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华东师范大学硕士学位论文 低损耗混合信号集成电路衬底研究 摘要 随着集成电路设计水平和制备工艺的不断提高，高集成度、轻便、低功耗、 低压以及低成本的混合信号集成系统应运而生。混合信号集成电路的工作频率主 要在微波毫米波频域( 1 - - 4 0 g h z ) ，在此频域内传统的硅基衬底损耗较大，衬底 噪声耦合严重，现有的混合信号集成电路衬底材料如石英，g a a s 等由于其成本 和与标准c m o s 工艺的兼容性的问题不能满足混合信号集成电路的发展需要。 本文从成本，衬底损耗，与标准c m o s 工艺兼容性等条件出发，选取了多 孔硅和绝缘体上的硅( s o d 衬底做为适合混合信号集成电路发展的新型衬底材 料。运用a n s o f th f s s 软件和a d s 软件进行建模仿真。主要工作如下： 1 将损耗性能较好的多孔硅，高阻硅和s o l 衬底综合进行比较，通过传输 线，电感和移相器等无源器件的模拟仿真，进一步证明新型衬底可以有效提高混 合信号集成电路无源器件的性能，如损耗，品质因数等。 2 以共面波导为例，得到共面波导缝隙衬底的电磁场密度和波导损耗成反 比。并进行了多孔硅旋涂有机衬底的模拟分析，从电磁场角度解释了有机衬底涂 层降低衬底损耗的基理。对衬底材料做衬底耦合度分析比较，以混合信号集成电 路中的集总元件耦合带通滤波器为例，用耦合度最好的多孔硅衬底替代原器件的 氧化铝衬底，可以满足器件性能要求，证明多孔硅有效改变集总器件的集成度。 3 以混合信号集成电路中的集总元件定向耦合器为例，对新型衬底材料做隔 离度分析比较，进一步通过混合信号系统，得出不同衬底的系统增益，噪声系数 的变化。多孔硅衬底可以有效提高系统增益，抑制衬底噪声耦合。验证多孔硅衬 底在混合信号集成电路系统中应用的优势和理论可行性。 关键词：混合信号集成电路；多孔硅；s o i ；衬底损耗；耦合度；隔离度；噪声 系数 v 华东师范大学硕士学位论文低损耗混合信号集成电路衬底研究 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m c n to fd e s i g na n dm a n u f a c t u r el e v e li ni n t e g r a t ec i r c u i t ；t h e d e m a n df o rl e v e lo fc i r c u i ti n t e g r a t e da n dl o s sa r ei n c r e a s e d f o ra c h i e v eh i g h i n t e g r a t i o n , p o r t a b i l i t y , l o wl o s sa n dl o wc o s ti ni n t e g r a t ec i r c u i t ，am i x e r - s i g n a l i n t e g r a t ec i r c u i ti si n t r o d u c e d l o s so fs i l i c o ns u b s t r a t ei sv e r yh i g hi ng h zf r e q u e n c y , n o i s ec o u p l i n gs e r i o u si ns u b s t r a t e , u n s u i t a ba p p l yi nm i x e r - s i g n a li n t e g r a t e sc i r c u i t s y s t e m n o w , t h es u b s t r a t em a t e r i a lo fm i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i ta r eq u a r t z , g a a s a n ds oo n , f o rt h eh i g hc o s ta n dn o tc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dc m o st e c h n i q u e s , w o u l dn o ts a t i s f yt h ed e m a n df o r t h ed e v e l o p m e n to fm i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i t i nt h ep a p e r , c o n s i d e rt h el o s s , c o s ta n dc o m p a t i b l ew i t hs t a n d a r dc m o s t e c h n i q u e s ，s e l e c tp o r o u ss i l i c o n ( p s ) a n ds i l i c o no ni n