CN203895449U - 螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，包括半导体本底上位于螺旋电感下方的两层衬底屏蔽层，衬底屏蔽层上下交叠，匹配密闭所述螺旋电感除中心位置以外的下方区域，底层衬底屏蔽层接地，上层衬底屏蔽层悬浮，每层衬底屏蔽层均由形状与所述螺旋电感形状近似的螺旋屏蔽圈组成，上下交叠时，屏蔽圈之间无间隙或适量交叠排列，以达到屏蔽电磁场渗漏，减少衬底涡流损耗对电感的影响，以解决螺旋电感与本底之间由于电磁场渗透造成的损耗，提高电感的品质因数。

Description

螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构

技术领域

本实用新型涉及半导体器件的结构设计领域，尤其涉及一种螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构。 

背景技术

在射频CMOS集成电路中，片上平面电感作为最重要的无源器件之一，广泛应用在低噪声放大器、压控振荡器、混频器、中频滤波器、功率放大器等射频电路模块中。电感性能的优化将有益于是整个射频电路的性能改善。 

片上平面电感的能量损耗机理有多种形式，包括螺旋电感自身电阻的能量损耗，趋肤效应、邻近效应，以及顶层金属线圈与衬底之间的位移电流损耗、衬底涡流效应、容性耦合，即时变磁场耦合导致的衬底损耗。这些损耗机理将影响电感的品质因数，自谐振频率和电感值。 

在通常射频工艺中采用的衬底，其电阻率较低，一般在8欧姆·厘米～20欧姆·厘米。在低电阻率衬底上制作的电感受到衬底涡流效应的影响比较大。为提高电感的品质因数，便在衬底上制造图案衬底接地屏蔽结构。常规作法为在衬底上制作地屏蔽结构来减少衬底涡流，但是常规的地屏蔽结构是通过接地环来接地的，即通过外周一圈的连接形成环状接地，这样会在接地环上存在涡流，影响电感的品质因数。 

如申请号为：CN102412230A的《用于射频工艺中的电感地屏蔽结构》和申请号为：CN102446898A《一种多个衬底屏蔽层的集成电路片上电感结构》的中国发明专利所述，对屏蔽图案设计做了改进，但由于屏蔽图案与电感的螺旋结构不一致，屏蔽效果不理想。而申请号为：CN102412227A的《螺旋状电感的地屏蔽结构》的中国发明专利，虽然使用了一种螺旋状的屏蔽结构，但在电感线圈之间及电感中空位置下方仍有较大的环形空间，仍然会形成一定的衬底涡流，不能最大程度地屏蔽渗透到衬底的电磁场。 

发明内容

本实用新型解决的问题是屏蔽平面螺旋电感渗透到衬底的电磁场，减少衬底涡流损耗，提高电感的品质因数。 

为解决上述技术问题，本实用新型的解决方案是提供一种螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，由两层衬底屏蔽层构成，所述结构设置在半导体本底上位于螺旋电感下方位置，所述衬底屏蔽层上下交叠，匹配密闭需要屏蔽螺旋电感除中心位置以外的所有下方所有区域。 

由于衬底屏蔽层的底层屏蔽层接地，且与上层屏蔽层配合，上下交叠时，能够完全覆盖螺旋电感的下方区域，从而实现屏蔽平面螺旋电感渗透到衬底的电磁场的效果。 

优选的，衬底屏蔽层由多圈与螺旋电感曲率相似的屏蔽圈组合图形而成。 底层和上层屏蔽层的螺旋屏蔽圈位置匹配设置，满足上下两层屏蔽层交叠时，各螺旋屏蔽圈之间无间隙或适量交叠排列。屏蔽圈数大于等于2。屏蔽圈形状与螺旋电感一致，以保证电感下方位置的完全覆盖。 

优选的，螺旋屏蔽圈由多段开放线段组成，线段数大于等于2，线段宽度大于等于最小设计规则的尺寸定义。不同屏蔽圈的开放线段的断开位置相同，也可以不相同。 

此方案使每个屏蔽圈分解为数个线段，以切断在屏蔽圈内形成涡流的通路，减少衬底涡流损耗对电感的影响。 

优选的，衬底屏蔽层的底层由接地线分别将每一部分线段从螺旋屏蔽圈的内圈到外圈放射式连接，接地线在屏蔽圈内圈聚拢处互不相连，且螺旋屏蔽圈内外圈线段的断开位置可以在两条相邻接地线的范围之内有适度偏移。底层屏蔽层接地，即每一屏蔽圈线段通过各自的接地线接地，可以保证屏蔽效果，同时实现零电位势在底层屏蔽层的均匀分布，避免高频交流时，由于屏蔽圈材料存在阻抗产生电势差，造成损耗。各接地线互不相连，可以减少螺旋屏蔽圈的线段图案之间存在电流干扰。 

