專利名稱：壓控振蕩器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用并聯(lián)LC儲能電路的諧振的壓控振蕩器，更具體地說，涉及最好用作鎖相環(huán)電路中的本地振蕩器的壓控振蕩器。
背景技術(shù)：
通常，環(huán)狀壓控振蕩器(R-VCO)已經(jīng)被用作鎖相環(huán)(PLL)電路中的本地振蕩器，用于倍頻和相位同步。R-VCO具有彼此環(huán)狀耦合的奇數(shù)個CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)反相器。這一結(jié)構(gòu)提供R-VCO能合并到MOS集成電路中的好處。然而，R-VCO具有高抖動和高相位噪聲的缺點。
另一方面，利用并聯(lián)LC儲能電路(LC-VCO)的諧振的壓控振蕩器近年來已經(jīng)被用作本地振蕩器。LC-VCO包括彼此并聯(lián)耦合以形成并聯(lián)-LC儲能電路的電感器和可變電容器。并聯(lián)-LC儲能電路的諧振使得AC信號以諧振頻率輸送。諧振頻率是并聯(lián)LC儲能電路的諧振無窮大時的頻率，以及諧振是指電流交替流過并聯(lián)-LC儲能電路中的電感器和可變電容器時的現(xiàn)象?？勺冸娙萜魇亲?nèi)荻O管元件等，其電容隨施加到其上的控制電壓改變。調(diào)整可變電容器的電容，從而控制振蕩AC信號的頻率。例如，在文獻，Ali Hajimira和Thomas H.Lee“Design Issues in CMOS differential LC Oscillators”，IEEE JOURNALOF SOLID-STATE CIRCUIT，VOL.34，No.5(1999年5月)中公開了這種LC-VCO。
與R-VCO相比，LC-VCO具有下述優(yōu)點。首先，與R-VCO相比，LC-VCO具有更低的噪聲級。這一特征從LC-VCO包括會產(chǎn)生噪聲的更少晶體管的事實推出，因為晶體管主要基于并聯(lián)-LC儲能電路的諧振。由此這一特征允許LC-VCO最好合并到高速光通信設(shè)備、蜂窩電路、無線LANs等等中。
第二，LC-VCO能容易提供比R-VCO更高的振蕩頻率。這是因為LC-VCO主要基于并聯(lián)-LC儲能電路的諧振，而R-VCO由晶體管組成以及利用它們的邏輯門延遲。
第三，LC-VCO與R-VCO相比，在用于控制電壓的振蕩頻率方面具有更小的變化范圍。這一特征允許在由控制電壓的變化引起的振蕩頻率方面更低的調(diào)諧靈敏度和更小的變化，導(dǎo)致低噪聲。
圖1是表示傳統(tǒng)LC-VCO的電路圖，以及圖2是表示傳統(tǒng)的LC-VCO的平面圖。如圖1所示，傳統(tǒng)的LC-VCO101連接到電源電勢線VCC和地電勢線GND。在LC-VCO101中，電感部2、可變電容部3、負電阻部4和電流調(diào)節(jié)部5以從電源電勢線VCC到地電勢線GND的順序彼此連接。
電感部2具有兩個螺旋電感器6a和6b。螺旋電感器6a和6b的末端連接到電源電勢線VCC，另一端分別連接到輸出端7a和7b。
可變電容部3具有兩個變?nèi)荻O管元件8a和8b。變?nèi)荻O管元件8a的一端，例如阱電極(well electrode)連接到輸出端7a，而變?nèi)荻O管元件8b的一端，例如阱電極連接到輸出端7b。變?nèi)荻O管元件8a和8b在其施加控制電壓的另一端，例如門電極彼此連接。
負阻部4具有N溝道晶體管9a和9b。N溝道晶體管9a具有連接到輸出端7a的漏極以及連接到輸出端7b的柵極。另一方面，N溝道晶體管9b具有連接到輸出端7b的漏極和連接到輸出端7a的柵極。
電流調(diào)節(jié)部5具有N溝道晶體管10，N溝道晶體管10的漏極連接到N溝道晶體管9a和N溝道晶體管9b的源極。另外，N溝道晶體管10具有連接到地電勢線GND的源極以及施加偏壓的柵極。
