CN109428141B - 平衡非平衡转换器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种平衡非平衡转换器，涉及半导体技术领域。平衡非平衡转换器包括第一螺旋线圈和第二螺旋线圈。第一螺旋线圈包括：多圈第一金属线；位于多圈第一金属线上方的第二金属线，通过导电栓塞与最内圈的第一金属线连接。第二螺旋线圈包括：多圈第三金属线，相邻的第三金属线被一圈第一金属线隔开；多圈第四金属线，位于多圈第三金属线上方，每圈第四金属线通过导电栓塞与一圈第三金属线连接，相对靠外圈的第四金属线与相对靠外圈的第三金属线连接，相对靠内圈的第四金属线与相对靠内圈的第三金属线连接。第二金属线与最内圈的第一金属线在上下方向上不交叠，多圈第四金属线中的至少一圈第四金属线和与该第四金属线连接的第三金属线在上下方向上不交叠。

Description

平衡非平衡转换器
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，尤其涉及一种平衡非平衡转换器。
背景技术
平衡非平衡转换器(也称为巴伦)是射频前端电路中关键的部件，能够将非平衡输入信号(例如单端信号)转换为平衡输出信号(例如差分信号)，也能够将平衡输入信号转换为非平衡输出信号。
在射频集成电路中，典型的平衡非平衡转换器会占用较大的芯片面积，导致芯片成本较高，限制了芯片小型化应用。另外，典型的平衡非平衡转换器的品质因子(Q-factor)较低、插入损耗较大，限制了集成电路性能的提升。
为了提高品质因子、降低插入损耗，一些设计者倾向采用与芯片分离的平衡非平衡转换器。然而，这会增加芯片成本和封装的复杂性。
为了减小平衡非平衡转换器占用的芯片面积，设计者可能使用完全堆叠的结构，而这又会降低品质因子、增大插入损耗。
此外，一些设计者可能会通过增大线圈的宽度来提高品质因子、降低插入损耗，但是这又会导致较小的电磁耦合效应和较高的芯片面积成本。
发明内容
本申请的一个目的在于提供一种平衡非平衡转换器，能够兼顾平衡非平衡转换器自身的性能(例如较低的插入损耗、较高的电磁耦合效应)和面积成本。
根据本申请的一方面，提供了一种平衡非平衡转换器，包括：第一螺旋线圈以及与所述第一螺旋线圈耦合的第二螺旋线圈。第一螺旋线圈包括：多圈第一金属线；以及第二金属线，位于所述多圈第一金属线上方，通过导电栓塞与最内圈的第一金属线连接。第二螺旋线圈包括：多圈第三金属线，相邻的第三金属线被一圈第一金属线隔开；以及多圈第四金属线，位于所述多圈第三金属线上方，每圈第四金属线通过导电栓塞与一圈第三金属线连接，并且，相对靠外圈的第四金属线与相对靠外圈的第三金属线连接，相对靠内圈的第四金属线与相对靠内圈的第三金属线连接。其中，所述第二金属线与所述最内圈的第一金属线在上下方向上不交叠，所述多圈第四金属线中的至少一圈第四金属线和与该第四金属线连接的第三金属线在上下方向上不交叠。
在一个实施例中，所述多圈第四金属线中的一些第四金属线中的每圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方；所述多圈第四金属线中的另一些第四金属线中的每圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
在一个实施例中，相邻的两圈第四金属线中的一圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方，另一圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
在一个实施例中，每圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方。
在一个实施例中，每圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
在一个实施例中，所述第二金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方。
在一个实施例中，所述第二金属线位于与所述最内圈的第一金属线相邻的第一金属线的上方。
在一个实施例中，所述第二金属线被所述多圈第四金属线包围。
在一个实施例中，所述导电栓塞包括第一部分和与所述第一部分垂直的第二部分。
在一个实施例中，所述第一金属线和所述第三金属线的材料包括铜。
在一个实施例中，所述第二金属线和所述第四金属线的材料包括铝。
在一个实施例中，所述多圈第一金属线的圈数为3-6；所述多圈第三金属线和所述多圈第四金属线的圈数为2-6。
在一个实施例中，所述多圈第一金属线中除所述最内圈的第一金属线之外的其他第一金属线的宽度为2-10微米；所述最内圈的第一金属线的宽度为1-5微米；所述第二金属线、所述第三金属线和所述第四金属线的宽度为2-10微米；相邻的第一金属线和第三金属线之间的距离为1-10微米。
在一个实施例中，所述第一金属线、所述第二金属线、所述第三金属线和所述第四金属线的形状包括四边形、六边形、八边形或圆形。
