CN1889265A

CN1889265A - 硅基多层螺旋差分电感

Info

Publication number: CN1889265A
Application number: CN 200610029137
Authority: CN
Inventors: 林良; 王玉洋; 毛军发; 尹文言
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2006-07-20
Filing date: 2006-07-20
Publication date: 2007-01-03
Anticipated expiration: 2026-07-20
Also published as: CN100524749C

Abstract

一种微电子技术领域的硅基多层螺旋差分电感。本发明包括：衬底、六层二氧化硅层、六层金属螺旋线圈、连接通孔、金属导体和端口，第一层二氧化硅层设置在硅衬底上，六层金属螺旋线圈分别对应设置在六层二氧化硅层上，端口与第六层金属螺旋圈处在一个平面上，它与第一层金属螺旋线圈的导体两侧分别相连，不同层的金属螺旋线圈通过连接通孔连接后再与金属导体相连。本发明结构简单，易于实现，能够使寄生电容降到最低，从而获得较高的自谐振频率和较高的品质因数。本发明的最佳连接方式极大地减小了电场储能引起的寄生电容，从而可以很大程度上提高微电感的高频性能，具有广泛的用途。

Description

硅基多层螺旋差分电感

技术领域

本发明涉及一种多层螺旋电感，具体是一种硅基多层螺旋差分电感，与传统的差分激励的多层螺旋电感具有几乎一样的电感值以及占有同样大小的芯片尺寸，属于电子技术领域。

背景技术

在集成电路中，有源器件固然非常重要，但是更包含了大面积的无源器件，包括片上传输线、片上电感。在通常的无线产品中，电感元件只占元件总数的不到10％，但它们对总的射频性能有很重要的影响。因此对这些无源元件的设计和分析也得到了广泛的研究。虽然半导体硅衬底的损耗和互连线的厚度限制了片上电感的性能，但由于硅集成电路具有制造成本相对较低，便于射频和基带电路的集成，高集成度使芯片尺寸减小等优点，硅衬底RF集成电路仍有相当竞争力。设计具有高性能的螺旋电感，尤其是在现有工艺下进行改进具有非常大的吸引力。

螺旋电感作为射频电路的核心部件，它通常可以影响到整个电路的整体性能。它被广泛应用到压控振荡器，低噪声放大器，功率放大器，混频器以及阻抗匹配电路中等等。螺旋电感具有高品质因数，高谐振频率以及最小的芯片面积，为了有效地改进螺旋电感的品质因数，人们提出了一些非常特别的结构或者制造工艺，例如悬空的垂直结构，差分驱动模式，线条屏蔽地等结构。

随着集成电路工艺的发展，CMOS芯片内的互连结构从0.35μm时的4层金属，发展到0.18μm的6层金属，乃至90nm下的8层。这些额外的工艺条件给了螺旋电感设计以更旷阔的空间来增强电感的性能。经过对现有文献的检索发现，A.Zolfaghari等人在IEEE J.Solid-State Circuit期刊(vol.36，no.4，pp.620-628，2001)上发表了“Stacked inductors and transformers in CMOS technology，”(基于CMOS工艺的多层电感和变压器)，该文提出将每一层的电感串联起来，即第一层从外到内绕满之后，通过通孔至第二层，从内到外绕满后继续到第三层绕制(图1)。这样的电感在相同面积下较平面电感有更大的电感量。另外C.Tang等人在IEEE J.Solid-State Circuit(vol.37，no.4，pp.471-479，2002)上发表了“Miniature 3-D inductors in standard CMOS process，”(基于标准CMOS工艺的微缩三维电感)一文，该文提出第一层的第一圈完成后并非向内绕制第二圈，而是向下到第二层，在与第一层同样的位置，绕制第二圈，再至第三层绕完后，进入第三层的内圈绕制，然后退至第二层和第一层分别绕制(图2).虽然垂直螺线管电感具有不少优点，但它亦存在一个潜在的问题限制它的使用，即相邻层之间的导体是完全重合的，而且距离很近(通常小于1μm)。即使圈之间的电容为串联，但总值也很可观。当直接把垂直螺线管结构应用于差分电感时，由于高低压导体直接相邻，使得电场储能格外大，极大地降低了电感的自谐振频率和品质因素。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，设计一种新型的硅基多层螺旋差分电感，使其结构简单，易于实现，能够使寄生电容降到最低，从而获得较高的自谐振频率和较高的品质因数。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：衬底、六层二氧化硅层、六层金属螺旋线圈、连接通孔、金属导体和端口，第一层二氧化硅层设置在硅衬底上，六层金属螺旋线圈分别对应设置在六层二氧化硅层上，端口与第六层金属螺旋线圈处在一个平面上，它与第一层金属螺旋线圈的导体两侧分别相连。不同层的金属螺旋线圈通过连接通孔连接后再与金属导体相连。

所有电感都具有自谐振频率。自谐振频率可通过线圈的电感和电感线圈的剩余电容之间的逆关系来确定。自谐振频率随着剩余电容的增加而降低。具有尽可能高的自谐振频率是很重要的，因为这将使电感能在较高的频率下工作。因此，为了使自谐振频率达到最大值，需要减小电感中的剩余电容。

