专利名称：线宽间距交变结构型平面螺旋电感的制作方法
技术领域：
本发明属于电子技术领域，更进一步涉及微电子技术领域中的线宽间距交变结构型平面螺旋电感。本发明的金属线宽和间距采用宽窄交替变化结构，可用于微波集成电路、 滤波网、射频收发电路和LC振荡器、射频IC等领域。
背景技术：
随着射频集成电路领域的发展，对高性能的平面螺旋电感的需求日益迫切。螺旋电感能否得到高品质因数Q值，高电感值已经成为当今微电子技术领域的研究热点。当前提高平面螺旋电感性能的方法主要有两种一种是从结构参数进行优化，通过合理优化平面螺旋电感的版图结构，最大程度降低螺旋电感的欧姆损耗和涡流损耗，提高电感Q值。例如采用锥形结构，或者采用多层结构电感，可有效提高电感Q值。第二种方法是从工艺角度出发，尽可能的降低衬底与电感之间的耦合，减小磁致损耗，提高电感的Q 值。例如在硅衬底与电感金属层之间插入图形式接地屏蔽层，或者用特殊工艺将硅衬底掏空等技术均是从工艺角度降低衬底与电感的耦合，提高电感Q值。上海集成电路研发中心有限公司申请的专利“非等平面螺旋电感”(申请号 200620042881，公开号200983^6)提出一种非等平面螺旋电感。该螺旋电感中的至少一圈金属线圈与其余任意一条金属线圈处于不同平面，从而高频时涡流效应和临近效应影响降低，提高了电感的品质因数。但是该专利申请存在的不足是金属线圈之间互感降低，导致电感值不高，而且加工工艺难度增大。阿尔卑斯电气株式会社申请的专利“螺旋电感器”(申请号01136623，公开号 1350310)提出一种螺旋电感器。该螺旋电感器金属线间距固定不变，金属线宽度按照从外圈向内圈逐渐减小，因此电感内径增大，磁力线的影响减少，电感值增大，Q值有所改善。但是该专利申请存在的不足是螺旋电感器尺寸过大，不满足当今射频集成电路小尺寸，高集成度的设计要求，螺旋电感金属线间距与线宽变化单一，Q值、电感值改善有限。上海华虹(集团)有限公司申请的专利“金属线宽及金属间距渐变的平面螺旋电感”(申请号200420114664，公开号20060329)提出一种金属线宽及金属间距渐变的平面螺旋电感。该电感的金属导线线宽从内到外依次增大，金属线间距从内到外随着线宽的增大而增大，从而降低了金属线的欧姆损耗，品质因素Q值高。但是该专利申请存在的不足是 降低了螺旋电感线圈之间的互感，电感值较低。李清华，邵志标等人公开发表发表一篇文章(高频单片DC/DC转换器中双层平面电感的优化，李清华，邵志标，耿莉，西安交通大学电子与信息工程学院，西安电子科技大学学报(自然科学版)，第34卷第2期，2007年4月，321-3 ])文中提出一种线宽和间距都为定值的圆形平面螺旋电感。这种平面螺旋电感存在的不足是品质因数Q值过低(最大 Q值仅为幻，而且工艺要求非常高。Lu Huang 等人公开发表了一篇文献(Lu Huang, Wan-Rong Zhang, Hong-Yun Xie, Pei Shen, Jun-Ning Gan, Yi-ffen Huang, Ning Hu.Analysis and OptimumDesign of RF Spiral Inductors on Silicon Substrate,3rd IEEE International Symposium on Microwave, Antenna, Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications, 2009, Beijing, 990-993)文中提出一种线宽、间距尺寸从外圈到内圈逐渐减小的渐变结构平面螺旋电感，提高了电感的Q值。这种平面螺旋电感存在的不足是电感值没有明显的改善。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于从电感结构参数角度出发，提供一种金属线宽间距交变型平面螺旋电感，与传统CMOS工艺兼容。本发明能同时提高Q值和电感值。本发明的思路是在射频无源器件的损耗机理的基础上提出的，旨在减小金属导体的欧姆损耗和涡流损耗，增强电感金属导线间的互感。欧姆损耗由传导电流引起，涡流损耗由涡流电流引起。当传导电流流过金属导体时，它所产生的欧姆损耗将与金属导体的电阻值有关，该电阻值与金属导体的电阻率和总长度成正比，与金属导线的宽度成反比。由法拉第和楞次定理可以得出，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平均，从而增大了金属导体的串联电阻。另外，从涡流效应可知，当两相邻金属导体间距越小时，它们之间的磁场相互作用越强烈，临近效应影响严重，导致金属导体中的电流密度更加不均勻，使金属导体的串联电阻进一步变大，从而影响电感Q值。