現(xiàn)在，下面描述傳統(tǒng)的LC-VCO101的布局。如圖2所示，在淀積于半導(dǎo)體襯底(未示出)上的多層互連層12的半導(dǎo)體集成電路器件中提供LC-VCO101。在多層互連層12的最高層中分別淀積螺旋電感器6a和6b。將形成變?nèi)荻O管元件8a和8b的變?nèi)荻O管元件形成區(qū)和將形成N溝道晶體管9a、9b和10的晶體管形成區(qū)定位于半導(dǎo)體襯底的表面上的螺旋電感器6a和6b的下層區(qū)外。另一方面，在螺旋電感器6a和6b的下層區(qū)中不形成其他元件和導(dǎo)體諸如布線。
用這種方式，將傳統(tǒng)的LC-VCO布局設(shè)計成使螺旋電感器淀積于多層互連層的最高層中，在螺旋電感器的下層區(qū)中不淀積元件諸如變?nèi)荻O管元件或晶體管，也不放置導(dǎo)體。這一設(shè)計意圖防止在螺旋電感器中產(chǎn)生的磁場對有源元件的操作產(chǎn)生不利影響或感應(yīng)流過導(dǎo)體的電流以致產(chǎn)生功率損耗。在上述文獻和日本專利公開號No.2002-9299中公開了具有這種布局的LC-VCO。
然而，上述現(xiàn)有技術(shù)具有下述問題。即，傳統(tǒng)的LC-VCO具有比R-VCO更大的布局面積。例如，R-VCO可以具有75μm縱邊和150μm橫邊的矩形面積的布局，而傳統(tǒng)的LC-VCO101具有250μm縱邊和300μm橫邊的矩形面積布局，在布局面積方面約為R-VCO的七倍。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供具有良好特征以及降低布局面積的壓控振蕩器。
本發(fā)明提供一種合并到半導(dǎo)體集成電路器件中的壓控振蕩器，該半導(dǎo)體集成電路器件包括襯底和淀積于襯底上的多層互連層。壓控振蕩器包括輸出端、淀積于多層互連層中并連接到輸出端的螺旋電感器、可變電容器和負阻部。在這一結(jié)構(gòu)中，可變電容器形成在包括螺旋電感器的下層區(qū)但不包括螺旋電感器的中心軸的區(qū)域中、并與螺旋電感器并聯(lián)連接以便與其結(jié)合形成諧振電路。負阻部形成在該區(qū)域中。而且，負阻部連接在諧振電路和電源之間以便與由諧振電路產(chǎn)生的諧振信號同步地將電流提供到諧振電路。
根據(jù)本發(fā)明，由螺旋電感器和可變電容器組成的諧振電路通過來自連接到電源的負阻部供電，從而允許從輸出端，以等于諧振電路的諧振頻率的頻率遞送AC信號。在包括螺旋電感器的下層區(qū)的區(qū)域中形成可變電容器和負阻部，從而提供用于壓控振蕩器的縮小的布局面積。另外，可變電容器和負阻部形成在不包括螺旋電感器的中心軸的區(qū)域中，從而防止由螺旋電感器產(chǎn)生的磁場影響可變電容器和負阻部的操作。也可以防止由于感應(yīng)的電流降低螺旋電感器的效率。這允許提供具有降低布局面積和良好特性的壓控振蕩器。
另一方面，螺旋電感器可以是完全對稱的電感器。這使得提供進一步降低用于壓控振蕩器的布局面積成為可能。
根據(jù)本發(fā)明，在包括螺旋電感器的下層區(qū)但不包括它們的中心軸的區(qū)域中形成可變電容器和負阻部，從而提供降低布局面積但不惡化壓控振蕩器的特性。這允許與這一壓控振蕩器合并的半導(dǎo)體集成電路降低尺寸并更緊密地組裝。


