CN105632717A - 一种嵌入集成电路芯片的电感及集成电路芯片 - Google Patents

一种嵌入集成电路芯片的电感及集成电路芯片 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种嵌入集成电路芯片的电感，电感包括线圈以及软铁磁部分，软铁磁部分设置于线圈上方和/或线圈下方。本发明还提供一种嵌入集成电路芯片的电感，包括软铁磁部分，软铁磁部分为线圈。本发明还提供一种嵌入集成电路芯片的电感，包括线圈以及软铁磁部分，线圈设置于集成电路芯片的阱中，软铁磁部分填充阱。本发明还提供一种集成电路芯片。本发明提供的嵌入集成电路芯片的电感与集成电路芯片，电感包括软铁磁部分，能够在很小的面积上制作出很大的电感。

Description

一种嵌入集成电路芯片的电感及集成电路芯片
技术领域
本发明涉及集成电路工艺，具体涉及一种嵌入集成电路芯片的电感及集成电路芯片。
背景技术
集成电路的制成工艺，是一个分层沉积，然后在由掩模定义的图案上进行蚀刻的过程。最常见的CMOS工艺，首先在单晶硅的晶圆上通过离子注入之类的技术生成MOS管所需要的N型和P型掺杂区；再通过化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)等手段逐层生成多晶硅和金属的连线，制造不同层之间的连接线(过孔)；金属连线之间填充介电材料。
集成电路工艺可以在硅片上制成MOS管以及其他器件，包括电感。但目前的技术，电感是由嵌入在芯片内的金属线圈实现的。不利于制造比较大的电感。因为很小的电感就需要占用较大的硅片面积，对于芯片而言，硅片面积是昂贵的资源。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种嵌入集成电路芯片的电感结构，能够在集成电路芯片很小的面积上，制作很大的电感。
独立的电感器件通常使用线圈外加磁材料组成。使用磁材料可以使得电感值比单纯的线圈增加数千倍甚至数万倍。然而目前集成在芯片内的电感尚无使用磁材料的。
本发明通过增加一个软铁磁部分，能够在很小的面积上制作出很大的电感。
本发明提供一种嵌入集成电路芯片的电感，电感包括线圈以及软铁磁部分，软铁磁部分设置于所述线圈上方和/或所述线圈下方。
进一步地，软铁磁部分采用具有面内磁各向异性且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作。
铁磁材料拥有很大的磁导率，使用铁磁材料的电感，其电感值正比于铁磁材料的磁导率。然而在集成电路的微米、亚微米尺度下，薄膜磁材料的磁导率通常比同样宏观磁材料的磁导率小得多。使用各向异性的磁材料能够使得材料在重要方向上的磁导率大幅度增加。
进一步地，线圈包括电流旋转方向相反的第一双层线圈与第二双层线圈，第一双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反即电流旋转方向相同的子线圈，第二双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反即电流旋转方向相同的子线圈，第一双层线圈与第二双层线圈在上层或下层连接。
使用双层线圈在同样的面积下增加了电感，使用两个电流旋转方向相反的线圈能够抵消远处的磁场，减小对周边电路的影响。
进一步地，子线圈为矩形螺旋线圈。
进一步地，矩形线圈的匝数大于或等于3，且小于或等于10。
进一步地，线圈包括相互连接、电流旋转方向相反的第一多层线圈与第二多层线圈，第一多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同，第二多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同。
本发明还提供一种嵌入集成电路芯片的电感，包括软铁磁部分，软铁磁部分为线圈。
进一步地，线圈采用具有垂直磁各向异性且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作。
进一步地，线圈为一个单层线圈或相邻设置且旋转方向相反的两个单层线圈。
进一步地，线圈包括相邻设置且旋转方向相反的第一双层线圈与第二双层线圈，第一双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反的子线圈，第二双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反的子线圈。
进一步地，线圈包括第一双层线圈与第二双层线圈，第一双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反的子线圈，第二双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反的子线圈，第一双层线圈与第二双层线圈电流旋转方向相反，在上层与下层连接。
