CN102751260B - 沿垂直平面延伸的紧凑立式电感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种器件，该器件包括衬底以及衬底上的立式电感器。立式电感器包括金属形成的多个部件，其中每个部件沿垂直于衬底的主表面的多个平面之一延伸。金属线使立式电感器的多个部件中相邻部件互连。本发明还提供了一种沿垂直平面延伸的紧凑立式电感器。

Description

沿垂直平面延伸的紧凑立式电感器
技术领域
本发明涉及半导体领域，更具体地，涉及一种紧凑立式电感器。
背景技术
电感器是很多集成电路(例如射频(RF)电路)中的基本器件。通常，需要电感器具有高电感值。不过，由于需要以较高的芯片面积使用率为代价才能得到高电感，这种要求很难在集成电路中实现。
为了改进电感器的电感，开发了三维电感器，其中在多个金属层中形成电感器，以形成螺旋形，并且使不同金属层中的电感器的部分互连。不过，对这种电感器的进一步改进仍然有局限性，例如，由于金属层和相应半导体衬底之间越来越小的间距，形成虚拟图案的要求，以及半导体衬底中不期望的Eddy电流。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一个方面，提供了一种器件，包括：衬底；以及立式电感器，所述立式电感器在所述衬底上，并且包括：金属形成的多个部件，其中每个所述部件沿垂直于所述衬底的主表面的多个平面之一延伸；以及金属线，所述金属线使所述多个部件中相邻部件互连。
在该器件中，所述多个平面相互平行，或者所述多个部件中每个包括：第一金属层中的第一金属线；第二金属线，所述第二金属线在第一金属层上的第二金属层中，并且垂直地层叠所述第一金属线；以及两个金属柱，所述金属柱使所述第一金属线和所述第二金属线互连，并且与所述第一金属线和所述第二金属线形成准环结构，其中所述准环结构包括其中的间断。
在该器件中，所述多个部件中每个包括螺旋金属部件，其中所述螺旋金属部件的外部环绕所述螺旋金属部件的内部，其中所述多个部件包括：第一部件，所述第一部件包括第一螺旋金属部件；以及第二部件，所述第二部件与所述第一部件相邻，并且包括第二螺旋金属部件，其中所述第一部件和所述第二部件设置成使从所述第一螺旋金属部件的外部流至内部的电流和从所述第二螺旋金属部件内部流至外部的电流相同。
在该器件中，所述多个部件中每个包括矩形结构，所述矩形结构包括具有在所述矩形结构中的间断的金属环，并且其中所述多个部件中每个不包括在所述矩形结构内部的并且与所述矩形结构电连接的部分，其中所述电感器进一步包括：附加立式电感器，所述附加立式电感器在所述衬底上，并且包括：金属形成的多个附加部件，其中每个所述附加部件沿垂直于所述衬底的主表面的多个附加平面之一延伸；以及附加金属线，所述附加金属线使所述多个附加部件中相邻部件互连，其中所述立式电感器和所述附加立式电感器互连以形成单独的电感器。
根据本发明的另一方面，提供了一种器件，包括：衬底；在所述衬底上的多个金属层；以及立式电感器，所述立式电感器包括：金属形成的多个部件；所述多个部件的每个中的螺旋金属部件，其中所述螺旋金属部件包括所述多个金属层中的多个金属线以及使所述多个金属线互连的多个通孔，并且其中所述螺旋金属部件沿垂直于所述衬底的主表面的垂直平面延伸；以及金属线，所述金属线使所述多个部件互连。
在该器件中，所述多个部件的所述螺旋金属部件的轴沿平行于所述衬底的主表面的方向延伸。
在该器件中，所述多个部件包括：第一部件，所述第一部件包括第一螺旋金属部件；以及第二部件，所述第二部件与所述第一部件相邻，并且包括第二螺旋金属部件，其中所述第一部件和所述第二部件设置成使从所述第一螺旋金属部件的外部流至内部的电流与从所述第二螺旋金属部件的内部流至外部的电流相同，或者所述多个部件包括第一部件、第二部件以及在所述第一部件相对侧上的第三部件，并且其中所述器件进一步包括：第一金属线，所述第一金属线连接所述第一部件和所述第二部件；以及第二金属线，所述第二金属线连接所述第二部件和所述第三部件，其中所述第一金属线和所述第二金属线的纵向方向平行于所述衬底的主表面，或者其中，所述多个部件的垂直平面相互平行。
