專利名稱：具有高電感性和高品質因子的多層螺旋電感器結構的制作方法
技術領域：
本發明關于一種以多層集成電路技術所形成的高電感性和高品質因子的多層螺旋電感器結構。特別地，本發明關于一種具有至少三層以上螺旋線圈的電感器而且螺旋線圈的連接方式是依循下層螺旋線圈的邊緣端連接中層螺旋線圈的邊緣端而中層螺旋線圈的中心端連接上層螺旋線圈的中心端。因此，電流在每層螺旋線圈內流動方向是保持相同方向。
美國專利號第5,446,311號專利描述了一個使用現今集成電路技術所制造的傳統螺旋電感器。如
圖1所示，為了減少金屬導線的串聯電阻，該電感器結構藉由介層窗插塞數組(via plug array)將鄰近金屬層并聯連接一起來增加整體金屬總厚度。如圖1所示，該第一金屬層1橫跨在該螺旋線圈2的下方，其一端點作為連接外部的電路而另一端點連接上層螺旋線圈的中心端5。每層螺旋線圈采用平行并聯方式將層層螺旋線圈連接在一起。
一般來說，電感器具有很高的品質因子(quality factor，Q)即代表此電感器為一優良的電感器。這個品質因子高低數值會與電感器的電感(L)、其寄生電容、電阻值以及輸入頻率這些參數相關。該電感器若具有高電阻的螺旋線圈或大寄生電容皆會降低該電感器的品質因子。在該先前技術的電感器中，其平行并聯而成厚金屬螺旋線圈雖然可降低其串聯電阻，但相對地增加電感器的面積以及伴隨電感器結構的寄生電容。大面積的電感器不僅限制集成電路布局設計而且所引起的寄生電容會減低該電感器的自身共振頻率。
美國專利號第5,6564,849號專利的傳統螺旋電感器采用上層螺旋線圈的中心端與下層螺旋線圈的中心端連接的設計而使電流在2層螺旋線圈內以相同方向流動。由于上下二層螺旋線圈的電流方向是相同，所以，先前技術的優點是該螺旋電感器設計可產生更多磁通量進而形成較高的電感。不過，先前技術的缺點是只能有二層螺旋線圈的電感器。該二層螺旋線圈的電感器設計，在固定電感器面積之限制下，無法同時增加電感又增加品質因子特性。為了提高品質因子數值(Q)，螺旋電感器設計傾向減少寄生電容而使電感器所占面積愈小愈好。在另一方面，為了增加電感(L)，電感器必需設計許多螺旋線圈的圈數。一旦增加螺旋線圈數，又會增大電感器面積。為了改善前案缺點，本發明的優點是可設計同時有小的電感器面積而增加品質因子且兼顧增加電感。例如，射頻集成電路需要一些具有相當大電感和良好品質因子的電感器。這種大電感值大約估計需18圈螺旋線圈數。若依據美國專利號第5,446,311號前案，該電感器會是18圈螺旋線圈數的旋線圈電感器。若依據美國專利號第5,6564,849號前案，該電感器會設計出大約9圈螺旋線圈數的2層螺旋線圈電感器。本發明可設計僅3圈螺旋線圈數的3層螺旋線圈電感器。這會有效地減少電感器面積而增加品質因子且兼顧增加電感。
本發明提供了一種以多層集成電路技術所形成的高電感性和高品質因子的多層螺旋電感器結構。本發明的電感器結構可包括至少3層螺旋線圈圖形有相同電流方向用于改善前案缺點。第一層螺旋線圈邊緣端藉由介層窗插塞連接第二層螺旋線圈邊緣端，而第二層螺旋線圈中心端亦藉由介層窗插塞連接第三層螺旋線圈中心端。因為本發明使用反射與旋轉變換而產生每層螺旋圖形相對于相鄰下一層螺旋線圈圖形有旋轉角度但不改變電感器面積，所以本發明的電感器可以相當小的電感器面積而達到高電感性和高品質因子的效果。
圖1為依據美國專利號第5,446,311號專利所顯示的傳統螺旋電感器平面圖。