本发明还提供一种嵌入集成电路芯片的电感，包括线圈以及软铁磁部分，线圈设置于集成电路芯片的阱中，软铁磁部分填充阱。
进一步地，软铁磁部分为具有磁性的介电质材料。
进一步地，线圈为单层线圈或多层线圈。
进一步地，线圈采用金属材料或铁磁材料制作。
本发明还提供一种集成电路芯片，包括一个上述嵌入集成电路芯片的电感，或者集成电路芯片包括多个并联和/或串联的嵌入集成电路芯片的电感。
与现有技术相比，本发明提供的嵌入集成电路芯片的电感与集成电路芯片，具有以下有益效果：电感包括软铁磁部分，能够在很小的面积上制作出很大的电感。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的嵌入集成电路芯片的电感的结构示意图；
图2是图1所示的电感中设置于集成电路芯片的下层的两个子线圈的示意图；
图3是图1所示的电感中设置于集成电路芯片的上层的两个子线圈的示意图；
图4是本发明的另一个实施例的嵌入集成电路芯片的电感的结构示意图。
具体实施方式
传统的集成电路工艺并不能处理磁材料。然而近年来在硅片晶元上沉积、蚀刻磁材料，包括同时产生各向异性的技术已经被开发出来。这使得本发明的实施成为可能。
如图1所示，本发明的一个实施例的嵌入集成电路芯片的电感，电感包括线圈以及软铁磁部分3，软铁磁部分3设置于线圈上方。
在另一个实施例中，软铁磁部分3也可以设置于线圈下方，还可以同时设置于线圈上方和线圈下方。
线圈包括电流旋转方向相反的第一双层线圈与第二双层线圈。
第一双层线圈包括设置于集成电路芯片的上层的第一子线圈11与设置于集成电路芯片的下层的第二子线圈12，第一子线圈11与第二子线圈12旋转方向相反，也就是电流旋转方向相同，第一子线圈11与第二子线圈12通过集成电路芯片的过孔4连接。
第二双层线圈包括设置于集成电路芯片的上层的第三子线圈21与设置于集成电路芯片的下层的第四子线圈22，第三子线圈21与第四子线圈22旋转方向相反，也就是电流旋转方向相同，第三子线圈21与第四子线圈22通过集成电路芯片的过孔4连接。
第一子线圈11、第二子线圈12、第三子线圈21与第四子线圈22均为矩形螺旋线圈。
本实施例中，设置于集成电路芯片的下层的第二子线圈12与第四子线圈22连接，如图2所示，图3示出了图1所示的电感中设置于集成电路芯片的上层的第一子线圈11与第三子线圈21的示意图，线圈包括设置于第一子线圈11的接口端111与设置于第三子线圈21的接口端211，用于与其他电路连接。
当然也可以连接设置于集成电路芯片的上层的第一子线圈11与第三子线圈21连接。
线圈采用金属材料制作，软铁磁部分3采用具有面内磁各向异性，水平方向磁导率更高，且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作，进一步增大电感。
本实施例中的矩形线圈的电感为：
L＝16N^2*u*a*h/b*x
其中，a为矩形线圈的长度，b为矩形线圈的宽度，N为每个矩形线圈的匝数，u为软铁磁部分磁性材料的绝对磁导率，h为软铁磁部分3的厚度，x为一个系数，x对上述参数不太敏感。
矩形线圈的匝数N大于或等于3，且小于或等于10。
设置于集成电路芯片的上层的两个子线圈，第一子线圈11与第三子线圈21的中心的距离为b，设置于集成电路芯片的下层的两个子线圈，第二子线圈12与第四子线圈22的中心的距离为b。
采用45纳米的工艺，软铁磁部分3的厚度h为几十纳米，使用铁磁材料，磁导率可以达到原来的数千倍甚至上万倍。电感值可以相应增加几百倍甚至上千倍，就可以大幅度地提高电感。
图2示出了设置于集成电路芯片的下层的两个子线圈的示意图，图3示出了设置于集成电路芯片的上层的两个子线圈的示意图。
在另一个实施例中，线圈包括相互连接、电流旋转方向相反的第一多层线圈与第二多层线圈，第一多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同，第二多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同。
本发明的另一个实施例的嵌入集成电路芯片的电感，电感包括软铁磁部分，软铁磁部分为线圈，也就是线圈采用铁磁材料制作。
软铁磁部分采用具有垂直磁各向异性，垂直方向磁导率更高，且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作，进一步增大电感。
线圈可以采用多种结构。
线圈可以为单层线圈，设置于上层或下层，本实施例中单层线圈设置于上层。
线圈也可以包括两个相互连接、电流旋转方向相反的两个单层线圈，两个单层线圈相邻设置，这样可以降低线圈产生的磁场对附近电路的影响。
线圈还可以包括第一双层线圈与第二双层线圈，第一双层线圈与第二双层线圈在上层或下层连接，本实施例中第一双层线圈与第二双层线圈在上层连接。
线圈还可以包括第一双层线圈与第二双层线圈，第一双层线圈与第二双层线圈相邻设置旋转方向相反，二者不连接。
如图4所示，本发明的另一个实施例的嵌入集成电路芯片的电感，线圈6设置于集成电路芯片的阱5中，软铁磁部分7填充阱5。