根据本发明的又一方面，提供了一种器件，包括：衬底；以及第一立式电感器，所述第一立式电感器在所述衬底上，并且包括金属形成的第一线圈，其中所述第一线圈的第一轴沿平行于所述衬底的主表面的第一方向延伸。
在该器件中，所述第一线圈包括：多个矩形金属结构，所述多个矩形金属结构沿不同的垂直平面延伸，其中每个所述矩形金属结构包括：第一金属线，所述第一金属线在第一金属层中并且形成矩形的第一侧边；第二金属线，所述第二金属线在所述第一金属层上的第二金属层中，并且形成所述矩形的第二侧边；以及两个金属柱，所述金属柱形成所述矩形的第三侧边和第四侧边，所述器件进一步包括多个金属线，其中所述多个矩形金属结构中相邻矩形金属结构的每一对都通过所述多个金属线之一互连，所述多个矩形金属结构中相邻矩形金属结构的每一对都只通过所述多个金属线之一互连。
该器件进一步包括：第二立式电感器，所述第二立式电感器在所述衬底上，并且包括金属形成的第二线圈，其中所述第二线圈的第二轴沿平行于所述衬底的主表面的第二方向延伸；以及金属线，所述金属线使所述第一立式电感器和所述第二立式电感器互连，以形成单个电感器，其中所述金属线形成所述单个电感器的中心接头。
附图说明
为更完整的理解实施例及其优点，现在结合附图对以下描述做出说明，其中：
图1示出了根据实施例的立式螺旋电感器的立体图；
图2至图3D是图1中立式螺旋电感器的截面图；
图4示出了根据一个可选实施例的立式电感器的立体图；
图5A至图5D是图4中立式电感器的截面图；以及
图6示出了由两个镜像部分形成的立式电感器的立体图，其中每个部分具有图4至图5D中示出的结构。
具体实施方式
下面，详细讨论本发明各实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出了制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制本发明的范围。
根据实施例，提供了立式电感器。随后讨论了该实施例的变型例。在所有附图和描绘的实施例中，相同的参考标号用于表示同样的元件。
图1示出了根据实施例的电感器20的立体图。电感器20包括两个端口22和24。电流(未示出)从端口22流入，并因此流至端口24，并且反之亦然。电感器20形成在衬底26上，该衬底可以是半导体衬底，例如硅衬底、电介质衬底等。在所示的示例性实施例中，电感器20包括部件P1至P4，这些部件通过金属线互连。在可选实施例中，电感器20可以包括更多或更少的部件。
图2示出了图1中示出结构的截面图，其中通过图1中的截面线2-2截取得到该截面图。电感器20包括在多个金属层中形成的部分，在所示的示例性实施例中，该多个金属层被示出为M1(相应管芯/晶片中的底部金属层)至Mtop(相应管芯/晶片中的顶部金属层)。不过，应该注意的是，电感器20可以包括或不包括底部金属层M1和/或顶部金属层Mtop中的部分。
如图2中所示，电感器部件P1至P4被介电区34相互间隔开，其中每个介电区34均包括在多个介电层中的部分，在该多个介电层中形成金属层M1至Mtop。部件P1与部件P2通过金属线36连接。部件P2与部件P3通过金属线38连接。部件P3与部件P4通过金属线40连接。在实施例中，金属线36、38、以及40可以在不同的金属层中，但是它们也可以形成在相同的金属层中。由于金属线36、38、以及40可以在与所示平面不同的平面中，因此用虚线描绘它们。金属线36、38以及40的纵向方向与衬底26的主表面26A平行。
图3A至图3D是图1中示出结构的截面图，其中分别通过图1中的线3A-3A、3B-3B、3C-3C、以及3D-3D所截取的垂直面得到这些截面图。参见图3A，假定电流I1从端口22流至端口24，那么从端口22开始，金属线/焊盘100和通孔102形成了从外侧向内侧旋转(参见箭头106)的螺旋金属部件，直到到达金属线36。
