[发明专利]基于硅通孔的螺线管式差分电感

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成电路无源器件，特别是一种基于硅通孔技术的螺旋管式差分电感。

背景技术

硅基集成电感是射频集成电路的重要元件之一，在放大器、混频器、压控振荡器等电路中发挥重要作用。常用的硅基集成电感采用的是平面螺旋结构，在半导体工艺中，组成螺旋电感的绕线金属电阻较大，硅基衬底损耗较高，使得螺旋电感品质因数很难提高，同时平面绕线结构所占面积较大，这些都影响集成电感在实际电路中的应用。

差分结构电路是模拟电路中最常用的一种电路设计，它对差模信号具有放大作用，而对共模噪声具有抑制作用。在这些电路中，原本单端接地的电感就变为两端分别接入差分信号的电感，如图1所示，然而平面型差分电感依然面临着占用面积和Q值低等问题。

研究者采用了许多方法来对平面型电感性能进行改善，最常用的是设计模块化接地保护（Patterned Ground Shield，PGS）结构来减小电感的衬底损耗，但是这种优化的效果并不能完全满足单片射频集成芯片对性能的需求。为了克服二维平面型结构的局限，三维螺线管式电感开始引起人们的注意，包括在利用金属层的多层结构来实现垂直方向上的螺线管式电感，以及将硅衬底部分掏空，构成悬空的水平螺线管式电感，但是二者分别受金属层数和机械可靠性的限制。

发明内容

本发明的目的在于利用硅通孔技术构造一种三维螺线管式差分电感，克服平面型差分电感的不足。其可以在同样电感值的条件下，减小芯片占用面积，并提高差分电感品质因数Q值。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于硅通孔的螺线管式差分电感，包括处于硅衬底顶部和底部的金属层中的金属线、垂直贯穿硅衬底的硅通孔和差分端口；硅衬底顶部和底部各有两层金属层，顶部金属层一在顶部金属层二上方，底部金属层一在底部金属层二下方；金属层中的金属线由若干组顶部平行金属线、顶部交叉金属线、底部平行金属线和底部交叉金属线组成；顶部平行金属线、底部平行金属线分别处于顶部金属层二、底部金属层二中；任意一组顶部交叉金属线、底部交叉金属线均由两条彼此交叉绝缘的金属线组成，其中顶部交叉金属线的两条金属线分别处于顶部金属层一和顶部金属层二中，底部交叉金属线的两条金属线分别处于底部金属层一和底部金属层二中；顶部或底部交叉金属线中的一条金属线与同层的平行金属线直接连接，另一条金属线通过顶部或底部的层间金属通孔与平行金属线连接；硅通孔的两端分别与顶部平行金属线和底部平行金属线的一端相连；差分端口位于顶部金属层二中。

所述硅通孔的直径和高度都相同，硅通孔外围的氧化层的厚度相同。

所述螺线管式差分电感为一圈或者多圈；圈数为N时，存在2N个硅通孔和N-1组交叉金属线。

中心抽头在螺线管式差分电感长度的1/2处通过金属引出。

本发明与现有技术相比，其显著优点：相比于平面型差分电感而言，本发明充分利用了硅通孔的垂直互连特点，构成电感的很大一部分金属埋入硅衬底中，只有部分金属处于金属层中，所占芯片面积仅受水平方向上金属线宽和硅通孔间距的限制，电感尺寸得到了减小。同时采用螺线管式结构能增强线圈间的磁场耦合，提高了整体电感值。

附图说明

图1是传统的平面型差分电感示意图。

图2是本发明实施例所述差分电感的立体图。

图3是本发明实施例所述差分电感的俯视图。

图4是本发明实施例所述差分电感的剖面图。

具体实施方式

本发明提供的技术方案是：它由处于硅衬底顶部和底部金属层中的水平金属线和垂直穿透硅衬底的硅通孔组成，利用先钻孔（via-first）硅通孔工艺，首先在硅转接板中刻蚀金属通孔，然后在硅转接板的顶部和背部构建水平互连线，并与硅通孔进行电气连接，从而构成线圈。为了实现完全对称的结构，水平方向上的金属线存在若干组交叉线，利用金属通孔和两层金属层实现。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。