降低片上电感和片上天线串连电阻的方法技术

本发明专利技术属于微电子技术领域，具体为一种降低片上电感和片上天线串联电阻的方法。该方法用标准集成电路工艺，通过设计多电流路径降低电流拥挤效应，从而改进片上电感性的性能。设计多电流路径，就是（１）在同一平面内，将常规设计的单线圈金属劈成多股线条并联；（２）上下两层之间的金属线围绕其间的绝缘层缠绕，使得电流能够与每股的横界面积成正比的流入，降低由于趋肤效应和临近效应随着频率的增加而增大的电感串连电阻的幅度，从而提高电感的品质因数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微电子
，涉及一种用标准集成电路工艺设计高性能片上电感和片上天线的方法，具体涉及一种降低片上电感和片上天线串联电阻的方法。
技术介绍
半导体工艺迅猛发展，单片集成电路已经成为可能。由于单片集成电路固有的低功耗、高性能、低成本、高成品率等一系列的优点使得原来的片外元件(如电感)等，片内实现成为一个研究的热点。在变压器耦合式射频识别当中，标签芯片的片上天线本质上是一个电感。它的作用包括接收读写起发送电磁波的能量以及与读写起之间交换信息。标签芯片正常工作需要天线提供一定的电压值，该电压值与天线的品质因数以及天线开路的电压V0成正比。而V0在芯片的面积以及磁感应强度确定后就是固定值。由于芯片的面积十分小，接收的能量和天线开路感应电压不大。这意味着片上天线的品质因数对于天线提供芯片正常的工作电压起着关键作用。高频质因数的片上天线是设计的一个难点和重点。下面就电感的串联电阻电感(片上天线)品质因数影响进行论述。电感的品质因素的基本定义是电感Q1在一个周期内存储能量和损耗能量的比值 电感的损耗包括1)电感金属线圈的欧姆损耗；2)衬底损耗；3)电磁场的辐射等。电感金属的欧姆损耗指电感串连寄生电阻，以热能的形式损耗掉电感的电能。电感的串连电阻是其品质因数低的一个主要原因。在直流电路中，均匀导线横截面上的电流是均匀的。但是在交流电路中，随着频率的增加，在导线横截面上的电流分布越来越向导线的表面集中。这种现象叫做趋肤效应。趋肤效应使有效的横截面积减小了，从而使它的等效电阻增加了。为了定量描述趋肤效应的大小，引入趋肤深度的感念。令d代表从导体表面算起的深度，电流密度j为j＝j0e-d/δj0代表导体表面的电流密度；δ是一个具有长度量纲的量，它代表电流密度j已减少到j0的1/e时的深度，叫做趋肤深度(δ)。δ=2ωμμ0σ=503fμσ]]>趋肤深度与频率f、电导率σ和磁导率μ的平方根成反比。定性的看，交流电的频率越高，感生的电动势越大；导体的电导率越大，产生的涡流也就越大。这都会使趋肤效应显著，即趋肤深度变小。电感的电流会随着频率的增大集中在电感金属的表层.由于一般衬底都是接地，这样电感线圈的电流会向下表层集中。解决的方法一般是工艺厂商增大表层的金属厚度，但是增大到一定程度后，由于趋肤深度的缘故，厚度对于串连金属电阻的降低逐渐趋于平缓。同样，将多层金属通过大量的通孔连接起来的方法，不但增大了电感对衬底的寄生电容，降低了电感的自激振荡频率，而且电流会向底层金属集中，对于高频情形，同样不能起着很好的降低电感串连金属电阻的作用。在邻近效应中，不管这段金属线中有没有电流流过，由相邻金属线产生的交流磁场会在这段金属线中引起涡流。这些涡流的存在使金属线中的电流分布不均匀，在最外圈的电感金属中，外边缘的电流大，内边缘的电流小；内圈，内边缘的原电流方向和涡流方向相同而增大，外边缘的原电流和涡流方向相反而减小，在极端情况下涡流甚至大于原电感的电流出现电流的反方向，但是有效的电感串连金属电阻大大增加，这种情况越接近电感的中心越强烈，所以一般采用中空的电感，而且圈数有限；还有一种方法就是采用不等宽的金属线条，在内圈的金属线条相对比较窄的方法增大线圈之间的耦合。该种方法本质上没有降低电感的串联电阻。在金属的横界面积小的时候，电流拥挤效应弱。但是小的横界面积意味着大的串连电阻。为此需要将小的横截面积金属在电流流入和流出的时候并联。也就是说将原来一股大横界面积金属，变成多股横截面积小的金属并联形式。由于线圈是多边形或者圆形参绕的，即便是相同的横界面积的金属股并联，同一圈的不同金属股的阻抗也不同。