s u l a t o r ( s 0 1 ) f o rm i x e r - s i g n a l i n t e g r a t ec i r c u i tn e ws u b s t r a t em a t e r i a l u s ea n s o f t 耶s sa n da d sm o d e l i n ga n d s i m u l a t e d t h em a i nw o r ka r e ： 1 c o m p a r et h el o wl o s ss u b s t r a t e ，p s 腿sa n ds o ic o m b i n i n gw i t hp a s s i v e d e v i c ea n a l y z et h ei n f e c t i o no fs u b s t r a t em a t e r i a lf r o ml o s sa n dqf a c t o r 2 t a k ec p w ( c o p l a n a rw a v e g u i d e ) , a n a l y z et h ei n f e c t i o no ft e m p e r a t u r ea n d d i s t r i b u t i n go fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l df o rl o s s c o m p a r et h ec o u p l i n go fs u b s t r a t e m a t e r i a lo ff i l t e r , u s ep sd i s p l a c ea l e 0 3 ，p r o v et h a tn e ws u b s t r a t em a t e r i a lc o u l dn o t o n l yi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v ed e v i c e ，b u ta l s oc o u l di m p r o v e dt h e i n t e g r a t i o no ft h ed e v i c e 3 c o m p a r et h ei s o l a t i o no fs u b s t r a t em a t e r i a lo ff i l t e r , u s i n gp sd i s p l a c em g o ， m o r c ，b u i l du pam i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i ts y s t e m ，a n a l y z et h ei n f e c t i o no f s u b s t r a t em a t e r i a lf o rg a i no fs y s t e ma n dn o i s ec o e f f i c i e n t , p r o v et h a ts u b s t r a t e m a t e r i a lc o u l dn o to n l yi m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo fp a s s i v ed e v i c e , b u ta l s oc o u l d i m p r o v e dt h ei n t e g r a t i o no ft h ec i r c u i t , r e s t r a i nt h en o i s ec o u p l i n g , a d a p tt ot h e d e v e l o p m e n to fm i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i t v a l i d a t e dt h ea d v a n t a g e so ft h o s e s u b s t r a t em a t e r i a li nm i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i ta n df e a s i b l ei nd e v i c ea n ds y s t e m i nt h e o r e t i c k e yw o r d s ：m i x e r - s i g n a li n t e g r a t ec i r c u i t ；p o r o u ss i l i c o n ( p s ) ；s i l i c o no ni n s u l a t o r ( s o 耽s u b s t r a t el o s s ；c o u p l i n g ；i s o l a t i o n ；n o i s ec o e f f i c i e n t