專利名稱：插入在電感器周圍的圖形填充物結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種插入在電感器周圍的圖形填充物 結構。
背景技術：
目前，集成電路器件包括多層金屬層，每層金屬層中的金屬，根據器件的不同應 用，按照不同的密度分布在絕緣材料二氧化硅層中，金屬材料一般為銅。由于二氧化硅比金 屬銅的硬度大，而且對填入二氧化硅層中的金屬銅進行化學機械研磨(CMP)時，需要施加 一定的壓力，在壓力的作用下，使得金屬銅層分布比較稀疏的區(qū)域，較之金屬銅層分布比較 密的區(qū)域，有較薄的厚度。在二氧化硅材料層中有不同密度分布的金屬銅，經化學機械研磨 之后的效果示意圖如圖1所示。圖1中，陰影部分的金屬銅埋在二氧化硅層中，左側為銅 分布稀疏的區(qū)域，右側為銅分布密集的區(qū)域，在壓力作用下，由于右側銅分布密集，較多的 銅導致右側被擠壓地比較嚴重。為了避免這種現象的發(fā)生，一般會在金屬分布比較稀疏的 區(qū)域加入懸空的圖形填充物結構(floating dummy metal)，以使該區(qū)域的金屬達到一定密 度。這里懸空的圖形填充物結構，懸空指的是圖形填充物結構不接電位，也就是說不與原來 的功能電路相連。圖2為現有技術中在金屬分布稀疏的區(qū)域加入floatingdummy metal的 結構示意圖。圖2中floating dummy metal為一個個正方形的金屬塊201，填充在信號線 202的稀疏空隙中。在集成電路中，電感器(inductor)的主體金屬線圈位于頂層金屬層，為了避免電 感器位置上金屬分布密集，而被擠壓嚴重的后果，現有技術中一般在電感器金屬線圈的周 圍自動插入圖形填充物結構，圖形填充物結構的材料一般與電感器金屬線圈材料相同。這 里自動插入的圖形填充物結構，在設計時自動產生，尺寸一定，為一個個長方形的金屬塊， 例如寬為4. 5微米um，長為3. 5um，每個長方形之間的間隔為2um。圖3為在電感器周圍自 動插入圖形填充物結構的示意圖。電感器301的周圍，即內側區(qū)域和外側區(qū)域，均勻分布著 圖形填充物結構，圖形填充物結構由長方形金屬塊302構成。隨著圖形填充物結構的加入， 引入了渦流效應(eddy current effect)，即在圖形填充物結構中產生電流，增大了電感器 的能量損耗，從而降低了電感器的品質因數(quality fact0r，Q)。那么如何在加入圖形填 充物結構的基礎上，有效升高電感器的quality factor成了目前研究的一個關注點。

發(fā)明內容
有鑒于此，本發(fā)明解決的技術問題是在加入圖形填充物結構的基礎上，有效升高 電感器的 quality factor 為解決上述技術問題，本發(fā)明的技術方案具體是這樣實現的本發(fā)明公開了一種插入在電感器周圍的圖形填充物結構，所述圖形填充物結構為 多個與電感器金屬線圈等高的正方形金屬塊，插入在電感器金屬線圈的內側區(qū)域和外側區(qū) 域，所述電感器金屬線圈位于頂層金屬層；
所述正方形金屬塊的邊長等于第一最小設計規(guī)則，所述第一最小設計規(guī)則為工藝 允許的最小尺寸；所述圖形填充物結構的密度不小于第二最小設計規(guī)則，所述第二最小設計規(guī)則為 圖形填充物結構密度的最小值；所述正方形金屬塊之間的間隔，在第三最小設計規(guī)則至間隔最大值的區(qū)間內任意 取值，所述間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬 塊之間所具有的間隔；所述第三最小設計規(guī)則為工藝允許的金屬間的最小間隔。所述圖形填充物結構密度為(密度檢查窗口內電感器金屬線圈的面積+密度檢查 窗口內圖形填充物結構的面積)/密度檢查窗口的面積χ 100%，所述“()，，表示括號，所述 “+”表示加號，所述“/”表示除號，所述“ X ”表示乘號。 所述密度檢查窗口的面積為預定值。所述正方形金屬塊的邊長等于第一最小設計規(guī)則，圖形填充物結構的密度等于第 二最小設計規(guī)則。次頂層金屬層與電感器相對應的區(qū)域上，進一步包括插入的圖形填充物結構，所述次頂層金屬層中插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金屬 線圈的面積減去次頂層金屬層電感器橋部分的面積加上電感器金屬線圈周圍圖形填充物 結構的面積；所述次頂層金屬層中圖形填充物結構的金屬塊邊長等于該層的第一最小設計規(guī) 則；所述次頂層金屬層中圖形填充物結構的密度不小于該層第二最小設計規(guī)則；所述次頂層金屬層中正方形金屬塊之間的間隔，在該層第三最小設計規(guī)則至該層 間隔最大值的區(qū)間內任意取值，所述該層間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于該 層第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊之間所具有的間隔。