CN1222959C - 电感元件 - Google Patents

Abstract

目的是提供即使形成在衬底上也能有效地工作的电感元件。电感元件100，包括形成在半导体衬底表面的2个涡形的导体120，122。上层的导体120和下层的导体122具有基本相同的形状，导体120的内周端和导体122的外周端电气相接。另外，导体120的外周端和内周端分别与引出线130，132相连接，连接到内周端的引出线132通过下层的导体122和半导体衬底110之间引出到外部。

Description

电感元件

技术领域

本发明是关于半导体衬底等各种衬底上形成的电感元件。

背景技术

在半导体衬底上用薄膜成形技术形成涡形图形电极，将该图形电极作为电感元件的半导体电路广为人知。这样形成在半导体衬底上的电感元件中有电流流过时，涡形图形电极中就会在垂直方向上产生磁通量，由于该磁通量使半导体衬底表面上产生涡形电流消除有效磁通量，所以存在电感元件不能有效地工作的问题。特别是，电感元件中流过的信号频率越高，这种倾向就越明显，因而在半导体衬底上形成包含电感元件的高频率电路比较困难。

发明内容

本发明是针对这样的问题创作的，其目的是提供即使形成在衬底上也能有效工作的电感元件。

本发明的电感元件，具有在相互绝缘的状态下在衬底上重叠形成的，各自的一端相连接的两个导体，离衬底较远的一个作为电感导体使用，同时，从离衬底较近的另一个导体和衬底之间通过，引出该电感导体的引出线。试验证明，一端相连接的两个导体在衬底上重叠配置，离衬底较远的导体作为电感导体使用的情况下，该电感导体即使形成在衬底上，由涡形电流产生的电感分量也不会消失，而具有规定的电感。特别是，通过从另一个导体和衬底之间引出该电感导体，能够将电感导体产生的有效磁通量的流动的遮挡作用抑制到最小限度，得到良好的特性。

特别是，最好是在上述衬底上形成3层以上的金属层，用相互之间隔一层以上的不同层的金属层，来分别形成上述的2个导体和引出线。通过这样的结构，因为电感导体和引出线之间至少能够相隔2层以上，所以能使流过引出线的电流产生的影响变得更小。

另外，最好使用从电感导体的一端延伸出来的引出线的一部分，来进行2个导体的各自一端的连接。因为能减少与电感导体交叉的导线〔引出线和连线〕的个数，所以能进一步减低由电感导体产生的对有效磁通量的流动的遮蔽作用。另外，使用曝光装置制造各导体和引出线的情况下，由于能简化掩膜的形状，因而能减轻制造成本和制造所需的复杂程度。

另外，本发明的电感元件，具有在相互绝缘的状态下在衬底上重叠形成的，各自的一端相连接起来的2个导体，离衬底较远的一个作为电感导体使用，同时，另一个导体的端子即不与电感导体连接的一边以规定的阻抗元件终结。虽然由于电感导体产生的有效磁通量导致另一边的导体里也有电流流动，但是因为该另一个导体的自由端以阻抗元件终结，使防止该部分的不良反射，改善特性成为可能。另外，根据采用电阻，电容，感应器中的哪一种，或者用这些元件的何种组合方式来形成阻抗元件，能够调整另一个导体的频率特性等，可以通过将阻抗元件的元件常数调整到合适的值来改善特性。

另外，希望构成上述阻抗元件的电阻，电容，感应器中至少有一个的元件常数可以改变，通过改变该元件常数来调整终端条件。通过外部的某种方法，例如通过改变施加的控制电压的值，改变阻抗元件全体的元件常数，即终端条件来调整电感元件的特性。

特别是，上述衬底是半导体衬底的情况下，希望通过可变容量的二极管来形成元件常数可变的电容。由于采用利用衬底形成的半导体二极管，使产品小型化成为可能，与以后配备外加产品进行布线等相比，由于制造工艺简单，可以降低制造成本。同样，上述衬底是半导体衬底时，希望由将沟道作为电阻的FET形成，通过使用可变电阻，可使部件小型化，同时，可因工序减化而降低成本。