v 1 低损耗混合信号集成电路衬底研究 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意 学位论文授权使用声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索有权将学位论文的标题和摘要汇编出版保密的学位论文在 解密后适用本规定 学位论文作者签名：娠矛石红 日期： 导师签名：砩音兹父 日期：兰竺空毫垃6 q 华东师范大学碘学位论文 1 1 研究背景和目的 第一章绪论 为了实现电路的高集成度、轻便、低功耗、低压以及低成本目标，人们提 出了混合信号单片集成系统，即把多种技术、多种功能集成在一块芯片上希 望通过模拟数字电路技术和c m o s 技术以及微机械加工技术提高无源器件性 能1 1 _ 目。混合信号集成电路包括模拟电路和数字电路从器件角度来说，包括有 源和无源器件。图1 _ 1 给出了混合信号集成电路的主要元件及工作频率 圉1 1 混合信号集成电路主要元件及其工作频率现状及展望 在技术上把射频限a d i of r e q u e n c y ) 或模拟电路和数字电路放到一块芯片上 是非常困难的。因为模拟电路与数字电路不同，它对电源供给中以及衬底接地 中的电压扰动非常敏感。另一方面，由于数字电路的信号锐变，在衬底中注入 大量噪声，噪声转移到同一块芯片上的模拟电路中，干扰信号输出。微波( 1 一i o o g h z ) 和毫米波( 3 0 3 0 0 g h z ) 技术要求的工作频率的提高，增加了噪 声注入，脾低了屯路性能。电路调制过程中采用过采样技术提高了奈奎斯特 ( n y q u s i t ) 频率，也增加了耦合噪声。因此，要求衬底的耦台特性以及降低串 扰技术变得越来越重要卜”。从2 0 0 2 年起国际半导体蓝图l t r s ( i n t e m a t i o n a l t e c h n o l o g yr o a d m a pf o rs e m i c o n d u c t o r s ) 就把信号隔离作为工艺集成的主要难 点口i 。同时，高频域衬底的损耗和无源器件性能下降也是一个严重问题。总而 华东师范大学硕士学位论文 言之，混合信号集成电路的主要问题是如何降低衬底串扰和无源器件、共面波 导( c p w ) 线等衬底射频损耗，同时形成机械上坚固和稳定的芯片结构1 6 。 以往人们采用一v 半绝缘g a a s 材料来消除衬底的影响，然而，其昂贵的 价格，不能与成熟的硅集成技术相兼容而限制其进一步的发展同。混合信号集 成电路在高频域，低电压，低功耗电路中，由于阈值电压降低，引起器件电流 驱动能力的下降和静态泄漏电流增加，导致体硅衬底c m o s 电路的速度剧减1 8 l 。 另外，随着器件尺寸减小，集成度提高，器件内部以及器件之间通过衬底的相 互作用会越来越严重。导致了一系列半导体材料，器件物理、设计和工艺等方 面的新问题。主要表现在下面几个方面： ( 1 ) 用于制作体硅m o s f e t 的硅片厚度为5 0 0 x m ，但只有顶层的1 脚硅 用于制作器件，器件和衬底间的相互作用引起了一系列的寄生效应。在深亚微 米器件中，衬底掺杂浓度增高，寄生效应也会增耐7 1 ( 2 ) 体硅c m o s 器件中由结构内在的p n p n 闸流管触发引起的闩锁效应， 严重时会导致器件失效。在小尺寸器件中，寄生闸流管所包含的双极晶体管增 益增大，闩锁效应将更为严重1 8 】。 ( 3 ) 超薄s o i 晶体内已观察到量子输运现象，为了量子效应特性，需要建 立新的物理概念和模型工具【9 】。 ( 4 ) 在r fc o m s 中需要隔离技术限制串扰，在相同结构中比较s o i 和体 硅的底层耦合，体硅中用p 保护环比在s 0 1 中更有效。说明目前的s o l 衬底隔 离性能不能取代成熟体硅工艺的隔离技术【删。 ( 5 ) 温度较高的情况下，体硅衬底的损耗随着温度增加而变大，超过1 5 0 0 c 体硅c m o s 便无法工作【1 1 】。 现在混合信号集成电路迫切需要低成本，与标准c m o s 工艺兼容性好，能 够满足电路的集成度，可在高频域使用的衬底材料。影响混合信号集成电路发 展的最主要问题就是高频下的衬底损耗问题和在混合信号电路中数字部分产生 的噪声对模拟部分以及r f 前端的影响【1 2 1 。目前常用的硅基衬底在高频情况下， 由于电磁耦合作用在硅基片上产生的感生电流密度大，引起介质分子的交替极 化和晶格碰撞，产生很大的介质损耗，对传输特性极为不利，因此低阻硅衬底 不能直接用于制备无源器件。近年来，人们采用许多新衬底材料来解决上述问 题。由于g a a s 、m 9 0 、石英等材料具有极低的微波介质损耗，多在当前的混合 信号集成电路中被采用为衬底。但需要一套与硅工艺不同的加工工艺和电路设 计方法，不能与现有的低成本硅工艺兼容。且g a a s 材料价格昂贵，单位面积成 本为硅材料的数十倍【”j 。在这种情况下，一些由硅基衍生的新型衬底逐渐进入 人们的视野。