KR19980020010A - 스피럴 인덕터의 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스피럴 인덕터의 구조에 관한 것으로, 2층 이상의 다층 금속 배선으로 형성된 스피럴 인덕터에 있어서, 선택된 2개의 금속 배선중 제1금속배선을 나선 형태로 배칟한 후 제1금속 배선과 중첩되도록 제2금속 배선을 나선 형태로 배치하여 인덕턴스와 자기 공진 주파수를 증가시킬 수 있으며, 제1금속 배선의 패턴 사이에 제2금속 배선이 위치하도록 나선 형태로 배치함으로써 같은 면적에 2배 이상의 회전수를 형성할 수 있어 기생 캐패시턴스를 감소시킬 수 있다. 또한 3층 이상의 다층 금속 배선으로 형성된 스프럴 인덕터에 있어서, 선택된 3개의 금속 배선중 제1금속 배선을 직선으로 배치하고 제1금속 배선 상부에 제2금속 배선과 제3금속 배선을 나선형태로 배치함으로써 같은 면적에 2배 이상의 회전수를 형성할 수 있어 인덕턴스를 증가시킬 수 있다.

Description

스피럴 인덕터의 구조
본 발명은 스피럴 인덕터(Spiral inductor)의 구조에 관한 것으로, 특히 큰 인덕턴스를 가지면서 면적이 작고 성능이 우수한 스피럴 인덕터의 구조에 관한 것이다.
종래의 집적회로 제조 방법을 이용하여 인덕터를 실리콘 기판위에 구현하려는 노력은 많이 시도되었지만, 실리콘 기판의 도전성으로 인한 전자파의 손실이 크고, 금속선의 저항과 기판과의 기생 성분의 영향으로 큰 인덕턴스를 가지면서 성능이 우수한 스피럴 인덕터를 구현하기 어렵다.
종래의 스피럴 인덕터의 구조를 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 1 및 도 2는 종래의 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃(layout)도로서, 스피럴 인덕터는 원형 혹은 사각형 모양을 가지는 나선(spiral) 형태의 인덕터이다. 도 1a 및 도 1b는 종래의 에어 브리지 공정을 이용한 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도이다. 제1금속 배선(11)을 나선형으로 배치하고 에어 브리지 공정을 사용하여 에어 브리지 금속(air bridge metal)(12)을 인덕터 중심 단자로 구성한다.
도 2a 및 도 2b는 종래의 비아 공정을 이용한 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도이다. 제1금속 배선(21)을 인덕터 중심 단자에 직선으로 배치하고 선택된 영역에 제1콘택(23)을 형성한다. 제1콘택(23)상부에 제2금속 배선(22)을 나선형으로 배치한 스피럴 인덕터이다.
스피럴 인덕터의 인덕턴스는 인덕터의 회전(turn) 수, 내경(inner diameter), 금속 배선의 폭에 의해 결정되는데 회전 수에 따라 민감하게 변한다. 또한, 스피럴 인덕터의 문제점중의 하나인 기생 저항을 줄이기 위해서는 금속 배선의 폭도 넓게 설계해야 하므로, 회전(turn) 수의 증가에 따라 큰 면적이 소요된다. 따라서 IC 칩에서 스피럴 인덕터가 차지하는 면적이 커지고 있어, 큰 인덕턴스(inductance)를 가지면서 면적이 작고 성능이 우수한 스피럴 인덕터는 그 중요성이 증대되고 있다.
본 발명은 큰 인덕턴스를 가지면서 면적이 작고 성능이 우수한 모놀리틱 고주파(Radio friquency ; RF)용 IC에 적용되는 스피럴 인덕터를 제고하기 위해 같은 면적에서 2배 이상의 회전(turn)수를 레이아웃할 수 있는 스피럴 인덕터의 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 다층 메탈 기판의 기생 용량을 줄여 자기 공진 주파수를 증가시킬 수 고성능 스피럴 인덕터의 구조를 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시 예에 따른 스피럴 인덕터의 구조는 2개 이상의 금속 배선을 갖는 다층 스피럴 인덕터에 있어서, 다층의 금속 배선중 적어도 2개의 금속 배선이 절연막을 사이에 두고 동일한 나선형으로 중첩되게 배치되되, 각각의 금속배선은 콘택에 의해 전기적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제2실시 예에 따른 스피럴 인덕터의 구조는 2개 이상의 금속 배선을 갖는 다층 스피럴 인덕터에 있어서, 다층의 금속 배선중 적어도 2개의 금속 배선이 절연막을 사이에 두고 동일한 나선형으로 서로의 패턴 사이에 배치되되, 각각의 금속 배선은 콘택에 의해 전기적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제3실시 예에 다른 스피럴 인덕터의 구조는 3개 이상의 금속 배선을 갖는 다층 스피럴 인덕터에 있어서, 선택된 3개의 금속 배선 중 직선으로 배치된 제1금속 배선과, 상기 제1금속 배선 상에 절연막을 사이에 두고 배치되되 제1콘택을 통해 상기 제1금속 배선과 연결되도록 배치된 제2금속 배선과, 상기 제2금속 배선 상에 절연막을 사이에 두고 배치되되 제2콘택을 통해 제2금속 배선과 연결되도록 배치된 제3금속 배선으로 이루어져 최대의 나선형의 회전수를 구현하기 위해서, 상기 제3금속 배선을 몇회 회전한 후 제3콘택을 통하여 상기 제2금속 배선과 연결되며, 상기 제2금속 배선을 몇회 회전한 후 제4콘택을 통하여 상기 제3금속 배선과 연결되고, 다시 상기 제3금속 배선을 몇회 회전한 후 제5콘택을 통하여 상기 제2금속 배선과 연결된 후, 최종적으로 상기 제1금속 배선과 연결되어 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 에어 브리지 공정을 이용한 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도.