其他的每層金屬層與電感器相對應的區(qū)域上，進一步包括插入的圖形填充物結 構，所述其他的每層金屬層插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金 屬線圈的面積加上電感器金屬線圈周圍圖形填充物結構的面積；所述其他的每層金屬層中圖形填充物結構的金屬塊邊長等于該層的第一最小設 計規(guī)則；所述其他的每層金屬層中圖形填充物結構的密度不小于該層第二最小設計規(guī) 則；所述其他的每層金屬層中正方形金屬塊之間的間隔，在該層第三最小設計規(guī)則至 該層間隔最大值的區(qū)間內任意取值，所述該層間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等 于該層第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊之間所具有的間隔。由上述的技術方案可見，本發(fā)明通過優(yōu)化圖形填充物結構的形狀、大小以及間隔， 來降低圖形填充物結構的渦流效應，升高電感器的quality factor0與現有技術在電感器 周圍自動插入圖形填充物結構相比，不但滿足了電感器周圍的密度要求，而且大大升高了 電感器的 quality factor


圖1為在二氧化硅材料層中有不同密度分布的金屬銅，經化學機械研磨之后的效 果示意圖。圖2為現有技術中在金屬分布稀疏的區(qū)域加入floating dummy metal的結構示 意圖。圖3為在電感器周圍自動插入圖形填充物結構的示意圖。圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例在電感器金屬線圈周圍插入圖形填充物結構的示意圖。圖5為圖形填充物結構在多種設計規(guī)則下電感器Q值隨頻率變化的情況。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案、及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明的核心思想是通過優(yōu)化圖形填充物結構的形狀、大小以及間隔，來降低圖 形填充物結構的渦流效應，升高電感器的quality factor。電感器的主體金屬線圈位于頂層金屬(Top Metal)層，以圖3中3終端的差分電感 器為例，在電感器金屬線圈的周圍，即內側區(qū)域和外側區(qū)域插入圖形填充物結構。圖形填充 物結構為一個個正方形金屬塊，顯然金屬塊的高等于電感器金屬線圈的高。經過研究發(fā)現， 當正方形金屬塊的邊長等于第一最小設計規(guī)則(minimal design rule)，而且圖形填充物 結構的密度(density)在大于等于第二 minimal design rule的情況下，金屬塊之間的間 隔(space)越大，則圖形填充物結構產生的渦流效應越小，越能有效升高電感器的quality factor，金屬塊之間的space在density等于第二 minimal design rule時，達到最大值， 稱為間隔最大值。這里金屬塊之間的space還必須符合第三最小設計規(guī)則，第三最小設計 規(guī)則為工藝允許的金屬間的最小間隔。也就是說金屬塊之間的space可以在第三最小設計 規(guī)則至間隔最大值的區(qū)間內任意取值。圖形填充物結構的密度為(密度檢查窗口內電感器金屬線圈的面積+密度檢查 窗口內圖形填充物結構的面積)/密度檢查窗口的面積χιοο%。本發(fā)明具體實施例中密 度檢查窗口 303的面積為150UmX150Um，為在圖3中劃分出的一塊預定正方形面積。第一 minimal design rule指的是工藝允許的最小尺寸，如果正方形金屬塊的邊長小于某一值 時，就無法制作出來。第二 minimal design rule指的是圖形填充物結構的密度應大于等 于某一值，以符合密度要求，不至于由于電感器金屬線圈的密度和圖形填充物結構的密度 相差很大，導致上述所說的經化學機械研磨之后，密度大的地方被擠壓地比較嚴重。將圖形填充物結構的密度為(密度檢查窗口內電感器金屬線圈的面積+密度檢查 窗口內圖形填充物結構的面積)/密度檢查窗口的面積X 100%，記為density = (Area_ ind+Area_dummy) /window X 100%。以下分析用以說明本發(fā)明技術方案的理論思想。將圖形填充物結構的一個正方形金屬塊，分為N2個小正方形金屬塊，N為自然數。 根據渦流效應在金屬塊中產生的能量損耗公式
