CN111863400B - 集成变压器 - Google Patents

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Abstract

集成变压器包含第一电感及第二电感。第一电感包含第一绕组与第二绕组。第二电感包含第三绕组与第四绕组。第一绕组、第二绕组、第三绕组，以及第四绕组分别具有第一外圈、第二外圈、第三外圈，以及第四外圈。第一外圈的部分线段与第三外圈的部分线段实质上重叠，第二外圈的部分线段与第四外圈的部分线段实质上重叠。第一外圈及第二外圈通过交叉的第一线段及第一走线相互连接，且第三外圈及第四外圈通过交叉的第二走线及第二线段相互连接。第一走线及第二线段位于半导体结构的第一金属层，而第一线段及第二走线位于半导体结构的第二金属层。第一金属层不等于第二金属层。

Description

集成变压器
技术领域
本发明涉及半导体元件，尤其涉及集成变压器。
背景技术
变压器为射频集成电路中用来实现单端至差分信号转换、信号耦合、阻抗匹配等功能的重要元件，随着集成电路往系统单芯片(System on Chip，SoC)发展，集成变压器(integrated transformer)已逐渐取代传统的分离式元件，而被广泛地使用在射频集成电路中。然而，集成电路中的变压器，往往会占用大量的芯片面积，因此，如何缩小集成电路中的变压器的面积，并同时维持元件的特性(例如耦合系数(coupling coefficient，K))，成为一个重要的课题。
特别是，8字型集成变压器的对称性及位于中心区域的交叉(crossing)结构都增加8字型集成变压器的设计难度。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本发明的一目的在于提供一种集成变压器。
本发明公开一种集成变压器。集成变压器包含第一电感及第二电感。第一电感包含第一绕组与第二绕组。第一绕组具有第一外圈，第二绕组具有第二外圈，第一外圈及第二外圈共用第一走线，且第一外圈及第二外圈通过第二走线相连接。第二电感包含第三绕组与第四绕组。第三绕组具有第三外圈，第四绕组具有第四外圈，第三外圈及第四外圈共用第三走线，且第三外圈及第四外圈通过第四走线相连接。第一走线及第二走线形成第一交叉结构，第三走线及第四走线形成第二交叉结构。第一走线及第四走线位于半导体结构的第一金属层，且第二走线及第三走线位于半导体结构的第二金属层。第一金属层不等于第二金属层。
本发明还公开一种集成变压器。集成变压器包含第一电感及第二电感。第一电感包含第一绕组与第二绕组。第一绕组具有第一外圈，第二绕组具有第二外圈。第二电感包含第三绕组与第四绕组。第三绕组具有第三外圈，第四绕组具有第四外圈。第一外圈的部分线段与第三外圈的部分线段实质上重叠，第二外圈的部分线段与第四外圈的部分线段实质上重叠。第一外圈及第二外圈通过交叉的第一线段及第一走线相互连接，且第三外圈及第四外圈通过交叉的第二走线及第二线段相互连接。第一走线及第二线段位于半导体结构的第一金属层，而第一线段及第二走线位于半导体结构的第二金属层。第一金属层不等于第二金属层。
相较于传统技术，本发明的集成变压器具有以下优点：(1)集成变压器的两个电感本身具有良好的对称性；(2)集成变压器在中心区域的两个交叉结构只用到两层金属层，有利于实作。
有关本发明的特征、实作与技术效果，兹配合附图作实施例详细说明如下。
附图说明
图1A～图1C为本发明集成变压器的一实施例的结构图；
图2A为集成变压器的其中一个电感的示意图；
图2B为集成变压器的另一个电感的示意图；
图2C为集成变压器的示意图；以及
图3为本发明集成变压器的另一实施例的示意图。
符号说明
1、2 集成变压器
11、12、21、22 绕组
111、112、113、114、115、116、117、121、122、123、124、125、126、13、14、211、212、213、214、221、222、223、224、225、23、24 走线
