一种半导体片上集成的8字形电感结构及半导体结构制造技术

本发明专利技术用于微电子学领域，提供了一种半导体片上集成的8字形电感结构及半导体结构，电感结构包括位于第一金属层的跳线金属带、位于第二金属层的第一螺旋线圈以及位于第二金属层的第二螺旋线圈，所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的绕制的方向相同；所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈绕制的线圈数均至少为两圈，所述第一螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第一端，所述第二螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第二端，所述第一螺旋线圈的终点连接所述第二螺旋线圈的终点；所述第一螺旋线圈或所述第二螺旋线圈的最外侧的线圈上设置有开口，位于所述开口两端的线圈分别作为所述8字形电感结构的输入端和输出端。

An integrated 8 shaped inductor structure and semiconductor structure on a semiconductor chip

The invention is used in the field of microelectronics, provides a semiconductor chip integrated inductor structure and semiconductor structure figure 8, inductor structure includes a first metal layer of the metal jumper in the first zone, located in the second layer metal spiral coil and is arranged on the second metal layer second helical coil, the first coil and the second coil the winding in the same direction; the first coil and the second coil winding coils are at least two times, starting point of the first spiral coil is connected with the first end of the jumper metal band, starting point the second spiral coil is connected to the second end of the metal belt jumper, the the first spiral coil end point is connected with the second spiral coil end point; the outermost coils of the first coil and the second coil is arranged on the opening The coils at the two ends of the opening are respectively used as the input and output ends of the 8 shaped inductor structure.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体片上集成的8字形电感结构及半导体结构
本专利技术属于微电子学领域，尤其涉及一种半导体片上集成的8字形电感结构及半导体结构。
技术介绍
在射频集成电路（RFIC）压控振荡器（VCO）的工艺中，制作高Q（Q为电感器的品质因数）值，且耐干扰的无源器件非常重要，在片集成电感则是无源器件中最难集成的部分。使用高Q值，且耐干扰的片上集成电感，可以大大提高RFIC模块中VCO的稳定性和电路设计效率。而在硅工艺（CMOS和BiCMOS）的RFIC中，由于衬底电阻率比较低，噪声很容易通过衬底耦合到电感线圈上，导致电感在工作时的稳定性变差，Q值降低。所以，制作高Q值的集成电感尤其具有挑战性，在RFIC的综合器（Synthesizer）的VCO中，迫切需要Q值达到10至15，甚至更高。目前，片上集成电感通常采用螺旋式集成电感，如图1所示，其能够有效解决在硅工艺（CMOS和BiCMOS）的RFIC中，制作集成电感难的问题，其中，PLUS表示正极，MINUS表示负极。使用如图1所示的绕线结构的在片电感，器件本身产生的磁场就是一个大的噪声源，对衬底影响很大，VCO工作在高频状态时，容易引发涡流效应。