CN106972009B - 集成电感结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电感结构。一种8字型集成电感，包含：一第一端点；一第二端点；一第三端点；一跨接结构，包含一第一金属线段及一第二金属线段，该第一金属线段及该第二金属线段位于半导体结构的不同金属层，且部分重叠；一第一感应单元，以该第一端点及该第三端点为其两端，并包含该第一金属线段；以及一第二感应单元，以该第二端点及该第三端点为其两端，并包含该第二金属线段及一第三金属线段，该第三金属线段位于不同于该第二金属线段的金属层，与该第二感应单元的其它金属线段互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段。

Description

集成电感结构
技术领域
本发明涉及集成电感，尤其涉及具有高对称性的集成电感。
背景技术
电感为射频集成电路中用来实现阻抗匹配等功能的重要组件，随着集成电路往系统单芯片(System on Chip，SoC)发展，集成电感(integrated inductor)已逐渐取代传统的分离式组件，而被广泛地使用在射频集成电路中。然而，半导体结构中的不同金属层通常具有不同的电阻值，集成电感往往因为使用不同的金属层来实作跨接结构而造成其两个感应单元的电感值不匹配，电感值会因为电阻值的上升而上升，因此，如何制作电感值匹配以及电阻值匹配的集成电感成为一个重要的课题。
发明内容
鉴于先前技术的不足，本发明的一目的在于提供一种集成电感结构，以提高集成电感的感应单元的对称性。
本发明公开一种8字型集成电感，包含：一第一端点；一第二端点；一第三端点；一跨接结构，包含一第一金属线段及一第二金属线段，该第一金属线段及该第二金属线段位于半导体结构的不同金属层，且部分重叠；一第一感应单元，以该第一端点及该第三端点为其两端，并包含该第一金属线段；以及一第二感应单元，以该第二端点及该第三端点为其两端，并包含该第二金属线段及一第三金属线段，该第三金属线段位于不同于该第二金属线段的金属层，与该第二感应单元的其它金属线段互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段。
本发明另公开一种8字型集成电感，由一第一感应单元及一第二感应单元所组成，包含：一第一端点，作为该第一感应单元的一端；一第二端点，作为该第二感应单元的一端；一第三端点，作为该第一感应单元及该第二感应单元的一共同端点；一第一线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；一第二线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；以及一跨接结构，连接该第一线圈及该第二线圈，包含一第一金属线段，位于一第一金属层；一第二金属线段，位于一第二金属层且部分重叠于该第一金属线段。该第一金属层及该第二金属层不同于该第一线圈及该第二线圈所属的金属层。
本发明另公开一集成电感，由一第一感应单元及一第二感应单元所组成，包含：一第一端点，作为该第一感应单元的一端；一第二端点，作为该第二感应单元的一端；一第三端点，作为该第一感应单元及该第二感应单元的一共同端点；一外部线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；一内部线圈，位于该外部线圈所围绕的一范围内，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；以及一跨接结构，用来连接该外部线圈及该内部线圈，包含一第一金属线段及一第二金属线段，该第一金属线段及该第二金属线段位于半导体结构的不同金属层，且部分重叠。该第一感应单元包含该第一金属线段，该第二感应单元包含该第二金属线段及一第三金属线段，该第三金属线段位于不同于该第二金属线段的金属层，与该第二感应单元的其它金属线段互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段。
本发明的积体电感集成电感结构藉由在积体电感集成电感上增加金属线段来达到调整电阻值的目的，进而使积体电感集成电感的感应单元具有匹配的电阻值及接近或甚至相同的电感值。相较于已知技术，本发明使用简单的结构即可增加积体电感集成电感之的感应单元的对称性，使积体电感集成电感具有更佳的电路特性。
