CN104347584B - 集成电路变压器结构及其构造方法 - Google Patents

集成电路变压器结构及其构造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种集成电路变压器结构及其构造方法。所述结构包括并行层叠在不同层中的至少两个导体组。在所述至少两个导体组中形成第一螺旋磁道，所述第一螺旋磁道包括所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第一半径的第一绕匝，以及所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第二半径的第二绕匝，其中第一和第二绕匝电连接。在所述至少两个导体组中形成第二螺旋磁道，所述第二螺旋磁道包括所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第三半径的第三绕匝，其在相同平面内被布置在所述至少两个导体组当中的每一个导体组中的第一和第二绕匝之间。

Description

集成电路变压器结构及其构造方法
相关申请数据
本申请涉及共同转让申请序列号13/950027(代理人卷号IN920120142US1(163-698))、13/950008(代理人卷号IN920130091US1(163-699))以及(代理人卷号IN920130120US1(163-711))，其全部与本申请同时提交并且通过引用的方式将其全部合并在此。
技术领域
本发明涉及集成电路，更具体来说涉及被配置成用于高频应用的可变匝数比的三维集成电路变压器结构。
背景技术
随着针对个人移动通信的需求增加，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)设备之类的集成半导体设备例如可以包括电压控制振荡器(VCO)、低噪声放大器(LNA)、调谐无线电接收器电路或功率放大器(PA)。但是这些调谐无线电接收器电路、VCO、LNA和PA电路当中的每一项在其电路设计中都需要芯片上电感器组件。
与形成芯片上电感器组件相关联的几项设计考虑例如可以包括品质因数(即Q因数)、自谐振频率(fSR)以及受到所形成的芯片上电感器占用的面积影响的成本考虑。相应地，例如CMOS射频(RF)电路设计可以特别受益于具有高Q因数、占用较小芯片面积并且具有高fSR数值的一个或多个芯片上电感器。电感器的自谐振频率(fSR)可以由下面的等式给出：其中L是电感器的电感数值，C可以是与电感器线圈的绕组间电容、电感器线圈的层间电容以及电感器线圈的接地平面(即芯片基板)对线圈电容相关联的电容数值。通过前面的关系，电容C的减小可以合乎期望地提高电感器的自谐振频率(fSR)。减小线圈的接地平面对线圈电容(即金属对基板电容)并且从而减小C数值的一种方法是通过使用例如绝缘体上硅(SOI)基板之类的高电阻率半导体基板。通过具有高电阻率基板(例如>50Ω-cm)，线圈的金属(即线圈磁道)对基板电容的效应被减弱，从而可以提高电感器的自谐振频率(fSR)。
电感器的Q因数可以由以下等式给出：其中ω是角频率，L是电感器的电感数值，R是线圈的电阻。正如从前面的关系所推导出的那样，线圈电阻的减小可以导致电感器的Q因数的合乎期望的提高。举例来说，在芯片上电感器中，通过增大线圈的绕匝宽度(即线圈磁道宽度)，可以减小R并且有利地将电感器Q因数增大到所期望的数值。在无线电通信应用中，Q因数被设定到通信电路的操作频率。举例来说，如果要求无线电接收器操作在2GHz下，则通过将电感器设计成具有大约2GHz的峰值Q频率数值可以优化接收器电路的性能。电感器的自谐振频率(fSR)和Q因数直接相关的含义在于，通过提高fSR，峰值Q也被提高。
从电感器类结构形成芯片上变压器。在射频(RF)电路中需要芯片上变压器以用于多项功能，其中作为几个实例包括阻抗变换、差分到单端转换并且反之亦然(平衡-不平衡转换器)、DC隔离以及带宽增强。芯片上变压器的一些性能量度可以包括耦合系数(K)、占用面积、阻抗变换因数(匝数比)、功率增益、插入损耗、效率以及功率应对能力。
发明内容
一种集成电路变压器结构包括并行层叠在不同层中的至少两个导体组。在所述至少两个导体组中形成第一螺旋磁道，所述第一螺旋磁道包括所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第一半径的第一绕匝以及所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第二半径的第二绕匝，其中第一和第二绕匝电连接。在所述至少两个导体组中形成第二螺旋磁道，所述第二螺旋磁道包括所述至少两个导体组当中的每一个之内的具有第三半径的第三绕匝，其在相同平面内被布置在所述至少两个导体组当中的每一个导体组中的第一和第二绕匝之间。
