集成電感結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及集成電感結(jié)構(gòu)，尤其涉及一種高度緊實(shí)化的集成電感結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]芯片內(nèi)電感(on-chip inductor)因工藝上的限制一般設(shè)計(jì)成平面式電感(planner inductor)。請(qǐng)參閱圖1，其是現(xiàn)有的螺旋狀平面式電感(planner spiralinductor)。螺旋狀平面式電感100包含螺旋狀的第一金屬線段110(淺色部分)，以及第二金屬線段120 (深色部分)。第一金屬線段110與第二金屬線段120在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中分屬不同層，圖1中以第一金屬線段110在上層且第二金屬線段120在下層為例，然而亦有可能相反。第一金屬線段110與第二金屬線段120通過連接結(jié)構(gòu)130互相連接。第一金屬線段110包含了 3層線圈。當(dāng)此螺旋狀平面式電感100的電感值需要增加時(shí)，必須增加其線圈數(shù)。線圈數(shù)的增加除了導(dǎo)致螺旋狀平面式電感100的面積增加之外，螺旋狀平面式電感100的寄生串聯(lián)電阻(parasitic series resistance)以及寄生電容(parasiticcapacitance)亦會(huì)增加，如此將造成螺旋狀平面式電感100的自振頻率(self-resonantfrequency)及品質(zhì)因素(quality factor)Q下降。此外，金屬耗損(metal loss)以及基板耗損(substrate loss)也是影響品質(zhì)因素Q的重要因素。金屬耗損是由于金屬本身的阻值所導(dǎo)致。基板耗損來源有兩種，一種是來自于當(dāng)電感作用時(shí)，電感的金屬線圈以及基板之間產(chǎn)生一時(shí)變的電位移(electric displacement),此電位移在金屬線圈與基板之間產(chǎn)生一位移電流(displacement current),此位移電流穿透至低阻抗的基板內(nèi)，形成能量的損耗。此位移電流與電感線圈面積相關(guān)，面積越大，位移電流越大。另一種是來自于電感的時(shí)變電磁場(chǎng)穿透介電質(zhì)，在基板上產(chǎn)生感應(yīng)電流(magnetically induced eddy current),此感應(yīng)電流與電感電流的方向相反，造成能量的損耗。
[0003]當(dāng)電感操作于低頻時(shí)，金屬線圈中的電流會(huì)呈現(xiàn)均勻分布，此時(shí)金屬耗損在低頻時(shí)是來自于金屬線圈的串聯(lián)電阻。當(dāng)電感操作于高頻時(shí)，越靠近內(nèi)圈的金屬線圈產(chǎn)生越強(qiáng)的磁場(chǎng)。強(qiáng)烈的磁場(chǎng)在金屬線圈的內(nèi)圈感應(yīng)出潤狀電流(eddy current),此潤狀電流造成電流不均勻分布，大部分的電流都被推擠到金屬線圈的表面，此現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skineffect)。在趨膚效應(yīng)下，電流流過的金屬截面變小，因此將感受到較大的電阻，而造成品質(zhì)因素Q下降。請(qǐng)參閱圖2，其是現(xiàn)有螺旋狀平面式電感的另一實(shí)施方式。因電感金屬線圈的內(nèi)圈是發(fā)生趨膚效應(yīng)最嚴(yán)重的位置，此種金屬線圈的線寬由外往內(nèi)逐漸變細(xì)的螺旋狀電感(tapered spiral inductor)不但不會(huì)使趨膚效應(yīng)惡化，而且可以縮小電感面積并且降低寄生電容，進(jìn)而提高品質(zhì)因素Q以及電感的自振頻率。但是由于螺旋狀電感在結(jié)構(gòu)上不對(duì)稱，導(dǎo)致電感的中心抽頭(center tap)位置很難決定。再者，此種螺旋狀電感的電感性中心點(diǎn)(inductive center)位置、電容性中心點(diǎn)(capacitive center)位置以及電阻性中心點(diǎn)(resistive center)位置不相同，造成這種螺旋狀的電感不適合作為差動(dòng)電路里的無源元件。
[0004]為了解決上述的問題，現(xiàn)有技術(shù)中便提出一種對(duì)稱式的螺旋狀電感(symmetricspiral inductor)。如圖3所示，其是現(xiàn)有對(duì)稱式螺旋狀電感的結(jié)構(gòu)圖。對(duì)稱式螺旋狀電感300包含多個(gè)金屬線段310 (包含310a?310d)、多個(gè)連接線段320 (包含320a?320c)以及多個(gè)連接結(jié)構(gòu)330。連接線段320亦可稱為跳線(bridge)。所有的金屬線段310a?310d在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上屬于同一層(以淺色表示)，所有的連接線段320a?320c的材質(zhì)為金屬，與金屬線段310a?310d不同層(以深色表示)，圖3中以連接線段320a?320c位于金屬線段310a?310d的下層為例。