本文重点对目前在混合信号集成电路中应用的衬底材料进行分析 华东师范大学硕士学位论文 比较，通过对元件，集总元件和系统的仿真模拟，比较了不同衬底对于混合信 号集成电路元件及系统功能的影响，表明了新型衬底多孔硅，绝缘体上的硅 ( s o i ) 在混合信号集成电路中运用的优势，特点和挑战。 1 2 研究方法与工具 有限元方法是近似求解数理边值问题的一种数值技术。它首先在上世纪4 0 年代提出，5 0 年起用于飞机设计。六七十年代被引进到电磁场问题的求解中 磁场的边值问题和很多物理系统中的数学模型中的边值问题一样，都可以用区 域o 内的控制微分方程( 电磁场问题中可以是泊松方程、标量波动方程和矢量 波动方程等) 和包围区域的边界g 上的边界条件( 可以是第一类的d i r i c h l e t 条 件和第二类的n e 强m a n n 条件，或者是阻抗和辐射边界条件等) 来定义。微分方 程可表示为【1 4 j ： 印一厂 ( 1 1 ) 式中，l 是微分算符，尹是激励函数，f 是未知量。对于电磁场边值问题， 只有少数情况可以得到解析解。很多时候采用基于变分原理的数值方法求其近 似解伊，比如迦辽金方法在此方法中，首先定义非零参数： ri l 牵一f ，0 ( 1 2 ) 的最佳近似应能满足： 足。正m 坩q - o ( 1 3 ) 巷里r i 表示残数加权积分，w i 是所选择的加权函数。进一步地，可以将近 似解展开为： ；。善q u 。 v t r c t k 是定义在区域q 内的展开函数， 选为： ( 1 4 ) c i 是待定的展开系数。并且将加权函数 m 。屹 i - 1 ，2 ，3 ，4 ，5 。n( 1 5 ) 式( 2 3 ) 变为： r 。正“三p 广 c 一，矽q _ o i = 1 ，2 ，3 ，n ( 1 6 ) 这样，问题的求解就转化为能够使上式最小化的展开系数 c ) 的线性问题的 求解，将( 3 6 ) 式写为矩阵形式： 【s c 卜斜 ( 1 7 ) 华东师范大学硕士学位论文 【s 】的元素为： 岛。正“三_ 矽q ( 1 8 ) b ) 的元素为： 岛。正b 弦q 在建立了微波问题的有限元研究模型并求解其场结构后，可以利用求得的 场进一步求取其多端口网络参数。多端口网络的s 参数描述多端口网络端口反 射波和入射波之间的线性关系，比如一个二端口网络的s 参数定义为： 川乏啪】“9 ) 其中各参数的定义为：a i 是端口i 的入射波，其模值平方是激励功率，相位 z q 是激励场相位( 对于有耗端口模式和无耗传输模式定义为0 ，对于无耗截止 模是9 0 ) 。b i 是端口i 的反射波，其模值平方b 1 2 是激励功率，相位弛是由激 励场而产生的反射场相位。s i 描述了端口j 处的激励场反射或传输到端口i 的 比率和相移。必须注意到，s 参数是与模式有关，其默认的s 参数是主模的s 参数，同时也具备计算高次模式的s 参数。 a n s o f ih f s s 端口的特性阻抗有，知和z v i 三种阻抗定义，分别具体介 绍如下。z p i 是由功率p 和电流i 来定义： 。 p z 。万 ( 1 1 0 ) 式中的功率p 和电流i 都可以由有限元方法计算的场求得，功率p 由下式 计算： p i liexh击(111) ，j j s 表示端口表面积。 电流i 由下式计算： ，。田日讲 ( 1 1 2 ) l 为端口环线积分。注意电流有流入和流出端口两种，a n s o f ti - i f s s 取其平 均。是由功率p 和电压v 定义： y y z 。下( 1 1 3 ) 式中功率p 的定义和( 3 1 1 ) 式相同，电压v 的定义为： 毕东师范大学硕士学位论文 “正。d l 积分式在设定端口时定义的阻抗线上进行 z 。- 厄瓦 ( 1 1 4 ) 乙则是由前两个阻抗来定义 ( 1 1 5 ) 一般来说，对于t e m 传输线，a n , s o f th f s s 选择使用乙作为特性阻抗的定 义；对于微带线，a n s o f th f s s 建议使用乙作为特性阻抗的定义；对于槽状结 构的共面波导等，a n s o f th f s s 建议使用z 。作为特性阻抗的定义。 有限元方法是对矢量亥姆赫兹方程建立变分形式，然后离散化建立矩阵方 程来求解。从原理上说，这种微分方程的方法应该在所有感辨趣的区域成立 离散化也应该在所有感兴趣的区域进行l l ”。 目前支持混合信号集成电路元件和系统仿真设计的软件大多数为类s p i c e 软件。本文对衬底材科仿真是选用国际上主流的三维高频电磁场仿真软件美国 a n s o f t 公司的h f s s 软件。鉴于a g i l e n tt e c h n o l o g y 公司的a d s 软件拥有功能 强大的模批射频 殳计平台，所以本文选用a d s 软件来进行混合信号系统的模 拟。对有源集总元件设计是将两种研究工具结合使用。 图1 2 a r s o f t h f s s 软件的操作界面 华东师范大学硕士学位论文 a n s o f lh t s s 是计算电磁结构的交互软件包，如图1 2 所示。计算模拟器包 括分析电磁结构细节问题时的后处理命令。本文主要用a 皿s o f lh f s s 计算： 1 基本电磁场数值解。 2 端口特征阻抗和传输常数。 