专利名称：平面电感器的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及平面电感器及其制造方法以及它们在诸如集成电路这样的半导体装置中的使用。
平面电感器经常在需要占据微小空间的电感器时使用。一般地，平面电感器包括在衬底上展开的螺旋图案形式的导电轨道。在螺旋轨道的每个末端制作连接。平面电感器可以使用薄膜技术实现为分立元件，或使用集成电路(IC)制造工艺实现为集成部件。平面电感器常用在射频(RF)电路中以实现诸如电压控制振荡器(VCO)和低噪声放大器(LNA)这样的功能。
在某些应用中，需要制作与导电轨道中间点的进一步电学连接。该点可以是中点。
图1和2示出了两类平面电感器和中点的位置。首先，图1示出了具有同中心的轨道段11A、11B、11C的平面电感器。通过互连所述段的末端，在线端终端10、12之间形成螺旋路径。在距离和电阻方面，线端终端10、12之间的总路径的中点由交叉15示出。
图2示出了具有半圆轨道段的平面电感器，该轨道段以对称结构互连。通过连接成对的段，在线端终端20、22之间形成螺旋路径。在距离和电阻方面，线端终端20、22之间的总路径的中点由交叉25示出。然而，这种结构的缺点在于，相邻绕组段(例如段26，27)之间的电压差一般大于图1所示的螺旋结构的情况，因此，更多的能量将保存在绕组段之间的电容中。这导致线圈的较低共振频率。
希望平面电感器具有高品质因子(Q)。然而，由于电流集聚，品质因子衰减，使得在高频率最小电感路径代替最小电阻路径，其中电流集聚源于RF电流的属性。该电流集聚由“趋肤”和“近似”效应产生，导致电感器的串联电阻的显著增加。为了减少该电流集聚，提出将螺旋电感器分割成若干彼此电学并联的电流路径，每个路径具有相同的电阻和电感。WO03/015110描述了这种类型的平面电感器。图3和图4示出了提供并联路径对的两种可能的方法。当需要高Q因子和共振频率时，图3的结构是优选的。然而，当需要与中间点的连接时，这样可能干扰每个并联路径中电流流动的平衡，还可能使得这种布局提供的Q因子中的任何优点无效。
本发明目的在于提供与平面电感器的中间点的另一种连接类型。
本发明的第一方案提供一种平面电感器，包括螺旋图案形式的导电路径，以及导电连接路径，它将终端连接到沿导电路径的中间抽头点，该连接路径包括相对于螺旋图案是径向的部分。
至少部分成径向的连接路径的提供使得对电感器的主导电路径中的电流流动的任何干扰最小化。
连接路径可以布置在螺旋图案内部。连接路径可以仅包括径向路径部分，在这种情况下，从一个或更多中间抽头点出发的路径部分共同连接到螺旋图案的中心处。每个路径部分与其各自导电路径的所需中间抽头点连接。
备选地，提供完整的径向连接路径，该连接路径可以包括与形成螺旋图案的导电路径平行的额外的轨道部分。这具有减少连接路径长度，由此减少连接路径电阻的优点。当存在多个导电路径时，使用额外的轨道部分，单独径向路径部分连接每个导电路径上的中间点。
优选地，当使用与螺旋图案对准的额外轨道部分时，调整中间点的位置以补偿沿着轨道的电流的影响。
中间点可以是中点或沿着导电路径长度的任意其它所需的位置。
尽管附图中示出的螺旋图案一般是圆形图案，但应当理解它可以是方形、矩形、椭圆形、八角形或任意其它形状。这样，术语“径向”理解成朝向图形的中心，而不管它的形状如何。本发明不仅适用于平面电感器，还可用于平面变压器。
将参考附图描述本发明的实施例，附图中图1和2示出了平面电感器的实例；图3和4示出了使用并联导电路径以改善其品质因子(Q)的平面电感器；图5示出了本发明的一个实施例，其中通过螺旋图案的中心点制作与电感器的中间点的连接。
图6示出了本发明的另一个实施例，其中通过螺旋图案内部的另一导电轨道制作与电感器的中间点的连接。
图7示出了本发明的另一个实施例，其中通过螺旋图案外部的另一导电轨道制作与电感器的中间点的连接。
