TW201834177A - 半導體元件 - Google Patents

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Abstract

一種包含兩繞組之半導體元件。第一繞組實質上位於一半導體結構之一第一金屬層，包含：一第一外部線圈；一第一內部線圈；以及一第一跨接結構，位於該第一內部線圈所實質包圍之範圍內，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈。第二繞組實質上位於該半導體結構之一第二金屬層，包含：一第二外部線圈；一第二內部線圈；以及一第二跨接結構，位於該第二內部線圈所實質包圍之範圍內，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈。該第一跨接結構實質上位於該半導體結構之該第二金屬層，以及該第二跨接結構實質上位於該半導體結構之該第一金屬層。

Description

半導體元件
本發明是關於半導體元件，尤其是關於變壓器以及平衡-非平衡式變壓器。
電感、變壓器以及平衡-非平衡式(balance to unbalance)變壓器為射頻積體電路中用來實現單端-差動訊號轉換、訊號耦合、阻抗匹配等功能的重要元件。隨著積體電路往系統單晶片(System on Chip，SoC)發展，積體電感(integrated inductor)及積體變壓器(integrated transformer)已逐漸取代傳統的分離式元件，而被廣泛地使用在射頻積體電路中。然而，由於半導體結構中低阻值的金屬層稀少，且積體電路中的被動元件(例如電感、變壓器以及平衡-非平衡式變壓器)往往會佔用大量的晶片面積，因此，如何善用該些低阻值的金屬層以及縮小被動元件的面積並同時維持元件的特性(例如電感值、品質因數(quality factor，Q)及耦合係數(coupling coefficient，K)等)，成為一個重要的課題。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種面積小及特性佳的半導體元件。
本發明揭露一種半導體元件，包含一第一繞組及一第二繞組。該第一繞組，實質上位於一半導體結構之一第一金屬層，包含：一第一外部線圈；一第一內部線圈，位於該第一外部線圈所實質包圍之一第一範圍內；以及一第一跨接結構，位於該第一內部線圈所實質包圍之一第二範圍內，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈。該第二繞組，實質上位於該半導體結構之一第二金屬層，包含：一第二外部線圈；一第二內部線圈，位於該第二外部線圈所實質包圍之一第三範圍內；以及一第二跨接結構，位於該第二內部線圈所實質包圍之一第四範圍內，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈。該第一跨接結構實質上位於該半導體結構之該第二金屬層，以及該第二跨接結構實質上位於該半導體結構之該第一金屬層。
本發明另揭露一種半導體元件，實質上對稱於一對稱軸，包含一第一繞組及一第二繞組。該第一繞組，具有一第一端點、一第二端點及一第三端點，實質上位於一半導體結構之一第一金屬層，包含：一第一外部線圈，其中該第一端點及該第二端點位於該第一外部線圈；一第一內部線圈，位於該第一外部線圈所實質包圍之一第一範圍內；以及一中央抽頭，形成該第三端點且實質上位於該半導體結構之一第二金屬層，其中該中央抽頭由該第一內部線圈所實質包圍之一第二範圍內延伸至該第一範圍外且對稱於該對稱軸。該第二繞組，具有一第四端點及一第五端點，實質上位於該半導體結構之該第一金屬層，包含：一第二外部線圈，其中該第四端點及該第五端點位於該第二外部線圈；以及一第二內部線圈，位於該第二外部線圈所實質包圍之一第三範圍內。
本發明另揭露一種半導體元件，製作於一半導體結構中的三層金屬層，包含一第一繞組、一第二繞組及一第三繞組。該第一繞組，包含：一第一外部線圈，位於一第一金屬層；一第一內部線圈，位於該第一金屬層，且位於該第一外部線圈所實質包圍之範圍內；以及一第一跨接結構，位於一第二金屬層，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈。該第二繞組，包含：一第二外部線圈，位於該第一金屬層；一第二內部線圈，位於該第一金屬層，且位於該第二外部線圈所實質包圍之範圍內；以及一第二跨接結構，位於該第二金屬層，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈。該第三繞組，與該第一繞組或該第二繞組實質上重疊，包含：一第三外部線圈，位於一第三金屬層；一第三內部線圈，位於該第三金屬層，且位於該第三外部線圈所實質包圍之範圍內；以及一第三跨接結構，位於該第一金屬層或該第二金屬層，用來連接該第三外部線圈及該第三內部線圈。該第三跨接結構及與其相連接之金屬線段共同形成一ㄇ字形結構。