另外，希望构成阻抗元件的电感元件是由衬底上形成为规定形状的导体层来形成。因为用于终结导体的一端的感应器不要求有高Q值，可以通过衬底上的导体图形来实现，而且因为可以利用进行各种布线等的金属层在同一个工艺中形成该导体图形，使产品的小型化，工艺的简单化及其带来的成本下降成为可能。

另外，希望上述的2个导体形成为基本相同的形状或长方形。通过做成相同的形状，由于上层的导体不会与衬底表面直接相对，能够减低直接相对时衬底上产生的涡形电流。另外，通过将2个导体的形状做成长方形，能够保持上层的导体上有规定的电感。特别是，将导体形成为1圈以上的涡形或蛇形的情况下，由于能保持大的电感，适用于频率比较低的电路。另外，将导体形成为不满1周的圆形或基本上为直线的情况下，由于与形成涡形等情况相比能够减小电感，所以适用于频率比较高的电路。

另外，将2个导体形成为涡形的情况下，希望一个导体的内周端和另一个的导体的外周端相连。通过这样的连接，试验证明，在衬底上形成电感导体的状态下能够确保更大的电感，能够实现在衬底上有效工作的电感元件。特别是在，周数为1周以上的涡形的情况下，虽然有必要从该涡形的电感导体的内周延伸引出线，但通过从接近衬底的导体和衬底之间引出引出线，能将电感导体所产生的有效磁通量的遮挡降低到最小限度。

另外，上述电感元件适用于有电感成分和电容成分的复合元件。该电感元件，有相互重叠的2个导体，由于其特性中还包含电容成分，能够用于跟电感，电容器组合起来作为电路的一部分的用途。

附图说明

图1是表示第1实施方式的电感元件的平面构成图，

图2是表示图1所示的电感元件所包含的上层导体的图，

图3是表示图1所示的电感元件所包含的下层导体的形状图，

图4是表示电感元件所包含的2个导体的连接状态的图，

图5是图1的V-V线扩大剖面图，

图6是表示试验结果的图，

图7是表示试验结果的图，

图8是表示试验结果的图，

图9是表示试验结果的图，

图10是包含电感元件的振荡电路的电路图，

图11是表示图10所示振荡电路的输出特性的图，

图12是表示图10所示振荡电路的输出特性的图，

图13是表示第2实施方式的电感元件的结构的图，

图14是表示下层的导体的内周端连接可变容量二极管的情况下

的结构图，

图15是表示图14所示的在半导体衬底上形成可变容量二极管的情况下的剖面结构图，

图16是表示下层的导体的内周端连接可变电阻的情况下的结构图，

图17是表示电感元件所包含的导体的变形例的图，

图18是表示电感元件所包含的导体的变形例的图，

图19是表示电感元件所包含的导体的变形例的图，

图20是表示省略连接2个导体的端部的连线的电感元件的变形例的图。

实施方式

下面，对适用本发明的一个实施方式的电感元件，对照图进行具体说明。

第1实施方式

图1表示第1实施方式的电感元件的平面结构图。图2表示图1所示的电感元件所包含的上层导体的图，图3表示图1所示的电感元件所包含的下层导体的形状图。

本实施方式的电感元件100包括在半导体衬底上形成的2个涡形的导体120，122。这2个导体120，122形状基本相同，从半导体衬底110的表面看时，上层的一个导体120和下层的另一个导体122基本上是被重叠配置的。各导体120，122是例如由金属薄膜(金属层)或者多晶硅等材料形成的。

图4是表示上述的2个导体的连接状态的图，如图4所示，上层的导体120的外周端(外缘端)和内周端(中心端)分别连接到引出线130，132，上层的导体120的内周端和下层的导体122的外周端通过连线134连接。

