螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，包括半導體本底上位于螺旋電感下方的兩層襯底屏蔽層，襯底屏蔽層上下交疊，匹配密閉所述螺旋電感除中心位置以外的下方區域，底層襯底屏蔽層接地，上層襯底屏蔽層懸浮，每層襯底屏蔽層均由形狀與所述螺旋電感形狀近似的螺旋屏蔽圈組成，上下交疊時，屏蔽圈之間無間隙或適量交疊排列，以達到屏蔽電磁場滲漏，減少襯底渦流損耗對電感的影響，以解決螺旋電感與本底之間由于電磁場滲透造成的損耗，提高電感的品質因數。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及半導體器件的結構設計領域，尤其涉及一種螺旋電感的圖案襯底 接地屏蔽結構。 螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構

【背景技術】
[0002] 在射頻CMOS集成電路中，片上平面電感作為最重要的無源器件之一，廣泛應用在 低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器、中頻濾波器、功率放大器等射頻電路模塊中。電感性能 的優化將有益于是整個射頻電路的性能改善。
[0003] 片上平面電感的能量損耗機理有多種形式，包括螺旋電感自身電阻的能量損耗， 趨膚效應、鄰近效應，以及頂層金屬線圈與襯底之間的位移電流損耗、襯底渦流效應、容性 耦合，即時變磁場耦合導致的襯底損耗。這些損耗機理將影響電感的品質因數，自諧振頻率 和電感值。
[0004] 在通常射頻工藝中采用的襯底，其電阻率較低，一般在8歐姆·厘米?20歐姆?厘 米。在低電阻率襯底上制作的電感受到襯底渦流效應的影響比較大。為提高電感的品質因 數，便在襯底上制造圖案襯底接地屏蔽結構。常規作法為在襯底上制作地屏蔽結構來減少 襯底渦流，但是常規的地屏蔽結構是通過接地環來接地的，即通過外周一圈的連接形成環 狀接地，這樣會在接地環上存在渦流，影響電感的品質因數。
[0005] 如申請號為：CN102412230A的《用于射頻工藝中的電感地屏蔽結構》和申請號為： CN102446898A《一種多個襯底屏蔽層的集成電路片上電感結構》的中國發明專利所述，對屏 蔽圖案設計做了改進，但由于屏蔽圖案與電感的螺旋結構不一致，屏蔽效果不理想。而申請 號為：CN102412227A的《螺旋狀電感的地屏蔽結構》的中國發明專利，雖然使用了一種螺旋 狀的屏蔽結構，但在電感線圈之間及電感中空位置下方仍有較大的環形空間，仍然會形成 一定的襯底渦流，不能最大程度地屏蔽滲透到襯底的電磁場。


【發明內容】

[0006] 本實用新型解決的問題是屏蔽平面螺旋電感滲透到襯底的電磁場，減少襯底渦流 損耗，提1?電感的品質因數。
[0007] 為解決上述技術問題，本實用新型的解決方案是提供一種螺旋電感的圖案襯底接 地屏蔽結構，其特征在于，由兩層襯底屏蔽層構成，所述結構設置在半導體本底上位于螺旋 電感下方位置，所述襯底屏蔽層上下交疊，匹配密閉需要屏蔽螺旋電感除中心位置以外的 所有下方所有區域。
[0008] 由于襯底屏蔽層的底層屏蔽層接地，且與上層屏蔽層配合，上下交疊時，能夠完全 覆蓋螺旋電感的下方區域，從而實現屏蔽平面螺旋電感滲透到襯底的電磁場的效果。
[0009] 優選的，襯底屏蔽層由多圈與螺旋電感曲率相似的屏蔽圈組合圖形而成。底層和 上層屏蔽層的螺旋屏蔽圈位置匹配設置，滿足上下兩層屏蔽層交疊時，各螺旋屏蔽圈之間 無間隙或適量交疊排列。屏蔽圈數大于等于2。屏蔽圈形狀與螺旋電感一致，以保證電感下 方位置的完全覆蓋。
[0010] 優選的，螺旋屏蔽圈由多段開放線段組成，線段數大于等于2,線段寬度大于等于 最小設計規則的尺寸定義。不同屏蔽圈的開放線段的斷開位置相同，也可以不相同。
[0011] 此方案使每個屏蔽圈分解為數個線段，以切斷在屏蔽圈內形成渦流的通路，減少 襯底渦流損耗對電感的影響。
[0012] 優選的，襯底屏蔽層的底層由接地線分別將每一部分線段從螺旋屏蔽圈的內圈到 外圈放射式連接，接地線在屏蔽圈內圈聚攏處互不相連，且螺旋屏蔽圈內外圈線段的斷開 位置可以在兩條相鄰接地線的范圍之內有適度偏移。底層屏蔽層接地，即每一屏蔽圈線段 通過各自的接地線接地，可以保證屏蔽效果，同時實現零電位勢在底層屏蔽層的均勻分布， 避免高頻交流時，由于屏蔽圈材料存在阻抗產生電勢差，造成損耗。各接地線互不相連，可 以減少螺旋屏蔽圈的線段圖案之間存在電流干擾。
[0013] 優選的，接地線通過屏蔽圈線段的中點連接，實現零電位的等勢分布。
[0014] 優選的，襯底屏蔽層上層屏蔽層電位懸浮。上層屏蔽層的屏蔽圈，其圈數，線段寬 度與底層匹配設置，以保證密閉覆蓋整個螺旋電感的下方所有區域。設置其電位為懸浮可 以減少潤流的廣生，減少損耗。
