一種差分螺線管電感的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種差分螺線管電感，包括三層金屬線圈，三層金屬線圈寬度相同，三層金屬線圈的厚度不相等；所述上下層金屬線圈圖形對稱；所述金屬線圈上有電感端口；所述上下層金屬線圈通過層間通孔互連；第一層金屬線圈從電感的一個端口開始，經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第三層金屬線連接；第三層金屬經(jīng)過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和第二層金屬線連接；第二層金屬經(jīng)過一圈走線，通過一層層間通孔和第三層金屬線連接；第三層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第一層金屬線連接；第一層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，從另一個端口引出。該電感具有更好的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率特性。
【專利說明】一種差分螺線管電感
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電感，尤其涉及一種差分螺線管電感。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在CMOS射頻集成電路(RFIC)的發(fā)展中，最迫切和最困難的是要生產(chǎn)出高性能的新器件和新的單元電路，它們是實(shí)現(xiàn)單片CMOS集成射頻前端的基礎(chǔ)。片上螺旋電感作為射頻集成電路中的關(guān)鍵元件，在射頻前端的各個模塊中均有廣泛的應(yīng)用，如射頻預(yù)選回路、低噪聲放大器(LNA)、壓控振蕩器(VCO)以及LC回路等模塊，也是電路中最難設(shè)計和掌握的元件，它的性能參數(shù)直接影響著射頻集成電路的性能。片上螺旋電感能實(shí)現(xiàn)射頻集成電路中電感的集成化問題，從而有助于射頻集成電路的片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。
[0003]傳統(tǒng)的螺線管(Helical)電感每層只有一圈，電感的總?cè)?shù)就等于電感所使用的金屬層數(shù)。由于受鄰近效應(yīng)和寄生電容的影響較小，螺線管電感在所有類型多層電感中具有相對較高的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率。螺線管電感兩個端口位置的差異使得電感表現(xiàn)出強(qiáng)烈的不對稱性。差分電感多用于對稱結(jié)構(gòu)的電路中，對稱特性較好。傳統(tǒng)的差分電感所有線圈都位于同一金屬層上，其連線方式使得電壓差較大的線圈相鄰，增大了線圈間的寄生電容，使得電感的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率較低。
[0004]因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員致力于開發(fā)一種新型螺線管電感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率特性更好的螺線管電感。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種差分螺線管電感，其特征在于，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感端口 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感端口開始，經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經(jīng)過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經(jīng)過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，從另一個電感端口引出。
[0007]進(jìn)一步地，每個電感單元中所述金屬線圈寬度相同。
[0008]進(jìn)一步地，每個電感單元中所述金屬線圈的厚度均不相等。
[0009]進(jìn)一步地，每個電感單元中上下層金屬線圈圖形對稱。
[0010]進(jìn)一步地，每個電感單元中所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。所述垂直方向是指通孔連接的方向。
[0011]進(jìn)一步地，每個電感單元中所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0012]進(jìn)一步地，每個電感單元中所述金屬線圈為四邊形、多邊形或圓形。
[0013]進(jìn)一步地,所述多個電感單元依次連接。
[0014]本發(fā)明提供了一種差分螺線管電感，該電感通過改變多層線圈的連線方式使得層間線圈的寄生電容降低，對稱特性較好。與傳統(tǒng)的差分電感相比，其高頻寄生電阻降低，實(shí)現(xiàn)相同的電感值所需的電感面積較小。從而使電感獲得更好的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率特性。
[0015]本發(fā)明提供的差分螺線管電感，通過改變多層線圈的連線方式，電位差相差較大的電感線圈在垂直方向上的間距加大，從而降低了層間線圈的寄生電容。由于該電感采用差分的連線方式，電感的對稱特性較好。由于將傳統(tǒng)的差分電感線圈分布在多層上實(shí)現(xiàn)，減小了相鄰線圈的高頻臨近效應(yīng)，降低了高頻寄生電阻。對于相同圈數(shù)的電感，本發(fā)明電感可以采用較小的面積，由于本發(fā)明的電感線圈在垂直方向有較大部分相互重疊，從而該電感具有較大的電感值，從而使電感獲得更好的品質(zhì)因數(shù)和自諧振頻率特性。
[0016]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明的構(gòu)思、具體結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明，以充分地了解本發(fā)明的目的、特征和效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是傳統(tǒng)的螺線管電感立體圖；
[0018]圖2是傳統(tǒng)的三維差分電感立體圖；
[0019]圖3是傳統(tǒng)的三維差分電感電位分布圖；
[0020]圖4是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感的立體圖；
[0021]圖5是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感的電流路徑及線圈電壓的分布情況圖；
[0022]圖6是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感的金屬6層電感線圈的俯視圖；
[0023]圖7是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感的金屬4層電感線圈的俯視圖；
[0024]圖8是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感的金屬5層電感線圈的俯視圖；
[0025]圖9是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感Q值的仿真結(jié)果。
[0026]圖10是本發(fā)明實(shí)施例差分螺線管電感L值的仿真結(jié)果。
[0027]圖11是傳統(tǒng)差分螺線管電感Q值的仿真結(jié)果。
