CN100578696C - 电感结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感结构，包括第一螺旋状导线、第二螺旋状导线及遮蔽结构。第一螺旋状导线包括第一外导线与第一内导线串联。第二螺旋状导线对应于一个对称平面与第一螺旋状导线相互缠绕。第二螺旋状导线包括第二外导线与第二内导线串联。第二内导线与第一内导线相连接。遮蔽结构包括第一遮蔽层与第二遮蔽层。第一遮蔽层对应于第一外导线的正投影，配置于第一外导线与基底之间。第二遮蔽层对应于第二外导线的正投影，配置于第二外导线与基底之间。第一遮蔽层与第二遮蔽层分别接地，且相互对称于对称平面。

Description

电感结构

技术领域

本发明是有关于一种电感结构，且特别是有关于一种能够改善Q值的电感结构。

背景技术

一般而言，由于电感是经由电磁的互相转换，拥有储存和释放能量的功能，因此电感可作为稳定电流的元件。此外，电感的应用范围相当地广泛，例如电感就常被应用于无线射频(radio frequency，RF)电路。在集成电路中，电感为十分重要但是却极具挑战性的无源元件。就电感的效能而言，电感的品质越高，即代表电感具有较高的品质因子(quality factor)，以Q值表示。Q值的定义如下：

Q＝ω×L/R

其中，ω为角频率(angular frequency)，L为线圈的电感值(inductance)，而R为在特定频率下将电感损失列入考虑的电阻(resistance)。

就现今发展来说，将电感与集成电路工艺相结合，已有各种方法及技术。然而，在集成电路中，电感金属厚度的限制以及硅基底对电感的干扰都会导致电感的品质不佳。已知技术通过将较厚的金属配置在电感的最上层，来降低导体损耗(conductor loss)，以提高电感的Q值。然而，当金属厚度增加到一定的程度之后，Q值的改善就变得不明显。由于电感配置的位置大都很接近硅基底，因此硅基底跟电感之间产生的寄生电容(parasitic capacitance)会增加，造成电感的电阻值增加，因而导致消耗大量的能量，使得电感的品质降低。所以，如何解决上述工艺中会遭遇的种种问题，并提升电感的Q值及降低导体损耗，是目前业界积极发展的重点。

发明内容

本发明提供一种电感结构，能够降低基底与电感之间所产生的寄生电容，并提升电感的品质。

本发明提出一种电感结构，其配置于基底上。此电感结构包括第一螺旋状导线、第二螺旋状导线以及遮蔽结构。第一螺旋状导线至少包括第一外导线与第一内导线，其中第一外导线与第一内导线串联。第一内导线旋入第一螺旋状导线的内侧。第二螺旋状导线关于一个对称平面与第一螺旋状导线对称并与第一螺旋状导线相互缠绕。第二螺旋状导线至少包括第二外导线与第二内导线，其中第二外导线与第二内导线串联。第二内导线旋入第二螺旋状导线之内侧并与第一内导线相连接。第一遮蔽层对应于第一外导线的正投影，配置于第一外导线与基底之间。第二遮蔽层则对应于第二外导线的正投影，配置于第二外导线与基底之间。其中，第一遮蔽层与第二遮蔽层分别接地，且相互对称于对称平面。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

