專利名稱：硅基多層螺旋差分電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多層螺旋電感，具體是一種硅基多層螺旋差分電感，與傳統(tǒng)的差分激勵的多層螺旋電感具有幾乎一樣的電感值以及占有同樣大小的芯片尺寸，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在集成電路中，有源器件固然非常重要，但是更包含了大面積的無源器件，包括片上傳輸線、片上電感。在通常的無線產(chǎn)品中，電感元件只占元件總數(shù)的不到10％，但它們對總的射頻性能有很重要的影響。因此對這些無源元件的設(shè)計和分析也得到了廣泛的研究。雖然半導(dǎo)體硅襯底的損耗和互連線的厚度限制了片上電感的性能，但由于硅集成電路具有制造成本相對較低，便于射頻和基帶電路的集成，高集成度使芯片尺寸減小等優(yōu)點，硅襯底RF集成電路仍有相當(dāng)競爭力。設(shè)計具有高性能的螺旋電感，尤其是在現(xiàn)有工藝下進(jìn)行改進(jìn)具有非常大的吸引力。
螺旋電感作為射頻電路的核心部件，它通?？梢杂绊懙秸麄€電路的整體性能。它被廣泛應(yīng)用到壓控振蕩器，低噪聲放大器，功率放大器，混頻器以及阻抗匹配電路中等等。螺旋電感具有高品質(zhì)因數(shù)，高諧振頻率以及最小的芯片面積，為了有效地改進(jìn)螺旋電感的品質(zhì)因數(shù)，人們提出了一些非常特別的結(jié)構(gòu)或者制造工藝，例如懸空的垂直結(jié)構(gòu)，差分驅(qū)動模式，線條屏蔽地等結(jié)構(gòu)。
隨著集成電路工藝的發(fā)展，CMOS芯片內(nèi)的互連結(jié)構(gòu)從0.35μm時的4層金屬，發(fā)展到0.18μm的6層金屬，乃至90nm下的8層。這些額外的工藝條件給了螺旋電感設(shè)計以更曠闊的空間來增強電感的性能。經(jīng)過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，A.Zolfaghari等人在IEEE J.Solid-State Circuit期刊(vol.36，no.4，pp.620-628，2001)上發(fā)表了“Stacked inductors and transformers in CMOS technology，”(基于CMOS工藝的多層電感和變壓器)，該文提出將每一層的電感串聯(lián)起來，即第一層從外到內(nèi)繞滿之后，通過通孔至第二層，從內(nèi)到外繞滿后繼續(xù)到第三層繞制(圖1)。這樣的電感在相同面積下較平面電感有更大的電感量。另外C.Tang等人在IEEE J.Solid-State Circuit(vol.37，no.4，pp.471-479，2002)上發(fā)表了“Miniature 3-D inductors in standard CMOS process，”(基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的微縮三維電感)一文，該文提出第一層的第一圈完成后并非向內(nèi)繞制第二圈，而是向下到第二層，在與第一層同樣的位置，繞制第二圈，再至第三層繞完后，進(jìn)入第三層的內(nèi)圈繞制，然后退至第二層和第一層分別繞制(圖2).雖然垂直螺線管電感具有不少優(yōu)點，但它亦存在一個潛在的問題限制它的使用，即相鄰層之間的導(dǎo)體是完全重合的，而且距離很近(通常小于1μm)。即使圈之間的電容為串聯(lián)，但總值也很可觀。當(dāng)直接把垂直螺線管結(jié)構(gòu)應(yīng)用于差分電感時，由于高低壓導(dǎo)體直接相鄰，使得電場儲能格外大，極大地降低了電感的自諧振頻率和品質(zhì)因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種新型的硅基多層螺旋差分電感，使其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，能夠使寄生電容降到最低，從而獲得較高的自諧振頻率和較高的品質(zhì)因數(shù)。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括襯底、六層二氧化硅層、六層金屬螺旋線圈、連接通孔、金屬導(dǎo)體和端口，第一層二氧化硅層設(shè)置在硅襯底上，六層金屬螺旋線圈分別對應(yīng)設(shè)置在六層二氧化硅層上，端口與第六層金屬螺旋線圈處在一個平面上，它與第一層金屬螺旋線圈的導(dǎo)體兩側(cè)分別相連。不同層的金屬螺旋線圈通過連接通孔連接后再與金屬導(dǎo)體相連。
