半导体元件的制作方法

本发明是关于半导体元件，尤其是关于可作为积体电感与积体变压器的半导体元件。

背景技术：

电感以及变压器为射频积体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，随着积体电路往系统单晶片(systemonchip，soc)发展，积体电感(integratedinductor)及积体变压器(integratedtransformer)已逐渐取代传统的分离式元件，而被广泛地使用在射频积体电路中。然而，积体电路中的电感及变压器，往往会占用大量的晶片面积，因此，如何缩小积体电路中的电感及变压器的面积，并同时维持元件的特性，例如电感值、品质因数(qualityfactor，q)及耦合系数(couplingcoefficient，k)等等，成为一个重要的课题。

图1为习知8字型积体电感的结构图。8字型积体电感100包含螺旋状线圈110及120。螺旋状线圈110、120包含金属线段112、122及金属线段114、124。金属线段112、122与金属线段114、124透过位于贯穿位置的贯穿结构相连接，贯穿结构可以例如是导孔(via)结构或是导孔阵列(viaarray)。使用时，信号从8字型积体电感100的其中一端点111或121输入，从另一端点121或111输出。此8字型积体电感100的缺点是，螺旋状线圈110及120本身的对称性不佳，造成8字型积体电感100的品质因数及电感值无法提升；再者，8字型积体电感100的两端点111及121距离远(当螺旋状线圈的圈数多时更明显)，不利于与积体电路中的差动元件耦接。

技术实现要素：

鉴于先前技术之不足，本发明之一目的在于提供一种半导体元件，以提高积体电感及积体变压器的元件特性。

本发明揭露一种半导体元件，包含：一第一螺旋状线圈，具有一第一端点与一第二端点；一第二螺旋状线圈，与该第一螺旋状线圈实质上位于同一金属层；一连接部，连接该第一螺旋状线圈及该第二螺旋状线圈；一引导线段部，以其中一端连接该第一端点及该第二端点；其中，该引导线段部及该连接部的至少其中之一与该第二螺旋状线圈所包围之范围部分重迭。

本发明另揭露一种半导体元件，包含：一第一线圈，实质上位于一第一平面；一第二线圈，实质上位于该第一平面；一连接部，连接该第一线圈及该第二线圈；一第三线圈，实质上位于一第二平面，该第二平面不同于该第一平面；以及一第四线圈，实质上位于该第二平面；其中，该第三线圈与该第一线圈透过贯穿结构连接，该第四线圈与该第二线圈透过贯穿结构连接，且该第三线圈及该第四线圈不直接连接。

相较于习知技术，本发明之半导体元件具有高对称性，有利于提升元件的特性。

有关本发明的特征、实作与功效，兹配合图式作实施例详细说明如下。

附图说明

图1为习知8字型积体电感的结构图；

图2a为本发明一实施例之半导体元件的结构图；

图2b为图2a之半导体元件的细部结构图；

图3为本发明另一实施例之半导体元件的结构图；

图4为本发明另一实施例之半导体元件的结构图；

图5为本发明另一实施例之半导体元件的结构图；

图6为本发明另一实施例之半导体元件的结构图；

图7a为本发明另一实施例之半导体元件700的结构图；以及

图7b～图7c为图7a之半导体元件700的细部结构图。

具体实施方式

以下说明内容之技术用语系参照本技术领域之习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语之解释系以本说明书之说明或定义为准。

图2a为本发明之半导体元件一实施例的结构图。半导体元件200包含螺旋状线圈210及220。螺旋状线圈210及220由连接部230连接。金属线段250a及250b为半导体元件200的引导线段，两者构成半导体元件200的引导线段部。金属线段250a的一端与螺旋状线圈210的其中一端点212a连接；金属线段250b的一端与螺旋状线圈210的另一端点212b连接。半导体元件200的中央抽头(centraltap)240与螺旋状线圈220连接，且制作于另一金属层(有别于以浅灰色表示的金属层及以斜线表示的金属层)。中央抽头240可视为半导体元件200的另一引导线段。位于不同金属层的金属线段以贯穿结构相连接。贯穿结构可以例如是导孔(via)结构或是导孔阵列(viaarray)。