图1A是依照本发明的第一实施例的电感结构的俯视示意图。

图1B是依照本发明的第一实施例的遮蔽结构的俯视示意图。

图1C为沿着图1A中的I-I’剖面线的剖面示意图。

图2A是依照本发明的第二实施例的电感结构的俯视示意图。

图2B是依照本发明的第二实施例的遮蔽结构的俯视示意图。

图2C为沿着图2A中的I-I’剖面线的剖面示意图。

图2D是依照本发明的第三实施例的电感结构的俯视示意图。

图2E是依照本发明的第三实施例的遮蔽结构的俯视示意图。

图2F是依照本发明的第四实施例的电感结构的俯视示意图。

图2G是依照本发明的第四实施例的遮蔽结构的俯视示意图。

图2H是依照本发明的第五实施例的电感结构的俯视示意图。

图2I是依照本发明的第五实施例的遮蔽结构的俯视示意图。

图3为本发明的电感结构与已知的电感结构应用于对称式差动电感所得的Q值比较曲线图。

图4为本发明的电感结构与已知的电感结构应用于单端式电感所得的Q值比较曲线图。

【主要元件符号说明】

100、200：电感结构

102：基底

104：介电层

106、108：螺旋状导线

106a、108a：外导线

106b、108b：内导线

106c、108c：连接导线

107a、107b、109a、109b：端点

110：遮蔽结构

111、112：遮蔽层

111a、112a：遮蔽图案

114、116：接地导线

124a、124b、128a、128b：接合导线

120：对称平面

122a、122b、126a、126b：介层窗

具体实施方式

图1A是依照本发明的第一实施例的电感结构的俯视示意图。图1B是依照本发明的第一实施例的遮蔽结构的俯视示意图。图1C为沿着图1A中的I-I’剖面线的剖面示意图。

请同时参照图1A、图1B与图1C，电感结构100配置于基底102上的介电层104中。电感结构100包括螺旋状导线106、螺旋状导线108以及遮蔽结构110。其中，电感结构100可通过半导体工艺实现，基底102例如是硅基底。介电层104的材料例如是氧化硅或其他介电材料。螺旋状导线106与螺旋状导线108的材料可以是金属，其例如是铜、铝铜合金等材料。遮蔽结构110的材料可以是导电材料，其例如是多晶硅或金属等材料。此外，在第一实施例中，电感结构100的配置为八边形(如图1A所示)，然而本发明的电感结构并不局限于实施例中所绘示的配置方式。

承上述，螺旋状导线106至少包括外导线106a与内导线106b，其中外导线106a与内导线106b串联。螺旋状导线106具有端点107a及端点107b。端点107a例如是外导线106a的末端，端点107b则例如是内导线106b的末端。也就是说，端点107a配置于螺旋状导线106的外侧，而端点107b旋入螺旋状导线106的内侧。

螺旋状导线108例如是与螺旋状导线106配置于相同的高度平面上。螺旋状导线108与螺旋状导线106于对称平面120的两侧，呈镜像配置而相互缠绕，以形成对称的螺旋回圈结构，其中对称平面120的延伸方向例如是朝向页面内。螺旋状导线108至少包括外导线108a与内导线108b，且外导线108a与内导线108b之间是以串联的方式相连接。螺旋状导线108具有端点109a与端点109b。端点109a例如是外导线108a的末端，而端点109b例如是内导线108b的末端。端点109a例如是对称于端点107a的位置，配置于螺旋状导线108的外侧。而端点109b例如是对称于端点107b的位置，旋入螺旋状导线108的内侧，且端点107b与端点109b会于对称平面120上相连接。也就是说，螺旋状导线106与螺旋状导线108交会连接于对称的螺旋回圈结构的最内圈。

如图1A所示，螺旋状导线106与螺旋状导线108例如是相互缠绕成三圈的绕线结构。因此，螺旋状导线106与螺旋状导线108还可以分别包括连接导线106c与连接导线108c。连接导线106c例如是配置于外导线106a与内导线106b之间。外导线106a与内导线106b例如是通过连接导线106c进行串联。而连接导线108c例如是配置于外导线108a与内导线108b之间。且外导线108a与内导线108b例如是通过连接导线108c进行串联。

当然，螺旋状导线106与螺旋状导线108相互缠绕所构成的圈数并不局限于图1A中所绘示的三圈。在其他实施例中，在螺旋状导线106与螺旋状导线108相互缠绕成两圈绕线的情况下，外导线106a与内导线106b可以直接进行串联，而外导线108a与内导线108b亦是如此。此外，还可以于外导线106a与内导线106b之间配置多圈的连接导线106c，且相对应地于外导线108a与内导线108b之间配置多圈的连接导线108c，使螺旋状导线106与螺旋状导线108缠绕成大于三圈绕线的螺旋回圈结构，在本领域的普通技术人员可视其需求进行调整。

请继续参照图1A，螺旋状导线106及螺旋状导线108相互缠绕的方式例如是使螺旋状导线106与螺旋状导线108交错于对称平面120上。螺旋状导线106与螺旋状导线108于交错位置互不接触，以避免短路的情况发生。举例来说，外导线108a例如是通过介层窗122a连接至下方的接合导线124a，再通过介层窗122b将接合导线124a连接至连接导线108c，使螺旋状导线108可以在交错处从螺旋状导线106的下方通过，避免螺旋状导线106与螺旋状导线108接触。至于外导线106a与连接导线106c则由位于相同高度平面的接合导线124b进行连接。另一方面，连接导线106c与内导线106b之间例如是依序通过介层窗126a、接合导线128a与介层窗126b连接，使螺旋状导线106在交错位置可以从螺旋状导线108的下方通过。至于连接导线108c与内导线108b则由位于相同高度平面的接合导线128b进行连接。

