CN102097429B - 一种垂直结构差分集成螺旋电感 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种垂直结构差分集成螺旋电感。目前多数集成在片电感所占芯片面积较大。本发明中第一引线层一端与第一左金属层一端连接，第一左金属层另一端依次各个通孔和金属层与第四左金属层一端连接，第四左金属层另一端通过第四通孔与第三中右金属层一端连接，第三中右金属层另一端通过第五通孔与第二金属层一端连接，第二金属层另一端通过第六通孔与第三中左金属层一端连接，第三中左金属层另一端通过第七通孔与第四右金属层一端连接，第四右金属层另一端通过各个通孔和金属层和第十通孔后与第一右金属层一端连接，第一右金属层另一端与第二引线层一端连接。本发明能够在尽可能小的面积上达到感值及Q值要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种电感，特别涉及一种应用于集成电路中的集成电感，属于半导体器件技术领域。
背景技术
随着CMOS射频集成电路的快速发展，一些高性能、低功耗的单元电路如低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器，功率放大器等成为整个电路成功的基础，在这其中片上电感又是必不可少的元件，因此，其设计和优化已成为整个电路成功设计的关键之一。
在片电感一般通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，相对于前期的绕线电感，在片电感成本低，易集成，功耗低等优点。更重要的是它可与如今的CMOS工艺兼容。目前多数集成在片电感所占芯片面积较大，使得电感电流在衬底中以及衬底表面的区域产生的感应电流较大导致较高的衬底能量损耗和过低的品质因数。为了使得片上电感于不断缩小面积的CMOS工艺兼容，从而优化芯片面积，业界一般采用差分螺旋片上电感，这种电感是将两个完全相同的螺旋电感缠绕在一起，这样可以增加这两个对称电感之间的磁场耦合，以获得比较高的有效电感值。然而采用差分电感所减少的芯片面积有限，如能实现在节省芯片面积的同时实现较大的电感值，这对于高集成度的现代电路来说具有很大的益处。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种垂直结构差分集成螺旋电感。本发明所采取的技术方案如下：
一种垂直结构差分集成螺旋电感，包括处于同一芯片内的第一引线层Feed1、第二引线层Feed2、第一左金属层1、第二左金属层21、第三左金属层22、第四左金属层31、第一右金属层7、第二右金属层62、第三右金属层61、第四右金属层52、第二金属层4、第三中左金属层51、第三中右金属层32、第一通孔V1、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V10；
第一引线层Feed1的一端与第一左金属层1的一端连接，第一左金属层1的另一端向下依次通过第一通孔V1、第二左金属层21、第二通孔V2、第三左金属层22和第三通孔V3后与第四左金属层31的一端连接，第四左金属层31的另一端通过第四通孔V4与第三中右金属层32的一端连接，第三中右金属层32的另一端通过第五通孔V5与第二金属层4的一端连接，第二金属层4的另一端通过第六通孔V6与第三中左金属层51的一端连接，第三中左金属层51的另一端通过第七通孔V7与第四右金属层52的一端连接，第四右金属层52的另一端向上依次通过第八通孔V8、第三右金属层61、第九通孔V9、第二右金属层62和第十通孔V10后与第一右金属层7的一端连接，第一右金属层7的另一端与第二引线层Feed2的一端连接；
所述的第一引线层Feed1、第二引线层Feed2、第一左金属层1和第一右金属层7处于同一上层；
所述的第二左金属层21、第二金属层4和第二右金属层62处于同一次上层；
所述的第三左金属层22、第三中左金属层51、第三中右金属层32和第三右金属层61处于同一次下层；
所述的第四右金属层52和第四左金属层31处于同一下层；
