CN1937207A - 对称电感元件 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种对称电感元件，其包括：相互对称的第一与第二绕线部和耦接部。每一绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层，且每一半圈型导线层具有第一和第二端。耦接部包括：第一对和第二对连接层，其中一对为上跨接层而另一对为下跨接层。第一绕线部的第一和第四半圈型导线层的第二端通过第一对连接层而分别与第二绕线部的第二和第三半圈型导线层的第二端连接，而第二绕线部的第一和第四半圈型导线层通过第二对连接层而分别与第一绕线部的第二和第三半圈型导线层的第二端连接。

Description

对称电感元件

技术领域

本发明涉及一种半导体装置，特别是涉及一种对称电感元件适用于差动型(differential)操作。

背景技术

许多数字和模拟部件及电路已成功地运用于半导体集成电路。上述部件包括无源元件，例如电阻、电容或电感等。典型的半导体集成电路包括硅基底。一层以上的介电层设置在基底上，且一层以上的金属层设置在介电层中。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)。

传统上，芯片内建电感形成在基底上且运用于射频频带(radio frequencyband)集成电路设计。请参照图1，其展示出现有二匝对称型电感元件平面示意图。此电感元件形成在基底100上方的绝缘层110中，包括：对称设置在虚线2两侧的绝缘层110中的第一和第二绕线部。第一绕线部包括第一和第二半圈型导线层101、103，而第二绕线部包括第三和第四半圈型导线层102、104。第二半圈型导线层103平行第一半圈型导线层101并位于其外侧。第四半圈型导线层104平行第三半圈型导线层102并位于其外侧。每一半圈型导线层具有第一和第二端10和20，其中第一半圈型导线层101的第一端10延伸并连接至第三半圈型导线层102的第一端10。

为了维持电感元件几何对称性，第二半圈型导线层103的第二端20通过下跨接(underpass)层111与第三半圈型导线层102的第二端20电连接。另外，第四半圈型导线层104的第二端20通过上跨接(cross)层113而与第一半圈型导线层(underpass)101的第二端20电连接。第二和第四半圈型导线层103和104的第一端10具有侧向延伸部30和40，用以作为输入/输出端。

为了进一步改善电感元件的品质因素(Q值)，有人提出增加每一半圈型导线层的线宽，如图2所示。在图2中，就与图1图号相同的元件，该元件的相关叙述可参阅前段。

近来，越来越多的无线通讯设计使用差动电路以降低共模(commonmode)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。在图1和2的电感元件中，与上跨接层113相比，下跨接层111较接近基底100。因此，由第二和第三半圈型导线层102和103及下跨接层111所构成的第一线圈(primary coil)，其与基底100之间的寄生电容大于由第一和第四半圈型导线层101和104及上跨接层113所构成的第二线圈(secondarycoil)与基底100之间的寄生电容。再者，由于下跨接层111的厚度小于上跨接层113，因此第一线圈的导体损失也大于第二线圈。如此一来，在差动操作中，上述对称电感元件并无法有效降低共模噪声。

因此，有必要寻求新的对称电感元件设计，以有效降低共模噪声。

发明内容

鉴此，本发明提供一种对称电感元件，包括：绝缘层、第一与第二绕线部和耦接部。绝缘层设置在基底上。第一和第二绕线部相互对称设置在绝缘层内，每一绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层，且每一半圈型导线层具有第一端和第二端，其中每一绕线部的第一和第三半圈型导线层的第一端相互耦接、第二半圈型导线层的第一端相互耦接、并且第四半圈型导线层的第一端相互耦接。耦接部设置在第一与第二绕线部之间的绝缘层内，包括：第一对和第二对连接层，其中一对连接层为上跨接层而另一对连接层为下跨接层。第一绕线部的第一和第四半圈型导线层的第二端通过第一对连接层而分别与第二绕线部的第二和第三半圈型导线层的第二端连接，而第二绕线部的第一和第四半圈型导线层通过第二对连接层而分别与第一绕线部的第二和第三半圈型导线层的第二端连接。