111-b、112-a、112-b、113-a、113-b、13-a、13-b、121-a、121-b、122-a、122-b、123-a、123-b、124-a、124-b、125-a、125-b、126-a、126-b、114-a、114-b、115-a、115-b、116-a、116-b、117-a、111-a、117-b、221-b、222-a、222-b、223-a、223-b、211-a、211-b、212-a、212-b、213-a、213-b、214-a、214-b、24-a、24-b、224-a、224-b、225-a、221-a、225-b、311-a、317-b、421-a、425-b 端点
10、20 电感
210、220、230、50、60、70、80 框选区域
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，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。
本发明的公开内容包含集成变压器。由于本发明的集成变压器所包含的部分元件单独而言可能为已知元件，因此在不影响该装置发明的充分公开及可实施性的前提下，以下说明对于已知元件的细节将予以省略。
图1A～图1C为本发明集成变压器的一实施例的结构图。集成变压器1由多条走线(trace)构成，其中大部分的走线分布于第一金属层(图1A)，小部分的走线分布于第二金属层(图1B)及第三金属层(图1C)。一条走线可以被划分为数个线段(segment)。集成变压器1主要包含四个绕组(winding)：绕组11、绕组12、绕组21，以及绕组22。绕组11及绕组12构成集成变压器1的其中一个电感，而绕组21及绕组22构成另一个电感。第一金属层、第二金属层及第三金属层为不同的金属层。举例来说：第一金属层是半导体结构中的重布线层(Re-Distribution Layer,RDL)、第二金属层可以是半导体结构中的超厚金属(Ultra ThickMetal,UTM)层，以及第三金属层可以是半导体结构中的第六层金属层。
绕组11包含走线111、走线112、走线113、走线114、走线115、走线116，以及走线117。绕组12包含走线121、走线122、走线123、走线124、走线125，以及走线126。绕组11及绕组12共用走线13及走线14。绕组11及绕组12共同构成电感10。
端点(end point)111-b与端点112-a相连接；更明确地说，相连接的端点通过贯穿结构(例如导孔(via)结构或是导孔阵列(via array))相连接。类似地，端点112-b与端点113-a相连接；端点113-b与端点13-a相连接；端点13-b与端点121-a相连接；端点121-b与端点122-a相连接；端点122-b与端点123-a相连接；端点123-b与端点124-a相连接；端点124-b与端点125-a相连接；端点125-b与端点126-a相连接；端点126-b与走线14的其中一端点相连接；走线14的另一端点与端点114-a相连接；端点114-b与端点115-a相连接；端点115-b与端点116-a相连接，以及端点116-b与端点117-a相连接。端点111-a以及端点117-b是电感10的输出/输入端，也形成集成变压器的其中一个端口(port)。
绕组21包含走线211、走线212、走线213，以及走线214。绕组22包含走线221、走线222、走线223、走线224，以及走线225。绕组21及绕组22共用走线23及走线24。绕组21及绕组22共同构成电感20。
端点221-b与端点222-a相连接；端点222-b与端点223-a相连接；端点223-b与走线23的其中一端点相连接；走线23的另一端点与端点211-a相连接；端点211-b与端点212-a相连接；端点212-b与端点213-a相连接；端点213-b与端点214-a相连接；端点214-b与端点24-a相连接；端点24-b与端点224-a相连接，以及端点224-b与端点225-a相连接。端点221-a以及端点225-b是电感20的输出/输入端，也形成集成变压器的其中一个端口。