圖2是以圖解式表示方形電感器結構，其上層螺旋線圈相對于下層螺旋線圈以不同旋轉角度旋轉而整體電感器結構指被限制在一圓形虛線范圍內。
圖3是以平面圖顯示在凹槽內的第一層金屬橫跨接線和第一層螺旋線圈形。
圖4是以平面圖顯示第二層螺旋線圈相對于第一層螺旋線圈旋轉45角度而且第一層螺旋線圈邊緣端藉由介層窗插塞與第二層螺旋線圈邊緣端相連接。
圖5是以平面圖顯示第三層螺旋線圈相對于第二層螺旋線圈旋轉45角度而且第二層螺旋線圈中心端藉由介層窗插塞與第三層螺旋線圈中心端相連接。
圖6是以平面圖顯示第三層螺旋線圈相對于第二層螺旋線圈旋轉45角度之后，而形成與第一層螺旋線圈相同的螺旋線圈形。
圖7是以截面圖顯示本發明在圖6沿A-B線的結構。
本發明是關于一種高電感性和高品質因子的多層螺旋電感器結構。請參見圖2，根據本發明的多層螺旋線圈結構形成一圓形虛線范圍10內，其中以圖解式表示第一層螺旋線圈12、第二層螺旋線圈14、以及第三層螺旋線圈16。基本上，這些邊長為a的方形螺旋線圈圖型皆具有幾乎相同布局面積，但彼此卻有不同的旋轉角度，并且多層螺旋線圈圖型皆被限制在一直徑大約為a的圓形虛線范圍10內。因此，本發明的電感器布局設計能在每層螺旋線圈產生相同順時針或逆時針電流方向，而該多層螺旋線圈電感器結構不用增加電感器面積就能提高電感值。在多層螺旋線圈下方設計一凹槽區域用以減少在第一層螺旋線圈與基板之間所產生的寄生電容。
根據本發明的實施例之一，如圖3所示，該第一金屬層22橫跨在第一螺旋線圈24的下方，其中一端點作為連接金屬墊而另一端點連接上層螺旋線圈的中心端。第一螺旋線圈24是由第二金屬層(M2)所形成而且可藉由介層窗插塞23連接第一金屬層22。如圖4所示，第二螺旋線圈26是由第三金屬層(M3)所形成而且可藉由介層窗插塞25連接第一螺旋線圈24。第一螺旋線圈圖型具有與第二螺旋線圈圖型幾乎相同布局面積。不過，第二螺旋線圈圖型相對于第一螺旋線圈圖型中心旋轉45度。第二螺旋線圈布局設計使用二種圖型變換-----反射(鏡射)和旋轉變換相對于螺旋線圈中心。根據在圖4的電感器結構，電流可從金屬墊20流到另一端金屬墊30或相反從金屬墊30流到另一端金屬墊20。例如，從金屬墊20輸入電流，流經金屬橫跨線22與介層窗插塞，然后，流向第一螺旋線圈24。當電流流入該第一螺旋線圈時，該電流方向是沿著順時針方向。之后，電流再藉由介層窗插塞25流向屬于第三金屬層的第二螺旋線圈26。同樣地，電流在第二螺旋線圈26內流動方向也是沿著順時針方向。最后，電流流到最上一層金屬線28橫跨連接金屬墊而另一端點藉由介層窗插塞連接第二螺旋線圈26的中心。如圖4所示，第一螺旋線圈數是3圈以及第二螺旋線圈數也是3圈。以整體而言，圖4的電感器結構是相當于有6圈螺旋線圈數且皆具有相同電流方向。
根據本發明的另一實施例，如圖5所示，第三螺旋線圈288是由第四金屬層(M4)所形成而且可藉由介層窗插塞27連接第二螺旋線圈26。該第三螺旋線圈圖型相對于第二螺旋線圈圖型中心做反射(鏡射)和旋轉變換而旋轉45度。圖6所顯示出全部三層螺旋線圈的電感器具有四層金屬結構平面圖。因為經過二次反射(鏡射)和旋轉變換后，該第三螺旋線圈圖型又與第一螺旋線圈圖型相同重疊。若在線內電流是沿著順時針方向流動，電流藉由介層窗插塞流入第三螺旋線圈也是沿著順時針方向流動。最后，電流流出第三螺旋線圈的邊緣端再流到金屬墊或連接外部電路。因為每層螺旋線圈是串聯連接一起，圖6的實施例的電感器整體而言，大致上有9圈螺旋線圈以相同電流方向流動。
