CN103824840B - 基于硅通孔的螺线管式差分电感 - Google Patents

基于硅通孔的螺线管式差分电感 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于硅通孔的螺线管式差分电感，它由处于硅衬底顶部和底部金属层中的水平金属线和垂直穿透硅衬底的硅通孔组成，利用先钻孔（via‑first）硅通孔工艺，首先在硅转接板中刻蚀金属通孔，然后在硅转接板的顶部和背部构建水平互连线，并与硅通孔进行电气连接，从而构成线圈。为了实现完全对称的结构，水平方向上的金属线存在若干组交叉线，利用金属通孔和两层金属层实现。本发明电感尺寸得以减小，同时能提高整体电感值。

Description

基于硅通孔的螺线管式差分电感
技术领域
本发明涉及一种集成电路无源器件，特别是一种基于硅通孔技术的螺旋管式差分电感。
背景技术
硅基集成电感是射频集成电路的重要元件之一，在放大器、混频器、压控振荡器等电路中发挥重要作用。常用的硅基集成电感采用的是平面螺旋结构，在半导体工艺中，组成螺旋电感的绕线金属电阻较大，硅基衬底损耗较高，使得螺旋电感品质因数很难提高，同时平面绕线结构所占面积较大，这些都影响集成电感在实际电路中的应用。
差分结构电路是模拟电路中最常用的一种电路设计，它对差模信号具有放大作用，而对共模噪声具有抑制作用。在这些电路中，原本单端接地的电感就变为两端分别接入差分信号的电感，如图1所示，然而平面型差分电感依然面临着占用面积和Q值低等问题。
研究者采用了许多方法来对平面型电感性能进行改善，最常用的是设计模块化接地保护(Patterned Ground Shield，PGS)结构来减小电感的衬底损耗，但是这种优化的效果并不能完全满足单片射频集成芯片对性能的需求。为了克服二维平面型结构的局限，三维螺线管式电感开始引起人们的注意，包括在利用金属层的多层结构来实现垂直方向上的螺线管式电感，以及将硅衬底部分掏空，构成悬空的水平螺线管式电感，但是二者分别受金属层数和机械可靠性的限制。
发明内容
本发明的目的在于利用硅通孔技术构造一种三维螺线管式差分电感，克服平面型差分电感的不足。其可以在同样电感值的条件下，减小芯片占用面积，并提高差分电感品质因数Q值。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于硅通孔的螺线管式差分电感，包括处于硅衬底顶部和底部的金属层中的金属线、垂直贯穿硅衬底的硅通孔和差分端口；硅衬底顶部和底部各有两层金属层，顶部金属层一在顶部金属层二下去方，底部金属层一在底部金属层二上方；金属层中的金属线由若干组顶部平行金属线、顶部交叉金属线、底部平行金属线和底部交叉金属线组成；顶部平行金属线、底部平行金属线分别处于顶部金属层二、底部金属层二中；任意一组顶部交叉金属线、底部交叉金属线均由两条彼此交叉绝缘的金属线组成，其中顶部交叉金属线的两条金属线分别处于顶部金属层一和顶部金属层二中，底部交叉金属线的两条金属线分别处于底部金属层一和底部金属层二中；顶部或底部交叉金属线中的一条金属线与同层的平行金属线直接连接，另一条金属线通过顶部或底部的层间金属通孔与平行金属线连接；硅通孔的两端分别与顶部平行金属线和底部平行金属线的一端相连；差分端口位于顶部金属层二中。
所述硅通孔的直径和高度都相同，硅通孔外围的氧化层的厚度相同。
所述螺线管式差分电感为一圈或者多圈；圈数为N时，存在2N个硅通孔和N-1组交叉金属线。
中心抽头在螺线管式差分电感长度的1/2处通过金属引出。
本发明与现有技术相比，其显著优点：相比于平面型差分电感而言，本发明充分利用了硅通孔的垂直互连特点，构成电感的很大一部分金属埋入硅衬底中，只有部分金属处于金属层中，所占芯片面积仅受水平方向上金属线宽和硅通孔间距的限制，电感尺寸得到了减小。同时采用螺线管式结构能增强线圈间的磁场耦合，提高了整体电感值。
附图说明
图1是传统的平面型差分电感示意图。
图2是本发明实施例所述差分电感的立体图。
图3是本发明实施例所述差分电感的俯视图。
图4是本发明实施例所述差分电感的剖面图。
具体实施方式
本发明提供的技术方案是：它由处于硅衬底顶部和底部金属层中的水平金属线和垂直穿透硅衬底的硅通孔组成，利用先钻孔(via-first)硅通孔工艺，首先在硅转接板中刻蚀金属通孔，然后在硅转接板的顶部和背部构建水平互连线，并与硅通孔进行电气连接，从而构成线圈。为了实现完全对称的结构，水平方向上的金属线存在若干组交叉线，利用金属通孔和两层金属层实现。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图2、4所示，本发明所述的差分电感包含处于硅衬底12顶部和底部金属层中的金属线，以及垂直穿透硅衬底的硅通孔1和差分端口6、7。从图4所给出的剖面图可以看出，硅衬底顶部和底部各包含两层金属层，顶部金属层一T_M1在顶部金属层二T_M2下方，底部金属层一B_M1在底部金属层二B_M2上方。金属层中的金属线由若干组顶部平行金属线2、顶部交叉金属线3、底部平行金属线4、底部交叉金属线5组成。硅通孔1的两端分别与顶部平行金属线2和底部平行金属线4的一端相连，构成线圈回路。顶部两个金属层T_M1、T_M2和底部两个金属层B_M1、B_M2中的金属线分别通过顶部层间金属通孔9和底部层间金属通孔10相连。穿过硅衬底的硅通孔1平行排列开来，每个硅通孔外围都包含一层很薄的氧化层11用以避免金属和硅衬底相接触。
从差分端口6开始，每绕1/2圈后，都经过一条交叉金属线向另一侧硅通孔过渡，直到螺线管差分电感长度的1/2处，即中心抽头8处。
经过中心抽头后，每绕1/2圈后，又经过一条交叉金属线过渡到另一侧的的硅通孔，直到到达差分端口7。
本发明所属差分电感圈数为N时，存在2N个硅通孔1和N-1组交叉金属线。当N为奇数时，中心抽头8处于硅衬底12的底部；当N为偶数时，中心抽头8都处于硅衬底12的顶部。
以三圈螺线管式差分电感为本发明的一个实施例，该结构存在6个硅通孔以及2组交叉金属线3、5。
实施例中差分电感由差分端口6开始，每绕1/2圈，途经A侧的硅通孔从顶部到达底部，通过底部金属层二B_M2中的一条交叉金属线从A侧过渡到B侧；然后又绕1/2圈，途经B侧的硅通孔从底部到达顶部，通过顶部金属层一T_M1中的一条交叉金属线从B侧过渡到A侧；然后又绕1/2圈，途经A侧的硅通孔从顶部到达底部，通过中心抽头8后从A侧到达B侧；
之后又绕1/2圈，途经B侧的硅通孔从底部到达顶部，通过顶部金属层二T_M2中的一条交叉金属线从B侧过渡到A侧；然后又绕1/2圈，途经A侧的硅通孔从顶部到达底部，通过底部金属层一B_M1中的一条交叉金属线从A侧过渡到B侧；然后又绕1/2圈，途经B侧的硅通孔从底部到达顶部，最终达到端口7；
实施例中差分电感各尺寸如下：硅通孔的直径d为20μm，高度为209.8μm，外围氧化层厚度为0.5μm，同侧相邻硅通孔之间的间距l1为50μm，异侧硅通孔之间的间距l2为200μm；端口到同侧硅通孔的距离l3为80μm；金属线宽w为15μm；顶部金属层二T_M2和底部金属层二B_M2的厚度为2μm，它们到硅衬底的距离均为4.8μm；顶部金属层一T_M1和底部金属层一B_M1的厚度为0.5μm，它们到硅衬底的距离均为3.5μm；顶部层间金属通孔9顶部层间金属通孔10的高度均为为0.8μm；衬底高度为200μm，采用高电阻率的硅；金属线和硅通孔中金属导体都采用铜。
将本发明实施例所述的差分电感与平面型差分电感(如图1所示)做比较，其中平面型差分电感的金属线宽度、厚度、距离衬底高度，以及金属和衬底材料均与实施例相同，实施例所述差分电感所占水平面积为220μm×120μm，平面型差分电感所占水平面积为220μm×220μm。通过商业仿真软件对比可知，本发明实施例所述差分电感在与平面型差分电感具有相同电感值Ldiff(2.3nH)的情况下，其品质因数Qdiff的最大值(25.6)高出平面型近24％，且其占用芯片水平面积只为平面型差分电感面积的55％。由此可见本发明性能优异，尺寸较小，适合作为三维集成电路中的新型差分电感。