优选的，接地线通过屏蔽圈线段的中点连接，实现零电位的等势分布。 

优选的，衬底屏蔽层上层屏蔽层电位悬浮。上层屏蔽层的屏蔽圈，其圈数，线段宽度与底层匹配设置，以保证密闭覆盖整个螺旋电感的下方所有区域。 设置其电位为悬浮可以减少涡流的产生，减少损耗。 

优选的，衬底屏蔽层可以采用标准半导体工艺中常用的任意低电阻率材料制成，包括重掺杂多晶等，优选的，采用金属。 

与现有技术相比，本实用新型采用与电感结构一致的螺旋金属线段组成的双层衬底屏蔽层,能显著提高对渗透到衬底的电磁场的屏蔽效率,减少衬底损耗。本实用新型结构设计简单，基于原有工艺，不会增加额外的工艺成本。 

附图说明

图1为底层金属与接地线示意图； 

图2为双层金属屏蔽层交错分布示意图； 

图3为双层金属屏蔽层交错分布与接地线示意图； 

具体实施方式

本实用新型为一种螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，采用双层屏蔽层，设置在片上螺旋电感和半导体本底之间。每一层屏蔽层形状与螺旋电感相似，并由多圈螺旋形屏蔽圈组成。两层屏蔽层上下交叠设置。屏蔽圈呈无间隙或适量交叠排列，组合密闭片上螺旋电感下方除电感中心在半导体本底上的投影位置以外的全部区域。屏蔽圈有多个开放式线段组成，线段数大于等于2，线段宽度和间距大于等于最小设计尺寸。 

本实用新型的设置方式为：由底层屏蔽层100通过接地线接地，即地屏蔽 层，接地线101从屏蔽圈的内圈到外圈分别逐一连接每一个线段，呈放射形有底层屏蔽层中心向四周放射状设置，且在中心聚拢处互不相连。上层屏蔽层200悬浮；或者由上层屏蔽层200通过接地线接地，将上层屏蔽层的线段由接地线从屏蔽圈的内圈到外圈分别逐一连接，呈放射形有上层屏蔽层中心向四周放射状设置，且在中心聚拢处互不相连，而设置底层屏蔽层100悬浮。 

屏蔽圈及接地线所有线段采用标准半导体工艺中常用的任意低电阻率材料制成，包括重掺杂多晶等，优选的，采用金属。 

同层屏蔽层中屏蔽圈的内外圈之间，线段断开位置可相同，也可在在两条相邻接地线的范围之内有适度偏移，上下两层屏蔽层之间，屏蔽圈螺旋线段断开的位置可相同或不同。线段开口最小的宽度满足最小设计规则。 

上下两层屏蔽层的金属屏蔽圈交错分布，最大化匹配密闭电感下方区域。每层屏蔽层使用的屏蔽圈数可变；不同圈数时，金属的宽度以及金属圈的间隙也可以不同。所述的交叠范围、屏蔽圈数、金属宽度和金属圈的间隙由所需屏蔽的电感结构的尺寸以及涉及的设计规则决定。最小的宽度和间隙需满足最小设计规则。例如：所需屏蔽的电感是5线圈结构，最内圈直径为40微米,每个线圈线宽为4微米，线圈间隙为2微米。根据已知设计规则，可以计算得知所需屏蔽的电感最外圈直径为68微米。需要构建的屏蔽层的区域应为不小于直径40微米到68微米的圆环族图案。 

本实用新型构造屏蔽层的规则为：屏蔽层圈数与所需屏蔽的电感的线圈数 对应，两层屏蔽层同一圈的金属交叠后的宽度之和不小于所需屏蔽电感所对应圈的线圈的线宽和间隙之和；两层屏蔽层每个金属线圈的中点分别与所需屏蔽电感的对应圈金属线圈的中点或者与对应圈金属线圈相邻间隙的中点重合；屏蔽层每个金属圈的线宽和相邻间隙之和等于所需屏蔽电感的对应圈线圈的线宽和相邻间隙之和。 

优选的，两个屏蔽层的金属宽度分别与所需屏蔽电感的对应圈数的线圈宽度和间隙宽度一致。上下叠加时恰好密闭电感线圈及线圈间隙部分，并且没有交叠。 

需要说明的是按照上述屏蔽层构造规则仅可覆盖所需屏蔽电感最内圈至最外圈之间的区域。对于所需屏蔽电感最内圈线圈以内的区域，即电感中心的投影区域，可继续在屏蔽层的最内圈内添加屏蔽圈，直至添加的金属圈宽度和间隙以及线段开口中任一变量不能满足最小设计规则，导致同一圈的开放线段重合交叠在了一起。 

