专利名称：一种垂直结构多层片上集成螺旋电感的制作方法
技术领域：
本发明涉及螺旋形电感器，具体涉及片上集成螺旋电感。
背景技术：
对于射频集成电路模块，例如低噪音放大器(LNA)、压控振荡器(VCO)以及匹配网络等，电感是必不可少的元件。完成无线时钟分配系统接收电路和匹配网络需要高品质因数的集成电感，这使得用硅工艺制作电感的设计尤为重要。然而，标准的硅工艺中，由于金属线的阻性损耗和衬底通过电容耦合而引起的损耗，均使得Q值(品质因数)有限。近来，采取一些非标准的工艺可突破这些限制，提高Q值，然而昂贵并且工艺复杂很难完成。传统硅集成电感主要是平面螺旋形的，它是利用标准CMOS工艺的两层(或多层) 金属层来实现电感元件，其中一层用作螺旋式电感线圈，另一层用作把中间的接头接出来的引线。人们的研究也主要集中在这种形式的电感器，该类电感突出的问题就是占用芯片面积较大，以及衬底损耗明显，如何有效的降低衬底损耗，提高品质因数是研究的热点。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的结构，使之在制作工艺上与普通的平面螺旋电感相差不大的情况下却能大大节省芯片面积，而且能减小电感覆盖衬底的面积、削弱普通电感在衬底中由时变磁场磁耦合感应的涡流，减小在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，从而达到降低衬底能量损耗和提高电感品质因数。为了实现上述目的，本发明的技术方案如下
一种垂直结构多层片上集成螺旋电感，包括3层金属层，其特征在于金属线11的一端经过通孔Vll和金属线12的一端相连，金属线12的另一端经过通孔V12、金属线13及通孔V13和金属线14的一端相连，金属线14的另一端经过通孔V14、金属线15、通孔V15和金属线21的一端相连，金属线21的另一端经过通孔V21、金属线22、通孔V22和金属线23 的一端相连，金属线23的另一端经过通孔V23和金属线M的一端相连，金属线M的另一端经过通孔V31和金属线31的一端相连，金属线31的另一端经过通孔V32、金属线32、通孔V33和金属层33的一端相连，金属层33的另一端经过通孔V34和金属线34的一端相连；
所述金属线12、金属线21和金属线33同属于第一金属层且相互绝缘； 所述金属线11、金属线13、金属线15、金属线22、金属线24、金属线32和金属线34同属于第二层金属且相互绝缘；
所述金属线14、金属线23、金属线31同属于第三层金属且相互绝缘。作为可选方案，所述第一、第二、第三金属层由标准COMS工艺中从上而下的3层金属层构成。作为可选方案，所述第一金属层厚度为4 um、所述第二金属层厚度为3 um、所述第三金属层厚度为0. 5 um,通孔VII、通孔V12、通孔15、通孔V21、通孔V33及通孔VM厚度为1.5 um，通孔V13、通孔V14、通孔V22、通孔V23、通孔V31及通孔V32的厚度为2.1 um。本发明的有益效果一方面，本发明的结构在制作工艺上与普通的平面螺旋电感相差不大，但它却大大节省芯片面积。另一方面，通过将电感打造为垂直于水平面的结构， 不仅减小了电感覆盖衬底的面积，同时层叠结构会削弱普通电感在衬底中由时变磁场磁耦合感应的涡流，由此一来，减小了在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，从而达到降低衬底能量损耗和提高电感品质因数的作用。
图1为一种垂直结构多层片上集成螺旋电感的立体图； 图2为图1的反向立体图3为一种垂直结构多层片上集成螺旋电感的俯视图； 图4为为本发明实施例一的电感L-频率关系仿真图； 图5为本发明实施例一的品质因数Q-频率关系仿真图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明
如图1所示，该结构共采用三层金属，采用现有的标准COMS工艺技术，由上而下依次为第一金属层其厚度为4 um，第二金属层其厚度为3 um和第三金属层其厚度为0.5 um。各层金属之间以通孔连接，第一金属层与第二金属层之间的通孔厚度为1.5 um，第二金属层与第三金属层之间的通孔其厚度为2. 1 um。电感的结构细节为(以通电时电流的流向为说明顺序)如图1所示，金属线11为第二金属层上电感的一个端口，电流经此端口流入，从左向右看，其走向为先沿-X轴方向构建一段长度，继而转折沿-y轴方向延伸一段距离，金属线11的末端经通孔Vll与第一金属层上的金属线12的一端相连，金属线12的另一端经通孔V12与第二金属层上的金属线 13连接，金属线13的另一端经通孔V13与第三金属层上金属线14的一端相连，如图2所示，金属线14的另一端又依次连接通孔V14、第二金属层上的金属线15，通孔V15，第一金属层上的金属线21，金属线21将电感第一层线圈与第二层线圈连接起来。