本發明之半導體元件占用的金屬層數少，因此其大多數的金屬線段可以製作於半導體結構中阻值較低的金屬層，以得到較佳的元件特性。相較於傳統技術，本發明之半導體元件製作更簡單，且具有更好的元件特性。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下說明內容之技術用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
圖1為本發明之半導體元件之一實施例的結構圖。半導體元件100可用作變壓器或平衡-非平衡式變壓器，包含繞組(winding)110及繞組120。繞組110包含端點111a~111c(111c為繞組110之中央抽頭的端點)、金屬線段112~114以及跨接結構115。跨接結構115包含金屬線段115a及115b。跨接結構115實質上位於半導體結構的第一金屬層(以淺灰色表示，例如重佈線層(Re-Distribution Layer, RDL))。除了金屬線段115a及115b之外，繞組110位於半導體結構的第二金屬層(以深灰色表示，例如超厚金屬(Ultra Thick Metal, UTM)層)，也就是說，繞組110實質上位於第二金屬層。類似地，繞組120包含端點121a~121c(121c為繞組120之中央抽頭的端點)、金屬線段122~124以及跨接結構125。跨接結構125包含金屬線段125a及125b。跨接結構125實質上位於半導體結構的第二金屬層。除了金屬線段125a及125b之外，繞組120位於半導體結構的第一金屬層，也就是說繞組120實質上位於第一金屬層。繞組110及繞組120皆為對稱結構(各自對稱於中央抽頭之延伸)。跨接結構115的金屬線段115a(115b同理)及與其相連接之金屬線段共同形成ㄇ字形的結構，且兩金屬線段115a及115b實質上平行。
金屬線段112及金屬線段113構成繞組110的外部線圈，金屬線段114構成繞組110的內部線圈。內部線圈位於外部線圈所實質包圍的範圍116內。跨接結構115位於內部線圈所實質包圍的範圍117內，用來連接外部線圈及內部線圈。詳言之，金屬線段115a透過貫穿位置上的導孔結構、導孔陣列或是直通矽晶導孔(Through-Silicon Via, TSV)連接金屬線段112及114；金屬線段115b連接金屬線段113及114。類似地，對繞組120而言，金屬線段122及金屬線段123構成繞組120的外部線圈，金屬線段124構成繞組120的內部線圈。內部線圈位於外部線圈所實質包圍的範圍126內。跨接結構125位於內部線圈所實質包圍的範圍127內，用來連接外部線圈及內部線圈。詳言之，金屬線段125a連接金屬線段122及124；金屬線段125b連接金屬線段123及124。
半導體元件100的俯視圖如圖2所示，繞組110實質上與繞組120重疊。詳言之，繞組110與繞組120兩者的外部線圈重疊，以及兩者的內部線圈重疊。繞組110及繞組120的磁場垂直耦合(vertical coupling，垂直於第一或第二金屬層，亦即垂直於繞組110或120所在的平面)，因此半導體元件100形成堆疊式的變壓器或平衡-非平衡式變壓器，亦即以繞組110及120的其中一者作為一次側線圈，另一者作為二次側線圈。由圖2可見，半導體元件100只占用半導體結構的兩層金屬層，使得半導體元件100不僅更容易實作(尤其適合積體被動元件(integrated passive device)製程，因為該製程最多只包含三層金屬層)，而且所有的金屬線段皆可製作於半導體結構中阻值較低的RDL及UTM層，使得半導體元件100具有高耦合係數。此外，繞組110及120本身亦具有極佳的對稱性。當繞組110(或120)單獨用作一電感元件(包含兩個感應單元，其中一者以端點111a及111c為其兩端，且包含金屬線段112、金屬線段115a以及金屬線段114的左半部，另一者以端點111b及111c為其兩端，且包含金屬線段113、金屬線段115b以及金屬線段114的右半部)時，兩個感應單元的電感特性幾乎完全一致。
