一种片上LC无源低通滤波器及其制备方法 技术领域
本发明涉及一种片上LC无源低通滤波器及其制备方法，确切说，一种基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器及其制备方法，属射频通信中片上无源器件及其制备的技术领域
背景技术
在射频和微波通信中，片上LC无源低通滤波器可由片上电感和片上MIM电容，即片上LC电路和衬底组成，它便于实现片上集成(SOC)，是最终实现单片微波/射频集成电路(MMIC/RFIC)的关键。
采用片上电感和片上MIM电容技术实现的片上LC无源低通滤波器具有制作工艺简单和成本低廉的特点，更重要的是能与现今的CMOS工艺兼容。近年来随着移动通信向小型化、低功耗化方向发展，对制作与CMOS工艺兼容的高品质片上无源器件的研究也越来越多。如IEEE报道，1990年NHATM.NGUYEN等人采用硅双极型工艺制作了片上LC无源低通滤波器，其通带中心频率处的插入损耗为2.5dB，截止频率为880MHZ。但该滤波器的衬底的插入损耗较大。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是推出一种基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器，该滤波器有滤波性能好的优点，在通带内插入损耗小，几乎完全抑制了由低阻硅衬底引入的插入损耗。此外，它还有其制作工艺能与CMOS工艺兼容的优点。
本发明的技术方案的特征在于，所述的滤波器含片上微电感、片上MIM电容、片上共面波导传输线和复合衬底，复合衬底由氧化多孔硅薄膜、多孔硅层和低阻硅片组成，多孔硅层夹在氧化多孔硅薄膜和低阻硅片之间，由片上微电感、片上MIM电容和片上共面波导传输线组成的片上LC无源低通滤波电路依附在氧化多孔硅薄膜上。
本发明要解决的第二个技术问题是推出一种基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器的制备方法，本发明通过以下技术方案使上述第二个技术问题得到解决。
本发明的第二个技术方案地特征在于，用与CMOS工艺兼容的工艺，先制作由氧化多孔硅薄膜、多孔硅层和低阻硅片组成的复合衬底，再在氧化多孔硅薄膜上，形成由片上微电感、片上MIM电容和片上共面波导传输线组成的片上LC无源低通滤波电路。
现详细说明本发明的第二个技术方案。一种基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器的制备方法，其特征在于，用与CMOS工艺兼容的工艺进行制作，具体操作步骤：
第一步制作复合衬底
先在HF乙醇溶液中，用电化学的阳极氧化法腐蚀低阻硅片的一个表面，在该表面上形成多孔硅层，接着用H2O2浸泡和去离子水冲洗后，将该低阻硅片烘干，然后用高温湿氧氧化法，在多孔硅层的表面上形成氧化多孔硅薄膜，制得复合衬底；
第二步制作片上LC无源低通滤波电路
用热蒸发法，先在氧化多孔硅薄膜上沉积第一金属层，光刻形成片上MIM电容的下极板和片上微电感的下层金属连线，然后再在第一金属层上沉积介质层，光刻形成使片上微电感的上、下层金属连线能连通的过孔，最后，在介质层上沉积第二金属层，光刻形成片上微电感的渐开螺旋线、片上微电感的上层金属连线、片上MIM电容的上极板和由一条信号线和两条地线组成的片上共面波导传输线，至此，制得了基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器。
本发明的技术方案的进一步的特征在于，第一步中，氧化多孔硅薄膜、多孔硅层和低阻硅片的厚度分别为1μm、20μm和350μm。
本发明的技术方案的进一步的特征在于，第二步中，第一金属层是金层，第二金属层是铝层，介质层是氮化硅层，金层、铝层和氮化硅层的厚度分别为0.1μm、1μm和0.2μm。
工作原理。
本低通滤波器的片上LC无源低通滤波电路由片上微电感、片上MIM电容和片上共面波导传输线组成，该低通滤波电路依附氧化多孔硅/多孔硅上，截止频率为1.2GHZ。当加载在信号线上的信号的频率低于截止频率时，信号能通过；当信号的频率高于截止频率时，信号因被大幅度衰减而不能通过。
射频无源器件的损耗主要由两种损耗组成：衬底介电损耗和导体欧姆损耗。衬底介电损耗是由于衬底材料仍具有一定的电导率，不完全绝缘，由衬底电磁耦合而产生漏电流，所以其微波隔离效果随衬底电阻减小而变差。衬底介电损耗αd的大小在很大程度上取决于衬底本身的绝缘性能以及工作频率，可表示为：
αd＝27.3εr(εeff-1)tanδ/[εeff1/2(εr-1)λ0](dB/m)
其中εr为衬底的相对介电常数，εeff为有效介电常数，δ为真空中衬底的介电损耗角，tanδ为真空中衬底的介电损耗角正切，λ0为自由空间波长。
对上式分析可知，降低衬底损耗的关键在于衬底介质材料的选择。选择高电阻率的硅衬底，可减小衬底介质损耗，但CMOS工艺所采用的衬底是低阻硅片，适合于高阻硅的工艺不能与CMOS工艺兼容。而本发明提出的制备方法：在低阻硅片衬底上形成电阻率高且表面特性好的氧化多孔硅/多孔硅材料，是实现既能制得衬底插入损耗小的片上LC无源低通滤波器又能与CMOS工艺兼容的有效方法，有利于获得较佳的器件和电路性能。
本发明与背景技术比较，有以下优点：
在本低通滤波器通带内，所述的复合衬底的插入损耗比低阻硅衬底的插入损耗减少了40％，与高阻硅衬底的插入损耗相接近，几乎完全消除了衬底的插入损耗；本发明的低通滤波器体积小，易于制造，生产成本低；而且，本发明的低通滤波器的复合衬底能与现今的CMOS工艺相兼容，即在复合衬底的低阻硅片上可用CMOS工艺制作CMOS器件。
附图说明
图1是本发明所涉及的低通滤波器的结构俯视图。图2是图1中AA’截面结构示意图，其中1是第一金属层，2是介质层，3是第二金属层，4是氧化多孔硅薄膜，5是多孔硅层，6是低阻硅片，7是片上微电感，8是片上MIM电容，9是信号线，10是地线，11是复合衬底，12是片上共面波导传输线。
具体实施方式
实施例一种采用上述方法制备具有上述结构的基于氧化多孔硅/多孔硅的片上LC无源低通滤波器。
先制作复合衬底11。低阻硅片6是晶向为100和缓电阻率ρ为0.01Ω·cm的硅片。将低阻硅片6浸入40％HF乙醇溶液中，HF∶C2H5OH的体积比＝1∶1，阳极氧化电流的电流密度为25mA·cm-2。阳极氧化时间，即腐蚀时间为20分钟，在低阻硅片6上形成厚度为20μm的多孔硅层5。将低阻硅片6用H2O2浸泡和去离子水冲洗后，放入烘箱200℃烘干。然后在1180℃下，使多孔硅层5湿氧氧化30分钟，在多孔硅层5的表面形成厚度为1μm的氧化多孔硅薄膜4，制得复合衬底11。
在复合衬底11上制作片上LC低通滤波电路。在氧化多孔硅薄膜4上热蒸发淀积厚度为0.1μm的金层，作为第一金属层1，光刻。再在第一金属层1上沉积厚度为0.2μm氮化硅层，作为介质层2，并光刻。最后，在介质层2上沉积厚度约为1μm的铝层，作为第二金属层3，并光刻。所得的片上微电感7的圈数为4，外径为390μm，线宽为15μm，线间距为10μm，片上MIM电容8的上、下极板都为200×200μm，信号线9和地线10的宽度分别为50μm和30μm。