滤波器应用中的使用。
背景技术：
在文献中已知用于微波应用(尤其是在GHz频率范围内)的传输 线谐振器。传输线总是包括信号线和接地线。传输线在微波频率的优 选实施例是微带线或共面波导，微带线的信号线在电介质衬底的第一 侧上，微带线的接地线在电介质衬底的第二侧上，共面波导的信号线 和接地线另外附着于同一侧，例如电介质衬底的第一侧。在后者的实 施例中，附加的接地线可以附着于电介质衬底的第二侧，该附加的接 地线与附着于电介质的第一侧、并且与信号线一起形成接地的共面波 导的接地线电接触。
在US 6,825,734中，公开了一种传输线，该传输线附着到或者嵌 入到被配置为环路短截线谐振器的电介质衬底，所述传输线可以用作 针对振荡器(例如锁相环中的VCO)的频率选择性元件。传输线的信 号线的长度必须是在环路短截线谐振器的谐振频率处的电波长的分 数。也可以嵌入信号线，以提供整个分层结构的内部谐振层。信号线 被形成为一个或多个环路，并且可以通过电容器、短路或开路来终止。 在信号线对于接地线短路的情况下，电波长的分数大约是电波长的四 分之一。关于传输线谐振器的信号线的长度的限制导致了较大的谐振 器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有减小的尺寸、但具有可比较的性 能的谐振器件。
通过一种谐振器件来实现所述目的，所述谐振器件包括电介质 衬底层，具有介电常数^;传输线，包括附着于所述衬底层的信号线； 以及至少一个导电接地结构，也附着于所述衬底层，所述信号线通过 导电方式与所述接地结构连接，至少一个电容器的第一导电触头连接 到所述信号线，所述至少一个电容器的第二导电触头连接到所述接地 结构，所述至少一个电容器的每单位面积所述衬底层的电容密度大于 所述信号线的每单位面积所述衬底层的电容密度。所述信号线可以附 着于所述衬底层的第一表面。在这种情况下，所述导电接地结构要么 以形成具有或不具有接地面的共面波导的方式附着于所述衬底的所述 第一表面，要么附着于所述衬底层的第二表面。在后者的情况下，包 括信号线和接地结构的传输线是微带线或具有接地面的共面波导。备 选地，所述信号线也可以被嵌入到所述电介质衬底与第二电介质衬底 之间。所述电容器包括通过绝缘体或绝缘层隔开的两个电极。
与现有技术相比，本发明的优点在于由于电容器的每单位衬底
面积的电容密度比信号线的每单位衬底面积的电容密度更高，因此信 号线的长度可以小于所述谐振器件的谐振频率的波长的四分之一。电 容密度由覆盖衬底层的导电结构(例如信号线)与接地结构之间的电 容相对于所述衬底上的导电结构所覆盖的面积而定义的。电容器可以 是分立电容器(例如多层电容器)。根据应用(例如高选择性滤波器)，
必须按照以下方式来选取电容器谐振器的谐振频率并没有严重依赖 于物理边界条件(例如温度)。所述电容器也可以被集成在衬底层中， 从而简化了对谐振器件的处理。优选地，利用半导体工艺来处理导电 层和电介质层及其互连。在这种情况下，所述谐振器件包括例如硅衬 底，但同样可以使用在半导体工艺中使用的诸如GaAs衬底之类的所 有其他衬底。如果所述衬底是导电的，那么它可以用作电连接到地的 接地结构。优选地，将所述信号线与所述接地结构之间的电连接放置 在信号线的第一端，所述电容器实质上被放置在所述信号线的第二端，以及电连接到所述信号线的输入端口位于所述信号线的第二端。后者 的配置使得能够通过使得所述谐振器件的电容和电感达到最大而在给 定的谐振频率使得所述谐振器件最小。
在本发明的另一实施例中，所述电容器被集成到所述衬底层。由 于不需要额外的接触面积来通过例如焊接来接触外部分立电容器，因 此电容器在衬底中的集成将进一步减小谐振器件的尺寸。电容器在衬 底中的集成进一步减小了由于较短的电连接而导致的寄生效应。