图8示出了本发明的另一个实施例，其中通过螺旋图案的中心点制作与电感器的中间点的连接。
图9示出了在平面电感器附近连接终端的方法。
将参考特定实施例和参考某些附图描述本发明，但本发明不限于此，仅受权利要求书的限制。所述附图仅是示意性而非限制性的。附图中，为清楚起见，一些元件的尺寸被放大，并没有按比例示出。本说明书和权利要求书中使用术语“包括”的地方并不排除其它元件或步骤。当引用单数名词例如“一”或“一个”“那个”时使用定冠词或不定冠词，除非特别声明，这包括多个的情况。
权利要求书中使用的术语“包括”不应理解成限制于此后列出的器件，并不排除其它元件和步骤的存在。这样，表述“包括器件A和B的装置”的范围不应限制于仅包含部件A和B的装置。它表示，根据本发明，装置的仅仅相关部件是A和B。
而且，说明书和权利要求书中的术语第一、第二、第三等用于区分类似元件，而不必用于描述连续的或排列的次序。应当理解这样使用的术语在适当的条件下可以互换，且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或阐述的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语顶部、底部、之上、之下等用于描述性目的，不必用于描述相对位置。应当理解这样使用的术语在适当的条件下可以互换，且这里描述的本发明的实施例能够以不同于这里描述或阐述的其它方向操作。
图5和6示出了根据本发明的平面电感器的两个实施例。两个实施例中，平面电感器的一般布局相同，两个实施例的不同之处在于制作与中间点的连接方式。
参考图5，平面电感器50包括四个同中心的圈环，每个圈环以两个单独半圆段例如53A、54D形成。使用常规半导体制造技术，段可以形成为衬底上的导电材料层。电感器的有用描述可以在书“Design，Simulation and Applications of Inductors andTransformers for Si RF ICs”，A.M.Niknejad，R.G.Meyer，KluwerAcademic，2000中发现。第一终端51和第二终端52形成了经过电感器的导电路径的两个末端。彼此相互并联的两个路径连接第一和第二终端51，52，每个路径采用一般的螺旋图案的形式。使用术语“电学并联”以避免和需要并联的路径混淆，从整个路径意义上来讲，这些并联的路径彼此与下一个相连。
每个螺旋路径包括一系列半圆段，选出的成对的段通过连杆互连，其中一个连杆如55所示。考虑其中一个并联路径，该并联路径在第一终端51开始，在终端52结束之前包括段53A、53B、53C和53D。类似地，第二并联路径也在第一终端51开始，在终端52结束之前包括段54A、54B、54C和54D。连杆55可以实现为该结构的不同层上形成的短导电轨道，通孔56提供不同层之间的连接路径。
平面电感器可以由厚Al层(具有几微米的典型厚度)制造，该Al层通过刻蚀被图形化。
电感器的段之间的互连可以通过W或Al插塞制作。因为Cu的低电阻率，优选地，Cu用作段和互连。优选地，使用Cu镶嵌工艺。首先在电介质(例如氧化硅或如BCB这样的低k材料)中形成凹槽。淀积阻挡层例如TaN。接着电镀500nm到5微米厚的Cu层。
Cu被化学机械抛光(CMP)，其中Cu从平面表面去除，形成凹槽中的Cu图案。凹槽中的Cu图案是电感器的轨道。
在双镶嵌Cu工艺中，在电介质中刻蚀轨道和连线(通孔)，接着覆盖阻隔层和Cu。
平面电感器可以在标准CMOS工艺的后道工艺中制作或淀积在最终产品的顶部上。在0.13μm CMOS工艺中，使用典型的3μm厚的铜顶部金属层图案。从制造的角度来讲，优选地使用多个小宽度的并联轨道。例如，8个很小的3μm宽的轨道比一个大的24μm宽的轨道承受更少的CMP表面凹陷(在镶嵌工艺中)。表面凹陷的减少允许更低的电阻值。半圆轨道段以对称结构互连。互连包括通孔和金属轨道。通过在通孔中使用Cu以及使用Cu作为金属轨道，保持电阻尽可能地低。优选地，具有低电阻率的相同材料可以用在通孔中和用作金属轨道，所以可以使得接触电阻最小化。
