CN102067306A - 具有降低的磁耦合的集成电路电感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括形成在半导体基板上的第一电感器元件和形成在半导体基板上相邻第一电感器元件的至少第二电感器元件的IC电感器结构。第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向，并且第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向。第一和第二电感器元件相对于彼此取向以便在第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。

Description

具有降低的磁耦合的集成电路电感器
技术领域
本发明主要涉及电气、电子以及计算机领域，并且更具体地涉及集成电路(IC)电感器。
背景技术
电感器被用在广泛的应用之中，包括例如通信系统、信号处理系统、滤波器、储能电路(tank circuit)等。随着这些电子系统已变得更加集成化并有效地按比例缩小的片上系统(SOC)，电路设计者已经考虑不予使用大的辅助部件，例如电感器。当在他们的设计中不能消除电感器时，工程师只得设法减小他们所使用的电感器的尺寸以便包含这样的片上电感器。
集成片上电感器的一种方法是采用模拟的电感器而非分立电感器。易小型化的使用有源电路的模拟电感器是在电子系统中消除实际电感器的一种方法。遗憾的是，模拟的电感器电路经常表现出高的寄生效应，还常产生比使用分立电感器构造的电路明显更大的噪声，因而不合乎要求。
可以利用IC制造技术通过在与电感器所耦合到的集成电路(IC)相同的基板上制作螺旋电感器而将电感器小型化，以用在紧凑的通信系统(例如手机、调制解调器等)中。例如，电感-电容(LC)储能振荡器的最常规实现方式采用对称设计的集成螺旋电感器，其被设计来将单独电感器的性能最优化而不依赖于任何耦合特性。在一些应用(诸如，例如SERDES(串行化器/解串行化器)和集成无线电设备)中，如果有在稍微不同的频率(例如，相差百万分之400(ppm))工作的两个发送和/或接收信道，那么电感器会磁耦合并产生不希望的干扰信号。此外，螺旋电感器占据了IC基板上可用表面积中的不相称地过大的份额。
降低电感器耦合的常规方法已包括降低电感器中的电流从而获得较低磁通量密度，或者将电感器在物理上间隔得更远，这是由于耦合机制按相邻电感器之间的距离的平方的函数降低。此外，已经进行了多种尝试通过在螺旋电感器周围使用接地屏蔽(例如，法拉第罩)降低耦合。然而这些方法仅降低了电场干扰而并未降低磁耦合，而磁耦合是螺旋电感器之间耦合的主要源。
因此，存在对形成不受一个或更多个常规方法所表现出的限制的影响的IC电感器的技术的需求。
发明内容
通过提供用于形成具有方向性的电磁发射的IC电感器以便降低在电感器被放置为彼此相对紧密临近时这些电感器之间的磁耦合的技术，本发明的实施例满足了以上所提出的需求。通过将相邻IC电感器之间的耦合降低，在包括例如LC振荡器的多信道电路之间以及采用IC电感器的其他电路和应用之间的隔离可以得到有益地改善，并由此性能可以得到有益地改善。此外，根据本发明的多个方面，可以在无需增大电感器之间的物理间隔的情况下，实现相邻IC电感器之间的减小的耦合，从而降低了IC的所需面积和相应成本。
依照本发明的一个方面，提供了一种IC电感器结构，其包括：形成在半导体基板上的第一电感器元件，和形成在所述半导体基板上的临近该第一电感器元件的至少第二电感器元件。第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向，并且第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向。第一和第二电感器元件相对于彼此取向从而在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
依照本发明的另一方面，提供了一种电子系统，其包括至少一个包含至少一个电感器结构的集成电路。该电感器结构包括：形成在半导体基板上的第一电感器元件，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向；以及形成在所述半导体基板上临近该第一电感器元件的至少第二电感器元件。该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向。所述第一和第二电感器元件相对于彼此取向从而在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
