CN101064271A - 具有多重导线结构的螺旋电感元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，其包括：一多匝的第一螺旋导线及至少一单匝的第二螺旋导线。第一螺旋导线设置于位于一基底上的一绝缘层内，其中第一螺旋导线的最外匝及最内匝导线部分别具有一第一端及一第二端，且其中一端连接至一接地端。第二螺旋导线设置于绝缘层内且平行第一螺旋导线，其中第二螺旋导线与连接至接地端的该匝导线部并接，以形成多重导线结构。本发明所述的具有多重导线的螺旋电感元件，可降低导体损失而改善电感品质因素，同时维持可用的频率范围。

Description

具有多重导线结构的螺旋电感元件

技术领域

本发明有关于一种半导体集成电路，特别是有关于一种具有多重导线结构的芯片内建电感元件(on-chip inductor)。

背景技术

许多数字及模拟部件及电路已成功地运用于半导体集成电路。上述部件包含了被动元件，例如电阻、电容或电感等。典型的半导体集成电路包含一硅基底。一层以上的介电层设置于基底上，且一层以上的金属层设置于介电层中。这些金属层可通过已知的半导体制程技术而形成芯片内建部件，例如芯片内建电感元件。

传统上，芯片内建电感形成于基底上且运用于射频频带(radio frequency band)集成电路设计。请参照图1A及图1B，其中图1A绘示出一已知具有平面螺旋结构的芯片内建电感元件平面示意图，而图1B则绘示出沿图1A中1B-1B’线的剖面示意图。芯片内建电感元件形成于一基底100上方的介电层104中，其包括一螺旋导线103及一内连线结构。螺旋导线103嵌入于介电层104中。内连线结构包括嵌入于一介电层102中的导电插塞105及109及一连接部107与嵌入于介电层104中的信号输出/输入部111。介电层102设置于介电层104与基底100之间，而螺旋导线103通过导电插塞105及109、连接部107及信号输出/输入部111而形成一电流路径，以与芯片外部或内部电路电性连接。

平面型螺旋电感元件的优点在于可通过减少位于芯片外建的电路元件数量及其所需的复杂内连线而增加电路的集成度。再者，平面式螺旋电感可避免芯片内建电路与芯片外建(off-chip)电路之间接合垫(bond pad)或接线(bond wire)所产生的寄生效应。

随着集成电路设计的向上发展，目前着重于将不同的功能整合于单一芯片上，以降低制程复杂度以及任何对于制造良率的冲击。将不同的功能整合于单一芯片即为所已知的片上系统(system on chip，SOC)。另外，在通讯系统的快速发展下，片上系统通常具有射频电路以及数字或基带(baseband)电路。由于射频电路在片上系统中所占的面积明显小于数字或基带电路，因此整个芯片设计是采用数字或基带电路的制程。因此，相较于一般射频电路的电感元件，片上系统中的电感元件的线圈厚度较薄而使得品质因素(quality factor/Q value)降低。

由于集成电路装置的效能取决于芯片内建电感元件的电感元件品质因素，因此有必要寻求一种新的电感元件结构以增加电感元件的品质因素。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，其通过将平面螺旋电感元件中对应接地端的一匝导线设计成多重导线，以降低导体损失而改善电感品质因素，同时维持可用的频率范围。

根据上述的目的，本发明提供一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，包括：一多匝的第一螺旋导线及至少一单匝的第二螺旋导线。第一螺旋导线设置于位于一基底上的一绝缘层内，其中第一螺旋导线的最外匝及最内匝导线部分别具有一第一端及一第二端，且其中一端连接至一接地端。第二螺旋导线设置于绝缘层内且平行第一螺旋导线，其中第二螺旋导线与连接至接地端的该匝导线部并接，以形成多重导线结构；其中，该第一螺旋导线具有外侧和内侧，该第一端及该第二端中接地的一端和该第二螺旋导线分别位于不同侧。

本发明另提供一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，包括：一多匝的第一螺旋导线及至少一单匝的第二螺旋导线。第一螺旋导线设置于位于一基底上的一绝缘层内，其中第一螺旋导线的最外匝导线部连接至一接地端。第二螺旋导线设置于绝缘层内且位于第一螺旋导线的最内匝导线部的内侧，其中第二螺旋导线与第一螺旋导线的最外匝导线部并接，以形成多重导线结构。