本发明也提供一种对称电感元件，其包括设置在基底上的绝缘层、设置在该绝缘层内的至少二组第一导线组、设置在该绝缘层内的至少二组第二导线组、被该第一导线组和该第二导线组所包围的中心区域及至少一组跨接层。其中，跨接层用于连接互相对应的第一导线组与第二导线组，而每组跨接层有第一跨接层和第二跨接层。此外，每个第一导线组有二个第一导线，而每个第二导线组有二个第二导线。进一步，针对由中心区域往外数的奇数组第一导线组和第二导线组，位于内侧的第一导线通过第一跨接层而和位于外侧的第二导线电连接，而位于外侧的第一导线通过第二跨接层而和位于内侧的第二导线电连接。另针对由中心区域往外数的偶数组第一导线组和第二导线组，位于内侧的第一导线通过第二跨接层而和位于外侧的第二导线电连接，而位于外侧的第一导线通过第一跨接层而和位于内侧的第二导线电连接。

本发明又提供一种对称电感元件，其包括设置在基底上的绝缘层、设置在该绝缘层内的至少一组第一导线组、设置在该绝缘层内的至少一组第二导线组及至少一组跨接层。其中，该组跨接层用于连接互相对应的第一导线组与第二导线组，而每组跨接层有第一跨接层和第二跨接层。除此，每个第一导线组有四个第一导线，而每个第二导线组有四个第二导线。进一步，在第一导线组中位于外侧的二个第一导线通过二个第一跨接层电连接于相对应的第二导线组中位于内侧的二个第二导线。在第一导线组中位于内侧的二个第一导线通过二个第二跨接层电连接于相对应的第二导线组中位于外侧的二个第二导线。

附图说明

图1是展示现有二匝对称型电感元件的平面示意图。

图2是展示现有二匝对称型电感元件的平面示意图。

图3是展示根据本发明实施例的二匝对称型电感元件的平面示意图。

图4是展示根据本发明另一实施例的二匝对称型电感元件的平面示意图。

简单符号说明

在现有技术的部分附图中

2～虚线；10～第一端；20～第二端；30、40～侧向延伸部；100～基底；101～第一半圈型导线层；103～第二半圈型导线层；102～第三半圈型导线层；104～第四半圈型导线层；110～绝缘层；111～下跨接层；113～上跨接层。

在本发明技术的部分附图中

4～虚线；50～第一端；60～第二端；70、80～侧向延伸部；300～基底；301、302、309、310～第一半圈型导线层；303、304、311、312～第二半圈型导线层；305、306、313、314～第三半圈型导线层；307、308、315、316～第四半圈型导线层；410～绝缘层；320、322～第一对连接层；321、323～第二对连接层；324、326～第三对连接层；325、327～第四对连接层；S～线距；W～线宽；601～中心区域；701、801～下连接层。

具体实施方式

以下结合图3说明本发明实施例的二匝对称电感元件的平面示意图。对称电感元件包括：绝缘层410、第一和第二绕线部以及耦接部。绝缘层410设置在基底300上。

基底300包括硅基底或其它现有的半导体基底。基底300中可包括各种不同的元件，例如晶体管、电阻及其它常用的半导体元件。再者，基底300也可包括其它导电层(例如，铜、铝、钨、或其合金)和绝缘层(例如，氧化硅层、氮化硅层或低介电材料层)。此处为了简化附图，仅以平整基底表示。

另外，绝缘层410可为单层低介电材料层或是多层介电结构。在本实施例中，绝缘层410可包括氧化硅层、氮化硅层或低介电材料层。

第一绕线部设置在绝缘层410内，且位于虚线4的第一侧。第一绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层301、303、305和307。第二绕线部设置在绝缘层410内，且位于虚线4的第二侧，而此第二侧相对于第一侧。第二绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层302、304、306和308。第二绕线部以虚线4为对称轴而对称于第一绕线部。第一和第二绕线部可构成大体为圆型、矩型、六边型、八边型或多边型的外型。此处，为简化附图，以八边型作为范例说明。再者，第一和第二绕线部的材料可由金属所构成，例如：铜、铝或其合金。