另一种集成电路变压器结构包括至少两个导体组，每一个导体组形成一个螺旋，所述至少两个导体组的螺旋被并行层叠在不同层中。所述螺旋包括串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第一绕匝圆筒的具有第一半径的绕匝，串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第二绕匝圆筒的具有第二半径的绕匝，以及串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第三绕匝圆筒的具有第三半径的绕匝，其中第一和第三圆筒彼此电连接并且与第二圆筒电隔离。
一种用于构造集成电路变压器结构的方法包括：形成至少两个导体组，每一个导体组形成一个螺旋，所述至少两个导体组的螺旋被并行层叠在不同层中；形成对应于所述螺旋的具有第一半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第一绕匝圆筒；形成对应于所述螺旋的具有第二半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第二绕匝圆筒；以及形成对应于所述螺旋的具有第三半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组之内形成第三绕匝圆筒，其中第一和第三圆筒彼此电连接并且与第二圆筒电隔离。
通过后面将结合附图阅读的对于说明性实施例的详细描述，前述和其他特征和优点将变得显而易见。
附图说明
本公开内容将在后面参照附图对于优选实施例的描述中提供细节，其中：
图1是示出了根据一个实施例的经由通孔连接从而形成导体组的金属层的剖面图；
图2是示出了根据一个实施例的通过三个层级连接的两条螺旋磁道的变压器结构的三维示意图；
图3是示出了根据一个实施例的通过两个层级连接的两条螺旋磁道的变压器结构的三维示意图；
图4是示出了根据一个说明性实施例的形成第一螺旋磁道的第一圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图5是示出了根据所述说明性实施例的形成连接到第一圆筒的第一螺旋磁道的第二圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图6是示出了根据所述说明性实施例的形成连接到第一和第二圆筒的第一螺旋磁道的第三圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图7是示出了根据所述说明性实施例的形成第二螺旋磁道的第四圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图8是示出了根据所述说明性实施例的形成连接到第四圆筒的第二螺旋磁道的第五圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图9是示出了根据所述说明性实施例的形成连接到第四和第五圆筒的第二螺旋磁道的第六圆筒的绕匝的图3的变压器结构的分解；
图10是示出了根据一个实施例的对应于高匝数选项的通过两个层级连接的两条螺旋磁道的变压器结构的三维示意图；
图11是示出了根据另一个实施例的对应于更高匝数选项的通过两个层级连接的两条螺旋磁道的另一种变压器结构的三维示意图；
图12是示出了根据一个实施例的用于通过不同的螺旋磁道绕匝连接相同的螺旋磁道绕匝的一种方法的三维图示；
图13是根据一个实施例的对于多条螺旋磁道所采用并且具有减小的线厚度和各条线之间的增大的间距的螺旋的平面图；
图14是根据一个说明性实施例的将在并行各层之间连接并且对于多条螺旋磁道所采用从而形成变压器结构的螺旋和通孔模式的平面图；
图15是示出了根据一个实施例的经过图2的结构的中心剖面的电流流动的图示；
图16是示出了根据一个实施例的经过图3的结构的中心剖面的电流流动的图示；
图17是示出了根据一个实施例的经过图10的结构的中心剖面的电流流动的图示；以及
图18是示出了根据一个实施例的对应于图11的结构的电流流动的图示。
具体实施方式
根据本发明，描述了提供减小的占用面积、提供可变匝数比并且提供更高效率的变压器结构。所述变压器结构被集成到集成电路设备的各个金属层中。在有用的实施例中，三维(3D)变压器结构包括初级(初级线圈)和次级(次级线圈)，其由垂直螺线管串绕螺旋构成。这些螺旋又是利用至少两项或更多项并行层叠的金属而实现的。所述初级和次级都被交织。所述螺旋跨越不同绕匝，则是通过在不干扰电流流动的情况下断开所述螺旋而实现的。这可以是由于所述至少两项金属的并行层叠而实现的。在一个实施例中，初级线圈和次级线圈分别包括并行层叠的至少两个金属层。
本发明的实施例可以被利用在包括或需要变压器的任何设备中，并且特别在有用的实施例中，本发明的原理提供了用于例如通信应用之类的高频应用(例如在GSM和CDMA频带内)、放大器、电力输送设备等等的变压器。
应当理解的是，将在形成在晶片上并且被集成到固态设备或芯片中的给定的说明性架构方面对本发明进行描述；但是在本发明的范围内，其他架构、结构、材料以及处理特征和步骤可以有所变化。在本公开内容中，术语“线圈”、“电感器”和“绕组”可以互换采用。还应当理解的是，这些结构可以采取任何有用的形状，其中包括矩形、圆形、椭圆形、正方形、多边形等等。
