專利名稱：金屬線寬及金屬間距漸變的平面螺旋電感的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于集成電路器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種平面螺旋電感的結(jié)構(gòu)和制造。
背景技術(shù)：
在CMOS射頻集成電路(RFIC)發(fā)展中，最迫切的和最困難的是要發(fā)展高性能的新器件和新的單元電路，它們是實現(xiàn)單片CMOS集成射頻前端的基礎(chǔ)。平面螺旋電感作為射頻集成電路中的關(guān)鍵元件，是電路中最難設(shè)計和掌握的元件，它的性能參數(shù)直接影響著射頻集成電路的性能。片上電感能實現(xiàn)射頻集成電路中電感的集成化問題，從而有助于射頻集成電路的片上系統(tǒng)實現(xiàn)。
片上平面螺旋電感大多通過金屬薄膜在硅襯底上繞制而成，相對于傳統(tǒng)的線繞電感，片上平面螺旋電感具有成本低、易于集成、噪聲小和功耗低的優(yōu)點，更重要的是能與現(xiàn)今的CMOS工藝兼容。近年來隨著移動通信向微型化、低功耗化發(fā)展，對制作與CMOS工藝兼容的高品質(zhì)片上無源器件的研究也越來越多。但不幸的是，平面螺旋電感中的寄生效應(yīng)，如襯底的寄生電容、寄生電阻、金屬導(dǎo)體的寄生電容、寄生電阻以及由于渦流損耗等效應(yīng)而成的寄生電阻等，都將會對電感的性能產(chǎn)生影響。針對襯底損耗，已經(jīng)提出了兩大類主要的解決方法一方面，人們使用離子注入或制作多孔硅層等方法實現(xiàn)選擇性形成半絕緣硅襯底；另一方面，人們在電感線圈和硅襯底之間插入圖形式接地屏蔽層，或在硅襯底中形成PN結(jié)隔離以減少襯底損耗。
若忽略襯底損耗，平面螺旋電感應(yīng)主要考慮金屬導(dǎo)體損耗，這時平面螺旋電感中的渦流電流將對顯著影響其金屬導(dǎo)體損耗。通常人們使用線寬不變的金屬導(dǎo)體來制作平面螺旋電感，在這種電感中，通過最內(nèi)圈金屬導(dǎo)體的磁感應(yīng)強度為最大，進而產(chǎn)生磁感應(yīng)損失的影響也是最大的。根據(jù)這一點，人們提出了最大中空結(jié)構(gòu)的版圖布局，但這還不是提高電感品質(zhì)因子Q最優(yōu)方案。后來人們又提出了優(yōu)化電感版圖的方法來提高電感品質(zhì)因子Q。如IEEE報道，2000年Jose M Lopez-Villegas等人采用一種可變金屬導(dǎo)體線寬的結(jié)構(gòu)，以提高電感的品質(zhì)因子Q值，但該結(jié)構(gòu)仍沒有考慮兩金屬導(dǎo)體間距變化對電感性能的影響。這是因為兩相鄰金屬導(dǎo)體之間的磁場將改變金屬導(dǎo)體的電流分布，當(dāng)兩相鄰金屬導(dǎo)體間距不同時，它們之間所受到的磁場作用也不一樣。間距越小時，磁場相互作用越強烈，這將導(dǎo)致金屬導(dǎo)體中的電流密度更加的不均勻，使得金屬導(dǎo)體串聯(lián)電阻Rs變大，從而影響電感的品質(zhì)因子Q值下降；另外，在電感其它參數(shù)不變的情況下，如果兩金屬導(dǎo)體的間距變大，金屬導(dǎo)體的總長度將變大，且內(nèi)徑變小，這也將使得金屬導(dǎo)體串聯(lián)電阻Rs進一步增大，從而也影響電感的品質(zhì)因子Q值下降。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提出一種可減少歐姆損耗和磁感應(yīng)損耗，提高電感品質(zhì)因子Q值的平面螺旋電感。