在一些实施例中，第一绕线部的第一、第二、第三和第四半圈型导线层301、303、305和307与第二绕线部的第一、第二、第三和第四半圈型导线层302、304、306和308可具有相同的线宽W与线距S。

再者，每一半圈型导线层具有第一端50和第二端60。在本实施例中，第一绕线部的第一和第三半圈型导线层301和305的第一端50相互耦接，且第二绕线部的第一和第三半圈型导线层302和306的第一端50相互耦接。举例而言，通过下连接层701以连接第一绕线部的第一和第三半圈型导线层301和305，而第二绕线部的第一和第三半圈型导线层302和306也通过另一个下连接层801以互相连接。

第一和第二绕线部的第一半圈型导线层301和302具有侧向延伸部70和80，用以作为信号输入或输出端。再者，第一绕线部的第二半圈型导线层303的第一端50延伸至第二绕线部的第二半圈型导线层304的第一端50以与其相互耦接。第一绕线部的第四半圈型导线层307的第一端50延伸至第二绕线部的第四半圈型导线层308的第一端50以与其相互耦接。

耦接部设置在第一与第二绕线部之间的绝缘层410内设置耦接部。该耦接部包括第一对连接层320和322和第二对连接层321和323，以连接第一和第二绕线部的第二端60。

在本发明的实施例中，为了维持电感元件几何对称性，第一对连接层320和322连接第一绕线部的第一半圈型导线层301的第二端60与第二绕线部的第二半圈型导线层304的第二端60。并且，连接层322连接第一绕线部的第四半圈型导线层307的第二端60与第二绕线部的第三半圈型导线层306的第二端60。再者，第二对连接层321和323连接第二绕线部的第一半圈型导线层302的第二端60与第一绕线部的第二半圈型导线层303的第二端60。连接层323连接第二绕线部的第四半圈型导线层308的第二端60与第一绕线部的第三半圈型导线层305的第二端60。

在第一对连接层(320和322)和第二对连接层(321和323)之中，一对为上跨接层而另一对为下跨接层。在本实施例中，第一对连接层320和322为上跨接层，而第二对连接层321和323为下跨接层。在其它实施例中，第一对连接层320和322可为下跨接层，而第二对连接层321和323为上跨接层。

在图3中，第一绕线部的第一和第三半圈型导线层301和305与第二绕线部的第二和第四半圈型导线层304和308可构成第一线圈，而此第一线圈可具有上跨接层和下跨接层以作为电连接层。除此，第二绕线部的第一和第三半圈型导线层302和306与第一绕线部的第二和第四半圈型导线层303和307可构成第二线圈，而此第二线圈可具有上跨接层和下跨接层以作为电连接层。也就是，第一线圈中上跨接层和下跨接层的数量相同于第二线圈中上跨接层和下跨接层的数量。

因此，第一线圈与基底300之间的寄生电容可大体相同于第二线圈与基底300之间的寄生电容，且第一线圈的导体损失也大体相同于第二线圈。在差动操作中，根据本发明的对称电感元件可因第一线圈与第二线圈具有大体相同的寄生电容和导体损失，而有效降低共模噪声。

以下结合图4说明本发明其它实施例的对称电感元件，其中相同于图3中对称电感元件的部件使用相同的标号并省略相关的说明。在本实施例中，对称电感元件还包括：第三绕线部、第四绕线部和第二耦接部。第三绕线部设置在第一绕线部外侧的绝缘层410内，且平行第一绕线部。第三绕线部包括依次排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层309、311、313和315。第四绕线部设置在第二绕线部外侧的绝缘层410内，且平行第二绕线部。第二绕线部包括依次排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层310、312、314和316。第三和第四绕线部可构成大体为圆型、矩型、六边型、八边型或多边型的外型。此处，为简化附图，以八边型作为范例说明。再者，第三和第四绕线部的材料可由金属所构成，例如：铜、铝或其合金。

在关于图4的实施例中，第三绕线部的第一、第二、第三和第四半圈型导线层309、311、313和315与第四绕线部的第一、第二、第三和第四半圈型导线层310、312、314和316可具有相同的线宽W与线距S。

