CN109860148A - 分层多端口螺旋电感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分层多端口螺旋电感器，包括衬底、多层绝缘介质层、多层金属布线层和过孔；所述衬底上形成多层绝缘介质层，且每层绝缘介质层上都形成有金属布线层，每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔，金属布线层包括螺旋状的金属线圈以及引出的电感端口，所述金属线圈的中心在同一平面法线上，每层金属布线层中具有多匝螺旋状金属线圈，其中任意两匝螺旋线圈之间形成差分结构；任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，任意相邻三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张。本发明能够提高单位衬底面积的电感值，提供多个电感端口，降低螺旋电感的寄生电容，进而扩大了螺旋电感器的应用范围。

Description

分层多端口螺旋电感器

技术领域

本发明属于半导体集成电路领域，涉及一种分层多端口螺旋电感器。

背景技术

电源管理作为集成电路产业的一个重要组成部分，在现代科技的飞速发展过程中电源管理设计不断与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多新理论新技术密切结合，正逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。随着电力电子技术的迅猛发展，电源管理类芯片已经广泛应用于计算机、邮电通信、电力系统和航空航天等领域。进入21世纪以后，手机、数码相机、MP3、MP4、PDA等便携式电池供电产品得到了广泛应用，DC-DC转换器以小体积、大输出电流能力以及良好的瞬态响应逐渐成为了电源管理芯片的主力军，并且近年来呈现了电源芯片小型化，电感的单片集成的发展态势。

这些信息处理设备的小型化、薄型化是这个产业中的一大亮点，也是未来的发展趋势。在电子产品及各部件小型化的进程中，电子系统的动力来源，即电源的小型化同样占有举足轻重的地位。无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的元件只是电子开关、电感和电容，无源元件尤其是电感等磁性元件的体积和重量占到了电源模块全部的30％～40％，电感器件是DC-DC变换器中体积最大的部件之一，其大体积、大重量的缺点难以通PCB工艺进行磁集成一体化设计，这也在很大程度上限制了开关电源模块尺寸进一步的小型化。因此为满足小型化集成化发展趋势，必须要采用新技术新途径来开发高可靠性的小型化DC-DC开关电源模块。

电感集成是有效缩减开关电源体积的另外一种方式。各大电源公司为此都纷纷开发自己的核心技术，以凌力尔特的LTM460xμModule产品为例，该产品提供了众多面向空间受限型电源设计的解决方案，通过将DC-DC控制器、功率晶体管、输入和输出电容器、补偿组件和电感器通过封装内集成(SiP，System in Package)的方式集成在一个像IC芯片大小的紧凑型封装之中，能够解决外围器件占用面积大的问题，而不会牺牲热性能或电性能。另外，如ALTERA旗下经营电源独立品牌Enpirion电源以及EXAR等电源公司，也都在发展高集成度、可数字配置的模拟电源。为了最大限度的缩减电源模块的体积，使用SiP的方法将电感集成到了单个封装之内。然而，SiP的方式达到的集成度仍然有限，为了进一步提高集成度，必须使用片上集成(SoC，System on Chip)的方式将电感实现单片集成。传统的片上螺旋电感器实现的电感值较小，在几个nH的数量级，其所需的DC-DC中的开关频率很高，现阶段半导体工艺技术难以实现如此高的开关频率，阻碍了螺旋电感的实际应用，也阻碍了DC-DC转换器芯片的小型化进程。

发明内容

基于此，本发明提供一种分层多端口螺旋电感器，用于解决现有技术中螺旋电感器电感值不高、寄生电容较大、占用芯片面积较大和性能低的问题，扩大了螺旋电感器的应用范围。

为实现上述目的，本发明包括衬底(Sub)、多层绝缘介质层(O1～On)、多层金属布线层(M1～Mn)和过孔(C1～Cn)，n≥1；其特征在于，所述衬底上形成多层绝缘介质层，且每层绝缘介质层上都形成有金属布线层；每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔；金属布线层包括具有螺旋状的金属线圈以及引出的电感端口，每层金属布线层的螺旋状金属线圈的中心在同一平面法线上，每一层金属布线层中具有T匝螺旋状金属线圈，其中T为整数且满足T≥1，每一层任意两匝螺旋线圈之间形成差分结构，任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，任意相邻三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张。