3 s 参数和相应端口阻抗的归一化s 参数。 a n s o f lh t s s 软件采用有限元方法进行计算。该软件为三维软件，可以对元 件结构，衬底材料做细微的设计，观察元件的电磁场分布情况。但三维软件的 计算量相对较大，特别是系统的仿真计算数据量更大 a d s 电子设计自动化( e d a ) 软件全称为a d v a n c e dd e s i g ns y s t e m ，是 美国安捷伦( a g i l e n t ) 公司所生产拥有的电子设计自动化软件：a d s 功能十分 强大，包含时域电路仿真( s p i c e - l i k es i m u l a t i o n ) 、频域电路仿真( h a r m o m c b a l a n c e 、l i n e a ra n a l y s i s ) 、三维电磁仿真但ms i m u l a t i o n ) 、通信系统仿真 ( c o m m u n i c a t i o ns y s t e ms i m u l a t i o n ) 和数字信号处理仿真设计( d s p ) ；支持射频 和系统设计工程师开发所有类型的混合信号系统设计，从简单到复杂，从离散 的射频微波模块到用于通信和航天国防的混合信号集成电路，是当今国内各大 学和研究所使用最多的微波射频电路和通信系统仿真软件。a d s 软件对于系统 的创建设计如图1 3 所示 p l a c er o t a t e c o n n e c t d e f i n e c o m p o n e n t _ 卜c o m p o n e n t - - - - i p c o m p o n e n t - l 卜p a r a m e t e r s l 削dp b 恕 g e n e r a t er e p o r t s 图1 3a d s 软件的创建设计步骤 在本文中重点用a d s 软件进行系统级别的h a r m o m cb a l a n c e 仿真以及s 参 数仿真。a d s 软件为二维软件，计算量相对较小，拥有功能强大的射频设计平 台，非常适合混合信号系统仿真。 混合信号集成电路所包含的元件种类多，数量大，得到系统的某种性能需 要结合许多参数进行分析，如图1 4 所示在试验中制备和测试成本高，所用时 间长。采用模拟仿真的方法效率高，成本低，重复方便，h f s s 软件和a d s 功 能强大，也为使用着免去了复杂的测试和计算。模拟结果对于试验起到很好的 预测性和指导作用。 华东师范大学硕士学位论文 s a l 舅i d 霸b k 取d - $ d 艟魄喇_ h l 她嗣抽一翱啪坤，n - e l d & 嘲峨妇 洲- 巧 j | i 墨 d 芦铭ht 缝l c s q b 在a 傍代栅晡姆n -l ，1 i e g 毗出西拗4 脯己孵k t ，口l n 盛i b 撇刊n 幽咿_ 鼍- 以一0 礓 r 一岛- 如，征+ 1 钾 i a a氍毒 置。刁 h 。6 盯亿+ 叫序，| ，l i 嗣嘲魏翻舡触 隗蚋c 枷。层 盘 d 僖 c r e m e 佃睫 蛐明ql ，一l | t o 嘶鞠p 罐鞠俾一c 叫。耽 l ，盘| i 口 p r o mb - 丘a 煳q ， t f 矽 d h 娃d t r 嘲k 口g - 舻p j l 礓 g 睫& i 彬一b t l ，雎印抽f 白l t d j 俺_ 搬p o v e a - 知，h 纾r ， l 壤 l 爿脚弘 - - ， 栩耐鼍稃知，朋舅谚 厶u t 确 嗽，埯灯 p 覃r 州l 一“蕾西b 嘛，国 c 锄槲d , n n s 畸一l e e , l a e m 一 叠f e 张! - 口扣_ i y 一户帅叠蠢 磅 p 舯涮i y 弘口曲瞄 | ，t l ，l 莎m h 妇妇曲- 瞄纽蝴囊嘶t 亡l 躇 囊婶峭讨喇嗣如隔 q 晒l 抒嬲p 谚 五i ，t r ，o l 。硼。+ 蠢绩，r d 6 3 明托口血捌h 疆殚时伽唧l 融曝 0 i曩扩涪 ，- k - g 羽唱斑l 厦，p | 一 h 飘纠唧啦一i l 蠢呷b 雄f b q 母d 碡叠赶07 秘 l - 稽以t 出a 矗l 壤。f m p 日脯睁嘲张l 一t 蜘喇矗摹f b 簪母 l 撑l l t l c 城c t - c j l 穗撑 图1 4 混合集成电路测试需要的部分参数【1 5 j 1 , 3 论文主要研究内容 本文第一章绪论讲述研究目的意义、方法，研究工具和主要内容结论 本文第二章重点讨论传统的混合信号集成电路衬底材料，如石英，g a a s 、 m g o 等和新型衬底材料多孔硅，s o i 的特点并进行比较，给出了新型衬底具有的 优势和应用特点，介绍了最新的晶片迁移技术( w t t ) 和有机衬底在混合信号集 成电路中的应用。 第三章从混合信号集成电路元件入手，对于传输线，电感等无源器件的衬 底效应进行比较分析，改变衬底带来的元件性能提高。 第四章对于混合信号集成电路有源集总器件的衬底效应进行仿真分析，如 滤波器和定向耦合器。证明新型衬底材料可以取代传统混合信号集成电路衬底 材料并运用于集总器件中，得出几种衬底的耦合性能和隔离度，发现运用多孔 硅衬底在不改变器件性能的基础上，可以有效的提高器件的集成度。 