CN1929134B - 芯片内建电感元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种芯片内建电感元件，其包括：第一绕线部及第二绕线部，相互对称的设置于一基底上的绝缘层内且相互电连接。第一绕线部及第二绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部，其中至少一相对外侧的半圈型导线部的截面积小于至少一相对内侧的半圈型导线部的截面积，其中位于相对内侧的该半圈型导线部包括：第一半圈型顶层导线；以及第一多层导线结构，位于该半圈型顶层导线下方且与其电连接，包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接该等导线的多个导电插塞，其中位于相对外侧的该半圈型导线部由第二半圈型顶层导线构成，其与该第一半圈型顶层导线具有大体相同线宽及厚度。

Description

芯片内建电感元件

技术领域

本发明涉及一种半导体电路，特别是涉及一种差动型操作(differentialoperation)的芯片内建电感元件。

背景技术

许多数字及模拟部件及电路已成功地运用于半导体集成电路。上述部件包含了无源元件，例如电阻、电容或电感等。典型的半导体集成电路包含一硅基底。一层以上的介电层设置于基底上，且一层以上的金属层设置于介电层中。这些金属层可通过现行的半导体工艺技术而形成芯片内建部件，例如：芯片内建电感元件(on-chip inductor)。以芯片内建电感元件的设计而言，越来越多的无线通讯设计使用差动电路以降低共模(common mode)噪声，而运用于上述差动电路的电感需为对称式来防止共模噪声产生。

而随着集成电路设计的向上发展，目前着重于将不同的功能整合于单一芯片上，以降低工艺复杂度以及任何对于制造成品率的冲击。将不同的功能整合于单一芯片即为所熟习的系统芯片(system on chip，SOC)。另外，在通讯系统的快速发展下，系统芯片通常具有射频电路以及数字或基频(baseband)电路。由于射频电路在系统芯片中所占的面积明显小于数字或基频电路，因此整个芯片设计是采用数字或基频电路的工艺。因此，相较于一般射频电路的电感元件，系统芯片中的电感元件的线圈厚度较薄而使得品质因数(quality factor/Q value)降低。然而，差动信号操作的电感元件中相邻的线圈会通过具有180度相差的信号而产生较大寄生电容，因而无法通过缩短线圈之间的间距来提升品质因数。

由于将不同的功能整合于单一芯片为集成电路设计的发展趋势，因此有必要寻求一种新的电感元件结构以增加电感元件的品质因数。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种芯片内建电感元件，通过改变电感元件中线圈(coil)的截面积大小，以增加电感元件的品质因数。

根据上述的目的，本发明提供一种芯片内建电感元件，包括：一绝缘层、一第一绕线部及一第二绕线部。绝缘层设置于一基底上。第一绕线部及第二绕线部相互对称的设置于绝缘层内且相互电连接。每一绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部，其中至少一相对外侧的半圈型导线部的截面积小于至少一相对内侧的该半圈型导线部的截面积，其中位于相对内侧的该半圈型导线部包括：第一半圈型顶层导线；以及第一多层导线结构，位于该半圈型顶层导线下方且与其电连接，和包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接该等导线的多个导电插塞，其中位于相对外侧的该半圈型导线部由第二半圈型顶层导线构成，其与该第一半圈型顶层导线具有大体相同线宽及厚度。

又根据上述的目的，本发明提供一种芯片内建电感元件，包括：绝缘层，设置于基底上；以及第一绕线部及第二绕线部，相互对称设置于该绝缘层内且相互电连接，该第一绕线部及该第二绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部，其中至少一相对外侧的该半圈型导线部的截面积小于至少一相对内侧的该半圈型导线部的截面积，其中位于相对内侧的该半圈型导线部包括：第一半圈型顶层导线；以及第一多层导线结构，位于该第一半圈型顶层导线下方且与其电连接，包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接该等导线的多个导电插塞，其中位于相对外侧的该半圈型导线部包括：第二半圈型顶层导线和第二多层导线结构，其位于该第二半圈型顶层导线下方且与其电连接，该第二半圈型顶层导线与该第一半圈型顶层导线具有大体相同线宽及厚度，和该第二多层导线结构中多个导线的层数小于该第一多层导线结构。

