集成变压器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成变压器，尤指一种非对称的集成变压器。
【背景技术】
[0002]变压器(transformer)以及平衡/非平衡式变压器(balun)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级芯片(System on Chip, SoC)发展，集成变压器(integrated transformer/balun)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，集成电路中的被动元件，例如电感及变压器，往往会消耗大量的芯片面积，因此，如何将集成电路中被动元件的数量简化以及将被动元件的面积最小化，并同时优化元件特性，例如品质因数(qualityfactor, Q)及稱合系数(coupling coefficient, K)等等,是一个重要的课题。
【发明内容】
[0003]因此，本发明的目的的一在于提供一种集成变压器，其具有好的品质因数及耦合系数，且仅需要使用很小的芯片面积便可以实现，以降低芯片的制造成本并优化其元件特性。
[0004]依据本发明一实施例，一种集成变压器包含有一第一电感及一第二电感，其中该第一电感包含了由一第一金属层所构成的Β圈螺旋状绕线以及由一第二金属层所构成的A圈绕线，其中由该第二金属层所构成的A圈绕线与该第一金属层所构成的B圈螺旋状绕线的最内部的A圈绕线实质上重叠；该第二电感包含了至少由该第二金属层所构成的C圈绕线，其中该第二电感的由该第二金属层所构成的C圈绕线与该第一电感的由该第一金属层所构成的部分绕线实质上重叠，其中A小于B，且A小于C。
【附图说明】
[0005]图1A为依据本发明第一实施例的集成变压器的第一金属层的示意图。
[0006]图1B为依据本发明第一实施例的集成变压器的第二金属层的示意图。
[0007]图1C为依据本发明第一实施例的集成变压器的第三金属层的示意图。
[0008]图1D为依据本发明第一实施例的集成变压器的上视图。
[0009]图1E为依据本发明第一实施例的集成变压器的剖面示意图。
[0010]图2A为依据本发明第二实施例的集成变压器的第一金属层的示意图。
[0011]图2B为依据本发明第二实施例的集成变压器的第二金属层的示意图。
[0012]图2C为依据本发明第二实施例的集成变压器的第三金属层及第四金属层的示意图。
[0013]图2D为依据本发明第二实施例的集成变压器的上视图。
[0014]图2E为依据本发明第二实施例的集成变压器的剖面示意图。
[0015]图3为依据本发明另一实施例的集成变压器的示意图。
[0016]图4为依据本发明另一实施例的集成变压器的示意图。
[0017]图5为依据本发明另一实施例的集成变压器的示意图。
[0018]图6为依据本发明另一实施例的集成变压器的示意图。
[0019]其中，附图标记说明如下:
[0020]110、120、125、130、210、220、225、230 螺旋状绕线
[0021]117、118、126、127、128、129_1、129_2、136、137、138、139_1、139_2、214、217、218、224_1、224_2、226、227、228、229_1、229_2、234_1、234_2、236、237、238、239_1、239_2 贯穿孔
[0022]121_1、121_2、221_1、221_2 第一电感的输入端点
[0023]122_1、122_2、222_1、222_2 第二电感的输入端点
[0024]132、133、232、233、242、243 桥接线
[0025]245、246中心抽头绕线
[0026]IND1 第一电感
[0027]IND2 第二电感
【具体实施方式】
[0028]请参考图1A、图1B、图1C、图1D及图1E，其中图ΙΑ、1B及1C为依据本发明第一实施例的集成变压器的第一金属层、第二金属层及第三金属层的示意图，图1D为依据本发明第一实施例的集成变压器的上视图，图1E为本实施例的剖面图。本实施例的集成变压器可应用于射频芯片中的变压器(transformer)或是平衡/非平衡式变压器(balun)。
[0029]在本实施例中，集成变压器为非对称集成变压器(asymmetric integratedtransformer)，其两个电感的电感值的比例约为9nH:6nH (nano-Henry)(仅为范例说明，非本发明的限制)，且整个集成变压器具有很小的芯片面积，约为150um*100um (micro-meter)。
[0030]在本实施例中，第一金属层为一重布线层(Re-Distribut1n Layer,RDL),且该第二金属层为一超厚金属层(Ultra-Thick Metal, UTM),且第二金属层位于第一金属层与第三金属层之间，但本发明并不以此为限，在其他实施例，第一金属层与第二金属层可以是为集成电路中任意两个相邻的金属层。
