專利名稱：半導(dǎo)體濾波器電路和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及在半導(dǎo)體襯底上形成的低頻濾波器網(wǎng)絡(luò)。
無線通信裝置通常使用射頻(RF)信號和較低頻率的音頻信號工作。例如，移動電話發(fā)射工作頻率為6GHz或更高并用音頻語音信息調(diào)制的RF載波信號。麥克風(fēng)從語音信息產(chǎn)生音頻信號，被放大和用來調(diào)制RF載波信號。大多數(shù)無線通信裝置在麥克風(fēng)輸入端使用低通濾波器來抑制可能被麥克風(fēng)“拾取”或檢測到的周圍的RF載波信號，以避免由于噪雜的操作、環(huán)路不穩(wěn)定性或降低調(diào)制音頻信號質(zhì)量的其它影響導(dǎo)致通信裝置的性能降低。為了實現(xiàn)該功能，低通濾波器具有在音頻范圍內(nèi)的通帶，即，小于大約20kHz。
目前，由于難以形成設(shè)置濾波器的低頻通帶的大元件值，所以這些音頻濾波器用分立無源元件形成。但是，分立濾波器增加了無線裝置的實際制造成本?；诎雽?dǎo)體技術(shù)的集成濾波器具有更低的成本，但是由于集成音頻元件同時提供足夠的電壓容量需要大量管芯面積，所以還沒有實用。
因此，存在對提供高水平的頻率選擇同時保持低制造成本的集成濾波器的需求。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種對輸入信號濾波的集成濾波器，包括半導(dǎo)體襯底其形成有利用介質(zhì)層作為襯里的溝槽；第一導(dǎo)電材料其被放置在所述溝槽中，并連接到節(jié)點，以提供改變輸入信號的頻率響應(yīng)的電容，產(chǎn)生濾波后的信號；以及包括在襯底中形成的背靠背二極管的保護電路，當節(jié)點上的電壓達到預(yù)定幅度時，產(chǎn)生雪崩。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種無線通信裝置，包括接收調(diào)制信號并發(fā)射無線通信裝置的輸出信號的功率級；用音頻信號調(diào)制射頻載波信號產(chǎn)生調(diào)制信號的調(diào)制器；將語音信息轉(zhuǎn)換為音頻信號的麥克風(fēng)，其中麥克風(fēng)接收輸出信號的一部分；以及在半導(dǎo)體襯底上形成的插在麥克風(fēng)與功率級之間的濾波器，用來衰減輸出信號的射頻分量，包括放在半導(dǎo)體襯底的溝槽中的第一導(dǎo)電材料，提供衰減射頻分量的電容；以及包括在半導(dǎo)體襯底中形成的背靠背二極管的靜電放電電路，將濾波器的端電壓的幅度限制在預(yù)定值。


圖1是無線通信裝置的框圖；圖2是濾波器電路的示意圖；圖3是集成在半導(dǎo)體襯底上的濾波器電路的剖面圖；圖3A是圖3的濾波器電路的頂視圖，示出了電感；圖4是在備選實施例中的濾波器電路的剖面圖；以及圖5是在另一個備選實施例中的濾波器電路的剖面圖。
具體實施例方式
在附圖中，具有相同參考數(shù)字的元件具有類似的功能。
圖1是無線通信裝置3的框圖，包括麥克風(fēng)4、天線5、振蕩器6、功率級7、調(diào)制器8音頻放大器9和濾波器10。無線通信裝置3將通過麥克風(fēng)4收到的語音信息在濾波器10的引線64處轉(zhuǎn)換為電輸入信號VIN，并在兩瓦或更大的功率值產(chǎn)生RF發(fā)射信號VXMIT，由天線5發(fā)射。在一個實施例中，構(gòu)成通信裝置3作為例如向蜂窩基站廣播發(fā)射信號VXMIT的移動電話。
濾波器10是低通麥克風(fēng)線路濾波器，用來為通信裝置3的其它電路，例如，音頻放大器9，抑制輸入信號VIN的RF成分。即，濾波器10通過輸入信號VIN中的音頻分量，同時去除或衰減RF分量。音頻分量由麥克風(fēng)4根據(jù)音頻信息產(chǎn)生，而RF分量，例如，由天線5在VXMIT載波頻率產(chǎn)生的入射電磁波產(chǎn)生。在移動電話的情況下，麥克風(fēng)4靠近天線5，如果不衰減或抑制RF分量，則RF分量的幅度足以使音頻放大器9過載，或?qū)е滦盘柺д?、噪聲、不穩(wěn)定或?qū)νㄐ叛b置3的性能產(chǎn)生其它不希望的影響。濾波器10在引線65輸出，產(chǎn)生濾波后的音頻輸出信號VOUT。規(guī)定濾波器10通過VIN的音頻分量，同時在6GHz的頻率下使RF分量至少衰減30dB。因此，VOUT基本由音頻分量和少量RF分量構(gòu)成，或沒有RF分量。