差分螺旋电感随着差分电路的普遍应用而显得格外重要。传统结构的差分电感不论平面还是垂直多层都是按顺序依次从外到内或者从上到下绕制。这样的绕制使得高低电压的导线相互耦合产生巨大的寄生电容，极大的限制了差分电感的性能。该发明对差分电感重新设计，采用新的绕制顺序，使电压相近的导体相互靠近从而降低了寄生电容。对于平面电感采用分组交叉结构，易于用两层互连实现；对于垂直电感采用最佳连接结构使寄生电容降到最低。新结构的差分电感在外部尺寸、低频电感量、制作工艺上都保持和传统结构一致，因此是传统差分电感的无牺牲改进。作为一种典型的多层电感结构，垂直多层电感结构具有优越的好性能，比起平面电感结构，它非常适合实现较小的芯片占有面积以及较大的电感量。

差分电感的不同连接顺序将产生不同的电场储能。由于连接顺序的种类是有限的，因此总存在一种最低电场储能的连接方式。因为垂直电感每一圈的长度相等，电流在圈中的压降就相等，因此电压顺序是圈的平均电压的线性函数，为了使最下层圈的电位接近于零，连接顺序的选择范围就受到限制，但仍为有限个，因此也存在基于上述条件的最低电场储能顺序。本发明在SMIC 0.18μm工艺上制作垂直差分电感。由于层数越多，最佳连接顺序得到的改进就越显著，因此做满工艺允许的总共六层金属层，即六圈垂直差分电感。传统垂直差分电感的通孔互不干扰，因此可以将不同层的通孔叠起来，以减小连接区域面积带来的寄生效应。而最佳连接的电感必须将所有通孔排成阵列，以实现较为复杂的连接。在有些层和通孔连接时，为了避开不相关的通孔，不得不从外绕行，这些弯曲的导线和更长的通孔将略微增加电感的串联电阻，但是占总串联电阻的极小一部分，因此引起的低频品质因素的降低是非常有限的。

因此，本发明提供一种改进的具有高自谐振频率和高品质因数的多层差分电感，其能使自谐振频率远远大于已有的传统的差分电感设计的自谐振频率，使电压相近的导体相互靠近从而降低了寄生电容，具有制造较小部件的能力，它是建立在硅衬底微米级工艺上实现的；具有优越的好性能，比起平面电感结构，它非常适合实现较小的芯片占有面积以及较大的电感量；降低了劳动成本，提高了产量，并提高了部件的可靠性，有效、耐久和易于生产。

附图说明

图1为传统多层电感结构示意图。

图2为现有微缩型多层电感结构示意图。

图3为本发明结构示意侧视图。

图4为现有的硅基多层螺旋差分电感结构示意侧视图。

图5为本发明结构示意俯视图。

图6为现有的硅基多层螺旋差分电感结构示意俯视图。

图7为本发明三维拓扑结构示意图。

图8为传统的硅基多层螺旋差分电感三维拓扑结构示意图。

其中1为硅衬底层，2为第一层二氧化硅层，3为第一层金属螺旋线圈，4为第二层金属螺旋线圈，5为第三层金属螺旋线圈，6为第四层金属螺旋线圈，7为第五层金属螺旋线圈，8为第六层金属螺旋线圈，9为连接通孔，10为端口，11为底层中心差分接头，12为金属导体，13为第二层二氧化硅层，14为第三层二氧化硅层，15为第四层二氧化硅层，16为第五层二氧化硅层，17为第六层二氧化硅层。

具体实施方式

如图3、图4、图5、图6所示，本发明包括：衬底1，六层二氧化硅层2、13、14、15、16、17，六层金属螺旋线圈3、4、5、6、7、8，连接通孔9，金属导体12和端口10。第一层二氧化硅层2设置在硅衬底1上，第一层金属螺旋线圈3位于第一层二氧化硅层2平面上，第二层金属螺旋线圈4位于第二层二氧化硅层13平面上，第三层金属螺旋线圈5位于第三层二氧化硅层14平面上，第四层金属螺旋线圈6位于第四层二氧化硅层15平面上，第五层金属螺旋线圈7位于第五层二氧化硅层16平面上，第六层金属螺旋线圈8位于第六层二氧化硅层17平面上，端口10与顶层第六层金属螺旋线圈8处在一个平面上，它与第一层金属螺旋线圈3的导体两侧分别相连。六层金属螺旋线圈3、4、5、6、7、8通过连接通孔9连接后再与金属导体12相连。

如图7所示，本发明结构的电流从端口10流入，经过左侧第六层金属螺旋线圈8，通过第一个连接通孔9与右侧第二层金属螺旋线圈4相连，再通过第二个连接通孔9与左侧金属线圈7相连，紧接着通过第三个连接通孔9与附加的金属导体12连接，再与右侧第三层金属螺旋线圈5连接，再与金属导体12连接，通过第四个连接通孔9与左侧第四层金属螺旋线圈6相连，最后通过第五个连接通孔9与右侧第一层金属螺旋线圈3相连，达到终点底层中心差分接头11。对于最上层开始的右侧金属螺旋线圈连接情况与之前所述的左侧的金属螺旋线圈连接情况为对称情形。