上层的导体120，作为电感导体工作，通过连接于其两端的引出线130，132，连接到半导体衬底110上形成的电路(图中未示出)。

图5是图1的V-V线扩大剖面图，如图4和图5所示，半导体衬底110的表面上至少形成3层金属层160，162，164，用距离半导体衬底最远的最上层的金属层160形成作为电感导体的导体120，用中层的金属层162形成另一个的导体122。

另外，从最上层的导体120的内周端引出的引出线132，用距离半导体衬底最近的最下层的金属层164形成。例如，如图5所示，导体1 20的内周端和引出线132的一端通过穿孔150连接，用最下层的金属层164形成的引出线132向外侧端引出，使132与涡形的电感导体的各圈直交。另外，用3个金属层160，162，164形成的导体120，122，引出线132和半导体衬底110之间分别形成绝缘层140，142，144，进行相互绝缘。

本实施方式的电感元件100具有上述的结构，由于分别连接到上层导体的120的两端的引出线130，132之间出现规定的电感，所以能将该上层的导体120作为电感导体使用。另外，通过该上层导体120的下侧形成有与该导体120形状基本一致的导体122，由连线134连接两个端子，在将上层的导体122作为电感导体使用时，能够抑制半导体衬底110的表面的涡形电流的产生，使上层导体120作为电感导体有效地工作。

另外，本实施方式的电感元件100中，从电感导体的上层的导体120的内周端引出的引出线132，用最下层的金属层164形成，被配置在穿过另一个导体122距离电感导体最远的位置上。因此，能将电感导体产生的有效磁通量流动的遮挡抑制到最小限度，获得良好的特性。这样，本实施方式的电感元件100，由于能够用半导体衬底110表面的至少3层金属层的160，162，164形成，所以使其与半导体衬底110上其他的部件集成在一起成为可能。

但是，本申请人，对上述的将2个导体120，122在衬底上重叠配置，将各一端连接形成电感元件的有效性，进行了各种试验，已经根据其试验结果进行了申请(特愿平10-93869号)。本实施方式的电感元件100是其改良，利用2个导体120，122有两层结构，对引出线132的引出位置下工夫，来谋求改善特性。例如，考虑半导体衬底或其他衬底上简单地形成涡形电感导体的情况，既使该电感导体用与形成的金属层相邻的上层或者下层的金属层形成引出线，感应层和引出线配置接近的事实不会改变，导致遮挡电感导体产生的有效磁通量。但是，本实施方式的电感元件100中，由于电感导体的一个导体120和引出线132之间配置有另一个导体122，能够减低以与电感导体120交叉的方式引出引出线132的情况下对有效磁通量的干扰。

下面，引用申请(特愿平10-93869号)中所示的试验结果，说明本实施方式的电感元件的有效性。

图6表示具有与电感元件100中所包含的导体120相同形状的1层电极的电感元件的正向增益的测试结果。另外，图7表示具有与电感元件100中所包含的导体120相同形状的1层电极的电感元件的正向增益，及将该电感元件紧贴于导体衬底时的特性。

用于进行这些测定的电感元件，在厚度为0.13mm，介电常数(比诱电率)为3.17的绝缘材料的表面上，使用了图形宽度为1mm，圈图形的相邻间隔为0.2mm，周数为5的电极形成。图6所示的特性是在该电感元件与其他的导电材料有充分的距离的状态下测定的。另外，图7所示的特性，是在将铜板紧贴在该电感元件的反电极一侧的绝缘表面上的状态下测定的。另外，图6和图7(后面的图8和图9也一样)的纵轴表示对数表示的正向增益(衰减量)，横轴表示对数表示的输入信号的频率。

涡形的1层电极组成的电感元件，在与其他的导电材料保持足够距离的状态下，如图6所示，输入信号的频率越高，其正向增益越小。这是因为感应系数为L的电感元件的阻抗jwL与输入信号的频率成正比变大了。