依照本发明的又一方面，提供了一种降低至少两个集成电路电感器之间的磁耦合的方法，其包括步骤：在半导体基板上形成第一电感器元件，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向；以及在所述半导体基板上形成临近所述第一电感器元件的至少第二电感器元件，该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向，所述第一和第二电感器元件相对于彼此取向从而在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
根据下面的应当结合附图阅读的本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的这些和其他特征、目的以及优点将变得明显。
附图说明
下列附图仅作为示例提出而不是限制，其中在全部附图的若干视图中相同的附图标记指示类似的部件，并且其中：
图1A和1B分别是依照本发明实施例的说明性的螺旋电感器和示例性的定向电感器的概念图；
图2A和2B分别是描述依照本发明实施例的示例性的螺旋电感器和一对示例性的定向电感器的自顶向下视图；
图3是描述依照本发明实施例的示例性定向电感器的透视图；
图4是描述依照本发明实施例的、被布置为使得对应于每一电感器的辐射电磁波有效地彼此抵消的一对示例性定向电感器的概念图；以及
图5是描述依照本发明实施例的、至少包括第一和第二定向电感器的示例性集成电路电感器结构的实现方式的自顶向下视图。
具体实施例
在此将在示例性IC电感器结构的背景下描述本发明。然而应理解，本发明的技术并不限于在此示出并描述的IC电感器结构。而是，本发明的实施例广泛地涉及用于降低在两个或更多个IC电感器在被放置成彼此相对紧密临近时之间的磁耦合的技术。尽管本发明的优选实施例可以以硅晶片制造，但是，替代地，本发明的实施例可以以包括其他材料的晶片制造，所述其他材料包括(但不限于)砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)等。
图1A和1B分别是依照本发明实施例的说明性的螺旋电感器100和示例性的定向电感器150的概念图。参照图1A，示出了说明性的螺旋电感器100的顶部俯视图。螺旋电感器100可以包括多个同心导电环(即，线圈)102、104、106和108。箭头110代表穿过电感器100中心的磁通线，并从而指示出有效磁场强度方向。由于各个导电环102、104、106、108共享共同的中心，因此将存在汇集在螺旋电感器100中心的强B场(B-field)。
出于说明的目的，通常存在物理学家们可以称为磁场的两个量，即，H和B。尽管术语“磁场”在历史上被保留用于H，而B被称为“磁感应”，但是，B现在被认为是更基本的实体。在电学工程师当中，矢量场H被认为是磁场强度(intensity or strength)，并且在物理学家当中也被认为是辅助磁场或磁化场。在电力工程师当中，矢量场B被认为是磁通量密度或磁感应，或者简单地，磁场，如物理学家所使用的。
如图1A所示，点线112和114代表各导电环102、104、106、108的单独的磁通线，并示出了磁通环的实现。由于当自顶向下观察时螺旋电感器100的取向是对称性的向外伸展，所以在各个方向上大体上相等地发射辐射能量，因此导致与其他相邻的垂直取向的电感器相干扰的可能性高。
参照图1B，示出了示例性定向电感器(或天线)150的顶部俯视图。定向电感器150优选地包括多个导电环152、154、156、158和160，每一导电环被布置为沿着弧形或交替路径至少部分地与相邻的导电环交迭。作为对于定向电感器150的说明性的类比，考虑被形成为已经展开(例如，以弧形或交替线)或者已经被拉平的弹簧的电感器。与在其中每一导电环共享共同中心的螺旋电感器100形成对比的是，定向电感器150的各个导电环152、154、156、158、160中的每一个将具有其自身的与其关联的B场方向。箭头162代表穿过各个导电环152、154、156、158、160的中心的组合(合成)磁通线，并且因此指示出沿着弧形行进的定向电感器150的有效磁场强度方向。