在第二层线圈中， 电流分别通过第一金属层上的金属线21，通孔V21，第二金属层上的金属线22，通孔V22，第三金属层上的金属线23，通孔V23，第二金属层上的金属线24。同理，第二金属层上的金属线M将电感第二层线圈与第三层线圈连接起来，金属线M的一端经通孔V31与第三金属层上金属线31连接，之后依次连接通孔V32，第二金属层上金属线32，通孔V33，第一金属层上金属线33，通孔V34，第二金属层上的金属线34，金属线34为电感的另一端口，电流从此端口流出。实施例一
图4为本发明一个实施例的电感L-频率关系仿真图。一般情况，电感线宽的取值范围为4 unTl4 um，为了使电感取得较理想的性质，如图3所示，此实实施例中取电感外径线宽 W=8 um,0D=140 um，，各通孔沿χ方向的长度也为8 um，各层垂直于水平面的电感线圈之间的距离Link=3 um,圆点曲线表示1端口的电感值，三角曲线表示2端口的电感值，，低频感值可达1 nH左右。采用相同工艺达到此感值的平面螺旋电感所需面积约为12600 um2，而采用本发明电感所使用的面积约为3380 um2。与此同时，该结构的自谐振频率较高，约为48GHz，该特性说明它适用与高频电路.
图5为本实施例的品质因数Q-频率关系仿真图，同样的，圆点曲线表示1端口的Q值， 三角点曲线表示2端口的Q值。从图中可以看出品质因数最大值peak Q约为9. 4，达到最大值频率时，peak Q频率11 GHz0当电流通过电感线圈时，交变电流产生的周期磁场仅在导线的周围区域产生磁场，进而在衬底中产生的感应电流会相应很小，因此该电感具有较高的Q值。这个性质不仅说明现有电感的质量比较好，而且说明它适用于较高频率的电路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种垂直结构多层片上集成螺旋电感，包括3层金属层，其特征在于金属线(11)的一端经过通孔(Vll)和金属线(12)的一端相连，金属线(12)的另一端经过通孔(V12)、金属线(13)及通孔(V13)和金属线(14)的一端相连，金属线(14)的另一端经过通孔(V14)、金属线(15)、通孔(V15)和金属线(21)的一端相连，金属线(21)的另一端经过通孔(V21)、金属线(22)、通孔(V22)和金属线(23)的一端相连，金属线(23)的另一端经过通孔(V23)和金属线(24)的一端相连，金属线(24)的另一端经过通孔(V31)和金属线(31)的一端相连， 金属线(31)的另一端经过通孔(V32)、金属线(32)、通孔(V33)和金属层(33)的一端相连 ，金属层(33)的另一端经过通孔(V34)和金属线(34)的一端相连；所述金属线(12)、金属线(21)和金属线(33)同属于第一金属层且相互绝缘；所述金属线(11)、金属线(13)、金属线(15)、金属线(22)、金属线(24)、金属线(32)和金属线(34)同属于第二层金属且相互绝缘；所述金属线(14)、金属线(23)、金属线(31)同属于第三层金属且相互绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种垂直结构多层片上集成螺旋电感，其特征在于，所述第一、第二、第三金属层由标准COMS工艺中从上而下的3层金属层构成。
3.根据权利要求1所述的一种垂直结构多层片上集成螺旋电感，其特征在于所述第一金属层厚度为4um、所述第二金属层厚度为3um、所述第三金属层厚度为0. 5um，通孔(VII)、 通孔(V12)、通孔(15)、通孔(V21)、通孔(V33)及通孔(V34)厚度为1.5 um，通孔(V13)、通孔(V14)、通孔(V22)、通孔(V23)、通孔(V31)及通孔(V32)的厚度为2. Ium0
全文摘要
本发明公开了一种垂直结构多层片上集成螺旋电感，通过将电感打造为垂直于水平面的结构，不仅减小了电感覆盖衬底的面积，同时层叠结构会削弱普通电感在衬底中由时变磁场磁耦合感应的涡流，由此一来，减小了在衬底中以及衬底表面区域产生的感应电流，从而达到降低衬底能量损耗和提高电感品质因数的作用。
文档编号H01L27/01GK102157515SQ201110070089
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月23日 优先权日2011年3月23日
发明者刘军, 孙玲玲 申请人:杭州电子科技大学