一種垂直結構差分集成螺旋電感的製作方法

2023-08-02 21:14:06 1

專利名稱：一種垂直結構差分集成螺旋電感的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電感，特別涉及一種應用於集成電路中的集成電感，屬於半導體 器件技術領域。
背景技術：
隨著CMOS射頻集成電路的快速發展，一些高性能、低功耗的單元電路如低噪聲放 大器、壓控振蕩器、混頻器、中頻濾波器，功率放大器等成為整個電路成功的基礎，在這其中 片上電感又是必不可少的元件，因此，其設計和優化已成為整個電路成功設計的關鍵之一。在片電感一般通過金屬薄膜在矽襯底上繞制而成，相對於前期的繞線電感，在片 電感成本低，易集成，功耗低等優點。更重要的是它可與如今的CMOS工藝兼容。目前多數集 成在片電感所佔晶片面積較大，使得電感電流在襯底中以及襯底表面的區域產生的感應電 流較大導致較高的襯底能量損耗和過低的品質因數。為了使得片上電感於不斷縮小面積的 CMOS工藝兼容，從而優化晶片面積，業界一般採用差分螺旋片上電感，這種電感是將兩個完 全相同的螺旋電感纏繞在一起，這樣可以增加這兩個對稱電感之間的磁場耦合，以獲得比 較高的有效電感值。然而採用差分電感所減少的晶片面積有限，如能實現在節省晶片面積 的同時實現較大的電感值，這對於高集成度的現代電路來說具有很大的益處。

發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供了一種垂直結構差分集成螺旋電感。本發明所 採取的技術方案如下
一種垂直結構差分集成螺旋電感，包括處於同一晶片內的第一引線層i^eedl、第二引線 層i^ed2、第一左金屬層1、第二左金屬層21、第三左金屬層22、第四左金屬層31、第一右金 屬層7、第二右金屬層62、第三右金屬層61、第四右金屬層52、第二金屬層4、第三中左金屬 層51、第三中右金屬層32、第一通孔VI、第二通孔V2、第三通孔V3、第四通孔V4、第五通孔 V5、第六通孔V6、第七通孔V7、第八通孔V8、第九通孔V9和第十通孔VlO ；
第一引線層i^eedl的一端與第一左金屬層1的一端連接，第一左金屬層1的另一端向 下依次通過第一通孔VI、第二左金屬層21、第二通孔V2、第三左金屬層22和第三通孔V3後 與第四左金屬層31的一端連接，第四左金屬層31的另一端通過第四通孔V4與第三中右金 屬層32的一端連接，第三中右金屬層32的另一端通過第五通孔V5與第二金屬層4的一端 連接，第二金屬層4的另一端通過第六通孔V6與第三中左金屬層51的一端連接，第三中左 金屬層51的另一端通過第七通孔V7與第四右金屬層52的一端連接，第四右金屬層52的 另一端向上依次通過第八通孔V8、第三右金屬層61、第九通孔V9、第二右金屬層62和第十 通孔VlO後與第一右金屬層7的一端連接，第一右金屬層7的另一端與第二引線層Feed2 的一端連接；
所述的第一引線層i^eedl、第二引線層i^ed2、第一左金屬層1和第一右金屬層7處於 同一上層；所述的第二左金屬層21、第二金屬層4和第二右金屬層62處於同一次上層； 所述的第三左金屬層22、第三中左金屬層51、第三中右金屬層32和第三右金屬層61 處於同一次下層；
所述的第四右金屬層52和第四左金屬層31處於同一下層；
所述的第一左金屬層1、第二左金屬層21、第三左金屬層22、第一右金屬層7、第二右金 屬層62、第三右金屬層61和第二金屬層4均為條形片狀結構；
所述的第四左金屬層31和第四右金屬層52為L形片狀結構且在該層內呈中心對稱； 所述的第三中左金屬層51和第三中右金屬層32為Z形片狀結構且在該層內呈中心對
稱；
所述的上層、次上層、次下層，下層之間相互平行且絕緣；
本發明的優點在於將差分結構在垂直的方向上實現，能夠在儘可能小的面積上達到感 值及Q值要求。另一方面，採用差分片上電感能夠很好的與差分交流信號兼容。


