螺旋状堆叠式集成变压器和电感的制作方法

本发明涉及变压器和电感，尤其涉及一种螺旋状堆叠式集成变压器和螺旋状堆叠式集成电感。

背景技术：

电感以及变压器为射频集成电路中用来实现单端至差动信号转换、信号耦合、阻抗匹配等功能的重要元件，随着集成电路向系统单晶片(System on Chip，SoC)发展，集成电感(integrated inductor)和集成变压器(integrated transformer)已逐渐取代传统的分离式元件，而被广泛地使用在射频集成电路中。然而，集成电路中的电感和变压器，往往会占用大量的芯片面积，因此，如何缩小集成电路中的电感和变压器的面积，并同时维持元件的特性，例如电应值、品质因数(quality factor，Q)及耦合系数(coupling coefficient，K)等等，成为一个重要的课题。

技术实现要素：

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种螺旋状堆叠式集成变压器和螺旋状堆叠式集成电感，以缩小元件面积和提高元件效能。

本发明公开了一种螺旋状堆叠式集成变压器，由一第一电感和一第二电感所组成，包含：一第一螺旋状线圈，具有一第一外部线圈和一第一内部线圈，该第一内部线圈位于该第一外部线圈内；一第二螺旋状线圈，与该第一螺旋状线圈具有一重叠范围，具有一第二外部线圈和一第二内部线 圈，该第二内部线圈位于该第二外部线圈内；以及一连接结构，用来连接该第一螺旋状线圈和该第二螺旋状线圈；其中，该第一电感包含该第一螺旋状线圈的一部分和该第二螺旋状线圈的一部分，该第二电感包含该第一螺旋状线圈的一部分和该第二螺旋状线圈的一部分。

本发明还公开一种螺旋状堆叠式集成电感，具有一第一感应单元和一第二感应单元，包含：一第一螺旋状线圈，具有一第一外部线圈和一第一内部线圈，该第一内部线圈位于该第一外部线圈内，且第一螺旋状线圈包含一第一端点和一第二端点；一第二螺旋状线圈，与该第一螺旋状线圈具有一重叠范围，具有一第二外部线圈和一第二内部线圈，该第二内部线圈位于该第二外部线圈内，且第二螺旋状线圈包含一第三端点；以及一连接结构，用来连接该第一螺旋状线圈和该第二螺旋状线圈；其中，该第一感应单元包含该第一螺旋状线圈的一部分和该第二螺旋状线圈的一部分，并以该第一端点和该第三端点作为该第一感应单元的两个端点，该第二感应单元包含该第一螺旋状线圈的一部分和该第二螺旋状线圈的一部分，并以该第二端点和该第三端点作为该第二感应单元的两个端点。

本发明的螺旋状堆叠式集成变压器和螺旋状堆叠式集成电感具有集成化的对称结构，提供高对称性的两个电感，更适合使用于集成电路中的被动元件。

有关本发明的特征、实践与效果，现在结合附图对实施例进行详细说明。

附图说明

图1A为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的一实施例的结构图；

图1B为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图；

图1C为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图；

图1D和图1E为图1C的开关模块在不同的切换状态下螺旋状堆叠式集成变压器所对应的横截面图；

图2A和图2B为图1B的螺旋状堆叠式集成变压器200的电感值与Q值的模拟结果；

图3A和图3B为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图；

图4为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图；

图5为本发明螺旋状堆叠式集成电感的一实施例的结构图；以及

图6A至图6C为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的立体结构图。

具体实施方式

以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如果本说明书对部分用语有说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。