而且， 电感导线间距越小，金属导线受磁力线影响就越严重，导致电感值下降。基于上述原理，本发明提出交替变化的金属线宽和金属线间距，采用宽窄交替变化的金属线，使得内圈线宽窄，增大电感内径，降低涡流损耗；对欧姆损耗为主的外圈导体，采用宽度宽的金属线，达到了降低金属导体欧姆损耗的目的。另外，采用间距交变结构，降低了金属导线之间的磁力线影响，增强导线间的互感，提高了电感值。因此，本发明采用金属线间距从外圈到内圈交变结构可以增强互感，降低损耗，提高电感Q值和电感值。本发明包括硅衬底、绝缘层、平面螺旋电感底层金属层、通孔、平面螺旋电感金属层，硅衬底上生长有螺旋电感的绝缘层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀电感底层金属层，底层金属层上沉积绝缘层，绝缘层刻蚀通孔，连接底层金属层和螺旋电感层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀螺旋电感金属层，螺旋电感金属层线圈为多匝，线圈图案由导电金属构成；所述平面螺旋电感金属层的金属线宽自外圈向内圈宽窄交替变化，金属线间距自外圈向内圈宽窄交替变化。本发明与现有技术相比具有以下优点第一，本发明金属线宽采用交变结构，降低了电感金属导线的欧姆损耗，克服了现有技术中因电感欧姆损耗过大而导致电感Q值过低的缺陷，由此使得本发明在不改变版图大小的基础上提高了电感Q值。第二，本发明金属线宽采用交变结构，电感内径减小，降低了涡流损耗，克服了现有技术中因涡流损耗过大而导致电感Q值过低的缺陷，由此使得本发明在不改变版图大小的基础上，降低了涡流损耗，提高了电感Q值。第三，本发明金属线间距采用交变结构，降低了导线间的临近效应，克服了现有技术中因临近效应影响，导致电感等效串联电阻增大的缺陷，由此使得本发明降低了电感线圈中临近效应的影响，使串联等效电阻下降，提高了电感Q值。第四，本发明金属线间距采用交变结构，增强了金属导线中的磁通量，降低了磁力线的影响，克服了现有技术中电感线圈间互感不强的缺陷，由此使得本发明增强了电感线圈间的互感，提高了电感值。第五，本发明与传统CMOS兼容，克服了现有技术中使用特殊工艺导致电感加工时的工艺难度增大的缺陷，由此使得本发明加工简单，易于实现。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明与传统螺旋电感品质因数Q值仿真结果比较图；图3为本发明与传统螺旋电感电感值仿真结果比较图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细描述。图1所示的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，包括硅衬底、绝缘层、平面螺旋电感底层金属层、通孔、平面螺旋电感金属层。在450 μ m厚的硅基上生长一层1 μ m厚的氧化物，形成绝缘层，绝缘层之上溅射一层IOnm厚的钛金薄膜，钛金薄膜表面之上镀500nm厚的金属薄膜，刻蚀金属薄膜，形成螺旋电感底层金属层，螺旋电感底层金属层之上沉积900nm 厚的氧化物，形成绝缘层，刻蚀绝缘层形成通孔，绝缘层之上镀2 μ m厚金属薄膜，有选择性的刻蚀形成螺旋电感金属层。平面螺旋电感金属层的金属线宽自外圈向内圈宽窄交替变化是指，金属导线1、5、 9、12、13宽度是所有金属导线中宽度最宽的；金属导线2、6、10、14宽度较金属导线1、5、9、 12,13变窄；金属导线3、7、11、15宽度较金属导线2、6、10、14宽度变宽，其宽度窄于金属导线1、5、9、12、13 ；金属导体4、8宽度变窄，其宽度窄于金属导线2、6、10、14的宽度。平面螺旋电感金属层的金属线间距自外圈向内圈宽窄交替变化是指，金属导线1、 5、9、13与金属导线2、6、10、14之间的间距是导线间距中最大的；金属导线2、6、10、14与金属导线3、7、11、15之间的间距小于金属导线1、5、9、13与金属导线2、6、10、14之间的间距； 金属导线3、7与金属导线4、8之间的间距大于金属导线2、6与金属导体线3、7之间的间距。金属导线宽度的范围值为0. 03微米 20微米。金属导线之间的间距值的范围为 0. 04微米 10微米。平面螺旋电感外径的范围为0. 1微米 400微米。图2所示为本发明的电感品质因数Q值与传统金属线宽间距固定的平面螺旋电感 Q值仿真结果比较图。其中实线表示本发明的螺旋电感品质因数Q值随频率的变化曲线，虚线表示传统平面螺旋电感品质因数Q值随频率的变化曲线。图2所示，本发明的电感品质因数Q值在2. 70GHz时达到最大值14. 86，传统平面螺旋电感的电感品质因数Q值在2. 55GHz时达到最大值13. 37。本发明Q值较传统螺旋电感Q值提高了 11%。图3所示为本发明的电感值与传统金属线宽间距固定的平面螺旋电感的电感值仿真结果比较图。其中实线表示本发明的螺旋电感电感值随频率的变化曲线，虚线表示传统平面螺旋电感电感值随频率的变化曲线。