圖1為本發明實施例的垂直結構差分集成螺旋電感沿y負向的立體圖； 圖2為本發明實施例的垂直結構差分集成螺旋電感沿y正向的立體圖3為本實施例仿真的電感L隨頻率變化圖； 圖4為本實施例仿真的品質因數Q隨頻率變化圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構作進一步的說明。如圖1所示，本發明的電感結構共採用四層金屬，由上而下依次為上層金屬層其 厚度為4 um，次上層金屬層其厚度為3 um，次下層金屬層其厚度為0.5 um和下層金屬層其 厚度為0. 25 um，在垂直於水平面的方向上各層金屬之間以通孔連接，上層金屬層和次上層 金屬層之間第一通孔Vl及第十通孔VlO其厚度均為1. 5 um，次上層金屬層與次下層金屬層 之間為第二通孔V2及第九通孔V9其厚度均為2. 1 um，次下層金屬層與下層金屬層之間的 第三通孔為V3及第八通孔V8其厚度均為0. 5 um,上層金屬層、次上層金屬層、次下層金屬 層和下層金屬層的寬度相同，為保證良好的品質因數，其寬度取自範圍為4 um到14 um之 間。如圖1所示，本發明的電感的結構細節為首先在上層金屬層製造第一引線層 i^eedl，然後第一引線層Feedl與第一左金屬層1連接，第一左金屬層1另一端向下依次通 過第一通孔VI、第二左金屬層21、第二通孔V2、第三左金屬層22和第三通孔V3後與第四左 金屬層31的一端連接，第四左金屬層31先向χ負方向構建一段長度，進而往y負方向延伸 出一段長度。如圖2所示，在y負方向上延伸出的部分經第四通孔V4與第三中右金屬層32的 一端連接，第三中右金屬層32同樣先向χ負方向構建一段距離，接著沿y方向走線，直至回 到第四左金屬層31未轉向延伸時的y軸位置，而後繼續沿χ負方向走線，接著通過第五通 孔V5與第二金屬層4的一端連接，第二金屬層4的另一端通過第六通孔V6與第三中左金 屬層51連接，第三中左金屬層51、第四右金屬層52的繞線方式與第三中右金屬層32、第四
4左金屬層31的繞線方式是根據第二金屬層4的ζ軸方向的中軸線中心對稱成，在此不作贅 述，第四右金屬層52的另一端通過第八通孔V8、第三右金屬層61、第九通孔V9、第二右金屬 層62和第十通孔VlO後與第一右金屬層7的一端連接，第一右金屬層7的另一端與第二引 線層Feed2的一端連接，完成電感製作。在此結構中第一引線層i^eedl、第二引線層i^ed2、第一左金屬層1和第一右金屬 層7屬於第一金屬層，第二左金屬層21、第二金屬層4和第二右金屬層62屬於第二金屬層， 第三左金屬層22、第三中左金屬層51、第三中右金屬層32和第三右金屬層61屬於第三金 屬層，第四右金屬層52和第四左金屬層31屬於第四金屬層，第一引線層、第二引線層處於 同一平面上且第一金屬層的中軸線、第二金屬層的中軸線、第三金屬層的中軸線、第四金屬 層的中軸線位於同一平面內，且該平面垂直於晶片上下表面。本發明結構主要特徵為一方面，垂直的結構在製作工藝上與普通的差分電感相 差不大，但它卻節省晶片面積，同時也減小了襯底損耗，提高了 Q值，另一方面、中心對稱的 結構使得電感兩埠的電學對稱特性更加理想。圖3為本實施例仿真的電感L隨頻率變化圖，此電感外徑0D=80 um，線寬W=8 um, 線間距s=3 um。圓點曲線表示1埠的電感值，三角點曲線表示2埠的電感值，從圖中可 以看出兩者重合度很高，證明該電感的對稱性很好，低頻感值可達觀0 pH左右。與此同時， 該結構的自諧振頻率較高，60GHz時仍未出現諧振，該特性說明它適用與高頻電路。圖4為本實施例仿真的品質因數Q隨頻率變化圖，同樣的圓點曲線表示1埠的 Q值，三角點曲線表示2埠的Q值。從圖中可以看出Q的最大值約為18. 3，對應的頻率約 為38. 1 GHz0當電流通過電感線圈時，交變電流產生的周期磁場僅在導線的周圍區域產生 磁場，進而在襯底中產生的感應電流會相應很小，因此該電感具有較高的Q值。這個性質不 僅說明該電感的損耗比較小，而且說明它適用於較高頻率的電路。綜上所述，在保持良好的電學對稱性的同時，相比傳統的平面差分螺旋電感，本發 明的垂直結構差分螺旋電感還具有以下優點
1、佔用面積小
對於平面電感來說，佔用晶片面積大無疑是一個突出的問題，但該結構最明顯的優勢 就是佔用的平面面積小。如圖3所示實施例的電感L隨頻率變化關係，此電感外徑OD=SO um，線寬W=8 um，線間距s=3 um,低頻感值可達沘0 pH。2、品質因數較高
