一种三维结构的射频电感的制作方法

1.本实用新型涉及一种三维结构的射频电感。


背景技术：

2.在过去的十几年里，无线通信技术得到了高速发展，摩尔定律在如今依然有效，通信设备日趋小型化、集成化、便携化。射频集成电路是无线通信中的基础之一，对它的集成化、小型化、高速化的课题是目前亟待解决的问题。而电感是许多高性能窄带电路中关键的磁能储能元件，广泛用在射频集成电路中的无源滤波器、低噪声放大器等中，电感也是射频集成电路中关键的性能限制元件，例如，低噪声放大器(lna)带宽、压控振荡器(vco)的相位噪声、无源滤波器损耗等，同时，电感的尺寸大小还是限制系统小型化的重要瓶颈。因此，如何优化电感的性能，并减小其尺寸，降低成本，成为射频集成电路发展的重要难题。
3.随着深亚微米cmos技术的发展，工艺所能得到的金属层数越来越多，例如，0.18微米工艺可以提供6层金属，0.13微米工艺可以提供8层金属，90纳米工艺可以提供的金属层数为10层。深亚微米cmos技术日益先进，这是实现片上多层结构电感的重要技术基础。一般片上平面电感具有结构简单、性能优秀的优点，可以得到很好的设计支持，但存在体积大、频率特性差等缺点，这增加了成本，也不利于小型化、集成化的发展趋势。而片上多层电感主要优点在于减小了体积、降低了成本，但由于其下层金属厚度一般较小，而且寄生电容一般较大，通常认为片上多层电感性能要劣于片上平面电感。
4.自从1990年，meyer和nguyen首次证明了电感可用于硅基集成电路中以后，片上电感逐渐得到了大量的深入研究，许多关于如何优化片上电感性能的文献被发表，学术界也提出了各种各样的等效电路模型，包括集总式与分布式等等。到今天，平面电感工艺日趋成熟，由于电感具有高通低阻的电流特性，这种特性使电感在滤波等许多方面发挥着重要的功能，在射频集成电路中已经得到了大量应用，片上电感在低噪声放大器(lna)和压控振荡器(vco)中都起着不可或缺的作用，除此之外，功率放大器、混频器等功能模块中也需要使用电感，也就是说，在射频集成电路中，片上电感得到了大量应用。片上电感已经成为整个射频集成电路中不可或缺的组成部分。
5.只有通过电感的合理应用，现代无线通信所需的高频、低噪声以及低失真等要求才能得到相应的满足。现代通信往往使用的是较高的频段，为减少能量的损耗，增加能量的使用效率，必须使两个模块电路阻抗匹配，这就需要阻抗匹配网络，通过阻抗匹配网络使两端模块的阻抗达到复共轭，以最大程度上减少能量的损失。在阻抗匹配网络中，电感是必不可少的元件之一，比如l匹配网络和π匹配网络等。
6.集成电路集成的平面螺旋电感以硅为衬底，而硅基本身也是导电的，那么它的高频特性就与硅基有着相当大的关系。平面螺旋电感的结构会引发许多寄生问题，如寄生电容、邻近效应、趋肤效应等。在我们所考虑的频率范围内(0
‑
20ghz)，平面螺旋电感的能量损耗很高，具体地说，包括两种损耗：衬底损耗和金属导体损耗。
7.衬底损耗一般可分为电场损耗和磁场损耗，因为线圈与衬底间存在寄生电容，电
流流经电感时有一部分电流会因为位移电流传输至衬底上，我们将这种电场耦合所引起的能量损耗定义为电场损耗。同理，磁场损耗定义为由于磁场耦合而引起的能量损耗。磁场耦合产生涡流，感应出的电场能量将转化为焦耳热能而散发出去，这就造成了能量的损耗。由于目前所使用的衬底的材料大多电阻率较低，所以涡流流经电感时，会造成较大的能量损耗。
8.金属导体损耗，组成电感的金属导体本身就有阻抗，在频率较高时，电流流过电感时，会有两种损耗的形式：欧姆损耗和涡流损耗。
9.欧姆损耗的源头是金属的电阻率，通常我们会使用低电阻率的材料作为导体，并增大其厚度以减少阻抗，从而减少因电阻产生的焦耳热，即减少欧姆损耗。实际应用时，我们会合理选择金属材料与厚度等影响电阻的因素，包括线圈匝数与线圈的内外半径等。