相反，在该电感元件紧贴在铜板上的状态下，如7所示，即使输入信号发生变化也能维持高的正向增益。这表明，由于电感元件的电感随着接近铜板而变小，原来的电感功能不起作用了。感应系数变小的原因，我们认为是信号输入到电极时产生的磁通量在铜板表面上产生的涡形电流消除了该磁通量。

另外，上述的测定中，是用铜板作为衬底，用半导体衬底代替铜板的情况下，基本上出现同样的现象。

图8表示电感元件的正向增益的测定结果，该电感元件具有与电感元件100所包含的2个导体120，122一样形状和配置的2层的电极。另外，图9表示具有电感元件100所包含2个导体120，122一样形状和配置的2层的电极的电感元件的正向增益，将铜板紧贴在该电感元件上时的特性。

用于这些测定的电感元件，对图6和图7中所示的测定结果的电感元件，增加了对应于图1所示导体122的电极结构。另外，铜板紧帖于该电感元件时，通过足够薄的绝缘材料配置下层的电极和铜板。

相对配置涡形的2层电极的电感元件，在与其他的导电材料保持足够的距离的状态下，正从如图8所示的正向增益特性可以看出的那样，在117MHz附近出现共振点。这是因为，一个电极作为电感导体工作时的同时，2个电极之间产生电容，电感元件整体作为具有电感分量和电容分量的复合元件进行工作。

另外，在该电感元件紧帖铜板的状态下，如图9所示，虽然共振点的位置(135MHz)不同，但出现了类似的共振点。这表明，通过使用具有上述电极的2重结构的电感元件，即使紧贴铜板也不会使其电感分量消失，维持作为电感导体的功能。

另外，具有2重结构的电极的电感元件，由于2个电极之间必然存在电容，所以希望其用途是作为利用该共振特性的电路的一部分来使用。例如，希望作为振荡电路，调谐电路等包含的电感元件100来使用。

接下来，说明将上述本实施方式的电感元件100作为实际的电路的一部分使用的具体例子。

图10是用本实施方式的电感元件100构成的振荡电路的例子，表示克莱普振荡电路的构成。该克莱普振荡电路中，2个电容20，22的电容系数设定为晶体管24的端子间容量的数十倍，通过电容28连接到电感元件30。

图11表示图10所示克莱普振荡电路的电感元件30，采用有图6所示正向增益的测试结果的1层电极的电感元件时的振荡电路的输出特性。如图11所示，观察到119MHz的振荡频率。

另外，图12是表示图10所示克莱普振荡电路的电感元件30，采用将图9所示正向增益的测试结果的2层电极紧贴铜板的电感元件时的振荡电路的输出特性。如图12所示，观察到127MHz的振荡频率。

这样，2层结构电极的电感元件，我们知道即使其中的一个(作为电感导体使用的电极和相反侧)紧贴铜板，该电感分量也不会消失，作为电感导体工作。因此，具有基本相同结构的本实施方式的电感元件100，由于除了上层的导体120外还有下层的导体122，即使在紧贴在半导体衬底110的表面形成的情况下，也能作为具有规定的电感的电感元件有效地工作。

第2实施方式

图13表示第2实施方式的电感元件100A的结构，不同之处在于对图4所示的第1实施方式的电感元件100增加了规定的阻抗元件200。

也就是，上述第1实施方式的电感元件100中，我们来看作为电感导体的一方导体120和基本上重叠配置的另一方导体122，只有一端(图1所示例中为外周端)连接到连线134，内周端是自由端(开放状态)。本实施方式中，由于导体122的内周端由阻抗元件200作为末端，能够改善或调整电感元件100A的整体的特性。