如图3A至图3B所示，通过金属线36(再参见图2)，电感器20的部件P1与部件P2连接。类似地，从金属线36开始，金属线100和通孔102形成了从内侧向外侧(参见箭头108)旋转的螺旋金属部件，直至到达金属线38。如图3B和图3C中所示，通过金属线38(再参见图2)，电感器20的部件P2与部件P3连接。在实施例中，金属线38可以用作中心接头(center tab)，其中可以使中心接头38电连接。
参见图3C，从金属线38开始，金属线100和孔102形成了从外侧向内侧(参见箭头110，假定电流I1流入)旋转的螺旋金属部件，直到到达金属线40。如图3D所示，通过金属线40(再参见图2)，电感器20的部件P3与部件P4连接。此外，在图3D中，从金属线40开始，金属线100和通孔102形成从内侧向外侧(参见箭头112)旋转的螺旋金属部件，直至到达端口24。
在图3A至3D中，螺旋金属部件由金属线/焊盘100和通孔102形成。每个螺旋金属部件可包括具有矩形形状的外金属部件，其中电感器20顶层中的金属线100和电感器20底层中的金属线100形成矩形的两个侧边，以及金属线/焊盘100和通孔102进一步形成柱体104(例如，图3A)，该柱体形成矩形的另外两个侧边。矩形具有间断，以便不会形成环形。而且，为了形成螺旋形状，在内部形成附加金属线100和通孔102，并且与矩形连接。
假定电流I1(图3A和图3D)从端口22流入，并且流至端口24，电流I1在电感器部件P1至P4中沿逆时针方向106/108/110/112流动。反之，如果电流I1从端口24流至端口22，那么电流I1在部件P1至P4中沿逆时针方向流动。部件P1至P4中的每个都沿垂直于衬底26主表面26A的垂直平面延伸，其中在图2中将这些垂直平面示出为平面Plane1至Plane4。相应地，电感器20被称为立式螺旋电感器。而且，假定轴44(再参见图1至图3D)是螺旋金属部件的轴，那么轴44沿平行于衬底26主表面26A的方向延伸。
图4至图5D示出了根据可选实施例的电感器20。除非明确表示相反，这些实施例中的参考标号表示与图1至图3D所示的实施例中相同的元件。除了在每个电感器部件P1至P4中，金属连接件形成单个准环(near-ring)结构，而不是形成螺旋金属部件之外，该实施例与图1至图3D中的实施例类似，除了准环结构中的间断之外，准环结构可以具有矩形形状。每个电感器部件P1至P4沿垂直于衬底26的主平面26A的垂直平面延伸。相应地，图4至图5D中示出的电感器20被称为立式电感器。部件P1至P4互连形成线圈，其中线圈的轴44沿与衬底26的主表面26A平行的方向延伸。
图5A至图5D是图4中示出的结构的截面图，其中分别通过图4中的线5A-5A、5B-5B、5C-5C、以及5D-5D所截取的垂直面得到这些截面图。参见图5A，端口22与电感器20的顶部金属层中的金属线100电连接。由金属线/焊盘100和通孔102形成的金属柱104连接端口22和电感器20的底层中的金属线100。通过另一个金属柱104，该连接件又穿回至与端口22在同一金属层中的金属线100。如图5B中所示，通过金属线36，电感器20的部件P1与部件P2连接。
参见图5B，在部件P2中，金属线36与电感器20的底层中的金属线100电连接，并且该连接件穿回至电感器20的顶层中的金属线38。如图5C所示，通过金属线38，电感器20的部件P2与部件P3连接。
如图5C中所示，在部件P3中，金属线38与电感器20的底层中的金属线100通过金属柱104电连接，金属线38又进一步通过另一个金属柱104和电感器20的顶层中的金属线100与金属线40连接。如图5D中所示，通过金属线40，电感器20的部件P3与部件P4连接，其中金属线40进一步通过电感器20顶层和底层中的金属线100并且通过金属柱104，与端口24电连接。可以发现，如果电流I2从端口22流入，电流I2沿逆时针方向在每个部件P1至P4中流动，直到流至端口24。相反地，如果电流从端口24流入，该电流将会沿着顺时针方向在每个部件P1至P4中流动。