又根据上述的目的，本发明提供一种芯片内建电感元件，包括：一绝缘层、一第一绕线部及一第二绕线部。绝缘层设置于一基底上。第一绕线部及第二绕线部相互对称设置于绝缘层内且相互电连接。每一绕线部包括由内而外同心排列的第一半圈型导线、第二半圈型导线、及第三半圈型导线，其中这些半圈型导线具有大体相同的厚度且第二半圈型导线具有最大的线宽。

又根据上述的目的，本发明提供一种芯片内建电感元件，包括：一绝缘层、一第一绕线部及一第二绕线部。绝缘层设置于一基底上。第一绕线部及第二绕线部相互对称设置于绝缘层内且相互电连接。第一绕线部及第二绕线部包括第一半圈型顶层导线、第二半圈型顶层导线、及第三半圈型顶层导线以及第一多层导线结构及第二多层导线结构。第一半圈型顶层导线、第二半圈型顶层导线、及第三半圈型顶层导线由内而外同心排列。第一多层导线结构及第二多层导线结构分别位于第一半圈型顶层导线及第二半圈型顶层导线下方且与其电连接，第一多层导线结构及第二多层导线结构包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接这些导线的多个导电插塞，且第二多层导线结构中导线的层数不同于第一多层导线结构中导线的层数。

又根据上述的目的，本发明提供一种芯片内建电感元件，适用于一半导体电路，半导体电路包括一基底、一绝缘层设置于基底上、及多个导体层依序设置于绝缘层中，芯片内建电感元件包括：一第一绕线部及一第二绕线部，相互对称设置于绝缘层内且相互电连接，第一绕线部及第二绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部。最外侧的半圈型导线部的截面积小于一相对内侧的半圈型导线部的截面积。

附图说明

图1A绘示出本发明实施例的二匝芯片内建电感元件的平面示意图。

图1B绘示出图1A中芯片内建电感元件的多层导线结构平面示意图。

图1C绘示出图1A中I-I’线的剖面示意图。

图2A绘示出本发明实施例的三匝芯片内建电感元件的平面示意图。

图2B绘示出图2A中I-I’线的一实施例的剖面示意图。

图2C绘示出图2A中I-I’线的另一实施例的剖面示意图。

图2D绘示出图2A中I-I’线的又一实施例的剖面示意图。

图3绘示出绘示出本发明另一实施例的三匝芯片内建电感元件的平面示意图。

简单符号说明

2～虚线；10～第一端；20～第二端；30、40～侧向延伸部；101～导线层；200～基底；201、202、203、204、205、206～半圈型顶层导线；201a、202a、203a、203b、204a、204b～多层导线结构；211、212、213、214、221、222、223、224、231、232、233、234～半圈型导线；210～绝缘层；211、217～下跨接层；213、215～上跨接层；W、W1、W2、W3～线宽。

具体实施方式

以下配合图1A至1C说明本发明实施例的芯片内建电感元件，其中图1A绘示出本发明实施例的二匝芯片内建电感元件的平面示意图、图1B绘示出图1A中芯片内建电感元件的多层导线结构平面示意图、图1C绘示出图1A中I-I’线的剖面示意图。芯片内建电感元件，适用于一半导体电路。半导体电路包括一基底200、设置于基底200上的绝缘层210、以及依序设置于绝缘层210中的多个导体层，如图1C所示。基底200包括一硅基底或其它现有的半导体材料基底。基底200中可包含各种不同的元件，例如晶体管、电阻、及其它习用的半导体元件。再者，基底200亦可包含其它导电层(例如，铜、铝、或其合金)以及绝缘层(例如，氧化硅层、氮化硅层、或低介电材料层)。此处为了简化图式，仅以一平整基底表示之。另外，绝缘层210可为一单层低介电材料层或是多层介电结构。例如，多层介电材料层与多层导体层依序交错形成在基底200之上。在本实施例中，绝缘层210可包括氧化硅层、氮化硅层、或低介电材料层。