[0015] 優選的，襯底屏蔽層可以采用標準半導體工藝中常用的任意低電阻率材料制成， 包括重摻雜多晶等，優選的，采用金屬。
[0016] 與現有技術相比，本實用新型采用與電感結構一致的螺旋金屬線段組成的雙層襯 底屏蔽層，能顯著提高對滲透到襯底的電磁場的屏蔽效率，減少襯底損耗。本實用新型結 構設計簡單，基于原有工藝，不會增加額外的工藝成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為底層金屬與接地線示意圖；
[0018] 圖2為雙層金屬屏蔽層交錯分布示意圖；
[0019] 圖3為雙層金屬屏蔽層交錯分布與接地線示意圖；

【具體實施方式】
[0020] 本實用新型為一種螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，采用雙層屏蔽層，設置在 片上螺旋電感和半導體本底之間。每一層屏蔽層形狀與螺旋電感相似，并由多圈螺旋形屏 蔽圈組成。兩層屏蔽層上下交疊設置。屏蔽圈呈無間隙或適量交疊排列，組合密閉片上螺 旋電感下方除電感中心在半導體本底上的投影位置以外的全部區域。屏蔽圈有多個開放式 線段組成，線段數大于等于2,線段寬度和間距大于等于最小設計尺寸。
[0021] 本實用新型的設置方式為：由底層屏蔽層100通過接地線接地，即地屏蔽層，接 地線101從屏蔽圈的內圈到外圈分別逐一連接每一個線段，呈放射形有底層屏蔽層中心向 四周放射狀設置，且在中心聚攏處互不相連。上層屏蔽層200懸浮；或者由上層屏蔽層200 通過接地線接地，將上層屏蔽層的線段由接地線從屏蔽圈的內圈到外圈分別逐一連接，呈 放射形有上層屏蔽層中心向四周放射狀設置，且在中心聚攏處互不相連，而設置底層屏蔽 層100懸浮。
[0022] 屏蔽圈及接地線所有線段采用標準半導體工藝中常用的任意低電阻率材料制成， 包括重摻雜多晶等，優選的，采用金屬。
[0023] 同層屏蔽層中屏蔽圈的內外圈之間，線段斷開位置可相同，也可在在兩條相鄰接 地線的范圍之內有適度偏移，上下兩層屏蔽層之間，屏蔽圈螺旋線段斷開的位置可相同或 不同。線段開口最小的寬度滿足最小設計規則。
[0024] 上下兩層屏蔽層的金屬屏蔽圈交錯分布，最大化匹配密閉電感下方區域。每層屏 蔽層使用的屏蔽圈數可變；不同圈數時，金屬的寬度以及金屬圈的間隙也可以不同。所述的 交疊范圍、屏蔽圈數、金屬寬度和金屬圈的間隙由所需屏蔽的電感結構的尺寸以及涉及的 設計規則決定。最小的寬度和間隙需滿足最小設計規則。例如：所需屏蔽的電感是5線圈 結構，最內圈直徑為40微米，每個線圈線寬為4微米，線圈間隙為2微米。根據已知設計 規則，可以計算得知所需屏蔽的電感最外圈直徑為68微米。需要構建的屏蔽層的區域應為 不小于直徑40微米到68微米的圓環族圖案。
[0025] 本實用新型構造屏蔽層的規則為：屏蔽層圈數與所需屏蔽的電感的線圈數對應， 兩層屏蔽層同一圈的金屬交疊后的寬度之和不小于所需屏蔽電感所對應圈的線圈的線寬 和間隙之和；兩層屏蔽層每個金屬線圈的中點分別與所需屏蔽電感的對應圈金屬線圈的中 點或者與對應圈金屬線圈相鄰間隙的中點重合；屏蔽層每個金屬圈的線寬和相鄰間隙之和 等于所需屏蔽電感的對應圈線圈的線寬和相鄰間隙之和。
[0026] 優選的，兩個屏蔽層的金屬寬度分別與所需屏蔽電感的對應圈數的線圈寬度和間 隙寬度一致。上下疊加時恰好密閉電感線圈及線圈間隙部分，并且沒有交疊。
[0027] 需要說明的是按照上述屏蔽層構造規則僅可覆蓋所需屏蔽電感最內圈至最外圈 之間的區域。對于所需屏蔽電感最內圈線圈以內的區域，即電感中心的投影區域，可繼續在 屏蔽層的最內圈內添加屏蔽圈，直至添加的金屬圈寬度和間隙以及線段開口中任一變量不 能滿足最小設計規則，導致同一圈的開放線段重合交疊在了 一起。
[0028] 下面結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明。
[0029] 本實施例中需要屏蔽的電感由5圈線圈構成，其最內圈線圈直徑為40微米，每個 線圈線寬相同，為4微米，各線圈之間的間隙相同，為2微米，則該線圈的最外圈直徑為68 微米。于是需要構建的屏蔽層的區域為不大于直徑40微米到68微米的金屬圈同心圓環 族，其圓心與需屏蔽的電感中心投影重合。如附圖1所示，本實施例的底層屏蔽層100由5 圈金屬圈組成，最內圈線圈直徑為40微米，最外圈線圈直徑為68微米，各線圈線寬固定， 為4微米，兩兩線圈間隙固定，為2微米。每圈線圈分為四段螺旋線段，各線斷開口位置相 同，從內到外整齊排列。螺旋線段與需屏蔽電感線圈形狀相似。四條接地線101將底層屏 蔽100層每一部分螺旋線段自內向外呈十字型做放射狀分布，最內圈圓心處相互靠近卻互 不相連。