螺旋状堆叠式积体电感及变压器的制作方法

本发明有关变压器及电感，尤指一种螺旋状堆叠式积体变压器及螺旋状堆叠式积体电感。

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讯号转换、讯号耦合、阻抗匹配等功能的重要组件，随着集成电路往系统单芯片(System on Chip，SoC)发展，积体电感(integrated inductor)及积体变压器(integrated transformer)已逐渐取代传统的分离式组件，而被广泛地使用在射频集成电路中。然而，集成电路中的电感及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及变压器的面积，并同时维持组件的特性，例如电感值、质量因子(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：

鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种螺旋状堆叠式积体变压器及螺旋状堆叠式积体电感，以缩小组件面积及提高组件效能，进而改善其组件的对称性。

本发明公开一种螺旋状堆叠式积体变压器，由一第一电感及一第二电感所组成，包含：一第一螺旋状线圈，实质上位于一第一平面，具有一第一外部线圈及一第一内部线圈，该第一内部线圈位于该第一外部线圈之 内，其中该第一螺旋状线圈构成该第一电感的一部分及该第二电感的一部分；以及一第二螺旋状线圈，实质上位于相异于该第一平面的一第二平面，与该第一螺旋状线圈具有一重叠范围，其中该第二螺旋状线圈构成该第一电感的一部分及该第二电感的一部分。该第一外部线圈的至少一边在一方向上对应该第二螺旋状线圈的金属线段，而且该第一内部线圈的至少一边在该方向上不对应该第二螺旋状线圈的金属线段，该方向为垂直于该第一平面或该第二平面的方向。

本发明另公开一种螺旋状堆叠式积体电感，由一第一感应单元及一第二感应单元所组成，包含：一第一螺旋状线圈，实质上位于一第一平面，具有一第一外部线圈及一第一内部线圈，该第一内部线圈位于该第一外部线圈之内，其中该第一螺旋状线圈构成该第一感应单元的一部分及该第二感应单元的一部分；以及一第二螺旋状线圈，实质上位于相异于该第一平面的一第二平面，与该第一螺旋状线圈具有一重叠范围，其中该第二螺旋状线圈构成该第一感应单元的一部分及该第二感应单元的一部分。该第一外部线圈的至少一边在一方向上对应该第二螺旋状线圈的金属线段，而且该第一内部线圈的至少一边在该方向上不对应该第二螺旋状线圈的金属线段，该方向为垂直于该第一平面或该第二平面的方向。

本发明的螺旋状堆叠式积体变压器及螺旋状堆叠式积体电感具有积体化的对称结构，提供高对称性的两个电感或感应单元。藉由将两个螺旋状线圈参差排列，本发明的积体变压器及积体电感的端点位于螺旋状线圈的最外圈，可降低螺旋状线圈的绕线复杂度。且相较于已知具有相同感值及质量因素Q的单层式积体电感，本发明可大幅节省组件面积。

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为本发明螺旋状堆叠式积体电感的一实施例的结构图；

图2为图1的螺旋状堆叠式积体电感100的横截面图；

图3为本发明螺旋状堆叠式积体电感的另一实施例的结构图；

图4为本发明螺旋状堆叠式积体电感的另一实施例的结构图；

图5为图4的螺旋状堆叠式积体电感400的横截面图；

图6为本发明螺旋状堆叠式积体电感的另一实施例的结构图；

图7A至图7C为本发明螺旋状堆叠式积体电感的另一实施例的结构图及其横截面图；

图8为本发明螺旋状堆叠式积体变压器的一实施例的结构图；以及

图9为本发明螺旋状堆叠式积体变压器的另一实施例的结构图。

具体实施方式

以下说明内容的技术用语参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释以本说明书的说明或定义为准。

图1为本发明螺旋状堆叠式积体电感的一实施例的结构图。螺旋状堆叠式积体电感100由螺旋状线圈110及螺旋状线圈120所组成，螺旋状线圈110的大多数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，也就是说，螺旋状线圈110实质上位于第一金属层所在的平面，螺旋状线圈120实质上位于第二金属层所在的平面。螺旋状线圈110具有端点111-a及端点111-b，并且包含金属线段112、113、114以及131。除了金属线段131位于有别 于第一金属层及第二金属层的第三金属层之外，其它的金属线段及端点位于第一金属层。金属线段131分别透过位于贯穿位置110-c与110-d上的导孔(via)结构或是导孔数组(via array)与金属线段113与金属线段114相连接。螺旋状线圈120具有端点121，并且包含金属线段122及123。端点121、金属线段122及123皆位于第二金属层。