如图1B所示，可以被看作磁通量返回路径的点线164表示各个导电环152、154、156、158、160的单独磁通线，并显示了磁通量环的实现。如先前说明的，由于当自顶向下观察时螺旋电感器的取向是对称的，因此在各个方向大体上等同地发射辐射能量。然而，在定向电感器150的情况下，磁通量返回路径164主要取向于电感器物理中心的一侧。以这种方式形成的电感器有益地允许两个或更多个相邻的定向电感器被放置为使得辐射的磁性波彼此正交。
图2A和2B分别是描述根据本发明实施例的示例性螺旋电感器200与一对示例性定向电感器250和252的自顶向下视图。如图2A所示，螺旋电感器200，如同图1A中描述的说明性的螺旋电感器100那样，具有在所有方向上等同地发出的磁通线202。因此，如先前所说明地，存在高的与其他相邻电感器相干扰的可能性。在图2B中，该对定向电感器250、252中的每一个均包括两个导电环。尽管将每一电感器都被描述成具有两个导电环，但本发明并不限于任何特定数目的导电环。此外，每一定向电感器250、252不必具有相同数目的导电环。
更特别地，第一定向电感器250包括垂直取向的第一导电环254以及垂直取向的第二导电环256，其被布置为具有沿着倾斜线的中心线轴。同样地，第二定向电感器252包括垂直取向的第一导电环258以及垂直取向的第二导电环260，其被布置为具有沿着倾斜线的中心线轴。第一和第二定向电感器250、252分别具有相应的磁通线262和266，其主要取向于电感器的物理中心的一侧。第一和第二定向电感器250、252优选地相对于彼此布置从而使得它们各自的磁通线的取向为彼此正交，如分别由与第一和第二定向电感器对应的磁H场264与268所指示的。如图所示，磁H场264与268彼此抵消。虽然将该对电感器250、252布置为相对于彼此具有正交取向的磁通线，但本发明并不限于任何特定的磁场取向。
图3是描述依照本发明实施例的示例性定向电感器300的透视图。定向电感器300可以表示，例如，如图2B所示的说明性的定向电感器250或252的其中一个的侧面透视图。定向电感器300优选包括多个导电环302，但是本发明并不限于任何特定数目的导电环。本发明进一步设想了没有利用任何导电环(例如，如直的导线)实现的定向电感器。
箭头304表示穿过各个导电环302的中心的组合(合成)磁通线，并且因此指示出对于流过导电环的给定方向的电流的定向电感器300的有效磁场强度方向。点箭头306，其可以被看作磁通量返回路径，表示各个导电环306的单独磁通线，并显示了磁通量环的实现。对于定向电感器300的磁通量返回路径306主要取向于电感器物理中心的一侧，并有益地允许两个或更多个相邻的定向电感器被放置为使得辐射的磁性波彼此有效地抵消。
图4是描述依照本发明实施例的一对示例性定向电感器402和404的的概念图，所述定向电感器402和404被布置为使得与每一电感器对应的辐射的磁性波有效地彼此抵消。如图所示，两个定向电感器402和404大体上彼此正交取向，但是本发明并不限于电感器之间任何特定角度的取向。
更特别地，集成电路电感器结构400可以包括：形成在半导体基板(例如，硅、砷化镓等)上的第一电感器元件402，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向(例如，如箭头406所表示的)；以及形成在半导体基板上临近该第一电感器元件的至少第二电感器元件404，该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向(例如，如箭头408所表示的)。第一和第二电感器元件402和404分别相对于彼此取向以便在第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。尽管在图4中仅示出了两个定向电感器，但应理解，依照本发明的其他方面可以使用多于两个的电感器。
由图4显然可见，可以将该对定向电感器402、404实现为简单的导线。根据右手定则，流过第一定向电感器402的电流I1将产生在第一电感器上方指向页面中以及在第一电感器下方从页面指出的磁通量环406。同样地，流过第二定向电感器404的电流I2将产生对于第二定向电感器右侧指向页面中以及对于第二定向电感器左侧从页面指出的磁通量环408。尽管构思了每一电感器的磁场方向之间的实质上非零的角度，但优选地，将定向电感器布置为使得电感器各自的磁场方向相对于彼此大体上正交。
