CN102130118B - 螺旋状电感结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋状电感结构，该螺旋状电感结构由半导体制备的后道金属层中任意两层相邻金属层上的金属导线、所述两层金属间连接所述金属导线的通孔金属作为电感金属按螺旋状连接而成，组成电感结构中的较下层金属导线由多层通过通孔金属连接的金属导线组成。

Description

螺旋状电感结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种螺旋状电感结构。 

背景技术

射频片上电感是射频集成电路的重要元件之一，广泛应用于压控振荡器，低噪声放大器等射频电路模块中。在一般的逻辑工艺和射频工艺中的电感往往是用顶层金属制作的平面电感，层间介质寄生电容以及衬底的涡流效应对普通电感的高频性能有不容忽视的影响，而且多圈的平面电感在内圈存在邻近效应，也降低了电感的品质因数。 

一般的逻辑工艺和射频工艺中的螺旋电感，该电感的上层金属导线采用厚铝金属，而下层金属导线采用薄铝金属(见图2)，因此具有较高的寄生电阻，也影响了电感的品质因数。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种螺旋状电感结构，它可以提高电感的品质因数。 

为解决上述技术问题，本发明螺旋状电感结构，由半导体制备的后道金属层中任意两层相邻金属层上的金属导线、两层金属间连接所述金属导线的通孔金属作为电感金属按螺旋状连接而成，组成电感结构中的较下层金属导线又由多层通过通孔金属连接的金属导线组成。 

本发明还提供了一种制备螺旋状电感结构的方法，电感结构集成在半 导体后道的金属化工艺中，采用任意两层相邻金属层上的金属导线、两层金属间连接金属导线的通孔金属形成螺旋状的电感，组成电感结构中的下层金属导线通过通孔金属与其下多层金属层上的金属导线进行叠加。 

本发明的螺旋状电感结构以电感金属层和通孔作为电感绕阻，以金属层间介质作为电感磁心。由于磁场方向垂直于衬底平面，不会在衬底上产生涡流效应。多圈的螺旋电感的设计，可以在较小的面积下实现相对平面电感较大的电感值。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明： 

图1为原有的螺旋电感结构示意图； 

图2为本发明的螺旋电感结构示意图； 

具体实施方式

本发明的螺旋状电感结构，由半导体制备的后道金属层中任意两层相邻金属层上的金属导线、两层金属间连接所述金属导线的通孔金属作为电感金属按螺旋状连接而成，组成电感结构中的较下层金属导线又由多层通过通孔金属连接的金属导线组成。进一步地，制作电感的两金属层之间还夹有其它金属层，即电感结构制作在不相邻的两层金属层之间。而金属层之间的层间介质可作为本发明的螺旋状电感的磁心。 

本发明的一个基于标准的六层铝铜金属射频集成电路工艺来制作的螺旋电感的方法。所制备的电感结构(见图1)中，上层金属采用顶层金属(即图2中的L6金属层)，为在顶层金属中，从端点P1开始，经过长 约200微米，宽约10微米的金属导线LU1后，从A1点经过通孔连到第一条下层金属的金属导线LD1的B1点处；下层金属图形的金属导线LD1与上层导线LU1平行，为长约200微米，宽约10微米的金属导线LD1到C1点，转角90度后经过通孔到顶层金属的金属导线LU2的D1点处。这样从顶层金属的金属导线LU1，经过A1-B1点之间的通孔，到下层金属的金属导线LD1，再经过C1-D1点之间的通孔构成本发明的螺旋电感的第一圈。从金属导线LD1上的D1点开始，经过宽约10微米的金属导线LU2到达A2点，A2-B2-C2-D2构成螺旋电感的第二圈，以此类推，An-Bn-Cn-Dn构成螺旋电感的第n圈，从而实现多圈的片上螺旋电感结构，从端点P2输出。LUn为顶层金属的金属导线，LDn为下层金属的金属导线。n圈的螺旋电感各有n条顶层金属的金属导线和下层金属的金属导线。在本发明的电感结构中，制作电感金属导线的两层金属层还可跨金属层设计，即为在相隔几层的两金属层上制备电感。本实例的下层金属导线是由四层金属层L2、L3、L4和L5上的金属导线通过相互之间的通孔V1叠加而成的，通孔的个数设置基于阻值要求进行，总的来说，金属层上的金属导线之间的通孔设置越多阻值越小。 

