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MMIC电路设计中的电阻、电容、电感和过孔

电阻器
通过在MMIC表面下使用有源半导体层或在表面上铺设电阻金属合金薄膜作为电阻材料来产生MMIC电阻器 。 采用这两种方法 ， 电阻器在电阻材料薄膜的任一端构造有金属接触焊盘 ， 如图1所示 ， 并具有典型薄膜电阻器的特性 。
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图1、薄膜电阻的结构
电阻材料的特征在于其电阻率（单位是欧姆每平方） ， 因为20*20-μm方形电阻与100*100-μm方形电阻具有相同的电阻值 ， 如果它是由相同的材料制成的电阻的话（电阻=电阻率*长度/宽度=电阻率*20/20=电阻率*′100/100） 。 这也可以通过计数有多少个方块组成了电阻器来快速计算电阻的大小 ， 例如 ， 图2右侧的电阻由三个串联的方块组成 ， 每个方块的电阻为50?W ， 因此总串联电阻为150?W 。 图2左侧的电阻可以看作是两个平行的方块 ， 其电阻为串联一个方块的一半 ， 因此总串联电阻为25?W 。 请注意 ， 此原理仅适用于直线电阻器 ， 不适用于电阻膜蜿蜒以使小面积适合大值电阻器的电阻器 。 在这种情况下 ， 直线部分具有标称的薄膜电阻率 ， 但是由于薄膜内角处的电流拥挤 ， 因此拐角角部分具有较高的电阻率 。
用半导体材料制成的电阻器的缺点是它们的电阻是有源半导体层内电子迁移率的函数 ， 因此对温度变化敏感 。 它们的优点是（1）它们通常具有每平方几百欧姆的电阻率 ， 这使得它们可用于高值去耦电阻 ， 以及（2）它们位于半导体表面之下 ， 因此可以铺设其他没有电接触的互连金属化 。 使用的常见金属合金包括镍铬合金（NiCr）和氮化钽（TaN） ， 它们的薄膜电阻率通常为每平方20?W到50?W ， 以及钨硅酸盐（TiWSi） ， 它的薄膜电阻率为500?W到每平方1,500?W 。 镍铬合金（NiCr）具有有用的特性 ， 即其电阻率与温度变化几乎完全恒定 。
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图2、使用正方形计算薄膜电阻器的电阻（a）25?电阻器和（b）150-Ω电阻器
如果电阻器带有一个很大的电流 ， 那就是电阻的宽度必须设计成能够处理它们 。 50?/平方的镍铬合金和TaN电阻器通常每微米电阻器宽度可以处理0.5mA的电流 ， 高掺杂p型多晶硅电阻器每微米电阻器宽度可以处理0.6mA的电流 。 TaN电阻器保持其线性欧姆特性电流密度高于NiCr ， 但这些每微米4mA的电流水平通常高于MMIC电阻的可靠性限值 。
【MMIC电路设计中的电阻、电容、电感和过孔】电容器
电容是元件存储电荷的能力的量度 ， 表示为每伏特库仑 ， 并确定其对RF信号的阻抗 。 RF信号可以通过充电和放电来通过电容器 ， 并且它们具有的电荷存储容量越大 ， 它们允许每伏特信号的电流（电荷流量）越多;因此 ， 电容越大 ， 其阻抗（Z=伏/电流）越低 。
MMIC电容器由两种主要方法形成：一种使用交叉指型金属条之间的边缘电容 ， 另一种使用金属-绝缘体-金属（MIM）的三明治架构的电容 。 如图3所示 ， 交叉指型电容器依赖于金属指状物的长公共边缘区域之间的边缘电容 ， 根据芯片代工厂允许的最小间隙 ， 金属指状物的长公共边缘区域仅相隔几微米 。 这些电容器通常使用与用于传输线相同的互连金属化形成的 。 这种边缘电容相当低 ， 因此这些电容器只能达到1pF左右的电容值 。 然而 ， 该电容值对工艺变化相对不敏感 ， 并且可以是毫米波频率应用中的有用组件 。
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图3、向下观察晶圆表面看到的六指叉指式电容器