还应当理解的是，当提到一个元件(比如一个层、区段或基板)“处在另一个元件上或之上”时，其可以直接处在所述另一个元件上，或者还可以存在中间元件。与此相对，当提到一个元件“直接处在另一个元件上或之上”时，则不存在中间元件。还应当理解的是，当提到一个元件“连接”或“耦合”到另一个元件时，其可以直接连接或耦合到所述另一个元件，或者可以存在中间元件。与此相对，当提到一个元件“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，则不存在中间元件。
可以利用图形计算机编程语言创建针对集成电路芯片的设计，并且存储在计算机存储介质中(比如盘、带、物理硬盘驱动器或者例如存储访问网络中的虚拟硬盘驱动器)。如果设计者并不制作芯片或者被用来制作芯片的光刻掩模，则设计者可以通过物理方式(例如通过提供存储有设计的存储介质的一份拷贝)或者电子方式(例如通过因特网)将最终的设计直接或间接地发送到这样的实体。随后将所存储的设计转换成适当的格式(例如GDSII)以用于光刻掩模的制作，其通常包括将要形成在晶片上的所讨论的芯片设计的多份拷贝。光刻掩模被利用来定义将要蚀刻或者以其他方式处理的晶片(和/或其上的各层)的各个区域。
这里所描述的方法可以被使用来制作集成电路芯片。所得到的集成电路芯片可以由制作者以未加工晶片形式(也就是作为具有多个未包装芯片的单一晶片)、作为裸片或者以已包装形式来分发。在后一种情况下，所述芯片被安装在单芯片包装(比如塑料载体，其具有固定到母板或其他更高层级载体的引线)或多芯片包装(比如陶瓷载体，其具有表面互连或埋设互连当中的任一项或全部两项)中。在任何情况下，随后将所述芯片与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理设备集成在一起，以作为(a)例如母板之类的中间产品或者(b)最终产品的一部分。所述最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，其范围从玩具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其他输入设备以及中央处理器的先进计算机产品。
在说明书中提到本发明的原理的“一个实施例”或“某一实施例”以及其他变型时，意味着结合该实施例描述的特定特征、结构、特性等等被包括在本发明的原理的至少一个实施例中。因此，在说明书中的各处出现的短语“在一个实施例中”或者“在某一实施例中”以及任何其他变型并不一定全都指代相同的实施例。
应当认识到，例如在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B的至少其中之一”的情况下所使用的“/”、“和/或”以及“至少其中之一”当中的任一项意图涵盖：仅对于所列出的第一选项(A)的选择，或者仅对于所列出的第二选项(B)的选择，或者对于全部两个选项(A和B)的选择。作为另一个实例，在“A、B和/或C”以及“A、B和C的至少其中之一”的情况下，这样的措辞意图涵盖：仅对于所列出的第一选项(A)的选择，或者仅对于所列出的第二选项(B)的选择，或者仅对于所列出的第三选项(C)的选择，或者仅对于所列出的第一和第二选项(A和B)的选择，或者仅对于所列出的第一和第三选项(A和C)的选择，或者仅对于所列出的第二和第三选项(B和C)的选择，或者对于全部三个选项(A和B和C)的选择。本领域技术人员将很容易认识到，这可以被扩展到所列出的任意数目的项目。
现在参照附图，其中相同的附图标记代表相同或类似的元件，首先参照图1，其中根据本发明的原理示出了半导体设备10的剖面图以定义结构概念。所述剖面图切过半导体设备10的不同金属层M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7和M8中的线圈。金属层M1-M6通过通孔V1、V2、V3、V4和V5连接，并且金属层M7和M8通过通孔V7连接。通孔层V6打开，以便创建两个导体组12和14。导体组12包括通过通孔V7电并联的金属层M7和M8，导体组14包括通过通孔V1、V2、V3、V4和V5电并联的金属层M1-M6。所述金属层可以对应于半导体设备的线后端(BEOL)区段。
参照图2，其中示出了根据一个说明性实施例的利用三个导体组22、24和26形成的变压器结构20。每一个导体组可以包括一个或多个单独的金属层(例如M1、M2等等)。如果多于一个金属层被包括在所述导体组中，则可以利用通孔并联连接各个金属层。导体组22、24和26优选地被同心地形成在中心轴或中心线28上。
结构20包括在具有第一半径的第一圆筒32上彼此连接的绕匝30。绕匝30被垂直布置在每一个导体组22、24和26中，并且共同形成第一圆筒32。实现去到第二圆筒36的连接34，其由具有第二半径的绕匝38形成。绕匝38彼此电连接。实现去到第三圆筒42的连接40，其由具有第三半径的绕匝44形成。绕匝44彼此电连接。圆筒32、36和42形成结构20的第一线圈80(实线螺旋磁道)。