为实现优选的电感值，金属布线层至少为三层。

为实现优选的芯片面积，每一层金属布线层中，相邻两匝金属线圈之间的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽。

为实现优选的寄生电容和电感值，任意两层金属线圈之间错开的间距小于等于T匝金属线圈宽度相加的总和。

为实现优选的寄生电容和电感值，任意相邻两层金属线圈之间错开的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽。

为实现优选的芯片面积和电感值，任意相邻三层金属布线层中，中间层相对于上下两层存在收缩和扩张两种状态；其中，所述收缩和扩张两张状态包括四种情况，中间层相对上层收缩，相对下层扩张；中间层相对上层扩张，相对下层收缩；中间层相对上层收缩，相对下层收缩；中间层相对上层扩张，相对下层扩张。

为实现优选的多电感值应用，所述每层螺旋状金属线圈各个位置均可以向外设置连接端口。

在可选的实施例中，所述螺旋金属线圈的形状为多边形或圆形，所述多边形的边数为S，其中S为整数且满足S≥3。

本发明与现有技术相比，有以下优点：

1.本发明由于采用了多层多圈差分螺旋结构，每一层金属布线层中具有多匝螺旋状金属线圈，任意两匝之间形成差分耦合，并通过控制间距，实现最优耦合，从而将螺旋电感值提高到百nH数量级。

2.本发明由于采用了多层多圈差分螺旋结构，通过控制每一层金属布线层中的相邻两匝金属线圈之间的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽和任意相邻三层金属布线层中，中间层相对于上下两层存在收缩和扩张两种状态，将百nH数量级的螺旋电感器占用的芯片面积控制在220μm×220μm以下，实现了可用于DC-DC变换器的电感SoC片上集成。

3.本发明在采用多层多圈差分螺旋结构的基础上，通过控制任意两层金属线圈之间错开的间距小于等于T匝金属线圈宽度相加的总和，和任意相邻两层金属线圈之间错开的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽，实现了片上百nH数量级螺旋电感器的最优寄生电容效应。

4.本发明由于可以采用多端口引出设置，即每层螺旋状金属线圈多个位置均可以向外设置连接端口，实现了同一芯片位置，同一螺旋结构的多电感值应用，如电感式旋转磁编码器对多电感数量的需求。

附图说明

图1为标准CMOS工艺的衬底与各金属层的横截面示意图；

图2为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的整体结构示意图；

图3为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的主视图；

图4为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的左视图；

图5为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的俯视图；

图6为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的三维立体侧视图；

图7为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的电感值和电感品质因数仿真结果图；

图8为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的磁场分布仿真结果图；

图9为本发明分层多端口螺旋电感器第二实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体的实施方式对本发明做进一步的详细说明。此处所描述的具体实施例仅用来解释本发明，本发明还可以通过另外不同的实施方式加以实施或应用。

请参阅图1至图9。需要说明的是，本发明图2和图9所提供的的图示仅以示意方式解释本发明，遂图示中仅显示的与本发明有关的组件而非按照实际实施的组件数目、形态及尺寸绘制，两个图示之间包括同一图示中各个不同部分也并非按照相同比例进行绘制，其实际实施时各组件的数目、形状及尺寸可为符合权利要求书中的任意一种组合。

参照图1和图2，本发明一种分层多端口螺旋电感器，包括衬底Sub、多层绝缘介质层O1～On、多层金属布线层M1～Mn和过孔C1～Cn，n≥1；所述衬底上形成多层绝缘介质层O1～On，且每层绝缘介质层上都形成有金属布线层；每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔；金属布线层M1～Mn包括具有螺旋状的金属线圈以及引出的电感端口，每层金属布线层的螺旋状金属线圈的中心在同一平面法线上，每一层金属布线层中具有T匝螺旋状金属线圈，其中T为整数且满足T≥1，每一层任意两匝螺旋线圈之间形成差分结构，任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，任意相邻三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张。