如图4所示 ， MIM电容器可以实现更高的电容值 ， 因为它们由两个相对较大的金属板构成 ， 这两个金属板之间的距离要小得多 ， 并且其间的间隙也填充有绝缘介电材料 ， 这进一步增加了电容 。 金属板的尺寸通常为20μm×20μm至200μm×200μm ， 并且介电材料可以是氮化硅（SiN） ， 二氧化硅（SiO2） ， 苯并环丁烯（BCB） ， 聚酰亚胺或其组合这些介质层的许多层 。 SiN电介质厚度通常为100至120nm ， SiO2电介质的厚度可以薄至50nm ， 并且有机电介质（例如BCB或聚酰亚胺）的厚度倾向于1,000至3,000nm 。 MIM电容器的电容值范围为50fF至200pF 。
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图4、MIM电容器
MIM的主要电容（不包括边缘电容）电容可以简单地从表达式C=ξ*A/D计算 ， 其中ξ是介电层的介电常数（等于ξR ， 相对介电常数 ， 乘以自由空间的介电常数ξ0） ， A是金属板的面积 ， D是金属板之间分开的距离 。 SiN介电层的相对介电常数通常为6.8 ， 聚酰亚胺的相对介电常数通常为4.5 ， BCB的相对介电常数通常为2.7 ， 自由空间的介电常数为8.8542×10–12法拉/米 。
MIM电容器的击穿电压是介电材料 ， 电介质厚度以及电容器底板表面质量的函数 。 据报道 ， 用于MMIC工艺的氮化硅MIM电容器的击穿电压为65V至85V 。
MIM电容器的损耗由所使用的绝缘材料的介质损耗因子决定的 。 SiN具有非常低的损耗角正切 ， 并且这种类型的电容器的损耗通常太小而无法测量 。 聚酰亚胺和其他有机介电层具有较高的损耗角正切 ， 这可能会给电路带来一定的损耗 。
请注意 ， 低电阻率基板上的交叉指型电容器与制造的电容器相比高电阻率基板上制造的电容将遭受显著增加的损耗 。 而另一方面 ， 较低电阻率衬底上的MIM电容器不会遭受增加的损耗 ， 因为大部分电场位于电容器的金属板之间的绝缘体电介质中 。
电感器
电感是元件存储电流能力的量度 ， 表示为每安培伏秒数 ， 也称为亨利 。 具有电感的元件的最简单示例是窄金属线 。
MMIC电感器使用形成为窄传输线的互连金属线制造而成 ， 或者单独缠绕或围绕中心点缠绕以形成螺旋传输线电感器 。 金属走线轨道相对于基板高度越窄 ， 每单位长度的电感越高 。 例如 ， 窄线（走线轨道的宽度远小于基板高度）具有约1nH/mm走线轨道长度的电感 ， 而宽线（走线轨道宽度类似于基板高度）具有约0.6nH/mm的电感走线轨道长度 。 图5所示的示例走线轨道说明了这一点 。 记住互连走线轨道的这种特性是一个好主意 ， 因为轨道宽度调整可用于在电路最终布局和走线轨道长度调整不可接受时调整电路的性能 。 另外请注意 ， 走线轨道的宽度决定了其直流电流携带能力 。 这是因为金属化中的高电流密度可能由于电迁移而在轨道中产生空穴 。 芯片代工厂通常会根据可靠性试验确定的每微米轨道走线宽度的毫安电流来引用电流密度的最大推荐值 。 该值可以在每微米轨道走线宽度10mA的范围内 ， 但是随工艺的不同而不同 。 因此 ， 在制造电感器时需要权衡 ， 因为窄走线轨道虽然更具电感性 ， 但它可以承载的直流电流更少 。
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图5、窄走线轨道和宽走线轨道的电感值示例
螺旋轨道电感器的电感大于单独由于它们的轨道长度引起的电感值 ， 因为来自螺旋的每个转弯（或完整环路）的磁场相加 ， 通过螺旋中间产生更大的场并且在所有匝之间产生互感 。 因此 ， 螺旋电感器是在MMIC芯片的小区域中产生大电感值的便利方式 。 然而 ， 金属走线轨道的匝也是电容耦合的 ， 因此在某些更高的频率下 ， 螺旋看起来不具有电感性并且可能看起来是电容性的或者甚至像开路那样 。 如图6所示 ， 当存在至少两个金属互连级别时 ， 螺旋电感器的构造效率最高 。 一个金属互连层用于螺旋的主要部分 ， 而另一个金属互连层的短长度用于将信号从底部返回到外边缘 。
