集成電感結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是關(guān)于集成電感結(jié)構(gòu)，尤其是關(guān)于提供高質(zhì)量因素(quality faCtor)Q、大帶寬及良好對稱性的集成電感結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]芯片內(nèi)電感(on-chip inductor)為一種集成電感結(jié)構(gòu),常以螺旋狀呈現(xiàn)。請參閱圖1，其是現(xiàn)有的非對稱式螺旋狀電感(asymmetric spiral inductor)。非對稱式螺旋狀電感100包含螺旋狀的金屬線段110 (淺灰色部分)，以及金屬線段120 (深灰色部分)。金屬線段110與金屬線段120在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中分屬不同的金屬層，圖1中以金屬線段110在上層且金屬線段120在下層為例。金屬線段110與金屬線段120通過連接結(jié)構(gòu)130互相連接。連接結(jié)構(gòu)130例如是半導(dǎo)體工藝中的導(dǎo)孔(via)結(jié)構(gòu)。請參閱圖2，其系圖1的非對稱式螺旋狀電感100的結(jié)構(gòu)剖面圖。最下層為基板210，其上為氧化層220。金屬線段120包含于氧化層220中，而金屬線段110則位于氧化層120的上方。連接結(jié)構(gòu)130以導(dǎo)孔數(shù)組(via array)的形式在氧化層220的表面形成多個(gè)通孔，連接上層的金屬線段110及下層的金屬線段120。一般而言，金屬線段120利用位于氧化層220中的最上層的超厚金屬層(ultra thick metal, UTM)制作,其常見的材料為銅,而金屬線段110則利用位于氧化層220之上的重布線層(re-distribut1n layer, RDL)制作,其常見的材料為招銅合金。更詳細(xì)地，氧化層220為半導(dǎo)體制層的鈍化(passivat1n)程序中所形成的保護(hù)層，其材料通常為二氧化硅(Si02)或氮化硅(SiN3)。
[0003]金屬線段110卷繞成3層線圈。當(dāng)需要增加非對稱式螺旋狀電感100的電感值時(shí)，通常會(huì)使其線圈數(shù)增加。線圈數(shù)的增加除了導(dǎo)致非對稱式螺旋狀電感100的面積增加之外，非對稱式螺旋狀電感100的寄生串聯(lián)電阻(parasitic series resistance)以及寄生電容(parasitic capacitance)亦會(huì)增加,如此將造成非對稱式螺旋狀電感100的自振頻率(self-resonant frequency)及質(zhì)量因素Q下降。此外，金屬耗損(metal loss)以及基板耗損(substrate loss)也是影響質(zhì)量因素Q的重要因素。金屬耗損是由于金屬本身的阻值所導(dǎo)致?；搴膿p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。位移電流與電感線圈面積有關(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。
[0004]由于非對稱式螺旋狀電感在結(jié)構(gòu)上不對稱，導(dǎo)致電感的中心抽頭(center tap)位置很難決定。再者，非對稱式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,造成非對稱式螺旋狀電感不適合作為差動(dòng)電路里的被動(dòng)組件。請參閱圖3，其系現(xiàn)有對稱式螺旋狀電感。對稱式螺旋狀電感300可以粗略地劃分為內(nèi)部及外部。金屬線段310包含外部的左側(cè)部分以及整個(gè)內(nèi)部，金屬線段330包含外部的右側(cè)部分。金屬線段310及金屬線段330兩者在結(jié)構(gòu)上屬于同一金屬層(以深灰色表示)，且兩者之間以屬于另一金屬層(以淺灰色表示)的跨接金屬線段320連接。內(nèi)部的中間部分連接中央抽頭340，中央抽頭340與金屬線段310及跨接金屬線段320位于不同層。金屬線段310與跨接金屬線段320之間、跨接金屬線段320與金屬線段330之間，以及金屬線段310與中央抽頭340之間分別以連接結(jié)構(gòu)350、連接結(jié)構(gòu)360及連接結(jié)構(gòu)370連接，該些連接結(jié)構(gòu)可以上述的導(dǎo)孔實(shí)施。對稱式螺旋狀電感300的優(yōu)點(diǎn)在于對稱性佳，所以中央抽頭340的位置容易決定。中央抽頭340的端點(diǎn)342分別與金屬線段310的端點(diǎn)312及金屬線段330的端點(diǎn)332形成電感，理想上兩電感應(yīng)具有相近似的電感值，但實(shí)際上從電流的導(dǎo)通路徑來分析，則得到不理想的結(jié)果。從端點(diǎn)332流向中央抽頭340的電流(如圖中的虛線所表示)依序流經(jīng)外部的右側(cè)部分(即金屬線段330)、連接結(jié)構(gòu)360、跨接金屬線段320、連接結(jié)構(gòu)350以及內(nèi)部的左側(cè)部分；反觀從端點(diǎn)312流向中央抽頭340的電流只流經(jīng)外部的左側(cè)部分以及內(nèi)部的右側(cè)部分。一般來說，不同層的金屬具有不同的阻值，且連接結(jié)構(gòu)也會(huì)造成阻值的增加。因此實(shí)際上，對稱式螺旋狀電感300的兩個(gè)電感的電感值有不小的差異。當(dāng)兩者應(yīng)用于如圖4所示的壓控振蕩器(voltage controlled oscillator, VCO)的電感410及電感420時(shí)，不對稱的電感值將造成此差動(dòng)(differential)電路有共模(common mode)現(xiàn)象的產(chǎn)生,影響電路的穩(wěn)定度。