其中，衬底、多层绝缘介质层、多层金属布线层和过孔可为半导体集成电路工艺中多种材料。本发明所述实施例中，衬底为硅，介质层为二氧化硅，金属布线层采用金属铝布线。

第一实施例

在第一实施例中，所述衬底上形成五层绝缘介质层O1～O5，且每层绝缘介质层上形成有金属布线层M1～M5，每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔。即衬底在最下层，衬底上方形成绝缘介质层O1，绝缘介质层O1上方形成金属布线层M1，衬底中的晶体管电路和金属布线层M1通过过孔C1连接；金属布线层M1上方形成绝缘介质层O2，绝缘介质层O2上方形成金属布线层M2，金属布线层M1和金属布线层M2通过过孔C2连接；金属布线层M2上方形成绝缘介质层O3，绝缘介质层O3上方形成金属布线层M3，金属布线层M2和金属布线层M3通过过孔C3连接；金属布线层M3上方形成绝缘介质层O4，绝缘介质层O4上方形成金属布线层M4，金属布线层M3和金属布线层M4通过过孔C4连接；金属布线层M4上方形成绝缘介质层O5，绝缘介质层O5上方形成金属布线层M5，金属布线层M4和金属布线层M5通过过孔C5连接。本实施例中为5层金属布线层，在其他参数相等的情况下，层数越多，所能得到的螺旋电感器的电感值越大。

所述金属布线层M1～M4，每层包括具有两匝螺旋状的金属线圈，金属布线层M5包括两匝螺旋状的金属线圈以及引出的两个电感端口Port1和Port2，每层金属布线层的螺旋状金属线圈的中心在同一平面法线上，每一层中的两匝螺旋线圈之间形成差分结构，使磁场耦合更加紧密，提高了螺旋电感器的电感值，并且差分结构还具有更好的电磁兼容性和防EMI干扰的效果。前述两匝金属线圈和两个电感端口为本实施例所采用的结构方案，本发明分层多端口螺旋电感器每一层可以具有多匝螺旋线圈，且多个线圈位置均可以引出电感端口，实现了同一芯片位置，同一螺旋结构的多电感值应用。

如图2所示，任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，任意相邻三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张，即金属布线层M2相对于金属布线层M1和金属布线层M3为收缩状态，金属布线层M3相对于金属布线层M2和金属布线层M4为扩张状态，金属布线层M4相对于金属布线层M3和金属布线层M5为收缩状态。图2为第一实施例的结构示意图，可以清晰的展示每一层的螺旋结构，展示相邻上下两层之间通过过孔连接的方式及其位置关系，展示流过电感的电流在每一层的电流方向以及各层之间的电流方向，在图2所示实施例中，电流从Port1电感端口流入，从Port2电感端口流出，每一层内各匝螺旋金属线圈的电流均为逆时针方向，上下层之间电流先自上而下，在C0处转而自下而上，分别用i1和i2表示。其实际物理位置如图3～6所示。

在第一实施例中，优选每一层金属布线层中，相邻两匝金属线圈之间的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽。若间距过大，相应的金属线圈的匝数就会减少，单位面积上所能实现的电感值就会减少，而且会造成芯片面积的浪费。

在第一实施例中，优选任意两层金属线圈之间错开的间距小于等于2匝金属线圈宽度相加的总和。

在第一实施例中，任意相邻两层金属线圈之间错开的间距D大于零且小于等于一个金属线圈的线宽，如图2所示。

综上所述，本实施例为了平衡螺旋电感值和螺旋电感占用的芯片面积，以及所带来的寄生电容之间相互的竞争关系，按照前述方法优化了相邻两层金属布线层错开的间距，减小了相邻两层金属布线层之间重合的面积，有助于减小寄生电容，但又不至于损失太多的电感值以及占用过大的芯片面积。同理，相邻三层金属布线层中，上下两层金属布线层之间也会产生寄生电容，但由于中间相隔一层金属布线层，从而加大了重合区域之间的间距，本身就可以减小寄生电容。不难想到，如果做到完全错开，使相邻两层，相邻三层金属布线层之间没有重合的区域，可以将寄生电容做到最小，但这样会使金属布线层中的螺旋金属线圈的面积越来越小，也就会导致螺旋电感器的有效磁通量越来越小，最终实现的螺旋电感器的电感值会比较小。如图3至图6所示，为了实现较大的电感值，较小的芯片面积，同时尽量减小寄生电容的影响，需要进行上述方法的折中处理。