音頻放大器9放大輸出信號VOUT，產(chǎn)生放大的音頻信號VAUD。振蕩器6在發(fā)射信號VXMIT所希望的載波頻率產(chǎn)生RF振蕩信號VOSC。調(diào)制器8用VAUD調(diào)制VOSC，產(chǎn)生調(diào)制后的信號VMOD，VMOD耦合到功率級7并放大，產(chǎn)生發(fā)射信號VXMIT。在一個實施例中，VXMIT具有大約6GHz的RF載波頻率。
圖2是濾波器10的原理圖，包括電阻24、電容21-22、鉗位二極管27以及包括背靠背的二極管17-18和電感74的靜電放電(ESD)裝置20。輸入信號VIN具有音頻分量和不希望的RF分量。輸出65產(chǎn)生在音頻下工作的濾波后的輸出信號VOUT，RF分量被衰減或抑制。構(gòu)成濾波器10用來集成到半導(dǎo)體管芯上，形成集成電路。
ESD裝置20的二極管17-18由在半導(dǎo)體襯底中形成結(jié)的背靠背的齊納或雪崩二極管構(gòu)成，如下面所述。二極管17-18稱作背靠背二極管是由于它們的共陰極(或共陽極)排列導(dǎo)致不管VIN的極性如何，總有一個二極管是反偏的。ESD裝置20泄放可能損壞敏感系統(tǒng)元件的短持續(xù)時間高電壓峰值形式的靜電能量。在一個實施例中，所形成的ESD裝置20符合International Electrotechnical Commission標準IEC610004-2級別四。在圖3的實施例中，當在節(jié)點66的電壓幅度達到大約+14V和-14V時，二極管17-18使它們各自如圖所示連接在一起的陰極對稱擊穿。在正電壓峰值期間，二極管17正-向偏置，二極管18在大約13.3V發(fā)生雪崩，在負電壓峰值期間，二極管18正-向偏置，二極管17在大約13.3V發(fā)生雪崩?；蛘?，ESD裝置20包括陽極而不是陰極連接在一起形成的背靠背二極管，來實現(xiàn)相同的保護功能。
電感74由平面螺旋電感形成，具有在1-5nH范圍內(nèi)的典型值。在一個實施例中，通過構(gòu)圖標準金屬互連層形成電感74。
電容21-22由如圖所示連接的溝槽電容形成，分別產(chǎn)生大約為C21＝C22＝1.0nF的電容，改變VIN的頻率響應(yīng)，產(chǎn)生濾波后的輸出信號VOUT。溝槽設(shè)計提供具有較低等效串聯(lián)電阻的電容21-22，因此得到高品質(zhì)因數(shù)，在RF頻率具有低阻抗和高質(zhì)量濾波功能。
電阻24通常由具有低寄生襯底電容的薄膜電阻形成，用來提高濾波器的性能。電阻24與電容21-22一起構(gòu)成濾波器10的特性頻率響應(yīng)。在一個實施例中，電阻24用具有選擇的濃度的摻雜多晶硅形成，從而在小的管芯面積中產(chǎn)生指定的電阻值，同時對將電阻值保持在指定的容差中提供高級別的控制。在一個實施例中，電阻24的值控制在正或負10％之內(nèi)。在一個實施例中，電阻24具有大約50歐姆的電阻值，并且電阻值的溫度系數(shù)接近零。
箝位二極管27為雪崩二極管，通過擊穿來限制引線65的電壓波動，從而避免使放大器9的輸入級過載。因此，箝位二極管27還在引線65處提供ESD保護功能。在一個實施例中，箝位二極管27由與二極管17或二極管18類似的結(jié)構(gòu)形成，所以具有類似的特性，即，大約13.3V的擊穿電壓。
圖3示出了在半導(dǎo)體襯底11上形成并構(gòu)成集成的濾波器電路的濾波器10的剖面圖，示出了電感74、電阻24、ESD裝置20、箝位二極管27和電容21-22。
基底層30由半導(dǎo)體材料形成，并且重摻雜，作為濾波器10的低阻抗地平面。在一個實施例中，基底層30具有在1016和1021原子/cm3之間的范圍內(nèi)的摻雜濃度。例如，基底層30由摻雜的單晶硅構(gòu)成，以提供p型導(dǎo)電性，并且摻雜濃度為大約2*1020原子/cm3。低電阻率的基底層30提供有效的地平面，衰減其他的將通過基底層30沿寄生信號路徑傳播從而產(chǎn)生串擾并降低濾波器性能的寄生信號。
在基底層30上生長外延層31，并摻雜產(chǎn)生n型導(dǎo)電性。外延層31與基底層30形成結(jié)，構(gòu)成二極管18，所以選擇外延層31的摻雜濃度，為二極管18提供指定的雪崩電壓，例如13.3V。外延層31通常具有在2和10μm之間的范圍內(nèi)的厚度。在一個實施例中，外延層31生長到大約2.5μm的厚度，濃度為大約5*1017原子/cm3。