图1A为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的一实施例的结构图。螺旋状堆叠式集成变压器100由螺旋状线圈110和螺旋状线圈120所组成，螺旋状线圈110的开口方向与螺旋状线圈120的开口方向相差90度，螺旋状线圈110大多数的金属线段位于半导体结构中的第一金属层，螺旋状线圈120的大多数金属线段位于半导体结构中的第二金属层。螺旋状线圈110具有端点117和端点118，并且包含金属线段111、金属线段112、金属线段113以及金属线段114。金属线段111的左半部以及金属线段113构成螺旋状线圈110的外部线圈，而金属线段111的右半部以及金属线段112构成螺旋状线圈110的内部线圈。螺旋状线圈120具有端点127和端 点128，并且包含金属线段121、金属线段122、金属线段123、金属线段124、金属线段125、金属线段131、金属线段132以及金属线段133。螺旋状线圈120同样包含外部线圈与内部线圈。其外部线圈包含金属线段121、金属线段131、金属线段122以及金属线段124的下半部；其内部线圈包含金属线段125、金属线段133、金属线段124的上侧部分以及金属线段123。

在半导体结构中，金属线段111、金属线段112和金属线段113属于第一金属层，金属线段114、金属线段121、金属线段122、金属线段123、金属线段124以及金属线段125属于第二金属层，金属线段131、金属线段132以及金属线段133属于第三金属层，三个金属层实质上为平行的结构。金属线段114通过垂直于金属层的贯穿结构(位于图中所示的贯穿位置)连接金属线段112与金属线段113，所以金属线段114可视为螺旋状线圈110的一部分。同理，虽然金属线段131、金属线段132以及金属线段133位于第三金属层，但实际上是分别通过多个贯穿结构来分别连接金属线段121与金属线段122、金属线段122与金属线段123以及金属线段124与金属线段125，所以金属线段131、金属线段132以及金属线段133可视为螺旋状线圈120的一部分。螺旋状线圈110与螺旋状线圈120为上下堆叠的结构，两者的外部线圈实质上重叠，两者的内部线圈实质上重叠，也就是说除了贯穿位置的部分，螺旋状线圈110与螺旋状线圈120互不接触，但在半导体结构中具有一重叠范围。

螺旋状堆叠式集成变压器100还包含连接结构160，连接结构160位于螺旋状线圈110与螺旋状线圈120的重叠范围内。连接结构160包含金属线段161和金属线段162，请注意，在此实施例中，虽然金属线段161与金属线段123相连且金属线段162与金属线段125相连，但为了清楚定义螺旋状线圈的内部线圈以更加容易阐释本发明，本发明特地将金属线段161和金属线段162定义为连接结构160，以与内部线圈区分。连接结构160的主要用来连接螺旋状线圈110的内部线圈与螺旋状线圈120的内部 线圈，因此设置在螺旋状线圈110和螺旋状线圈120所重叠的范围中。在这个实施例中，连接结构160位于第二金属层，所以金属线段161直接与金属线段123连接，金属线段162直接与金属线段125连接，并且金属线段161与金属线段162通过贯穿位置150-3与贯穿位置150-4上的贯穿结构来分别与位于第一金属层的金属线段112与金属线段111相连接(贯穿位置150-3对应贯穿位置140-3以及贯穿位置150-4对应贯穿位置140-4)，所以实际上金属线段112与金属线段161相连接以及金属线段111与金属线段162相连接。在不同的实施例中，连接结构160可以制成于不同的金属层，并且通过贯穿结构来连接属于不同层的金属线段。

分析螺旋状堆叠式集成变压器100的结构可以发现，螺旋状堆叠式集成变压器100实际上包含2个电感。第一电感以端点117为其中一个端点，主要包含金属线段111、金属线段125、金属线段133及金属线段124，并以端点128为另一个端点，简要地说，第一电感包含螺旋状线圈110之外部线圈的左半部与内部线圈的右半部，以及螺旋状线圈120的内部线圈的上半部与外部线圈的下半部，即包含图1A中以浅灰色表示的金属线段；相似地，第二电感以端点118为其中一个端点，主要包含金属线段113、金属线段114、金属线段112、金属线段123、金属线段132、金属线段122、金属线段131及金属线段121，并以端点127为另一个端点，简要地说，第二电感包含螺旋状线圈110的外部线圈的右半部与内部线圈的左半部，以及螺旋状线圈120的内部线圈的下半部与外部线圈的上半部，即包含图1A中以深灰色表示的金属线段。螺旋状堆叠式集成变压器100通过两电感的磁场的交互作用，实现变压器的功能。

