專利名稱：降低片上電感和片上天線串連電阻的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于微電子技術領域，涉及一種用標準集成電路工藝設計高性能片上電感和片上天線的方法，具體涉及一種降低片上電感和片上天線串聯(lián)電阻的方法。
背景技術：
半導體工藝迅猛發(fā)展，單片集成電路已經(jīng)成為可能。由于單片集成電路固有的低功耗、高性能、低成本、高成品率等一系列的優(yōu)點使得原來的片外元件(如電感)等，片內實現(xiàn)成為一個研究的熱點。
在變壓器耦合式射頻識別當中，標簽芯片的片上天線本質上是一個電感。它的作用包括接收讀寫起發(fā)送電磁波的能量以及與讀寫起之間交換信息。標簽芯片正常工作需要天線提供一定的電壓值，該電壓值與天線的品質因數(shù)以及天線開路的電壓V0成正比。而V0在芯片的面積以及磁感應強度確定后就是固定值。由于芯片的面積十分小，接收的能量和天線開路感應電壓不大。這意味著片上天線的品質因數(shù)對于天線提供芯片正常的工作電壓起著關鍵作用。高頻質因數(shù)的片上天線是設計的一個難點和重點。下面就電感的串聯(lián)電阻電感(片上天線)品質因數(shù)影響進行論述。
電感的品質因素的基本定義是電感Q1在一個周期內存儲能量和損耗能量的比值 電感的損耗包括1)電感金屬線圈的歐姆損耗；2)襯底損耗；3)電磁場的輻射等。電感金屬的歐姆損耗指電感串連寄生電阻，以熱能的形式損耗掉電感的電能。電感的串連電阻是其品質因數(shù)低的一個主要原因。
在直流電路中，均勻導線橫截面上的電流是均勻的。但是在交流電路中，隨著頻率的增加，在導線橫截面上的電流分布越來越向導線的表面集中。這種現(xiàn)象叫做趨膚效應。趨膚效應使有效的橫截面積減小了，從而使它的等效電阻增加了。
為了定量描述趨膚效應的大小，引入趨膚深度的感念。令d代表從導體表面算起的深度，電流密度j為j＝j0e-d/δj0代表導體表面的電流密度；δ是一個具有長度量綱的量，它代表電流密度j已減少到j0的1/e時的深度，叫做趨膚深度(δ)。
δ=2ωμμ0σ=503fμσ]]>趨膚深度與頻率f、電導率σ和磁導率μ的平方根成反比。定性的看，交流電的頻率越高，感生的電動勢越大；導體的電導率越大，產(chǎn)生的渦流也就越大。這都會使趨膚效應顯著，即趨膚深度變小。
電感的電流會隨著頻率的增大集中在電感金屬的表層.由于一般襯底都是接地，這樣電感線圈的電流會向下表層集中。解決的方法一般是工藝廠商增大表層的金屬厚度，但是增大到一定程度后，由于趨膚深度的緣故，厚度對于串連金屬電阻的降低逐漸趨于平緩。同樣，將多層金屬通過大量的通孔連接起來的方法，不但增大了電感對襯底的寄生電容，降低了電感的自激振蕩頻率，而且電流會向底層金屬集中，對于高頻情形，同樣不能起著很好的降低電感串連金屬電阻的作用。
在鄰近效應中，不管這段金屬線中有沒有電流流過，由相鄰金屬線產(chǎn)生的交流磁場會在這段金屬線中引起渦流。這些渦流的存在使金屬線中的電流分布不均勻，在最外圈的電感金屬中，外邊緣的電流大，內邊緣的電流?。粌热?，內邊緣的原電流方向和渦流方向相同而增大，外邊緣的原電流和渦流方向相反而減小，在極端情況下渦流甚至大于原電感的電流出現(xiàn)電流的反方向，但是有效的電感串連金屬電阻大大增加，這種情況越接近電感的中心越強烈，所以一般采用中空的電感，而且圈數(shù)有限；還有一種方法就是采用不等寬的金屬線條，在內圈的金屬線條相對比較窄的方法增大線圈之間的耦合。該種方法本質上沒有降低電感的串聯(lián)電阻。