所有電感都具有自諧振頻率。自諧振頻率可通過線圈的電感和電感線圈的剩余電容之間的逆關(guān)系來確定。自諧振頻率隨著剩余電容的增加而降低。具有盡可能高的自諧振頻率是很重要的，因為這將使電感能在較高的頻率下工作。因此，為了使自諧振頻率達(dá)到最大值，需要減小電感中的剩余電容。
差分螺旋電感隨著差分電路的普遍應(yīng)用而顯得格外重要。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的差分電感不論平面還是垂直多層都是按順序依次從外到內(nèi)或者從上到下繞制。這樣的繞制使得高低電壓的導(dǎo)線相互耦合產(chǎn)生巨大的寄生電容，極大的限制了差分電感的性能。該發(fā)明對差分電感重新設(shè)計，采用新的繞制順序，使電壓相近的導(dǎo)體相互靠近從而降低了寄生電容。對于平面電感采用分組交叉結(jié)構(gòu)，易于用兩層互連實現(xiàn)；對于垂直電感采用最佳連接結(jié)構(gòu)使寄生電容降到最低。新結(jié)構(gòu)的差分電感在外部尺寸、低頻電感量、制作工藝上都保持和傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一致，因此是傳統(tǒng)差分電感的無犧牲改進(jìn)。作為一種典型的多層電感結(jié)構(gòu)，垂直多層電感結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的好性能，比起平面電感結(jié)構(gòu)，它非常適合實現(xiàn)較小的芯片占有面積以及較大的電感量。
差分電感的不同連接順序?qū)a(chǎn)生不同的電場儲能。由于連接順序的種類是有限的，因此總存在一種最低電場儲能的連接方式。因為垂直電感每一圈的長度相等，電流在圈中的壓降就相等，因此電壓順序是圈的平均電壓的線性函數(shù)，為了使最下層圈的電位接近于零，連接順序的選擇范圍就受到限制，但仍為有限個，因此也存在基于上述條件的最低電場儲能順序。本發(fā)明在SMIC 0.18μm工藝上制作垂直差分電感。由于層數(shù)越多，最佳連接順序得到的改進(jìn)就越顯著，因此做滿工藝允許的總共六層金屬層，即六圈垂直差分電感。傳統(tǒng)垂直差分電感的通孔互不干擾，因此可以將不同層的通孔疊起來，以減小連接區(qū)域面積帶來的寄生效應(yīng)。而最佳連接的電感必須將所有通孔排成陣列，以實現(xiàn)較為復(fù)雜的連接。在有些層和通孔連接時，為了避開不相關(guān)的通孔，不得不從外繞行，這些彎曲的導(dǎo)線和更長的通孔將略微增加電感的串聯(lián)電阻，但是占總串聯(lián)電阻的極小一部分，因此引起的低頻品質(zhì)因素的降低是非常有限的。
因此，本發(fā)明提供一種改進(jìn)的具有高自諧振頻率和高品質(zhì)因數(shù)的多層差分電感，其能使自諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于已有的傳統(tǒng)的差分電感設(shè)計的自諧振頻率，使電壓相近的導(dǎo)體相互靠近從而降低了寄生電容，具有制造較小部件的能力，它是建立在硅襯底微米級工藝上實現(xiàn)的；具有優(yōu)越的好性能，比起平面電感結(jié)構(gòu)，它非常適合實現(xiàn)較小的芯片占有面積以及較大的電感量；降低了勞動成本，提高了產(chǎn)量，并提高了部件的可靠性，有效、耐久和易于生產(chǎn)。


圖1為傳統(tǒng)多層電感結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為現(xiàn)有微縮型多層電感結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。
圖4為現(xiàn)有的硅基多層螺旋差分電感結(jié)構(gòu)示意側(cè)視圖。
圖5為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意俯視圖。
圖6為現(xiàn)有的硅基多層螺旋差分電感結(jié)構(gòu)示意俯視圖。
圖7為本發(fā)明三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為傳統(tǒng)的硅基多層螺旋差分電感三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。