另一方面，请继续参照图1A、图1B以及图1C，遮蔽结构110包括遮蔽层111与遮蔽层112。遮蔽层112例如是与遮蔽层111配置于相同的高度平面上。遮蔽层111对应于外导线106a的正投影，配置于外导线106a与基底102之间。遮蔽层112则对应外导线108a的正投影，配置于外导线108a与基底102之间，且遮蔽层111与遮蔽层112分别接地。此外，遮蔽层111与遮蔽层112相互对称于对称平面120的两侧，且彼此分离而不会相互连接。也就是说，遮蔽层111与遮蔽层112例如是构成一个具有两个缺口的环状结构(如图1B所示)。环状结构上的缺口例如是沿着对称平面120配置，且缺口的位置例如是对应于螺旋状导线106与螺旋状导线108的交错位置的正投影。如此，在电感结构100中，至少外导线106a与外导线108a的正投影会落在遮蔽结构110上。

特别说明的是，当上述的电感结构100应用于对称式差动电感，亦即施加于端点107a上的电压与施加于端点109a上的电压为绝对值相等且电性相反的电压时，在螺旋状导线106与螺旋状导线108构成的绕线结构中，越往绕线的内部，其电压的绝对值会递减。也就是说，外导线106a与外导线108a具有较大的电场。由于遮蔽结构110阻隔在电场较大的外导线106a、外导线108a与基底102之间，且遮蔽层111与遮蔽层112分别接地，如此一来，即可降低外导线106a、外导线108a与基底102之间产生寄生电容，而减少能量的损耗。此外，当上述的电感结构100应用于单端式电感，亦即端点107a或端点109a其中一端施加电压，而另一端接地时，遮蔽层111与遮蔽层112亦能提供相同的效果，进而减少能量的损耗。

图2A是依照本发明的第二实施例的电感结构的俯视示意图。图2B是依照本发明的第二实施例的遮蔽结构的俯视示意图。图2C为沿着图2A中的I-I’剖面线的剖面示意图。在图2A至图2C中，与图1A至图1C相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。

本发明另提出一种电感结构，请同时参照图2A、图2B与图2C，组成电感结构200的构件与组成电感结构100的构件相同，其中主要的差异在于：在电感结构200中，除了外导线106a与外导线108a外，连接导线106c、连接导线108c、内导线106b与内导线108b的正投影皆会落在遮蔽结构110上。亦即，遮蔽层111可以遮蔽外导线106a、连接导线108c以及内导线106b。而遮蔽层112可以遮蔽外导线108a、连接导线106c以及内导线108b。

值得一提的是，遮蔽结构110只要能遮蔽电场强度较大的外导线106a与外导线108a，即可降低电感结构100与基底102之间产生的寄生电容，降低电阻值，减少能量的损失(如图1C所示)。另一方面，以图2C为例，除了于交错处外，螺旋状导线106与螺旋状导线108的正投影例如是全落在遮蔽结构110上。在此种情况下，遮蔽结构110能够于电感结构200以及基底102之间产生更佳的遮蔽效果，进而达到提升电感结构200的Q值的功效。此外，若仅有外导线106a、外导线108a、连接导线106c与连接导线108c的正投影落在遮蔽结构110上(未绘示)，在此实施例中亦能达到提升电感结构的Q值的功效。

图2D是依照本发明的第三实施例的电感结构的俯视示意图。图2E是依照本发明的第三实施例的遮蔽结构的俯视示意图。在图2D至图2E中，与图2A至图2B相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。

请同时参照图2D与图2E，遮蔽层111还可以是由两个以上的遮蔽图案111a所构成，而遮蔽层112可以是由两个以上的遮蔽图案112a所构成。遮蔽图案111a与遮蔽图案112a例如是于对称平面120的两侧呈镜像配置。换言之，构成遮蔽层111的遮蔽图案111a的数量例如是相等于构成遮蔽层112的遮蔽图案112a的数量。再者，当遮蔽层111与遮蔽层112包含多个遮蔽图案111a与112a时，遮蔽层111与遮蔽层112接地的方式例如是将各个遮蔽图案111a与各个遮蔽图案112a分别接地。

图2F是依照本发明的第四实施例的电感结构的俯视示意图。图2G是依照本发明的第四实施例的遮蔽结构的俯视示意图。在图2F至图2G中，与图2D至图2E相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。

当遮蔽层111与遮蔽层112包含多个遮蔽图案111a与112a时，还可以利用其他的方式使遮蔽层111与遮蔽层112分别接地。请同时参照图2F与图2G，位于对称平面120同一侧的遮蔽图案111a例如是通过接地导线114将遮蔽图案111a一一串联起来，再将接地导线114接地。而同样地，位于对称平面120另一侧的各个遮蔽图案112a例如是通过接地导线116串联，再将接地导线116接地。如此，即可达到将遮蔽层111与遮蔽层112分别接地的效果。

图2H是依照本发明的第五实施例的电感结构的俯视示意图。图2I是依照本发明的第五实施例的遮蔽结构的俯视示意图。在图2H至图2I中，与图2D至图2E相同的构件则使用相同的标号并省略其说明。