公式(1)表示在一個正方形金屬塊中由于渦流效應產生的能量損耗(Pdiss，power dissipation), Rtl表示該正方形金屬塊邊長的二分之一；公式(2)表示該正方形金屬塊分 為N2個小正方形金屬塊后，這N2個小正方形金屬塊由于渦流效應產生的總能量損耗。從 公式(1)和公式(2)可以看出，一個正方形金屬塊被分為小金屬塊的數量越多，則產生的能 量損耗越小。也就是說對于電感器周圍插入的金屬塊，由于Area ind和window為定值， 當density —定時，Area dummy是一定的，那么圖形填充物結構每個金屬塊的數量越多，面 積越小，則產生的能量損耗則越小，所以本發(fā)明中圖形填充物結構金屬塊的邊長等于第一 minimal design rule。進一步地，由于density—定要大于等于其最小值，所以在大于等于其最小值的 情況下，density越小，則Area_dummy越小，當符合第一個條件圖形填充物結構金屬塊的 邊長等于第一 minimal design rule后，要求盡可能地從第三最小設計規(guī)則增大圖形填充 物結構金屬塊之間的間隔，只要最終使得density不小于第二minimal design rule即可。 因為對于相同面積的每個金屬塊，金屬塊數量越少，則產生渦流效應越少。所以本發(fā)明的優(yōu)選實施例為正方形金屬塊的邊長等于第一 minimaldesign rule, density等于第二 minimal design rule，此時正方形金屬塊之間的間隔為間隔最大值。圖4為本發(fā)明優(yōu)選實施例在電感器金屬線圈周圍插入圖形填充物結構的示意圖。 電感器301的周圍，即內側區(qū)域和外側區(qū)域，均勻分布著圖形填充物結構，圖形填充物結構 由正方形金屬塊402構成。具體實施例中正方形邊長等于0. 64um等于第一minimal design rule, density等于30%等于第二 minimal design rule。圖5為圖形填充物結構金屬塊 在多種設計規(guī)則下電感器Q值隨頻率變化的情況。正方形所代表的曲線為在電感器周圍 不存在圖形填充物結構時，電感器Q值變化；三角形所代表的曲線為在電感器周圍自動插 入圖形填充物結構時，電感器Q值變化；叉形分別代表在電感器周圍插入金屬塊的邊長等 于間隔等于第一 minimal design ruleX3. 75，邊長等于間隔等于第一 minimal design ruleXl. 5時，電感器Q值變化；圓形所代表的曲線為在電感器周圍插入金屬塊的邊長等 于第一 minimal design rule, density 等于第二 minimal design rule 時，電感器 Q 值變 化。其中，邊長等于間隔等于第一 minimal design ruleX 3. 75和邊長等于間隔等于第一 minimal design rule X 1. 5，分別為邊長與間隔相等，是第一minimal design rule 的 3. 75 倍；邊長與間隔相等，是第一 minimal design rule的1. 5倍。從圖5可以看出，在不插入圖 形填充物結構時，電感器Q值處于最高，但為了避免電感器位置上金屬分布密集，而被擠壓 嚴重，則必須在電感器周圍插入圖形填充物結構，在圖中所示的所有具有圖形填充物結構 的設計中，插入金屬塊的邊長等于第一minimal design rule，且density等于第二minimal design rule時，Q值是最高的。綜上，本發(fā)明所設計的圖形填充物結構，能夠極為有效地減少電感器的能量損耗， 從而增加電感器的Q值。而且，由于電感器的主體線圈位于頂層金屬層，電感器的橋部分位于次頂層金屬層與頂層金屬層的金屬線圈連接(如圖3中所示的虛線連接部分)，除橋部 分之外，與電感器相對應的區(qū)域上，一般只有介質層，其他金屬層上與電感器相對應的區(qū)域 上，一般也只有介質層，所以在次頂層金屬層除橋部分之外，與電感器相對應的區(qū)域上，以 及其他金屬層上與電感器相對應的區(qū)域上，也插入均勻分布的圖形填充物結構。所插入的 圖形填充物結構的金屬塊，同樣邊長等于該層的第一最小設計規(guī)則，金屬塊間隔在該層第 三最小設計規(guī)則至該層間隔最大值的區(qū)間內任意取值。顯然，優(yōu)選實施例為該層金屬塊圖 形填充物結構邊長等于該層的第一最小設計規(guī)則，密度等于該層第二最小設計規(guī)則，此時 金屬塊之間的間隔為該層間隔最大值。每層金屬層的金屬密度不同，金屬厚度也不同，所以 次頂層金屬層和其他金屬層中插入圖形填充物結構的最小設計規(guī)則與頂層不同。次頂層金 屬層中插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金屬線圈的面積減去次頂層 金屬層電感器橋部分的面積加上電感器金屬線圈周圍圖形填充物結構的面積。其他的每層 金屬層中插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金屬線圈的面積加上電感 器金屬線圈周圍圖形填充物結構的面積。 雖然本發(fā)明已以較佳實施例披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領域技術 人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應 當以權利要求所限定的范圍為準。