图3所示，本发明的电感值在2GHz时电感值为7. 3 InH，传统平面螺旋电感在2GHz 时电感值为5. 52nH。本发明电感值较传统电感的电感值提高了 36 %。从仿真结果可知，采用本发明线宽间距交变结构型平面螺旋电感能够有效的提高螺旋电感的性能。
权利要求
1.一种线宽间距交变结构型平面螺旋电感，包括硅衬底、绝缘层、平面螺旋电感底层金属层、通孔、平面螺旋电感金属层；所述的硅衬底上生长有螺旋电感的绝缘层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀电感底层金属层，底层金属层上沉积绝缘层，绝缘层刻蚀通孔，连接底层金属层和螺旋电感层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀螺旋电感金属层，螺旋电感金属层线圈为多匝， 线圈图案由导电金属构成；其特征在于，所述平面螺旋电感金属层的金属线宽自外圈向内圈宽窄交替变化，金属线间距自外圈向内圈宽窄交替变化。
2.根据权利要求1所述的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感金属层的金属线宽自外圈向内圈宽窄交替变化是指，金属导线(1)、(5)、(9)、(12)、(13)宽度是所有金属导线中宽度最宽的；金属导线(2)、(6)、(10)、(14)宽度较金属导线(1)、(5)、(9)、(12)、(13)变窄；金属导线(3)、(7)、(11)、(15)宽度较金属导线(2)、 (6)、(10)、(14)宽度变宽，其宽度窄于金属导线(1)、(5)、(9)、(12)、(13)；金属导体(4)、 (8)宽度变窄，其宽度窄于金属导线(2)、(6)、(10)、(14)的宽度。
3.根据权利要求1所述的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感金属层的金属线间距自外圈向内圈宽窄交替变化是指，金属导线(1)、(5)、(9)、(13)与金属导线(2)、(6)、(10)、(14)之间的间距是导线间距中最大的；金属导线(2)、(6)、 (10)、(14)与金属导线(3)、(7)、(11)、(15)之间的间距小于金属导线(1)、(5)、(9)、(13) 与金属导线(2)、(6)、(10)、(14)之间的间距；金属导线(3)、(7)与金属导线(4)、(8)之间的间距大于金属导线O)、(6)与金属导体(3)、(7)之间的间距。
4.根据权利要求1所述的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，其特征在于，所述的金属导线宽度的范围值为0. 03微米 20微米。
5.根据权利要求1所述的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，其特征在于，所述的金属导线之间的间距值的范围为0. 04微米 10微米。
6.根据权利要求1所述的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，其特征在于，所述平面螺旋电感外径的范围为0. 1微米 400微米。
全文摘要
本发明公开一种可应用于射频集成电路的线宽间距交变结构型平面螺旋电感，硅衬底上生长有螺旋电感的绝缘层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀电感底层金属层，底层金属层上沉积绝缘层，绝缘层刻蚀通孔，连接底层金属层和螺旋电感层，绝缘层上镀金属薄膜刻蚀螺旋电感金属层，螺旋电感金属层线圈为多匝，线圈图案由导电金属构成。本发明的金属线宽自外圈向内圈宽窄交替变化，金属线间距自外圈向内圈宽窄交替变化，降低了串联等效电阻导致的欧姆损耗，降低了金属导线间的临近效应，提高了螺旋电感品质因数Q值，增加了金属线圈之间的互感，提高了螺旋电感的电感值。
文档编号H01F17/02GK102522181SQ201210001680
公开日2012年6月27日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者孙昊, 杨银堂, 田文超 申请人:西安电子科技大学