图5是描述依照本发明实施例的实现至少包括第一定向电感器502和第二定向电感器504的示例性集成电路电感器结构500的自顶向下视图。如先前所描述的，定向电感器优选形成在基板(诸如，硅，但并不限于硅)上。优选地，使用不同的金属层或交替的导电材料层来形成第一和第二定向电感器502、504，从而使得，如先前所说明的，由箭头514和526所表示的导电环(例如，线圈)(给定通过每一电感器的电流的特定方向)的磁通线的各自的方向相对于彼此取向在非零角度。
如以前所说明的，本发明并不局限于形成电感器元件中给定的一个电感器元件的任何特定数目的导电环。应理解，在此使用的术语“导电环”意图广泛地表示就导电环的起点与终点处于基本上相同的位置(由顶部俯视)的意义上而言基本上闭合的导体(例如，迹线、导线等)。此外，尽管将导电环描述为基本上为圆形，但是导电环的形状并不限于此；本发明的实施例构思了导电环的替换形状，包括方形、矩形、椭圆形、梯形等。
具体地，如所示出的，第一定向电感器502优选地包括配置为使得一个环的至少一部分与相邻环交迭的多个导电环。例如，第一导电环506的第一末端形成第一定向电感器502的第一端子507，并且将第一导电环的第二末端连接到第二导电环508的第一末端。将第二导电环508的第二末端连接到第三导电环510的第一末端，并且第三导电环的第二末端形成第一定向电感器502的第二端子511。
第一导电环506可以形成为第一金属层中的迹线，该第一金属层可以是金属-7(M7)层。第二导电环508可以形成为第二金属层中的迹线，该第二金属层可以是金属-6(M6)层。第三导电环510可以形成为第三金属层中的迹线，该第三金属层可以是金属-5(M5)层。形成第一定向电感器502中的各个导电环506、508、510的每一迹线优选使用标准光刻技术(例如，图案化和蚀刻)形成。两个导电层之间的电连接可以利用一个或更多个通孔(via)或者替代的连接来进行。例如，第一导电环506和第二导电环508之间的连接可以利用第一通孔509进行，而第二导电环和第三导电环510之间的电连接可以利用第二通孔512进行。
同样地，第二定向电感器504优选包括多个导电环，如所示出的，一个环的至少一部分与相邻的环交迭。例如，第一导电环516的第一末端形成了第二定向电感器504的第一端子517，并且第一导电环的第二末端连接到第二导电环518的第一末端。第二导电环518的第二末端连接到第三导电环520的第一末端，并且第三导电环的第二末端形成了第二定向电感器504的第二端子519。
第一导电环516可以形成为第一金属层中的迹线，该第一金属层可以是金属-7(M7)层。第二导电环518可以形成为第二金属层中的迹线，该第二金属层可以是金属-6(M6)层。第三导电环520可以形成为第三金属层中的迹线，该第三金属层可以是金属-5(M5)层。形成第二定向电感器504中的各个导电环516、518、520的每一迹线优选使用标准光刻技术(例如，图案化和蚀刻)来形成。两个导电层之间的电连接可以利用一个或更多个通孔、或者替代的连接手段来进行。例如，第一导电环516和第二导电环518之间的连接可以利用第一通孔522进行，而第二导电环和第三导电环520之间的电连接可以利用第二通孔524进行。
应当理解，尽管使用金属层M7、M6和M5描述了定向电感器502、504，但是本发明并不限于任何特定金属层。而且，所采用的金属层不必是相邻的金属层。例如，如本领域技术人员根据在此所提出的教导将理解的，第一导电环506可以形成在M7中，第二导电环508可以形成在M5中，而第三导电环510可以形成在M3中，并使用通孔509将M7迹线与M5迹线连接在一起，以及使用通孔512将M5迹线与M3迹线连接在一起。
可以在一个或更多个集成电路中实现本发明的技术的至少一部分。在集成电路的形成中，典型地，在半导体晶片表面上以重复的图案制作管芯。每一管芯包括在此所描述的结构，并且可以包括其他结构或电路。将单独的管芯从晶片切割或分割出来，然后封装为集成电路。本领域技术人员将了解如何分割晶片以及将管芯封装以制造集成电路。如此制造的集成电路被认为是本发明的一部分。
依照本发明的集成电路可以用在采用电感器的任何应用和/或电子系统中。实现本发明的适合的系统包括(但是并不限于)：通信系统(例如，包括发射器和/或接收器)、便携式通信装置(例如，蜂窝电话)、信号处理系统(例如，滤波器)等。结合了这样的集成电路的系统被认为是本发明的一部分。给出在此提供的发明的教导，本领域技术人员将能够构思本发明的技术的其他实现方式及应用。