本发明的螺旋状电感结构的制备，集成在半导体后道的金属层制程和介质层中通孔的制程中，通过金属淀积后的根据设计的要求通过光刻工艺形成金属层图案以及后续的刻蚀去除多余的金属来形成。在具体制备中，只需依照设计要求修改原有的金属层光刻掩膜版和在介质层中制备通孔的光刻掩膜版的图形即可实现。 

本发明的电感结构不限于四层金属的叠加，在其它多层金属的工艺 中，可以根据需要叠加多层金属作为螺旋电感的下层金属导线，以减小电感的寄生电阻，提高品质因数。且金属导线的设置也可以多样化，例如上圈导线和下圈导线可以倾斜设置，由此可以省却金属导线转角就形成螺旋状环绕结构。 

本法明的方法中，通过对螺旋电感结构设计，避免层间介质寄生电容、衬底涡流效应及多圈平面电感存在的邻近效应。此电感结构可以在较小的面积内实现多达10圈以上的电感，从而实现小型化大感值的电感，从而减小芯片面积。 

本发明的电感结构的优点为： 

首先，普通的平面电感存在上层金属和下层金属直线的耦合电容，以及金属对层间介质的氧化层电容，这些寄生电容是导致平面电感品质因数下降的原因。而本发明的螺旋电感结构利用层间介质作为电感磁心，没有氧化层电容的影响。 

其次，由于本发明的电感结构跨层的，不同于平面层上设计的电感，因此不会在衬底或者电感下面的低电阻回路上形成涡流。 

第三，本发明的电感结构中，下半圈采用多层金属导线叠加的设计，减小电感的寄生电阻，提高品质因数。 

由于电感的品质因数可以由以下公式来推导： 

$Q\≈\frac{\mathrm{wL}}{R_s}$

其中Q表示品质因数，w表示频率，L表示某一频率下的电感值，Rs表示某一频率下的电阻值。叠加顶层金属以下的多层金属以后可以增加金属导线的有效厚度，从而减小电感的寄生电阻，提高品质因数。 

如图2所示的电感结构中，较上层为顶层金属L6(具体为厚铝金属)，较下层为第二层金属到第五层金属的叠加(即L2至L通过通孔V1的叠加)，等效为一层金属，并作为本发明的螺旋电感的下层金属导线。 

Claims (5)

1.一种螺旋状电感结构，其特征在于：所述螺旋状电感结构由半导体制备的后道金属层中任意两层相邻金属层上的金属导线、所述两层金属间连接所述金属导线的通孔金属作为电感金属按螺旋状连接而成，组成电感结构中的较下层金属导线由多层通过通孔金属连接的金属导线组成。

2.一种制备螺旋状电感结构的方法，其特征在于：所述电感结构集成在半导体后道的金属化工艺中，采用任意两层相邻金属层上的金属导线、两层金属间连接所述金属导线的通孔金属形成螺旋状的电感金属，所述组成电感结构中的下层金属导线通过通孔金属与其下多层金属层上的金属导线进行叠加。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述任意两层金属层上的金属导线为平行线条，所述金属导线的一端形成转角后再通过通孔金属连接以形成螺旋片状结构。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述两层金属层上的金属导线中，上层金属导线的转角设在相同的一端，而下层金属导线的转角设在相同的一端，且所述下层金属导线的转角设在所述上层金属导线的转角的相反端。

5.如权利要求2至4中任一项权利要求所述的方法，其特征在于：所述金属层为铝铜金属层。

Images