本发明另提供一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，包括：一多匝的第一螺旋导线及至少一单匝的第二螺旋导线。第一螺旋导线设置于位于一基底上的一绝缘层内，其中第一螺旋导线的最内匝导线部连接至一接地端。第二螺旋导线设置于绝缘层内且位于第一螺旋导线的最外匝导线部的外侧，其中第二螺旋导线与第一螺旋导线的最内匝导线部并接，以形成多重导线结构。此外，此螺旋电感元件还包括一连接部，设置于该绝缘层内，用以电性连接该第一螺旋导线的该最内匝导线部的一端与该第二螺旋导线的一对应端。

本发明所述的具有多重导线的螺旋电感元件，可降低导体损失而改善电感品质因素，同时维持可用的频率范围。

附图说明

图1A是绘示出已知具有平面螺旋结构的芯片内建电感元件平面示意图。

图1B是绘示出沿图1A中1B-1B’线的剖面示意图。

图2A是绘示出根据本发明实施例的具有多重导线结构的螺旋电感元件平面示意图。

图2B是绘示出沿图2A中2B-2B’线的具有多重导线结构的螺旋电感元件剖面示意图。

图2C是绘示出沿图2A中2C-2C’线的具有多重导线结构的螺旋电感元件剖面示意图。

图3A是绘示出根据本发明另一实施例的具有多重导线结构的螺旋电感元件平面示意图。

图3B是绘示出沿图3A中3B-3B’线的具有多重导线结构的螺旋电感元件剖面示意图。

图3C是绘示出沿图3A中3C-3C’线的具有多重导线结构的螺旋电感元件剖面示意图。

具体实施方式

本发明实施例所提供的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其包括一多匝的螺旋导线。此多匝的螺旋导线在最外匝及最内匝导线部分别具有一第一端及一第二端。若最外匝导线部的第一端接地，则最内匝导线部的内侧会多一个单匝的螺旋导线，并和最外匝导线部电性并联。另方面，若最内匝导线部的第二端接地，则最外匝导线部的外侧会多一个单匝的螺旋导线，并和最内匝导线部电性并联。亦即，多匝的螺旋导线的接地端和单匝的螺旋导线的位置是分别位于多匝的螺旋导线的内部和外部，或是分别位于多匝的螺旋导线的外部和内部。

以下配合图2A至图2C说明本发明实施例的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其中图2A是绘示出具有多重导线结构的螺旋电感元件平面示意图；图2B是绘示出沿图2A中2B-2B’线的剖面示意图；图2C是绘示出沿图2A中2C-2C’线的剖面示意图。

螺旋电感元件包括：嵌入于一绝缘层中的一多匝的螺旋导线201、至少一单匝的螺旋导线203及连接部207及211，其中绝缘层设置于一基底200上。基底200包括一硅基底或其他已知的半导体基底。基底200中可包含各种不同的元件，例如晶体管、电阻及其他常用的半导体元件。再者，基底200亦可包含其他导电层(例如，铜、铝或其合金)以及绝缘层(例如，氧化硅层、氮化硅层或低介电材料层)。此处为了简化图式，仅以一平整基底表示。

在本实施例中，绝缘层可包括依序设置于基底200上的介电层202及204。介电层202及204可包括氧化硅层、氮化硅层或低介电材料层。

多匝的螺旋导线201嵌入于介电层204内，且具有多匝，例如三匝。多匝的螺旋导线201的外形可为圆形、矩形、六边形、八边形或多边形。此处，是以八边形作为范例说明。多匝的螺旋导线201的最外匝及最内匝导线部分别具有一第一端10及一第二端20，其中位于第一端10处具有一信号输入/输出部209，用以作为一信号输入/输出端。再者，多匝的螺旋导线201具有一线宽S，且其材质包括铜、铝或其合金。

多匝的螺旋导线201的最内匝导线部的该第二端20是接地端。由于接地的第二端是属于最内匝导线部，故要在最外匝导线部的外侧设置一单匝的螺旋导线203，并让该单匝的螺旋导线203和最内匝导线部形成电性并联。