第一螺旋路径的中点由交叉61A示出。中点是终端51、52之间第一螺旋路径的总电感正中间的点。同样，第二螺旋路径的中点由交叉61B示出。它也是终端51、52之间第二螺旋路径的总电感的正中间的点。
这里，中点定义为在需要的工作频率处阻抗是其总值一半的点。通过将中点看成电感是其总电感一半的点可以近似获得该点。
连接杆62A使第一螺旋图案的中点61A连接到整个电感器图案的中心点64。另一连接杆62B使第二螺旋路径的中点61B连接到中心点64。每个连接杆62A、62B相对于总图案是径向的，即与它相交的每个电流输运半圆轨道段垂直。径向路径62以这样的方式定向，使得耦合到螺旋电感器的电感等于零。
另一径向连接杆63在中心点64和外部终端60之间延伸，从外部终端60可以制作与其它集成或外部部件的连接。方便地，杆63与相邻半圆段之间的缝隙对准，并且可以形成在与结构中的半圆段相同的层上。对于例如书“Thedesign of CMOS radio frequency integratedcircuits”by T.H.Lee，Cambridge University Press 1998中的图16.31中所描述的差分负阻振荡器来讲需要中点。
这种结构基于这样的理解电感器的点之间的连接承受线圈磁场的影响。该磁场导致感应电压，该感应电压可以产生电流，该电流可以干扰并联螺旋电流路径上的正常电流分布。该感应电压仅在圆周方向的互连路径即或多或少与线圈绕组平行的路径中出现，而不在径向路径中产生。这样，中点61A、61B仅通过径向路径62A、62B和63与外部终端60相连。
图6示出了另一种平面电感器，它具有图5所示相同的一般布局。该实施例中的主要差别在于螺旋路径的中点与外部终端连接的方式。
另一导电轨道85沿着电感器的最内部的圈环放置。第一连接杆83A将第一螺旋图案的点82A连接到轨道85上的点84A。杆83A相对于螺旋图案是径向的，即它垂直地越过电流输运段。同样，另一连接杆83B将第二螺旋路径的点82B连接到轨道85上的点84B。因为下面将要解释的原因，点82A、82B不是它们各自螺旋路径的中点。另一径向连接杆87在外部终端60和轨道85上的点之间延伸(与杆87径向对准)。方便地，杆87与相邻半圆段之间存在的缝隙对准。导电轨道85仅需要足够连接点84A、84B和86的长度，不需要更长。
图5所示的结构中，电流首先通过杆62A从61A运输到电感器的中心点64，然后通过杆63从中心点64运输到外部终端60。尽管这对于螺旋路径具有最少的干扰影响，但该路径的长度引入额外的电阻，因此引入电压降。与此对照，图6所示的结构中，中点互连路径通过使用轨道85而缩短。可以计算沿着轨道85的电流传输对其它图案产生的影响作为角度差异和到线圈中心距离的函数。通过调整径向互连(即，从真正中点61A到点82A，和从中点61B到82B)的角度位置，容易校正感应电压。现代模拟工具很容易计算必要的校正。
下面是这种计算的实例。
下面的表中给出了图6电感器的电感器回路的自感和互感Mij。这里，假设外径200μm，回路宽度为10μm且间隙为2.5μm。
编号从回路段85开始，在回路53A-54D结束。每个回路上的电压可以使用下面的公式计算V1=jωΣj=15MijIj---(1)]]>其中我们忽略回路电阻。我们看见每个回路上的电压V是流经所有回路的电流的函数。假设在电感器接触51和52之间施加频率ω为109、RMS值为2安培的RF电流，该电流在两个电学并联路径中分成相等的两份，且段83A、83B和85中的电流为零。则有I1＝0，I2＝I3＝I4＝I5＝1A。使用公式(1)，我们发现，五个回路上感应的电压的RMS值为V1＝0.80，V2＝1.29，V3＝1.57，V4＝1.71且V5＝1.67V。这些电压施加于360度回路。