在金屬的橫界面積小的時候，電流擁擠效應弱。但是小的橫界面積意味著大的串連電阻。為此需要將小的橫截面積金屬在電流流入和流出的時候并聯(lián)。也就是說將原來一股大橫界面積金屬，變成多股橫截面積小的金屬并聯(lián)形式。由于線圈是多邊形或者圓形參繞的，即便是相同的橫界面積的金屬股并聯(lián)，同一圈的不同金屬股的阻抗也不同。在同一圈小半徑的金屬股的阻抗小于同一圈大半徑的金屬股的阻抗。還有由于上下金屬層的物理環(huán)境不同，即使金屬結構完全相同，阻抗也不會完全一致。多股線之間的阻抗不同使得電流不能按照金屬的橫界面積分配電流，進而降低了多股線對電流擁擠效應抑制的效果。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種基于標準集成電路工藝的降低片上電感和片上天線串聯(lián)電阻的方法。該方法可抑制電流擁擠效應，降低電感的串連金屬電阻隨著頻率的增加幅度，減小金屬損耗，提高片上電感的品質因數(shù)。
以往的方法是采用中空或者內圈的金屬線條比較窄的方法，每個線圈的金屬都是完整的一個金屬線條。采用多層金屬并聯(lián)的時候，往往采用大量的通孔連接。
本發(fā)明采用基于標準集成電路工藝的多電流路徑的方法，其步驟是(1)將一個寬的金屬線圈分成窄線條的多股線并聯(lián)；(2)利用集成電路多層互連線，采用上下兩層互連線圍繞兩層間的絕緣層纏繞。這樣保證每股金屬線的物理環(huán)境一樣，長度相同，進而使金屬線的阻抗與其橫界面積一致。從而使得電流能夠與每股的橫界面積成正比的流入，降低由于趨膚效應和臨近效應隨著頻率的增加而增大的電感串連電阻的幅度，從而提高電感的品質因數(shù)。(3)再進行整體的纏繞。如其他的單股金屬絲纏繞片上電感的結構一樣，或是疊層或是螺旋。這樣在一圈軸向上的實際圈數(shù)就是2。上下兩層的金屬的電壓差比較小，寄生電容小。也可以上下層分別并聯(lián)其他金屬層次，更加可以作為整體多層并聯(lián)串聯(lián)類似結構，以及套筒式纏繞等方式實現(xiàn)三維的電流多路徑結構。
上述方法中，金屬線圍繞兩層間的絕緣層的纏繞，可以是緊密纏繞，即多股線沿著絕緣層纏繞的時候，兩鄰的兩個線圈之間是緊密的，沒有間距；也可以間隔纏繞的方式，就是多股線沿著絕緣層纏繞的時候，相鄰的兩個線圈之間不是緊密的而是具有一定的距離，用于下一圈的金屬線纏繞(見附圖4所示)。這樣在同一個纏繞絕緣層就可以實現(xiàn)多電感線圈。


圖1為金屬互連線電感的標準CMOS層次關系示例。
圖2為常規(guī)方法設計的電感示例。
圖3為8股線的單線圈螺旋纏繞示意圖。
圖4為4股線兩線圈間隔纏繞示意圖。
圖5為螺旋纏繞的電感某股線的金屬線段的幾何參數(shù)示意圖。
圖中標號20為金屬，21為第二層金屬，22為通孔，30為8股并聯(lián)的單線圈的一部分，31為被分成8股的纏繞金屬線，32為上下螺旋參繞的上層金屬，33為上下螺旋纏繞的下層金屬，34為兩層金屬之間的絕緣層，35為上下兩層金屬之間連接的通孔，40為電感第一圈，41為電感第二圈，42為上下纏繞的底層金屬，43為上下纏繞的頂層金屬，44為兩層金屬之間的絕緣層，45為上下兩層金屬之間連接的通孔，50為電感某股線的金屬線段。
具體實施例方式
下面結合附圖示例進一步具體描述本發(fā)明。
圖1金屬互連線電感的標準CMOS層次關系示例；不同的金屬層次可以通過通孔連接起來，實現(xiàn)電感線圈的并聯(lián)或者串連結構。下面就以這個工藝為例設計多電流路徑降低電感電流擁擠效應的方法圖2是常規(guī)方法設計的中空單端平面螺旋電感，有3圈，每圈的金屬20都是單獨的一根，由金屬④和金屬③采用大量的通孔22并聯(lián)連接。內圈的端口通過第二層金屬21連接出來。
(1)緊密螺旋纏繞方法圖3是8股線的單線圈螺旋參繞示意圖。將一個分成多股的金屬絲，金屬絲的寬度和間距相等，在一個扁平的長方體上通過通孔纏繞的方法保證每一股金屬絲的阻抗相等。兩層金屬絲纏繞成一個電感線圈。再進行整體的纏繞，就如其他的單股金屬絲纏繞片上電感的結構一樣，或是疊層或是螺旋。這樣在一圈當中沿著軸向(圖3的Z方向)的實際圈數(shù)就是2。上下兩層的金屬的電壓差比較小，寄生電容小?？梢陨舷聦臃謩e并聯(lián)其他金屬層次，更加可以作為整體多層并聯(lián)串聯(lián)類似結構等方式實現(xiàn)三維的電流多路徑結構。