其中1為硅襯底層，2為第一層二氧化硅層，3為第一層金屬螺旋線圈，4為第二層金屬螺旋線圈，5為第三層金屬螺旋線圈，6為第四層金屬螺旋線圈，7為第五層金屬螺旋線圈，8為第六層金屬螺旋線圈，9為連接通孔，10為端口，11為底層中心差分接頭，12為金屬導(dǎo)體，13為第二層二氧化硅層，14為第三層二氧化硅層，15為第四層二氧化硅層，16為第五層二氧化硅層，17為第六層二氧化硅層。
具體實施例方式
如圖3、圖4、圖5、圖6所示，本發(fā)明包括襯底1，六層二氧化硅層2、13、14、15、16、17，六層金屬螺旋線圈3、4、5、6、7、8，連接通孔9，金屬導(dǎo)體12和端口10。第一層二氧化硅層2設(shè)置在硅襯底1上，第一層金屬螺旋線圈3位于第一層二氧化硅層2平面上，第二層金屬螺旋線圈4位于第二層二氧化硅層13平面上，第三層金屬螺旋線圈5位于第三層二氧化硅層14平面上，第四層金屬螺旋線圈6位于第四層二氧化硅層15平面上，第五層金屬螺旋線圈7位于第五層二氧化硅層16平面上，第六層金屬螺旋線圈8位于第六層二氧化硅層17平面上，端口10與頂層第六層金屬螺旋線圈8處在一個平面上，它與第一層金屬螺旋線圈3的導(dǎo)體兩側(cè)分別相連。六層金屬螺旋線圈3、4、5、6、7、8通過連接通孔9連接后再與金屬導(dǎo)體12相連。
如圖7所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)的電流從端口10流入，經(jīng)過左側(cè)第六層金屬螺旋線圈8，通過第一個連接通孔9與右側(cè)第二層金屬螺旋線圈4相連，再通過第二個連接通孔9與左側(cè)金屬線圈7相連，緊接著通過第三個連接通孔9與附加的金屬導(dǎo)體12連接，再與右側(cè)第三層金屬螺旋線圈5連接，再與金屬導(dǎo)體12連接，通過第四個連接通孔9與左側(cè)第四層金屬螺旋線圈6相連，最后通過第五個連接通孔9與右側(cè)第一層金屬螺旋線圈3相連，達(dá)到終點底層中心差分接頭11。對于最上層開始的右側(cè)金屬螺旋線圈連接情況與之前所述的左側(cè)的金屬螺旋線圈連接情況為對稱情形。
如圖8所示，與本發(fā)明結(jié)構(gòu)對比的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電流從端口10流入，經(jīng)過左側(cè)第六層金屬螺旋線圈8，通過第一個連接通孔9與右側(cè)第五層金屬螺旋線圈7相連，再通過第二個連接通孔9與左側(cè)金屬線圈6相連，緊接著通過第三個連接通孔9與右側(cè)第三層金屬螺旋線圈5連接，再通過第四個連接通孔9與左側(cè)第二層金屬螺旋線圈4相連，最后通過第五個連接通孔9與右側(cè)第一層金屬螺旋線圈3相連，達(dá)到終點底層中心差分接頭11。對于最上層開始的右側(cè)金屬螺旋線圈連接情況與之前所述的左側(cè)的金屬螺旋線圈連接情況為對稱情形。
連接通孔9的空間形狀為長方體，高度為0.8μm～4.94μm，長度和寬度均為4μm，連接通孔的數(shù)目為10個。
第一層二氧化硅層2厚度為0.6μm，第二層二氧化硅層13厚度為1.28μm，第三層二氧化硅層14厚度為1.38μm，第四層二氧化硅層15厚度為1.38μm，第五層二氧化硅層16厚度為1.38μm，第六層二氧化硅層17厚度為1.38μm。
第一層金屬螺旋線圈1形狀為長方體形的螺旋線圈，六層金屬螺旋線圈3、4、5、6、7、8，導(dǎo)體寬度為10μm，第一金屬螺旋線圈3的導(dǎo)體厚度為0.48μm，其中第二、第三、第四、第五層金屬螺旋線圈4、5、6、7的導(dǎo)體厚度為0.58μm，第六層金屬螺旋線圈8的導(dǎo)體厚度為0.86μm，六層金屬螺旋線圈3、4、5、6、7、8導(dǎo)體間內(nèi)徑間距為60μm。
金屬導(dǎo)體12厚度與第二層金屬螺旋線圈4相同，寬度為4μm。
本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步，本發(fā)明的最佳連接方式極大地減小了電場儲能引起的寄生電容，從而可以很大程度上提高微電感的高頻性能，因此最佳連接電感(圖7)的自諧振頻率大大高于未作改進(jìn)的傳統(tǒng)電感(圖8)，達(dá)一倍左右。電感不僅在自諧振頻率上得到提高，在品質(zhì)因素上也得到提高。經(jīng)測量當(dāng)六層金屬螺旋線圈3、4、5、6、7、8寬度為10μm，導(dǎo)體間內(nèi)徑間距為60μm，這種結(jié)構(gòu)的電感在諧振頻率19.5GHz附近電感量達(dá)到10nH，其Q值可達(dá)到5，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同參數(shù)的傳統(tǒng)電感。