在本发明的另一实施例中，电容器的绝缘体或绝缘层是高介电常 数材料的，其介电常数S2比衬底层的介电常数^大。如果电容器被集 成在衬底层中，则可以使用例如Ta205和Hf02的材料，它们可以被集 成在硅上。电容器可以包括单层配置，其中，下电极与上电极(平
板电容器)之间仅有一个电介质层；多层配置，其中，通过电极(层
叠电容器)或具有被放置在高介电常数材料上的梳状电极的共面交叉 指型(相互交叉的)电容器来将至少两个电介质层与所述电介质层隔 开。共面交叉指型电容器与平板电容器或层叠电容器的组合也是可以 的。
在备选实施例中，钛酸锶钡(BST)或作为锆钛酸铅(PZT)的 铁电体可以用作电容器的绝缘体或绝缘层。可以通过公知的薄膜沉积 技术作为溅射和溶胶凝胶沉积来将BST和PZT集成在硅上。使用这 种材料和属于同类材料的材料(顺电体、铁电体)的优点是相对高的 介电常数(例如大约1000的PZT)，并且可以通过偏置电场来调节介 电常数，这使得能够控制可以用于可调谐滤波器的谐振器件的谐振频 率。
在本发明的另一实施例中，所述信号线与所述接地结构通过衬底 层来隔开。在这种情况下包括信号线和接地结构的传输线是微带线。 所述信号线也可以被嵌入到所述衬底层与第二电介质衬底之间。在这 种配置中，优选地存在通过所述第二电介质衬底与所述信号线隔开的 导电层，并且有益地，通过一个或更多个过孔，以导电的方式将所述 接地结构与所述导电层连接。过孔使得包括导电结构、并且通过绝缘 层隔开的不同层之间能够直接连接。在本发明的另一实施例中，所述信号线在所述信号线所定义的平 面中被导电屏蔽结构包围，并且所述屏蔽结构与所述接地结构电连接。 在本实施例中，所述传输线是具有接地面的共面波导。所述屏蔽结构 可以用于将所述谐振器件与其它功能设备(例如滤波器配置中的第二 谐振器件)隔幵，以使得第一谐振器件与第二谐振器件之间的交互最 小。
在本发明的一个实施例中，使用过孔或层叠式过孔来在所述屏蔽 结构与所述接地结构之间建立导电连接。优选地，将所述过孔或层叠 式过孔分布在所述信号线周围，并且在有利配置中，邻近过孔或层叠 式过孔之间的距离比考虑衬底的介电常数S,的谐振器件的谐振频率的 波长的一半更小。过孔或层叠式过孔之间的较小距离使得到可以被集 成到所述衬底层上的其它导电结构或电子设备的耦合最小。通过这种 措施，可以将数个谐振器件集成在衬底上，其中，谐振器件(例如针 对一个或更多个滤波器)之间的距离较小，谐振器件的良好解耦合改 进了一个或多个滤波器的性能，并且使得能够实现十分紧凑的滤波器 设计。
在本发明的一个实施例中，所述衬底层是多层衬底。多层衬底使 得能够将另外的功能集成在不同层上，这改进了集成密度。在特殊配 置中，所述导电接地结构是作为多层衬底的边界的层，这意味着仅在 所述接地结构一侧附着于作为所述衬底层的一部分的电介质层。所述 接地结构连接到地，所述信号线与所述接地结构之间的电触头是至少 一个层叠式过孔。层叠式过孔是在彼此顶部层叠的至少两个过孔的组 合，以提供通过在彼此顶部层叠的至少两个绝缘层所隔开的导电结构 的导电连接。在提供了屏蔽结构的情况下，这种屏蔽结构与接地结构 之间的电触头是层叠式过孔，其对被集成到所述多层衬底中的其它功 能部分进行屏蔽。甚至如果层叠电容器的电介质层包括与所述衬底层 相同的材料，则电容器也优选地被集成在多层衬底上，并且取决于所 述多层衬底的层数目，可以集成数个电介质层和电极层，以形成其衬 底层的单位面积的电容密度较高的层叠电容器。
在本发明一个实施例中，所述电容器是金属绝缘体金属(MIM)电容器。尤其是，高Q-MIM电容器的集成使得能够生产适于滤波器 应用的紧凑的高Q谐振器件。通过使用具有高导电性的金属，例如铜、
铝、铝铜合金、银或金，进一步降低了谐振器件的损耗。 本发明的另一目的在于提供一种制造小型的谐振器件的方法。
这个目的通过包括以下步骤的方法来实现
-提供半导体衬底；
-提供导电接地结构；
-提供介电常数为s,的至少一个衬底层；
