专利名称：平面螺旋电感的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种平面螺旋电感。
背景技术：
在CMOS射频集成电路(RFIC)发展中，最迫切的和最困难的是要发展高性能的新器件和新的单元电路，它们是实现单片CMOS集成射频前端的基础。平面螺旋电感作为射频集成电路中的关键元件，是电路中最难设计和掌握的元件，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。 片上平面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，片上平面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。然而，直接制备于低阻硅衬底上的平面螺旋电感，具有明显的衬底寄生电容、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，这些都将影响电感的性能。 在集成电路中，片上平面螺旋电感等射频无源器件的主要损耗有两种衬底损耗和金属导体损耗。 针对于降低衬底损耗，已经提出几种解决方法1.使用离子注入或其它技术选择性实现半绝缘硅衬底；2.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。 关于金属导体损耗，其是由欧姆损耗和磁感应损耗组成，前者由传导电流引起，后
者由涡流电流引起。当传导电流流过金属导体时，它所产生的欧姆损耗与金属导体的电阻
阻值有关，而该电阻阻值与金属导线的电阻率和总长度成正比，与金属导线的宽度和厚度
成反比。因此，为了减少欧姆损耗，一般选用低电阻率的金属导体材料并适当增加金属层厚
度，而不改变电感的几何结构，因为金属导线总长度与电感线圈圈数密切相关，而金属导线
宽度与电感线圈的内、外径大小密切相关，这些都将影响电感的其它参数。 通常人们采用内、外径金属导体线宽相同的设计思想来制作平面螺旋电感，我们
称之为传统的固定结构电感。但是在这种电感中，通过最内圈金属导线的磁感应强度为最
大，进而磁感应损失也最大。后来人们提出了优化电感版图的方法来提高电感品质因子Q，
例如采用线圈金属导线线宽从外径向内径依次渐变而线圈间距仍为固定值的单一渐变结
构，但是该结构仍然受到涡流效应的影响而限制电感品质因子Q提高。 请参见图l，其所示为电感的涡流效应示意图。从上到下表示平面螺旋电感由内到外的三条线圈金属导线，为电感线圈中流过的交流电流，由法拉第定律可知，此电流会产生一个交变磁场B。。u。此磁场越靠近电感线圈的中心，密度越大，如果电感中心的线圈很密，感应磁场的磁通量将有很大一部分穿过中心线圈。交变磁场Brail会在线圈内部产生漩涡电流I^y，而此交变电流又将产生一交变磁场B^y。由楞次定律可知，为了阻碍交变磁场Brail的变化，交变磁场B一的方向将与交变磁场B。。in相反，因此，总磁场强度Brail+B^y变 小。而且，在线圈靠近内侧的一边的导线，I一与I。。n方向相同，电流密度变大；在线圈靠近 外侧的一边的导线，I^y与I。。n方向相反，电流密度变小，将导致电流密度不均匀，增大了金 属导线的串联电阻&。由此可见，涡流效应将导致电感中心的磁感应强度大大增强，并使金 属导线中的电流密度不均匀，从而增大了金属导线的串联电阻Rs，降低了电感的品质因子。
另一方面，由于邻近金属导线的电流流动，产生的交变磁场会通过该金属导线。根 据楞次定律，该金属导线会产生涡流来抑制磁场的变化，该现象称为临近效应。临近效应在 本质上是由于涡流引起的。从对涡流效应的分析可知，两相邻金属导线之间的磁场将改变 金属导线的电流分布，当两相邻金属导线间距越小时，它们之间的磁场相互作用越强烈，从 而导致金属导线中的电流密度更加不均匀，使金属导线串联电阻Rs进一步变大，影响电感 的品质因子Q值；此外，在电感其它参数不变的情况下，如果增加两金属导线间的间距，金 属导线的总长度将增大，内径将减小，这些也都将使金属导线串联电阻Rs增大，电感的品质 因子Q值下降。 由上可见，现有的平面螺旋电感结构无法很好的解决金属导体损耗中欧姆损耗和
