KR100349419B1

KR100349419B1 - 이중 나선형 인덕터 구조

Info

Publication number: KR100349419B1
Application number: KR1019990030665A
Authority: KR
Inventors: 이상국
Original assignee: 학교법인 한국정보통신학원
Priority date: 1999-07-27
Filing date: 1999-07-27
Publication date: 2002-08-19
Also published as: KR20010011350A; US6380835B1

Abstract

본 발명은 금속선이 이중 나선형으로 형성되어 좌우의 인덕턴스 값이 완전한 대칭을 이루는 인덕터 구조에 관한 것이다. 본 발명에서는 작은 면적을 이용하여 높은 인덕턴스를 얻어 집적 회로용 이중 나선형 인덕터의 면적 효율을 높이고, 이중 나선형 인덕터를 완벽한 대칭 구조로 구현하여 대칭적인 임피던스 특성을 갖도록 한다. 따라서, 작은 면적에서도 큰 값의 인덕턴스를 얻을 수 있는 효과가 있는 것이다. 또한, 총 금속선 길이의 중간에 별도의 포토를 형성하여 인덕턴스의 값이 동일한 두 인덕터를 용이하게 형성할 수 있다.

Description

이중 나선형 인덕터 구조 {DUAL-LAYER SPIRAL INDUCTOR}

본 발명은 이중 나선형 인덕터 구조(dual-layer spiral inductor)에 관한 것으로서, 특히 금속선이 이중 나선형으로 형성되어 좌우의 인덕턴스 값이 완전한 대칭을 이루는 인덕터 구조에 관한 것이다.

도 1은 종래의 기술에 따른 나선형 인덕터의 일 실시예를 나타낸 도면으로, 금속선(2, 4), 비아 홀(via hole)(6), 및 포트(port)(8, 10)로 구성된다.

동 도면에 있어서, 금속선(2)을 상층에 나선형으로 배열하여 이 나선형 금속선(2)의 시작 부분을 포트(8)로 사용한다. 이때, 나선형 금속선(2)의 끝 부분 및 나선형 금속선(2)의 바깥 부분에 각각 하측으로 비아 홀(6)을 각각 형성해서 금속선(4)이 하층에서 각각의 비아 홀(6)을 통하도록 한다. 또한, 나선형 금속선(2)의 바깥 부분에 형성된 비아 홀(6)을 통해 금속선(4)에 연결되도록 포트(10)를 형성한다.

도 2는 도 1에 따른 나선형 인덕터의 "A-A" 선을 절단하여 나타낸 단면도로, 반도체 공정에 의거하여 실리콘 기판(12) 위에 형성된 산화막(14) 내에 금속선(2)이 나선형으로 형성된다.

따라서, 금속선(2)을 단일층으로 형성하여 인덕터를 구현하기 때문에 단위 면적당 얻을 수 있는 인덕턴스 값이 비교적 작다.

도 3은 종래의 기술에 따른 나선형 인덕터의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 금속선(32, 38), 비아 홀(34), 및 포트(36, 40)로 구성된다.

동 도면에 있어서, 도 3a는 상층 금속선(32) 구조를 나타내는 도면이고 도3b는 하층 금속선(38) 구조를 나타내는 도면으로, 각 순차적인 번호(화살표(1) 내지 화살표(4))는 금속선(32, 38)의 연결 순서를 나타내는 동시에 전류가 포트(36)에서 포트(40)로 진행하는 방향을 나타낸다.

이와 같이 도 3a와 같은 상층 금속선(32) 구조를 도 3b와 같은 하층 구조 위에 올려놓은 것이 실제 인덕터 구조가 된다. 이때, 상층 금속선(32)과 하층 금속선(38)은 비아 홀(34)를 통하여 상호 연결된다.

도 4는 도 3에 따른 나선형 인덕터의 "B-B" 선을 절단하여 나타낸 단면도로, 반도체 공정에 의거하여 실리콘 기판(42) 위에 형성된 산화막(44) 내에 금속선(32)과 금속선(38)이 이중의 나선형으로 형성된다.

