[发明专利]一种高平衡性的反向片上电容对结构

说明书

本发明公开了一种高平衡性的反向片上电容对结构，包括一对反向放置的电容单元。由于在毫米波频段电路中，电容被大量应用于匹配网络，电容的不对称性会影响到匹配网络的特性，其中片上变压器作为差分电路中常见的器件对电容的不对称性较为敏感。而本发明解决了传统单MOM电容在毫米波及更高频段下由衬底等寄生效应导致的不对称性，大幅度提高了电容作为二端口无源器件的对称性，提高了包含片上变压器的无源网络的平衡性。本发明具有并联串联两种连接方式，具有更高的拓展性。本发明可以与片上变压器等元件联合优化，提高差分电路的平衡性，并实现阻抗匹配等功能，从而提高毫米波及更高频率的电路性能，包括功率放大器的输出功率和能量转化效率。

技术领域

本发明涉及半导体集成电路领域，特别是涉及一种高平衡性的反向片上电容对结构。

背景技术

随着硅基半导体工艺的迅速发展，其截止频率以及最高功率传输频率已经突破了500GHz，可以与III-V族半导体工艺相媲美。此外，由于硅基工艺的低成本，高灵活度，数模一体的特性使得硅基毫米波系统成为了学术界和工业界的研究热点，其中包括5G毫米波宽带超高速通信系统(WRC-19 1.13)，W波段远距离毫米波汽车雷达，太赫兹成像技术等。然而，由于硅基工艺的衬底电阻率较低，金属层间距较小，存在着诸多寄生效应，这些效应在模拟以及较低的射频频段并不显著，但进入毫米波以及太赫兹频段，衬底的寄生损耗，以及金属层和信号线之间的互耦将会严重恶化电路的性能。其中电容是毫米波电路设计中必不可少的元件，它通常被运用于射频接地，直流阻断以及阻抗匹配中。因此毫米波频段的片上电容特性是一个值得思考的话题。

常见的片上电容结构分为金属-绝缘体-金属(MIM)电容，金属-氧化物-金属(MOM)电容以及有源区的MOS电容。MIM电容由工艺厂商提供模型，有最小尺寸的限制，在容值较小时的Q值较低，且具有较低的自谐振频率。MOM电容由于其可拓展性强，Q值高，自谐振频率高，被广泛运用于毫米波电路设计中。MOS电容通常被作可变电容管，具有电容值可调的特性，但是通常Q值很低。此外，在毫米波及更高频段，MIM电容和MOM电容具有结构不对称性。图1给出了MIM电容和MOM电容的集总单元模型，其中L_s和R_s是连接电阻和电感，C_par和R_sub代表衬底的寄生效应，C_{mom_i}和C_{mim_i}为理想电容值。

由于MOM和MIM电容结构类似，这里仅分析前者结构，通过从MOM电容的两个端口P1和P2考察其阻抗可以得到如下结果(从一个端口考察阻抗时，另一个端口接地)：

其中X_s＝R_s+jωL_s，X_p＝R_sub+1/jωC_par，X_c＝1/jωC_{mom_i}。

那么从两端口得到的阻抗差为：

可见，当频率较低时，X_p很大，D_eff很小，电容可以看作是对称的器件。但随着频率的升高，1/jωC_par的值减小，又因为硅基半导体工艺衬底的电阻率较低，所以R_sub的值也较小，从而使得D_eff与频率呈正相关，导致单MOM和MIM电容从两个的端口考察能够得到不同的电容值。该电容的不对称性也能够从电磁场仿真中发现，如图4所示，容值为35fF的MOM和MIM电容存在着高于3.5fF的不对称性。

因此，需要发明一种新型的电容结构来消除传统电容中因为寄生效应导致的不对称性，此外该电容需要有较高的Q值以及优秀的拓展性和兼容性。

发明内容