Claims (4)

1.一种基于硅通孔的螺线管式差分电感，其特征在于：包括处于硅衬底(12)顶部和底部的金属层中的金属线、垂直贯穿硅衬底的硅通孔(1)和差分端口(6、7)；硅衬底(12)顶部和底部各有两层金属层，顶部金属层一(T_M1)在顶部金属层二(T_M2)下方，底部金属层一(B_M1)在底部金属层二(B_M2)上方；金属层中的金属线由若干组顶部平行金属线(2)、顶部交叉金属线(3)、底部平行金属线(4)和底部交叉金属线(5)组成；顶部平行金属线(2)、底部平行金属线(4)分别处于顶部金属层二(T_M2)、底部金属层二(B_M2)中；任意一组顶部交叉金属线(3)、底部交叉金属线(5)均由两条彼此交叉绝缘的金属线组成，其中顶部交叉金属线(3)的两条金属线分别处于顶部金属层一(T_M1)和顶部金属层二(T_M2)中，底部交叉金属线(5)的两条金属线分别处于底部金属层一(B_M1)和底部金属层二(B_M2)中；顶部或底部交叉金属线中的一条金属线与同层的平行金属线直接连接，另一条金属线通过顶部或底部的层间金属通孔(9、10)与平行金属线连接；硅通孔(1)的两端分别与顶部平行金属线(2)和底部平行金属线(4)的一端相连；差分端口(6、7)位于顶部金属层二(T_M2)中。
2.如权利要求1所述的基于硅通孔的螺线管式差分电感，其特征在于：所述硅通孔(1)的直径和高度都相同，硅通孔(1)外围的氧化层(11)的厚度相同。
3.如权利要求1所述的基于硅通孔的螺线管式差分电感，其特征在于：所述螺线管式差分电感为多圈；圈数为N时，存在2N个硅通孔(1)和N-1组交叉金属线。
4.如权利要求1所述的基于硅通孔的螺线管式差分电感，其特征在于：中心抽头(8)在螺线管式差分电感长度的1/2处通过金属引出。
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