比较图3A中图3D与图5A至图5D，可以发现，图3A至图3D和图5A至图5D的相应电感器的部件中可以包括准环结构。准环结构由电感器20的顶层和底部金属层中的金属线以及其间的金属柱形成。而且，如图3A至图3D和图5A至图5D中所示，每个电感器部件P1至P4可以包括矩形金属部件，该矩形金属部件包括形成矩形的两个侧边的两条金属线，以及形成矩形的另外两个侧边的金属柱104。
如图4中所示，电感器20是非对称电感器，其中端口22和24沿不同方向延伸。图6示出了对称电感器120的立体图，其包括互连形成电感器120的电感器50和52。图4中示出的电感器50的结构与电感器20的结构可以基本相同。电感器52的结构可以是或不是电感器50的镜像。电感器52可以具有轴44’，该轴与电感器50的轴44平行，并且平行于衬底26的主表面26A。金属线54使电感器部分52和50互连。在该实施例中需要中心接头，金属线54可以用作中心接头，并且金属线56与金属线54连接。
通过形成立式电感器，可以改进电感密度，使其超过传统螺旋电感器，这种传统螺旋电感器的平面(在该平面中设置相应的匝数/半匝数)与相应的半导体衬底的主表面平行。仿真结果显示，如果采用图1中所示的实施例，可以在50×100um2的芯片区域中，得到电感约为0.6nH的电感器。如果采用图4和图6中的实施例，那么电感值将会分别高至约0.45nH(在50×100um2的芯片区域中)和约0.9nH(在100×100um2的芯片区域中)。作为对比，为了达到约0.6nH，传统螺旋电感器需要约50×200um2。因此，这些实施例具有改进的电感密度。可以理解，根据线路，电感密度值可以与以上介绍的结果略有差别。
仿真结果还显示出图1中示出的实施例的Q值约为7。因此，图1中示出的结构具有较高的电感值和适中的Q值，并且适于高频应用。如果需要较高的Q值，可以采用图4和图6中的实施例，其中的相应Q值可以达到约16至17。
根据实施例，器件包括衬底以及衬底上的立式电感器。该立式电感器包括金属形成的多个部件，其中每个部件沿垂直于衬底的主表面的多个平面之一延伸。金属线使该立式电感器的多个部件中的相邻部件互连。
根据其他实施例，器件包括衬底、衬底上的多个金属层、以及立式电感器。该立式电感器包括金属形成的多个部件，以及多个部件的每一个中的螺旋金属部件。该螺旋金属部件包括多个金属层中的多个金属线，以及使多个金属线互连的多个通孔。螺旋金属部件沿垂直于衬底的主表面的垂直平面延伸。金属线使该多个部件互连。
仍是根据其他实施例，器件包括衬底、以及衬底上的立式电感器。该立式电感器包括金属形成的线圈，其中线圈的轴沿与衬底的主表面平行的方向延伸。
尽管已经详细地描述了实施例及其优势，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的实施例主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。而且，本申请的范围并不仅限于本说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员应理解，通过公开，现有的或今后开发的用于执行与根据本公开所采用的所述相应实施例基本相同的功能或获得基本相同结果的工艺、机器、制造，材料组分、装置、方法或步骤根据本发明可以被使用。相应地，所附权利要求应该包括在这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤的范围内。此外，每条权利要求构成单独的实施例，并且多个权利要求和实施例的组合在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种电感器件，包括：
衬底；以及
立式电感器，所述立式电感器在所述衬底上，并且包括：