本實用新型提出的平面螺旋電感，是在傳統(tǒng)等線寬、等間距電感結(jié)構(gòu)，以及僅考慮金屬導(dǎo)體寬度變化的電感結(jié)構(gòu)上的改進。本實用新型在不改變版圖面積和內(nèi)徑大小的前提下，提出金屬線寬及金屬線間距同時漸變的平面螺旋電感結(jié)構(gòu)，以減小電感的金屬導(dǎo)體損耗，從而提高電感品質(zhì)因子Q值。
本實用新型中，是金屬線寬及間距漸變的平面螺旋電感，設(shè)其結(jié)構(gòu)參數(shù)分別為金屬線圈圈數(shù)N、外徑Dout、內(nèi)徑Din、金屬線寬wn、兩金屬間間距sn(參數(shù)標示見附圖2)。電感由金屬層M1、M2組成。金屬層M1、M2分別連接信號輸入輸出端，本實用新型的其特征是，該電感的金屬線寬wn是漸變的，從內(nèi)到外依次增大；金屬間間距sn也是漸變的，從內(nèi)到外隨wn的增大而增大。
上述平面螺旋電感中，根據(jù)不同的最細線寬、金屬線圈圈數(shù)和外徑，上述金屬線寬wn的變化范圍為0.065～30微米；上述金屬間間距sn變化范圍為0.1～12微米。
金屬線寬wn的最細線寬可從0.065微米到10微米的范圍選擇，平面螺旋電感的外徑Dout可在1微米到500微米。
集成電路中，射頻無源器件的損耗主要由兩種損耗組成襯底損耗和金屬導(dǎo)體損耗。本實用新型主要是針對降低金屬導(dǎo)體損耗而提出了一種導(dǎo)體寬度及間距漸變的優(yōu)化電感結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法主要基于減小平面螺旋電感中金屬導(dǎo)體的串聯(lián)電阻Rs。
金屬導(dǎo)體損耗由歐姆損耗和磁感應(yīng)損耗組成的，前者由傳導(dǎo)電流引起，后者由渦流電流引起。當(dāng)傳導(dǎo)電流流過金屬導(dǎo)體時，它所產(chǎn)生的歐姆損耗將與金屬導(dǎo)體的電阻阻值有關(guān)，而該電阻阻值與金屬導(dǎo)體的電阻率和總長度成正比，與金屬導(dǎo)體的寬度和厚度成反比。因此，為了減少歐姆損耗，一般采用低電阻率的金屬導(dǎo)體材料并適當(dāng)增加金屬導(dǎo)體厚度的方法。因為金屬導(dǎo)體總長度與電感線圈圈數(shù)密切相關(guān)，而金屬導(dǎo)體寬度與電感線圈的內(nèi)、外徑大小密切相關(guān)，這些都將影響電感的其它參數(shù)。
然而，為了更好地減少金屬導(dǎo)體損耗，我們提出了一個優(yōu)化版圖的方法。電感工作在射頻頻段時，渦流效應(yīng)明顯。圖1中，從上到下表示由內(nèi)到外的三條金屬線圈，Icoil為電感線圈中流過的交流電流，由法拉第定律可知，此電流會產(chǎn)生一個交變磁場Bcoil。此磁場越靠近電感線圈的中心，密度越大，如果電感線圈中心的線圈很密，感應(yīng)磁場的磁通量將有很大一部分穿過中心線圈。交變磁場Bcoil會在線圈內(nèi)部產(chǎn)生漩渦電流Ieddy，而此交變電流又將產(chǎn)生一交變磁場Beddy。由楞次定律可知，為了阻礙交變磁場Bcoil的變化，交變磁場Beddy的方向?qū)⑴c交變磁場Bcoin相反，因此，總磁場強度Bcoil+Beddy變小。而且，在線圈靠近內(nèi)側(cè)的一邊，Ieddy與Icoil方向相同，電流密度變大；在線圈靠近外側(cè)的一邊，Ieddy與Icoil方向相反，電流密度變小，將導(dǎo)致電流密度不均勻，增大了金屬導(dǎo)體的串聯(lián)電阻R3。由此可見，渦流效應(yīng)將導(dǎo)致電感中心的磁感應(yīng)強度大大增強，并使金屬線中的電流密度不均勻，從而增大了金屬導(dǎo)體的串聯(lián)電阻Rs。為了減小Rs，我們采用漸變的金屬線寬wn及金屬線間距sn。對磁感應(yīng)強度最大的內(nèi)圈導(dǎo)體，采用寬度最窄的金屬線；對歐姆損耗為主要的外圈導(dǎo)體，采用寬度最寬的金屬線，且從內(nèi)到外，金屬線寬度依次增大，達到降低金屬導(dǎo)體損耗的目的。