10.而涡流损耗的源头则是涡流电流.电感线圈中的交变电流会生成一个交变磁场，而交变磁场又会在电感线圈中产生一个涡流电流，而该涡流电流又会生成一个与原磁场方向相反的交变磁场，总磁场强度为该交变磁场与原交变磁场叠加之和，且小于原交变磁场强度。在线圈内圈附近，涡流电流与原电流方向相同，该处总的电流密度会增大，而相对的，在线圈外圈附近，涡流电流与原电流方向相反，在该处总的电流密度会减小。因此，原本均匀的电流密度会变成一个不再均匀、内大外小的电流密度，这就会引起邻近效应和趋肤效应的发生，这两个效应最终会增大线圈的等效电阻，从而造成额外的能量损耗，也就是金属导体的涡流损耗。
11.常规平面电感结构是用金属材料在硅表面盘绕形成的电感结构，一般在硅衬底上还要有一层阻挡层，这是为了阻挡从衬底反射回来的电场对电感造成影响。
12.在电感设计中，有个很重要的参数是趋肤深度δ，其表达式为：
[0013][0014]
其中ρ为材料电阻率，μ0为真空磁导率，μ
r
为相对磁导率，f为电感的工作频率。
[0015]
从公式可以看出，工作频率越高，趋肤深度越小，电感的损耗就越高。为了减小电感的损耗，需要增加材料电阻率，但单纯的增加材料电阻率，往往导致电感的电学性能下降。而在实际制作中，电感往往是采用金属材料制作的，一般电阻率极低，从而导致片上集成电感的面积极大，造成衬底面积的浪费。


技术实现要素：

[0016]
本实用新型的一个目的在于克服现有技术中的缺点，本实用新型提出一种三维结构的射频电感，包括在上下方向上至少设有的第一硅衬底层和第二硅衬底层，以及在所述第一硅衬底层顶部设有的第一平面螺旋金属带层和在所述第二硅衬底层顶部设有的第二平面螺旋金属带层，所述第一平面螺旋金属带层由外圈向内圈顺时针旋转的尾端与第二平面螺旋金属带层由外圈向内圈顺时针旋转的尾端通过贯通所述第一硅衬底层的第一硅通孔电连接，所述第一平面螺旋金属带层顺时针旋转的首端与第一外部引线电连接，与第二平面螺旋金属带层顺时针旋转的首端通过贯通所述第一硅衬底层的第二硅通孔与第二外部引线电连接。
[0017]
透过所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的顶部分别设有若干垂直于硅衬底层的
基底部上表面的凹凸部。
[0018]
在所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的中心部沿轴向设有软磁材料柱。
[0019]
本实用新型的工作原理为：将设有的至少第一平面螺旋金属带层或第二平面螺旋金属带层的电感设置为上、下两层，构成多金属层结构，多金属层之间采用硅通孔(tsv)的连接方式；使上层和下层电感结构的电场方向相反，相互抵消，提高趋肤深度，提高电感材料的利用率，达到提高品质因数q，降低功耗的目的。利用在硅衬底层的中心部之间沿轴向设有软磁材料柱，减小邻近效应对电感的影响，提高电感材料磁通量的利用率，提高品质因数q；通过设置若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部，利用这种竖直翅状的结构，减小电感衬底涡流损耗；增大衬底电阻值，同样获得提高品质因数q的效果。
[0020]
实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
[0021]
本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解；
[0022]
图1是采用tsv通孔设计三维射频电感的结构示意图；
[0023]
图2是采用tsv通孔设计三维射频电感与衬底组合示意图；
[0024]
图3是多层结构射频电感的l
s
‑
f示意图；
[0025]
图4多层结构射频电感的q
‑
f图示意图；
[0026]
图5多层结构射频电感的r
s
‑
f示意图；
[0027]
图6多层结构射频电感的c
p
‑
f示意图；
[0028]
图7多层结构射频电感的r
p
‑
f示意图；
[0029]