图1B为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图。基本上，螺旋状堆叠式集成变压器200仍然由2个螺旋状线圈(螺旋状线圈210及螺旋状线圈220)所组成，与螺旋状堆叠式集成变压器100不同的是，螺旋状线圈120的金属线段123在螺旋状线圈220中由金属线段123-1(第二金属层)、金属线段123-2(第二金属层)和金属线段134(第三金 属层)所组成，且螺旋状堆叠式集成变压器200的连接结构170也与连接结构160有些许差异。连接结构170包含金属线段171、金属线段172、金属线段173以及金属线段174，其中除了金属线段174位于第一金属层之外，其他的金属线段皆位于第二金属层，也就是说本实施例的连接结构170分布于不只一层金属层。贯穿位置140-5对应贯穿位置150-5以及贯穿位置140-6对应贯穿位置150-6，使得金属线段112通过贯穿结构与金属线段171相连接，且金属线段111通过贯穿结构与金属线段173相连接。虽然螺旋状堆叠式集成变压器100与螺旋状堆叠式集成变压器200的连接结构不同，但第一电感和第二电感在螺旋状堆叠式集成变压器100与螺旋状堆叠式集成变压器200实质上具有相同的配置。

图1C为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图。在这个实施例中，螺旋状堆叠式集成变压器300的连接结构180除了金属线段161与金属线段162之外，还包含开关模块181。开关模块181可以通过内部的多个开关单元决定贯穿位置150-3和贯穿位置150-4与金属线段161的端点和金属线段162的端点的连接方式，例如切换状态(1)：贯穿位置150-3和贯穿位置150-4分别与金属线段162的端点和金属线段161的端点连接；以及切换状态(2)：贯穿位置150-3和贯穿位置150-4分别与金属线段161的端点和金属线段162的端点连接。开关模块181的其中一种实施方式包含4个开关单元，以执行上述的切换，开关单元可以例如通过金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSEFT)实践。图1D和图1E为图1C的开关模块在不同的切换状态下螺旋状堆叠式集成变压器所对应的横截面图，图1D和图1E是根据图1C的A-A’横截面绘制，图中还另外标示第一电感和第二电感在内部线圈和外部线圈的电流方向(此处以2电感的电流分别从端点117和端点118流入为例)。图1D对应上述的切换状态(1)，图1E对应上述的切换状态(2)。可以发现，开关模块181的切换造成2个电感中的电流方向改变，使得2个电感的自感与互感产生变化，各自的电感值也就跟着变化。也就是说，实作上可以通过开关模块181来调整螺旋状堆叠式集成变压器300的2个电感的电感值。另外由图中可以发现，在 此实施例中，第一螺旋状线圈所属的第一金属层位于第二螺旋状线圈所属的第二金属层之上，例如第一金属层和第二金属层分别为半导体结构中的重布层(redistribution layer，RDL)及超厚金属(Ultra-Thick Metal，UTM)层，而金属线段131、金属线段132和金属线段133所属的第三金属层则利用UTM层下方的金属层制作。

图2A和图2B显示图1B的螺旋状堆叠式集成变压器200的电感值与Q值的模拟结果，其线宽为4μm、圈数为4圈、内径38μm、线距为2μm，图2A所对应的结构不包含图案接地屏蔽(patterned ground shield)，而图2B则包含。图2A中，曲线311代表第一电感和第二电感的电感值(单位：nH)，两者的电感值曲线实质上重叠，曲线312和曲线313分别代表第一电感和第二电感Q值；类似地，图2B中，曲线314代表第一电感和第二电感的电感值(单位：nH)，两者的电感值曲线实质上重叠，曲线315和曲线316分别代表第一电感和第二电感Q值。如预期的，在有图案接地屏蔽的情况下电感值和Q值都有较好的表现，此外，更可以看出，在上述的集成变压器的结构下，第一电感和第二电感有实质上相等的电感值和几乎相同的Q值。由以上的说明可以发现，虽然在半导体结构中第一金属层与第二金属层的电阻值通常不相同，且螺旋状线圈的内部线圈与外部线圈可能遭遇不同的物理特性，但因为第一电感和第二电感均匀地分布在第一金属层与第二金属层以及螺旋状线圈的内部线圈与外部线圈，所以两者的电感值与Q值几乎完全相同，具有极佳的对称性。