第五章对镜像抑制混频器的衬底噪声进行了模拟。得出新型衬底完全满足 混合信号集成电路高频工作要求，得到了不同衬底对系统增益和噪声系数的影 响。证明新型衬底在混合信号集成电路中可以有效的抑制衬底噪声，提高系统 增益。 第六章总结全文，指出研究的不足处，提出进一步工作的设想。 华东师范大学硕士学位论文 图1 4 是论文的研究结构图： 图1 4 论文结构图 8 毕东师范太学硕士学位论文 第二章混合信号集成电路的衬底材料 本章对于混合信号集成电路衬底材料的现状和不同材料的特性进行比较， 选择适合混合信号集成电路高频应用的材料，并对所选的衬底材料特性进行分 析，验证其优势和应用的可能性。 2 1 混合信号集成电路衬底材料现状 2 1 1 混合信号集成电路村底问题 现代通讯的发展要求尺寸更小功耗更低成本也要求降低，势必需要发 展单芯片系统( s y s t e m o n c h i p s o c ) ，把实现通讯功能模拟电路和传输功 能的数字电路集成在同一个芯片上，许多问题应运而生，研究发现8 0 的衬底 噪声来源于同时产生信号转换的数字电路【1 7 1 ，如图21 所示。模拟电路对电 源供给及衬底接地的电压扰动非常敏感，数字电路信号锐变在衬底中注入大 量噪声并转移到同一芯片的模拟电路中，对于模拟信号的输出产生严重干扰。 所以抑制衬底噪声耦台，降低串扰变得越来越重要【1 s - 1 9 1 。 图2 i 数字信号电路给村底带来绝大多教噪声侧 随着硅工艺技术的成熟芨展，现有的低成本硅加工工艺在微波电路领域具 有越来越广的发展前景。但是低阻硅衬底的自由载流子浓度大，在高频下电磁 耦合作用在硅基片上，会产生大的感生电流密度，引起介质分子交替极化和品 格碰撞，引起很大的介质损耗，对传输特性极为不利，限制低阻硅衬底直接用 于制备微波无源器件川。g a a s 、i g o 、a i o 和石英等材料，具有相对低的微波 华东师范大学硕士学位论文 表2 1 混合信号集成电路衬底材料情况 介电电阻损成c m o s 工艺 材料 优势 缺陷 常数率耗 本兼容情况 高频下，损耗 低阻 大，难以成为 硅基 1 1 9 低高低良好工艺成熟，应用广泛混合信号集 成电路高频 衬底 高阻 较较 工艺成熟 隔离性能较 硅 1 1 9高良好 差，常需要植 低低且高频损耗小 入绝缘层 多孔度和厚度均可调 多孔较节，高频损耗小，隔离结构不够坚 硅 式3 1高低良好 低性能良好，适合高频、固容易碎裂 高温电路，可做牺牲层 较隔离性好，高频情况损自加热效应 s o i 1 1 9高低良好 低耗小，可用于高温电路和浮体效应 较 成本较高、难 石英4 2高低较差损耗小，隔离性能好与c m o s 工 高 艺兼容性 成本高、难与 c r a a s1 2 9 高低高较差高频损耗小c m o s 工艺 兼容性 较 成本高、难与 m g o 4 3高低较差损耗小，隔离性能好c m o s 工艺 高 兼容性 较 成本高难与 a 1 2 0 3 9 8高低较差高频损耗小c m o s 工艺 高 兼容性 隔离性好，高频损耗小需要采用晶 有机 高低 低 较好可以制作柔韧衬底满足片迁移技术， 材料 不同电路的需求工艺复杂 介质损耗，在射频集成电路( 混合信号集成电路) 设计中经常被采用为衬底。但 是需要与硅工艺不同的加工工艺和电路设计方法，不能与现有的低成本硅工艺 兼容。且g a a s 材料价格昂贵，单位面积成本是硅材料的数十倍。相比之下， 硅材料廉价丰富、机械、散热性能好，在微电子技术几十年的发展过程中，硅 片加工工艺始终处于核心地位，具备相当成熟的制备工艺，可实现极高的集成 度【2 1 2 2 j 。因此迫切希望能够用硅片制作各种高性能微波无源器件。表2 1 列出 了混合信号集成电路衬底材料情况。多孔硅，s o l 和有机衬底成本低，与标准 c m o s 工艺兼容性好，在高频情况下隔离度和损耗特性良好，逐渐或已经被人 华东师范大学硕士学位论文 们关注，本章将对这几种新型衬底的优势和特点做进一步讨论 2 1 2 新型衬底材料 随着s o c 技术和工艺水平的不断提高，近年来，高阻硅，多孔硅和s 0 1 衬 底得到了广泛关注。这三种衬底的都是由硅基衬底的大规模应用发展而来，共 同优点是电阻率高，衬底损耗低适于高频电路的应用。由于高阻硅衬底的隔离 性能在高频情况并不理想，常做为制备s o i 的材料，有效降低s o i 衬底的损耗 和隔离性能。图2 2 表明，2 0 g h z 时，运用低阻硅的s 0 1 衬底的损耗要比用高 阻硅的s o l 衬底高1 6 d b 。 喜 要 塞 曼 f r eq u en c y ( gh z ) 图2 2 运用低阻硅和高阻硅的s 0 1 损耗性能比较 确陟蕾自哪嗡 图2 3 不同衬底的损耗随温度变化情况 华东师范大学硕士学位论文 2 2 新型衬底材料的温度特性 2 2 1 $ 0 i 衬底的温度特性 c m o s 工艺受温度影响较大，体硅衬底c m o s 工作的最高温度为1 5 0 0 c 【1 1 l ， 限制了混合信号系统的工作条件和性能，图2 3 给出了硅基衬底( s t d ，2 0 q c m ) ，高阻硅( 职) 和在硅基衬底中植入氧化层的s o i ( 耵m s ) 衬底的损耗随 温度的变化情况【1 。 