另一方面，從渦流效應(yīng)的分析中可知，兩相鄰金屬導(dǎo)體之間的磁場將改變金屬導(dǎo)體的電流分布，當(dāng)兩相鄰金屬導(dǎo)體間距越小時，它們之間的磁場相互作用越強烈，這將導(dǎo)致金屬導(dǎo)體中的電流密度更加的不均勻，使得金屬導(dǎo)體串聯(lián)電阻Rs進一步變大，從而影響電感的品質(zhì)因子Q值下降；另外，在電感其它參數(shù)不變的情況下，如果兩金屬導(dǎo)體的間距變大，金屬導(dǎo)體的總長度將變大，且內(nèi)徑變小，這些也都將使金屬導(dǎo)體串聯(lián)電阻Rs增大，電感的品質(zhì)因子Q值下降。因此，為了減小上述影響，我們采取了金屬線間距漸變的結(jié)構(gòu)，即兩金屬間間距sn從內(nèi)到外隨著金屬線寬wn的增大而增大。
本實用新型的平面螺旋電感與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電感相比，高頻時渦流效應(yīng)和臨近效應(yīng)影響降低，導(dǎo)致串聯(lián)電阻Rs下降，從而提高電感的品質(zhì)因子Q值；制備工藝與常規(guī)的CMOS工藝兼容；能改善CMOS射頻前端的重要功能單元的性能。


圖1為電感的渦流效應(yīng)圖示。
圖2是本實用新型所涉及方形平面螺旋電感的結(jié)構(gòu)俯視圖。
其中N是指電感的金屬線圈圈數(shù)，Dout是指電感的外徑，Din是指電感的內(nèi)徑，wn是指電感的金屬導(dǎo)體線寬，sn是指電感的兩金屬導(dǎo)體間間距，M1是電感用作引線的金屬層，M2是電感線圈的金屬層。
具體實施方式
本實用新型的實施過程如下根據(jù)所要求設(shè)計的電感量，確定電感的金屬線圈圈數(shù)N；根據(jù)適當(dāng)?shù)墓に嚦叽?，確定金屬導(dǎo)體線寬wn，以及金屬導(dǎo)體間間距sn，最終確定外徑Dout；在制造相應(yīng)金屬層時完成電感的制作。具體實施例子如表I所示，均獲得良好的結(jié)果。
表I三個不同工藝參數(shù)的電感
權(quán)利要求1.一種集成電路中的平面螺旋電感，其特征是，該電感的金屬線寬wn是漸變的，從內(nèi)到外依次增大；金屬間間距sn也是漸變的，從內(nèi)到外隨wn的增大而增大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面螺旋電感，其特征是，所述金屬線寬wn的變化范圍為0.065～30微米；所述金屬間間距sn為0.1～12微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面螺旋電感，其特征是，上述金屬線寬wn的最細線寬從0.065微米到10微米的范圍選擇，平面螺旋電感的外徑Dout為1微米到500微米。
專利摘要本實用新型屬集成電路器件制造技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種金屬線寬及金屬間距漸變的平面螺旋電感。在不改變版圖面積和內(nèi)徑大小的前提下，該電感的金屬導(dǎo)體線寬w
文檔編號H01L29/00GK2768205SQ20042011466
公開日2006年3月29日 申請日期2004年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者石艷玲, 王勇, 劉贇, 陳壽面 申請人:華東師范大學(xué), 上海華虹(集團)有限公司, 上海集成電路研發(fā)中心有限公司