图3A和图3B为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图。螺旋状堆叠式集成变压器400由螺旋状线圈410和螺旋状线圈420所构成，螺旋状线圈410的开口与螺旋状线圈420的开口朝同一方向。金属线段411应用于第四金属层，用来连接金属线段412和金属线段413，金属线段421应用于第三金属层，用来连接金属线段424和金属线段423。本实施例的连接结构460同样位于螺旋状线圈410与螺旋状线圈420的重叠范围中，包含开关模块461。开关模块461用来将金属线段422与金属 线段423的各一端点与贯穿位置450-1和贯穿位置450-2连接，贯穿位置450-1与贯穿位置450-2分别对应贯穿位置440-1与贯穿位置440-2。类似地，开关模块461可以通过内部的多个开关单元的切换状态决定贯穿位置450-1和贯穿位置450-2与金属线段422的端点和金属线段423的端点的连接情形。图3A显示金属线段422的端点与贯穿位置450-2相连接以及金属线段423的端点与贯穿位置450-1相连接，因此第一电感包含螺旋状线圈410的外部线圈的左半部与内部线圈的右半部以及螺旋状线圈420的外部线圈的右半部与内部线圈的左半部，也就是对应浅灰色的金属线段，第二电感包含螺旋状线圈410的外部线圈的右半部与内部线圈的左半部以及螺旋状线圈420的外部线圈的左半部与内部线圈的右半部，也就是对应深灰色的金属线段。

图3B显示螺旋状堆叠式集成变压器400的另一种切换状态：金属线段422的端点与贯穿位置450-1相连接以及金属线段423的端点与贯穿位置450-2相连接，因此第一电感包含螺旋状线圈410的外部线圈的左半部与内部线圈的右半部以及螺旋状线圈420的外部线圈的左半部与内部线圈的右半部，也就是对应浅灰色的金属线段，第二电感包含螺旋状线圈410的外部线圈的右半部与内部线圈的左半部以及螺旋状线圈420的外部线圈的右半部与内部线圈的左半部，也就是对应深灰色的金属线段。当第一电感和第二电感的配置改变时，其内部的电流方向和两个电感的自感与互感都发生变化，因此可以调整两个电感的电感值。

图4为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的结构图。螺旋状堆叠式集成变压器500由螺旋状线圈510和螺旋状线圈520所构成，螺旋状线圈510的开口与螺旋状线圈520的开口朝相反方向，即两螺旋状线圈的开口方向相差180度。金属线段511虽位于第二金属层，但属于螺旋状线圈510的一部分，所以螺旋状线圈510的大部分位于第一金属层，少部分位于第二金属层；类似的，金属线段531虽位于第三金属层，但属于螺旋状线圈520的一部分，所以螺旋状线圈520的大部分位于第二金属层， 少部分位于第三金属层。贯穿位置540-1和贯穿位置540-2分别对应贯穿位置550-1与贯穿位置550-2。连接结构560位于螺旋状线圈510与螺旋状线圈520的重叠范围中，包含多个金属线段和开关模块561。通过改变开关模块561的切换状态，可以改变第一电感与第二电感的配置。图4中的浅灰色线段构成第一电感，深灰色线段构成第二电感。请注意，本实施例中金属线段531虽制作于第三金属层，但由于其在第一金属层的相对应位置(如区域515所示)没有金属线段，所以在此情况下金属线段531也可以制作于第一金属层，以减少螺旋状堆叠式集成变压器500所占用的金属层数。