螺旋状堆叠式积体电感100包含两个感应单元，分别为第一感应单元(由浅灰色线段所组成)以及第二感应单元(由深灰色线段所组成)。电流由第一感应单元的端点111-b流入，流过金属线段112后，透过贯穿位置110-a及贯穿位置120-a上的导孔结构或是导孔数组流至金属线段122，最后由端点121流出。类似地，对第二感应单元来说，电流由端点111-a流入，流过金属线段113、131及114之后，透过贯穿位置110-b及贯穿位置120-b上的导孔结构或是导孔数组流至金属线段123，最后由端点121流出。事实上，端点121即为螺旋状堆叠式积体电感100的中央抽头，可以连接至采用该螺旋状堆叠式积体电感100的电路的电压源或接地。明显地，第一感应单元主要包含螺旋状线圈110的外部线圈的一半(即金属线段112位于外圈的部分)及内部线圈的一半(即金属线段112位于内圈的部分)，以及螺旋状线圈120的一半(即金属线段122)；第二感应单元主要包含螺旋状线圈110的外部线圈的另一半(即金属线段113)及内部线圈的另一半(即金属线段114)，以及螺旋状线圈120的另一半(即金属线段123)。换句话说，螺旋状堆叠式积体电感100的两个感应单元的大部分金属线段平均分布于两层金属层，因此两个感应单元有极佳的对称性，即两者具有近似的质量因子Q及电感值。若一个感应单元的大部分金属线段位于第一金属层，另一个感应单元的大部分金属线段位于第二金属层，则两个感应单元很可能因为两层金属层的特性不同(例如金属层厚度、与基板的距离等)，而导致其质量因子Q及电感值有较大的差异。

实际上，螺旋状线圈110与螺旋状线圈120为堆栈的结构，金属线段112位于外圈的部分与金属线段122大部分重叠但不接触，以及金属线段 113与金属线段123大部分重叠但不接触。图2为螺旋状堆叠式积体电感100的横截面图(沿图1的横截面A-A’绘制)，图2以第一金属层(即螺旋状线圈110所在的金属层)位于第二金属层(即螺旋状线圈120所在的金属层)的下方为例(例如第一金属层为半导体制程中的超厚金属(Ultra-Thick Metal，UTM)层，而第二金属层为半导体制程中的重布层(redistribution layer，RDL))，但两者亦可交换。在其它实施例中，也可使用底层凸块金属化层(Under Bump Metallization,UBM)、堆栈金属间层(stacked inter-metal layers)、第二层RDL或是其它的类似的金属层。如图所示，螺旋状线圈110比螺旋状线圈120多一圈，螺旋状线圈110的外圈在垂直于螺旋状线圈110及/或螺旋状线圈120所在的平面的方向上与螺旋状线圈120重叠但不接触(中间例如间隔半导体结构中的氧化层)，而螺旋状线圈110的内圈则在同一垂直方向上不对应螺旋状线圈120的任何金属线段。藉由此参差排列(即螺旋状堆叠式积体电感100所包含的两个螺旋状线圈圈数不同，且较多圈的螺旋状线圈的部分金属线段(此实施例为内圈的金属线段)不与另一螺旋状线圈的金属线段相对应)，螺旋状堆叠式积体电感100除了具有上述对称性佳的优点之外，还可以令其中央抽头(即端点121)位于螺旋状线圈的外侧，因此不需要藉由第一及第二金属层之外的另一金属线段来实作中央抽头。