이와 같이 도 3과 같은 인덕터 구조는 비대칭 구조이다. 즉, 포트(40)에는 나선형의 하층 금속선(38)만이 연결되기 때문에, 포트(40)에서 접지 사이의 커패시턴스(capacitance) 성분이 포트(36)에서 접지 사이의 커패시턴스 성분보다 더 크게 나타난다. 이는 하층 금속선(38)과 실리콘 기판(42) 사이의 거리가 상층 금속선(32)과 실리콘 기판(42) 사이의 거리보다 짧기 때문이다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 결점을 해결하기 위한여 안출한 것으로, 작은 면적을 이용하여 높은 인덕턴스를 얻어 집적 회로용 이중 나선형 인덕터의 면적 효율을 높이고, 이중 나선형 인덕터를 완벽한 대칭 구조로 구현하여 대칭적인 임피던스 특성을 갖도록하는 이중 나선형 인덕터 구조를 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다수 겹의 상층 나선형의 각 금속선 및 다수 겹의 하층 나선형의 각 금속선이 서로 대응되어 겹쳐지도록 형성된 이중 나선형 인덕터 구조에 있어서: 상기 상층의 각 금속선 및 상기 하층의 각 금속선의 양측이 각각 절단되고, 상기 각각의 절단된 부위에 각각 형성되어 상기 상측 및 하측간에 서로 대응되는 금속선 상호간에 상기 각각의 절단된 부위를 통해 엇갈려 접속되도록 각각의 통로를 제공하는 다수의 비아 홀부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 기술에 따른 나선형 인덕터의 일 실시예를 나타낸 도면,

도 2는 도 1에 따른 나선형 인덕터의 "A-A" 선을 절단하여 나타낸 단면도,

도 3은 종래의 기술에 따른 나선형 인덕터의 다른 실시예를 나타낸 도면,

도 4는 도 3에 따른 나선형 인덕터의 "B-B" 선을 절단하여 나타낸 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 나선형 인덕터의 일 실시예를 나타낸 도면,

도 6은 도 5에 따른 나선형 인덕터의 "C-C" 선을 절단하여 나타낸 단면도,

도 7은 도 5의 인덕터를 등가적으로 나타낸 등가 회로도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

52, 54, 56, 58, 60, 62, 72, 74, 76, 78, 80, 82 : 금속선

64, 66, 84, 86 : 비아 홀부

68, 70 : 포트

88 : 실리콘 기판

90 : 산화막

L : 인덕터

이하, 이와 같은 본 발명의 실시예를 다음과 같은 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 나선형 인덕터의 일 실시예를 나타낸 도면으로, 나선형의 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62, 72, 74, 76, 78, 80, 82), 비아홀부(64, 66, 84, 86), 및 포트(68, 70)로 구성된다. 이때, 상기 나선형은 사각형의 나선형이지만 육각형 및 팔각형 등등의 다각형을 얼마든지 적용시킬 수 있다.

동 도면에 있어서, 도 5a는 상층 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62) 구조를 나타내는 도면이고 도 5b는 하층 금속선(72, 74, 76, 78, 80, 82) 구조를 나타내는 도면으로, 각 순차적인 번호(화살표(1) 내지 화살표(11))는 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62, 72, 74, 76, 78, 80, 82)의 연결 순서를 나타내는 동시에 전류가 포트(68)에서 포트(70)로 진행하는 방향을 나타낸다. 이때, 상층의 바깥쪽의 일측의 절단된 두 단자를 각각 포트(68, 70)로 설정하여 이를 통해 전류를 흘린다.

상층 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62)과 하층 금속선(72, 74, 76, 78, 80, 82)은 비아 홀부(64, 66, 84, 86)를 통하여 상호 연결된다.

즉, 비아 홀부(64, 66, 84, 86)를 통하여 연결되는 각각의 금속선을 나열하면 "금속선(52) → 금속선(78) → 금속선(54) → 금속선(80) → 금속선(56) → 금속선(82) → 금속선(76) → 금속선(62) → 금속선(74) → 금속선(60) → 금속선(72) → 금속선(58)"와 같다.

도 5b의 중심은 두 포트(68, 70) 사이에서 비아 홀부(64, 66, 84, 86)를 통하여 연결되는 각각의 금속선의 총 길이의 중간이 되는 지점이다.

이와 같이 도 5a와 같은 상층 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62) 구조를 도 5b와 같은 하층 금속선(72, 74, 76, 78, 80, 82) 구조 위에 올려놓은 것이 실제 인덕터 구조가 된다.

도 6은 도 5에 따른 나선형 인덕터의 "C-C" 선을 절단하여 나타낸 단면도로, 반도체 공정에 의거하여 실리콘 기판(8) 위에 형성된 산화막(90) 내에 금속선(52, 54, 56, 58, 60, 62)과 금속선(72, 74, 76, 78, 80, 82)이 이중의 나선형으로 형성된다.