图2b显示螺旋状线圈210、螺旋状线圈220及连接部230的独立结构，以更清楚说明三者的连接关系。螺旋状线圈210的端点212a及212b分别与金属线段250a及250b相连接。螺旋状线圈210包含金属线段211a～211d；其中金属线段211b制作于上层的金属层(以斜线表示)，其余的金属线段制作于下层的金属层(以浅灰色表示)。螺旋状线圈210为二圈的螺旋状结构，内部线圈位于外部线圈所包围的范围中；内部线圈包含金属线段211a及金属线段211d的下半部；外部线圈包含金属线段211d的上半部及金属线段211c。因为金属线段211b仅占螺旋状线圈210的一小部分，所以螺旋状线圈210实质上位于同一金属层，亦即实质上位于同一平面。类似地，螺旋状线圈220包含金属线段221a～221d；其中金属线段221c制作于上层的金属层，其余的金属线段制作于下层的金属层。螺旋状线圈220为二圈的螺旋状结构，内部线圈位于外部线圈所包围的范围中；内部线圈包含金属线段221b及金属线段221a的下半部；外部线圈包含金属线段221a的上半部及金属线段221d。同理，螺旋状线圈220实质上位于同一金属层，亦即实质上位于同一平面。螺旋状线圈220以连接区域222c与中央抽头240相连接。连接区域222c位于螺旋状线圈220的内圈，为金属线段221a与金属线段221b的连接处。

连接部230包含连接线段231a及连接线段231b。连接线段231a的两端分别连接螺旋状线圈210的端点212c及螺旋状线圈220的端点222b；连接线段231b的两端分别连接螺旋状线圈210的端点212d及螺旋状线圈220的端点222a。

半导体元件200的引导线段部虽连接螺旋状线圈210，但却与连接螺旋状线圈220所包围的范围部分重迭，且不与连接螺旋状线圈210的内圈所包围的范围部分重迭。中央抽头240连接于螺旋状线圈220的内圈。在本实施例中，中央抽头240朝向图中的右手边方向，且与螺旋状线圈220所包围的范围部分重迭；在不同的实施例中，中央抽头240可以朝向图中的左手边方向，且与螺旋状线圈210所包围的范围部分重迭。

图3为本发明另一实施例之半导体元件的结构图。半导体元件300包含螺旋状线圈310及320。螺旋状线圈310及320由连接部330连接。与连接部230类似，连接部330由两个连接线段构成，不再赘述。金属线段350a、350b、350c及350d为半导体元件300的引导线段，构成半导体元件300的引导线段部。金属线段350a及350c透过端点312a与螺旋状线圈310连接；金属线段350b及350d透过端点312b与螺旋状线圈310连接。半导体元件300的中央抽头(图未示)透过连接区域322与螺旋状线圈320连接，且可视为半导体元件300的另一引导线段。半导体元件300的中央抽头可以朝向图中的右手边方向，且与螺旋状线圈320所包围的范围部分重迭；在不同的实施例中，中央抽头可以朝向图中的左手边方向，且与螺旋状线圈310所包围的范围部分重迭。

半导体元件300的引导线段部向图中的左手边方向及右手边方向延伸，也就是说引导线段部与螺旋状线圈310以及螺旋状线圈320所包围的范围都部分重迭。引导线段部在半导体元件300的两侧都形成输入埠或输出埠，增加半导体元件300与周边元件相连接的弹性。

图4为本发明另一实施例之半导体元件的结构图。半导体元件400包含螺旋状线圈410及420。连接线段430a及430b构成半导体元件400的连接部。螺旋状线圈410及420由连接部连接；更详细地说，连接线段430a连接螺旋状线圈410的端点412c及螺旋状线圈420的端点422a，以及连接线段430b连接螺旋状线圈410的端点412d及螺旋状线圈420的端点422b。金属线段450a及450b为半导体元件400的引导线段，二者构成半导体元件400的引导线段部。金属线段450a的一端与螺旋状线圈410的其中一端点412a连接；金属线段450b的一端与螺旋状线圈410的另一端点412b连接。半导体元件400的中央抽头(图未示)透过连接区域422c与螺旋状线圈420连接，且可视为半导体元件400的另一引导线段。半导体元件400的中央抽头可以朝向图中的右手边方向，不与螺旋状线圈410及420所包含的范围重迭；在不同的实施例中，中央抽头可以朝向图中的左手边方向，且与螺旋状线圈410及420所包围的范围部分重迭。

半导体元件400的连接部连接螺旋状线圈410的外圈与螺旋状线圈420的外圈，且与螺旋状线圈420所包围的范围部分重迭。在图4所示的实施例中，螺旋状线圈410的圈数为偶数，因此半导体元件400的引导线段部与螺旋状线圈410所包围的范围部分重迭。在不同的实施例中，当螺旋状线圈410的圈数为奇数(例如3圈、5圈、7圈等)时，半导体元件400的引导线段部不与螺旋状线圈410的内部线圈所包围的范围重迭。