權利要求
1.一種插入在電感器周圍的圖形填充物結構，所述圖形填充物結構為多個與電感器金 屬線圈等高的正方形金屬塊，插入在電感器金屬線圈的內側區(qū)域和外側區(qū)域，所述電感器 金屬線圈位于頂層金屬層；所述正方形金屬塊的邊長等于第一最小設計規(guī)則，所述第一最小設計規(guī)則為工藝允許 的最小尺寸；所述圖形填充物結構的密度不小于第二最小設計規(guī)則，所述第二最小設計規(guī)則為圖形 填充物結構密度的最小值；所述正方形金屬塊之間的間隔，在第三最小設計規(guī)則至間隔最大值的區(qū)間內任意取 值，所述間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊 之間所具有的間隔；所述第三最小設計規(guī)則為工藝允許的金屬間的最小間隔。
2.如權利要求1所述的結構，其特征在于，所述圖形填充物結構密度為(密度檢查窗口 內電感器金屬線圈的面積+密度檢查窗口內圖形填充物結構的面積)/密度檢查窗口的面 積X 100%，所述“()，，表示括號，所述“ + ”表示加號，所述“/”表示除號，所述“ X，，表示乘 號。
3.如權利要求2所述的結構，其特征在于，所述密度檢查窗口的面積為預定值。
4.如權利要求1、2或3所述的結構，其特征在于，所述正方形金屬塊的邊長等于第一最 小設計規(guī)則，圖形填充物結構的密度等于第二最小設計規(guī)則。
5.如權利要求1所述的結構，其特征在于，次頂層金屬層與電感器相對應的區(qū)域上，進 一步包括插入的圖形填充物結構，所述次頂層金屬層中插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金屬線圈 的面積減去次頂層金屬層電感器橋部分的面積加上電感器金屬線圈周圍圖形填充物結構 的面積；所述次頂層金屬層中圖形填充物結構的金屬塊邊長等于該層的第一最小設計規(guī)則；所述次頂層金屬層中圖形填充物結構的密度不小于該層第二最小設計規(guī)則；所述次頂層金屬層中正方形金屬塊之間的間隔，在該層第三最小設計規(guī)則至該層間隔 最大值的區(qū)間內任意取值，所述該層間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于該層第 二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊之間所具有的間隔。
6.如權利要求1所述的結構，其特征在于，其他的每層金屬層與電感器相對應的區(qū)域 上，進一步包括插入的圖形填充物結構，所述其他的每層金屬層插入圖形填充物結構的面積等于頂層金屬層中電感器金屬線 圈的面積加上電感器金屬線圈周圍圖形填充物結構的面積；所述其他的每層金屬層中圖形填充物結構的金屬塊邊長等于該層的第一最小設計規(guī)則；所述其他的每層金屬層中圖形填充物結構的密度不小于該層第二最小設計規(guī)則；所述其他的每層金屬層中正方形金屬塊之間的間隔，在該層第三最小設計規(guī)則至該層 間隔最大值的區(qū)間內任意取值，所述該層間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于該 層第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊之間所具有的間隔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種插入在電感器周圍的圖形填充物結構，為多個與電感器金屬線圈等高的正方形金屬塊，插入在電感器金屬線圈的內側區(qū)域和外側區(qū)域，所述電感器金屬線圈位于頂層金屬層；所述正方形金屬塊的邊長等于第一最小設計規(guī)則，所述第一最小設計規(guī)則為工藝允許的最小尺寸；所述圖形填充物結構的密度不小于第二最小設計規(guī)則，所述第二最小設計規(guī)則為圖形填充物結構密度的最小值；所述正方形金屬塊之間的間隔，在第三最小設計規(guī)則至間隔最大值的區(qū)間內任意取值，所述間隔最大值為當圖形填充物結構的密度等于第二最小設計規(guī)則時，正方形金屬塊之間的間隔；所述第三最小設計規(guī)則為工藝允許的金屬間的最小間隔。該結構有效升高了電感器的品質因數。
文檔編號H01L23/528GK102082143SQ20091020002
公開日2011年6月1日 申請日期2009年12月1日 優(yōu)先權日2009年12月1日
發(fā)明者何丹 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司