其中:101.第二硅通孔,102.第一硅通孔,103.软磁材料柱,104.凹凸部,105.第二平面螺旋金属带层,106.第一平面螺旋金属带层。
具体实施方式
[0030]
下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
[0031]
下面结合附图进一步说明；
[0032]
为了克服现有技术的不足，图1至图7中，本实用新型提出一种三维结构的射频电感，包括在上下方向上至少设有的第一硅衬底层和第二硅衬底层，以及在所述第一硅衬底层顶部设有的第一平面螺旋金属带层106和在所述第二硅衬底层顶部设有的第二平面螺旋金属带层105，所述第一平面螺旋金属带层106由外圈向内圈顺时针旋转的尾端与第二平面螺旋金属带层105由外圈向内圈顺时针旋转的尾端通过贯通所述第一硅衬底层的第一硅通孔102电连接，所述第一平面螺旋金属带层106顺时针旋转的首端与第一外部引线电连接，与第二平面螺旋金属带层105顺时针旋转的首端通过贯通所述第一硅衬底层的第二硅通孔101与第二外部引线电连接。
[0033]
透过所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的顶部分别设有若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部104。
[0034]
在所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的中心部沿轴向设有软磁材料柱103。
[0035]
一种三维结构的射频电感的设计方法，
[0036]
对至少设有的第一平面螺旋金属带层106和第二平面螺旋金属带层105，采用增大金属的厚度或使用电阻率低的金属作为导体，减少金属导体损耗，以提高电感的品质因数q值，其中品质因数q为：
[0037][0038]
式中，w表示电感所储存的能量，w
t
表示在单位时间内电感所损耗的能量，ω0表示输入电源的角频率,p
l
表示单位时间内的平均损耗功率；
[0039]
利用
[0040][0041]
其中，f
res
为电感的磁能与其电能相等时的自谐振频率，c
s
为电感等效电容，c
p
为电感并联寄生等效电容，r
s
为电感电阻，l
s
为电感实际感值；
[0042]
获取设有的至少第一平面螺旋金属带层106或第二平面螺旋金属带层105的电感的工作频率范围；确保至少设有的第一平面螺旋金属带层106或第二平面螺旋金属带层105的电感的工作频率f低于自谐振频率f
res
，使电感表现为感性；
[0043]
将至少设有第一平面螺旋金属带层106或第二平面螺旋金属带层105的电感设置为上、下多层金属带结构，其中层与层金属带之间采用硅通孔的连接方式；使上层和下层电感结构的电场方向相反，相互抵消，提高趋肤深度；
[0044]
在所述第一硅衬底层和第二硅衬底层的中心部沿轴向设有软磁材料柱103，提高电感材料磁通量的利用率，提高品质因数q；
[0045]
通过设有若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部104，
[0046]
利用
[0047]
其中，i
w
为衬底涡流,为涡流电场的感生电动势，ρ
c
为衬底涡流回路的电阻率，s1为第一或第二平面螺旋金属带在衬底投影周长，s2为衬底投影下的凹凸部104的实际周长；
[0048]
通过引入凹凸部104的实际周长s2实现增大衬底电阻，降低第一平面螺旋金属带层106或第二平面螺旋金属带层105的电感衬底涡流损耗；
[0049]
利用hfss对l
s
‑
f、q
‑
f、r
s
‑
f、c
p
‑
f以r
p
与电感的工作频率f之间的r
p
‑
f参数进行仿真，r
p
为电感寄生等效电容的阻抗，建立起多层结构射频电感的仿真模型，以此获得电感。
[0050]