圖3的金屬線的幾何參數(shù)定義為m每同一平面金屬線包含股的數(shù)目；N電感金屬線圈的數(shù)目；n金屬線在平面絕緣層上纏繞的圈數(shù)；tl第l層金屬和第l+1層金屬連接的通孔長度；α金屬線和整體的金屬線圈軸線的夾角；ws單股金屬線的寬度；s相鄰兩個同向的單股金屬之間的間距；wl被分成多股的纏繞金屬線寬度；wt單圈電感的寬度；lt(i)第i圈電感或者電感的第i部分長度；通過上面的定義以及圖3的實例就可以得到各個參量之間的關系wl＝m(ws+s)-swt＝l0tan(α)lt(i)＝nwlls(i)＝n(l0+2tl)從圖3可見上下兩層的相連的金屬中電流方向的夾角是2α-π。這個夾角越大越好，使得上下兩層之間的電流方向一致性加強，也就是加強了上下兩層的正互感。該種結構的金屬線條的股的數(shù)目可以根據(jù)具體的情況來確定，比較靈活。例如，可以為3-20股，較多的為5-10股。
(2)間隔纏繞方法在上面的結構基礎上還可以進一步推廣，采用金屬線間隔纏繞的方式。這樣在同一個纏繞絕緣層就可以實現(xiàn)多電感線圈。圖4就是一個兩線圈間隔纏繞示意圖，每個線圈具有4股(也可以為更多，例如4-10股)金屬線。這樣的纏繞上下兩層的相連的金屬中電流方向的夾角是(2α-π)/Nd。其中，Nd表示同一絕緣層間隔纏繞的金屬線圈數(shù)。
(3)金屬線寬設計前面的圖示只是一個電感線段的一部分，要實現(xiàn)多邊形和圓形，才能增大線圈的正互感。這里提出一種設計方法金屬線的間距不變，靠近外圈的金屬線寬度增大，金屬線是梯形的非等寬線段。以圓電感為例，見圖5，O代表圓心。梯形上(W0)下(W1)的寬度比和該線段對應的線圈內半徑RI以及線圈之間的間距s的關系為WO+sWI+s=RI+WtRI]]>該電感線圈的金屬線在絕緣層上纏繞的數(shù)目n和寬度以及半徑的關系為n=πRIWI+s]]>最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
權利要求
1.一種降低片上電感和片上天線串連電阻的方法，其特征在于采用基于標準集成電路工藝的多電流路徑的方法，具體步驟如下(1)將一個寬的金屬線圈分成窄線條的多股線并聯(lián)；(2)利用集成電路多層互連線，采用上下兩層互連線圍繞兩層間的絕緣層纏繞；(3)再進行整體的纏繞。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述上下兩層互連線圍繞兩層間的絕緣層纏繞分為緊密纏繞和間隔纏繞兩種方式。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于金屬線為梯形的非等寬線段，靠近外圈的金屬線寬度增大，金屬線的間距不變。
全文摘要
本發(fā)明屬于微電子技術領域，具體為一種降低片上電感和片上天線串聯(lián)電阻的方法。該方法用標準集成電路工藝，通過設計多電流路徑降低電流擁擠效應，從而改進片上電感性的性能。設計多電流路徑，就是(1)在同一平面內，將常規(guī)設計的單線圈金屬劈成多股線條并聯(lián)；(2)上下兩層之間的金屬線圍繞其間的絕緣層纏繞，使得電流能夠與每股的橫界面積成正比的流入，降低由于趨膚效應和臨近效應隨著頻率的增加而增大的電感串連電阻的幅度，從而提高電感的品質因數(shù)。
文檔編號H01L21/98GK1728359SQ20051002759
公開日2006年2月1日 申請日期2005年7月7日 優(yōu)先權日2005年7月7日
發(fā)明者菅洪彥 申請人:上海坤銳電子科技有限公司