[实用新型]非等平面螺旋电感

说明书

技术领域

本实用新型属于集成电路器件制造技术领域，具体涉及一种非等平面螺旋电感的结构和制造，并适用于深亚微米/微米集成电路工艺技术。

背景技术

在CMOS射频集成电路(RFIC)中，螺旋电感是一种关键元件，也是电路中最难设计和掌握的元件之一，它的性能参数直接影响着射频集成电路的性能。片上电感能实现射频集成电路中电感的集成化问题，从而有助于射频集成电路的片上系统实现。

片上螺旋电感大多通过金属薄膜在硅衬底上绕制而成，相对于传统的线绕电感，片上螺旋电感具有成本低、易于集成、噪声小和功耗低的优点，更重要的是能与现今的CMOS工艺兼容。近年来随着移动通信向微型化、低功耗化发展，对制作与CMOS工艺兼容的高品质片上无源器件的研究也越来越多。但是，螺旋电感中的寄生效应，如衬底的寄生电容、寄生电阻、金属导体的寄生电容、寄生电阻以及由于涡流损耗等效应而成的寄生电阻等，都将会对电感的性能产生影响。针对衬底损耗，已经提出了两大类主要的解决方法：一方面，人们使用离子注入或制作多孔硅层等方法实现选择性形成半绝缘硅衬底；另一方面，人们在电感线圈和硅衬底之间插入图形式接地屏蔽层，或在硅衬底中形成PN结隔离以减少衬底损耗。

若忽略衬底损耗，螺旋电感应主要考虑金属导体损耗，在通常情况下，人们一般使用的是平面螺旋电感，即电感所有的金属圈都在同一个平面上，结构比较简单，此时引起损耗的主要原因是金属导体的趋肤效应和邻近效应，趋肤效应在高频下不可避免，其强弱由材料和频率决定；邻近效应是由于金属线圈相互靠近电磁干扰引起电流在导体截面不均匀流动使得电阻增加，可以通过增加电感线圈距离的方法减小邻近效应从而减小损耗，提高电感的性能。增加电感线圈的距离，若将外圈的线圈往外移则增加电感的尺寸，不利于器件的微小型化；若将内圈的线圈往内移，则由于电感中央的电磁场是最强的，线圈往内部中央移，损耗会增加，不利于电感性能的提高，为此，就需要一种新型的电感结构，在不增加电感尺寸和不引起其它损耗增加的前提下，达到提高电感性能的目的。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种集成电路中的可提高电感品质因子Q值的非等平面螺旋电感。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种集成电路中的非等平面螺旋电感，所述螺旋电感中的至少一圈金属螺旋线圈与其余任一金属螺旋线圈处于不同平面，处于不同平面的线圈在不同高度的介质层上实现。

其中，螺旋电感最内圈的线圈与其余金属螺旋线圈处于不同平面。

本实用新型将螺旋电感内圈线圈往上移，即放置在不同的布线层上，这样就可以在不增加电感尺寸和不引起其它损耗增加的前提下，增加线圈间的距离，减小邻近效应从而减小损耗。与传统结构平面电感相比，本实用新型的螺旋电感高频时涡流效应和邻近效应影响降低，导致串联电阻R_s下降，从而提高电感的品质因子Q值；制备工艺与常规的CMOS工艺兼容；能改善CMOS射频前端的重要功能单元的性能。

附图说明

图1A为金属导线中电流分布的剖面图。

图1B为金属导线中电流分布的俯视图。

图2为螺旋电感的涡流效应图示。

图3是螺旋电感磁场的矢量分布图。

图4是本实用新型所涉及方形螺旋电感的结构俯视图。

图5A是平面螺旋电感的截面图。

图5B是非平面螺旋电感的截面图。

其中，N是指电感的金属线圈圈数，D_out是指电感的外径，D_in是指电感的内径，w_n是指电感的金属导体线宽，s_n是指电感的两金属导体间间距，M₁是电感用作引线的金属层，M₂是电感线圈的金属下层，M₃是电感线圈的金属上层，Δh为两金属层间的垂直距离。

具体实施方式

集成电路中，射频无源器件的损耗主要由两种损耗组成：衬底损耗和金属导体损耗。本实用新型主要是针对降低金属导体损耗而提出了一种增加金属层数的优化电感结构。该结构的设计方法主要基于减小螺旋电感中金属导体的邻近效应。

任何金属在通常条件下都是具有阻抗的。当高频信号电流流过金属导体时，同时产生欧姆损耗和涡流损耗，前者是由金属材料的非零电阻率引起，后者是由涡流电流引起。