在外延層31上形成具有n型導(dǎo)電性的層32。通過從襯底11的表面35引入p型摻雜劑形成摻雜區(qū)33，產(chǎn)生作為二極管17的結(jié)。選擇外延層32和摻雜區(qū)33的摻雜濃度，為二極管17提供指定的雪崩電壓，例如13.3V。在一個實施例中，層32是生長到大約3μm的厚度，濃度為大約1*1017原子/cm3的外延層，摻雜區(qū)33具有大約1μm的厚度，表面濃度為大約6.0*1019原子/cm3。或者，外延層31生長到大約5.5μm的厚度，并且通過使外延層31經(jīng)過覆蓋p型擴散來降低其有效濃度從而將二極管17的擊穿電壓設(shè)置為所希望的水平而形成層32。該擴散步驟在深度小于大約3μm的范圍內(nèi)降低了外延層31的摻雜濃度。
形成隔離區(qū)或下沉區(qū)(sinker)12，作為p型導(dǎo)電性的環(huán)圍繞ESD裝置20，并具有大約20微米的深度，將ESD裝置20與其它元件電隔離。通過外延層31-32擴散下沉區(qū)12，在表面35為基底層30提供外部的電接觸，通過使用用來形成摻雜區(qū)33的工藝步驟增加摻雜區(qū)36容易實現(xiàn)。因此，摻雜區(qū)36具有p型導(dǎo)電性，通過摻雜區(qū)36將沉區(qū)12電連接到連接到引線62的互連布線上。
重摻雜溝道停止層34，以具有n型導(dǎo)電性和大約3μm的深度。溝道停止層34圍繞摻雜區(qū)33，并防止表面35反轉(zhuǎn)形成溝道，產(chǎn)生從摻雜區(qū)33到基底層20的導(dǎo)電路徑。另外，溝道停止層34通過保證在ESD事件期間注入的橫向電流的泄放以避免在表面35形成電流細絲(currentfilament)來增加ESD堅固性。
在表面35上放置介質(zhì)材料并構(gòu)圖和蝕刻，以產(chǎn)生介質(zhì)區(qū)45。在一個實施例中，介質(zhì)區(qū)45由熱氧化生長到大約500的二氧化硅和隨后淀積的一層大約1μm厚的二氧化硅構(gòu)成。
如圖所示，通過在下沉區(qū)12中蝕刻半導(dǎo)體襯底11到大約7μm的深度形成多個溝槽40，由溝槽電容形成電容21。在替代實施例中，溝槽40包括沿表面35延伸的幾行單個溝槽或單個蛇形線溝槽，并根據(jù)需要與觀察平面交叉多次，以產(chǎn)生C21＝1.0nF的電容量。
形成介質(zhì)材料襯在溝槽40的內(nèi)表面上，形成介質(zhì)襯里38。在一個實施例中，介質(zhì)材料包括氮化硅，形成大約400的厚度。
淀積并蝕刻例如摻雜的多晶硅等導(dǎo)電材料，形成填充溝槽40的導(dǎo)電區(qū)37，作為電容21的第一電極，下沉區(qū)12作為第二電極。下沉區(qū)12通過用來形成摻雜區(qū)33的工藝步驟形成的淺的重摻雜的p型接觸區(qū)36連接到引線62。電容22以相同的方式形成。
通過基底層30與外延層31的結(jié)形成箝位二極管27，并通過用如圖所示的下沉區(qū)12圍繞與其它元件隔離。因此，箝位二極管27具有與ESD裝置20中的二極管18類似的擊穿特性。
淀積并蝕刻標準集成電路金屬層，沿互連布線形成鍵合焊盤60和61。通過構(gòu)圖該標準集成電路金屬層同時形成電感74。示意性地示出了其它互連布線，以簡化附圖。
節(jié)點64包括顯示為例如焊料凸點或銅凸點的金屬凸點的鍵合結(jié)構(gòu)，用來以倒裝芯片方式將濾波器10安裝到系統(tǒng)電路板(未示出)上?；蛘?，鍵合結(jié)構(gòu)包括布線鍵合或其它合適的結(jié)構(gòu)，用來提供外部電和/或機械連接。鍵合結(jié)構(gòu)具有在大約0.05到0.1nH之間的寄生電感L64，對輸入信號VIN產(chǎn)生阻抗或感抗X64＝2*π*fC*L64，其中fC是發(fā)射信號VXMIT的RF載波頻率。例如，如果L64＝0.1nH，fC＝6.0GHz，則X64＝2*π*(6.0*109)*(0.1*10-9)具有大約4歐姆的值。
在節(jié)點65通過類似于節(jié)點64的結(jié)構(gòu)提供輸出信號VOUT。節(jié)點65的鍵合結(jié)構(gòu)具有寄生電感L65，其值接近L64的值。