-提供通过所述至少一个衬底层到达所述接地结构的至少一个导 电过孔；
-将电容器集成在所述至少一个衬底层中；
-以导电方式将所述电容器的第二电极与接地结构连接；
-在所述衬底层上提供导电层；
-对所述导电层进行结构化，形成信号线和电连接到所述信号线 的屏蔽结构；
-以导电方式通过所述至少一个过孔，将所述信号线和所述屏蔽 结构与所述接地结构连接。所述半导体衬底可以是导电衬底，或者可 以通过掺杂而使得所述衬底的一部分导电。如果所述半导体衬底或所 述半导体衬底的一部分是导电的，则它们可以用于提供导电接地结构。 在所述半导体衬底不是导电的或者需要所述半导体衬底与另一电连接 结构之间的电绝缘的情况下，可以在非导电半导体衬底上或者在由例 如硅氧化物或氮化硅所制成的中间绝缘层的顶部上沉积包括所述接地 结构在内的第一导电层。根据另外的处理条件(例如材料、温度等等)， 可以使用铜、银、铀、含氧化物的导体。可以通过例如光刻(lithographic ) 方法来对所述第一导电层进行图案化(pattem)。在导电接地结构的顶 部，沉积介电常数为^的至少一个电介质层，并且对其进行图案化， 从而形成衬底层。所述电介质材料可以是硅氧化物、氮化硅等等。
如果仅沉积一个电介质层，则所述衬底层仅包括单层，在所述导
电接地结构的顶部移除了电介质层的位置处沉积其介电常数S2比所述
电容器所包括的衬底层的介电常数更大的绝缘材料。在这种情况下，所述接地结构包括所述电容器的所述第二电极。
如果沉积了一个以上的电介质层，则所述衬底层包括所有电介质 层。在后续顺序中，沉积电介质层并其进行图案化，之后对包括其它 功能设备的一部分的导电层进行沉积和图案化，以及最终过孔将包括 信号线和屏蔽结构的结构化后的导电层与接地结构连接。如同在仅一 个电介质层的情况下那样，可以在所述电介质层和所述导电层的后续 工艺中实现电容器所包括的绝缘材料的沉积和图案化。在所述电容器 所包括的介电常数为S2的已图案化的绝缘层的数目比形成衬底层的电 介质层的数目小的情况下，电容器所包括的至少一个电极是导电层的 至少一部分，被嵌入在作为一部分衬底层的两个电介质层之间。在这 种情况下，电容器所包括的至少一个电极经由过孔或层叠式过孔与信 号线或接地结构接触。最后，在所述衬底层的顶部沉积导电层，并且 对其进行图案化。这种图案化后的导电层包括信号线和屏蔽结构。信 号线的一部分可以包括所述电容器的第一电极，或者所述信号线经由 过孔或层叠式过孔而电连接到所述第一电极。
本发明可以用作滤波器的一部分，其中包括至少两个谐振器。尤 其是谐振结构与集成电容器连同过孔或层叠式过孔的组合产生了十分 紧凑的滤波器设计。将附加电容器集成在谐振器不包括的衬底层中使 得能够设计更复杂的滤波器。本发明可以应用于超过10GHz的微波应 用，并且不局限于仅仅单端使用。通过使用两个滤波器，可以使得滤
波器不同。这样可以用于在24GHz或60GHz WLAN/WPAN的例如卫 星TV接收机、汽车防碰撞雷达。
现将参照附图更详细地解释本发明，其中，相似的部分由相同的 附图标记来表示，在附图中-
图1示出本发明一个实施例的截面图。
图2示出根据本发明的谐振器件的布局的原理性草图。
图3示出根据本发明的两个谐振器件的组合的截面图。
图4示出在3阶带通滤波器的布局中实现根据本发明的谐振器件的原理性草图。
图5示出图4所示的3阶带通滤波器的示意图。
图6描述测量的图4所示的3阶带通滤波器的反射。
图7描述测量的图4所示的3阶带通滤波器的传输。
具体实施例方式
在图1中，示出了在其中实现MIM电容器的谐振器件的区域的 截面图。形成屏蔽结构50的导电金属物(metallization)通过层叠式 过孔20连接到形成接地结构10的接地金属物。接地金属物可以是导 电半导体衬底，例如掺杂硅。例如，介电常数大约为4的Si02所制成 的衬底层15包围层叠式过孔。信号线30连接到集成MIM电容器40 的第一电极，MIM电容器40包括介电常数大约为20(大于衬底层15 的介电常数)的己图案化的电介质层(例如Hf02)。 MIM电容器的第 二电极通过层叠式过孔25连接到接地金属物。