在本实施例中，第三绕线部的第一和第三半圈型导线层309和313的第一端50相互耦接，并耦接至第一绕线部的第一圈型导线层301。第二绕线部的第一和第三半圈型导线层310和314的第一端50相互耦接，并耦接至第二绕线部的第一圈型导线层302。举例而言，通过下连接层701以连接第三绕线部的第一和第三半圈型导线层309和313，而第四绕线部的第一和第三半圈型导线层310和314也通过另一个下连接层801以互相连接。

第三和第四绕线部的第一半圈型导线层309和310分别具有侧向延伸部70和80，用以作为信号输入或输出端。再者，第三绕线部的第二半圈型导线层311的第一端50延伸至第二绕线部的第二半圈型导线层312的第一端50以与其相互耦接。第三绕线部的第四半圈型导线层315的第一端50延伸至第二绕线部的第四半圈型导线层316的第一端50以与其相互耦接。

在第三与第四绕线部之间的绝缘层410内设置耦接部，而此耦接部包括第三对连接层324和326、第四对连接层325和327，以连接第三和第四绕线部的第二端60。连接层324连接第三绕线部的第一半圈型导线层309的第二端60与第四绕线部的第二半圈型导线层312的第二端60，而连接层326连接第三绕线部的第四半圈型导线层315的第二端60与第四绕线部的第三半圈型导线层314的第二端60。再者，连接层325连接第四绕线部的第一半圈型导线层310的第二端60与第三绕线部的第二半圈型导线层311的第二端60，而连接层327连接第四绕线部的第四半圈型导线层316的第二端60与第三绕线部的第三半圈型导线层313的第二端60。

在第三对连接层(324和326)和第四对连接层(325和327)之中，一对为上跨接层而另一对为下跨接层。在本实施例中，见图4，第三对连接层324和326为上跨接层，而第四对连接层325和327为下跨接层。在其它实施例中，第三对连接层324和326可为下跨接层，而第四对连接层325和327为上跨接层。

在关于图4的实施例中，第一绕线部的第一和第三半圈型导线层301和305、第三绕线部的第一和第三半圈型导线层309和313、第二绕线部的第二和第四半圈型导线层304和308及第四绕线部的第二和第四半圈型导线层312和316可构成第一线圈；而第二绕线部的第一和第三半圈型导线层302和306、第四绕线部的第一和第三半圈型导线层310和314、第一绕线部的第二和第四半圈型导线层303和307及第三绕线部的第二和第四半圈型导线层311和315可构成第二线圈。此第一线圈和第二线圈可具有相同数量的上跨接层和下跨接层。因此，在差动操作中，此对称电感元件可有效降低共模噪声。

在本发明的实施例中，下跨接层和第一端或第二端的连接方式为，跨接层的二端分别连接一个孔洞(via)，此孔洞内有导体物质(例如：铜、铝或其合金等金属类物质)，而孔洞的一端和导线层的第一端或第二端电连接。除此，下连接层(701或801)和第一端的连接方式为，导线层的第一端连接一个孔洞，此孔洞内有导体物质(例如：铜、铝或其合金等金属类物质)，而孔洞的一端和下连接层电连接。

综合上述关于图3和图4的实施例的描述，我们可以对本发明的实施例中电感元件的设计做进一步阐述。

在图3和图4中，被导线层(或称导线)307和308等所包围的区域可视为中心区域601。由中心区域601往外，导线层307、303、308、304、315、311、316和312等可视为第奇数个导线，而导线层305、301、306、302、313、309、314和310等可视为第偶数个导线。各导线都具有第一端50和第二端60。而对中心区域601最远的二个导线(在图3中的导线301和302，或在图4中的导线309和310)，各导线的第一端50分别连接延伸部70和延伸部80。

关于导线的第一端50的连接方式有二类。一是，在虚线4同一侧的第偶数个导线的第一端是互相电连接的。二是，对于虚线4两侧的相对应的第奇数个导线，这些导线的第一端是互相电连接的。