请参照图1A，芯片内建电感元件包括：第一及第二绕线部。第一绕线部设置于绝缘层210内，且位于虚线2的一第一侧。第一绕线部包括由内而外同心排列的二半圈型导线部。外侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线203所构成，而半圈型顶层导线203可由绝缘层210中的多个导体层的一第一导体层(即，顶层导体层)所定义而成。内侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线201以及位于其下方的多层导线结构201a所构成，如图1B及1C所示。同样地，半圈型顶层导线201可由绝缘层210中的多个导体层的一第一导体层(即，顶层导体层)所定义而成。半圈型顶层导线201与半圈型顶层导线203具有大体相同的厚度及线宽。多层导线结构201a通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型顶层导线201电连接，且包括多个重叠且分开的半圈型导线以及用以电连接这些半圈型导线的多个导电插塞(未绘示)。为了简化图式，此处仅以三个半圈型导线211、221及231作为范例说明，这些半圈型导线211、221及231可由绝缘层210中顶层导体层下方的不同导体层所定义而成。例如，第二导体层、第三导体层及第四导体层。需注意的是多层导线结构201a中导线层数可依设计需求而定。

第二绕线部设置于绝缘层210内，且位于虚线2的一相对于第一侧的第二侧。第二绕线部包括由内而外同心排列的二半圈型导线部。第二绕线部以虚线2为对称轴而对称于第一绕线部。外侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线204所构成，而半圈型顶层导线204可由绝缘层210中的多个导体层的第一导体层(即，顶层导体层)所定义而成。内侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线202以及位于其下方的多层导线结构202a所构成，如图1B及1C所示。同样地，半圈型顶层导线202可由绝缘层210中的多个导体层的一第一导体层(即，顶层导体层)所定义而成。半圈型顶层导线202与半圈型顶层导线204具有大体相同的厚度及线宽。再者，多层导线结构202a通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型半圈型顶层导线202电连接且包括多个重叠且分开的半圈型导线212、222及232以及用以电连接这些半圈型导线212、222及232的多个导电插塞(未绘示)。这些半圈型导线212、222及232可由绝缘层210中顶层导体层下方的不同导体层所定义而成。例如，第二导体层、第三导体层及第四导体层。

在本实施例中，“截面积”一词表示电感元件中与电流方向垂直的半圈型导线部面积。再者，每一半圈型顶层导线具有大体相同的线宽W及大体相同的厚度。由于内侧半圈型导线部具有多层导线结构201a或202a，因此外侧的半圈型导线部的截面积小于内侧半圈型导线部的截面积。此处，内侧半圈型导线部中的多层导线结构的作用在于减少半圈型导线部的导体损失(conductor loss)，藉以在不增加半圈型顶层导线的厚度情形下提升电感元件的品质因数。而外侧半圈型导线部则仅由单一半圈型顶层导线所构成，可避免导线部与基底之间的寄生电容效应引起电感元件品质因数下降或降低电感元件可用的频率范围。

第一及第二绕线部可围绕一中心部相互对称设置。此中心部大体为圆型、矩型、六边型、八边型、或多边型的外型，而使第一及第二绕线部构成大体为圆型、矩型、六边型、八边型、或多边型的外型。此处，为简化图式，以八边型作为范例说明。半圈型顶层导线201、202、203及204具有一第一端10及一第二端20。在本实施例中，半圈型顶层导线201的第一端10与半圈型顶层导线202的第一端10相互电连接。再者，半圈型顶层导线203及204的第一端10具有一侧向延伸部30及40，用以作为差动信号输入/输出端。

为了维持电感元件几何对称性(geometric symmetry)，半圈型顶层导线203的第二端20通过一下跨接层(cross-connect)211与半圈型顶层导线202的第二端20电连接，其中下跨接层211可由延伸半圈型导线212而构成之，如图1B所示。下跨接层211的两端分别设置有一导电插塞(未绘示)以电连接半圈型顶层导线203及202。另外，半圈型顶层导线201的第二端20通过一上跨接层213而与半圈型顶层导线204的第二端20电连接，其中上跨接层213可由延伸半圈型顶层导线201或202而构成之，如图1A所示。在其它实施例中，半圈型顶层导线203的第二端20可通过一上跨接层与半圈型顶层导线202的第二端20电连接，而半圈型顶层导线201的第二端20可通过一下跨接层而与半圈型顶层导线204的第二端20电连接。