磁感应损耗的问题。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中的平面螺旋电感结构由于存在金属导体损耗，进而导
致电感的品质因子Q降低的技术问题。 有鉴于此，本发明提供一种平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感的导线
的宽度由内到外逐渐增加，所述导线之间的间距由内圈到外圈逐渐减小。 进一步的，所述各圈导线的宽度值Wi(i = 1，2...n，其中n为电感圈数，定义i =
1为最外圈)和与其对应相邻的导线之间的间距值sji = 1，2. . . n-l)之和Swsi = Wi+Si为
一定值S^，该定值S^与导线宽度值Wi满足1. lXWi《Sws《llXWi。 进一步的，所述各圈导线的宽度值Wi和与其对应的相邻导线之间的间距值Si之比
Rwsi = Wi/Si由内圈到外圈逐渐增大，该比值满足O. 1《Rwsi《10。其中最外圈导线的宽度
值巧和相邻导线之间的间距值Sl之比Rwsl满足4《Rwsl《10，内圈导线的宽度值wn—工和相
邻导线之间的间距值sn—i之比Rwsn—i满足0. 1《Rwsn—i《5。 进一步的，所述导线的宽度值范围为0. 032 30微米。 进一步的，相邻所述导线之间的间距值的范围为0. 045 12微米。 进一步的，所述平面螺旋电感的外径范围为0. 1 500微米。 本发明提供的平面螺旋电感与传统结构电感相比，其高频时涡流效应和临近效应 影响降低，电感线圈导线的串联电阻减小，从而在不改变版图面积和内径大小的前提下提 高了电感的品质因子Q值；且其制备工艺与常规的CMOS工艺兼容，能改善CMOS射频前端的 重要功能单元的性能。
图1所示为平面螺旋电感的涡流效应示意图； 图2所示为本发明一实施例所提供的平面螺旋电感的结构俯视 图3所示为本发明一实施例所提供的平面螺旋电感与传统固定结构电感性能比较图。
具体实施例方式
为使本发明的技术特征更明显易懂，下面结合附图，给出具体实施例，对本发明做进一步的描述。 请参见图2，其所示为本发明一实施例所提供的平面螺旋电感的结构俯视图。
该平面螺旋电感，其电感线圈的导线的宽度Wi由内到外逐渐增加，而所述电感线圈的导线之间的间距Si由内圈到外圈逐渐减小。所述导线的宽度和与其对应相邻的导线之间的间距之和为一定值Sws。所述导线的宽度和与其对应相邻的导线之间的间距之比Rwsi由内圈到外圈逐渐增大。 在本实施例中，各圈导线的宽度值Wi(i = 1，2...n，其中n为电感圈数，定义i =1为最外圈)和与其对应相邻的导线之间的间距值Si(i = 1，2. . . n-l)之和Swsi = Wi+Si为一定值S屮该定值S^与导线宽度值Wi满足1. lXWi《Sws《llXWi。且各圈导线的宽度值Wi和与其对应的相邻导线之间的间距值Si之比Rwsi = Wi/Si由内圈到外圈逐渐增大，该比值满足O. 1《Rwsi《10。其中最外圈导线的宽度值Wl和相邻导线之间的间距值Sl之比Rwsl满足4《Rwsl《10，内圈导线的宽度值wn—工和相邻导线之间的间距值sn—工之比Rwsn—工满足O. 1《Rwsn—!《5。 在本实施例中，所述电感线圈导线的宽度值Wi范围为0.032 30微米。所述相邻导线之间的间距值Si的范围为0. 045 12微米。平面螺旋电感的外径D。ut的范围为0. 1 500微米。 首先，本发明实施例中采用渐变的金属电感线圈导线的宽度Wi。对磁感应强度较大的电感线圈的内圈导线，采用宽度Wi较窄的金属导线；对磁感应强度较小、以欧姆损耗为