图1A～图1C中的参考线RH1A、参考线RV1A、参考线RH1B、参考线RV1B、参考线RH1C、参考线RV1C不属于集成变压器或集成电感的一部分，而是用于说明。参考线RH1A、参考线RH1B及参考线RH1C重叠且参考线RV1A、参考线RV1B及参考线RV1C重叠；换言之，图1A～图1C的中心点重叠。
图2A为电感10的示意图。走线111、走线113、走线115、走线117、走线121、走线123、走线125，以及走线14实作于第一金属层(以实线表示)；走线112、走线114、走线124、走线126，以及走线13实作于第二金属层(以第一种虚线表示)；走线116及走线122实作于第三金属层(以第二种虚线表示)。绕组11的外圈包含部分的走线13、走线113、部分的走线112、部分的走线117、走线116、走线115、走线114，以及部分的走线14。绕组11的内圈包含走线111、部分的走线112，以及部分的走线117。绕组12的外圈包含部分的走线13、走线121、走线122、部分的走线123、部分的走线124、走线125、走线126，以及部分的走线14。绕组12的内圈包含部分的走线123以及部分的走线124。绕组11的内圈及绕组12的内圈实质上实作于第一金属层。除了绕组11的外圈的部分线段及绕组12的外圈的部分线段之外，电感10(亦即绕组11及绕组12)的大部分线段实质上实作于第一金属层。更明确地说，除了走线13、走线112、走线114、走线116、走线122、走线124，以及走线126之外，电感10实质上实作于第一金属层。如图2A所示，绕组11及绕组12实质上为对称结构。
在集成变压器1的中心处(亦即大约框选区域210处)形成一交叉结构。交叉结构由两个线段组成，其中一个线段是走线14或部分的走线14，另一个线段是部分的走线13。绕组11的外圈及绕组12的外圈通过该交叉结构相连接，换言之，绕组11及绕组12通过该交叉结构相连接。
图2B为电感20的示意图。走线211、走线213、走线221、走线223、走线225，以及走线24实作于第一金属层(以实线表示)；走线214、走线222，以及走线23实作于第二金属层(以第一种虚线表示)；走线212以及走线224实作于第三金属层(以第二种虚线表示)。绕组21的外圈包含部分的走线23、部分的走线211、部分的走线214，以及部分的走线24。绕组21的内圈包含部分的走线211、走线212、走线213，以及部分的走线214。绕组22的外圈包含部分的走线23、走线223、部分的走线222，以及部分的走线24。绕组22的内圈包含走线221、部分的走线222、部分的走线24、走线224，以及走线225。电感20(亦即绕组21及绕组22)的大部分线段实质上实作于第一金属层。更明确地说，除了走线23、走线212、走线214、走线222，以及走线224之外，电感20实质上实作于第一金属层。如图2B所示，绕组21及绕组22实质上为对称结构。
在集成变压器1的中心处(亦即大约框选区域220处)形成一交叉结构。交叉结构由两个线段组成，其中一个线段是走线23或部分的走线23，另一个线段是部分的走线24。绕组21的外圈及绕组22的外圈通过该交叉结构相连接，换言之，绕组21及绕组22通过该交叉结构相连接。
图2C为集成变压器1的示意图。电感10(包含绕组11及绕组12)以黑色线表示，电感20(包含绕组21及绕组22)以灰色线表示。在靠近集成变压器1的中心区域(亦即大约框选区域230处)，绕组11的外圈的部分线段与绕组21的外圈的部分线段平行且实质上重叠，以及绕组12的外圈的部分线段与绕组22的外圈的部分线段平行且实质上重叠。绕组11的内圈与绕组21的内圈不重叠，且绕组12的内圈与绕组22的内圈不重叠。绕组11实质上被绕组21的外圈包围，亦即绕组11的面积小于绕组21的面积。绕组12实质上被绕组22的外圈包围，亦即绕组12的面积小于绕组22的面积。此外，电感10的面积小于电感20的面积。