圖3A為濾波器10的頂視圖，示出了形成在鍵合焊盤60周圍的電感74。在圖3A的實施例中，電感74由限制在鍵合焊盤60的周圍并且間隔大約20μm的單線圈形成?；蛘撸姼?4由具有多個線圈的平面螺旋電感形成。電感74通常具有在1和5nH之間的范圍的電感值。電感74提供平滑功能，壓平或積分ESD事件的電壓峰值，從而改善濾波器10的堅固性。另外，電感74通過補償由上述寄生電感L64和L65引起的高頻信號的饋通來改善信號濾波。
圖4是在替代實施例中濾波器10的剖面圖。除了外延層31生長到大約5.5μm的厚度之外，之前介紹的部件具有類似的結(jié)構(gòu)和操作。形成層32作為圍繞摻雜區(qū)33的p型導(dǎo)電性的掩蔽區(qū)。在本實施例中，區(qū)域32具有相同的導(dǎo)電類型，但是比摻雜區(qū)33摻雜得更輕，具有將二極管17的擊穿部分移到層32的下表面而不是側(cè)面的作用。該調(diào)整保證二極管17具有大的有效擊穿面積和低阻抗來泄放ESD事件產(chǎn)生的能量，從而提供高度的可靠性。
圖5是在另一個替代實施例中濾波器10的剖面圖，其中基底層30由高電阻率材料形成。在本實施例中，基底層30由有效載流子濃度為3*1012原子/cm3和電阻率為大約1000歐姆-cm的輕摻雜n型單晶硅構(gòu)成。這種高電阻率改善了相鄰元件之間的電隔離，減少了通過寄生信號路徑的信號耦合，并改善了濾波器性能。
通過表面35注入p型摻雜劑，并擴散進入半導(dǎo)體襯底11，形成阱區(qū)51和54。在一個實施例中，形成深度為大約15μm的阱區(qū)51和54。阱區(qū)51和54摻雜到比下沉區(qū)12更低的濃度，但是用相同的熱循環(huán)將阱區(qū)51和54以及下沉區(qū)12擴散到襯底11中。阱區(qū)51和54更低的濃度導(dǎo)致它們比下沉區(qū)12更淺。
n型摻雜劑通過介質(zhì)區(qū)45中的開口引入襯底11，在阱區(qū)51中形成摻雜區(qū)52-53，在阱區(qū)54中形成摻雜區(qū)56。摻雜區(qū)52-53與阱區(qū)51形成分別作為ESD裝置20的背靠背二極管17-18工作的結(jié)。調(diào)節(jié)阱區(qū)51和摻雜區(qū)52-53的濃度來提供預(yù)定的擊穿電壓，以滿足ESD裝置20的規(guī)定的性能。在一個實施例中，摻雜區(qū)52-53分別制作成矩形形狀，以占據(jù)一側(cè)為大約200μm的表面35的區(qū)域。注意，由于摻雜區(qū)52和53用相同的工藝步驟形成，所以雪崩擊穿電壓和其它性能參數(shù)相對于節(jié)點64的電壓極性是對稱的。
同樣，摻雜區(qū)56和阱區(qū)54形成構(gòu)成箝位二極管27的結(jié)。
綜上所述，本發(fā)明提供一種集成的濾波器電路，實現(xiàn)指定的頻率選擇性，同時利用集成電路技術(shù)實現(xiàn)小的物理尺寸和低制造成本。形成具有用介質(zhì)層作為襯里的溝槽的半導(dǎo)體襯底。用導(dǎo)電材料填充溝槽來提供對輸入信號濾波的電容。在襯底中形成背靠背二極管，當靜電放電電壓達到預(yù)定幅度時，產(chǎn)生雪崩。
權(quán)利要求
1.一種對輸入信號濾波的集成濾波器，包括半導(dǎo)體襯底，其形成有利用介質(zhì)層作為襯里的溝槽；第一導(dǎo)電材料，其被放置在所述溝槽中，并連接到節(jié)點，以提供改變輸入信號的頻率響應(yīng)的電容，產(chǎn)生濾波后的信號；以及包括在襯底中形成的背靠背二極管的保護電路，當節(jié)點上的電壓達到預(yù)定幅度時，產(chǎn)生雪崩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中保護電路包括連接到背靠背二極管的電感。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的集成濾波器，其中電感制作成襯底表面上的平面器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中襯底包括第一導(dǎo)電類型的基底層，摻雜濃度在1018和1021原子/cm3之間的范圍內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的集成濾波器，其中背靠背二極管包括與基底層形成第一結(jié)的第二導(dǎo)電類型的第一摻雜區(qū)；以及具有第一導(dǎo)電類型的第二摻雜區(qū)，用來與第一摻雜區(qū)形成第二結(jié)，其中第二摻雜區(qū)連接到節(jié)點。