所述的第一左金属层1、第二左金属层21、第三左金属层22、第一右金属层7、第二右金属层62、第三右金属层61和第二金属层4均为条形片状结构；
所述的第四左金属层31和第四右金属层52为L形片状结构且在该层内呈中心对称；
所述的第三中左金属层51和第三中右金属层32为Z形片状结构且在该层内呈中心对称；
所述的上层、次上层、次下层，下层之间相互平行且绝缘；
本发明的优点在于将差分结构在垂直的方向上实现，能够在尽可能小的面积上达到感值及Q值要求。另一方面，采用差分片上电感能够很好的与差分交流信号兼容。
附图说明
图1为本发明实施例的垂直结构差分集成螺旋电感沿y负向的立体图；
图2为本发明实施例的垂直结构差分集成螺旋电感沿y正向的立体图；
图3为本实施例仿真的电感L随频率变化图；
图4为本实施例仿真的品质因数Q随频率变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构作进一步的说明。
如图1所示，本发明的电感结构共采用四层金属，由上而下依次为上层金属层其厚度为4 um，次上层金属层其厚度为3 um，次下层金属层其厚度为0.5 um和下层金属层其厚度为0.25 um，在垂直于水平面的方向上各层金属之间以通孔连接，上层金属层和次上层金属层之间第一通孔V1及第十通孔V10其厚度均为1.5 um，次上层金属层与次下层金属层之间为第二通孔V2及第九通孔V9其厚度均为2.1 um，次下层金属层与下层金属层之间的第三通孔为V3及第八通孔V8其厚度均为0.5 um，上层金属层、次上层金属层、次下层金属层和下层金属层的宽度相同，为保证良好的品质因数，其宽度取自范围为4 um到14 um之间。
如图1所示，本发明的电感的结构细节为：首先在上层金属层制造第一引线层Feed1，然后第一引线层Feed1与第一左金属层1连接，第一左金属层1另一端向下依次通过第一通孔V1、第二左金属层21、第二通孔V2、第三左金属层22和第三通孔V3后与第四左金属层31的一端连接，第四左金属层31先向x负方向构建一段长度，进而往y负方向延伸出一段长度。
如图2所示，在y负方向上延伸出的部分经第四通孔V4与第三中右金属层32的一端连接，第三中右金属层32同样先向x负方向构建一段距离，接着沿y方向走线，直至回到第四左金属层31未转向延伸时的y轴位置，而后继续沿x负方向走线，接着通过第五通孔V5与第二金属层4的一端连接，第二金属层4的另一端通过第六通孔V6与第三中左金属层51连接，第三中左金属层51、第四右金属层52的绕线方式与第三中右金属层32、第四左金属层31的绕线方式是根据第二金属层4的z轴方向的中轴线中心对称成，在此不作赘述，第四右金属层52的另一端通过第八通孔V8、第三右金属层61、第九通孔V9、第二右金属层62和第十通孔V10后与第一右金属层7的一端连接，第一右金属层7的另一端与第二引线层Feed2的一端连接，完成电感制作。
在此结构中第一引线层Feed1、第二引线层Feed2、第一左金属层1和第一右金属层7属于第一金属层，第二左金属层21、第二金属层4和第二右金属层62属于第二金属层，第三左金属层22、第三中左金属层51、第三中右金属层32和第三右金属层61属于第三金属层，第四右金属层52和第四左金属层31属于第四金属层，第一引线层、第二引线层处于同一平面上且第一金属层的中轴线、第二金属层的中轴线、第三金属层的中轴线、第四金属层的中轴线位于同一平面内，且该平面垂直于芯片上下表面。
本发明结构主要特征为：一方面，垂直的结构在制作工艺上与普通的差分电感相差不大，但它却节省芯片面积，同时也减小了衬底损耗，提高了Q值，另一方面、中心对称的结构使得电感两端口的电学对称特性更加理想。
图3为本实施例仿真的电感L随频率变化图，此电感外径OD=80 um，线宽W=8 um，线间距s=3 um。圆点曲线表示1端口的电感值，三角点曲线表示2端口的电感值，从图中可以看出两者重合度很高，证明该电感的对称性很好，低频感值可达280 pH左右。与此同时，该结构的自谐振频率较高，60GHz时仍未出现谐振，该特性说明它适用与高频电路。