有关本发明的特征、实作与功效，结合附图作实施例详细说明如下。
附图说明
图1A为本发明8字型集成电感的一实施例的结构图；
图1B为图1A的跨接结构130的放大图；
图1C为图1A的跨接结构130及区域140及150的侧视图；
图1D为图1A的跨接结构130及区域140及150的另一实施方式的侧视图；
图2为本发明8字型集成电感的另一实施例的结构图；
图3A为本发明8字型集成电感的另一实施例的结构图；
图3B为图3A的跨接结构330的侧视图；以及
图4为本发明螺旋状集成电感的一实施例的结构图。
具体实施方式
以下说明内容的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释系以本说明书的说明或定义为准。
图1A是本发明8字型集成电感的一实施例的结构图。8字型集成电感100由两个感应单元所组成，第一感应单元(深灰色)以端点101及端点103(即8字型集成电感100的中央抽头(center tap))为其两端点，并且包含金属线段122以及金属线段111；第二感应单元(浅灰色)以端点102及端点103为其两端点，并且包含金属线段121以及金属线段112。8字型集成电感100的其中一优点是线圈110(由金属线段111及112构成)与线圈120(由金属线段121及122构成)的磁场方向(分别为图中标示的H1与H2)相反，有助于抑制磁场散射(radiation)，以避免干扰其它电子组件。金属线段111、112、121及122位于同一金属层。线圈110及线圈120藉由交叉状(crossing)的跨接结构130相连接。
图1B是跨接结构130的放大图。跨接结构130主要由金属线段131与金属线段132所构成，两者位于半导体结构中的不同层，例如一者位于超厚金属(Ultra Thick Metal,UTM)层，另一者位于重布线层(Re-Distribution Layer,RDL)。金属线段131与金属线段132部分互相重叠，但不互相导通。金属线段131的两端透过导孔(via)(或直通硅晶导孔(throughsilicon via,TSV))135或其组成的数组分别连接金属线段122与111，而金属线段132的两端分别连接金属线段112与121(两者与金属线段132位于同一层)。在本实施例中，金属线段132与金属线段112及/或121可视为独立的金属线段；而在其它实施例中，金属线段132可视为金属线段112及/或121的延伸。换句话说，金属线段131为第一感应单元的一部分，而金属线段132为第二感应单元的一部分。因为在半导体结构中，不同金属层通常有不同的电阻值，所以此跨接结构130造成第一感应单元与第二感应单元的电感值不匹配。
为了使8字型集成电感100的两个感应单元的电阻值及电感值互相匹配，其中一个感应单元上具有用来调整电阻值的金属线段。如图1A所示，在第二感应单元的区域140及150分别实作了金属线段145及155。图1C为图1A的跨接结构130及区域140及150的侧视图。为了清楚说明本发明，图1C中省略了部分的金属线段及导孔结构。如图1C所示，金属线段145与金属线段131位于半导体结构中的同一层，藉由实质垂直于金属线段145的导孔(或直通硅晶导孔)147或其组成的数组与金属线段121连接；同样的，金属线段155与金属线段131位于半导体结构中的同一层，藉由实质垂直于金属线段155的导孔(或直通硅晶导孔)157或其组成的数组与金属线段112连接。如此一来，在结构上及电性上，金属线段145及155同属于8字型集成电感100的第二感应单元的一部分。在其它的实施例中，金属线段145及/或155可制作于不同于金属线段131所属的金属层。
在本发明的一个实施例中，金属线段121、132及112制作于超厚金属层，金属线段131、145及155制作于重布线层。由于重布线层的电阻值较超厚金属层高，所以在实作金属线段145及155之前，8字型集成电感100的第一感应单元整体的电阻值较第二感应单元高。然而藉由在第二感应单元的部分金属线段上连接其它层的金属线段145及155之后，即可藉由调整金属线段145及155的长度及/或导孔147及157的个数来调整第二感应单元的电阻值。当金属线段145及/或155的长度愈长，则第二感应单元的整体电阻值愈大；另外，当导孔147及/或157的个数愈多，则第二感应单元的整体电阻值也愈大。此实施例中金属线段145及155位于金属线段121及112的上方，此时金属线段145及155为上导通(overpass)线段；然而金属线段145及155亦可制作于金属线段121及112下方的金属层，此时金属线段145及155为下导通(underpass)线段。