圖1是表示傳統(tǒng)的LC-VCO的電路圖；圖2是表示傳統(tǒng)的LC-VCO的平面圖；圖3是表示根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的壓控振蕩器的平面圖；圖4是沿圖3的線A-A′的剖面圖；圖5是表示根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的壓控振蕩器的平面圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在，將根據(jù)實施例，參考附圖來更明確地描述本發(fā)明。首先，下面將描述本發(fā)明的第一實施例。圖3是表示根據(jù)這一實施例的壓控振蕩器(LC-VCO)的平面圖，圖4是沿圖3的線A-A′的剖面圖。
如圖3和4所示，根據(jù)這一實施例的LC-VCO1具有不同于上述傳統(tǒng)LC-VCO101(見圖2)的布局。這一實施例的LC-VCO1的電路結(jié)構(gòu)與圖1所示的的傳統(tǒng)LC-VCO101相同。根據(jù)這一實施例的LC-VCO1是用于與鎖相環(huán)電路一起使用的本地振蕩器。
如圖3和4所示，LC-VCO1合并到在半導(dǎo)體襯底11上形成多層互連層12的半導(dǎo)體集成電路器件中。螺旋電感器6a和6b分別淀積于多層互連層12的最上層中。例如，螺旋電感器6a和6b的每一個是具有按矩形形狀形成的五匝導(dǎo)線軌跡的電感器。
淀積變?nèi)荻O管元件8a的變?nèi)荻O管元件形成區(qū)位于半導(dǎo)體襯底的表面上的螺旋電感器6a的下層區(qū)中，該區(qū)域除螺旋電感器6a的中心軸O外。如上所述，變?nèi)荻O管元件8a連接到螺旋電感器6a。另外，形成N溝道晶體管9a的晶體管形成區(qū)位于變?nèi)荻O管元件形成區(qū)的附近。晶體管形成區(qū)也位于螺旋電感器6a的下層區(qū)中，該區(qū)域除螺旋電感器6a的中心軸O外。
螺旋電感器6a的中心是指兩條對角線的交叉點，每條對角線連接由導(dǎo)線軌跡的匝形成的矩形的兩個對角。在按環(huán)狀形狀形成導(dǎo)線軌跡匝的螺旋電感器的情況下，環(huán)狀環(huán)的中心是螺旋電感器的中心。
同樣地，形成變?nèi)荻O管元件8b的變?nèi)荻O管元件形成區(qū)和形成N溝道晶體管9b的晶體管形成區(qū)均位于包括半導(dǎo)體襯底的表面上的螺旋電感器6b的下層區(qū)但不包括螺旋電感器6b的中心軸的區(qū)域中。
此外，形成N溝道晶體管10的晶體管形成區(qū)也位于包括螺旋電感器6a和6b的下層區(qū)但不包括螺旋電感器6a和6b的中心軸的區(qū)域中。此外，用于連接在上述元件之間的布線和用于連接在半導(dǎo)體集成電路器件中的其他元件間的那些布線也位于不包括螺旋電感器6a和6b的中心軸O的區(qū)域中。因此，在這一半導(dǎo)體集成電路器件中，將螺旋電感器6a和6b的中心軸O設(shè)計成僅通過多層互連層的層間絕緣層和半導(dǎo)體襯底11。
現(xiàn)在，參考圖3和4，下面將描述LC-VCO1的操作。首先，將偏壓施加到N溝道晶體管10的柵極。在其漏電流由柵極電壓限定并不取決于在源極和漏極間流動的漏電壓的情況下，這導(dǎo)致N溝道晶體管10達到其I-V屬性的飽和水平。因此，當(dāng)偏壓固定到某一值時，允許恒流流過LC-VCO1而與N溝道晶體管10的源極和漏極間的電勢差無關(guān)。
在這種條件下，假定LC-VCO1連接到電源電勢線VCC和地電勢線GND。在這種情況下，通過將一些電激勵施加到具有電感部2和可變電容部3的LC諧振電路上，LC諧振電路遞送來自輸出端7a和7b的互補諧振信號。
然而，僅使用LC諧振電路將由于寄生電阻而導(dǎo)致?lián)p耗，導(dǎo)致振蕩遲早終止。為解決這種情況，將正電源電勢施加到電源電勢線VCC以及將地電勢施加到地電勢線GND以便將電流提供到LC-VCO1，同時提供負阻部4。這允許LC諧振電路持久地遞送諧振信號。