[0005]連接線段320用來連接不同的金屬線段310，例如連接線段320a連接金屬線段310a及金屬線段310b、連接線段320b連接金屬線段310b及金屬線段310c以及連接線段320c連接金屬線段310c及金屬線段310d。連接線段320的兩端分別通過連接結(jié)構(gòu)330與金屬線段310連接。連接結(jié)構(gòu)330例如是半導(dǎo)體工藝中的導(dǎo)孔(via)結(jié)構(gòu)，用來連接分屬不同層的元件。對(duì)稱式螺旋狀電感300因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以很容易找到中心抽頭的位置，缺點(diǎn)是必須頻繁地使用連接線段320。當(dāng)要實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有大電感值的電感時(shí)，必須增加對(duì)稱式螺旋狀電感300的圈數(shù)，圈數(shù)增加時(shí)連接線段320的數(shù)目也會(huì)跟著增加。若連接線段320的片電阻大于金屬線段310的片電阻，則對(duì)稱式螺旋狀電感300的品質(zhì)因素Q將會(huì)被連接線段320的阻值以及連接結(jié)構(gòu)330的寄生電阻主宰。
[0006]請(qǐng)參閱圖4A及圖4B，其是現(xiàn)有對(duì)稱式螺旋狀電感的另一結(jié)構(gòu)圖及其局部放大圖。對(duì)稱式螺旋狀電感400包含多個(gè)金屬線段410 (包含410a?410d)、多個(gè)連接線段420 (包含420a?420c)以及多個(gè)連接結(jié)構(gòu)430。與圖3相似，多個(gè)金屬線段410由多個(gè)連接線段420連接。連接線段420的兩端各利用一個(gè)連接結(jié)構(gòu)430來與金屬線段410相連。與圖3不同的是，此實(shí)施例的電感結(jié)構(gòu)為八邊形，相較于圖3的四邊形的結(jié)構(gòu)可以得到更好的感應(yīng)效果。圖4B為對(duì)稱式螺旋狀電感400的部分結(jié)構(gòu)(對(duì)應(yīng)于圖4A的虛線框選區(qū)域)的放大圖。一般而言，連接結(jié)構(gòu)430的截面設(shè)計(jì)為正方形。由于1C設(shè)計(jì)規(guī)則(IC design rule)的限制，連接結(jié)構(gòu)430的寬度不得小于D，而且與金屬線段410b邊緣的距離也不得小于h。也就是說，如果連接結(jié)構(gòu)430的寬度設(shè)計(jì)為D，則金屬線段410b與連接結(jié)構(gòu)430相連接的連接區(qū)域440 (如斜線區(qū)域所示)的寬度W必須大于等于D+2h。舉例來說，如果D為3μπι，h為0.5 μ m，則W不得小于4 μ m。同理，連接線段420b在相對(duì)的位置上也具有一個(gè)連接區(qū)域，用來與連接結(jié)構(gòu)430相連接，該連接區(qū)或的寬度亦不得小于W。一般而言，連接線段420b的寬度即設(shè)計(jì)為此寬度W?，F(xiàn)有的對(duì)稱式螺旋狀電感400把金屬線段410及連接線段420的寬度都設(shè)計(jì)為W，這將限制對(duì)稱式螺旋狀電感400的整體面積，尤其當(dāng)對(duì)稱式螺旋狀電感400為了大的電感值而增加線圈數(shù)時(shí)，整體電感面積的增加將造成寄生電容增大并且降低自振頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的一目的在于提供一種集成電感結(jié)構(gòu)，具有較小的面積以減少寄生電容并提聞品質(zhì)因素Q及自振頻率。
[0008]本發(fā)明公開了一種集成電感結(jié)構(gòu)，包含:一第一金屬線段；一第二金屬線段；以及一連接金屬線段，其兩端分別通過至少一連接結(jié)構(gòu)連接該第一金屬線段及該第二金屬線段；其中，連接后的該第一金屬線段、該連接金屬線段以及該第二金屬線段形成一電感結(jié)構(gòu)，且該連接結(jié)構(gòu)連接于該第一金屬線段的一連接區(qū)域，該第一金屬線段的該連接區(qū)域具有一第一寬度，該第一金屬線段的最小寬度為一第二寬度，該第二寬度小于該第一寬度。
[0009]本發(fā)明另公開了一種集成電感結(jié)構(gòu)，包含:一第一金屬線段；一第二金屬線段；以及一連接金屬線段，用來通過一連接結(jié)構(gòu)連接該第一金屬線段及該第二金屬線段；其中，連接后的該第一金屬線段、該連接金屬線段以及該第二金屬線段形成一電感結(jié)構(gòu)，該連接結(jié)構(gòu)連接于該連接金屬線段的一連接區(qū)域，該連接金屬線段的該連接區(qū)域具有一第一寬度，該連接金屬線段除了該連接區(qū)域以外的最小寬度為一第二寬度，該第二寬度大于該第一寬度。
[0010]本發(fā)明的集成電感結(jié)構(gòu)通過縮減金屬線段的寬度達(dá)到減小集成電感的總面積以降低寄生電容的效果。相較于現(xiàn)有技術(shù)，在提供相同電感值的前提下，本發(fā)明的集成電感結(jié)構(gòu)可以提高電感的自振頻率以及品質(zhì)因素Q。因此當(dāng)操作于相同的頻率，本發(fā)明的集成電感具有更好的品質(zhì)因素Q，而且電感值更穩(wěn)定。
[0011]有關(guān)本發(fā)明的特征、實(shí)施與功效，茲配合附圖作較佳實(shí)施例詳細(xì)說明如下。
【附圖說明】
[0012]圖1為現(xiàn)有螺旋狀平面式電感的一種實(shí)施方式；<