对于硅基衬底，2 0 0 0 c 以下，随着温度升高，总损耗降低，这是由于2 0 0 0 c 度以上时，衬底电阻率的降低占主导，衬底本征载流子的浓度增加，衬底中自 由载流子的迁移率随着温度的增加而引起【2 1 】。高阻硅同样是整体损耗都随温度 增加而增加。而低阻硅s o i 衬底材料随温度变化不明显，这是因为绝缘层有效 地隔离了衬底漏电流，损耗上升主要和表层硅基电阻率下降有关可以看出， 在一定的温度下，高阻硅的损耗甚至超过了低阻硅基s o l 衬底。高阻硅基s o i 材料，温度特性更好，可达3 0 0 度以上【1 1 l 。低阻硅基s o i 材料，随着温度增加， 损耗也增大，见图2 4 所示。用低阻硅基s 0 1 材料制备的传输线f l l l ，温度从2 5 度升高到2 5 0 度时，输线损耗上升8 0 。虽然比体硅s 0 1 的温度特性有了很大 提升，但还是不能满足一些特定的高温需求。 富 羞 已 兰 互 图2 4 低阻硅基s o i 衬底的损耗随温度变化图 2 2 2 多孔硅s o l 衬底的温度特性 多孔硅由于其特殊的海绵状结构，极高的电阻率能非常有效的抑制衬底漏 电流。多孔硅衬底的损耗受温度的影响非常有限f 矧。这为制备更高温度的混合 华东师范大学硕士学位论文 信号集成电路提供了条件，特别是在热敏传感器的应用中，多孔硅与i c 工艺的 兼容性以及其良好的绝热性能和其特殊的结构使其拥有远低于硅的热导率1 5 6 w ( m k ) ) 】，纳米多孔硅的热导率可低至1w ( m k ) ，而且制各出的多孔硅表面 平整，不仅可以淀积平整的薄膜，还可以形成高质量的外延单晶层。因此，采 用多孔硅作为绝热层以替代传统的热隔离结构p l ，大大提高微热敏传感嚣的灵 敏度和稳定性。 衬底的热应力是对于多孔硅结构的挑战，多孔硅层与低阻硅基界面随温度变 化无热应力产生，多孔硅衬底材料在高温环境下工作的热应力主要来自硅和孔 中s i 0 2 的熟应力。 应用a n s y s 软件建立多孔硅氧化的单孔模型，n 型多孔硅深度1 0 0 “m ， 孔的直径1 0 9 m ，生长05 u m 厚的s i 0 2 。由于s i 0 2 在生长过程中产生不规则形 变，假定s i 0 2 均匀分布在孔壁上，计算表明规则生长的s i 0 2 膨胀系数为38 6 c 5 ， 表2 2 列出建模所用到的参数，当工作温度从室温变化到1 2 0 0 ，应力分布情 况如图25 a 所示，硅和s i 0 2 边界层应力最大。 为验证在高温下产生的应力对多孔硅结构的破坏，将硅和s i 0 2 边界设置成 自由情况。如果硅孔中的s i 0 2 层断裂说明在高温下，热应力会破坏多孔硅结 构。圈25 b 表明，高温下s i 0 2 层分布变得不均匀但没有产生断裂，说明高温 产生的热应力不会对多孔硅层形成破坏。 表2 2 硅和多孔硅的热应力模拟参数 材料膨胀系数导热系数( 室温) 杨式模量泊松比 ( 体) 1硅2 6 c 一61 2 92 09 2 e 1 1 02 8 2 s i o z 3 8 6 e 一59 9 872 6 c 1 10 1 7 图2 5 恤) 硅与二氧化硅的热应力分布( ”孔中二氧化硅高温分布情况 华东师范大学硕士学位论文 2 3 新型衬底材料的电磁场分布特性 衬底材料的电磁场分布和衬底损耗密切相关，传统都是通过计算介质损耗 来进行损耗分析本文将通过电磁场分布来讨论混合信号集成电路中的衬底损 耗问题。以基本的传输线为例，在共面波导结构的衬底( 信号线和地线的缝隙 区) 中，电场强度越强，损耗越小。不同的衬底材料，衬底电场分布不同。多 孔硅衬底中电场强度可达2 6 2 e s v m ，高频时( 4 0 g h z ) ，损耗为0 2 6 d b m m 。 2 3 1 传输过程中的电磁场分布 i ：! 暑 ! | | | 黧 ；：i 黧 ；：嚣 旨黧 二= i 豪王蠢瑟= = 二五主 图2 6 信号线中电流分布 图2 6 表明共面波导的电场聚集在信号线和地线周围，电场线从导线到地 线信号线，电流和两条地线电流的方向相反。电流传播沿着三根导线，能量的 集中率近似0 5 t 圳：意味着半数能量集中在衬底上方的空气区域，半数在衬底区 域。如果衬底很薄，底下还有空气区域，电场会在空气区域存在。高频情况下， 共面波导模式的电磁场集中于缝隙区，信号线和地线的电流都集中边缘，产生 由此较高的损耗。 通过单力矩分析模式 2 7 1 对如图2 6 所示的混合信号集成电路共面波导中的 电场分布进行分析。 电场强度可表示为： n g r a d 一一詈“ 陀。、 u ，“，分别为沿x ，y 轴方向的单位向量，妒为损耗角，边界条件为 e - 0 4 p - c o n s t e ，0 塑，c “ o n ( 22 ) 则介质交界电场分布情况为【鹅】： 华东师范大学硕士学位论文 l 巨1 。f 2 e 2 ( 2 3 ) 5 - 和8 ：分别为空气和衬底的介电常数。 从2 1 2 3 式可得，电场的强度与损耗角和有效介电常数成反比。