도 2a 및 도 2b는 종래의 비아 공정을 이용한 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 제1실시 에에 따른 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 제2실시 예에 따른 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도
*도면의 주요 부분에 대한 기호 설명*
11, 21, 31, 41, 51 : 제1금속 배선12 : 에어 브리지 금속
22, 32, 42, 52 : 제2금속 배선23, 43, 53 : 제1콘택
54 : 제3금속 배선55 : 제2콘택
56 : 제3콘택57 : 제4콘택
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명에 따른 스피럴 인덕터의 입체도이고, 도 3b는 상기 스피럴 인덕터의 레이아웃도이다. 제1금속 배선(31)을 반시계 방향으로 회전시킨 형태의 스피럴 인덕터를 배치한 다음, 선택된 영역에 제1콘택(33)을 배치한다. 제1콘택(33)이 배치된 후 제2금속배선(32)이 제1금속 배선(31)의 상부에 제1금속 배선(31)과 중첩되도록 역시 반시계 방향으로 회전시켜 스피럴 인덕터를 형성한다. 이러한 구조는 기존의 구조에 비해서 같은 면적에 2배 이상의 회전(turn)수를 레이아웃할 수 있어서 큰 인덕턴스를 가질 수 있다. 이러한 배치 방법을 다층 금속 배선으로 구현할 경우, 여러 가지 형태의 스피럴 인덕터를 형성할 수 있다. 예를들어 본 발명에서 제시한 구조로 5층의 다층 배선 공정을 할 경우, 5층의 제2금속 배선과 제3금속배선, 제3금속 배선과 제4금속 배선, 제4금속 배선과 제5금속 배선을 이용하여 레이아웃할 수 있으며, 제1금속 배선과 제3금속 배선, 제1금속배선과 제4금속 배선, 제1금속 배선과 제5금속 배선, 제2금속 배선과 제4금속 배선, 제2금속 배선과 제5금속 배선, 제3금속 배선과 제5금속 배선을 이용하여 제조할 수 있다.
도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 제1실시예에 따른 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도로서, 상기 도 3a 및 도 3b의 발명과 유사하나 다층 배선 금속배선 사이의 기생 용량을 줄여 자기 공진 주파수(self resonance frequency : fwo)를 증가시키기 위한 구조이다. 제1금속 배선(41)을 반시계 방향으로 회전시킨 형태의 스피럴 인덕터를 배치한 다음, 제1콘택(43)을 배치한다. 제1콘택(43)이 배치된 후 제1금속 배선(41)이 지나간 공간 사이의 상부에 제2금속 배선(42)을 나선형으로 배치한다. 이러한 방법을 다층 금속 배선에 적용할 경우에도 여러 가지 형태의 스피럴 인덕터를 형성할 수 있다. 이러한 구조는 금속 배선 사이의 평판 캐패시터(capacitor)가 생기는 면적을 줄일 수 있다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 제2실시예에 따른 스피럴 인덕터의 입체도 및 레이아웃도로서, 같은 면적에 많은 회전(turn) 수를 레이아웃할 수 있는 또 다른 방법이다. 제1금속 배선(51)이 인덕터 중앙에 직선으로 배치한 후, 제1콘택(53)을 배치한다. 상기 배치된 제1콘택(53) 상부에 제2금속 배선(52)을 반시계 방향으로 회전시킨 형태의 스피럴 인덕터를 배치한다. 제2금속 배선(52)을 배치한 후 다수의 콘택(55, 56, 57)을 배치한다. 상기 형성된 다수의 콘택(55, 56, 57) 상부의 선택된 영역에 제3금속 배선(54)을 역시 반시계 방향으로 회전시켜 스피럴 인덕터를 구성한다. 여기서, 상기 제2금속 배선(52)은 제1콘택(53)에서부터 제2콘택(55)이 형성될 영역까지 나선형으로 배치하고, 제3콘택(56)에서 제4비아홀(57)까지 나선형으로 배치한다. 이때, 제2콘택(55)과 제3콘택(56)은 단락(short)되어서는 안된다. 