增加半回路2，3，4和5上的电压，我们发现，电感器接触之间感应的电压将是3.12V。因为相应的电流是2A，我们得出，对于该特定电感器，接触51和52之间的电感是1.56nH。同样，我们可以计算53B到53C的连接与接触51之间的电压为1.48V，从54B到54C之间的连接与接触51之间的电压是1.43V。中点61A和61B将位于1.56V的电压处。因为回路3上的总电压降＝1.57V，容易计算中点61A相对于53B到53C的连接的左边偏离19度，因为回路4的总电压降＝1.71V，容易计算中点61B相对54B到54C的连接的左边偏离27度。我们现在计算连接线82A-83A-84A和82B-83B-84B的优选位置。位置86所需的中点电压是1.56V。点84A和84B的电压为V84A＝1.56+0.80X和V84B＝1.56+0.80Y。其中X和Y表示回路85所需的角度延伸。同样，点82A和82B的电压为V82A＝1.48+1.57X和V82B＝1.43+1.71Y。
为了满足计算时做出的初始假设连接线83A和83B中的高频电流为零，我们需要使V82A＝V84A且V82B＝V84B。求解得出X＝0.1038且Y＝0.1428，这暗示着连接线83A和83B需要位于中点连接60的左边37和51度的角度。
图6中，使用位于总图案内部的额外轨道85，路径83A，83B连接螺旋路径的中点。图7所示的备选实施例中，额外轨道放置在总图案的外部。这里，额外轨道90沿着并平行于图案的最外面的半圆部分延伸。径向杆91A、91B分别连到轨道90上的点92A和92B。如图所示，可以在点60或沿着轨道90的任意其它点制作连接。
上述实施例中，连接连向每个螺旋路径的中点。然而本发明不限于仅连接到中点，而可以应用于连接到沿着螺旋路径长度的任意中间点。这里示出的螺旋图案通过半圆段(它们一起形成圈环)形成，但段的全部形状可以是方形、矩形、椭圆形、八角形或其它任意形状。段不必是半圆的，如图4所示，可以是四分之一圆，或其它任何形状，且可以改变段互连形成螺旋路径的方式，以适合所需的特定形状和布局。
尽管径向互连路径提供理想连接，但互连路径可以具有不是完全径向的方向，即，它具有显著的径向分量以及较小的与形成螺旋路径的轨道平行的分量。优选地，当使用不完全径向的路径时，改变中点的位置以补偿任何影响。
上述实施例中，在线端终端之间示出了两个并联路径，制作与两个路径的中间点的连接。尽管，由于维持并联路径之间的平衡的原因，优选地提供2的倍数的并联路径，本发明可以应用于任意数目的并联路径。
重新参考图1，平面电感器具有螺旋形式的单个导电路径，该路径具有中点15。希望在中点15和与线端终端10、12相邻的位置之间布置连接路径，使得可以在公共点制作所有连接。可以通过两个径向路径完成到中点的连接路径；中点15和图案的中心点之间的一个路径，以及与图5相同方式的、中心点与终端10、12之间的点之间的另一个路径。结果如图8所示。备选地，到中点的连接路径可以包括弧形轨道，该弧形轨道位于形成螺旋图案的段的内部(或外部)，并与之平行，和图6所示的方式相同。将需要改变中点抽头的位置，以抵消使用该轨道的影响。
本发明的原理还可应用于电感器附近的所有互连，既便互连不是与电感器的连接。图9示出了一个实例，A代表第一连接点，例如灵敏放大器的输入，且B代表第二连接点，例如与去耦合滤波器的连接，该滤波器必须保护放大器的输入，防止其干扰高频信号。如路径101所示，当点A和B之间的连接路径制作得尽可能短时，由于线圈，可能在路径中感应干扰电压。通过使用如路径102所示的较长的路径，减小了感应干扰。路径102包括部分102A-G，它们一般是径向的(部分102C，102G)或基本平行于形成螺旋图案的轨道。优先于这里示出的多个直的部分，可以使用弯曲连接路径。
本发明不限于这里描述的实施例，这些实施例可以在不偏离本发明范围的情况下进行修改或变化。
权利要求