图5为本发明另一实施例之半导体元件的结构图。半导体元件500包含螺旋状线圈510及520。连接线段530a及530b构成半导体元件500的连接部。螺旋状线圈510及520由连接部连接；更详细地说，连接线段530a连接螺旋状线圈510的端点512c及螺旋状线圈520的端点522a，以及连接线段530b连接螺旋状线圈510的端点512d及螺旋状线圈520的端点522b。金属线段550a及550b为半导体元件500的引导线段，二者构成半导体元件500的引导线段部。金属线段550a的一端与螺旋状线圈510的其中一端点512a连接；金属线段550b的一端与螺旋状线圈510的另一端点512b连接。半导体元件500的中央抽头(图未示)透过连接区域512e与螺旋状线圈510连接，且可视为半导体元件500的另一引导线段。半导体元件500的中央抽头可以朝向图中的左手边方向，不与螺旋状线圈510及520所包围的范围重迭；在不同的实施例中，中央抽头可以朝向图中的右手边方向，且与螺旋状线圈510及520所包围的范围部分重迭。

螺旋状线圈510及520同为三圈的螺旋状结构。端点512a及512b位于螺旋状线圈510的最内圈，端点512c及512d位于螺旋状线圈510的中间线圈。端点522a及522b位于螺旋状线圈520的最内圈。半导体元件500的连接部连接螺旋状线圈510的中间线圈与螺旋状线圈520的最内圈，且与螺旋状线圈520所包围的范围部分重迭。在图5所示的实施例中，螺旋状线圈510的圈数为奇数圈，因此半导体元件500的引导线段部与螺旋状线圈510所包围的范围部分重迭。在不同的实施例中，当螺旋状线圈510的圈数为偶数圈(例如2圈、4圈、6圈等)时，半导体元件500的引导线段部不与螺旋状线圈510的内部线圈所包围的范围重迭。

图6为本发明另一实施例之半导体元件的结构图。半导体元件600包含螺旋状线圈610及620。连接线段630a及630b构成半导体元件600的连接部。螺旋状线圈610及620由连接部连接；更详细地说，连接线段630a连接螺旋状线圈610的端点612c及螺旋状线圈620的端点622a，以及连接线段630b连接螺旋状线圈610的端点612d及螺旋状线圈620的端点622b。金属线段650a及650b为半导体元件600的引导线段，二者构成半导体元件600的引导线段部。金属线段650a的一端与螺旋状线圈610的其中一端点612a连接；金属线段650b的一端与螺旋状线圈610的另一端点612b连接。半导体元件600的中央抽头(图未示)透过连接区域622c与螺旋状线圈620连接，且可视为半导体元件600的另一引导线段。半导体元件600的中央抽头可以朝向图中的右手边方向，与螺旋状线圈620所包围的范围部分重迭；在不同的实施例中，中央抽头可以朝向图中的左手边方向，与螺旋状线圈610所包围的范围部分重迭。

螺旋状线圈610及620同为三圈的螺旋状结构。端点612c及612d位于螺旋状线圈610的最内圈，端点622a及622b位于螺旋状线圈620的最内圈。半导体元件600的连接部连接螺旋状线圈610的最内圈与螺旋状线圈620的最内圈，且与螺旋状线圈620所包围的范围部分重迭。半导体元件600的引导线段部与螺旋状线圈610实质上位于同一金属层。

图7a为本发明另一实施例之半导体元件700的结构图，实质上由实作于两个不同金属层之复数个线圈所构成；图7b及图7c为半导体元件700的细部结构图。图7b显示半导体元件700位于下层金属层的线圈，包含线圈710及线圈720，两者实质上位于半导体结构中的同一平面，且两者由连接部730连接。与连接部230类似，连接部730由两个连接线段构成，不再赘述。线圈710包含金属线段711a及711b。端点712c为金属线段711a的其中一个端点，金属线段711a的另一端点与连接部730连接。端点712d为金属线段711b的其中一个端点，金属线段711b的另一端点与连接部730连接。线圈720包含金属线段721a及721b。端点722a为金属线段721a的其中一个端点，金属线段721a的另一端点与连接部730连接。端点722b为金属线段721b的其中一个端点，金属线段721b的另一端点与连接部730连接。

图7c显示半导体元件700位于上层金属层的线圈，包含线圈715及线圈725，两者位于半导体结构中的同一平面，但不同于线圈710及线圈720所在之平面，且两者不直接相连。线圈715包含金属线段716a及716b。金属线段716a具有端点717a及717c；端点717c与线圈710的端点712c透过贯穿结构连接，而端点717a与金属线段750a(如图7a所示)直接相连。金属线段716b具有端点717b及717d；端点717d与线圈710的端点712d透过贯穿结构连接，而端点717b与金属线段750b(如图7a所示)直接相连。金属线段750a及750b以及其各自所延伸而出的金属线段750a-1及750b-1(制作于第三金属层)构成半导体元件700的引导线段部。线圈725包含金属线段726a及726b。金属线段726a具有端点727a；端点727a与线圈720的端点722a透过贯穿结构连接。金属线段726b具有端点727b；端点727b与线圈720的端点722b透过贯穿结构连接。在一个实施例中，金属线段726a及726b实际上可视为同一个金属线段(以端点727a、727b为其两端)。在此实施例中，金属线段726a及726b视为不同的金属线段，两者于连接区域727c相连接。连接区域727c透过贯穿结构与半导体元件700的中央抽头(由金属线段740及740-1构成，如图7a所示)相连。