本申请实施例提供的平衡非平衡转换器中，顶层金属层和底部金属层的布局不同，第二金属线与最内圈的第一金属线在上下方向上不交叠，并且，至少一圈第四金属线和与该第四金属线连接的第三金属线在上下方向上不交叠。这使得顶层金属层和底部金属层之间可以通过例如L形导电栓塞连接，增大了电磁耦合效应，减小了插入损耗。另外，在同等性能下，本申请的平衡非平衡转换器占用的芯片面积更小。
通过以下参照附图对本申请的示例性实施例的详细描述，本申请的其它特征、方面及其优点将会变得清楚。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本申请的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本申请的原理，在附图中：
图1A是根据本申请一个实施例的平衡非平衡转换器中底部金属层的布局示意图；
图1B是根据本申请一个实施例的平衡非平衡转换器中顶部金属层的布局示意图；
图1C是沿着图1A和图1B所示的线C-C’截取的截面示意图；
图2示出了现有的一种平衡非平衡转换器的一部分的截面示意图；
图3示出了本申请的平衡非平衡转换器与现有的平衡非平衡转换器的插入损耗随着信号频率变化的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本申请的各种示例性实施例。应理解，除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不应被理解为对本申请范围的限制。
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都不作为对本申请及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。
应注意，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要对其进行进一步讨论。
本申请实施例提供的平衡非平衡转换器包括底部金属层和在底部金属层上方与底部金属层基本平行的顶部金属层，底部金属层和顶部金属层之间可以具有电介质层，电介质层中可以形成有用于连接底部金属层和顶部金属层的金属栓塞。
图1A是根据本申请一个实施例的平衡非平衡转换器中底部金属层100的布局示意图。图1B是根据本申请一个实施例的平衡非平衡转换器中顶部金属层200的布局示意图。图1C是沿着图1A和图1B所示的线C-C’截取的截面示意图。
参见图1A、图1B和图1C，平衡非平衡转换器包括第一螺旋线圈101和与第一螺旋线圈101耦合的第二螺旋线圈102。
第一螺旋线圈101包括位于底部金属层100中的多圈(两圈或两圈以上)第一金属线111以及位于顶部金属层100中的一圈第二金属线121。第二金属线121通过导电栓塞103与最内圈的第一金属线111连接。第一金属线111的中间可以设置有中心抽头104(参见图1A)，用以接地。第一金属线111的材料可以包括铜，第二金属线121的材料可以包括铝。
多圈第一金属线111可以包括相互连接的两部分，第一部分从外向内螺旋连接到第二部分，第二部分从内向外螺旋。第一部分和第二部分可以对称设置。第一部分和第二部分可以分别包括相连接的多段，第一部分中彼此连接的两段之间以及第二部分中彼此连接的两段之间可以通过构建于底层金属层中的金属桥连接，或者，可以通过导电栓塞以及构建于顶层金属层中的金属桥连接。
在一个实施例中，多圈第一金属线111的圈数可以为3-6，例如4、5。图1A、图1B和图1C示意性地示出了4圈第一金属线111。最内圈的第一金属线111的宽度可以为1-5微米，例如2微米、3微米等；除最内圈的第一金属线111之外的其他第一金属线111以及第二金属线121的宽度可以为2-10微米，例如3微米、4微米、6微米等。
第二螺旋线圈102包括位于底部金属层100中的多圈第三金属线112以及位于顶部金属层100中的多圈第四金属线122。第三金属线112的材料可以包括铜，第四金属线122的材料可以包括铝。在一个实施例中，多圈第三金属线112和多圈第四金属线122的圈数可以为2-6，例如3、4。图1A、图1B和图1C示意性地示出了2圈第三金属线112和2圈第四金属线122。此外，第三金属线112和第四金属线122的宽度可以为2-10微米，例如3微米、4微米、6微米等。
与多圈第一金属线111类似地，多圈第三金属线112和多圈第四金属线122也可以均包括相互连接的两部分，第一部分从外向内螺旋连接到第二部分，第二部分从内向外螺旋。第一部分和第二部分也可以分别包括相连接的多段，相邻两段的连接方式可以参照前述，在此不再赘述。
在第二螺旋线圈102中，相邻的第三金属线112被一圈第一金属线111隔开(参见图1A和图1C)。作为一个示例，相邻的第一金属线111和第三金属线112之间的距离可以为1-10微米，例如2微米、4微米、6微米等。