将第一平面螺旋金属带层106和第二平面螺旋金属带层105分别设置在各自对应的硅衬底上，并通过设有的硅通孔在相间隔的硅层之间形成导电插塞，将所述第一平面螺旋金属带层106和第二平面螺旋金属带层105在相间隔的硅层中串联起来。
[0051]
电感通常有三个十分重要的指标，分别为：电感值l，品质因数q，自谐振频率f
res
.其中，电感的计算难以得到精确值，通常采用软件仿真的形式对其进行计算。
[0052]
对于通常所使用的射频集成电路，电感的q值十分重要，电路的有效功率、噪声系数、带宽等受它的影响很大，电路的性能也往往受其限制.比如：匹配网络的损耗大小、带通滤波器的性能等。品质因数q表征着电感的损耗性能.直接影响电感性能，它与储存的能量和单位时间内损耗的能量的比值成正比。
[0053]
当频率高于f
res
时，电感表现出容性，当频率低于f
res
时，电感才能表现出感性.也就是说，当频率高于f
res
时，电感就变成电容了.因此，f
res
决定了电感的可用工作频率范围.使用时，我们必须使工作频率低于f
res
，这样电感才能正常工作。
[0054]
在平面螺旋电感的基础上，设计成多层结构射频电感，其中多金属层之间采用tsv通孔的连接方式，这样一来，上层和下层平面螺旋电感结构的电场方向正好是相反的，可相互抵消，这样可有效提高趋肤深度，提高电感材料的利用率，达到提高品质因数、降低功耗的目的。它对成本与体积的降低也具有积极重要意义，可以有效减小衬底面积，降低能量损耗。
[0055]
图1、图2是提出的新型三维cmos集成电感结构示意图，上、下两层电感用tsv(硅通孔)连接起来，上、下两层的电流方向正好相反，起到提高电路性能的作用。tsv的加入，提高了电感的电阻率，在不影响磁导率的前提下，可有效增加趋肤深度，达到降低功耗的目的。另外，利用在硅衬底层的中心部之间沿轴向设有软磁材料柱103，提高电感材料磁通量的利用率，减小邻近效应对电感的影响，提高品质因数q；通过设置若干垂直于硅衬底层的基底部上表面的凹凸部104，利用这种竖直翅状的结构，电感悬浮在衬底表面，引入介电常数很低的空气气隙，减小衬底的耦合电容，同时使涡流路径受到限制，增大衬底电阻值，减小电感衬底涡流损耗，同样获得提高品质因数q的效果。利用软铁磁材料，如铁氧体材料，提高电感值获得较大的q值，增加电感线圈与衬底之间的距离，也使衬底涡流减小。
[0056]
设计平面螺旋电感的金属线采用以下的参数：金属线采用铜材料，圈数为3，外径为202.5μm，线宽为15μm，间距为1.5μm。这里使用第一平面螺旋金属带层106和第二平面螺旋金属带层两层结构作为示范实验，实际中的模型具有很强的可拓展性，利用多层结构射频电感的hfss均可对其模型进行仿真。
[0057]
图3为以两层金属带为示范的多层结构射频电感的l
s
‑
f示意图。
[0058]
同时，结合其他附图，我们还可以得到q
‑
f、r
s
‑
f、c
p
‑
f以及r
p
‑
f的图像：
[0059]
多层结构射频电感的q
‑
f示意图如图4所示；
[0060]
多层结构射频电感的r
s
‑
f示意图如图5所示；
[0061]
多层结构射频电感的c
p
‑
f示意图如图6所示；
[0062]
多层结构射频电感的r
p
‑
f示意图如图7所示；rp为等效电容的阻抗。
[0063]
由以上仿真结果，我们可以得到，q值最大值可以达到20，rs约为7ω，cp约为0.1ff，rp在此频段约为0ω，而ls约为1.7nh。
[0064]
与平面螺旋电感相比，电感值略有降低，而q值较高，rs和cp略微降低，其他参数可以接受，在经历了平面改多层之后，q值有所提高，达到q值与电感值的一个平衡，所获电感能够达到所需的要求。
[0065]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体
特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。