结构20包括在具有第四半径的第四圆筒62上彼此连接的绕匝60。与前面一样，绕匝60被垂直布置在每一个导体组22、24和26中，并且共同形成第四圆筒62。实现去到第五圆筒66的连接64，其由具有第五半径的绕匝68形成。绕匝68彼此电连接。实现去到第六圆筒72的连接70，其由具有第六半径的绕匝74形成。绕匝74彼此电连接。圆筒62、66和72形成结构20的第二线圈82(虚线螺旋磁道)。输入和输出84被标示为箭头84。绕匝之间的连接被显示为垂直布置的箭头，并且为了易于观看而没有被单独标记。
第一和第二线圈80、82可以包括对应于变压器的初级线圈和次级线圈(反之亦然)。所述变压器可以包括两条或更多条螺旋磁道(在图2中示出了两条)。每一条螺旋磁道包括两个或更多绕匝，并且每一个绕匝被产生在单一导体组内。每一个导体组包括一个或多个单独的金属层。在由具有多于一层的导体组构成的绕匝中，所述绕匝的导体组内的“各个单独的金属层”利用通孔电并联在一起，并且所述绕匝的导体组内的“各个单独的金属层”全都具有相同的形状(绕匝宽度、绕匝到绕匝空间、直径)，并且全部在高频变压器的轴向中心线上彼此对准。
每一条螺旋磁道的绕匝优选地连接在一起，其中使得该螺旋磁道内的绕匝之间的电容被最小化，并且使得该螺旋磁道中的绕匝之间的磁场耦合被最大化。所述两条或更多条螺旋磁道(线圈)被放置成彼此紧邻，其中使得螺旋磁道之间的磁场耦合被最大化。每一条螺旋磁道中的匝数可以被定义成使得在各条螺旋磁道之间实现不同的“匝数比”(“1:1”、“可变”等等)。在一些实施例中，这是通过螺线管实现的，即交织的初级和次级线圈。所述交织包括从不同金属层上或不同导体组中的绕匝建立圆筒，从而使得内部圆筒被中间圆筒封装，并且使得中间圆筒被外部圆筒封装。内部和外部圆筒彼此电连接。
这里所描述的实施例通过提供这里所描述的嵌套或同心圆筒设计而使得初级和次级线圈全部二者中的每单位面积的电感最大化。其优点包括相同面积内的更高电感，从而可以实现更高的初级和次级阻抗。此外，对于相同的电感提供更小的面积，从而实现更低电容和更低损耗。
参照图3，其中示出了根据另一个说明性实施例的利用两个导体组22和24形成的变压器结构100。每一个导体组可以包括一个或多个单独的金属层(例如M1、M2等等)。如果多于一个金属层被包括在所述导体组中，则可以利用通孔并联连接各个金属层。导体组22和24优选地被同心地形成在中心轴或中心线(未示出)上。
结构100包括在具有第一半径的第一圆筒132上彼此连接的绕匝130。绕匝130被垂直布置在每一个导体组22和24中，并且共同形成第一圆筒132。实现去到第二圆筒136的连接134，其由具有第二半径的绕匝138形成。绕匝138彼此电连接。实现去到第三圆筒142的连接140，其由具有第三半径的绕匝144形成。绕匝144彼此电连接。圆筒132、136和142形成结构100的第一线圈180(实线螺旋磁道)。
结构100包括在具有第四半径的第四圆筒162上彼此连接的绕匝160。与前面一样，绕匝160被垂直布置在每一个导体组22和24中，并且共同形成第四圆筒162。实现去到第五圆筒166的连接164，其由具有第五半径的绕匝168形成。绕匝168彼此电连接。实现去到第六圆筒172的连接170，其由具有第六半径的绕匝174形成。绕匝174彼此电连接。圆筒162、166和172形成结构100的第二线圈182(虚线螺旋磁道)。输入和输出184被标示为箭头184。绕匝之间的连接被显示为垂直布置的箭头，并且为了易于观看而没有被单独标记。
第一和第二线圈180、182可以包括对应于变压器的初级线圈和次级线圈(反之亦然)。所述变压器可以包括两条或更多条螺旋磁道(在图3中示出了两条)。每一条螺旋磁道包括两个或更多绕匝，并且每一个绕匝被产生在单一导体组内。每一个导体组包括一个或多个单独的金属层。在由具有多于一层的导体组构成的绕匝中，所述绕匝的导体组内的“各个单独的金属层”利用通孔电并联在一起，并且所述绕匝的导体组内的“各个单独的金属层”全都具有相同的形状(绕匝宽度、绕匝到绕匝空间、直径)，并且全部在高频变压器的轴向中心线上彼此对准。
每一条螺旋磁道的绕匝优选地连接在一起，其中使得该螺旋磁道内的绕匝之间的电容被最小化，并且使得该螺旋磁道中的绕匝之间的磁场耦合被最大化。所述两条或更多条螺旋磁道(线圈)被放置成彼此紧邻，其中使得螺旋磁道之间的磁场耦合被最大化。每一条螺旋磁道中的匝数可以被定义成使得在各条螺旋磁道之间实现不同的“匝数比”(“1:1”、“可变”等等)。在一些实施例中，这是通过螺线管实现的，即交织的初级和次级线圈。所述交织包括从不同金属层上或不同导体组中的绕匝建立圆筒，从而使得内部圆筒被中间圆筒封装，并且使得中间圆筒被外部圆筒封装。内部和外部圆筒彼此电连接。
为了更好地理解结构100，图4-9示出了对于每一条螺旋磁道(线圈)形成的绕匝圆筒。虽然图4-9示出了对应于两层设计的变压器结构的分解，但是相同的解构也可以被应用于三层或更多层(例如参见图2)。