[0005]此外，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)部的金屬線圈產(chǎn)生越強(qiáng)的磁場。強(qiáng)烈的磁場在金屬線圈的內(nèi)部感應(yīng)出潤狀電流(eddy current),此潤狀電流造成電流不均勻分布，大部分的電流被推擠到金屬線圈的表面，此現(xiàn)象稱為集膚效應(yīng)(skin effect)。在集膚效應(yīng)的影響下，電流流過的金屬截面變小，因此將感受到較大的電阻，而造成質(zhì)量因素Q下降。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于先前技術(shù)之不足，本發(fā)明之一目的在于提供一種螺旋狀的集成電感結(jié)構(gòu)，以提供高質(zhì)量因素Q、大帶寬及良好對稱性之集成電感。
[0007]本發(fā)明揭露了一種集成電感結(jié)構(gòu)，包含:一外部金屬線段；一內(nèi)部金屬線段，位于該外部金屬線段所圍繞的區(qū)域中；至少一跨接金屬線段，用來連接該外部金屬線段與該內(nèi)部金屬線段；以及至少一連接結(jié)構(gòu)，用來連接該跨接金屬線段與該外部金屬線段或該內(nèi)部金屬線段；其中，該外部金屬線段與該內(nèi)部金屬線段在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上屬于不同之金屬層。
[0008]本發(fā)明另揭露了一種集成電感結(jié)構(gòu)，包含:一外部金屬線段，包含一第一子金屬線段與一第二子金屬線段；一內(nèi)部金屬線段，位于該外部金屬線段所圍繞的區(qū)域中，包含一第三子金屬線段與一第四子金屬線段；以及至少一連接結(jié)構(gòu)，用來連接該外部金屬線段與該內(nèi)部金屬線段；其中，該第一子金屬線段對應(yīng)該第三子金屬線段，且兩者在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上屬于不同之金屬層，該第二子金屬線段對應(yīng)該第四子金屬線段，且兩者在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上屬于不同之金屬層。
[0009]本發(fā)明另揭露了一種集成電感結(jié)構(gòu)，包含:一第一螺旋狀電感；以及一第二螺旋狀電感，連接于該第一螺旋狀電感；其中，該第一螺旋狀電感或該第二螺旋狀電感的外部金屬線段與內(nèi)部金屬線段中，相對應(yīng)的子金屬線段在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上屬于不同的金屬層。
[0010]本發(fā)明的集成電感結(jié)構(gòu)有助減少金屬線段之間的寄生電容以及金屬線段與基板之間的寄生電容，以提升集成電感之質(zhì)量因素Q及帶寬。尤其當(dāng)工藝愈先進(jìn)、組件尺寸愈小時(shí)，愈能突顯本發(fā)明的功效。除此之外，本發(fā)明還提高了對稱式螺旋狀電感的對稱度，使本發(fā)明之對稱式螺旋狀電感更適合作為差動(dòng)電路里的被動(dòng)組件。
[0011]有關(guān)本發(fā)明的特征、實(shí)作與功效，茲配合圖式作較佳實(shí)施例詳細(xì)說明如下。
【附圖說明】
[0012][圖1]為現(xiàn)有的非對稱式螺旋狀電感；
[0013][圖2]為圖1之非對稱式螺旋狀電感100的結(jié)構(gòu)剖面圖；
[0014][圖3]為現(xiàn)有的對稱式螺旋狀電感；
[0015][圖4]為現(xiàn)有的壓控振蕩器的電路圖；
[0016][圖5]為本發(fā)明的對稱式螺旋狀電感之一實(shí)施例的示意圖；
[0017][圖6]為現(xiàn)有對稱式螺旋狀電感300的橫截面圖；
[0018][圖7]為本發(fā)明對稱式螺旋狀電感500的橫截面圖；
[0019][圖8]為圈數(shù)為2圈的對稱式螺旋狀電感結(jié)構(gòu)當(dāng)其內(nèi)部金屬線段與外部金屬線段制作于相同或不同金屬層的質(zhì)量因素Q與頻率的關(guān)系圖；
[0020][圖9]為本發(fā)明與現(xiàn)有的集成電感于28nm工藝且半徑r等于60μ m之質(zhì)量因素Q與頻率之關(guān)系圖；
[0021 ][圖10]為本發(fā)明與現(xiàn)有的集成電感于28nm工藝且半徑r等于45 μ m之質(zhì)量因素Q與頻率之關(guān)系圖；
[0022][圖11]為本發(fā)明與現(xiàn)有的集成電感于55nm工藝且半徑r等于45μ m之質(zhì)量因素Q與頻率的關(guān)系圖；
[0023][圖12]為本發(fā)明的對稱式螺旋狀電感的另一實(shí)施例的示意圖；
[0024][圖13]為本發(fā)明利用不同金屬層制作集成電感之一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；
[0025][圖14]為本發(fā)明利用不同金屬層制作集成電感的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；
[0026][圖15]為本發(fā)明利用不同金屬層制作集成電感的另一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)圖；
[0027][圖16]為本發(fā)明的非對稱式螺旋狀電感的一實(shí)施例的示意圖；
[0028][圖17]為本發(fā)明的非對稱式螺旋狀電感的另一實(shí)施例的示意圖；
[0029][圖18]為本發(fā)明的相連接的非對稱式螺旋狀電感之一實(shí)施例的示意圖；
[0030][圖19]為本發(fā)明的相連接的