集成电感结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于集成电感结构，尤其是关于提供高质量因素(quality faCtor)Q、大带宽及良好对称性的集成电感结构。
【背景技术】
[0002]芯片内电感(on-chip inductor)为一种集成电感结构,常以螺旋状呈现。请参阅图1，其是现有的非对称式螺旋状电感(asymmetric spiral inductor)。非对称式螺旋状电感100包含螺旋状的金属线段110 (浅灰色部分)，以及金属线段120 (深灰色部分)。金属线段110与金属线段120在半导体结构中分属不同的金属层，图1中以金属线段110在上层且金属线段120在下层为例。金属线段110与金属线段120通过连接结构130互相连接。连接结构130例如是半导体工艺中的导孔(via)结构。请参阅图2，其系图1的非对称式螺旋状电感100的结构剖面图。最下层为基板210，其上为氧化层220。金属线段120包含于氧化层220中，而金属线段110则位于氧化层120的上方。连接结构130以导孔数组(via array)的形式在氧化层220的表面形成多个通孔，连接上层的金属线段110及下层的金属线段120。一般而言，金属线段120利用位于氧化层220中的最上层的超厚金属层(ultra thick metal, UTM)制作,其常见的材料为铜,而金属线段110则利用位于氧化层220之上的重布线层(re-distribut1n layer, RDL)制作,其常见的材料为招铜合金。更详细地，氧化层220为半导体制层的钝化(passivat1n)程序中所形成的保护层，其材料通常为二氧化硅(Si02)或氮化硅(SiN3)。
[0003]金属线段110卷绕成3层线圈。当需要增加非对称式螺旋状电感100的电感值时，通常会使其线圈数增加。线圈数的增加除了导致非对称式螺旋状电感100的面积增加之外，非对称式螺旋状电感100的寄生串联电阻(parasitic series resistance)以及寄生电容(parasitic capacitance)亦会增加,如此将造成非对称式螺旋状电感100的自振频率(self-resonant frequency)及质量因素Q下降。此外，金属耗损(metal loss)以及基板耗损(substrate loss)也是影响质量因素Q的重要因素。金属耗损是由于金属本身的阻值所导致。基板耗损来源有两种，一种是来自于当电感作用时，电感的金属线圈以及基板之间产生一时变的电位移(electric displacement),此电位移在金属线圈与基板之间产生一位移电流(displacement current),此位移电流穿透至低阻抗的基板内，形成能量的损耗。位移电流与电感线圈面积有关，面积越大，位移电流越大。另一种是来自于电感的时变电磁场穿透介电质，在基板上产生感应电流(magnetically induced eddy current),此感应电流与电感电流的方向相反，造成能量的损耗。
[0004]由于非对称式螺旋状电感在结构上不对称，导致电感的中心抽头(center tap)位置很难决定。再者，非对称式螺旋状电感的电感性中心点(inductive center)位置、电容性中心点(capacitive center)位置以及电阻性中心点(resistive center)位置不相同,造成非对称式螺旋状电感不适合作为差动电路里的被动组件。请参阅图3，其系现有对称式螺旋状电感。对称式螺旋状电感300可以粗略地划分为内部及外部。金属线段310包含外部的左侧部分以及整个内部，金属线段330包含外部的右侧部分。金属线段310及金属线段330两者在结构上属于同一金属层(以深灰色表示)，且两者之间以属于另一金属层(以浅灰色表示)的跨接金属线段320连接。内部的中间部分连接中央抽头340，中央抽头340与金属线段310及跨接金属线段320位于不同层。金属线段310与跨接金属线段320之间、跨接金属线段320与金属线段330之间，以及金属线段310与中央抽头340之间分别以连接结构350、连接结构360及连接结构370连接，该些连接结构可以上述的导孔实施。对称式螺旋状电感300的优点在于对称性佳，所以中央抽头340的位置容易决定。中央抽头340的端点342分别与金属线段310的端点312及金属线段330的端点332形成电感，理想上两电感应具有相近似的电感值，但实际上从电流的导通路径来分析，则得到不理想的结果。从端点332流向中央抽头340的电流(如图中的虚线所表示)依序流经外部的右侧部分(即金属线段330)、连接结构360、跨接金属线段320、连接结构350以及内部的左侧部分；反观从端点312流向中央抽头340的电流只流经外部的左侧部分以及内部的右侧部分。一般来说，不同层的金属具有不同的阻值，且连接结构也会造成阻值的增加。因此实际上，对称式螺旋状电感300的两个电感的电感值有不小的差异。当两者应用于如图4所示的压控振荡器(voltage controlled oscillator, VCO)的电感410及电感420时，不对称的电感值将造成此差动(differential)电路有共模(common mode)现象的产生,影响电路的稳定度。