图2示出了根据本发明的谐振器件100的布局的原理性草图(顶 视图)。形成接地结构10的接地金属物要么是导电半导体衬底，要么 是在硅衬底上的绝缘层(例如Si02)的顶部所沉积的导电层。衬底层 15包括在接地结构10的顶部所沉积的、介电常数为^的一个或更多 个电介质层。形成屏蔽结构50以及信号线30的导电金属物被沉积在 衬底层15的顶部。层叠式过孔20在信号线30周围将屏蔽结构50与 接地结构10连接，并且信号线30在谐振器件100的右侧与短路后的 屏蔽结构50电连接，连同接地结构10—起形成短路短截线。信号线 30的左侧在介电常数为S2的介电材料之上延伸，从而形成MIM电容 器40的第一电极。MIM电容器的第二电极(未示出)连接到接地金 属物10。
在图3中，描述图1所示的两个谐振器件的组合的截面图。谐振 器之间的层叠式过孔20屏蔽了谐振器，以使得干扰最小化，从而能够 进行紧凑的滤波器设计。与图1相反，接地金属物被沉积在中间层或 绝缘层5上，中间层或绝缘层5可以是沉积在硅衬底6上的硅氧化物 或氮化硅层。图4示出了在3阶带通滤波器中实现三个谐振器件100的布局(顶
视图)。带通滤波器包括具有MIM电容器41的两个谐振器以及具有 MIM电容器42的一个谐振器。这三个谐振器件100的信号线30被放 置为彼此平行地在一侧连接到屏蔽结构50。通过屏蔽结构50将信号 线彼此分离。在其中集成了 MIM电容器41、 42的信号线30的另一 端，信号线30与50欧姆传输线71、 72、 73连接，以形成T型结构。 第一接触端口 110通过50欧姆传输线71连接到具有MIM电容器41 的第一谐振器，传输线71进一步延伸到第一串联电容器60并且在此 结束，从而形成第一串联电容器60的第一电极，第二50欧姆传输线 72在第一串联电容器60处开始，形成第一串联电容器60的第二电极， 并且将第二谐振器件的信号线30与MIM电容器42接触，并且进一 步延伸到第二串联电容器60并且在此结束，从而形成第二串联电容器 60的第一电极。第三50欧姆传输线73从第二串联电容器60延伸， 形成第二串联电容器60的第二电极，将第三谐振器件的信号线30与 MIM电容器41连接，并且进一步延伸到第二接触端口 120。串联电 容器60包括构建接触电极的50欧姆传输线71、 72、 73中的一部分、 介电常数为S2的绝缘材料、以及第二导电结构的一部分。
图5示出了图4中所描述的带通滤波器的示意图。该带通滤波器 被描述为具有两个端口，端口 IIO和120。谐振器件IOO被描述为LC 并联电路，其具有包括MIM电容器41和42的电容器C。 LC并联电 路在一侧经由接地结构IO连接到地，而在另一侧连接到如上所述的串 联电容器60和端口 110和120。
图6和图7示出了己测量的根据图4所示的布局以及图5所示的
示意图而制造的带通滤波器的S 、 S22、 S,2禾Q S22散射参数。图6中
描述的反射S,2、 S^示出通带(大约为24GHz，用于例如车载雷达) 中的低值，图7所示的传输Su、 S22示出在指示高Q谐振器的通带中 的期望的高值。
将关于特定实施例并且参照特定附图来描述本发明，但本发明不 局限于此，而是仅由权利要求来定义。权利要求中的任意附图标记不 应理解为对范围进行限制。所描述的附图仅仅是示意性的，而并非限制性的。在附图中，为了进行说明，某些元件的尺寸可以被放大，并 且并非按比例来绘制。在本发明中使用术语"包括"的情况下，并非 排除其它元件或步骤。在参照单数(例如"一个"、"一")时使用不定 冠词或定冠词的情况下，包括这些名词的复数，除非特殊地声明其它情况。