信号线和 地线的空隙周围电场强度越大，损耗角正切越小，有效介电常数越小，损耗也 就越小。 2 3 2 不同衬底材料电磁场的分布 通过h f s s 软件对多孔硅，高阻硅和s o i 衬底的混合信号集成电路共面波 导分别进行电场分布的仿真分析，得到图2 7 所示结果，( a ) 图是多孔硅衬底， ( b ) 图高阻硅衬底，( c ) 图s o i 衬底。 隔。匿圈 。 l 曼兰i l l - - l 溷蕾i 撼雪目 峰焉l 。i 禹簟莲圈 ：旧；蓊 1 图2 7 电场在混合信号集成电路共面波导上的分布图 图2 8 不同村底共面波导损耗比较 从图中的电磁场密度可以看到电场聚集在信号线和地线周围，多孔硅，高 阻硅和s 0 1 衬底的信号线和地线周围，电场强度分别为26 2 e 5 v r a ，2 1 8e 5 v m 1 5 华东师范大学硕士学位论文 和1 4 7c 5v m 。它们各自的损耗情况如图2 8 所示。可以看到，高频情况下 ( 4 0 g h z ) ，多孔硅，高阻硅和s o l 衬底的损耗，在混合信号集成电路共面波 导衬底中，信号线和地线周围的电场强度越大，衬底损耗越小，具有较好的传 输性能。 2 3 3 村底旋涂有机层改变缝隙电磁场 根据本课题组试验本文进一步做了多孔硅衬底上旋涂有机层聚酰亚胺的 仿真。旋涂有机层相当于将金属线和衬底“隔离”开，形成悬空结构，制作步骤 如图2 9 所示【驯。 1 油c o a t i n g m d t h e r m a l 2 p h o t o l l t h g r a p h y p r o c e s s i n go f p o l y l m i d e 3s a c t t i i c i a i l a y e rd o s m o n 4 ud e p o 二二 | _ 5 z c t i 血ga n d c p wr * l e s a s e 图2 9 制备旋涂有机村底的共面波导工艺流程 在低阻硅基生成的多孔硅衬底上旋涂一层聚酰亚胺，厚度为1 2 , a m ，聚酰亚 胺的损耗角正切为0 0 0 8 介电常数为35 。将衬底层和金属线有效的隔离开 图21 0 表明仿真得到的电磁场分布情况。 酬霾 | 鎏鋈阿 匪篓 | i l - ：。 赣| 一“ 图2 1 0 ( 劬多孔硅村底共面波导的电磁场分布( b ) 旋涂有机层后共面波导的电磁场分布 华东师范大学硕士学位论文 通过比较可以明显看出e m 电场区在旋涂有机层聚酰亚胺后，被有效提高， 电场中心位于缝隙上方，旋涂有机层改变了衬底和金属线上方的空气传输能量， 一部分能量通过有机涂层的损耗大幅降低，通过多孔硅的信号减少，损耗也随 之减少，整体衬底损耗大幅降低。如图2 1 1 所示旋涂有机衬底的多孔硅衬底的 高频损耗远小于高阻硅衬底，和石英衬底近似，通过模拟衬底电磁场的分布情 况可以更直观的解释这种现象。 图2 1 l 衬底的共面波导损耗比较 2 4 晶片迁移技术和有机衬底 对于可作为混合信号集成电路的衬底材料一有机衬底和其它衬底器件的制 备过程不同，需要利用晶片迁移技术i 删。 硅衬底的损耗对集成在上面的混合信号集成电路电路的组分性能都有一定 的限制，例如，q 值和响应频率f 为了降低损耗，采用了很多方法。例如，晶 片级的封装片上感应器尽可能远离硅衬底。然而，感应器和衬底的距离小于2 0 , u m ，衬底损耗依然存在【3 ”2 1 。运用微机电系统( m e m s ) 技术或厚的多孔硅层 可以排除衬底影响，但和c m o s 制作流程和封装不兼容近来，一些高阻硅技 术，如通过离子注入改变衬底，沉积半绝缘的阻挡层提高感应器性能1 3 3 】。然而， 这些技术不能和c m o si c 制作过程兼容。 d e k k e r 3 4 j 提出在s o i 衬底上制作c m o s 转移到通明衬底，如石英玻璃衬底， 运用u v 光敏胶在晶片上粘合，转移。衬底损耗降到最小，感应器由3 0 ，u m ，长 度1 0 0i lm 的铝环绕，q 值大于5 0 ，自感系数l n h 。然而，这种技术不能用于 不通明感应器，选择热压焊在传输硅晶片和目标衬底中带来了应力，很难转移 整个结构。为了实现结构转移到橡胶衬底并具有良好功能，需要小尺寸高密度 的嵌入橡胶封装衬底，橡胶衬底柔韧也可以做柔韧的元件。 华东师范太学硕士学位论文 图2 1 2 是感应器的剖面图，首先制作在低阻p 衬底上，再转移到橡胶衬底。 先沉积一层s i o 2 ( 1 。) 7s i g n ( 1 a ) 作为硅的刻蚀阻挡层，厚s i 0 2 层( 和m ) 沉 积在刻蚀阻挡层的顶端，模拟四金属层c m o s 的内部接触。两层铜盘绕在感应 器下部，在内部的末端直径为0 2 6 u r n ，厚度为o s a m 。在第二金属层上和第一 金属层上的铝抽头分别用于在硅衬底和橡胶衬底感应器的r f 特性。 曩二一互 藏墨。m ，盔 受壁纛 图2 1 2 ( 劬晶片迁移示意圈( b ) 感瘴器的剖面图 晶片迁移，压焊和迁移过程要避免晶片弯衄m 】，将硅晶片放置在柔韧橡胶 衬底上，环氧胶层在晶片和f r 一4 之间。压焊需要控制温度和压力，达