图4为本实施例仿真的品质因数Q随频率变化图，同样的圆点曲线表示1端口的Q值，三角点曲线表示2端口的Q值。从图中可以看出Q的最大值约为18.3，对应的频率约为38.1 GHz。当电流通过电感线圈时，交变电流产生的周期磁场仅在导线的周围区域产生磁场，进而在衬底中产生的感应电流会相应很小，因此该电感具有较高的Q值。这个性质不仅说明该电感的损耗比较小，而且说明它适用于较高频率的电路。
综上所述，在保持良好的电学对称性的同时，相比传统的平面差分螺旋电感，本发明的垂直结构差分螺旋电感还具有以下优点：
1、占用面积小
对于平面电感来说，占用芯片面积大无疑是一个突出的问题，但该结构最明显的优势就是占用的平面面积小。如图3所示实施例的电感L随频率变化关系，此电感外径OD=80 um，线宽W=8 um，线间距s=3 um,低频感值可达280 pH。
2、品质因数较高
当电感上有电流通过时，会产生垂直于电感线圈平面的磁场，由于本发明的电感线圈平面垂直于芯片平面，则磁场平行于芯片平面。这样就能把穿过衬底的磁场降到最低，从而尽量避免在衬底中感应出涡流，达到降低衬底损耗的目的。衬底损耗降低则可提供Q值。从图4中可以看出Q的最大值约为18.3，Q值达到最大时的频率约为38.1GHz，这个特征不仅说明现有电感的质量比较好，而且说明它适用于较高频率的电路。
3、自谐振频率较高
从图3中可以看出，现有结构的自谐振频率很高，60 GHz时仍未出现谐振，该特性说明它适用于高频电路。
以上所述仅是发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
Claims (1)
1.一种垂直结构差分集成螺旋电感，包括处于同一芯片内的第一引线层（Feed1）、第二引线层（Feed2）、第一左金属层(1)、第二左金属层(21)、第三左金属层(22)、第四左金属层(31)、第一右金属层(7)、第二右金属层(62)、第三右金属层(61)、第四右金属层(52)、第二金属层(4)、第三中左金属层(51)、第三中右金属层(32)、第一通孔(V1)、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(V10)，其特征在于：
第一引线层（Feed1）的一端与第一左金属层(1)的一端连接，第一左金属层(1)的另一端向下依次通过第一通孔(V1)、第二左金属层(21)、第二通孔(V2)、第三左金属层(22)和第三通孔(V3)后与第四左金属层(31)的一端连接，第四左金属层(31)的另一端通过第四通孔(V4)与第三中右金属层(32)的一端连接，第三中右金属层(32)的另一端通过第五通孔(V5)与第二金属层(4)的一端连接，第二金属层(4)的另一端通过第六通孔(V6)与第三中左金属层(51)的一端连接，第三中左金属层(51)的另一端通过第七通孔(V7)与第四右金属层(52)的一端连接，第四右金属层(52)的另一端向上依次通过第八通孔(V8)、第三右金属层(61)、第九通孔(V9)、第二右金属层(62)和第十通孔(V10)后与第一右金属层(7)的一端连接，第一右金属层(7)的另一端与第二引线层（Feed2）的一端连接；
所述的第一引线层（Feed1）、第二引线层（Feed2）、第一左金属层(1)和第一右金属层(7)处于同一上层；
所述的第二左金属层(21)、第二金属层(4)和第二右金属层(62) 处于同一次上层；
所述的第三左金属层(22)、第三中左金属层(51)、第三中右金属层(32)和第三右金属层(61)处于同一次下层；
所述的第四右金属层(52) 和第四左金属层(31)处于同一下层；
所述的第一左金属层(1)、第二左金属层(21)、第三左金属层(22)、第一右金属层(7)、第二右金属层(62)、第三右金属层(61)和第二金属层(4)均为条形片状结构；
所述的第四左金属层(31)和第四右金属层(52)为L形片状结构且在该层内呈中心对称；
所述的第三中左金属层(51)和第三中右金属层(32)为Z形片状结构且在该层内呈中心对称；
所述的上层、次上层、次下层，下层之间相互平行且绝缘。
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