当遮蔽层111与遮蔽层112包含多个遮蔽图案111a与112a时，还可以利用其他的方式使遮蔽层111与遮蔽层112分别接地。请同时参照图2H与图2I，在此实施例中，遮蔽层111包含两个遮蔽图案111a，其中一个遮蔽图案111a接地，而另一遮蔽图案111a例如是通过接地导线114将两个遮蔽图案111a连接起来，再透过接地的遮蔽图案111a，达到接地的效果。同样地，遮蔽层112包含两个遮蔽图案112a，其中一个遮蔽图案112a接地，而另一遮蔽图案112a例如是通过接地导线116将两个遮蔽图案112a连接起来，再透过接地的遮蔽图案112a，达到接地的效果。如此，即可达到将遮蔽层111与遮蔽层112分别接地的效果。此外，在另一实施例中，接地的遮蔽图案相互对称于对称面上(未绘示)。以上以具有两个遮蔽图案的遮蔽层做说明，然而本发明不限于此。在其他实施例中，每一遮蔽层可包含两个以上的遮蔽图案对称配置。此外，每一遮蔽层的接地方式亦不限于上述的实施例，只要使各个遮蔽层分别接地即可。

图3为本发明的电感结构与已知的电感结构应用于对称式差动电感所得的Q值比较曲线图。图4为本发明的电感结构与已知的电感结构应用于单端式电感所得的Q值比较曲线图。

请参照图3，由实际测试的结果可知：在频率从0至20GHz的范围内，本发明的电感结构100与200都比已知的电感结构具有较高的Q值。因此，无论在低频或者高频的频率范围中，本发明的电感结构确实能够显著地提升电感品质，且更进一步地扩大电感结构所使用的频率范围。

请参照图4，同样地，由实际测试的结果可知：相较于已知的电感结构，本发明的电感结构100与200的Q值都具有显著地提升。因此，本发明的电感结构可以有效地降低寄生电容的产生，改善电感品质。

综上所述，在本发明所提出的电感结构中，利用对称于对称平面且具有缺口的环形遮蔽结构，配置于螺旋状导线与基底之间。由于遮蔽结构至少可以遮蔽具有较高电场的外导线，且遮蔽结构中的遮蔽层分别接地，因此，本发明的电感结构能够降低基底与金属之间产生的寄生电容，减少能量消耗，提高对称式差动电感与单端式电感的品质。

另一方面，本发明的电感结构可应用的频率范围可以保持在无线射频电路所使用的范围内，并可以将电感结构的制造过程整合于现行的工艺中，可有助于降低工艺所需的成本。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (9)

1.一种电感结构，配置于基底上，包括：

一第一螺旋状导线，该第一螺旋状导线至少包括一第一外导线与一第一内导线，其中该第一外导线与该第一内导线串联，该第一内导线旋入该第一螺旋状导线的内侧；

一第二螺旋状导线，关于一对称平面与该第一螺旋状导线对称并与该第一螺旋状导线相互缠绕，该第二螺旋状导线至少包括一第二外导线与一第二内导线，其中该第二外导线与该第二内导线串联，该第二内导线旋入该第二螺旋状导线的内侧且与该第一内导线相连接；以及

一遮蔽结构，包括：

一第一遮蔽层，对应于该第一外导线的正投影，配置于该第一外导线与该基底之间；以及

一第二遮蔽层，对应于该第二外导线的正投影，配置于该第二外导线与该基底之间，其中该第一遮蔽层与该第二遮蔽层分别接地，且相互对称于该对称平面。

2.如权利要求1所述的电感结构，其中该第一遮蔽层与该第二遮蔽层彼此分离。

3.如权利要求1所述的电感结构，其中该第一内导线的正投影落在该遮蔽结构上。

4.如权利要求3所述的电感结构，其中该第二内导线的正投影落在该遮蔽结构上。

5.如权利要求1所述的电感结构，其中该第一螺旋状导线还包括至少一第一连接导线，该第一连接导线连接该第一外导线与该第一内导线，该第二螺旋状导线还包括至少一第二连接导线，该第二连接导线连接该第二外导线与该第二内导线，其中该第一连接导线与该第二连接导线对称于该对称平面。

6.如权利要求5所述的电感结构，其中该第一连接导线的正投影落在该遮蔽结构上。

7.如权利要求6所述的电感结构，其中该第二连接导线的正投影落在该遮蔽结构上。

8.如权利要求1所述的电感结构，其中该第一遮蔽层由至少一第一遮蔽图案所构成。

9.如权利要求8所述的电感结构，其中该第二遮蔽层由至少一第二遮蔽图案所构成。

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