主的电感线圈的外图导线，采用宽度Wi较宽的金属导线，且从内圈到外圈，电感线圈导线的
宽度Wi依次增大，达到降低金属导体损耗的目的。 其次，从上述背景技术分布中的分析可知，螺旋电感线圈越靠近线圈中心，其承受的磁感应损耗也越大，即最内圈的电感线圈的涡流损耗最大。且电感工作频率越高，临近效应就越严重。因此，为了减小上述影响，本实施例中采取了渐变的螺旋电感线圈导线的间距
Si，对磁感应强度较大、受电感线圈导线之间间距影响较大的内圈导线，采用较宽的间距Si ;对磁感应强度较小、受电感线圈导线之间间距影响较小的外圈导线，采用较窄的间距Si，且
从内到外，电感线圈导线之间的间距Si依次减小，达到降低金属导体损耗的目的。同时在磁场强度较大的内圈导线，较大的间距可减弱寄生效应，而磁场较弱的外圈导线，较小的间距则能够补偿电感值。 在本发明的实施例中，所述电感线圈导线的宽度Wi和与其对应的相邻的导线之间的间距Si之和为一定值S^，而各圈电感线圈导线的宽度Wi与对应的相邻的导线之间的间距Si之比值Rwsi从外圈到内圈逐渐减小的规律渐变，从而在不改变版图面积和内径大小的前提下提高了电感的品质因子Q值。 为了更好的说明本发明实施例提供的平面螺旋电感相较于传统的固定结构电感所具有更好的性能，请参见表1 。其中Q4和 为传统的固定结构电感，Q2、 Q3、 Q5、 Q6、 Q8、Q信为本发明实施例提供的平面螺旋电感。
表l
D。＼ltSYy，iWiSi
L
nQiL，i
Q。。。
(．P m) (u m)(u m)(P m)(nH)
第
Q,11010 10．6 10．4
350204．5l
Q，4一o．516~6．54~13．51 1．29．8
Q，5~116．．7~103．3~2012．99．9
Q~1151510．516．2
第
500×
Q．4一o．33 24~7．56~22．51 1．015．9
2
305．5
500
组
Q。5一o．525一lo5—20l 1．．715．3
Q~120201 1．75．o
第
400×
Q。4一l32—208—2013．4．9
3
ztO3．5
400
组
Q。5一o．33 33一lo7—3013．05．1
表l所示为三组本发明实施例提供的平面螺旋电感与传统固定结构电感性能比较表。表中参数意义如下D。＼l、代表电感的外径；SYy，代表电感线圈导线的宽度值与和其对应相邻的导线之间的间距值之和；L，，代表从外圈到内圈的电感线圈导线的宽度与和其对应相邻的导线之间的间距的比值；W、代表电感线圈的导线宽度值；S、代表电感线圈导线之间的间距值；Q。。。代表电感的品质因子峰值；L表示电感值。
以第一组为例，传统的固定结构电感Q、的外径D。＼l、为350~m，电感线圈的导线宽度值W、为lo u m，圈导线之间的间距值S、为lo u m，电感线圈导线的宽度值与和其对应相邻的导线之间的间距值之和SYy，为20 u m，电感线圈导线的宽度与和其对应相邻的导线之间的间距的比值L，，为l，经测量其电感值L为lo．4nil，其电感的品质因子峰值Q。。。为lo．6。
与传统的固定结构电感(^对比本发明实施例提供的平面螺旋电感(^的外径D。ut同 为350 m，电感线圈导线的宽度值Wi与和其对应相邻的导线之间的间距值Si之和Sws也同 为定值20iim，电感线圈的导线宽度值Wi由内圈到外圈逐渐增加，其范围在6. 5 16iim，例 如由内圈到外圈分别取值6. 5 ii m， 8. 5 ii m， 11 ii m， 14 ii m， 16 ii m ;圈导线之间的间距值Si由 内圈到外圈逐渐减小，范围为13. 5 4iim，例如由内圈到外圈分别取值13. 5iim，10. 5iim， 7i!m，4ym;电感线圈导线的宽度Wi与和其对应相邻的导线之间的间距Si的比值R^由内 圈到外圈逐渐增大，其范围在0. 5 4，根据以上述举例计算，其分别为0. 6， 1，2，4 ;经测量 获得其电感值L为9. 