同时，也容易受外界磁场影响，抗干扰能力差，最终导致VCO工作的稳定性和可靠性变差的问题。图1所示的绕线结构的在片电感在四种不同电感值的情况下的Q值大小如表1所示，此电感器的电磁仿真（InductorEMSimulation）数据提供者为中芯国际SMICFoundry，其中，GDSname表示电感器名称，inductor_v2_1表示电感器一，inductor_v2_2表示电感器二，inductor_v2_3表示电感器三，inductor_v2_4表示电感器四，Ld@5.0GHz表示电感器工作在5.0GHz频率下对应的电感值，Qd@5.0GHz表示电感器工作在5.0GHz频率下对应的品质因数。根据表1所示的数据可知，当VCO工作频率为5.0GHz，电感器的电感值L2＝1.200nH时，对应的品质因数Q2＝9.751，这么低Q值的电感，很难报账集成电路VCO工作的稳定性和可靠性。现有技术中，在片上集成电感也有采用8字形螺旋式集成电感，如图3所示，其能够有效抑制VCO工作在高频状态下的涡流效应，电感本身的抗干扰能力有了进一步的提升。如图2所示的8字形绕线结构的在片电感，跳线次数有3次之多，跳线次数越多，线圈上下层金属交叠面积就越大，由公式（C为电容，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k为静电力常量）可知，寄生电容C跟金属交叠面积S成正比，因此，跳线次数越多，寄生电容C越大；另外，线圈上下层金属之间的连接又是靠接触孔相连，但每个接触孔都是有一定电阻值的，现在有6个接触孔，以致线圈的电阻值R增大。由品质因数公式（ω为频率，R为电阻，C为电容，L为电感）可知，品质因数Q与RC成反比，所以此线圈受自身绕线结构的RC参数的影响，Q值相对较低，最终导致VCO稳定性和可靠性变差的问题。图2所示的绕线结构的在片电感在两种不同电感值L情况下的Q值大小如表2所示，此电感器的电磁仿真（InductorEMSimulation）数据提供者为中芯国际SMICFoundry，其中，inductor_v2_5表示电感器五，inductor_v2_6表示电感器六，Ld@5.0GHz表示电感器工作在5.0GHz频率下对应的电感值，Qd@5.0GHz表示电感器工作在5.0GHz频率下对应的品质因数。根据表2的数据可知，当VCO工作频率为5.0GHz，电感器的电感值L6＝1.200nH时，对应的品质因数Q6＝7.409，这么低Q值的电感，也很难保障集成电路VCO工作的稳定性和可靠性。目前制作在片上集成电感通常采用螺旋式集成电感，由电感值L的计算公式：可知，L值跟很多参数都有关：D为线圈直径；N为线圈匝数；d为线径；H为线圈高度；W为线圈宽度，想制作多大的电感值，就需要调整这些参数来实现。而电感的品质因数，其电感线圈解析模型如图5所示，其中，R为金属线圈本身的串联电阻，Cm为金属线圈件的电容，Cox1和Cox2为金属线圈与衬底间的电容，Rs1和Rs2是衬底本身的寄生电阻，Cs1和Cs2是衬底本身的寄生电容。由电感的品质因数Q的公式可知，Q值是跟线圈电阻R和电容C成反比的。因此，要提高Q值，就必须对线圈的RC参数进行优化，即减少金属线圈本身的串联电阻R，增大衬底本身的电阻率，减少寄生电容，另外，RFIC的VCO在高频状态下工作（至少5GHz以上），涡流效应非常明显，从而导致集成电感Q值严重下降。因此，需要采用某种手段来抑制涡流效应，最直接的方法就是采用高阻衬底（2ΚΩ．·cm），降低衬底的寄生效应，但这种方法与CMOS和BiCMOS工艺不兼容，因为在CMOS和BiCMOS工艺中，衬底的电阻率一般是不会超过30ΚΩ．·cm。因此，片上集成电感的Q值都很低。VCO中的电感器（Inductor）极容易耦合其他部分的Inductor的噪声，而造成VCO的输出频率不稳定，因此需要解决抗干扰能力差的问题。
技术实现思路
本专利技术实施例的目的在于提供一种半导体片上集成的8字形电感结构，旨在解决在CMOS和BiCMOS工艺中，衬底的电阻率低、制作高Q值在片集成电感难的问题。按照本专利技术的一个方面，提供了一种半导体片上集成的8字形电感结构，包括位于第一金属层的跳线金属带、位于第二金属层的第一螺旋线圈以及位于第二金属层的第二螺旋线圈，所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的绕制的方向相同；所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈绕制的线圈数均至少为两圈，所述第一螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第一端，所述第二螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第二端，所述第一螺旋线圈的终点连接所述第二螺旋线圈的终点；所述第一螺旋线圈或所述第二螺旋线圈的最外侧的线圈上设置有开口，位于所述开口两端的线圈分别作为所述8字形电感结构的输入端和输出端。