在第二螺旋线圈102中，每圈第四金属线122通过导电栓塞103与一圈第三金属线112连接。具体地，相对靠外圈的第四金属线122与相对靠外圈的第三金属线112连接，而相对靠内圈的第四金属线122与相对靠内圈的第三金属线112连接。例如，参见图1C，左边的第四金属线122与左边的第三金属线112连接，而右边的第四金属线122与右边的第四金属线122连接。
上述平衡非平衡转换器中，第二金属线121与最内圈的第一金属线111在上下方向上不交叠，也即，彼此错开。在一个实施例中，第二金属线121可以被多圈第四金属线122包围，也即，从顶部金属层100来看，第二金属线121为最内圈金属线，参见图1B所示。
另外，多圈第四金属线122中的至少一圈第四金属线122和与该第四金属线122连接的第三金属线112在上下方向上不交叠。例如，仅左边的第四金属线122与左边的第三金属线112在上下方向上不交叠；又例如，仅右边的第四金属线122与右边的第四金属线122在上下方向上不交叠；再例如，左边的第四金属线122与左边的第三金属线112在上下方向上不交叠，并且，右边的第四金属线122与右边的第四金属线122在上下方向上不交叠。
在工作时，第一螺旋线圈101可以用于接收差分信号，通过电磁耦合在第二螺旋线圈102中产生单端信号，从而实现由差分信号到单端信号的转换；另外，第二螺旋线圈102可以用于接收单端信号，通过电磁耦合在第一螺旋线圈101中产生差分信号，从而实现由单端信号到差分信号的转换。
需要说明的是，虽然图1A、图1B将第一金属线111、第二金属线121、第三金属线112和第四金属线122的形状示出为八边形，但是应理解，这仅仅是示意性的。在其他的实施例中，第一金属线111、第二金属线121、第三金属线112和第四金属线122还可以是四边形、六边形或圆形等其他合适的形状。
下面介绍平衡非平衡转换器的几个具体实现方式。
在一个实现方式中，多圈第四金属线122中的每圈第四金属线122可以位于相邻的一圈第一金属线111和一圈第三金属线112之间的空间的上方(参见图1C中左边的第四金属线122)，如此可以增大电磁耦合效应。类似地，第二金属线111可以位于相邻的第一金属线111和第三金属线112之间的空间的上方。
在另一个实现方式中，多圈第四金属线122中的每圈第四金属线122可以位于一圈第一金属线111的上方(参见图1C中右边的第四金属线122)。类似地，第二金属线121可以位于与最内圈的第一金属线111相邻的第一金属线111的上方。
在又一个实现方式中，优选地，多圈第四金属线122中的一些第四金属线中的每圈第四金属线122可以位于相邻的第一金属线111和第三金属线112之间的空间的上方，而多圈第四金属线122中的另一些第四金属线中的每圈第四金属线122可以位于一圈第一金属线111的上方。这种实现方式与上面两种实现方式相比，可以实现更大的电磁耦合效应和更小的插入损耗。
更优选地，为了进一步减小插入损耗，相邻的两圈第四金属线122中的一圈第四金属线122可以位于相邻的第一金属线111和第三金属线112之间的空间的上方，而另一圈第四金属线122可以位于一圈第一金属线111的上方。例如，如图1C所示，外圈的第四金属线122位于相邻的第一金属线111和第三金属线112之间的空间的上方，内圈的第四金属线122位于一圈第一金属线111的上方。
优选地，上述导电栓塞103可以包括相互连接的水平部分和垂直部分，也即，导电栓塞103的形状可以为L形。水平部分可以连接至顶部金属层200，例如第二金属线121或第四金属线122；垂直部分可以连接至底部金属层100，例如第一金属线111或第三金属线112。利用L形导电栓塞可以减小寄生电容，增大电磁耦合效应。
图2示出了现有的一种平衡非平衡转换器的一部分的截面示意图。如图2所示，现有的平衡非平衡转换器的底部金属层100’和顶部金属层200’的布局相同。第一螺旋线圈101’中的第一金属线111’在上下方向上与第二金属线121’对齐，并且第一金属线111’通过导电栓塞103’与其下方的第二金属线121’连接。第二螺旋线圈102’中的第三金属线112’在上下方向上与第四金属线122’对齐，并且第三金属线112’通过导电栓塞103’与其下方的第四金属线122’连接。
图3示出了本申请的平衡非平衡转换器与现有的平衡非平衡转换器的插入损耗随着信号频率变化的示意图。在图3中，曲线A表示现有的平衡非平衡转换器的插入损耗随着信号频率的变化，曲线B表示本申请的平衡非平衡转换器的插入损耗随着信号频率的变化。从图3可以看出，本申请的平衡非平衡转换器的插入损耗的绝对值比现有的平衡非平衡转换器的插入损耗的绝对值更小。
另外，对于图2所示现有的平衡非平衡转换器来说，顶层金属层和底部金属层的布局相同，如果减小各金属线的宽度，则会导致电磁耦合效应减小。而本申请提供的平衡非平衡转换器中，顶层金属层和底部金属层的布局不同，第二金属线与最内圈的第一金属线在上下方向上不交叠，并且，至少一圈第四金属线和与该第四金属线连接的第三金属线在上下方向上不交叠。这使得顶层金属层和底部金属层之间可以通过L形导电栓塞连接，即便缩小各金属线的宽度，也不会减小电磁耦合效应。因此，本申请的平衡非平衡转换器在同等性能下占用的芯片面积更小。