金属线段131属于8字型集成电感100的第一感应单元，而金属线段132属于8字型集成电感100的第二感应单元，也就是说，金属线段131实际上跨越了第二感应单元。然而，金属线段145以及金属线段155虽与第一感应单元的大部分金属线段不同层，然而两者却不跨越第一感应单元。更明确地说，金属线段145(155)制作于金属线段121(112)在金属线段145(155)所属的金属层的投影范围内，且金属线段145(155)在其它金属层的投影范围内不包含第一感应单元的金属线段。
金属线段145与金属线段155的长度可为相同或不同。在一个实施例中，当8字型集成电感100的金属线段的宽度为20μm，且金属线段145与金属线段155具有相同的导孔个数及长度时(L1＝L2＝3μm)，两个感应单元的S参数大小为0.59609及0.5958(操作于6.4GHz)，两者的差值为0.0003。作为比较，当8字型集成电感100不包含金属线段145及金属线段155时，两个感应单元的S参数大小分别为0.59405及0.59323，两者的差值为0.0008。也就是说，藉由增加金属线段来调整两个感应单元的电阻值差距之后，两者的S参数大小值由0.0008降为0.0003。当8字型集成电感100应用于压控振荡器(voltage controlled oscillator,VCO)时，此电感差值的降幅即可使VCO的峰对峰值的变化程度由50mV降为5-10mV。电感值和电阻值均为S参数转换出来的等效值。也就是说，S参数的大小和相位对称的话，运算8字型集成电感100的VCO有更好的电路表现。
在8字型集成电感上增加金属线段亦有助于提高跨接结构的对称性。当金属线段145与金属线段155愈接近跨接结构130，8字型集成电感100在跨接结构130附近的对称性则愈高。当8字型集成电感100在跨接结构130附近具有愈高的对称性，则8字型集成电感100所产生的磁场就愈倾向于垂直8字型集成电感100所在的平面，有助于抑制磁场散射。
图1D为图1A的跨接结构130及区域140及150的另一实施方式的侧视图。此实施例与图1C的实施例相似，差别在于，在图1C中，在金属线段145于金属线段121所属的金属层的投影范围内，第二感应单元包含金属线段；换句话说，在金属线段145的相邻两导孔之间，第二感应单元包含金属线段。而在图1D中，在金属线段145于金属线段121所属的金属层的投影范围内，第二感应单元不包含金属线段；换句话说，在金属线段145的相邻两导孔之间，第二感应单元可以不包含金属线段。
上述的实施例中，第二感应单元所包含的两个金属线段145及155不限于实作于跨接结构130附近。如图2所示，8字型集成电感200的上/下导通线段可分别制作于对称于跨接结构230的区域，例如两个上/下导通线段的其中之一制作于区域210a，另一上/下导通线段制作于区域210b；或者，其中一上/下导通线段制作于区域220a，另一上/下导通线段制作于区域220b。在8字型集成电感200的结构或是该第二感应单元的结构中，区域210a(220a)及区域210b(220b)以跨接结构230为对称中心。然而，在其它的实施例中，8字型集成电感亦可只包含一个上/下导通线段，利用单一的上/下导通线段亦可达到调整电阻的效果。
当本发明用于具有奇数个跨接结构的集成电感时，可以更突显本发明的功效。如前述的实施例所示，8字型集成电感100及200的两个线圈皆为单圈的结构，以两个单圈线圈所组成的8字型集成电感只有一个跨接结构。
为了使集成电感的感应单元的电阻值匹配，亦可将跨接结构的两个金属线段分别制作于电阻值相同或接近的两个不同金属层。图3A是本发明8字型集成电感的另一实施例的结构图，图3B为图3A的跨接结构的侧视图。8字型集成电感300的线圈310及320以跨接结构330相连接。图3B中的金属线段30a及30b位于线圈310及320所在的金属层，其藉由导孔(或直通硅晶导孔(Through-Silicon-Via,TSV))335或其组成的数组连接位于下方金属层的金属线段331a。金属线段331a可选择性地再藉由导孔(或直通硅晶导孔)336或其组成的数组连接位于下方金属层的金属线段331b。也就是说，金属线段30a及30b可藉由金属线段331a(及331b)互相连接。