以下配合图2A至2D说明本发明实施例的三匝芯片内建电感元件，其中图2A绘示出本发明实施例的三匝芯片内建电感元件的平面示意图，而图2B至2D分别绘示出图2A中II-II’线的不同实施例的剖面示意图。此处，相同于图1A、1B及1C中的部件使用相同的标号并省略其说明。请参照图2A及2B，第一绕线部及第二绕线部分别包括由内而外同心排列的三半圈型导线部。第一绕线部及第二绕线部的最外侧的半圈型导线部分别由半圈型顶层导线205及206所构成；第一绕线部及第二绕线部的正中的半圈型导线部分别由半圈型顶层导线203及204所构成；而第一绕线部及第二绕线部的最内侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线201及位于其下方的多层导线结构201a所构成以及由一半圈型顶层导线202及位于其下方的多层导线结构202a所构成。亦即，在本实施例中最内侧的半圈型导线部具有最大的截面积。

在另一实施例中，第一绕线部及第二绕线部的最外侧的半圈型导线部分别由半圈型顶层导线205及206所构成；第一绕线部及第二绕线部的正中的半圈型导线部由一半圈型顶层导线203及位于其下方的多层导线结构203a所构成以及由一半圈型顶层导线204及位于其下方的多层导线结构204a所构成；而第一及第二绕线部的最内侧的半圈型导线部分别由半圈型顶层导线201及202所构成。如图2C所示，多层导线结构203a通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型半圈型顶层导线203电连接且包括多个重叠且分开的半圈型导线213、223及233以及用以电连接这些半圈型导线213、223及233的多个导电插塞(未绘示)。再者，多层导线结构204a通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型半圈型顶层导线204电连接且包括多个重叠且分开的半圈型导线214、224及234以及用以电连接这些半圈型导线214、224及234的多个导电插塞(未绘示)。半圈型导线212、222及232与半圈型导线214、224及234可由绝缘层210中顶层导体层下方的不同导体层所定义而成。例如，第二导体层、第三导体层及第四导体层。因此，在本实施例中正中的半圈型导线部具有最大的截面积。

又另一实施例中，第一绕线部及第二绕线部的最外侧的半圈型导线部分别由半圈型顶层导线205及206所构成；第一绕线部及第二绕线部的正中的半圈型导线部由一半圈型顶层导线203及位于其下方的多层导线结构203b所构成以及由一半圈型顶层导线204及位于其下方的多层导线结构204b所构成；而第一及第二绕线部的最内侧的半圈型导线部由一半圈型顶层导线201及位于其下方的多层导线结构201a所构成以及由一半圈型顶层导线202及位于其下方的多层导线结构202a所构成。如图2D所示，多层导线结构203b通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型半圈型顶层导线203电连接且包括多个重叠且分开的半圈型导线213及223以及用以电连接这些半圈型导线213及223的多个导电插塞(未绘示)。再者，多层导线结构204b通过至少一导电插塞(未绘示)与半圈型半圈型顶层导线204电连接且包括多个重叠且分开的半圈型导线214及224以及用以电连接这些半圈型导线214及224的多个导电插塞(未绘示)。再者，多层导线结构203b及204b中导线的层数不同于多层导线结构201a及202a中导线的层数。举例而言，多层导线结构203b及204b中导线的层数少于多层导线结构201a及202a中导线的层数。亦即，在本实施例中半圈型导线部的截面积由外而内渐增。

如之前所述，多层导线结构的作用在于减少半圈型导线部的导体损失，藉以在不增加半圈型顶层导线的厚度情形下提升电感元件的品质因数。再者，最外侧半圈型导线部则仅由单一半圈型顶层导线所构成，可避免寄生电容效应引起电感元件品质因数下降或降低电感元件可用的频率范围。另外，当每一绕线部包括多于三个同心排列的半圈型导线部时，最外侧的该半圈型导线部具有最小的截面积。再者，最内侧或正中的半圈型导线部具有最大的截面积。同样的，半圈型导线部的截面积可由外而内渐增。

