專利名稱：高品質(zhì)因數(shù)集成電感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高頻集成電路的電感器。
串聯(lián)電阻是電感結(jié)構(gòu)中固有的。硅工藝所形成的電感結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電阻決定了工作頻率增加時(shí)工作的損耗。損耗會(huì)減小電感的品質(zhì)因數(shù)Q，即電感中電抗與串聯(lián)電阻的比值(當(dāng)用一定的拓?fù)浣o電感結(jié)構(gòu)建模時(shí))。減小頻率增加時(shí)串聯(lián)電阻的增加或使其增加最小(具有對(duì)電感器Q值的伴隨效應(yīng))是通過(guò)增加電感器中電流流過(guò)的截面積實(shí)現(xiàn)的。截面積的增加可通過(guò)增加形成電感器的導(dǎo)電通路的金屬化厚度或?qū)挾?，或兩者都增加?lái)實(shí)現(xiàn)。
電感器所顯示出來(lái)的隨寬度W或深度D的增加而提高的Q值在直流時(shí)實(shí)際與較低的頻率成線性關(guān)線。當(dāng)工作頻率增加時(shí)，流過(guò)電感器通路整個(gè)截面積的電流卻趨于下降。此后的電流傾向于在電感器截面的外邊沿(即周邊)流過(guò)，如

圖1A中所示的L10。這樣的電流遵從所謂“趨膚效應(yīng)”原理。
所制成的用于集成電路中的電感器通常為螺旋形。圖1B給出的是在硅襯底22上用鋁導(dǎo)體24制成的常規(guī)螺旋電感器L20的一部分。圖1C給出導(dǎo)體24的導(dǎo)電通路的截面部分。W和L分別代表導(dǎo)體的寬和長(zhǎng)，D代表其深度。L是組成電感器導(dǎo)電通路的各段長(zhǎng)度L1，L2，…LN的總和。由于導(dǎo)電通路是螺旋形的(盡管由截面圖看不清楚)，電流引起的磁場(chǎng)往往使得電流沿螺旋型導(dǎo)電通路內(nèi)邊或短邊(陰影所示)流過(guò)。由于這些邊沿效應(yīng)，頻率增加時(shí)，在某一特定點(diǎn)之外增加寬度W(因而增加截面積)就不再顯示出電感器Q值的相應(yīng)提高。導(dǎo)電通路的厚度或深度D必須增加或相鄰圈之間的磁耦合必須增加以提供所需Q值。
本發(fā)明提供一種為半導(dǎo)體應(yīng)用制造的電感器，其顯示出用常規(guī)集成電感器制造技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的增加的自感和提高的Q值。因此，根據(jù)本發(fā)明所述制成的電感器可在約100MHz到10GHz以上的頻率范圍使用。工作時(shí)，本發(fā)明的電感結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出的Q值在大約2到15的范圍內(nèi)。
對(duì)于制成具有一定圈數(shù)N的螺旋形電感結(jié)構(gòu)，附加這里所描述的磁性材料芯，會(huì)使該結(jié)構(gòu)的電感更高。換句話說(shuō)，在本發(fā)明的電感結(jié)構(gòu)中可使用較少的圈數(shù)(相對(duì)已有技術(shù)的電感結(jié)構(gòu))，還能得到相似的電感值。由于在根據(jù)本發(fā)明所述制成的結(jié)構(gòu)中使用了較少的圈數(shù)，該結(jié)構(gòu)中的寄生電容也較低。
一方面是，構(gòu)成電感結(jié)構(gòu)導(dǎo)電通路的相鄰金屬流道間互感被增加。此外，導(dǎo)電通路具有的串聯(lián)電阻保持固定，即幾乎不隨頻率的增加下降。這保證頻率變化時(shí)Q值穩(wěn)定或得到提高。結(jié)構(gòu)的布置包括在形成電感器導(dǎo)電通路的金屬流道上沉積一部分高磁導(dǎo)率的磁性材料，最好是一層。
磁性材料層又被進(jìn)一步整理以提供低磁阻通路并使通路各部分間的磁耦合最大，同時(shí)給磁芯中產(chǎn)生的渦流提供高電阻通路。這種布置使得結(jié)構(gòu)的電感最大同時(shí)又使磁芯中產(chǎn)生的影響電感器Q值的渦流損耗最小。最好是，高磁導(dǎo)率磁性材料與電感結(jié)構(gòu)作為其一部分的集成電路沒(méi)有任何電連接。據(jù)信制作高磁導(dǎo)率磁性材料層的工藝與現(xiàn)有硅生產(chǎn)工藝可兼容。