参照图4-9，包括两个或更多导体组的结构具有第一螺旋磁道，其开始于第一导体组上的内半径处的一个绕匝，其后是第二导体组上的相同半径处的一个绕匝，随后继续向上(或向下)直到遍历所有导体组为止，其中最终绕匝处在最终导体组上。下一个绕匝出现在同样处于最终导体组上的内半径加上两个半径增量的半径处，其后是向下(或向上)的下一个导体组上的相同半径处的一个绕匝，随后继续向下直到遍历所有导体组为止，其中最终绕匝处在第一导体组上，所述处理继续到获得所期望的匝数为止。第二螺旋磁道开始于第一导体组上的内半径加上一个半径增量处的一个绕匝，其后是第二导体组上的相同半径处的一个绕匝，随后继续向上直到遍历所有导体组为止，其中最终绕匝处在最终导体组上。下一个绕匝出现在同样处于最终导体组上的内半径加上三个半径增量的半径处，其后是向下的下一个导体组上的相同半径处的一个绕匝，随后继续向下直到遍历所有导体组为止，其中最终绕匝处在第一导体组上，所述处理继续到获得所期望的匝数为止。
参照图4，第一圆筒132由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝130形成。垂直连接(通孔)190将绕匝130彼此电连接。连接134将把圆筒132的绕匝130连接到相同线圈180的另一个圆筒136。
参照图5，圆筒136由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝138形成。垂直连接(通孔)192将绕匝138彼此电连接。连接140将把圆筒136的绕匝138连接到相同线圈180的另一个圆筒142。绕匝138与132之间的距离足以允许在其间布置圆筒162的绕匝160(参见图7)。
参照图6，圆筒142由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝144形成。垂直连接(通孔)194将绕匝144彼此电连接。连接140将把圆筒136的绕匝138连接到相同线圈180的圆筒142的绕匝144。绕匝138与144之间的距离足以允许在其间布置圆筒166的绕匝168(参见图8)。应当理解的是，可以形成不同于该例中所示出的说明性圆筒数目的附加圆筒。
参照图7，圆筒162由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝160形成。垂直连接(通孔)196将绕匝160彼此电连接。连接164将把圆筒162的绕匝160连接到相同线圈182的另一个圆筒166。如图3中所示，圆筒162被布置在圆筒132与136之间。
参照图8，圆筒166由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝168形成。垂直连接(通孔)198将绕匝168彼此电连接。连接170将把圆筒166的绕匝168连接到相同线圈182的另一个圆筒172。绕匝168与162之间的距离足以允许在其间布置圆筒136的绕匝138(参见图5)。
参照图9，圆筒172由处于不同金属层或导体组22、24中的两个绕匝174形成。垂直连接(通孔)199将绕匝174彼此电连接。连接170将把圆筒166的绕匝168连接到相同线圈182的圆筒172的绕匝174。绕匝168与174之间的距离足以允许在其间布置圆筒142的绕匝144(参见图6)。应当理解的是，可以形成不同于该例中所示出的说明性圆筒数目的附加圆筒。通过组合图6的线圈180与图9的线圈182提供了图3的变压器结构100。线圈182和182可以被视为具有交替连接在两个线圈之间的壁面的嵌套圆筒。所述线圈包括绕匝，并且所述圆筒的壁面可以包括单一绕匝厚度或多个绕匝厚度。
参照图10，其中根据一个说明性实施例示出了高绕匝选项变压器结构202。结构202包括布置在多层22、24(如前面所描述的导体组的任一单独金属层)上的两个线圈或螺旋磁道240(用虚线示出)和242(用实线示出)。螺旋磁道240包括两个层级(22、24)上的分别对应于圆筒204、212、216和224的绕匝206、214、218、226。螺旋磁道242包括两个层级(22、24)上的分别对应于圆筒208和220的绕匝210、222。在该实施例中，两个接连的圆筒212和216属于相同的线圈或螺旋磁道240。
绕匝214和218通过连接230相连。连接230是不与另一条螺旋磁道交叉的相同导体组或金属层内的绕匝到绕匝连接。连接230可以在与该层上的绕匝相同的处理期间制成。与前面一样，每一个圆筒的绕匝利用通孔228连接。这样提供了具有2:1匝数比的高n选项。应当理解的是，螺旋磁道的各个部分之间的匝数可以包括其他匝数，例如图11中进一步示出的两个或更多个。
参照图11，其中根据一个说明性实施例示出了另一种高绕匝选项变压器结构302。结构302包括布置在多层22、24(如前面所描述的导体组的任一单独金属层)上的两个线圈或螺旋磁道340(用虚线示出)和342(用实线示出)。螺旋磁道340包括两个层级(22、24)上的分别对应于圆筒304、312、316、320和324的绕匝306、314、318、322、326。螺旋磁道342包括两个层级(22、24)上的对应于圆筒308的绕匝310。在该实施例中，四个接连的圆筒312、316、320和324属于相同的线圈或螺旋磁道340。