更进一步地，在说明书和权利要求中的术语第一、第二、第三等 等用于在相似的元件之间进行区分，而并非一定用于描述连续的顺序 或时间上的顺序。应理解，如此所使用的术语在适当的情况下是可互 换的，这里所描述的本发明的实施例能够以这里所描述或例证的之外 的其它顺序来操作。
此外，在说明书和权利要求中的术语顶部、底部、第一、第二等 等用于描述性的目的，而并非一定用于描述相对位置。应理解，这里 所使用的术语在适当的情况下是可互换的，这里所描述的本发明的实 施例能够以这里所描述或例证的之外的其它方位来操作。
权利要求
1. 一种具有输入端口的谐振器件(100)，包括电介质衬底层(15)，具有介电常数ε1；传输线，包括附着于所述衬底层(15)的信号线(30)；以及至少一个导电接地结构(10)，也附着于所述衬底层(15)，所述信号线(30)通过导电方式与所述接地结构(10)连接，至少一个电容器(40)的第一导电触头连接到所述信号线(30)，以及所述至少一个电容器(40)的第二导电触头连接到所述接地结构(10)，所述至少一个电容器(40)的每单位面积所述衬底层(15)的电容密度大于所述信号线(30)的每单位面积所述衬底层(15)的电容密度。
2. 如权利要求1所述的谐振器件(100)，其特征在于，所述至 少一个电容器(40)被集成在所述衬底层(15)中。
3. 如权利要求1或2所述的谐振器件(100)，其特征在于，所 述电容器(40)包括绝缘体，其介电常数s2比所述衬底层(15)的 介电常数sl大。
4. 如前述权利要求中的任意一项所述的谐振器件(100)，其特 征在于，所述至少一个电容器(40)中的所述绝缘体的介电常数能够 通过电磁场来调节。
5. 如前述权利要求中的任意一项所述的谐振器件(100)，其特 征在于，所述信号线(30)和所述接地结构(10)通过所述衬底层(15) 而隔开。
6. 如权利要求5所述的谐振器件(100)，其特征在于，所述信 号线(30)在所述信号线(30)所定义的平面中被导电屏蔽结构(50) 包围，以及所述屏蔽结构(50)与所述接地结构(10)电连接。
7. 如权利要求6所述的谐振器件(100)，其特征在于，所述屏 蔽结构(50)以导电方式，经由过孔或层叠式过孔(20)连接到所述 接地结构(10)，对所述信号线(30)进行屏蔽。
8. 如前述权利要求中的任意一项所述的谐振器件(100)，其特 征在于，所述衬底层(15)是多层衬底。
9. 如前述权利要求中的任意一项所述的谐振器件(100)，其特征在于，所述电容器(40)是金属绝缘体金属MIM电容器。
10.—种制造谐振器件(100)的方法，包括步骤 -提供半导体衬底(6); -提供导电接地结构(10);-提供介电常数为S1的至少一个衬底层(15); -提供通过所述至少一个衬底层(15)到达所述接地结构00) 的至少一个导电过孔(20);-将电容器(40)集成在所述至少一个衬底层(15)中；-以导电方式将所述电容器(40)的第二电极与所述接地结构(10)连接；-在所述衬底层(15)上提供导电层；-对所述导电层进行结构化，形成信号线(30)和电连接到所述信号线的屏蔽结构(50);-以导电方式通过所述至少一个过孔(20)，将所述信号线(30) 和所述屏蔽结构(50)与所述接地结构(10)连接。
全文摘要
在微波频率，由于较小的波长而导致使用传输线作为设计要素变得引人注目。可以通过在一端被短路的、作为传输线的短路短截线来制成作为片上谐振器的一部分的电感器。将MIM电容器放至在短路短截线的开关能够构成谐振器。经由过孔或层叠式过孔来屏蔽这种谐振器，实现了非常紧凑的滤波器设计。
文档编号H01P11/00GK101443952SQ200780017082
公开日2009年5月27日 申请日期2007年5月9日 优先权日2006年5月11日
发明者埃德温·范德海登, 雨果·费恩斯特罗, 马克·G·M·诺滕 申请人:Nxp股份有限公司