请参照图2A，本实施例中，半圈型顶层导线205及206的第二端20具有一侧向延伸部30及40，用以作为差动信号输入/输出端。再者，半圈型顶层导线205的第一端10通过一下跨接层217与半圈型顶层导线204的第一端10电连接，其中下跨接层217可由延伸半圈型导线214而构成之。下跨接层217的两端分别设置有一导电插塞(未绘示)以电连接半圈型顶层导线205及204。另外，半圈型顶层导线203的第一端10通过一上跨接层215而与半圈型顶层导线206的第一端10电连接，其中上跨接层215可由延伸半圈型顶层导线204或205而构成之。在其它实施例中，半圈型顶层导线205的第一端10可通过一上跨接层与半圈型顶层导线204的第一端10电连接，而半圈型顶层导线203的第一端10可通过一下跨接层而与半圈型顶层导线206的第一端10电连接。

以下配合图3说明本发明另一实施例的芯片内建电感元件，其绘示出三匝芯片内建电感元件的平面示意图，其中相同于图2A中的部件使用相同的标号并省略其说明。请参照图3，第一绕线部包括由内而外同心排列的半圈型顶层导线201、203及205。第二绕线部包括由内而外同心排列的半圈型顶层导线202、204及206。每一半圈型顶层导线具有大体相同的厚度。再者，半圈型顶层导线201及202的线宽为W1；半圈型顶层导线203及204的线宽为W2；半圈型顶层导线205及206的线宽为W3。在本实施例中，线宽为W2大于线宽为W1及W3。另外，线宽为W1可大体相同于线宽为W3。如此一来，正中的半圈型导线层203及204具有最大的截面积。相较于具有相同线宽及相同大小的三匝芯片内建电感元件而言，可减少半圈型导线部的导体损失，藉以在不增加半圈型顶层导线的厚度情形下提升电感元件的品质因数。另外，当每一绕线部包括多于三个同心排列的半圈型导线部时，正中的半圈型导线部可具有最大的截面积。

根据本发明的芯片内建电感元件，由于部分线圈的导体损失通过增加线宽或设置多层导线结构而获得补偿，因而可在不增加半圈型顶层导线厚度的情形下提升芯片内建电感元件的品质因数。因此，对于系统芯片的射频电路而言，电感元件的品质因数可有效地获得改善。

虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。

Claims (5)

1.一种芯片内建电感元件，包括：

绝缘层，设置于基底上；以及

第一绕线部及第二绕线部，相互对称设置于该绝缘层内且相互电连接，该第一绕线部及该第二绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部；

其中至少一相对外侧的该半圈型导线部的截面积小于至少一相对内侧的该半圈型导线部的截面积，

其中位于相对内侧的该半圈型导线部包括：

第一半圈型顶层导线；以及

第一多层导线结构，位于该半圈型顶层导线下方且与其电连接，包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接该等导线的多个导电插塞，

其中位于相对外侧的该半圈型导线部由第二半圈型顶层导线构成，其与该第一半圈型顶层导线具有大体相同线宽及厚度。

2.一种芯片内建电感元件，包括：

绝缘层，设置于基底上；以及

第一绕线部及第二绕线部，相互对称设置于该绝缘层内且相互电连接，该第一绕线部及该第二绕线部包括至少二同心排列的半圈型导线部；

其中至少一相对外侧的该半圈型导线部的截面积小于至少一相对内侧的该半圈型导线部的截面积，

其中位于相对内侧的该半圈型导线部包括：

第一半圈型顶层导线；以及

第一多层导线结构，位于该第一半圈型顶层导线下方且与其电连接，包括多个重叠且分开的导线以及用以电连接该等导线的多个导电插塞，

位于相对外侧的该半圈型导线部包括第二半圈型顶层导线和第二多层导线结构，其位于该第二半圈型顶层导线下方且与其电连接，该第二半圈型顶层导线与该第一半圈型顶层导线具有大体相同线宽及厚度，和该第二多层导线结构中多个导线的层数小于该第一多层导线结构。

3.如权利要求1或2所述的芯片内建电感元件，其中最外侧的该半圈型导线部具有最小的截面积。

4.如权利要求1或2所述的芯片内建电感元件，其中该第一绕线部及该第二绕线部构成大体为圆型或多边型的外型。

5.如权利要求4所述的芯片内建电感元件，其中该第一绕线部及该第二绕线部构成大体为矩型、六边型或八边型的外型。

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