绕匝314、318、322和324通过连接330相连。连接330是不与另一条螺旋磁道交叉的相同导体组或金属层内的绕匝到绕匝连接。连接330可以在与该层上的绕匝相同的处理期间制成。与前面一样，每一个圆筒的绕匝利用通孔328连接。连接332将内部绕匝306连接到相同螺旋磁道340的外部绕匝314、318、322和324。这一高n选项使得匝数比最大化。通过改变在第一螺旋磁道中的相同导体组内的绕匝之间跳过的半径增量的数目可以实现其他匝数比。应当理解的是，螺旋磁道的各个部分之间的匝数对于任一条或全部两条螺旋磁道可以包括其他匝数。
参照图12，其中说明性地示出了跨过不同螺旋磁道的绕匝372在相同螺旋磁道的绕匝370与374之间实现的绕匝到绕匝连接332的一个实例。在该实施例中，每一个绕匝370、372、374包括三个金属层364、362、360(例如M1、M2、M3或其他金属层组合)。金属层364、362、360通过通孔368结合，从而形成对应于每一条螺旋磁道的导体组。由于在绕匝374与绕匝370之间需要连接，因此在金属层364的模制期间形成开口376，以便允许连接332在不打断绕匝372的情况下穿过绕匝372。其他配置可以采用令连接穿过的不同金属层，或者可以采用避免打断绕匝的其他方式(例如去到绕匝直径外部等等)。应当提到的是，为了允许观看金属结构，绕匝370、372和374之间以及通孔368之间的电介质材料没有被示出。
参照图13，对于根据本发明的原理的实施例所描述的绕匝可以被修改以获得不同的物理特性。图13示出了具有经过修改的特征的螺旋400。螺旋400可以是两条或更多条螺旋磁道的一部分并且被形成在单一金属层中，其例如可以包括铁磁性或顺磁性材料(Fe、Co、Ni等等)。螺旋400随着增大的半径可以包括绕匝的线404之间的更小间距402，并且随着增大的半径可以包括线404的更大剖面尺寸(宽度、厚度、直径等等)。外部绕匝中的更宽、更小的空间以及内部绕匝中的更窄、更大的空间有助于使得绕匝-绕匝电容最小化并且使得涡电流损耗最小化。在初级和次级线圈之内并且在初级和次级线圈之间减小绕匝-绕匝电容，以便提供更高的自谐振频率和增大的带宽。在内部绕匝中还减小了涡电流损耗，从而减小了所述结构中的电力损耗。更低的损耗增加了初级和次级线圈之间的电力输送。
随着朝向线圈的中心卷绕，导体或线404的宽度、厚度、直径可以在恒定比率下减小或者在任何其他单调(其中包括周期性恒定)比率下减小。随着朝向线圈的中心卷绕，每一个接连绕匝之间的空间402可以在恒定比率下增大或者在任何其他单调(其中包括周期性恒定)比率下增大。在一个实施例中，可以在不干扰总体变压器结构的情况下使得初级/次级绕匝的宽度显著不同于次级/初级。在不改动设备结构的情况下，顶部和底部螺旋的线宽度和间距可以是不同的。取代与其上方或下方的螺旋完美地对准，顶部和底部螺旋可以具有微小的偏移(例如在线宽度容限内)。此外，在增大初级和次级内部绕匝的同时可以减小初级/次级内部绕匝的间距404，以便进一步增强高频性能。
参照图14，螺旋被描绘为采用在对应于根据本发明的原理制作的集成电路的平面图布局中。顶部导体组包括对应的金属层上的螺旋420(最上方)和螺旋422。下方导体组包括对应的金属层上的螺旋428和430(最下方)。螺旋之间的连接将利用图14中的数字1-12和数字1’-12’来描述。从所述螺旋形成的结构包括初级线圈(例如具有被标示为数字1-12的连接)和次级线圈(例如具有被标示为数字1’-12’的连接)的形成。去到次级线圈的连接由S+和S-标示，去到初级线圈的连接由P+和P-标示。通孔模式426被垂直地布置在螺旋420与422之间以便连接所述螺旋的对应部分，通孔模式432被垂直地布置在螺旋428与430之间以便连接所述螺旋的对应部分。
顶部螺旋420被形成在包括两个金属层(例如M3和M4)的导体组中，其开始于P+处到点1，在顺时针方向上盘绕到点2，并且随后通过通孔连接到螺旋428的点3，螺旋428被形成在包括两个金属层(例如M1和M2)的导体组中。所述线圈继续在顺时针方向上盘绕到层M1/M2中的点4，并且随后越过一个绕匝连接到金属层M1中的点5。所述线圈盘绕到点6(层M1/M2)，并且随后通过通孔在点7处再次向上去到层M3/M4。所述线圈再次盘绕到M3/M4层中的点8，并且在层M4中(跨过一个绕匝)连接到点9。所述线圈从点9盘绕到点10，并且随后在点11处向下回到M1/M2层。所述线圈再次盘绕到点12或P-。
次级线圈开始于S+处到点1’，在顺时针方向上盘绕到点2’，并且随后通过通孔连接到螺旋428和430的层M1/M2中的点3’。所述线圈继续在顺时针方向上盘绕到点4’，并且在层M1中越过一个绕匝连接到点5’。所述线圈盘绕到点6’(层M1/M2)，并且随后通过通孔在点7’处再次向上去到层M3/M4。所述线圈再次盘绕到点8’，并且在层M4中跨过一个绕匝连接到点9’。所述线圈从点9’盘绕到点10’，并且随后在点11’处向下回到M1/M2层。所述线圈再次盘绕到点12’或S-。
参照图15-18，剖面图示出了经过根据本发明的原理的多种不同变压器结构的电流流动。所述变压器结构被描绘为两层或三层结构的剖面，其中利用箭头来描绘侧向电流流动，并且绕匝的剖面处的方框带有符号，其或者是深色实心圆形或者是其中带有“X”的圆形。深色实心圆形表示流出页面的电流，带有“X”的圆形表明流入页面的电流。属于不同螺旋磁道的绕匝被标示为颜色较深的方框与颜色较浅的方框。