1.一种平面电感器(50)，包括螺旋图案形式的导电路径(53A-53D)，以及导电连接路径(62A，63；85A，85，87)，它将终端(60)连接到沿导电路径的中间抽头点(61A；82A)，该连接路径包括相对于螺旋图案是径向的部分(62A，63；83A，87)。
2.根据权利要求1的平面电感器，其中连接路径包括将中间抽头点(61A；82A)连接到螺旋图案内部的连接点的第一部分(62A；8 3A)，该第一部分相对于螺旋图案是径向的。
3.根据权利要求2的平面电感器，其中连接点基本位于螺旋图案的中心(64)。
4.根据权利要求3的平面电感器，其中至少有两个导电路径，每个都彼此电学并联，且对于每个导电路径存在连接路径的单独第一部分(62A，62B)，每个第一部分将沿其中一个导电路径的各自中间抽头点(61A，61B)连接到连接点(64)。
5.根据权利要求2到4任意一个的平面电感器，其中连接路径还包括第二部分(63)，该第二部分将螺旋图案内部的连接点连接到螺旋图案外部的点，该第二部分相对于螺旋图案是径向的。
6.根据权利要求2的平面电感器，其中连接路径的第一部分将中间抽头点(82A)连接到连接点(84A)，该连接点位于抽头点(82A)和螺旋图案中心点(64)之间。
7.根据权利要求6的平面电感器，还包括与该导电路径平行的另一导电轨道(85)。
8.根据权利要求7的平面电感器，其中至少存在两个导电路径(53A-53D，54A-54D)，每个都彼此电学并联，且对于每个导电路径具有连接路径的第一部分(83A，83B)，每个第一部分将沿着其中一个导电路径的各自中间抽头点(82A，82B)连接到各自连接点(84A，84B)，且其中导电轨道(85)连接各自连接点(84A，84B)。
9.根据权利要求8的平面电感器，其中选择沿着每个导电路径的中间抽头点(84A，84B)的位置以抵消另一导电轨道(85)的影响。
10.根据权利要求7到9任意一个的平面电感器，其中连接路径还包括第二部分(87)，该第二部分将该另一导电轨道连接到螺旋图案外部的点，该第二部分相对于螺旋图案是径向的。
11.根据权利要求5或10的平面电感器，其中连接路径包括多个同中心的段，每个段包括一个缝隙，该缝隙径向对准，且其中连接路径的第二部分与该缝隙对准。
12.根据权利要求11的平面电感器，其中第二部分连接到螺旋图案外部的点(60)，该点与导电路径的端点临近。
13.根据权利要求1的平面电感器，其中连接路径包括第一部分(91A)和第二部分(90)，该第一部分将沿着导电路径的中间抽头点连接到位于螺旋图案外部的连接点(92A)，该第一部分(91A)相对于螺旋图案是径向的，该第二部分(90)基本平行于导电路径。
14.一种电路，包括根据权利要求1所述的平面电感器和至少在电感器外部的两个其它终端(A，B)，其中所述其它终端通过连接路径(102)连接，该连接路径(102)包括相对于电感器的螺旋图案是径向的路径部分(102C，102G)。
全文摘要
一种平面电感器(50)，包括螺旋图案形式的导电路径(53A－53D，54A－54D)。导电连接路径(62A，63)将终端(60)连接到中间抽头点(61A)。该连接路径包括至少一个相对于螺旋图案(53A－53D)是径向的路径部分。连接路径(62A，63)可以在螺旋图案内部布置。当连接路径仅包括径向路径部分时，它们共同连接到螺旋图案的中心(64)。多个路径部分(62A，62B)可以都连接到各自导电路径的中间抽头点。连接路径可以使用另一导电轨道(85)，该另一导电轨道与形成螺旋图案的导电路径平行。
文档编号H01F17/00GK1973342SQ200580020847
公开日2007年5月30日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月23日
发明者L·F·蒂美杰 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司