圖1A是先前技術(shù)的矩形導(dǎo)體的截面；圖1B是用常規(guī)硅生產(chǎn)技術(shù)制成的螺旋電感器的一部分的平面圖；圖1C是用常規(guī)生產(chǎn)技術(shù)制成的螺旋電感器部分導(dǎo)電通路的截面圖；圖2A是本發(fā)明的螺旋集成電感結(jié)構(gòu)的平面圖；圖2B是圖2A中的部分螺旋導(dǎo)體的截面圖；圖3A、3B和3C是包括在本發(fā)明中的各種形式的高磁導(dǎo)率磁性材料層的平面圖。
本發(fā)明所提供的電感結(jié)構(gòu)是用于高頻半導(dǎo)體集成電路的。對(duì)于形成電感器的導(dǎo)電通路所固有的固定值的串聯(lián)電阻，這種電感結(jié)構(gòu)的電感得到提高。電感的提高使得本發(fā)明的品質(zhì)因數(shù)Q在甚高頻時(shí)的值為10到16，這用以前的技術(shù)是不能實(shí)現(xiàn)的。如這里所述制成的電感器的工作范圍從大約100MHz到10GHz。
圖2A和2B分別給出幾個(gè)構(gòu)成本發(fā)明電感結(jié)構(gòu)L30的螺旋導(dǎo)電通路的導(dǎo)電元件21、22、23、24、25的螺旋和截面部分。導(dǎo)電通路可置于襯底材料(如半導(dǎo)體材料、襯底材料或介電材料)上或襯底材料中。非導(dǎo)電襯底的一個(gè)例子是砷化鎵(GaAs)，通常被描述為半絕緣材料。
在距離導(dǎo)電通路無(wú)件X處放置一段高磁導(dǎo)率的磁性材料30，并用一層介電材料32將其隔開(kāi)。高磁導(dǎo)率磁性材料最好是平面型的并且提供一條低磁阻通路，其在有電流通過(guò)的兩相鄰流道間引起感生互感。正如從圖中所看到的，高磁導(dǎo)率磁性材料不與集成電路中所包含電路的任何部分電連接。
高磁導(dǎo)率材料板30(平板或芯)的使用(如上所述)是有利的，但也在半導(dǎo)體電路中引入了麻煩。在磁性材料中會(huì)產(chǎn)生渦流，其以熱損的方式損耗能量。當(dāng)通過(guò)構(gòu)成層30的固體磁性物質(zhì)(如鐵)的磁通量變化時(shí)就會(huì)感生出渦流。
現(xiàn)在參考圖2C，在圖2C的右邊(條22-24)流入紙平面而在圖2C的左邊(圖25-27)流出紙平面的交變電流產(chǎn)生影響磁芯30的變化的磁通量。通量場(chǎng)用環(huán)形箭頭標(biāo)出，標(biāo)明通量方向。磁通量在磁性材料(磁芯30)中感生出與感生磁通量相當(dāng)?shù)碾娏鳌?br> 當(dāng)變化的磁通量密度高時(shí)，渦流對(duì)相當(dāng)一部分功耗負(fù)責(zé)。渦流損耗與頻率的平方和最大通量密度的平方有關(guān)。
為使鐵芯變壓器中的渦流(和與之相關(guān)的損耗)減至最小，鐵芯用與磁通方向平行放置的成組薄片構(gòu)成。如圖3A、3B和3C所示，施加變化的磁通量(相對(duì)中孔，指向或穿出紙平面)在磁芯材料30的平面中感生出凈電流。感生電流用環(huán)形箭頭指示。因而，感生渦流就產(chǎn)生與所加的變化磁通量相反的隨時(shí)間變化的磁通量(由紙平面指向外邊)。感生的渦流垂直于變化的磁通量的方向。結(jié)果，感生渦流就可通過(guò)將磁芯分成薄片減至最小。相應(yīng)地，環(huán)形渦流的通路就受到了限制，整個(gè)磁性材料中的渦流損耗也就減少了。
示于圖3A的平板磁芯30的形狀包括一大致在中央的矩形孔。矩形孔可減少關(guān)于中心相對(duì)的兩邊上的通路間不希望有的磁耦合。然而，這種設(shè)計(jì)沒(méi)有涉及與渦流的產(chǎn)生有關(guān)的問(wèn)題。圖3B給出由于上述原因分成楔形并且中央有孔的磁芯(即最佳實(shí)施例的平面型磁芯)。這種設(shè)計(jì)既減少了不想要的耦合又相對(duì)圖3A的設(shè)計(jì)減少了渦流損耗。圖3C給出采用多條磁性材料構(gòu)成的磁芯。這種設(shè)計(jì)相對(duì)圖3B進(jìn)一步減小了渦流損耗。磁性材料條最好與形成電感器導(dǎo)體的金屬流道所形成的線成直角(正交)。
這里所描述的僅是對(duì)本發(fā)明原理的應(yīng)用的說(shuō)明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以實(shí)現(xiàn)其它的布置和方法但沒(méi)有脫離本發(fā)明的精神或范圍。
權(quán)利要求
1.一種在襯底中形成的電感結(jié)構(gòu)，其可與半導(dǎo)體集成電路相集成，包括a)電導(dǎo)體，其提供在所述襯底上制成螺旋平面圖案的導(dǎo)電通路，其中所述通路的相鄰段是大致平行的；b)磁芯性材料芯，其位于所述平面圖形上以便在所述相鄰段內(nèi)由電流感生的互感被磁芯增加，在所述磁芯內(nèi)產(chǎn)生的渦流損耗的量是受控的。