尽管在此已经参照附图描述了本发明的示例性实施例，但应当理解，本发明并不限于那些确切的实施例，并且本领域技术人员在此可以进行各种其他改变和修改而不脱离所附权利要求的范围。

Claims (19)

1.一种集成电路电感器结构，包括：
形成在半导体基板上的第一电感器元件，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向；以及
形成在所述半导体基板上的临近该第一电感器元件的至少第二电感器元件，该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向，所述第一和第二电感器元件相对于彼此取向以便在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
2.如权利要求1所述的电感器结构，其中在所述第一和第二有效磁场方向之间的角度基本上等于90度。
3.如权利要求1所述的电感器结构，其中所述第一和第二电感器元件中的每一个包括在同一电感器结构上的一个或更多个单独的匝。
4.如权利要求1所述的电感器结构，其中所述第一和第二电感器元件中的每一个包括具有定向磁场的螺旋电感器。
5.如权利要求1所述的电感器结构，其中所述第一和第二电感器元件中的至少一个包括具有沿弧形的中心线轴的垂直取向线圈。
6.如权利要求1所述的电感器结构，其中所述第一和第二电感器元件中的至少一个包括具有沿斜线的中心线轴的垂直取向线圈。
7.如权利要求1所述的电感器结构，其中所述电感器元件中的至少一个包括多个导电环，每一导电环的至少一部分与相邻的一个导电环相交迭。
8.如权利要求7所述的电感器结构，其中所述至少一个电感器元件中的任何两个相邻导电环被形成在集成电路中的不同的相应导电层中。
9.如权利要求7所述的电感器结构，其中所述至少一个电感器元件中的导电环基本上是圆形的。
10.一种电子系统，包括：
至少一个集成电路，所述集成电路包括至少一个电感器结构，该至少一个电感器结构包括：
形成在半导体基板上的第一电感器元件，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向；以及
形成在所述半导体基板上临近该第一电感器元件的至少第二电感器元件，该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向，所述第一和第二电感器元件相对于被此取向以便在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
11.如权利要求10所述的系统，其中在所述第一和第二有效磁场方向之间的角度基本上等于90度。
12.如权利要求10所述的系统，其中所述第一和第二电感器元件中的每一个包括在同一电感器结构上的一个或更多个单独的匝。
13.如权利要求10所述的系统，其中所述第一和第二电感器元件中的每一个包括具有定向磁场的螺旋电感器。
14.如权利要求10所述的系统，其中所述第一和第二电感器元件中的至少一个包括具有沿弧形的中心线轴的垂直取向线圈。
15.如权利要求10所述的系统，其中所述第一和第二电感器元件中的至少一个包括具有沿斜线的中心线轴的垂直取向线圈。
16.如权利要求10所述的系统，其中所述电感器元件中的至少一个包括多个导电环，每一导电环的至少一部分与相邻的一个导电环相交迭。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述至少一个电感器元件中的任何两个相邻导电环被形成在集成电路中的不同的相应导电层中。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述至少一个电感器元件中的导电环基本上是圆形的。
19.一种降低至少两个集成电路电感器之间的磁耦合的方法，该方法包括步骤：
在半导体基板上形成第一电感器元件，该第一电感器元件具有与之关联的第一有效磁场方向；以及
在所述半导体基板上临近该第一电感器元件形成至少第二电感器元件，该第二电感器元件具有与之关联的第二有效磁场方向，所述第一和第二电感器元件相对于彼此取向以便在所述第一和第二有效磁场方向之间产生非零角度。
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