權(quán)利要求
1.一種硅基多層螺旋差分電感，包括襯底(1)，六層二氧化硅層(2、13、14、15、16、17)，六層金屬螺旋線圈(3、4、5、6、7、8)，連接通孔(9)，金屬導(dǎo)體(12)和端口(10)，其特征在于第一層二氧化硅層(2)設(shè)置在硅襯底(1)上，第一層金屬螺旋線圈(3)位于第一層二氧化硅層(2)平面上，第二層金屬螺旋線圈(4)位于第二層二氧化硅層(13)平面上，第三層金屬螺旋線圈(5)位于第三層二氧化硅層(14)平面上，第四層金屬螺旋線圈(6)位于第四層二氧化硅層(15)平面上，第五層金屬螺旋線圈(7)位于第五層二氧化硅層(16)平面上，頂層第六層金屬螺旋線圈(8)位于第六層二氧化硅層(17)平面上，端口(10)與第六層金屬螺旋圈(8)處在一個平面上，它與第一層金屬螺旋線圈(3)的導(dǎo)體兩側(cè)分別相連，六層金屬螺旋線圈(3、4、5、6、7、8)通過連接通孔(9)連接后再與金屬導(dǎo)體(12)相連。
2.如權(quán)利要求1所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，六層金屬螺旋線圈(3、4、5、6、7、8)，其形狀為長方體形，導(dǎo)體寬度為10μm，導(dǎo)體間內(nèi)徑間距為60μm。
3.如權(quán)利要求1或者2所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，第一層金屬螺旋線圈(3)的導(dǎo)體厚度為0.48μm，第二、第三、第四、第五層金屬螺旋線圈(4、5、6、7)的導(dǎo)體厚度為0.58μm，第六層金屬螺旋線圈(8)的導(dǎo)體厚度為0.86μm。
4.如權(quán)利要求1或者2所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，六層金屬螺旋線圈(3、4、5、6、7、8)寬度為10μm，其導(dǎo)體間內(nèi)徑間距為60μm，硅基多層螺旋差分電感在諧振頻率19.5GHz附近電感量達(dá)到10nH，其Q值達(dá)到5。
5.如權(quán)利要求1所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，連接通孔(9)的空間形狀為長方體，高度為0.8μm～4.94μm，長度和寬度均為4μm，連接通孔(9)的數(shù)目為10個。
6.如權(quán)利要求1所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，第一層二氧化硅層(2)厚度為0.6μm，其襯底是硅，第二層二氧化硅層厚度為1.28μm，第三層至第六層二氧化硅層厚度均為1.38μm。
7.如權(quán)利要求1所述的硅基多層螺旋差分電感，其特征是，金屬導(dǎo)體(12)厚度與第二金屬螺旋線圈(4)相同，寬度為4μm。
全文摘要
一種微電子技術(shù)領(lǐng)域的硅基多層螺旋差分電感。本發(fā)明包括襯底、六層二氧化硅層、六層金屬螺旋線圈、連接通孔、金屬導(dǎo)體和端口，第一層二氧化硅層設(shè)置在硅襯底上，六層金屬螺旋線圈分別對應(yīng)設(shè)置在六層二氧化硅層上，端口與第六層金屬螺旋圈處在一個平面上，它與第一層金屬螺旋線圈的導(dǎo)體兩側(cè)分別相連，不同層的金屬螺旋線圈通過連接通孔連接后再與金屬導(dǎo)體相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，能夠使寄生電容降到最低，從而獲得較高的自諧振頻率和較高的品質(zhì)因數(shù)。本發(fā)明的最佳連接方式極大地減小了電場儲能引起的寄生電容，從而可以很大程度上提高微電感的高頻性能，具有廣泛的用途。
文檔編號H01F17/00GK1889265SQ20061002913
公開日2007年1月3日 申請日期2006年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者林良, 王玉洋, 毛軍發(fā), 尹文言 申請人:上海交通大學(xué)