2.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述磁芯由高磁導(dǎo)率材料制成。
3.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述磁芯被布置成中間不連續(xù)狀以減少所述螺旋平面圖案各段間不希望有的電感的誘因。
4.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述磁芯包括四個(gè)電隔離的楔形部分，所述四個(gè)部分被安置成中間不連續(xù)狀以減少置于所述螺旋形對(duì)邊上的所述導(dǎo)電通路段中不希望出現(xiàn)的電感誘因，并減少所述磁芯中的渦流損耗。
5.權(quán)利要求4定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述楔形部分由多條磁性材料構(gòu)成以進(jìn)一步減小所述結(jié)構(gòu)中的渦流損耗。
6.權(quán)利要求5所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中將多個(gè)條形磁性材料放置得大致與述導(dǎo)電通路的相鄰段成直角。
7.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述磁芯是平板型的。
8.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其還包括一塊置于所述圖形上的介電材料以將所述圖形與所述磁芯隔離開(kāi)。
9.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述襯底由下列之一構(gòu)成半導(dǎo)體、非導(dǎo)體和介電材料。
10.權(quán)利要求1所定義的電感結(jié)構(gòu)，其中所述圖形和所述磁芯的安排使得能提供直到大約12GHz的高頻工作。
11.一種包括襯底材料和電感結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體集成電路，所述電感結(jié)構(gòu)還包括a)一電導(dǎo)體，其在所述襯底上以螺旋平面圖形的形式提供一導(dǎo)電通路，其中所述導(dǎo)電通路的相鄰段大致平行；b)一磁性材料芯，其置于所述平面圖形上，以使在相鄰導(dǎo)電元件中引起感生互感的增加，并且在所述磁芯中，所述磁芯中適量的渦流損耗被控制。
12.權(quán)利要求11所定義的電路，其中所述磁芯由高磁導(dǎo)率磁性材料構(gòu)成。
13.權(quán)利要求11所述電路，其中所述磁芯被安排得中間不連續(xù)以減少置于所述圖形對(duì)邊的所述螺旋平面圖形段中不希望出現(xiàn)的電感的誘因。
14.權(quán)利要求11所述的電路，其中所述磁芯包括四個(gè)電隔離的楔形部分，所述四部分被布置成中間不連續(xù)狀以減少置于所述螺旋圖形對(duì)邊上的所述導(dǎo)電通路段中不希望出現(xiàn)的電感的誘因，并減少所述磁芯中的渦流損耗。
15.權(quán)利要求14所述的電路，其中所述楔形設(shè)計(jì)部分由多條磁性材料構(gòu)成以進(jìn)一步減少所述結(jié)構(gòu)中的渦流損耗。
16.權(quán)利要求15所述的電路，其中所述多個(gè)磁性材料條被放置成大致與相鄰的所述導(dǎo)電通路段成直角。
17.權(quán)利要求11所定義的電路，其中所述磁芯是平板型的。
18.權(quán)利要求11所定義的電路，其還包括一塊置于所述圖形上的介電材料以將所述圖形與所述磁芯電隔離。
19.權(quán)利要求9所定義的電路，其中放置所述圖形和所述磁芯是為保證高頻率時(shí)的工作。
20.權(quán)利要求11所定義的電路，其中所述襯底由下列之一構(gòu)成半導(dǎo)體，非導(dǎo)體和介電材料。
21.權(quán)利要求11所定義的電路，其中放置所述圖形和所述磁芯是為保證直到12GHz的高頻工作。
全文摘要
提供一種在高頻時(shí)顯出自感增加和Q值提高的電感結(jié)構(gòu)。改進(jìn)之處在于靠近電感結(jié)構(gòu)放置適量的磁性材料以增加電感器有電流流過(guò)的導(dǎo)電通路相鄰部分間的互感。
文檔編號(hào)H01L27/04GK1132918SQ9512020
公開(kāi)日1996年10月9日 申請(qǐng)日期1995年12月4日 優(yōu)先權(quán)日1994年12月6日
發(fā)明者科克·波頓·阿仕比, 伊科諾莫茨·A·科里亞斯 申請(qǐng)人:美國(guó)電報(bào)電話公司