金属形成的多个部件，其中每个所述部件沿垂直于所述衬底的主表面的多个平面之一延伸，所述多个部件中的每个部件都具有所述部件的第一相对位置中的输入端和所述部件的第二相对位置中的输出端；以及
多个直金属线，所述多个直金属线均平行于所述衬底的主表面，并且将所述多个部件中的相应一个的所述输出端与所述多个部件中的相邻一个的所述输入端互连；
其中，所述多个部件中的每个部件的第一输入端在所述部件中的相对位置不同于没有通过所述多个直金属线之一与所述第一输入端连接的所述多个部件中的其他部件的输入端和输出端的位置；
其中，所述多个部件中的每个部件的输出端的位置在所述多个平面的相应平面内被设置在不同于所述多个部件中的其他部件的非互连的输入端和输出端的位置处。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个平面相互平行。
3.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个部件中每个包括：
第一金属层中的第一金属线；
第二金属线，所述第二金属线在第一金属层上的第二金属层中，并且垂直地层叠所述第一金属线；以及
两个金属柱，所述金属柱使所述第一金属线和所述第二金属线互连，并且与所述第一金属线和所述第二金属线形成准环结构，其中所述准环结构包括其中的间断。
4.根据权利要求1所述的器件，其中所述多个部件中每个包括螺旋金属部件，其中所述螺旋金属部件的外部环绕所述螺旋金属部件的内部。
5.根据权利要求4所述的器件，其中所述多个部件包括：
第一部件，所述第一部件包括第一螺旋金属部件；以及
第二部件，所述第二部件与所述第一部件相邻，并且包括第二螺旋金属部件，其中所述第一部件和所述第二部件设置成使从所述第一螺旋金属部件的外部流至内部的电流和从所述第二螺旋金属部件内部流至外部的电流相同。
6.一种电感器件，包括：
衬底；
在所述衬底上的多个金属层；以及
立式电感器，所述立式电感器包括：
金属形成的多个部件；
所述多个部件的每个中的螺旋金属部件，其中所述螺旋金属部件包括所述多个金属层中的多个金属线以及使所述多个金属线互连的多个通孔，并且其中所述螺旋金属部件沿垂直于所述衬底的主表面的垂直平面延伸，所述螺旋金属部件中的相邻螺旋金属部件具有相同的电流流动方向；以及
金属线，所述金属线使所述多个部件中的相邻部件互连；
第一端口，设置在所述多个部件中的第一部件中；以及
第二端口，设置在所述多个部件中的第二部件中，所述多个部件中的所述第二部件不同于所述多个部件中的所述第一部件；
其中，所述多个部件中的每个部件的第一输入端在所述部件中的相对位置不同于没有通过所述多个直金属线之一与所述第一输入端连接的所述多个部件中的其他部件的输入端和输出端的相对位置；
其中，所述电感器被配置为将来自所述第一端口的电流传输至所述第二端口，并且其中，所述第一端口设置在所述立式电感器与所述第二端口的相同侧，所述第一端口和所述第二端口从平行于所述垂直平面的所述电感器延伸。
7.根据权利要求6所述的器件，其中所述多个部件的所述螺旋金属部件的轴沿平行于所述衬底的主表面的方向延伸。
8.根据权利要求6所述的器件，其中所述多个部件包括：
第一部件，所述第一部件包括第一螺旋金属部件；以及
第二部件，所述第二部件与所述第一部件相邻，并且包括第二螺旋金属部件，其中所述第一部件和所述第二部件设置成使从所述第一螺旋金属部件的外部流至内部的电流与从所述第二螺旋金属部件的内部流至外部的电流相同。
9.根据权利要求6所述的器件，其中所述多个部件包括第一部件、第二部件以及在所述第一部件相对侧上的第三部件，并且其中所述器件进一步包括：
第一金属线，所述第一金属线连接所述第一部件和所述第二部件；以及
第二金属线，所述第二金属线连接所述第二部件和所述第三部件，其中所述第一金属线和所述第二金属线的纵向方向平行于所述衬底的主表面。
10.根据权利要求6所述的器件，其中所述多个部件的垂直平面相互平行。
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