图3为本发明集成变压器的另一实施例的结构图。集成变压器2包含第一电感(以黑色线表示)及第二电感(以灰色线表示)。端点311-a以及端点317-b是第一电感的输出/输入端，也形成集成变压器的其中一个端口；端点421-a以及端点425-b是第二电感的输出/输入端，也形成集成变压器的另一个端口。
图3的集成变压器2与图2C的集成变压器1相似，差别在于框选区域50及框选区域60处的连接方式稍有不同，但集成变压器1及集成变压器2具有相似的特性。换言之，本技术领域技术人员可以修改框选区域50、框选区域60、框选区域70及框选区域80处的连接方式，来得到不同的集成变压器。然而，以这种方式修改后的集成变压器皆等效于集成变压器1，皆属本发明所保护的范围。
在前揭的实施例中，绕组的圈数仅为示意，非用来限制本发明；本技术领域技术人员可以根据前揭的实施例以任意的圈数实作绕组。
请注意，前揭图示中，元件的形状、尺寸以及比例等仅为示意，是供本技术领域技术人员了解本发明之用，非用以限制本发明。虽然本发明的实施例如上所述，然而所述实施例并非用来限定本发明，本技术领域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围，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。

Claims (10)

1.一种集成变压器，包含：
一第一电感，包含一第一绕组与一第二绕组，其中该第一绕组具有一第一外圈，该第二绕组具有一第二外圈，该第一外圈及该第二外圈共用一第一走线，且该第一外圈及该第二外圈通过一第二走线相连接；
一第二电感，包含一第三绕组与一第四绕组，其中该第三绕组具有一第三外圈，该第四绕组具有一第四外圈，该第三外圈及该第四外圈共用一第三走线，且该第三外圈及该第四外圈通过一第四走线相连接；
其中，该第一走线及该第二走线形成一第一交叉结构，该第三走线及该第四走线形成一第二交叉结构，该第一走线及该第四走线位于一半导体结构的一第一金属层，该第二走线及该第三走线位于该半导体结构的一第二金属层，且该第一金属层不等于该第二金属层。
2.如权利要求1所述的集成变压器，其中该第一外圈的部分线段与该第三外圈的部分线段平行且重叠，且该第二外圈的部分线段与该第四外圈的部分线段平行且重叠。
3.如权利要求2所述的集成变压器，其中该第一绕组具有一第一内圈，该第二绕组具有一第二内圈，该第三绕组具有一第三内圈，以及该第四绕组具有一第四内圈，其中该第一内圈及该第三内圈不重叠，且该第二内圈及该第四内圈不重叠。
4.如权利要求1所述的集成变压器，其中该第一绕组被该第三外圈包围，且该第二绕组被该第四外圈包围。
5.如权利要求1所述的集成变压器，其中该第一电感的面积小于该第二电感的面积。
6.一种集成变压器，包含：
一第一电感，包含一第一绕组与一第二绕组，其中该第一绕组具有一第一外圈，该第二绕组具有一第二外圈；
一第二电感，包含一第三绕组与一第四绕组，其中该第三绕组具有一第三外圈，该第四绕组具有一第四外圈；
其中，该第一外圈的部分线段与该第三外圈的部分线段重叠，该第二外圈的部分线段与该第四外圈的部分线段重叠，该第一外圈及该第二外圈通过交叉的一第一线段及一第一走线相互连接，该第三外圈及该第四外圈通过交叉的一第二走线及一第二线段相互连接，该第一走线及该第二线段位于一半导体结构的一第一金属层，该第一线段及该第二走线位于该半导体结构的一第二金属层，该第一金属层不等于该第二金属层。
7.如权利要求6所述的集成变压器，其中该第一外圈的部分线段与该第三外圈的部分线段平行且重叠，且该第二外圈的部分线段与该第四外圈的部分线段平行且重叠。
8.如权利要求7所述的集成变压器，其中该第一绕组具有一第一内圈，该第二绕组具有一第二内圈，该第三绕组具有一第三内圈，以及该第四绕组具有一第四内圈，其中该第一内圈及该第三内圈不重叠，且该第二内圈及该第四内圈不重叠。
9.如权利要求6所述的集成变压器，其中该第一绕组被该第三外圈包围，且该第二绕组被该第四外圈包围。
10.如权利要求6所述的集成变压器，其中该第一电感的面积小于该第二电感的面积。
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