如前所述，每一条螺旋磁道包括电串联在一起的两个或更多绕匝。一条螺旋磁道内的每一个绕匝由单一导体组构成，并且被配置成使其具有“起始”连接和“结束”连接。在一条螺旋磁道内，每一个绕匝可以从与该螺旋磁道中的其他绕匝相同的导体组构造，或者可以从不同的导体组构造。构成所述螺旋磁道的绕匝形成从“外部起始连接”到“外部结束连接”的连续串联连接，其中所得到的净电流路径总是在围绕该螺旋磁道的顺时针或逆时针方向上行进。一条螺旋磁道内的第一个绕匝具有作为该螺旋磁道的“外部起始连接”的“起始”连接。一条螺旋磁道内的最后一个绕匝具有作为该螺旋磁道的“外部结束连接”的“结束”连接。所述螺旋磁道内的每一个串联连接的绕匝实现其“结束”连接与下一个绕匝的“起始”连接之间的电连接。从一个绕匝的“结束”连接到下一个绕匝的“起始”连接的这一电连接可以在相同的导体组内侧向发生，或者可以利用从一个导体组到另一个导体组的通孔垂直地发生。
参照图15，变压器结构500包括三个层级504、506和508，其可以包括各个单独的金属层或导体组(多个金属层)。每一个层级包括初级(P-到P+)和次级(S+到S-)螺旋磁道的混合。对于图2的结构，电流在由对应于次级的箭头510(虚线)和对应于初级的箭头512(实线)以及绕匝502上的箭头所表明的一般方向上经过绕匝502流动。应当提到的是，初级和次级标示可以反转。此外，电压极性被说明性地显示为+和-，但是按照需要也可以反转。
参照图16，变压器结构520包括两个层级504和506，其可以包括各个单独的金属层或导体组(多个金属层)。每一个层级包括初级(P-到P+)和次级(S+到S-)螺旋磁道的混合。对应于图3的结构的电流流动被显示为在由对应于次级的箭头510(虚线)和对应于初级的箭头512(实线)以及绕匝502上的箭头所表明的一般方向上经过绕匝502。应当提到的是，初级和次级标示可以反转。此外，电压极性被说明性地显示为+和-，但是按照需要也可以反转。
参照图17，变压器结构530包括两个层级504和506，其对于高匝数比实施例可以包括各个单独的金属层或导体组(多个金属层)。每一个层级包括初级(P-到P+)和次级(S+到S-)螺旋磁道的混合。对应于图10的结构的电流流动被显示为在由对应于次级的箭头510(虚线)和对应于初级的箭头512(实线)以及绕匝502上的箭头所表明的一般方向上经过绕匝502。应当提到的是，初级和次级标示可以反转。此外，电压极性被说明性地显示为+和-，但是按照需要也可以反转。
参照图18，变压器结构540包括两个层级504和506，其对于高匝数比实施例可以包括各个单独的金属层或导体组(多个金属层)。每一个层级包括初级(P-到P+)和次级(S+到S-)螺旋磁道的混合。对应于图11的结构的电流流动被显示为在由对应于次级的箭头510(虚线)和对应于初级的箭头512(实线)以及绕匝502上的箭头所表明的一般方向上经过绕匝502。应当提到的是，初级和次级标示可以反转。此外，电压极性被说明性地显示为+和-，但是按照需要也可以反转。
将图3(本发明的结构)的配置与具有布置在构成次级线圈的两个螺旋线圈之间的螺旋初级线圈的设计(比较结构)进行比较的仿真数据提供了在2.4GHz到6GHz之间实现的8-50％的功率增益改进。在800MHz到3GHz之间实现了0.4-5dB的插入损耗减小。除了K的略微降低之外，本发明的结构的性能在所有量度(例如电感等等)方面都超出了比较结构。
根据本发明的实施例，所公开的设备提供了很容易调整匝数比的独有特征。举例来说，通过增大次级电感并减小初级电感，可以提高匝数比。可以通过采用几何改变和/或对应于给定线圈(初级或次级)的一条螺旋磁道内的接连的匝数来改变电感。根据本发明的原理的变压器的3D布线和结构通过以下特征增强了高频性能：高电感密度，对于初级和次级全部二者的高Q(低插入损耗)，更高匝数比(阻抗变换比)，适用于高功率应用等等。
前面描述了对应于高效率芯片上3D变压器结构的优选实施例(其意图是说明性而非限制性的)，应当提到的是，本领域技术人员根据前面的教导可以做出修改和变化。因此应当理解的是，在所公开的特定实施例中可以做出落在如所附权利要求书概括的本发明的范围内的改变。至此描述了本发明的各个方面，通过专利法所要求的细节和特性，在所附权利要求书中阐述了专利证书所要求并期望保护的内容。

Claims (21)

1.一种集成电路变压器结构，包括：
并行层叠在不同层中的至少两个导体组；
在所述至少两个导体组中形成的第一螺旋磁道，所述第一螺旋磁道包括：
所述至少两个导体组当中的每一个内的具有第一半径的第一绕匝；以及
所述至少两个导体组当中的每一个内的具有第二半径的第二绕匝，其中第一和第二绕匝电连接；以及
在所述至少两个导体组中形成的第二螺旋磁道，所述第二螺旋磁道包括所述至少两个导体组当中的每一个内的具有第三半径的第三绕匝，其在相同平面内被布置在所述至少两个导体组当中的每一个导体组中的第一和第二绕匝之间。
2.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组分别包括一个或多个金属层。