이와 같은 본 발명은 고주파 및 마이크로웨이브용 등의 각종 집적 회로에서 사용되어지는 인덕터 구조로서, 이 집적 회로에서 온칩(on-chip) 정합 회로, 수동 필터, 인턱턴스 부하, 변압기, 및 발룬(baluns) 등의 용도로 활용될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 인덕터 구조는 인덕터의 두 포트(68, 70)에서 볼 때 정확하게 대칭적인 구조를 가짐으로써 일반적으로 수동 소자에서 기대되는 대칭특성을 잘 만족한다.

고주파 집적 회로에서 대칭 특성을 갖는 인덕터가 요구되어지는 경우가 있는데 이 같은 경우를 만족시키는 구조라 할 수 있다.

본 발명에서 제안하는 인덕터 구조는 도 3의 구조와 같은 값의 인덕턴스를 얻는다. 또한, 3층 이상의 금속선이 가능한 공정(triple metal process)에서 본 발명의 구조는 세 번째 금속선을 도 5b의 중심이라고 표시된 부분에 별도의 비아 홀을 형성하여 연결함으로써 도 7에 등가적으로 나타낸 것과 같이 정확히 같은 인덕턴스 값을 갖는 두 개의 인덕터(L)를 만들 수 있게 한다.

본 발명에서 제안한 인덕터 구조는 상하층 인덕터간의 커패시턴스 성분이 상당히 크기 때문에 일반적으로 20 nH 미만의 인덕터 구조로서 적합한데, 그 이상의 인덕턴스 값에서는 1 GHz 내지 2 GHz 정도에서 공진을 하게 된다. 따라서, 이와 같은 공진 특성을 활용하면 본 발명의 인덕터 구조는 고주파 주파수 대역 및 마이크로웨이브 주파수 대역에서 공진되어지는 특성을 이용하여 해당 주파수 대역에서의 색류 코일(choking coil)로 활용할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명이 제안한 인덕터 구조는 도 1의 구조에서와 같이 이웃한 금속선과의 자기적 유도 현상을 통하여 전체 인덕턴스를 증가시킨다. 또한, 도 3에 나타낸 구조와 마찬가지로, 상하 두 층의 금속선을 이용하여 같은 크기의 인덕턴스를 갖는 인덕터를 쌓아놓는 형태로 직렬 연결함으로써 각각의 인덕턴스 값에 의하여 인덕턴스 값이 두 배로 되고 추가로 상하층간의 자기적 상호 유도현상에 의하여 두 배 더 높은 인덕턴스를 얻는다. 따라서, 전체적으로 도 1에 비하여 4 배정도 높은 인덕턴스를 얻을 수 있다. 아울러, 도 1의 구조에 비하여 도 3과 마찬가지로 2 배정도 높은 충실도를 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 작은 면적을 이용하여 높은 인덕턴스를 얻어 집적 회로용 이중 나선형 인덕터의 면적 효율을 높이고, 이중 나선형 인덕터를 완벽한 대칭 구조로 구현하여 대칭적인 임피던스 특성을 갖도록 한다. 따라서, 작은 면적에서도 큰 값의 인덕턴스를 얻을 수 있는 효과가 있다. 또한, 총 금속선 길이의 중간에 별도의 포토를 형성하여 인덕턴스의 값이 동일한 두 인덕터를 용이하게 형성할 수 있다.

Claims

다수 겹의 상층 나선형의 각 금속선 및 다수 겹의 하층 나선형의 각 금속선이 서로 대응되어 겹쳐지도록 형성된 이중 나선형 인덕터 구조에 있어서:

상기 상층의 각 금속선 및 상기 하층의 각 금속선의 양측이 각각 절단되고, 상기 각각의 절단된 부위에 각각 형성되어 상기 상측 및 상기 하측간에 서로 대응되는 금속선 상호간에 상기 각각의 절단된 부위를 통해 엇갈려 접속되도록 각각의 통로를 제공하는 다수의 비아 홀부를 구비하는 것을 특징으로 하는 이중 나선형 인덕터 구조.
제 1 항에 있어서,

상기 나선형은 다각형의 나선형으로 형성됨을 특징으로 하는 이중 나선형 인덕터 구조.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 상층의 바깥쪽의 일측의 절단된 두 단자를 각각 포트로 설정하여 이를 통해 전류를 흘리도록하는 것을 특징으로 하는 이중 나선형 인덕터 구조.
제 3 항에 있어서,

상기 두 포트 사이의 중간 지점에 또다른 포트를 설정하여 동일한 크기의 인덕터를 두 개 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 나선형 인덕터 구조.