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的集成濾波器，其中第一摻雜區(qū)包括在基底層上生長的外延層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的集成濾波器，其中第二摻雜區(qū)從外延層的表面擴散。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的集成濾波器，其中第二摻雜區(qū)包括具有第一表面濃度并擴散到第一深度的第一部分；以及具有小于第一表面濃度的第二表面濃度并擴散到大于第一深度的第二深度的第二部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的集成濾波器，其中外延層包括形成在基底層上并具有第一摻雜濃度的第一部分；以及形成在第一部分上并具有小于第一摻雜濃度的第二摻雜濃度的第二部分。
10.根據(jù)權(quán)利要求6的集成濾波器，其中外延層具有在2和10μm之間的厚度和在1016和1018原子/cm3之間的范圍內(nèi)的摻雜濃度。
11.根據(jù)權(quán)利要求6的集成濾波器，其中通過外延層的表面擴散第一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)，以在深度小于3μm的范圍內(nèi)降低外延層的摻雜濃度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中襯底包括摻雜濃度在1012和1014原子/cm3之間的范圍內(nèi)的基底層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中在襯底的第一阱區(qū)中形成溝槽。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的集成濾波器，其中在襯底的第二阱區(qū)中形成背靠背二極管，第二阱區(qū)與襯底具有相反的導(dǎo)電類型。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的集成濾波器，其中背靠背二極管還包括在第二阱區(qū)中形成的第一摻雜區(qū)，提供背靠背二極管的第一結(jié)；以及在第二阱區(qū)中形成的第二摻雜區(qū)，提供背靠背二極管的第二結(jié)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中第一導(dǎo)電材料包括摻雜的多晶硅。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的集成濾波器，其中通過溝槽電容產(chǎn)生電容，還包括連接到溝槽電容的薄膜電阻。
18.一種無線通信裝置，包括接收調(diào)制信號并發(fā)射無線通信裝置的輸出信號的功率級；用音頻信號調(diào)制射頻載波信號產(chǎn)生調(diào)制信號的調(diào)制器；將語音信息轉(zhuǎn)換為音頻信號的麥克風(fēng)，其中麥克風(fēng)接收輸出信號的一部分；以及在半導(dǎo)體襯底上形成的插在麥克風(fēng)與功率級之間的濾波器，用來衰減輸出信號的射頻分量，包括放在半導(dǎo)體襯底的溝槽中的第一導(dǎo)電材料，提供衰減射頻分量的電容；以及包括在半導(dǎo)體襯底中形成的背靠背二極管的靜電放電電路，將濾波器的端電壓的幅度限制在預(yù)定值。
全文摘要
濾波器電路(10)形成在具有用介質(zhì)層(38)作襯里的溝槽的半導(dǎo)體襯底(11)上。導(dǎo)電材料(37)放在溝槽中，并連接到節(jié)點(62)，提供改變輸入信號(V
文檔編號H01L27/02GK1659705SQ03813472
公開日2005年8月24日 申請日期2003年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月11日
發(fā)明者雷內(nèi)·艾思考費爾, 杰弗利·皮爾斯, 費朗西恩·Y.·羅伯, 伊夫圭恩利·N.·斯蒂芬諾夫, 彼德·J.·茲德貝爾 申請人:半導(dǎo)體元件工業(yè)有限責(zé)任公司