在同一圈小半径的金属股的阻抗小于同一圈大半径的金属股的阻抗。还有由于上下金属层的物理环境不同，即使金属结构完全相同，阻抗也不会完全一致。多股线之间的阻抗不同使得电流不能按照金属的横界面积分配电流，进而降低了多股线对电流拥挤效应抑制的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于标准集成电路工艺的降低片上电感和片上天线串联电阻的方法。该方法可抑制电流拥挤效应，降低电感的串连金属电阻随着频率的增加幅度，减小金属损耗，提高片上电感的品质因数。以往的方法是采用中空或者内圈的金属线条比较窄的方法，每个线圈的金属都是完整的一个金属线条。采用多层金属并联的时候，往往采用大量的通孔连接。本专利技术采用基于标准集成电路工艺的多电流路径的方法，其步骤是(1)将一个宽的金属线圈分成窄线条的多股线并联；(2)利用集成电路多层互连线，采用上下两层互连线围绕两层间的绝缘层缠绕。这样保证每股金属线的物理环境一样，长度相同，进而使金属线的阻抗与其横界面积一致。从而使得电流能够与每股的横界面积成正比的流入，降低由于趋肤效应和临近效应随着频率的增加而增大的电感串连电阻的幅度，从而提高电感的品质因数。(3)再进行整体的缠绕。如其他的单股金属丝缠绕片上电感的结构一样，或是叠层或是螺旋。这样在一圈轴向上的实际圈数就是2。上下两层的金属的电压差比较小，寄生电容小。也可以上下层分别并联其他金属层次，更加可以作为整体多层并联串联类似结构，以及套筒式缠绕等方式实现三维的电流多路径结构。上述方法中，金属线围绕两层间的绝缘层的缠绕，可以是紧密缠绕，即多股线沿着绝缘层缠绕的时候，两邻的两个线圈之间是紧密的，没有间距；也可以间隔缠绕的方式，就是多股线沿着绝缘层缠绕的时候，相邻的两个线圈之间不是紧密的而是具有一定的距离，用于下一圈的金属线缠绕(见附图4所示)。这样在同一个缠绕绝缘层就可以实现多电感线圈。附图说明图1为金属互连线电感的标准CMOS层次关系示例。图2为常规方法设计的电感示例。图3为8股线的单线圈螺旋缠绕示意图。图4为4股线两线圈间隔缠绕示意图。图5为螺旋缠绕的电感某股线的金属线段的几何参数示意图。图中标号20为金属，21为第二层金属，22为通孔，30为8股并联的单线圈的一部分，31为被分成8股的缠绕金属线，32为上下螺旋参绕的上层金属，33为上下螺旋缠绕的下层金属，34为两层金属之间的绝缘层，35为上下两层金属之间连接的通孔，40为电感第一圈，41为电感第二圈，42为上下缠绕的底层金属，43为上下缠绕的顶层金属，44为两层金属之间的绝缘层，45为上下两层金属之间连接的通孔，50为电感某股线的金属线段。具体实施例方式下面结合附图示例进一步具体描述本专利技术。图1金属互连线电感的标准CMOS层次关系示例；不同的金属层次可以通过通孔连接起来，实现电感线圈的并联或者串连结构。下面就以这个工艺为例设计多电流路径降低电感电流拥挤效应的方法图2是常规方法设计的中空单端平面螺旋电感，有3圈，每圈的金属20都是单独的一根，由金属④和金属③采用大量的通孔22并联连接。内圈的端口通过第二层金属21连接出来。(1)紧密螺旋缠绕方法图3是8股线的单线圈螺旋参绕示意图。将一个分成多股的金属丝，金属丝的宽度和间距相等，在一个扁平的长方体上通过通孔缠绕的方法保证每一股金属丝的阻抗相等。两层金属丝缠绕成一个电感线圈。再进行整体的缠绕，就如其他的单股金属丝缠绕片上电感的结构一样，或是叠层或是螺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低片上电感和片上天线串连电阻的方法，其特征在于采用基于标准集成电路工艺的多电流路径的方法，具体步骤如下：（１）将一个宽的金属线圈分成窄线条的多股线并联；（２）利用集成电路多层互连线，采用上下两层互连线围绕两层间的绝缘层缠绕；（３）再进行整体的缠绕。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：菅洪彦，
申请(专利权)人：上海坤锐电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]