本发明的螺旋状堆叠式积体电感不限于图1所示的二圈与一圈的组合。如图3所示，螺旋状堆叠式积体电感300由螺旋状线圈310及320构成，两者分别为四圈与三圈的结构。螺旋状线圈310的大部分金属线段位于第一金属层，而螺旋状线圈320的大部分金属线段位于第二金属层。螺旋状线圈310的某些金属线段经由第三金属层连接(为求图式简洁，图中未绘示位于第三金属层的金属线段)，例如透过设为一对的贯穿结构310-a与310-b，金属线段312及314可以藉由位于第三金属层的金属线段互相连接；同理，贯穿结构310-c与310-d为一对贯穿结构，以及贯穿结构310-e与310-f为一对贯穿结构。类似的，在螺旋状线圈320中，贯穿结构320-a与320-b为一对贯穿结构，两者分别对应螺旋状线圈310的金属线段315 两端的贯穿结构，以及贯穿结构320-c与320-d为一对贯穿结构，两者分别对应螺旋状线圈310的金属线段316两端的贯穿结构。第一感应单元(由浅灰色线段所组成)位于螺旋状线圈310及螺旋状线圈320的部分透过相对应的贯穿结构310-g及320-e相连接，以及第二感应单元(由深灰色线段所组成)位于螺旋状线圈310及螺旋状线圈320的部分透过相对应的贯穿结构310-h及320-f相连接。由图可见，螺旋状线圈310及螺旋状线圈320各包含复数层线圈，每一层线圈约一半长度的金属线段属于第一感应单元，另外的约一半长度属于第二感应单元，因此螺旋状堆叠式积体电感300具有极佳的对称性；此外，虽然为多层线圈的结构，螺旋状堆叠式积体电感300的中央抽头(即端点321)仍可制作于螺旋状线圈320的最外圈，以减少绕线的复杂度。此实施例中，螺旋状线圈310及320的线圈数相差一圈，两者重叠时，螺旋状线圈310最内圈的金属线段在垂直螺旋状线圈310及/或螺旋状线圈320所在的平面的方向上未对应螺旋状线圈320的任何金属线段。

在图1及图3的实施例中，螺旋状堆叠式积体电感的输入端与中央抽头位于螺旋状堆叠式积体电感的不同侧，在其它实施例中，两者可位于同一侧，其结构如图4所示。螺旋状堆叠式积体电感400由螺旋状线圈410及螺旋状线圈420所组成，螺旋状线圈410的大多数金属线段位于半导体结构中的第一金属层，螺旋状线圈420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410具有端点411-a及端点411-b，并且包含金属线段412、413、414、415以及431。除了金属线段431位于有别于第一金属层及第二金属层的第三金属层之外，其它金属线段及端点位于第二金属层。金属线段431分别透过位于贯穿位置410-a与410-b上的导孔结构或是导孔数组与金属线段412与金属线段413相连接。螺旋状线圈420具有端点421，并且包含金属线段422、423及424。端点421与金属线段422、423及424皆位于第二金属层。

螺旋状堆叠式积体电感400包含两个感应单元，分别为第一感应单元(由浅灰色线段所组成)以及第二感应单元(由深灰色线段所组成)。电流由第一感应单元的端点411-a流入，流过金属线段412、431及413后，经由相对应的贯穿位置410-d及420-d上的导孔结构或是导孔数组，再流至螺旋状线圈420。在螺旋状线圈420中，贯穿位置420-a及420-b分别与螺旋状线圈410的金属线段415两端的贯穿位置相对应，因此流入螺旋状线圈420的电流，在流出螺旋状堆叠式积体电感400的中央抽头(即端点421)之前，流经金属线段422及423。类似地，对第二感应单元来说，电流由端点411-b流入，流过金属线段414之后，透过贯穿位置410-c及贯穿位置420-c上的导孔结构或是导孔数组流至螺旋状线圈420的金属线段424，最后由端点421流出。明显可见，第一感应单元主要包含螺旋状线圈410的外部线圈的一半(即金属线段412)及内部线圈的一半(即金属线段413)，以及螺旋状线圈420的外部线圈的一半(即金属线段423)及内部线圈的一半(即金属线段422)；第二感应单元主要包含螺旋状线圈410的外部线圈的另一半(即金属线段414位于外圈的部分)及内部线圈的另一半(即金属线段414位于内圈的部分)，以及螺旋状线圈420的外部线圈的另一半(即金属线段424位于外圈的部分)及内部线圈的另一半(即金属线段424位于内圈的部分)。换句话说，螺旋状堆叠式积体电感400的两个感应单元的大部分金属线段平均分布于两层金属层，因此两个感应单元有极佳的对称性，即两者具有近似的质量因子Q及电感值。