单匝的螺旋导线203同样嵌入于介电层204内且位于多匝的螺旋导线201的最外匝导线部的外侧。亦即，单匝的螺旋导线203大体平行且围绕多匝的螺旋导线201。

单匝的螺旋导线203具有一第一端30及一第二端40，且其第二端40对应于多匝的螺旋导线201的第二端20。再者，单匝的螺旋导线203于第二端40处具有一信号输入/输出部205，用以作为一信号输入/输出端。在本实施例中，信号输出/输入部205是连接至一接地端，如图2A所示。单匝的螺旋导线203具有一线宽大体相同于多匝的螺旋导线201的线宽S，且其材质包括铜、铝或其合金。

连接部207及211是嵌入于介电层204下方的另一介电层202内，其材质包括铜、铝或其合金，用以并接多匝的螺旋导线201的最内匝导线部及单匝的螺旋导线203而形成多重导线结构。举例而言，连接部207设置于多匝的螺旋导线201的第二端20与单匝的螺旋导线203的第二端40之间，并分别通过设置于介电层202内的导电插塞210及220而电性连接多匝的螺旋导线201的最内匝导线部及单匝的螺旋导线203，如图2B所示。此处，多匝的螺旋导线201的最内匝导线部经由连接部207、导电插塞210及220及单匝的螺旋导线203的信号输出/输入部205而连接至接地端。再者，连接部211设置于多匝的螺旋导线201的最内匝导线部与单匝的螺旋导线203的第一端30之间，并分别通过设置于介电层202内的导电插塞230及240而电性连接多匝的螺旋导线201的最内匝导线部及单匝的螺旋导线203，如图2C所示。

另外，需注意的是，上述多匝的螺旋导线201是以三匝导线作为范例说明，然而多匝的螺旋导线201可包括二匝或三匝以上的导线。再者，上述多匝的螺旋导线201的最内匝导线部是以并接一个单匝的螺旋导线203作为范例说明，然其可并接两个以上单匝的螺旋导线。

以下配合图3A至图3C说明本发明另一实施例的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其中图3A是绘示出具有多重导线结构的螺旋电感元件平面示意图；图3B是绘示出沿图3A中3B-3B’线的剖面示意图；图3C是绘示出沿图3A中3C-3C’线的剖面示意图。再者，相同于图2A至图2C的部件是使用相同的标号并省略其说明。

在本实施例中，螺旋电感元件包括：嵌入于一介电层204中的一多匝的螺旋导线201及至少一单匝的螺旋导线221与嵌入于一介电层202中的连接部207、213及215。信号输出/输入部209’及205’设置于介电层204中且分别对应于多匝的螺旋导线201的第一端10及第二端20，用以作为信号输入/输出端。其中，信号输出/输入部209’是自多匝的螺旋导线201的第一端10侧向延伸而成，而信号输出/输入部205’则通过连接部207及导电插塞210及220而电性连接至多匝的螺旋导线201的第二端20。于此，位于多匝的螺旋导线201的第一端10的信号输出/输入部209’连接至一接地端，如图3A所示。

再者，在本实施例中，多匝的螺旋导线201的最外匝导线部的该第一端10是接地端。由于接地的第一端是位于最外匝导线部，故要在最内匝导线部的内侧设置一单匝的螺旋导线221，并让该单匝的螺旋导线221和最外匝导线部形成电性并联。

单匝的螺旋导线221是位于多匝的螺旋导线201的最内匝导线部的内侧。亦即，多匝的螺旋导线201大体平行且围绕单匝的螺旋导线221。单匝的螺旋导线221具有一第一端50及一第二端60且其第一端50对应于多匝的螺旋导线201的第一端10。

连接部213及215是嵌入于介电层204下方的另一介电层202内，其材质包括铜、铝或其合金，用以并接多匝的螺旋导线201的最外匝导线部及单匝的螺旋导线221而形成多重导线结构。举例而言，连接部215设置于多匝的螺旋导线201的第一端10与单匝的螺旋导线221的第一端50之间，并分别通过设置于介电层202内的导电插塞250及260而电性连接多匝的螺旋导线201的最外匝导线部及单匝的螺旋导线221，如图3B所示。此处，单匝的螺旋导线221的第一端50经由连接部215、导电插塞250及260及多匝的螺旋导线201的信号输出/输入部209’而连接至接地端。再者，连接部213设置于多匝的螺旋导线201的最外匝导线部与单匝的螺旋导线221的第二端60之间，并分别通过设置于介电层202内的导电插塞270及280而电性连接多匝的螺旋导线201的最外匝导线部及单匝的螺旋导线221，如图3C所示。