即，例如，通過使輸出端7a處于低電平以及使輸出端7b處于高電平，導(dǎo)通N溝道晶體管9a。因此，將電源電勢和地電勢同時施加到輸出端7a上，導(dǎo)致輸出端7a處于介于其間的電勢。另一方面，由于N溝道晶體管9b截止，將電源電勢提供到輸出端7b。類似地，通過使輸出端7a處于高電平以及使輸出端7b處于低電平，將電源電勢施加到輸出端7a上同時使電源電勢和地電勢施加到輸出端7b上，導(dǎo)致輸出端7b處于位于其間的電勢。這允許維持從輸出端7a和7b遞送的振蕩而不衰減。
然后，改變施加到變?nèi)荻O管元件8a和8b的柵電極上的控制電壓導(dǎo)致變?nèi)荻O管元件8a和8b的電容改變。因此，LC諧振電路響應(yīng)控制電壓，改變其諧振頻率，從而允許由LC-VCO1遞送的AC信號的頻率改變。
此時，如圖4所示，螺旋電感器6a和6b產(chǎn)生磁場。然而，磁力線14集中在螺旋電感器6a和6b的中心軸O的附近。根據(jù)這一實施例的LC-VCO1具有在不包括中心軸O的區(qū)域中形成的變?nèi)荻O管元件8a和8b以及N溝道晶體管9a、9b和10。這防止由螺旋電感器6a和6b產(chǎn)生的磁場在變?nèi)荻O管元件8a和8b以及N溝道晶體管9a、9b和10的操作上具有基本上不利的效果。此外，也沒有導(dǎo)體諸如布線位于與中心軸O交叉的區(qū)域中，從而導(dǎo)致幾乎沒有由于感應(yīng)電流而導(dǎo)致的損耗。
如上所述，這一實施例允許由螺旋電感器產(chǎn)生的磁場在變?nèi)荻O管元件和晶體管上不具有不利效果。此外，在這一實施例中，由于在螺旋電感器的下層區(qū)中形成變?nèi)荻O管元件和晶體管，LC-VCO1在布局面積上近似等于螺旋電感器，從而與傳統(tǒng)的LC-VCO相比，具有減小的布局面積。例如，根據(jù)這一實施例的LC-VCO1具有150μm縱邊和300μm橫邊的矩形布局面積，因此其是傳統(tǒng)LC-VCO101(見圖2)的布局面積的0.6倍。因此，根據(jù)這一實施例，包含LC-VCO1的整個半導(dǎo)體集成電路器件縮小了尺寸并且更緊密組裝。
在這一實施例中，在LC-VCO1中，除了螺旋電感器外，僅示出了變?nèi)荻O管元件8a和8b以及N溝道晶體管9a、9b和10作為元件。然而，根據(jù)本發(fā)明的LC-VCO可以包括除上述提及外的其他元件。例如，具有固定電容的不可變電容器也能并聯(lián)連接到輸出端7a和7b間的變?nèi)荻O管元件8a和8b上。此外，例如，電阻器也可以連接在電源電勢線VCC和輸出端7a和7b間。在這種情況下，除螺旋電感器外的元件可以位于包括螺旋電感器的下層區(qū)但不包括螺旋電感器的中心軸的區(qū)域中。
此外，如果布局允許，最好可以在不包括螺旋電感器的最內(nèi)導(dǎo)線軌跡匝的內(nèi)部區(qū)的下層區(qū)的螺旋電感器的下層區(qū)中形成除螺旋電感器外的元件。
現(xiàn)在，下面將描述本發(fā)明的第二實施例。圖5是表示根據(jù)這一實施例的壓控振蕩器的平面圖。如圖5所示，根據(jù)這一實施例的LC-VCO21具有不同于根據(jù)第一實施例的上述LC-VCO1(見圖3)的布局。根據(jù)這一實施例的LC-VCO21的電路結(jié)構(gòu)與圖1所示的傳統(tǒng)的LC-VCO101相同。
如圖5所示，LC-VCO21具有在多層導(dǎo)線軌跡疊層12的最高層中的一個完全對稱電感器16，代替在根據(jù)第一實施例的LC-VCO1中提供的兩個螺旋電感器6a。完全對稱的電感器16具有兩個螺旋電感器，它們交替嵌套并在最內(nèi)匝互連，以及例如按矩形形狀，通過總共五匝布線形成。
形成變?nèi)荻O管元件8a和8b的變?nèi)荻O管元件形成區(qū)位于半導(dǎo)體襯底的表面上的完全對稱電感器16的下層區(qū)中，該區(qū)域排除完全對稱電感器16的中心軸O。形成N溝道晶體管9a、9b和10的晶體管形成區(qū)也位于變?nèi)荻O管元件形成區(qū)附近。這一晶體管形成區(qū)還位于在完全對稱電感器16之下并不包括其中心軸的下層區(qū)中。根據(jù)這一實施例的LC-VCO21的結(jié)構(gòu)和操作除上述外，與根據(jù)上述第一實施例的LC-VCO1相同。