实际上，螺旋状线圈410与螺旋状线圈420为堆栈的结构，螺旋状线圈410的外圈与螺旋状线圈420的内圈互相重叠但不接触。图5为螺旋状堆叠式积体电感400的横截面图(沿图4的横截面A-A’绘制)，图5以第一金属层(即螺旋状线圈410所在的金属层)位于第二金属层(即螺旋状线圈420所在的金属层)的下方为例，但两者亦可交换。如图所示，螺旋状线圈410与螺旋状线圈420虽然同为两圈的结构，但螺旋状线圈420的分布范围较螺旋状线圈410的分布范围来得大；更详细地说，螺旋状线圈410的外圈在垂直螺旋状线圈410及/或螺旋状线圈420所在的平面的方向 上与螺旋状线圈420的内圈重叠但不接触，而螺旋状线圈410的内圈则在同一垂直方向上不对应螺旋状线圈420的任何金属线段，且螺旋状线圈420的外圈则在同一垂直方向上不对应螺旋状线圈410的任何金属线段。藉由此参差排列(即螺旋状堆叠式积体电感400所包含的两个螺旋状线圈圈数相同，但涵盖范围不同，涵盖范围较小的螺旋状线圈的最内圈，以及涵盖范围较大的螺旋状线圈的最外圈，在另一个螺旋状线圈中没有相对应的金属线段)，螺旋状堆叠式积体电感400除了具有上述对称性佳的优点之外，还可以令其中央抽头(即端点421)位于螺旋状线圈的外侧，而不需要藉由第一及第二金属层之外的另一金属线段来实作中央抽头。

本发明的螺旋状堆叠式积体电感不限于图4所示的二圈与二圈的组合，可以是更多圈的组合。如图6所示，螺旋状堆叠式积体电感600由螺旋状线圈610及620组合而成，各为三圈的结构。螺旋状线圈610的大部分金属线段位于第一金属层，而螺旋状线圈620的大部分金属线段位于第二金属层。螺旋状线圈610的某些金属线段经由第三金属层连接(为求图式简洁，图中未绘示位于第三金属层之金属线段)，例如透过设为一对的贯穿结构610-a与610-b，金属线段612及614可以藉由位于第三金属层的金属线段而互相连接；同理，贯穿结构610-c与610-d为一对贯穿结构。类似的，在螺旋状线圈620中，贯穿结构620-a与620-b为一对贯穿结构，两者分别对应螺旋状线圈610之金属线段615两端的贯穿结构，以及贯穿结构620-c与620-d为一对贯穿结构，两者分别对应螺旋状线圈610之金属线段616两端的贯穿结构。第一感应单元(由浅灰色线段所组成)位于螺旋状线圈610及螺旋状线圈620的部分透过相对应的贯穿结构610-e及620-e相连接，以及第二感应单元(由深灰色线段所组成)位于螺旋状线圈610及螺旋状线圈620的部分透过相对应的贯穿结构610-f及620-f相连接。由图可见，螺旋状线圈610及螺旋状线圈620各包含复数层线圈，每一层线圈约一半长度的金属线段属于第一感应单元，另外的约一半长度属于第二感应单元，因此螺旋状堆叠式积体电感600具有极佳的对称性；此外，虽然为多层线圈的结构，螺旋状堆叠式积体电感600的中央抽头621 仍可制作于螺旋状线圈620的最外圈，可减少绕线的复杂度。此实施例中，螺旋状线圈610及620的线圈数相同，两者重叠时，螺旋状线圈610最内圈的金属线段与螺旋状线圈620最外圈的金属线段，在垂直螺旋状线圈610及/或螺旋状线圈620所在之平面的方向上未对应另一螺旋状线圈的任何金属线段。