另外，需注意的是，上述多匝的螺旋导线201的最外匝导线部是以并接一个单匝的螺旋导线221作为范例说明，然其可并接两个以上单匝的螺旋导线。

在上述实施例中，螺旋电感元件的多重导线结构是连接至接地端。由于螺旋导线201的接地端具有较高的电流密度(即，较高的磁场)与较低电场，故可降低单匝的螺旋导线203与多匝的螺旋导线最外匝导线部之间的寄生电容效应或是单匝的螺旋导线221与多匝的螺旋导线最内匝导线部之间的寄生电容效应。再者，螺旋电感元件的最外匝(或最内匝)具有由单匝的螺旋导线203(或单匝的螺旋导线221)所构成的多重导线线结构，故可增加电感耦合(inductive coupling)及减少螺旋导线201的导体损失(conductor loss)，借以在不增加螺旋导线201的厚度情形下提升电感元件的品质因素并改善电感效率(inductor efficiency)。因此，根据本发明的螺旋电感元件可在提升电感元件品质因素的同时，维持电感元件可用的频率范围。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

附图中符号的简单说明如下：

100：基底

102、104：介电层

103：螺旋导线

105、109：导电插塞

107：连接部

111：信号输出/输入部

10、30、50：第一端

20、40、60：第二端

200：基底

202、204：介电层

201：多匝的螺旋导线

203、221：单匝的螺旋导线

205、205’、209、209’：信号输入/输出部

207、211、213、215：连接部

210、220、230、240、250、260、270、280：导电插塞

Claims (10)

1.一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，包括：

一绝缘层，设置于一基底上；

一第一螺旋导线，其为多匝的，设置于该绝缘层内，其中该第一螺旋导线的最外匝导线部分及最内匝导线部分别具有一第一端及一第二端，且其中一端连接至一接地端；以及

一第二螺旋导线，其为单匝的，设置于该绝缘层内且平行该第一螺旋导线，其中该第二螺旋导线电性并联于该第一螺旋导线的该第一端及该第二端中接地的一端所连接的该匝导线部；

其中，该第一螺旋导线具有外侧和内侧，该第一端及该第二端中接地的一端和该第二螺旋导线分别位于不同侧。

2.根据权利要求1所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第一端连接至该接地端且该第一螺旋导线围绕该第二螺旋导线。

3.根据权利要求1所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第二端连接至该接地端且该第二螺旋导线围绕该第一螺旋导线。

4.根据权利要求1所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第一端耦接至该第二螺旋导线的一对应端，或该第二端耦接至该第二螺旋导线的一对应端。

5.根据权利要求1所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第一螺旋导线及该第二螺旋导线的外形为圆形、矩形、六边形、八边形或多边形。

6.一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，包括：

一绝缘层，设置于一基底上；

一第一螺旋导线，其为多匝的，设置于该绝缘层内，其中该第一螺旋导线的最外匝导线部连接至一接地端；以及

至少一第二螺旋导线，其为单匝的，设置于该绝缘层内且位于该第一螺旋导线的最内匝导线部的内侧，其中该第二螺旋导线与该第一螺旋导线的该最外匝导线部并接，以形成该多重导线结构。

7.根据权利要求6所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，更包括一连接部，设置于该绝缘层内，用以电性连接该第一螺旋导线的该最外匝导线部的一端与该第二螺旋导线的一对应端。

8.根据权利要求6所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第一螺旋导线及该第二螺旋导线的外形为圆形、矩形、六边形、八边形或多边形。

9.一种具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，包括：

一绝缘层，设置于一基底上；

一第一螺旋导线，其为多匝的，设置于该绝缘层内，其中该第一螺旋导线的最内匝导线部连接至一接地端；

至少一第二螺旋导线，其为单匝的，设置于该绝缘层内且位于该第一螺旋导线的最外匝导线部的外侧，其中该第二螺旋导线与该第一螺旋导线的最内匝导线部并接，以形成该多重导线结构；以及

一连接部，设置于该绝缘层内，用以电性连接该第一螺旋导线的该最内匝导线部的一端与该第二螺旋导线的一对应端。

10.根据权利要求9所述的具有多重导线结构的螺旋电感元件，其特征在于，该第一螺旋导线及该第二螺旋导线的外形为圆形、矩形、六边形、八边形或多边形。

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