例如，电感元件100A的一方导体120中有电流流动时，虽然另一方导体122中产生感应电流或通过连线134直接流入电流，由于另一方导体122的内周端通过阻抗元件200来终结，所以能防止内周端不要的反射。而且，由于调整或改变阻抗元件200的元件常数，使改善或改变包含电感元件100A的电路的频率特性更容易。例如，想降低频率时，可以采用电感作为阻抗元件200。反过来，想提高频率时，可以采用电容作为阻抗元件200。或者，也可以任意组合这些电感，电容，或电阻来形成阻抗200。

另外，上述阻抗元件200，最简单可以用电感，电容或电阻的芯片。另外，如图5所示的剖面结构，考虑到在半导体衬底110上形成构成电感元件100A的2个导体120，122等，希望阻抗元件200也用半导体制造技术形成在半导体衬底110上。例如，可以考虑用高阻抗体来形成电阻，将规定面积的2层的金属层相对放置形成电容，由规定形状的导体形成电感器。另外，由于阻抗元件200只是简单地作为末端用的元件，所以即使通过电感器来实现也不需要很高的Q。因此，也可以将规定形状(例如涡形)的导体形成在半导体衬底上构成电感器作为阻抗元件200来使用。

另外，也可以采用通过外部控制手段可以改变元件常数的阻抗元件200。图14表示导体122的内周端连接可变容量二极管210时的结构图。可变容量二极管210，反向偏压状态下使用时，作为具有规定电容的电容器来工作，改变反向偏压电压的大小能改变电容。该可变容量二极管210，通过用于除去直流成分的电容212连接到导体122的内周端。

图15表示将图14所示的可变容量二极管210形成在半导体衬底110上时的剖面结构图。如图15所示，包括由n型硅衬底(n-Si)形成的在半导体衬底110的表面附近形成的P⁺区域220，形成为其中一部分的n⁺区域222，这些P⁺区域220和n⁺区域222形成Pn结。另外，P⁺区域220的表面上形成有接地用的电极230，n⁺区域222的表面上形成有施加可变反向偏压的控制电压Vc的电极232。通过在电极232上施加正的控制电压Vc，能够形成根据该控制电压Vc的大小改变电容常数的可变容量二极管210。

图16表示导体122的内周端连接到根据FET240改变的可变阻抗时的结构。如图16所示，由于可变阻抗将FET240的沟道作为电阻从而实现更容易。通过改变施加到门电极的控制电压，能改变源极和漏极之间形成的沟道的电阻。另外，FET240，在半导体衬底110的表面附近形成源区域和漏区域的同时，这些区域和他们之间的沟道在所形成的区域附近形成规定形状的电极，能简单地在半导体衬底110上形成。

这样，以根据外部施加的控制电压Vc的改变元件常数的电感元件作为导体122的一端的末端，能改变末端条件，因此即使电感元件100A的输入输出信号的频率发生变化的情况下，也可以根据该变化调整末端条件，改善特性。

另外，本发明并不仅限于上述的实施方式，在本发明的目的范围内可以有各种变形实施方式。例如，图1所示的电感元件100中，上层的导体120的内周端和下层的导体122的外周端通过连线134相互连接，但也可以反过来将上层的导体120的外周端和下层的导体122的内周端相连接。而且，在电感元件的电感在一定程度上允许变小的情况下，也可以将导体120，122的两个外周端，或者两个内周端相连接。

另外，上述的实施方式中，将电感元件100，100A所包含的2个导体120，122形成为涡形，能够实现电感较大的电感元件100，100A，但也可以将2个导体120，122形成为蛇形(图17)。而且，作为高频电路的一部分使用该电感元件100，100A时，也可以减少导体120，122的圈数形成为不满一周(图18)，或基本为直线的形状(图19)。

另外，上述的实施方式中，2个导体120，122的形状设定为基本一样，但也可以设定为不同的形状。例如，可以将下层的导体122的圈数设定为比上层的导体120的圈数多。这样，在上层的导体120的下侧配置下层导体122的全部或者一部分，由于直接上层的导体120不再与半导体衬底相对，能有效地防止上层导体产生的涡形电流。