如图7a所示，线圈710之金属线段实质上与线圈715之金属线段重迭，以及线圈720之金属线段实质上与线圈725之金属线段重迭。半导体元件700的引导线段部与线圈710及线圈715所包围的范围部分重迭；半导体元件700的中央抽头与线圈720及线圈725所包围的范围部分重迭。

前述的半导体元件200、300、400、500、600及700可以作为积体电感，更明确地说，为8字型的积体电感。以半导体元件200为例，半导体元件200包含两个感应单元，其中一个感应单元以金属线段250a(等效端点212a)及中央抽头240(等效连接区域222c)为其两端点，另一个感应单元以金属线段250b(等效端点212b)及中央抽头240(等效连接区域222c)为其两端点。对包含金属线段250a的感应单元来说，电流从金属线段250a流入半导体元件200后，先流经半个螺旋状线圈210，再由连接部230进入螺旋状线圈220；电流继续流经半个螺旋状线圈220后，最后由中央抽头240流出。对包含金属线段250b的感应单元来说，电流从金属线段250b流入半导体元件200后，先流经另外半个螺旋状线圈210，再由连接部230进入螺旋状线圈220；电流继续流经另外半个螺旋状线圈220后，最后由中央抽头240流出。由于两个感应单元实质上具有相同长度的金属线段，且金属线段在各个金属层中的分布情形也相同，因此半导体元件200具有极佳的对称性。相较于习知技术，本发明的8字型的积体电感具有较佳的对称性。事实上，端点212a及端点212b可视为积体电感的输入埠与输出埠的其中一者，相对的，连接区域222c则可视为另一者。连接区域222c、322、422c、512e、622c及727c为积体电感之中央抽头的接点，实际上该处的金属线段为连续而不断开。金属线段250a以及金属线段250b可以设置于重布线层(re-distributionlayer,rdl)。

前述的半导体元件200、300、400、500、600及700亦可以作为积体变压器。作为积体变压器时，以半导体元件200为例，半导体元件200的螺旋状线圈220可以从连接区域222c处断开而形成两个端点。积体变压器以端点212a及端点212b作为其输入埠与输出埠的其中一者，以连接区域222c所衍生而出的两个端点作为另一者。藉由改变螺旋状线圈210及螺旋状线圈220的圈数比，即可调整积体变压器的阻抗匹配效果或是改变电压放大倍率。

本发明的半导体元件的大部分的金属线段可制作于半导体结构中的超厚金属(ultrathickmetal,utm)层与重布线层。以图2b的半导体元件200为例，螺旋状线圈210及220的多数金属线段可制作于超厚金属层(以浅灰色表示之金属层)，少部分金属线段制作于重布线层(以斜线表示之金属层)。在不同的实施例中，亦可将螺旋状线圈210及220的多数金属线段制作于重布线层，少部分金属线段制作于超厚金属层。半导体元件的中央抽头(如图2a所示之中央抽头240)则制作于半导体结构之基板与超厚金属层之间的其他金属层。在半导体结构中，金属层与金属层之间有介电层(例如二氧化硅)。

请注意，前揭图示中，元件之形状、圈数、尺寸以及比例等仅为示意，系供本技术领域具有通常知识者了解本发明之用，非用以限制本发明。再者，前揭实施例虽以积体电感及积体变压器为例，然此并非对本发明之限制，本技术领域人士可依本发明之揭露适当地将本发明应用于其它类型的半导体元件。

虽然本发明之实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域具有通常知识者可依据本发明之明示或隐含之内容对本发明之技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求之专利保护范畴，换言之，本发明之专利保护范围须视本说明书之申请专利范围所界定者为准。

符号说明

1008字型积体电感

200、300、400、500、600、700半导体元件

110、120、210、220、310、320、410、420、510、520、610、620螺旋状线圈

211a、211b、211c、211d、221a、221b、221c、221d、250a、250b、350a、350b、350c、350d、450a、450b、550a、550b、650a、650b、711a、711b、716a、716b、721a、721b、726a、726b、750a、750b、750a-1、750b-1、740、740-1金属线段

212a、212b、212c、212d、222a、222b、312a、312b、412a、412b、412c、412d、422a、422b、512a、512b、512c、512d、522a、522b、612a、612b、612c、612d、622a、622b、712c、712d、717a、717b、717c、717d、722a、722b、727a、727b端点

222c、322、422c、512e、622c、727c连接区域

230、330、730连接部

240中央抽头

710、720、715、725线圈

231a、231b、430a、430b、530a、530b、630a、630b连接线段。