作为一个示例，与现有的平衡非平衡转换器相比，本申请的平衡非平衡转换器占用的面积小约29％，插入损耗减小约12.5％，电磁耦合系数提高约5％左右，而品质因子，例如单端最大品质因子和差分最大品质因子与现有的基本相同。
至此，已经详细描述了根据本申请实施例的平衡非平衡转换器。为了避免遮蔽本申请的构思，没有描述本领域所公知的一些细节，本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。另外，本说明书公开所教导的各实施例可以自由组合。本领域的技术人员应该理解，可以对上面说明的实施例进行多种修改而不脱离如所附权利要求限定的本申请的精神和范围。

Claims (13)

1.一种平衡非平衡转换器，其特征在于，包括：
第一螺旋线圈，包括：
多圈第一金属线，位于底部金属层；以及
一圈第二金属线，位于所述多圈第一金属线上方的顶部金属层，通过导电栓塞与最内圈的第一金属线连接；以及
第二螺旋线圈，与所述第一螺旋线圈耦合，包括：
多圈第三金属线，位于所述底部金属层，相邻的第三金属线被一圈第一金属线隔开；以及
多圈第四金属线，位于所述多圈第三金属线上方的所述顶部金属层，每圈第四金属线通过导电栓塞与一圈第三金属线连接，并且，相对靠外圈的第四金属线与相对靠外圈的第三金属线连接，相对靠内圈的第四金属线与相对靠内圈的第三金属线连接；
其中，所述第二金属线与所述最内圈的第一金属线在上下方向上不交叠，所述多圈第四金属线中的至少一圈第四金属线和与该第四金属线连接的第三金属线在上下方向上不交叠；
所述第二金属线被所述多圈第四金属线包围，并且，在所述顶部金属层中，所述第二金属线为最内圈金属线。
2.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
所述多圈第四金属线中的一些第四金属线中的每圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方；
所述多圈第四金属线中的另一些第四金属线中的每圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
3.根据权利要求2所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
相邻的两圈第四金属线中的一圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方，另一圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
4.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
每圈第四金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方。
5.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
每圈第四金属线位于一圈第一金属线的上方。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
所述第二金属线位于相邻的第一金属线和第三金属线之间的空间的上方。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
所述第二金属线位于与所述最内圈的第一金属线相邻的第一金属线的上方。
8.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，所述导电栓塞包括第一部分和与所述第一部分垂直的第二部分。
9.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，所述第一金属线和所述第三金属线的材料包括铜。
10.根据权利要求1或9所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，所述第二金属线和所述第四金属线的材料包括铝。
11.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
所述多圈第一金属线的圈数为3-6；
所述多圈第三金属线和所述多圈第四金属线的圈数为2-6。
12.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，
所述多圈第一金属线中除所述最内圈的第一金属线之外的其他第一金属线的宽度为2-10微米；
所述最内圈的第一金属线的宽度为1-5微米；
所述第二金属线、所述第三金属线和所述第四金属线的宽度为2-10微米；
相邻的第一金属线和第三金属线之间的距离为1-10微米。
13.根据权利要求1所述的平衡非平衡转换器，其特征在于，所述第一金属线、所述第二金属线、所述第三金属线和所述第四金属线的形状包括四边形、六边形、八边形或圆形。
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