3.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，至少一个导体组包括通过通孔连接的两个或更多金属层。
4.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，第一螺旋磁道和第二螺旋磁道的其中一条包括初级变压器线圈，并且第一螺旋磁道和第二螺旋磁道当中的另一条包括次级变压器线圈。
5.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，第一绕匝的其中之一通过与第三绕匝的其中之一电隔离的连接而电连接到第二绕匝的其中之一。
6.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组包括螺旋，所述螺旋具有围绕中心轴卷绕的线，所述线具有随着朝向中心轴卷绕而以一比率减小的剖面线尺寸。
7.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组包括螺旋，所述螺旋具有围绕中心轴卷绕的线之间的空间，所述空间随着朝向中心轴卷绕而以一比率增大。
8.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组包括螺旋，所述螺旋具有不同层上的螺旋之间的不同线宽度和不同线间距的至少其中一项。
9.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组分别包括相对于彼此的螺旋偏移。
10.如权利要求1所述的集成电路变压器结构，其还包括串联连接在所述至少两个导体组当中的每一个之间并且分别交替连接到第二螺旋磁道和第一螺旋磁道的附加绕匝。
11.一种集成电路变压器结构，其包括：
至少两个导体组，每一个导体组形成螺旋，所述至少两个导体组的螺旋被并行层叠在不同层中；
所述螺旋包括：
串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第一绕匝圆筒的具有第一半径的绕匝；
串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第二绕匝圆筒的具有第二半径的绕匝；以及
串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第三绕匝圆筒的具有第三半径的绕匝，其中第一和第三圆筒彼此电连接并且与第二圆筒电隔离。
12.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，所述至少两个导体组分别包括一个或多个金属层。
13.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，至少一个导体组包括通过通孔连接的两个或更多金属层。
14.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，第一和第三圆筒与第二圆筒的其中一者包括初级变压器线圈，并且第一和第三圆筒与第二圆筒当中的另一者包括次级变压器线圈。
15.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，第一圆筒通过与第二圆筒电隔离的连接而电连接到第三圆筒。
16.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，至少其中一个螺旋具有围绕中心轴卷绕的线，所述线具有随着朝向中心轴卷绕而以一比率减小的剖面线尺寸。
17.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，至少其中一个螺旋具有围绕中心轴卷绕的线之间的空间，所述空间随着朝向中心轴卷绕而以一比率增大。
18.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，不同层的螺旋具有不同线宽度和其间的不同线间距的至少其中一项。
19.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其中，不同层的螺旋相对于彼此存在偏移。
20.如权利要求11所述的集成电路变压器结构，其还包括串联连接在所述至少两个导体组当中的每一个之间并且交替连接到奇数和偶数圆筒的附加绕匝圆筒。
21.一种用于构造集成电路变压器结构的方法，其包括：
形成至少两个导体组，每一个导体组形成螺旋，所述至少两个导体组的螺旋被并行层叠在不同层中；
形成对应于所述螺旋的具有第一半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第一绕匝圆筒；
形成对应于所述螺旋的具有第二半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第二绕匝圆筒；以及
形成对应于所述螺旋的具有第三半径的绕匝，其串联连接在各层之间从而在所述至少两个导体组内形成第三绕匝圆筒，其中第一和第三圆筒彼此电连接并且与第二圆筒电隔离。
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