[0028]圖12是傳統(tǒng)差分螺線管電感L值的仿真結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0030]本發(fā)明提供了 一種差分螺線管電感，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感端口 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感端口開始，經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經(jīng)過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經(jīng)過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，從另一個電感端口引出。本實(shí)施例以一個電感單元為例，差分螺線管電感包括:三層金屬線圈，三層金屬線圈寬度相同，三層金屬線圈的厚度不相等；所述上下層金屬線圈圖形對稱；所述金屬線圈上有電感端口 ；所述上下層金屬線圈通過層間通孔互連；第一層金屬線圈從電感的一個端口開始，經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第三層金屬線連接；第三層金屬經(jīng)過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和第二層金屬線連接；第二層金屬經(jīng)過一圈走線，通過一層層間通孔和第三層金屬線連接；第三層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和第一層金屬線連接；第一層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，從另一個端口引出。
[0031]本實(shí)施例的差分螺線管電感(以三層金屬、四邊形螺線管電感為例)立體結(jié)構(gòu)見圖4。從圖4可以看出，本實(shí)施例所述差分的螺線管電感分為上中下三層，分別由第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層構(gòu)成電感的金屬線圈，第一層有兩個對稱的電感端口。所述差分的螺線管電感電流路徑及線圈上電壓的分布情況(以三層金屬、3圈四邊形電感為例)見附圖5。電流由一個端口流入電感，電感線圈上的電位沿著電感線圈的走線路徑依次降低，以數(shù)字I?6表示電感線圈上電位的大小，定義電位依次降低。所述差分的螺線管電感電位差為I和5的半圈線圈分別位于第一層金屬和第三層金屬，其電位差為6和2的半圈線圈分別位于第一層金屬和第三層金屬，第二層金屬上電位分別為3和4，自上到下電感左半線圈上電感的電位分別為1、3、5(對應(yīng)第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層)，右半金屬線圈上電感的電位分別為6、4、2(對應(yīng)第一金屬層、第二金屬層、第三金屬層)。該走線方式將電位差相差較大的電感線圈在垂直方向上的間距加大，從而降低了垂直方向上電感線圈間的寄生電容，且保持了良好的對稱特性。本發(fā)明將傳統(tǒng)的差分電感線圈分布在多層上實(shí)現(xiàn)，對相同圈數(shù)的差分電感，該發(fā)明所述電感所需面積更小，且降低了高頻時臨近效應(yīng)的影響，降低了電感的高頻寄生電阻，從而獲得更高的品質(zhì)因數(shù)。由于本發(fā)明的電感線圈在垂直方向有較大部分相互重疊，從而該電感具有較大的電感值。
[0032]差分螺線管電感第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0033]差分螺線管電感第一、三層金屬線圈與第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
[0034]以三層金屬、四邊形差分螺線管電感為例做仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。仿真結(jié)果表明本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)電感的自諧振頻率較傳統(tǒng)的差分螺線管有很大的提高，品質(zhì)因數(shù)略有提升。
[0035]圖4中所示上下層金屬有較大部分相互重疊，這可以充分利用層間金屬之間的互感，提聞電感的品質(zhì)因數(shù)Q。
[0036]本發(fā)明的一種實(shí)施方式是在標(biāo)準(zhǔn)的六層金屬射頻集成電路工藝上制作電感，以外徑為100微米的電感為例。其最上層線圈圖形如附圖6所示，電感線圈寬度為8微米。其中、下層線圈圖形如圖7、8所示，線圈寬度與上層金屬相同。上下層線圈通過層間通孔及層間金屬連接，從而實(shí)現(xiàn)上下層之間的連接。[0037]所述金屬線圈可以為四邊形，也可是圓形或其它形狀。所述多層金屬線圈在通孔處的連接方式不局限于本發(fā)明示例的連接方式。
[0038]本發(fā)明所述的結(jié)構(gòu)不限于三層電感，其他多層電感也可是適用。本發(fā)明優(yōu)先適用于上層金屬線圈為頂層金屬的情況，但其他多層的電感的其他金屬層也可以適用。
[0039]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本【技術(shù)領(lǐng)域】中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種差分螺線管電感，其特征在于，包括一個或多個電感單元，所述電感單元具有三層金屬線圈:第一層、第二層、第三層；所述第一層金屬線圈上有兩個電感端口 ；上下層金屬線圈通過層間通孔互連；所述第一層金屬線圈從一個電感端口開始，經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬經(jīng)過半圈走線，通過一層層間通孔及金屬連線和所述第二層金屬線連接；所述第二層金屬經(jīng)過一圈走線，通過一層層間通孔和所述第三層金屬線連接；所述第三層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，通過兩層層間通孔及金屬連線和所述第一層金屬線連接；所述第一層金屬線圈經(jīng)過半圈金屬走線，從另一個電感端口引出。
2.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中所述金屬線圈覽度相問。
3.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中所述金屬線圈的厚度均不相等。
4.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中上下層金屬線圈圖形對稱。
5.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈有3/4圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/4圈，所述第一層金屬線圈與第三層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
6.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈有1/2圈在垂直方向相互重疊，在有通孔連接的1/2圈，所述第一層、第三層金屬線圈與所述第二層金屬線圈在垂直方向上交叉連接，線圈不重疊。
7.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，每個電感單元中所述金屬線圈為四邊形、多邊形或圓形。
8.如權(quán)利要求1所述的差分螺線管電感，其特征在于，所述多個電感單元依次連接。
【文檔編號】H01L23/64GK104037165SQ201410247035
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月5日
【發(fā)明者】莊奕琪, 李振榮, 邱肖, 湯華蓮, 李小明, 李聰, 劉偉峰, 曾志斌, 靳剛 申請人:西安電子科技大學(xué)