當電感上有電流通過時，會產生垂直於電感線圈平面的磁場，由於本發明的電感線圈 平面垂直於晶片平面，則磁場平行於晶片平面。這樣就能把穿過襯底的磁場降到最低，從而 儘量避免在襯底中感應出渦流，達到降低襯底損耗的目的。襯底損耗降低則可提供Q值。從 圖4中可以看出Q的最大值約為18. 3，Q值達到最大時的頻率約為38. 1GHz，這個特徵不僅 說明現有電感的質量比較好，而且說明它適用於較高頻率的電路。3、自諧振頻率較高
從圖3中可以看出，現有結構的自諧振頻率很高，60 GHz時仍未出現諧振，該特性說明 它適用於高頻電路。以上所述僅是發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員， 在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍內。
權利要求
1. 一種垂直結構差分集成螺旋電感，包括處於同一晶片內的第一引線層(Feedl)、第 二引線層(Feed2)、第一左金屬層(1)、第二左金屬層(21)、第三左金屬層(22)、第四左金屬 層(31)、第一右金屬層(7)、第二右金屬層(6 、第三右金屬層(61)、第四右金屬層(52)、第 二金屬層(4)、第三中左金屬層(51)、第三中右金屬層(3 、第一通孔(Vl)、第二通孔(V2)、 第三通孔(V3)、第四通孔(V4)、第五通孔(V5)、第六通孔(V6)、第七通孔(V7)、第八通孔 (V8)、第九通孔(V9)和第十通孔(VlO)，其特徵在於第一引線層(Feedl)的一端與第一左金屬層(1)的一端連接，第一左金屬層(1)的另 一端向下依次通過第一通孔(VI)、第二左金屬層(21)、第二通孔(V2)、第三左金屬層02) 和第三通孔(V； )後與第四左金屬層(31)的一端連接，第四左金屬層(31)的另一端通過第 四通孔(V4)與第三中右金屬層(3 的一端連接，第三中右金屬層(3 的另一端通過第五 通孔(^)與第二金屬層的一端連接，第二金屬層的另一端通過第六通孔(V6)與 第三中左金屬層(51)的一端連接，第三中左金屬層(51)的另一端通過第七通孔(V7)與第 四右金屬層(5 的一端連接，第四右金屬層(5 的另一端向上依次通過第八通孔(V8)、第 三右金屬層(61)、第九通孔(V9)、第二右金屬層(6 和第十通孔(VlO)後與第一右金屬層 (7)的一端連接，第一右金屬層(7)的另一端與第二引線層(Feed2)的一端連接；所述的第一引線層(Feedl)、第二引線層(Feed2)、第一左金屬層(1)和第一右金屬層 (7)處於同一上層；所述的第二左金屬層(21)、第二金屬層(4)和第二右金屬層(6 處於同一次上層； 所述的第三左金屬層(22)、第三中左金屬層(51)、第三中右金屬層(3 和第三右金屬 層(61)處於同一次下層；所述的第四右金屬層(5 和第四左金屬層(31)處於同一下層； 所述的第一左金屬層(1)、第二左金屬層(21)、第三左金屬層(22)、第一右金屬層(7)、 第二右金屬層(62)、第三右金屬層(61)和第二金屬層(4)均為條形片狀結構；所述的第四左金屬層(31)和第四右金屬層(5 為L形片狀結構且在該層內呈中心對稱；所述的第三中左金屬層(51)和第三中右金屬層(3 為Z形片狀結構且在該層內呈中 心對稱；所述的上層、次上層、次下層，下層之間相互平行且絕緣。
全文摘要
本發明涉及一種垂直結構差分集成螺旋電感。目前多數集成在片電感所佔晶片面積較大。本發明中第一引線層一端與第一左金屬層一端連接，第一左金屬層另一端依次各個通孔和金屬層與第四左金屬層一端連接，第四左金屬層另一端通過第四通孔與第三中右金屬層一端連接，第三中右金屬層另一端通過第五通孔與第二金屬層一端連接，第二金屬層另一端通過第六通孔與第三中左金屬層一端連接，第三中左金屬層另一端通過第七通孔與第四右金屬層一端連接，第四右金屬層另一端通過各個通孔和金屬層和第十通孔後與第一右金屬層一端連接，第一右金屬層另一端與第二引線層一端連接。本發明能夠在儘可能小的面積上達到感值及Q值要求。
文檔編號H01L27/01GK102097429SQ20111005187
公開日2011年6月15日 申請日期2011年3月4日 優先權日2011年3月4日
發明者劉軍, 孫玲玲, 王皇 申請人:杭州電子科技大學