关于第一类方式，举例而言，在图3中，在虚线4一侧的导线301和305，其属于第偶数个导线，而通过下连接层701电连接。在虚线4另一侧的导线302和306，其也属于第偶数个导线，而通过下连接层801电连接。另在图4中，在虚线4一侧的导线301、305、313和309，其属于第偶数个导线，而通过下连接层701电连接。在虚线4另一侧的导线306、302、314和310，其也属于第偶数个导线，而通过下连接层801电连接。应注意的是在图4的下连接层，其可是单一的连接层以连接所有的第偶数个导线，或者其可由多个连接层所构成，而此连接层仅电连接相邻两个第偶数个导线。

关于第二类方式，举例而言，在图3和图4中，在虚线4一侧的导线307、303、315和311等，其属于第奇数个导线，而这些导线分别和在虚线4另一侧的、互相对应的导线308、304、316和312等电连接。

关于导线的第二端60的连接方式，若以相邻的二导线(例如：导线307和305、导线308和306、导线303和301、导线304和302)为一导线组，每一导线组的内侧导线的第二端会电连接至相对应的导线组的外侧导线的第二端，而此连接是通过跨接层。也就是，以虚线4为中心而互相对应的导线组需要二个跨接层来相互电连接。而这二个跨接层可为上下交错的。举例而言，在图3与图4中，虚线4的一侧有第1组第一导线组(导线307和305)和第2组第一导线组(导线303和301)，而虚线4的另一侧有第1组第二导线组(导线308和306)和第2组第二导线组(导线304和302)。第1组第一导线组和第1组第二导线组间有二个跨接层322和323，而第2组第一导线组和第2组第二导线组间有二个跨接层320和321。

在图3和图4中，由中心区域601往外数的第奇数组导线组可具有相同的跨接层上下交错的结构，而此结构不同于第偶数组导线组的跨接层上下交错的结构。举例而言，当连接第1组第一导线组的内侧导线307和第1组第二导线组的外侧导线306的跨接层是与导线设置在同一层时，第2组第一导线组的内侧导线305和第2组第二导线组的外侧导线302的跨接层将置于导线层的下方。此时，连接第1组第一导线组的外侧导线305和第1组第二导线组的内侧导线308的跨接层是置于导线层下方，而第2组第一导线组的外侧导线301和第2组第二导线组的外内导线304的跨接层是与导线设置于同一层。

关于导线的第二端60的连接方式，也可以相邻的四个导线(例如：导线307、305、303和301，导线308、306、304和302)为一导线组而阐述。

举例而言，在图3和图4中，导线307、305、303和301等构成第一导线组，而导线308、306、304和302等构成第二导线组。第一导线组的外侧导线301和307的第二端通过第一跨接层(320和322)而电连接至第二导线组的内侧导线304和306的第二端。而第一导线组的内侧导线303和305的第二端也通过第二跨接层(321和323)而电连接至第二导线组的外侧导线302和308的第二端。

除此，第一跨接层(320和322)和第二跨接层(321和323)是上下交错的。而此上下交错的原则包括：

(1)在第一跨接层(320和322)和第二跨接层(321和323)中，一跨接层会和导线层同一层，而另一跨接层会置于导线层的下方。

(2)靠近中心区域601的二个跨接层(322和323)会上下交错，而远离中心区域601的二个跨接层(320和321)会上下交错。

值得注意的是，在本发明的实施例中，关于导线层第二端的电连接方式，其未在第一端处实行的原因是，可避免由基底产生的寄生电容所造成的电感对称性破坏的问题。

虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与修改，因此本发明的保护范围当以所附权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种对称电感元件，包括：

绝缘层，设置在基底上；

第一和第二绕线部，相互对称设置在该绝缘层内，每一绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层，且每一半圈型导线层具有第一端和第二端，其中每一绕线部的该第一和该第三半圈型导线层的该第一端相互耦接、该第二半圈型导线层的该第一端相互耦接、并且该第四半圈型导线层的该第一端相互耦接；和

第一耦接部，设置在该第一与该第二绕线部之间的该绝缘层内，包括：

第一对连接层，分别连接该第一绕线部的该第一半圈型导线层与该第二绕线部的该第二半圈型导线层的该第二端和该第一绕线部的该第四半圈型导线层与第二绕线部的该第三半圈型导线层的该第二端；