8nH ;其电感的品质因子峰值Q,为11. 2，相较于传统固定结构电感有 明显的提高。同样在本组的平面螺旋电感92的品质因子相较于传统固定结构电感也有明 显的提高。 由上表可知，本发明实施例提供的平面螺旋电感的线圈导线的宽度由内到外逐渐 增加，而所述电感线圈导线之间的间距由内到外逐渐减小，其从外圈到内圈的电感线圈导 线的宽度和与其对应的相邻导线之间的间距之比逐渐减小，而对应的电感的品质因子 Q值的峰值较现有技术的电感具有明显的上升，使本发明实施例提供的平面螺旋电感的性 能得到很大的提升。 为更清楚地说明，请结合参见图3，其所示为本发明一实施例提供的平面螺旋电感 99与传统固定结构电感97的性能比较图。据图和表可知，相较于传统固定结构电感，本发 明实施例提供的平面螺旋电感的品质因子Q值均有显著的提高，因而具有更好的性能。
综上所述，本发明实施例提供的平面螺旋电感与传统结构电感相比，其高频时涡 流效应和临近效应影响降低，电感线圈的串联电阻Rs减小，从而在不改变版图面积和内径 大小的前提下提高了电感的品质因子Q值；且其制备工艺与常规的CMOS工艺兼容，能改善 CMOS射频前端的重要功能单元的性能。 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术 领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此 本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
一种平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感的各圈导线宽度由内圈到外圈逐渐增加，所述导线之间的各圈间距由内圈到外圈逐渐减小。
2. 根据权利要求l所述的平面螺旋电感，其特征在于，所述各圈导线的宽度值Wi(i = 1，2...n，其中n为电感圈数，定义i = l为最外圈)和与其对应相邻的导线之间的间距值 Si(i = 1，2. ..n-l)之和Swsi 二Wi+Si为一定值S^，该定值S^与导线宽度值Wi满足1. lXWi《Sws《llXWi。
3. 根据权利要求2所述的平面螺旋电感，其特征在于，所述各圈导线的宽度值Wi和 与其对应的相邻导线之间的间距值Si之比Rwsi = Wi/Si由内圈到外圈逐渐增大，该比值满 足O. 1《《10。其中最外圈导线的宽度值巧和相邻导线之间的间距值&之比R^ 满足4《Rwsl《10，内圈导线的宽度值wn—工和相邻导线之间的间距值sn—工之比Rwsn—工满足 0. 1《Rwsn—丄《5。
4. 根据权利要求l所述的平面螺旋电感，其特征在于，所述导线的宽度值范围为 0. 032 30微米。
5. 根据权利要求1所述的平面螺旋电感，其特征在于，相邻所述导线之间的间距值的 范围为0. 045 12微米。
6. 根据权利要求1所述的平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感的外径的范 围为0. 1 500微米。
全文摘要
本发明揭露了一种平面螺旋电感，所述平面螺旋电感的导线的宽度由内到外逐渐增加，所述导线之间的间距由内圈到外圈逐渐减小。本发明提供的平面螺旋电感与传统结构电感相比，其高频时涡流效应和临近效应影响降低，电感线圈导线的串联电阻减小，从而在不改变版图面积和内径大小的前提下提高了电感的品质因子Q值；且其制备工艺与常规的CMOS工艺兼容，能改善CMOS射频前端的重要功能单元的性能。
文档编号H01F37/00GK101719415SQ20091024775
公开日2010年6月2日 申请日期2009年12月30日 优先权日2009年12月30日
发明者丁艳芳, 丁铨, 刘婧, 李曦, 王勇, 石艳玲, 赵宇航, 陈寿面 申请人:华东师范大学;上海集成电路研发中心有限公司