如图8所示，与本发明结构对比的传统结构的电流从端口10流入，经过左侧第六层金属螺旋线圈8，通过第一个连接通孔9与右侧第五层金属螺旋线圈7相连，再通过第二个连接通孔9与左侧金属线圈6相连，紧接着通过第三个连接通孔9与右侧第三层金属螺旋线圈5连接，再通过第四个连接通孔9与左侧第二层金属螺旋线圈4相连，最后通过第五个连接通孔9与右侧第一层金属螺旋线圈3相连，达到终点底层中心差分接头11。对于最上层开始的右侧金属螺旋线圈连接情况与之前所述的左侧的金属螺旋线圈连接情况为对称情形。

连接通孔9的空间形状为长方体，高度为0.8μm～4.94μm，长度和宽度均为4μm，连接通孔的数目为10个。

第一层二氧化硅层2厚度为0.6μm，第二层二氧化硅层13厚度为1.28μm，第三层二氧化硅层14厚度为1.38μm，第四层二氧化硅层15厚度为1.38μm，第五层二氧化硅层16厚度为1.38μm，第六层二氧化硅层17厚度为1.38μm。

第一层金属螺旋线圈1形状为长方体形的螺旋线圈，六层金属螺旋线圈3、4、5、6、7、8，导体宽度为10μm，第一金属螺旋线圈3的导体厚度为0.48μm，其中第二、第三、第四、第五层金属螺旋线圈4、5、6、7的导体厚度为0.58μm，第六层金属螺旋线圈8的导体厚度为0.86μm，六层金属螺旋线圈3、4、5、6、7、8导体间内径间距为60μm。

金属导体12厚度与第二层金属螺旋线圈4相同，宽度为4μm。

本发明具有实质性特点和显著进步，本发明的最佳连接方式极大地减小了电场储能引起的寄生电容，从而可以很大程度上提高微电感的高频性能，因此最佳连接电感(图7)的自谐振频率大大高于未作改进的传统电感(图8)，达一倍左右。电感不仅在自谐振频率上得到提高，在品质因素上也得到提高。经测量：当六层金属螺旋线圈3、4、5、6、7、8宽度为10μm，导体间内径间距为60μm，这种结构的电感在谐振频率19.5GHz附近电感量达到10nH，其Q值可达到5，性能远远高于相同参数的传统电感。

Claims

1、一种硅基多层螺旋差分电感，包括：衬底(1)，六层二氧化硅层(2、13、14、15、16、17)，六层金属螺旋线圈(3、4、5、6、7、8)，连接通孔(9)，金属导体(12)和端口(10)，其特征在于：第一层二氧化硅层(2)设置在硅衬底(1)上，第一层金属螺旋线圈(3)位于第一层二氧化硅层(2)平面上，第二层金属螺旋线圈(4)位于第二层二氧化硅层(13)平面上，第三层金属螺旋线圈(5)位于第三层二氧化硅层(14)平面上，第四层金属螺旋线圈(6)位于第四层二氧化硅层(15)平面上，第五层金属螺旋线圈(7)位于第五层二氧化硅层(16)平面上，顶层第六层金属螺旋线圈(8)位于第六层二氧化硅层(17)平面上，端口(10)与第六层金属螺旋圈(8)处在一个平面上，它与第一层金属螺旋线圈(3)的导体两侧分别相连，六层金属螺旋线圈(3、4、5、6、7、8)通过连接通孔(9)连接后再与金属导体(12)相连。

2、如权利要求1所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，六层金属螺旋线圈(3、4、5、6、7、8)，其形状为长方体形，导体宽度为10μm，导体间内径间距为60μm。

3、如权利要求1或者2所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，第一层金属螺旋线圈(3)的导体厚度为0.48μm，第二、第三、第四、第五层金属螺旋线圈(4、5、6、7)的导体厚度为0.58μm，第六层金属螺旋线圈(8)的导体厚度为0.86μm。

4、如权利要求1或者2所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，六层金属螺旋线圈(3、4、5、6、7、8)宽度为10μm，其导体间内径间距为60μm，硅基多层螺旋差分电感在谐振频率19.5GHz附近电感量达到10nH，其Q值达到5。

5、如权利要求1所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，连接通孔(9)的空间形状为长方体，高度为0.8μm～4.94μm，长度和宽度均为4μm，连接通孔(9)的数目为10个。

6、如权利要求1所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，第一层二氧化硅层(2)厚度为0.6μm，其衬底是硅，第二层二氧化硅层厚度为1.28μm，第三层至第六层二氧化硅层厚度均为1.38μm。

7、如权利要求1所述的硅基多层螺旋差分电感，其特征是，金属导体(12)厚度与第二金属螺旋线圈(4)相同，宽度为4μm。