下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。 

本实施例中需要屏蔽的电感由5圈线圈构成，其最内圈线圈直径为40微米，每个线圈线宽相同，为4微米，各线圈之间的间隙相同，为2微米，则该线圈的最外圈直径为68微米。于是需要构建的屏蔽层的区域为不大于直径40微米到68微米的金属圈同心圆环族，其圆心与需屏蔽的电感中心投影重合。如附图1所示，本实施例的底层屏蔽层100由5圈金属圈组成，最内圈线圈直径为40 微米，最外圈线圈直径为68微米，各线圈线宽固定，为4微米，两两线圈间隙固定，为2微米。每圈线圈分为四段螺旋线段，各线断开口位置相同，从内到外整齐排列。螺旋线段与需屏蔽电感线圈形状相似。四条接地线101将底层屏蔽100层每一部分螺旋线段自内向外呈十字型做放射状分布，最内圈圆心处相互靠近却互不相连。每条接地线均由金属制成，且通过所连接螺旋线段的中点延伸。单是底层屏蔽层并不能完全屏蔽渗透到衬底的电磁场，需要上层屏蔽层的补充。本实施例中，上层屏蔽层200由4圈金属圈组成，最内圈线圈直径为44微米，最外圈线圈直径为64微米，各线圈线宽固定，为2微米，两两线圈间隙固定，为4微米。每圈线圈分为四段螺旋线段，各线断开口位置相同，从内到外整齐排列。如附图2所示，两层屏蔽层上下屏蔽层交叠时，各屏蔽层线段的开口交错，金属圈无间隙排列。实现需屏蔽电感下方，除电感中心区域外，最大程度地屏蔽。本实施例的底层屏蔽层经接地线接地，上层屏蔽层悬浮设置，如附图3所示。底层屏蔽层的螺旋线段开口并接地，以及上层屏蔽层悬浮切断了形成涡流的通路，减少了电磁场渗透造成的损耗，提高电感的品质因数 

作为本实施例的一种改进，各金属圈各线段的断开位置还可以在两条相邻接地线的范围之内有适度偏移，即线段的开口位置也可以不同。避免线段断开位置相同有助于屏蔽圈内部电位均匀分布。 

作为本实施例的另一种改进，按照上述实施例构造的屏蔽层，可以继续扩 展到所需屏蔽电感最内圈线圈以内的区域，即电感中心的投影区域。继续在屏蔽层的最内圈内添加金属圈，在最内圈金属圈内添加直径为34微米，28微米，22微米的小金属圈，直至所添加的金属圈宽度和间隙以及线段开口中任一变量不能满足最小设计规则，导致同一圈的开放线段重合交叠在了一起。 

需要说明的是，上述实施例仅涉及结构对称且线圈宽度间隙固定的电感。实际上对于结构非对称的电感，或者线圈宽度间隙不固定的电感，上述屏蔽层结构以及屏蔽层构造规则同样适用。 

以上通过具体实施例对本实用新型进行了详细的说明，但这些并非构成对本实用的限制。在不脱离本实用新型原理的情况下，本领域的技术人员还可对衬底屏蔽层图形结构等做出许多变形和等效置换，这些也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (10)

1.一种螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，由半导体本底上位于螺旋电感下方的两层衬底屏蔽层组成；所述衬底屏蔽层上下交叠，匹配密闭所述螺旋电感除中心位置以外的下方区域。 

2.如权利要求1所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述衬底屏蔽层由多个围绕所述螺旋电感中心，形状与所述螺旋电感形状近似的螺旋屏蔽圈组成，所述螺旋屏蔽圈的圈数大于等于2。 

3.如权利要求2所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述衬底屏蔽层的底层屏蔽层(100)和上层屏蔽层(200)的螺旋屏蔽圈位置匹配设置，满足上下两层屏蔽层交叠时，各螺旋屏蔽圈之间无间隙或适量交叠排列。 

4.如权利要求2所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述螺旋屏蔽圈由多段开放线段组成，线段数大于等于2。 

5.如权利要求1-4之一所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述衬底屏蔽层的底层(100)分别由接地线(101)将每一部分线段从螺旋屏蔽圈的内圈到外圈放射式连接并接地，且屏蔽圈内圈聚拢处互不相连。 

6.如权利要求5所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述底层屏蔽层(100)的螺旋屏蔽圈内外圈线段的断开位置可以在两条相邻接地线(101)的范围之内偏移。 

7.如权利要求5所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，接地线(101)通过屏蔽圈线段的中点连接。 

8.如权利要求5所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，衬底屏蔽层上层(200)屏蔽层电位悬浮。 

9.如权利要求1所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述衬底屏蔽层由低电阻率材料构成。 

10.如权利要求9所述的螺旋电感的图案衬底接地屏蔽结构，其特征在于，所述衬底屏蔽层的低电阻率材料是金属。