在一个实施例中，圈线310及线圈320皆制作于半导体结构的超厚金属层，金属线段312及321透过半导体结构的第六金属层及/或第四金属层相连接，而金属线段322及311透过半导体结构的第五金属层及/或第三金属层相连接。以图3B的侧视图作说明，当金属线段30a及30b分别对应金属线段312及321时，金属线段331a及331b分别位于半导体结构的第六及第四金属层；当金属线段30a及30b分别对应金属线段322及311时，金属线段331a及331b分别位于半导体结构的第五及第三金属层。上述的第三、四、五、六金属层介于半导体结构的基板与超厚金属层(可视为第七金属层)之间，并依序由下往上堆栈。一般来说，第三及第四金属层的电阻值相当，且第五及第六金属层的电阻值相当，所以如图3B所示的跨接结构有助8字型集成电感300的两个感应单元的电阻匹配。
除了8字型集成电感之外，本发明也可以应用于螺旋状集成电感。图4是本发明螺旋状集成电感的一实施例的结构图。螺旋状集成电感400由内外两个线圈所组成，外部线圈包含金属线段411及412，而内部线圈包含金属线段421及422。外部线圈及内部线圈藉由跨接结构430连接。螺旋状集成电感400的第一感应单元(深灰色)以端点401及403(即螺旋状集成电感400的中央抽头)为其两端，第二感应单元(浅灰色)以端点402及403为其两端。金属线段445及金属线段455(两者可择一或同时实施)与第二感应单元的金属线段相连，但不跨越第一感应单元的金属线段。藉由调整金属线段445及/或455的长度，第一及第二感应单元有更佳的电阻匹配，使得两者的电感值更为接近。与8字型集成电感类似，当本发明用于具有奇数个跨接结构的螺旋状集成电感时，可以更突显本发明的功效。
请注意，前揭图标中，组件的形状、尺寸、比例以及步骤的顺序等仅为示意，是供本技术领域普通技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。再者，前揭实施例虽以8字型集成电感及螺旋状集成电感为例，然此并非对本发明的限制，本领域技术人员可依本发明的公开适当地将本发明应用于其它类型的集成电感。
虽然本发明的实施例如上所述，然而该些实施例并非用来限定本发明，本领域普通技术人员可依据本发明的明示或隐含的内容对本发明的技术特征施以变化，凡此种种变化均可能属于本发明所寻求的专利保护范畴，换言之，本发明的专利保护范围须视本说明书的权利要求所界定者为准。
符号说明
100、200、300 8字型集成电感
101、102、103、401、402、403 端点
110、120、310、320 线圈
111、112、121、122、131、132、145、155、311、312、321、322、30a、30b、331a、331b、411、412、421、422、445、455 金属线段
135、147、157、335、336 导孔
130、230、330、430 跨接结构
140、150、210a、210b、220a、220b 区域
400 螺旋状集成电感。

Claims (9)

1.一种8字型集成电感，包含：
一第一端点；
一第二端点；
一第三端点；
一跨接结构，包含一第一金属线段(131)及一第二金属线段(132)，该第一金属线段(131)及该第二金属线段(132)位于半导体结构的不同金属层，且部分重叠；
一第一感应单元，以该第一端点及该第三端点为其两端，并包含该第一金属线段(131)；以及
一第二感应单元，以该第二端点及该第三端点为其两端，并包含该第二金属线段(132)、一第三金属线段(145)以及第四金属线段(112)和第五金属线段(121)，该第三金属线段(145)位于不同于该第二金属线段(132)的金属层，与该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段，其中，该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)与该第二金属线段(132)位于相同的金属层；
所述8字型集成电感还包含：
一第六金属线段(155)，属于该第二感应单元的一部分，位于不同于该第二金属线段(132)的金属层，与该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段；
其中，该第三金属线段(145)及该第六金属线段(155)在该第二感应单元的位置对称于该跨接结构。