优选地，所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的绕制的方向均为从起点到终点顺时针绕制或从起点到终点逆时针绕制；所述起点位于所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的最内侧的线圈上；所述终点位于所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的最外侧的线圈上。优选地，所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈绕制的线圈数相同。优选地，所述第一金属层位于所述第二金属层的上方。优选地，所述第一螺旋线圈的起点处设置有第一连接通孔，所述第二螺旋线圈的起点处设置有第二连接通孔；所述第一螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第一端的部位为第一连接通孔，所述第二螺旋线圈的起点连接所述跳线金属带的第二端的部位为第二连接通孔。优选地，所述8字形电感结构还包括多个连接点，所述多个连接点设置于所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈上，且关于所述跳线金属带成中心对称；所述第一螺旋线圈和所述第二螺旋线圈的材料包括第一金属和第二金属，所述第一金属的投影范围与所述第二金属的投影范围相同或所述第一金属的投影范围包含所述第二金属的投影范围，所述第一金属通过所述多个连接点与所述第二金属连接。作为进一步优选地，所述第一金属的投影范围包含所述第二金属的投影范围为所述第一金属的部分投影范围与所述第二金属的投影范围相同。优选地，所述第一螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，包括位于第一金属层的跳线金属带（51）、位于第二金属层的第一螺旋线圈（52）以及位于第二金属层的第二螺旋线圈（53），所述第一螺旋线圈（52）和所述第二螺旋线圈（53）的绕制的方向相同；所述第一螺旋线圈（52）和所述第二螺旋线圈（53）绕制的线圈数均至少为两圈，所述第一螺旋线圈（52）的起点连接所述跳线金属带（51）的第一端，所述第二螺旋线圈（53）的起点连接所述跳线金属带（51）的第二端，所述第一螺旋线圈（52）的终点连接所述第二螺旋线圈（53）的终点；所述第一螺旋线圈（52）或所述第二螺旋线圈（53）的最外侧的线圈上设置有开口（54），位于所述开口（54）两端的线圈分别作为所述8字形电感结构的输入端和输出端。

【技术特征摘要】
1.一种半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，包括位于第一金属层的跳线金属带（51）、位于第二金属层的第一螺旋线圈（52）以及位于第二金属层的第二螺旋线圈（53），所述第一螺旋线圈（52）和所述第二螺旋线圈（53）的绕制的方向相同；所述第一螺旋线圈（52）和所述第二螺旋线圈（53）绕制的线圈数均至少为两圈，所述第一螺旋线圈（52）的起点连接所述跳线金属带（51）的第一端，所述第二螺旋线圈（53）的起点连接所述跳线金属带（51）的第二端，所述第一螺旋线圈（52）的终点连接所述第二螺旋线圈（53）的终点；所述第一螺旋线圈（52）或所述第二螺旋线圈（53）的最外侧的线圈上设置有开口（54），位于所述开口（54）两端的线圈分别作为所述8字形电感结构的输入端和输出端。2.如权利要求1所述的半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，所述第一螺旋线圈（52）和所述第二螺旋线圈（53）绕制的线圈数相同。3.如权利要求1所述的半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，所述第一金属层位于所述第二金属层的上方。4.如权利要求1所述的半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，所述第一螺旋线圈（52）的起点处设置有第一连接通孔（55），所述第二螺旋线圈（53）的起点处设置有第二连接通孔（56）；所述第一螺旋线圈（52）的起点连接所述跳线金属带（51）的第一端的部位为第一连接通孔（55），所述第二螺旋线圈（53）的起点连接所述跳线金属带（51）的第二端的部位为第二连接通孔（56）。5.如权利要求1所述的半导体片上集成的8字形电感结构，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志敏，
申请(专利权)人：建荣半导体深圳有限公司，建荣集成电路科技珠海有限公司，珠海煌荣集成电路科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44