[0005]此外，当电感操作于低频时，金属线圈中的电流会呈现均匀分布，此时金属耗损来自于金属线圈的串联电阻。当电感操作于高频时，越靠近内部的金属线圈产生越强的磁场。强烈的磁场在金属线圈的内部感应出润状电流(eddy current),此润状电流造成电流不均勻分布，大部分的电流被推挤到金属线圈的表面，此现象称为集肤效应(skin effect)。在集肤效应的影响下，电流流过的金属截面变小，因此将感受到较大的电阻，而造成质量因素Q下降。
【发明内容】
[0006]有鉴于先前技术之不足，本发明之一目的在于提供一种螺旋状的集成电感结构，以提供高质量因素Q、大带宽及良好对称性之集成电感。
[0007]本发明揭露了一种集成电感结构，包含:一外部金属线段；一内部金属线段，位于该外部金属线段所围绕的区域中；至少一跨接金属线段，用来连接该外部金属线段与该内部金属线段；以及至少一连接结构，用来连接该跨接金属线段与该外部金属线段或该内部金属线段；其中，该外部金属线段与该内部金属线段在半导体结构上属于不同之金属层。
[0008]本发明另揭露了一种集成电感结构，包含:一外部金属线段，包含一第一子金属线段与一第二子金属线段；一内部金属线段，位于该外部金属线段所围绕的区域中，包含一第三子金属线段与一第四子金属线段；以及至少一连接结构，用来连接该外部金属线段与该内部金属线段；其中，该第一子金属线段对应该第三子金属线段，且两者在半导体结构上属于不同之金属层，该第二子金属线段对应该第四子金属线段，且两者在半导体结构上属于不同之金属层。
[0009]本发明另揭露了一种集成电感结构，包含:一第一螺旋状电感；以及一第二螺旋状电感，连接于该第一螺旋状电感；其中，该第一螺旋状电感或该第二螺旋状电感的外部金属线段与内部金属线段中，相对应的子金属线段在半导体结构上属于不同的金属层。
[0010]本发明的集成电感结构有助减少金属线段之间的寄生电容以及金属线段与基板之间的寄生电容，以提升集成电感之质量因素Q及带宽。尤其当工艺愈先进、组件尺寸愈小时，愈能突显本发明的功效。除此之外，本发明还提高了对称式螺旋状电感的对称度，使本发明之对称式螺旋状电感更适合作为差动电路里的被动组件。
[0011]有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作较佳实施例详细说明如下。
【附图说明】
[0012][图1]为现有的非对称式螺旋状电感；
[0013][图2]为图1之非对称式螺旋状电感100的结构剖面图；
[0014][图3]为现有的对称式螺旋状电感；
[0015][图4]为现有的压控振荡器的电路图；
[0016][图5]为本发明的对称式螺旋状电感之一实施例的示意图；
[0017][图6]为现有对称式螺旋状电感300的横截面图；
[0018][图7]为本发明对称式螺旋状电感500的横截面图；
[0019][图8]为圈数为2圈的对称式螺旋状电感结构当其内部金属线段与外部金属线段制作于相同或不同金属层的质量因素Q与频率的关系图；
[0020][图9]为本发明与现有的集成电感于28nm工艺且半径r等于60μ m之质量因素Q与频率之关系图；
[0021 ][图10]为本发明与现有的集成电感于28nm工艺且半径r等于45 μ m之质量因素Q与频率之关系图；
[0022][图11]为本发明与现有的集成电感于55nm工艺且半径r等于45μ m之质量因素Q与频率的关系图；
[0023][图12]为本发明的对称式螺旋状电感的另一实施例的示意图；
[0024][图13]为本发明利用不同金属层制作集成电感之一实施例的结构图；
[0025][图14]为本发明利用不同金属层制作集成电感的另一实施例的结构图；
[0026][图15]为本发明利用不同金属层制作集成电感的另一实施例的结构图；
[0027][图16]为本发明的非对称式螺旋状电感的一实施例的示意图；
[0028][图17]为本发明的非对称式螺旋状电感的另一实施例的示意图；
[0029][图18]为本发明的相连接的非对称式螺旋状电感之一实施例的示意图；
[0030][图19]为本发明的相连接的