[0031]请先参考图1A、图1B及图1C，集成变压器主要由第一金属层、第二金属层及第三金属层来构成一第一电感与一第二电感，其中第一电感本身电性绝缘于第二电感。图示的第一金属层的示意图包含了一螺旋状绕线(spiral wiring) 110及两个贯穿孔117、118,且在此实施例中螺旋状绕线110具有约8?9圈；第二金属层的示意图包含了第一电感的两个输入端点121_1、121_2、第二电感的两个输入端点122_1、122_2、螺旋状绕线120、125、及多个贯穿孔126、127、128、129_1、129_2 ;第三金属层包含了一螺旋状绕线130、多条桥接线132、133、及多个贯穿孔136、137、138、139_1、139_2。图1A、图1B及图1C中的贯穿孔是用来电性连接两个不同的金属层，举例来说，第一金属层的贯穿孔118是电性连接到第二金属层的贯穿孔128，而第二金属层的贯穿孔129_1是电性连接到第三金属层的贯穿孔139_1。
[0032]在本实施例中，第一电感包含了由第一金属层所构成的B圈螺旋状绕线110以及由第二金属层所构成的A圈螺旋状绕线120，在图1A、1B所示的例子中，B约为8?9，且A约为1?2。详细来说，第一电感的两个输入端点121_1、121_2均在第二金属层，且由第一金属层所构成的螺旋状绕线110是与由第二金属层所构成的螺旋状绕线120通过贯穿孔118、128进行串联连接，以构成第一电感。此外，在本实施例中第一电感仅包含了两组贯穿孔 117、127、及 118、128。
[0033]另外，在本实施例中，第二电感包含了由第二金属层所构成的C圈螺旋状绕线125及由第三金属层所构成的P圈螺旋状绕线，在图1B、1C所示的例子中，C约为4?5，且P约为2。详细来说，第二电感的两个输入端点122_1、122_2均在第二金属层，输入端点122_2直接连接到螺旋状绕线125，由第二金属层所构成的螺旋状绕线125是与由第三金属层所构成的螺旋状绕线130通过贯穿孔129_1、139_1进行串联连接，螺旋状绕线130通过位于贯穿孔137、138之间的一桥接线(使用第四金属层(未绘示))以连接到桥接线133与输入端点122_1，如此一来以构成第二电感。
[0034]接着请再参考图1D所示的上视图，在第一电感中，由第二金属层所构成螺旋状绕线120与由第一金属层所构成的螺旋状绕线110的最内部的绕线实质上重叠；而在第二电感中，由第二金属层所构成的螺旋状绕线125与第一电感的由第一金属层所构成的部分绕线实质上重叠，且第二电感的最内圈绕线紧邻于第一电感的由该第二金属层所构成的螺旋状绕线120的最外圈绕线。
[0035]在图1D、1E所示的A-A’剖面中，“IND1”所表示的是第一电感，而“IND2”所表示的是第二电感，在A-A’剖面的最内两圈中，第一电感本身会形成螺旋堆叠(helical stack)的结构，且第一电感与第二电感之间也会形成一个“L”型的两个电感之间互感(mutualinductance)，因此，可以改善集成变压器的品质因数(Q值)，以及提高耦合量，减少使用面积。亦即，第一电感与第二电感的互感同时包含近距离的垂直耦合、斜向耦合、以及水平耦合；换言之第一电感与第二电感通过近距离的垂直耦合、斜向耦合、以及水平耦合来形成彼此的互感。
[0036]在以上实施例所述的集成变压器中，由于第一电感与第二电感本身都使用了两个不同金属层串连的螺旋状绕线，因此，可以在最小的芯片面积下使得第一电感与第二电感有最大的电感值，此外，本实施例的集成变压器在品质因数及耦合量上也有不错的表现，因此可以降低芯片的制造成本并优化其元件特性。
[0037]图1A?1E所绘示的集成变压器的部分设计仅为一范例说明，而并非作为本发明的限制，详细来说，图示的螺旋状绕线120、130可以不一定是螺旋状绕线，且第一电感与第二电感的圈数也可以根据实际的需求而有所改变。另外，图1C中的螺旋状绕线130主要是用来提供第二电感额外的电感值及耦合量，在本发明的另一实施例中，图1C中的螺旋状绕线130可以自集成变压器中移除。
[0038]需注意的是，虽然在图1A?图1E所示的实施例中，第一电感与第二电感本身并没有包含任何的并联结构，然而，有时候为了其他考虑，例如改善品质因素，或是集成电路中尚有其他可使用的空间时，亦可以使用其他一或多个金属层来另外形成堆叠结构，例如使用第三金属层或是其他的金属层来形成多个区段以与第一电感或是第二电感中的部分绕线作并联，这些设计上的变化均应隶属于本发明的范畴。
[0039]请参考图2A、图2B、图2C、图2D及图2E，其中图2A、2B及2C为依据本发明第二实施例的集成变压器的第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层的示意图，图2D为依据本发明第二实施例的集成变压器的上视图，图2E为本实施例的剖面图。本实施例的集成变压器可应用于射频芯片中的变压器或是平衡/非平衡式变压器。
[0040]在本实施例中，集成变压器为非对称集成变压器，其两个电感的电感值的比例约为9nH:6nH(仅为范例说明，非本发明的限制)，且整个集成变压器具有很小的芯片面积，约为 150um*100um。
[0041]在本实施例中，第一金属层为一重布线层(RDL)，且该第二金属层为一超厚金属层(UTM)，且由上而下依序为第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层，但本发明并不以此为限，在其他实施例，第一金属层与第二金属层可以是为集成电路中任意两个相邻的金属层。
[0042]请先参考图2A、图2B及图2C,集成变压器主要由第一金属层、第二金属层、第三金属层及第四金属层来构成一第一电感与一第二电感，其中第一电感本身电性绝缘于第二电感。图示的第一金属层的示意图包含了一螺旋状绕线(spiral wir