2.根据权利要求1所述的8字型集成电感，其中，该8字型集成电感包含一第一线圈及一第二线圈，该第一线圈及该第二线圈以该跨接结构相连接，该第一线圈的其中一部分金属线段属于该第一感应单元，另一部分金属线段属于该第二感应单元，该第二线圈的其中一部分金属线段属于该第一感应单元，另一部分金属线段属于该第二感应单元，该第一线圈及该第二线圈皆为单圈结构。
3.根据权利要求1所述的8字型集成电感，更包含：
一第一连接结构，垂直于该第三金属线段(145)，用来连接该第三金属线段(145)与所述第五金属线段(121)的第一部分；以及
一第二连接结构，垂直于该第三金属线段(145)，用来连接该第三金属线段(145)与所述第五金属线段(121)的第二部分；
其中，在该第一连接结构与该第二连接结构之间，所述第一部分和所述第二部分之间是分离的。
4.根据权利要求1所述的8字型集成电感，其中，在该第三金属线段(145)在该第二金属线段(132)所属的金属层的投影范围内，该第二感应单元不包含金属线段。
5.一种8字型集成电感，由一第一感应单元及一第二感应单元所组成，包含：
一第一端点，作为该第一感应单元的一端；
一第二端点，作为该第二感应单元的一端；
一第三端点，作为该第一感应单元及该第二感应单元的一共同端点；
一第一线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；
一第二线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；以及
一跨接结构，连接该第一线圈及该第二线圈，包含
一第一金属线段，位于一第一金属层；
一第二金属线段，位于一第二金属层且部分重叠于该第一金属线段；
其中，该第一金属层及该第二金属层不同于该第一线圈及该第二线圈所属的金属层。
6.根据权利要求5所述的8字型集成电感，其中，该第一线圈及该第二线圈皆为单圈结构。
7.一种集成电感，由一第一感应单元及一第二感应单元所组成，包含：
一第一端点，作为该第一感应单元的一端；
一第二端点，作为该第二感应单元的一端；
一第三端点，作为该第一感应单元及该第二感应单元的一共同端点；
一外部线圈，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；
一内部线圈，位于该外部线圈所围绕的一范围内，其一部分的金属线段属于该第一感应单元，另一部分的金属线段属于该第二感应单元；以及
一跨接结构，用来连接该外部线圈及该内部线圈，包含一第一金属线段(131)及一第二金属线段(132)，该第一金属线段(131)及该第二金属线段(132)位于半导体结构的不同金属层，且部分重叠；
其中，该第一感应单元包含该第一金属线段(131)，该第二感应单元包含该第二金属线段(132)、一第三金属线段(145)以及第四金属线段(112)和第五金属线段(121)，该第三金属线段(145)位于不同于该第二金属线段(132)的金属层，与该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段，
其中，该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)与该第二金属线段(132)位于相同的金属层；
所述集成电感还包含：
一第六金属线段(155)，属于该第二感应单元的一部分，位于不同于该第二金属线段(132)的金属层，与该第二感应单元的第四金属线段(112)和第五金属线段(121)互相导通，但不跨越该第一感应单元的金属线段；
其中，该第三金属线段(145)及该第六金属线段(155)在该第二感应单元的位置对称于该跨接结构。
8.根据权利要求7所述的集成电感，更包含：
一第一连接结构，垂直于该第三金属线段(145)，用来连接该第三金属线段(145)与所述第五金属线段(121)的第一部分；以及
一第二连接结构，垂直于该第三金属线段(145)，用来连接该第三金属线段(145)与所述第五金属线段(121)的第二部分；
其中，在该第一连接结构与该第二连接结构之间，所述第一部分和所述第二部分之间是分离的。
9.根据权利要求8所述的集成电感，其中，在该第三金属线段(145)在该第二金属线段(132)所属的金属层的投影范围内，该第二感应单元不包含金属线段。
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