圖7是顯示本發明的圖6實施例沿A-B線橫切的截面圖結構。首先，使用黃光顯影與干蝕刻技術在基板上形成一凹槽圖型。為了提高基板阻值以增加品質因子數值，采用離子植入技術加入與基板雜質電性相反的雜質離子。例如，N型基板電性則使用P型雜質離子植入方式。在介電質材料61填滿凹槽圖型之后，接著使用化學機械研磨(CMP)技術將凹槽與基板區域一同磨平。然后，一隔離層31厚度沉積在凹槽與基板區域上。或是另一種制造方法是不用沉積一隔離層而是直接使用介電質材料61做為第一金屬層與基板之間的隔離層。在該制造方法過程中，化學機械研磨(CMP)技術可控制有幾千埃或更厚達到幾萬埃厚度的介電質材料61留在基板區域上而不被研磨去掉。對于改善品質因子數值，凹槽的深度設計是愈深愈好，這能減少電感器與基板間的寄生電容。
然后，第一金屬層濺鍍沉積在第一隔離層31之上，再使用黃光顯影與干蝕刻技術蝕刻第一金屬層而形成一金屬橫跨線22。第二隔離層33接著沉積在第一金屬層與第一隔離層31上。第一介層窗插塞23形成后是用來將該金屬橫跨線22與第一螺旋線圈24相連接。所有介層窗插塞設計可采取鎢制程或鋁制程。第三介層窗插塞27形成后是用來將第二螺旋線圈26與第三螺旋線圈288相連接。其余介層窗插塞51、52、和53設計用來做為電流通路連接金屬墊和該金屬橫跨線22的另一端點。為了減少金屬螺旋線圈間的寄生電容，所有隔離層材質最好是采用介電常數小于4介電材質。
本發明的多層螺旋電感器，由于使用多層集成電路技術可以延伸至更多金屬層結構。例如，使用二種圖型變換---反射(鏡射)和旋轉變換將第二螺旋線圈相對于第一螺旋線圈中心旋轉45度。如此一來，第一螺旋線圈的邊緣端藉由介層窗插塞與第二螺旋線圈的邊緣端相連接而該第二螺旋線圈的中心端以介層窗插塞與第三螺旋線圈的中心端相連接。因為第三螺旋線圈相對于第一螺旋線圈中心旋轉45度二次，最后第三螺旋線圈圖型位置方向與第一螺旋線圈圖型相重疊。因此，本發明的多層螺旋電感器，依據反射(鏡射)和旋轉變換的多層結構設計，能夠具備很高電感(high-L)。
為了提高品質因子數值，電感器也在基板上設計凹槽制程以減少電感器與基板間的寄生電容。第一金屬層是用來形成金屬橫跨線連接到第二金屬層的第一螺旋線圈。由于在第一螺旋線圈下方共有三種介電質材料層(31、33、和61)，全部厚度增加可以減少寄生電容進而提高品質因子數值。本發明的另一實施例也可設計金屬旋線圈層之間可相隔若干金屬層。例如，第二金屬層沒有螺旋線圈圖型而第一螺旋線圈與第二螺旋線圈分別由第三金屬層與第五金屬層所制造產生。因此，上層螺旋圈與下層螺旋線圈之間隔離層厚度增加，同樣地減少寄生電容進而提高品質因子數值。
權利要求
1.一種形成在基材上的高電感和高品質因子的多層螺旋電感器結構，應用于射頻電路，采用多層集成電路技術，包括一第一隔離層，形成在該基材上；一第一階層金屬橫跨線配置在該第一隔離層，然后，第二隔離層形成在該第一隔離層上及該第一階層金屬線上；一具有N1圈之第一層螺旋線圈配置在該第二隔離層上與該第一階層金屬橫跨線上方，然后，第三隔離層形成在該第二隔離層上及該第二階層金屬線上；一具有N2圈的第二層螺旋線圈配置在該第三隔離層上與該第一層螺旋線圈上方而且以反射與旋轉變換相對于第一層螺旋線圈中心旋轉一角度，然后，第四隔離層形成在該第三隔離層上及該第三階層金屬線上；一具有N3圈第三層螺旋線圈配置在該第三隔離層上與該第二層螺旋線圈上方而且以反射與旋轉變換相對于第二層螺旋線圈中心旋轉一角度，然后，第五隔離層形成在該第四隔離層上及該第四階層金屬線上；第一層螺旋線圈邊緣端藉由介層窗插塞與第二層螺旋線圈邊緣端相連接而且第二層螺旋線圈中心端藉由介層窗插塞與第三層螺旋線圈中心端相連接，因此，電流在該三層螺旋線圈內流動方向是相同的。