图7给出了第一实施例的电感值和品质因数的仿真结果图，可以看到本发明设计的分层多端口螺旋电感器在1.9GHz频率点处达到最大电感值270nH，同时在DC-DC转换器中的常用的开关频率300MHz以下，能够保持稳定的85nH左右的电感值，且具有较好的电感品质因数。在现有集成电路工艺条件下提高了单位衬底面积的电感值。图8所示为本发明分层多端口螺旋电感器第一实施例的磁场分布仿真结果图，可以看到本发明分层多端口螺旋电感器具有较大的磁通量和较好的磁场分布情况。

第二实施例

参照图9所示，在第二实施例中，所述衬底上形成三层绝缘介质层O1～O3，且每层绝缘介质层上形成有金属布线层M1～M3，每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔。

所述金属布线层M1～M3，每层金属布线层包括具有三匝螺旋状的金属线圈，金属布线层M3引出电感端口Port1，金属布线层M2引出电感端口Port3和Port4，金属布线层M1引出电感端口Port2，每层金属布线层的螺旋状金属线圈的中心在同一平面法线上。

在第二实施例中，任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张，即金属布线层M2相对于金属布线层M1和金属布线层M3为收缩状态。

图9所示为本发明分层多端口螺旋电感器第二实施例的结构示意图，其与第一实施例基本设计原理相同，主要区别为，使用三层金属布线层，每一层具有三匝螺旋金属线圈，同时提供多个电感端口，图9所示第二实施例中提供四个电感端口，并且降低螺旋电感的寄生电容，提高了螺旋电感的性能，进而扩大了螺旋电感器的应用范围，应用范围包括但不限于DC-DC转换器，电感式磁编码器，能量收集等。

本发明所述两个实施例中，包括提供的图示中，以四边形螺旋电感器进行说明，但是实际应用中，螺旋电感的形状并不限于此，在其他实施方式中可以为多边形或圆形，该多边形的边数为S，其中S为整数且满足S≥3，例如三角形，五边形，六边形都可以。

在实际应用中，DC-DC转换器通常需要较大的电感值，可以使用上述方式选择最大的电感值。但在电感式编码器中，需要多个电感相互配合使用，本发明所涉及的多端口螺旋电感器，不同的两个连接端口之间可以提供不同的电感值，可以适用于电感式磁编码器，并有助于电感式磁编码器芯片高度集成化，小型化。

以上所述实施例仅示例性说明本发明的原理，有益功效和应用范围，而非用于限制本发明。为使描述清晰简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有的可能的组合都进行描述，任何熟悉此技术的人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，在不脱离本发明构思的前提下，将容易想到本发明的其它实施方案。因此，在未脱离本发明所揭示的设计与技术原理下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种分层多端口螺旋电感器，包括衬底(Sub)、多层绝缘介质层(O1～On)、多层金属布线层(M1～Mn)和过孔(C1～Cn)，n≥1；其特征在于，所述衬底上形成多层绝缘介质层，且每层绝缘介质层上都形成有金属布线层；每层绝缘介质层内都有用于连接上下金属布线层的过孔；金属布线层包括具有螺旋状的金属线圈以及引出的电感端口，每层金属布线层的螺旋状金属线圈的中心在同一平面法线上，每一层金属布线层中具有T匝螺旋状金属线圈，其中T为整数且满足T≥1，每一层任意两匝螺旋线圈之间形成差分结构，任意相邻两层金属布线层中的金属线圈相互错开，任意相邻三层金属布线层中，中间层金属线圈向线圈中心收缩或者扩张。

2.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，所述金属布线层至少为三层。

3.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，每一层金属布线层中，相邻两匝金属线圈之间的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽。

4.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，任意两层金属线圈之间错开的间距小于等于T匝金属线圈宽度相加的总和。

5.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，任意相邻两层金属线圈之间错开的间距大于零且小于等于一个金属线圈的线宽。

6.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，任意相邻三层金属布线层中，中间层相对于上下两层存在收缩和扩张两种状态；

其中，所述收缩和扩张两张状态包括四种情况，中间层相对上层收缩，相对下层扩张；中间层相对上层扩张，相对下层收缩；中间层相对上层收缩，相对下层收缩；中间层相对上层扩张，相对下层扩张。

7.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，所述每层螺旋状金属线圈多个位置均可以向外设置连接端口。

8.根据权利要求书1所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，所述螺旋金属线圈的形状为多边形或圆形。

9.根据权利要求书8所述的分层多端口螺旋电感器，其特征在于，所述多边形的边数为S，其中S为整数且满足S≥3。