每條接地線均由金屬制成，且通過所連接螺旋線段的中點延伸。單是底層屏蔽層并 不能完全屏蔽滲透到襯底的電磁場，需要上層屏蔽層的補充。本實施例中，上層屏蔽層200 由4圈金屬圈組成，最內圈線圈直徑為44微米，最外圈線圈直徑為64微米，各線圈線寬固 定，為2微米，兩兩線圈間隙固定，為4微米。每圈線圈分為四段螺旋線段，各線斷開口位置 相同，從內到外整齊排列。如附圖2所示，兩層屏蔽層上下屏蔽層交疊時，各屏蔽層線段的 開口交錯，金屬圈無間隙排列。實現需屏蔽電感下方，除電感中心區域外，最大程度地屏蔽。 本實施例的底層屏蔽層經接地線接地，上層屏蔽層懸浮設置，如附圖3所示。底層屏蔽層的 螺旋線段開口并接地，以及上層屏蔽層懸浮切斷了形成渦流的通路，減少了電磁場滲透造 成的損耗，提1?電感的品質因數
[0030] 作為本實施例的一種改進，各金屬圈各線段的斷開位置還可以在兩條相鄰接地線 的范圍之內有適度偏移，即線段的開口位置也可以不同。避免線段斷開位置相同有助于屏 蔽圈內部電位均勻分布。
[0031] 作為本實施例的另一種改進，按照上述實施例構造的屏蔽層，可以繼續擴展到所 需屏蔽電感最內圈線圈以內的區域，即電感中心的投影區域。繼續在屏蔽層的最內圈內添 加金屬圈，在最內圈金屬圈內添加直徑為34微米，28微米，22微米的小金屬圈，直至所添加 的金屬圈寬度和間隙以及線段開口中任一變量不能滿足最小設計規則，導致同一圈的開放 線段重合交疊在了一起。
[0032] 需要說明的是，上述實施例僅涉及結構對稱且線圈寬度間隙固定的電感。實際上 對于結構非對稱的電感，或者線圈寬度間隙不固定的電感，上述屏蔽層結構以及屏蔽層構 造規則同樣適用。
[0033] 以上通過具體實施例對本實用新型進行了詳細的說明，但這些并非構成對本實用 的限制。在不脫離本實用新型原理的情況下，本領域的技術人員還可對襯底屏蔽層圖形結 構等做出許多變形和等效置換，這些也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1. 一種螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，由半導體本底上位于螺旋電 感下方的兩層襯底屏蔽層組成；所述襯底屏蔽層上下交疊，匹配密閉所述螺旋電感除中心 位置以外的下方區域。
2. 如權利要求1所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述襯底屏 蔽層由多個圍繞所述螺旋電感中心，形狀與所述螺旋電感形狀近似的螺旋屏蔽圈組成，所 述螺旋屏蔽圈的圈數大于等于2。
3. 如權利要求2所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述襯底屏 蔽層的底層屏蔽層（100)和上層屏蔽層（200)的螺旋屏蔽圈位置匹配設置，滿足上下兩層 屏蔽層交疊時，各螺旋屏蔽圈之間無間隙或適量交疊排列。
4. 如權利要求2所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述螺旋屏 蔽圈由多段開放線段組成，線段數大于等于2。
5. 如權利要求1-4之一所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述 襯底屏蔽層的底層（100)分別由接地線（101)將每一部分線段從螺旋屏蔽圈的內圈到外圈 放射式連接并接地，且屏蔽圈內圈聚攏處互不相連。
6. 如權利要求5所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述底層屏 蔽層（100)的螺旋屏蔽圈內外圈線段的斷開位置可以在兩條相鄰接地線（101)的范圍之內 偏移。
7. 如權利要求5所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，接地線（101) 通過屏蔽圈線段的中點連接。
8. 如權利要求5所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，襯底屏蔽層 上層（200)屏蔽層電位懸浮。
9. 如權利要求1所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述襯底屏 蔽層由低電阻率材料構成。
10. 如權利要求9所述的螺旋電感的圖案襯底接地屏蔽結構，其特征在于，所述襯底屏 蔽層的低電阻率材料是金屬。
【文檔編號】H01L23/552GK203895449SQ201420212072
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】劉林林 申請人:上海集成電路研發中心有限公司