图7A为本发明螺旋状堆叠式积体电感的另一实施例的结构图。螺旋状堆叠式积体电感700与螺旋状堆叠式积体电感400类似，输入端与中央抽头位于电感的同侧，差异在于螺旋状线圈710与螺旋状线圈720在输入端(或中央抽头)所在的一侧与对面侧(即与横截面A-A’平行的两边)，金属线段为参差排列(意即上下两层的金属线段不完全对应排列)，而在另两侧(即与横截面B-B’平行的两边)，金属线段为对应排列。上述的对应排列与参差排列可由图7B及图7C的横截面图(分别对应横截面A-A’与横截面B-B’)进一步了解。在图7B所示的横截面中，螺旋状线圈710的内圈与外圈的金属线段分别与螺旋状线圈720的内圈与外圈的金属线段在垂直于螺旋状线圈710及/或螺旋状线圈720所在之平面的方向上互相对应；此即上述所称之对应排列。在图7C所示的横截面中，螺旋状线圈710的外圈的金属线段与螺旋状线圈720的内圈的金属线段在垂直于螺旋状线圈710及/或螺旋状线圈720所在之平面的方向上互相对应，但螺旋状线圈710的内圈及螺旋状线圈720的外圈在对方的螺旋状线圈没有相对应的金属线段；此即上述所称的参差排列。

本发明除了公开螺旋状堆叠式积体电感之外，亦同时公开螺旋状堆叠式积体变压器。图8为本发明螺旋状堆叠式积体变压器之一实施例的结构图，其结构主要与图1的螺旋状堆叠式积体电感100相同，不同之处在于，螺旋状堆叠式积体电感100的端点121在螺旋状堆叠式积体变压器800中由端点821-a及端点821-b取代；更详细地说，原本螺旋状堆叠式积体电感100的第一感应单元在螺旋状堆叠式积体变压器800中形成第一电感(以端点811-a及821-a为电感的两端)，以及原本螺旋状堆叠式积体电感 100的第二感应单元在螺旋状堆叠式积体变压器800中形成第二电感(以端点811-b及821-b为电感的两端)。第一电感及第二电感构成一个变压器，端点811-a及821-a形成变压器的其中一埠，端点811-b及821-b形成变压器的另一埠。在此实施例中，螺旋状线圈810的端点位置与螺旋状线圈820的端点位置位于螺旋状堆叠式积体变压器800的不同侧。

图9为本发明螺旋状堆叠式积体变压器的另一实施例的结构图，其结构主要与图4的螺旋状堆叠式积体电感400相同，不同之处在于，螺旋状堆叠式积体电感400的端点421在螺旋状堆叠式积体变压器900中由端点921-a及端点921-b取代。端点911-a与921-a构成第一电感的两端，端点911-b与921-b构成第二电感的两端。在此实施例中，螺旋状线圈910的端点位置与螺旋状线圈920的端点位置位于螺旋状堆叠式积体变压器900的同一侧。类似地，也可以藉由将图3及图6之螺旋状堆叠式积体电感300及600的中央抽头改为两个端点而产生相对应的螺旋状堆叠式积体变压器。

请注意，前揭图标中，组件的形状、尺寸、比例以及螺旋状线圈的圈数等仅为示意，供本技术领域普通技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。在前述的实施例中螺旋状线圈虽以四边形为例，然而亦可能为其它多边形；再者，螺旋状线圈的每一圈金属线段的宽度不一定相同，例如内圈金属线段的宽度可设计为大于外圈金属线段的宽度。当线圈半径越小时，电感的Q值就会越低；然而加大内圈的金属线段的宽度，可使Q值上升，其效果比加大外圈金属线段的宽度来得显著。

虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本技术领域普通技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求限定的范围为准。

[符号说明]

100、300、400、600、700 螺旋状堆叠式积体电感

110、120、310、320、410、420、610、620、710、720、810、820、910、920 螺旋状线圈

110-a～110-d、120-a～120-b、310-a～310-h、320-a～320-f、410-a～410-d、420-a～420-d、610-a～610-f、620-a～620-f 贯穿结构

111-a、111-b、121、321、411-a、411-b、421、621、811-a、811-b、821-a、821-b、911-a、911-b、921-a、921-b 端点

112、113、114、122、123、312、314、315、316、412、413、414、422、423、424、612、614、615、616 金属线段

800、900 螺旋状堆叠式积体变压器。