在MMIC工艺中使用许多不同类型的螺旋电感器 ， 范围从方形螺旋 ， 圆形螺旋 ， 八边形螺旋 ， 堆叠螺旋 ， 到那些以某种方式与体衬底材料分离的螺旋电感器 。 方形螺旋没有理想的电气性能 ， 因为方角可以导致各匝之间的电容耦合更大 ， 电阻损耗略有增加 ， 但芯片代工厂使用它们 ， 因为电子设计规则检查软件可以快速地、轻松地检查各层之间的间隔距离 ， 以确保符合芯片代工厂的铸造加工的规则 。 圆形和八角形螺旋电感器具有更理想的电感特性 ， 但在设计规则上更难以电子方式检查 。 堆叠式螺旋电感器在多于一个互连层上使用全匝金属走线轨道 ， 并且通常交错金属匝以最小化不同层上的轨道之间的耦合电容 ， 如图6所示 。 因为它们确实在两层上的匝之间表现出增加的电容耦合 ， 所以它们主要在非常低的频率下用于偏置去耦 。
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图6、堆叠螺旋电感器的结构
单片基板上的电感器由金属走线轨道或传输线制成 ， 因此易受衬底基板材料的损耗的影响 ， 特别是如果衬底基板具有低电阻率 ， 例如标准硅CMOS基板时 。 当电感器用作调谐电路的一部分时 ， 这是一个特殊问题 ， 因为与其电抗阻抗相比 ， 损耗具有增加电感器阻抗的电阻部分并降低电感器的Q值因子的效应 。 Q值因子是阻抗的虚部（电抗）部分与阻抗的实部（电阻）部分之比 ， 并且是元件阻抗随频率变化的速度的量度 。 高Q值因子允许该元件用于诸如具有快速频率截止响应的滤波器之类的元件在诸如与许多紧密频率间隔的信道的通信之类的应用中 。 在GaAs衬底上产生的电感器的Q因子是一个中等水平 ， 在10GHz频率下通常为10到50 ， 允许它们用于微波频率的振荡器谐振器中 ， 但不用于通信信道的滤波器中 。 低电阻率硅衬底上的电感器的Q值因子通常小于1 ， 并且仅可用于10GHz以下的振荡器电路中 。 片外空芯电感器是片上电感器的低损耗替代品 ， 我们将会在后面的文章中讲述这一点 ， 但这并不总是可接受的解决方案 。 增加电感Q值因子的片上解决方案是将其与衬底基板材料的影响解耦 ， 这可以通过多种方法来完成 。 一种方法是在电感器和衬底基板之间放置实心或图案化的金属接地层 ， 以将电感器与衬底基板屏蔽隔离 。 另一种方法是使用支柱将电感器的金属走线轨道升高到芯片表面上方 ， 或者甚至使用MEMS使螺旋电感器自组装成垂直位置 。
金属层互连
可以使用互连将一个金属层上的走线轨道连接到其他金属层上的走线轨道 。 在大多数情况下 ， 这些是通过在电介质层中开孔来形成的 ， 否则将分离这些层 ， 并允许顶部金属化通过孔沉积到下部金属层上 。 如果两个层上的走线轨道宽度相同 ， 则与这些互连相关的RF不连续性会很少;然而 ， 电介质层中的过孔通常比两个走线轨道都窄 ， 并且可能会比走线轨道本身具有更小的直流电流承载能力 。
键合焊盘（Bond-pads）
为了使DC和RF电压和电流进入和离开芯片 ， 将键合焊盘放置在芯片上 ， 并且通常是围绕外围 。 它们用于使用引线键合或焊料凸点将芯片连接到它们所嵌入的电路中 ， 并用于在直流和RFOW测试期间制作探针触点 。 它们通常由欧姆金属层和所有上金属层构成 ， 其间没有电介质层 ， 并且可以轻松连接任何互连金属层 。 键合焊盘在其表面上没有最终的介电钝化层 ， 因此可以对其进行外部电连接 ， 并且它通常是唯一未被该钝化层覆盖的组件 。 顶部金属层需要是相当厚的金层 ， 以允许金线压接到其表面并且可以通过焊料润湿 。
基板衬底通孔（Vias）
衬底通孔（Vias）是电介质衬底中的过孔 ， 其镀有金属以提供从晶片的正面到背面接地平面的电通路路径 。 它们通常以与晶片顶面上的键合焊盘相同的方式构造 ， 并且衬底基板过孔的内表面上的金属镀层使得背面接地平面金属与第一金属层键合焊盘之间的电连接 。 这些用于在电路内的不同位置提供良好的直流和RF接地点 。 在低于几千兆赫（GHz）的低RF频率下 ， 芯片侧面的接地连接通常是足够的 ， 但是在微波频率及以上 ， 需要衬底通孔来提供与接地平面的低阻抗连接 。 衬底通孔通常包含在有源元件中 ， 以确保它们在接地路径中具有最小的电感值 。 这对于多栅指功率器件尤其重要 ， 其有时在每个源极接触下方具有衬底通孔 。


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