另外，上述的实施方式中，通过在半导体衬底110上形成2个导体120，122来形成电感元件100，100A，但也能实现在金属等的导体衬底上形成2个导体120，122的电感元件。从图9所示的试验结果可以看出，证明这种情况下电感元件也可以有效地工作。如果能形成紧贴在导体衬底上的电感元件100，100A，就可能在金属造的屏蔽箱等的表面上配置电感元件100，100A，保持电感元件的设置空间就会更容易。

另外，上述各实施方式的电感元件100，100A，为了连接2个导体120，122的一端，使用了引出线130，132以外的连线134，但如图20所示，也可以用一方的引出线132的一部分来连接2个导体120，122的一端。这种情况下，由于不需要连线134，可以简化结构，还因为不再有由连线134产生的不要的磁通量，和由电感导体产生的对有效磁通量的干扰而改善性能。

工业可利用性

如上所述，根据本发明，一端连接的2个导体中的距离衬底较远的一个作为电感导体使用，该电感导体的引出线从距离衬底较近的另一个导体和衬底之间通过，能将电感导体产生的有效磁通量的流动的遮挡抑制到最小限度，从而获得良好的特性。

另外，根据本发明，由于电感导体产生的有效磁通量，另一个导体中也有电流流动，由于该另一个导体的自由端侧的端部以阻抗元件作为末端，使防止该部分的不要反射改善进行特性改善成为可能。

Claims (22)

1.一种电感元件，其特征在于，具有在相互绝缘的状态下在衬底上重叠形成的各自一端相连接的2个导体，距离上述衬底较远的一个上述导体作为电感导体使用，该电感导体的引出线配置在通过距离上述衬底较近的另一个导体和上述衬底之间的位置。

2.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，在上述衬底上形成3层以上的金属层，在相互隔开1层以上的多层上述金属层的各层上，分别形成上述2个导体和上述引出线。

3.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，利用上述引出线的一部分，来连接上述2个导体的一端。

4.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体具有基本相同的形状。

5.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为长方形，各自长边的一端相连接。

6.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为圈数不到1周的圆形，各自的一端相连接。

7.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为圈数为1周以上的涡形，各自的一端相连接。

8.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为圈数为1周以上的涡形，各自的一端相连接，同时上述电感导体的内周端引出的上述引出线从上述另一个导体和上述衬底之间通过。

9.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体形成为基本为直线的形状，各自的一端相连接。

10.如权利要求1记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体形成为蛇形，各自的一端相连接。

11.如权利要求7记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体中的一个导体的内周侧端部和上述2个导体中的另一个导体的外周侧端部相连接。

12.一种电感元件，其特征在于，具有在相互间绝缘的状态下在衬底上重叠形成，各自的一端相连接的2个导体，距离上述衬底较远的一个上述导体作为电感导体使用，另一个上述导体的端部不与上述电感导体连接的一边以规定的阻抗元件作为末端。

13.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述阻抗元件中，元件常数电阻、电容、电感中的至少一个可以改变，通过改变元件常数改变末端条件。

14.如权利要求13记载的电感元件，其特征在于，上述衬底是半导体衬底，上述电容，由用形成在上述半导体衬底内外的半导体层的可变容量二极管形成。

15.如权利要求13记载的电感元件，其特征在于，上述衬底是半导体衬底，上述电阻，由用形成在上述半导体衬底内外的半导体层的FET的沟道形成。

16.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体具有基本一样的形状。

17.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为长方形，各自长边的一端相连接。

18.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为圈数不到1周的圆形，各自的一端相连接。

19.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体为圈数为1周以上的涡形，各自的一端相连接。

20.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体形成为基本为直线的形状，各自的一端相连接。

21.如权利要求12记载的电感元件，其特征在于，上述2个导体形成为蛇形，各自的一端相连接。

22.如权利要求19记载的电感元件，其特征在于，一个上述导体的内周侧端部和另一个上述导体的外周侧端部相连接。

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