[发明专利]集成电感结构

说明书

技术领域

本发明涉及集成电感结构，尤其涉及一种高度紧实化的集成电感结构。

背景技术

芯片内电感(on-chipinductor)因工艺上的限制一般设计成平面式电感(plannerinductor)。请参阅图1，其是现有的螺旋状平面式电感(plannerspiralinductor)。螺旋状平面式电感100包含螺旋状的第一金属线段110(浅色部分)，以及第二金属线段120(深色部分)。第一金属线段110与第二金属线段120在半导体结构中分属不同层，图1中以第一金属线段110在上层且第二金属线段120在下层为例，然而亦有可能相反。第一金属线段110与第二金属线段120通过连接结构130互相连接。第一金属线段110包含了3层线圈。当此螺旋状平面式电感100的电感值需要增加时，必须增加其线圈数。线圈数的增加除了导致螺旋状平面式电感100的面积增加之外，螺旋状平面式电感100的寄生串联电阻(parasiticseriesresistance)以及寄生电容(parasiticcapacitance)亦会增加，如此将造成螺旋状平面式电感100的自振频率(self-resonantfrequency)及品质因素(qualityfactor)Q下降。此外，金属耗损(metalloss)以及基板耗损(substrateloss)也是影响品质因素Q的重要因素。金属耗损是由于金属本身的阻值所导致。基板耗损来源有两种，一种是来自于当电感作用时，电感的金属线圈以及基板之间产生一时变的电位移(electricdisplacement)，此电位移在金属线圈与基板之间产生一位移电流(displacementcurrent)，此位移电流穿透至低阻抗的基板内，形成能量的损耗。此位移电流与电感线圈面积相关，面积越大，位移电流越大。另一种是来自于电感的时变电磁场穿透介电质，在基板上产生感应电流(magneticallyinducededdycurrent)，此感应电流与电感电流的方向相反，造成能量的损耗。

当电感操作于低频时，金属线圈中的电流会呈现均匀分布，此时金属耗损在低频时是来自于金属线圈的串联电阻。当电感操作于高频时，越靠近内圈的金属线圈产生越强的磁场。强烈的磁场在金属线圈的内圈感应出涡状电流(eddycurrent)，此涡状电流造成电流不均匀分布，大部分的电流都被推挤到金属线圈的表面，此现象称为趋肤效应(skineffect)。在趋肤效应下，电流流过的金属截面变小，因此将感受到较大的电阻，而造成品质因素Q下降。请参阅图2，其是现有螺旋状平面式电感的另一实施方式。因电感金属线圈的内圈是发生趋肤效应最严重的位置，此种金属线圈的线宽由外往内逐渐变细的螺旋状电感(taperedspiralinductor)不但不会使趋肤效应恶化，而且可以缩小电感面积并且降低寄生电容，进而提高品质因素Q以及电感的自振频率。但是由于螺旋状电感在结构上不对称，导致电感的中心抽头(centertap)位置很难决定。再者，此种螺旋状电感的电感性中心点(inductivecenter)位置、电容性中心点(capacitivecenter)位置以及电阻性中心点(resistivecenter)位置不相同，造成这种螺旋状的电感不适合作为差动电路里的无源元件。

为了解决上述的问题，现有技术中便提出一种对称式的螺旋状电感(symmetricspiralinductor)。如图3所示，其是现有对称式螺旋状电感的结构图。对称式螺旋状电感300包含多个金属线段310(包含310a～310d)、多个连接线段320(包含320a～320c)以及多个连接结构330。连接线段320亦可称为跳线(bridge)。所有的金属线段310a～310d在半导体结构上属于同一层(以浅色表示)，所有的连接线段320a～320c的材质为金属，与金属线段310a～310d不同层(以深色表示)，图3中以连接线段320a～320c位于金属线段310a～310d的下层为例。