线圈6采用金属材料或铁磁材料制作。
线圈6为单层线圈或多层线圈。
单层线圈可以设置于上层或下层。
线圈6可以是双层线圈，包括通过过孔连接、分别设置于上层和下层的子线圈。
软铁磁部分7为具有磁性的介电质材料。
集成电路芯片可以包括一个或多个嵌入集成电路芯片的电感，多个可以通过串联增加电感，也可以通过并联增加最大通过电流、降低Q值，还可以通过串联、并联的组合同时增加电感和最大电流。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (15)

1.一种嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述电感包括线圈以及软铁磁部分，所述软铁磁部分设置于所述线圈上方和/或所述线圈下方。
2.如权利要求1所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述软铁磁部分采用具有面内磁各向异性且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作。
3.如权利要求1所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈包括电流旋转方向相反的第一双层线圈与第二双层线圈，所述第一双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层与下层的旋转方向相反即电流旋转方向相同的子线圈，所述第二双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于所述上层与所述下层的旋转方向相反即电流旋转方向相同的子线圈，所述第一双层线圈与所述第二双层线圈在所述上层或所述下层连接。
4.如权利要求3所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述子线圈为矩形螺旋线圈。
5.如权利要求4所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述矩形线圈的匝数大于或等于3，且小于或等于10。
6.如权利要求1所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈包括相互连接、电流旋转方向相反的第一多层线圈与第二多层线圈，所述第一多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同，所述第二多层线圈的不同层线圈的电流旋转方向相同。
7.一种嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述电感包括软铁磁部分，所述软铁磁部分为线圈。
8.如权利要求7所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈采用具有垂直磁各向异性且至少包含Co、Fe、Ni、B中的一种元素的铁磁性材料制作。
9.如权利要求7所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈为一个单层线圈或相互连接、电流旋转方向相反的两个单层线圈。
10.如权利要求7所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈包括第一双层线圈与第二双层线圈，所述第一双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于上层和下层的旋转方向相反的子线圈，所述第二双层线圈包括通过过孔连接、分别设置于所述上层与所述下层的旋转方向相反的子线圈，所述第一双层线圈与所述第二双层线圈电流旋转方向相反，在所述上层或所述下层连接。
11.一种嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述电感包括线圈以及软铁磁部分，所述线圈设置于所述集成电路芯片的阱中，所述软铁磁部分填充所述阱。
12.如权利要求11所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述软铁磁部分为具有磁性的介电质材料。
13.如权利要求11所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈为单层线圈或多层线圈。
14.如权利要求11所述的嵌入集成电路芯片的电感，其特征在于，所述线圈采用金属材料或铁磁材料制作。
15.一种集成电路芯片，其特征在于，所述集成电路芯片包括一个权利要求1-14任一项所述的嵌入集成电路芯片的电感，或者所述集成电路芯片包括多个并联和/或串联的所述嵌入集成电路芯片的电感。
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