이와 같은 방법으로 제2금속 배선(52)을 제 n콘택으로 형성한다. 또한, 제3금속 배선(54)은 제2금속 배선(52)의 상부에 위치하되 제2콘택(55)에서부터 제3비아홀(56)까지 나선형으로 배치하고, 제4콘택에서부터 나선형으로 스피럴 인덕터를 형성한다. 이때에도 제3콘태고가 제4콘택이 단락(short)되어서는 안된다. 이와 같은 방법으로 제3금속 배선(54)을 제n콘택까지 나선형으로 형성한다. 이러한 구조를 3층 이상의 다층 금속 배선에 구현할 경우 다양한 형태의 스피럴 인덕터를 형성할 수 있다. 예를 들어 이러한 구조로 6층의 다층 배선 공정을 할 경우, 제1금속 배선과 제2금속 배선과 제3금속배선, 제3금속 배선과 제4금속 배선과 제5금속 배선, 제4금속 배선과 제5금속 배선과 제6금속 배선, 제2금속 배선과 제4금속 배선과 제5금속 배선, 제3금속 배선과 제5금속 배선과 제6금속 배선을 이용하여 형성할 수 있으며, 제1금속 배선과 제5금속 배선과 제6금속 배선, 제1금속 배선과 제4금속 배선과 제5금속 배선, 제1금속 배선과 제3금속 배선과 제4금속 배선, 제2금속 배선과 제5금속 배선과 제6금속 배선을 이용하여 형성할 수 있다. 이러한 구조는 기존의 구조에 비해서 같은 면적에 2배 이상의 회전(turn)수를 레이아웃할 수 있어서 큰 인덕턴스를 가질 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 스피럴 인덕터의 같은 면적에 2배 이상의 회전 수를 형성할 수 있어 인덕턴스를 증가시킬 수 있고 기생 용량을 줄여 자기 공진 주파수를 증가시킬 수 있다. 또한 본 발명에 의한 구조를 적용하여 고성능 스피럴 인덕터를 실리콘 기판 위에 구현하면 주파수 범위가 1∼2GHz영역의 저잡음 증폭기(Low Noise Amplifier ; LAN), 믹서(Miser) 등의 개인 휴대 통신 시스템(Personal Commucation system : PCS)용 실리콘 RF IC의 구현이 가능해지고, 나아가 같은 칩 내에 디지탈 IC, 아날로그 IC, RF IC를 집적화할 수 있는 탁월한 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 2개 이상의 금속 배선을 갖는 다층 스피럴 인덕터에 있어서,
    다층 금속 배선중 적어도 2개의 금속 배선이 절연막을 사이에 두고 동일한 나선형으로 중첩되게 배치되되, 각각의 금속 배선은 콘택에 의해 전기적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스피럴 인턱터의 구조.
  2. 2개 이상의 금속 배선을 갖는 다층 스피럴 인덕터에 있어서,
    다층의 금속 배선중 적어도 2개의 금속 배선이 절연막을 사이에 두고 동일한 나선형으로 서로의 패턴 사이에 배치되되, 각각의 금속 배선은 콘택에 의해 전기적으로 연결되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스피럴 인덕터의 구조.
  3. 3개 이상의 금속 배선을 다층 스피럴 인덕터에 있어서,
    선택된 3개의 금속 배선 중 직선으로 배치된 제1금속 배선과,
    상기 제1금속 배선 상에 절연막을 사이에 두고 배치되되 제1콘택을 통해 상기 제1금속 배선과 연결되도록 배치된 제2금속 배선과,
    상기 제2금속 배선 상에 절연막을 사이에 두고 배치되되 제2콘택을 통해 상기 제2금속 배선과 연결되도록 배치된 제3금속 배선으로 이루어져 최대의 나선형 회전수를 구현하기 위해서, 상기 제3금속 배선을 몇회 회전한 후 제3콘택을 통하여 상기 제2금속 배선과 연결되며, 상기 제2금속 배선을 몇회 회전한 후 제4콘택을 통하여 상기 제3금속 배선과 연결되고, 다시 상기 제3금속 배선을 몇회 회전한 후 제5콘택을 통하여 상기 제2금속 배선과 연결된 후 최종적으로 상기 제1금속 배선과 연결되어 형성된 것을 특징으로 하는 스피럴 인덕터의 구조.
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