這一實施例允許提供與上述第一實施例相比用于LC-VCO更小的布局面積。例如，根據(jù)這一實施例的LC-VCO21具有150μm縱邊和150μm橫邊的矩形布局。根據(jù)這一實施例的除所述之外的效果與上述第一實施例相同。
權(quán)利要求
1.一種合并到半導(dǎo)體集成電路器件中的壓控振蕩器，所述半導(dǎo)體集成電路器件包括襯底和淀積于襯底上的多層互連層，所述壓控振蕩器包括輸出端；淀積于所述多層互連層中并連接到所述輸出端的螺旋電感器；可變電容器，形成在包括所述螺旋電感器的下層區(qū)但不包括所述螺旋電感器的中心軸的區(qū)域中、并與所述螺旋電感器并聯(lián)連接以便與其結(jié)合形成諧振電路；以及負阻部，形成在所述區(qū)域中并連接在所述諧振電路和電源之間以便與由諧振電路產(chǎn)生的諧振信號同步地將電流提供到所述諧振電路。
2.如權(quán)利要求1所述的壓控振蕩器，其中，在所述螺旋電感器的下層區(qū)中形成所述可變電容器和所述負阻部，所述區(qū)域排除所述螺旋電感器的最內(nèi)導(dǎo)線軌跡匝的內(nèi)部區(qū)的下層區(qū)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，其中，所述螺旋電感器的中心軸僅通過所述襯底和所述多層互連層的層間絕緣層。
4.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，進一步包括不可變電容器，形成在包括所述螺旋電感器的下層區(qū)但不包括所述螺旋電感器的中心軸的區(qū)域中，所述不可變電容器與所述可變電容器并聯(lián)連接。
5.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，其中，所述可變電容器是在所述襯底的表面上形成的變?nèi)荻O管元件。
6.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，其中，所述電源具有高電勢線和低電勢線，所述輸出端包括第一輸出端和第二輸出端，所述螺旋電感器和所述可變電容器連接在所述第一輸出端和所述第二輸出端之間，以及所述負阻部包括第一N溝道晶體管，形成在所述襯底的表面上，所述晶體管具有連接到所述低電勢線的源極、連接到所述第一輸出端的漏極和連接到所述第二輸出端的柵極，以及第二N溝道晶體管，形成在所述襯底的表面上，所述晶體管具有連接到所述低電勢線的源極、連接到所述第二輸出端的漏極，以及連接到所述第一輸出端的柵極。
7.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，其中，所述螺旋電感器是完全對稱的電感器。
8.如權(quán)利要求1或2所述的壓控振蕩器，其中，所述壓控振蕩器是鎖相環(huán)電路中的本地振蕩器。
全文摘要
提供LC－VCO，其中在多層互連層的最高層中提供兩個螺旋電感器，而變?nèi)荻O管元件和N溝道晶體管位于半導(dǎo)體襯底的表面上的兩個螺旋電感器的下層區(qū)中，該區(qū)排除螺旋電感器的中心軸。這允許提供用于LC－VCO的降低的布局面積以及防止由螺旋電感器產(chǎn)生的磁場在變?nèi)荻O管元件和N溝道晶體管的操作上具有不利影響。
文檔編號H01G17/00GK1574350SQ20041004936
公開日2005年2月2日 申請日期2004年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月13日
發(fā)明者村松良德, 中柴康隆 申請人:恩益禧電子股份有限公司