除了上述的螺旋状堆叠式集成变压器之外，本发明还公开了螺旋状堆叠式集成电感。对于上述的任一种螺旋状堆叠式集成变压器结构，如果将其中一个螺旋状线圈的两个端点相连接，即可得到螺旋状堆叠式集成电感。以图1A所示的螺旋状堆叠式集成变压器100为例，将螺旋状线圈120的端点127和端点128相连接后，即可得到如图5所示的结构。新形成的端点129可以作为电感的中央抽头(center tap)，中央抽头可以连接至采用该螺旋状堆叠式集成电感的电路的电压源或接地。更详细地说，集成电感包含两个感应单元，并且以中央抽头为对称中心。第一感应单元(浅灰色金属线段)以端点117和端点129作为其两个端点，第二感应单元(深灰色金属线段)以端点118和端点129作为其两个端点。由对螺旋状堆叠式集成变压器的分析可知，以此结构所形成的第一感应单元和第二感应单元具有良好的对称性，适合作为集成电路中的被动元件。上述的作法可以套用至螺旋状堆叠式集成变压器200、螺旋状堆叠式集成变压器300、螺旋状堆叠式集成变压器400及螺旋状堆叠式集成变压器500，以形成螺旋状堆叠式集成电感。

请注意，本发明的螺旋状堆叠式集成变压器或螺旋状堆叠式集成电感不限于前面实施例的2圈结构，实际上任一螺旋状线圈可以应用更多圈。图6A～6C为本发明螺旋状堆叠式集成变压器的另一实施例的立体结构图， 图6A显示制作于第一金属层的金属线段，图6B显示制作于第二金属层和第三金属层的金属线段，图6C则显示叠合的两个金属层。结构中位于第三金属层的金属线段于图6B中以扁平的线段表示，例如金属线段134。虽然本实施例的两个螺旋状线圈都实践为4圈，但仍可与图1B的螺旋状堆叠式集成变压器200互相参照以更加了解本发明，其中相对应的元件具有相同的元件符号。值得注意的是，图1B中的金属线段131在图6B中制作于第二金属层，贯穿结构601用来连接位于其对应贯穿位置的金属线段，可以利用导孔(via)结构或是导孔阵列(via array)来实践。而如果贯穿结构601所连接的上下两层金属层之间还包含硅晶层，则贯穿结构601为一直通硅晶导孔(through silicon via,TSV)。若除去贯穿结构，则第一金属层的金属线段与第二金属层的金属线段不相连。本发明的螺旋状堆叠式集成变压器或螺旋状堆叠式集成电感也不限于四边形的结构，螺旋状线圈可以为其他的多边形结构。图6B中的金属线段602虽制作于第三金属层，但也可如图1A或1B所示制作于第二金属层。

请注意，前述图示中，元件的形状、尺寸以及比例等仅是示意性的，即仅供本技术领域的普通技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。虽然本发明的实施例如上所述，然而这些实施例并非用来限定本发明，本技术领域的普通技术人员可根据本发明明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，这些变化均可能属于本发明所保护的范围，换言之，本发明的专利保护范围需根据本说明书的申请专利范围来界定。

【符号说明】

100、200、300、400、500 螺旋状堆叠式集成变压器

110、120、210、220、410、420、510、520 螺旋状线圈

111、112、113、114、121、122、123、123-1、123-2、124、125、131、132、133、134、161、162、171、172、173、174、411、412、413、421、422、423、424、511、531、602 金属线段

117、118、127、128、129 端点

160、170、180、460、560 连接结构

140-3、140-4、140-5、140-6、150-3、150-4、150-5、150-6、440-1、440-2、450-1、450-2、540-1、540-2、550-1、550-2 贯穿位置

181、461、561 开关模块

311、312、313、314、315、316 曲线

515 区域

601 贯穿结构