2.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該電感器采用m層的導體線的多層集成電路技術，m是自然數，表示金屬導體線層數；并且多層螺旋線圈連接方式依序重復一種連接碼-----第(3n-1)層螺旋線圈邊緣端藉由介層窗插塞與第(3n)層螺旋線圈邊緣端相連接而且第(3n)層螺旋線圈中心端藉由介層窗插塞與第(3n+1)層螺旋線圈中心端相連接，其中，n＝1，2，3，……。
3.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，每層電感螺旋線圈的圈數可以相同不同。
4.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該電感器結構的最上一層金屬層包括做為橫跨該螺旋線圈的上方，其一端點作為連接外部的電路或金屬墊而另一端點連接下層螺旋線圈的一端。
5.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該相鄰二螺旋線圈彼此相對地旋轉45度。
6.如權利要求2所述的電感器結構，其特征在于，該相鄰二螺旋線圈彼此相對地旋轉360/(m-1)度產生整體對稱圖形或旋轉不同角度。
7.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，一凹槽，在該第一隔離層形成之前，先形成在該基板內。
8.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該所有隔離層材質包括二氧化硅。
9.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該所有隔離層材質包括介電常數小于4介電材質。
10.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該螺旋線圈導體材質包括鋁、銅、或金。
11.如權利要求1所述的電感器結構，其特征在于，該介層窗插塞材質包括鎢或鋁。
12.如權利要求7所述的電感器結構，其特征在于，在凹槽內加入離子植入制程使基板凹槽內阻值提高。
全文摘要
本發明提供一種多層集成電路技術所制造的高電感性和高品質因子的多層螺旋電感器結構。該電感器上層螺旋線圈的一端藉由介層窗插塞與下層螺旋線圈的一端相連接。每層螺旋線圈的連接方式可依循一組螺旋線圈連接碼——下層螺旋線圈的邊緣端連接中層螺旋線圈的邊緣端而中層螺旋線圈的中心端連接上層螺旋線圈的中心端。因此,電流在每層螺旋線圈內流動方向是保持相同方向。該電感器結構具有愈多層螺旋線圈亦具有更高電感性。
文檔編號H01F17/00GK1378220SQ01112320
公開日2002年11月6日 申請日期2001年3月29日 優先權日2001年3月29日
發明者劉萍 申請人:華邦電子股份有限公司