第二对连接层，分别连接该第二绕线部的该第一半圈型导线层与该第一绕线部的该第二半圈型导线层的该第二端和该第二绕线部的该第四半圈型导线层与第一绕线部的该第三半圈型导线层的该第二端；

其中该第一对和该第二对连接层中一对为上跨接层而另一对为下跨接层。

2.如权利要求1所述的对称电感元件，还包括：

第三和第四绕线部，设置在该第一和第二绕线部外侧的该绝缘层内，且分别平行该第一和第二绕线部，每一绕线部包括依次同心排列的第一、第二、第三和第四半圈型导线层，且每一半圈型导线层具有第一端和第二端，其中每一绕线部的该第一和该第三半圈型导线层的该第一端相互耦接、该第二半圈型导线层的该第一端相互耦接、并且该第四半圈型导线层的该第一端相互耦接；和

第二耦接部，设置在该第三与该第四绕线部之间的该绝缘层内，包括：

第三对连接层，分别连接该第三绕线部的该第一半圈型导线层与该第四绕线部的该第二半圈型导线层的该第二端和该第三绕线部的该第四半圈型导线层与第四绕线部的该第三半圈型导线层的该第二端；和

第四对连接层，分别连接该第四绕线部的该第一半圈型导线层与该第三绕线部的该第二半圈型导线层的该第二端和该第四绕线部的该第四半圈型导线层与第三绕线部的该第三半圈型导线层的该第二端；

其中该第三对和该第四对连接层中一对为上跨接层而另一对为下跨接层。

3.一种对称电感元件，包括：

绝缘层，设置在基底上；

至少二组第一导线组，设置在该绝缘层内，其中每个第一导线组有二个第一导线；

至少二组第二导线组，设置在该绝缘层内，其中每个第二导线组有二个第二导线；

中心区域，其被该第一导线组和该第二导线组所包围；和

至少一组跨接层，用于连接互相对应的第一导线组与第二导线组，其中每组跨接层有第一跨接层和第二跨接层；

其中，针对由中心区域往外数的奇数组第一导线组和第二导线组，位于内侧的第一导线通过第一跨接层而和位于外侧的第二导线电连接，而位于外侧的第一导线通过第二跨接层而和位于内侧的第二导线电连接；

其中，针对由中心区域往外数的偶数组第一导线组和第二导线组，位于内侧的第一导线通过第二跨接层而和位于外侧的第二导线电连接，而位于外侧的第一导线通过第一跨接层而和位于内侧的第二导线电连接。

4.如权利要求3所述的对称电感元件，其中第一导线组中位于外侧的第一导线电连接于相邻的第一导线组中位于外侧的第一导线。

5.如权利要求3所述的对称电感元件，其中第二导线组中位于外侧的第二导线电连接于相邻的第二导线组中位于外侧的第二导线。

6.如权利要求3所述的对称电感元件，其中第一导线组中位于内侧的第一导线电连接于相对应第二导线组中位于内侧的第二导线。

7.一种对称电感元件，包括：

绝缘层，设置在基底上；

至少一个第一导线组，设置在该绝缘层内，其中该第一导线组有四个第一导线；

至少一个第二导线组，设置在该绝缘层内，其中该第二导线组有四个第二导线；和

至少一组跨接层，用于连接互相对应的第一导线组与第二导线组，其中每组跨接层有第一跨接层和第二跨接层；

其中，在该第一导线组中位于外侧的二个第一导线通过二个第一跨接层电连接于该第二导线组中位于内侧的二个第二导线，且在该第一导线组中位于内侧的二个第一导线通过二个第二跨接层电连接于该第二导线组中位于外侧的二个第二导线。

8.如权利要求7所述的对称电感元件，其中，在每个导线组中，由内往外数的第偶数个导线是互相电连接的。

9.如权利要求7所述的对称电感元件，其中，导线组中由内往外数的第偶数个导线电连接于相邻的导线组中由内往外数的第偶数个导线。

10.如权利要求7所述的对称电感元件，其中，在第一导线组中由内往外数的第奇数个第一导线电连接于相对应的第二导线组中由内往外数的第奇数个第二导线。

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