圖3為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖。半導體元件200與半導體元件100類似，差別在於半導體元件200所包含的繞組210及繞組220各為三圈的結構，因此各包含兩個跨接結構。以繞組210為例，跨接結構215位於內部線圈所實質包圍的範圍217內，以及跨接結構218位於外部線圈所實質包圍的範圍216外。繞組220具有相似的結構，不再贅述。半導體元件200的俯視圖如圖4所示，繞組210與繞組220實質上重疊。半導體元件200以兩端點211a及211b作為輸出埠及輸入埠的其中一者，以兩端點221a及221b作為另一者，繞組210及繞組220的中央抽頭可以例如是接地。輸出/入埠形成於繞組210及220的外部線圈。如圖所示，輸出/入埠之兩端點間的距離大於跨接結構之兩金屬線段的長度(例如端點221a及221b之間的距離大於金屬線段218a及218b的長度)。
圖5A及5B分別顯示半導體元件200的金屬線段在下層金屬層及上層金屬層的分佈。由圖可以明顯看出，本發明的半導體元件200只需兩層金屬層，而且當兩個繞組的圈數相同時，將其中一層的所有金屬線段的分佈上下翻轉(翻轉180度)後，即得到另一層的所有金屬線段的分佈。詳言之，將圖5A沿軸線A-A’翻轉，即可得到圖5B；反之亦然。軸線A-A’垂直於中央抽頭，且大致平均劃分內部及外部線圈所圍繞的範圍。在其他實施例中，半發明之半導體元件的兩繞組可以具有不同的圈數。
因為半導體元件100(或200)僅使用二層金屬層，所以可以被製作於半導體結構中具有低阻值的RDL及UTM層。當元件需流過大電流(例如應用在功率放大器)時，因為低阻值金屬層可以承受高耐流且具有較低的寄生電阻，所以元件的特性可以獲得提升。
圖6A及圖6B為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖。圖6A為一側向耦合(lateral coupling)的平面變壓器，實質上位於半導體結構的同一金屬層(亦即除了跨接結構及中央抽頭之外，其餘金屬線段位於圖中以淺灰色表示之金屬層)，且對稱於對稱軸330。半導體元件300由兩個繞組所組成。
第一繞組(以斜線線段表示)具有端點311a、311b及311c，其中端點311c為第一繞組的中央抽頭319的端點。中央抽頭319亦對稱於對稱軸330。第一繞組包含一外部線圈(由金屬線段312及金屬線段313的左半部構成)，及至少一內部線圈(例如由金屬線段314及金屬線段315的右半部構成)。端點311a及311b位於外部線圈。內部線圈位於外部線圈所實質包圍的範圍316內。中央抽頭製作於另一金屬層(以深灰色表示)，且由內部線圈所實質包圍的範圍317之內延伸至範圍316之外。第一繞組事實上包含兩個感應單元，其中一者以端點311a及311c作為其兩端點，另一者以端點311b及311c作為其兩端點。
第二繞組位於範圍316之內，且具有端點321a及321b。類似地，第二繞組具有外部線圈及內部線圈，內部線圈位於外部線圈所實質包圍的範圍內。端點321a及321b位於外部線圈。
半導體元件300尚包含複數個跨接結構(位於對稱軸330上，製作於以深灰色表示之金屬層)，用來連接繞組的外部線圈及內部線圈，或相鄰的兩個內部線圈。中央抽頭319不與跨接結構重疊。
圖6B單獨顯示中央抽頭319。中央抽頭319為封閉的多邊形(或是圓形)結構，對稱於對稱軸330。如圖6A所示，中央抽頭319所圍繞的範圍內至少包含一個跨接結構。
圖7為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖。半導體元件400包含半導體元件300及繞組410。繞組410實作於一第三金屬層，第三金屬層不同於半導體元件300所占用之兩層金屬層。繞組410包含一外部線圈(由金屬線段412及金屬線段413構成)，及至少一內部線圈(例如由金屬線段414構成)。端點411a及411b位於外部線圈。內部線圈位於外部線圈所實質包圍的範圍416內。端點411c為繞組410的中央抽頭的端點。繞組410包含跨接結構415及418，用來連接外部線圈與內部線圈。跨接結構415(或418)主要包含兩金屬線段。兩金屬線段製作於半導體元件300所占用之兩金屬層的其中之一。因此當半導體元件300及繞組410疊合形成一個由三個繞組所組成的半導體元件400時(其俯視圖如圖8所示)，該元件實際上只占用半導體結構中的三層金屬層。在本實施例中，跨接結構415(或418)位於範圍416之外，然而在其他實施例中，跨接結構415(或418)亦可製作於範圍417之內。
當半導體元件400作為平衡-非平衡式變壓器使用時，半導體元件300的兩個繞組的組合可用於將差動訊號轉換為單端訊號(例如應用於射頻電路的輸出端)，半導體元件300的其中一繞組及繞組410的組合可用於將單端訊號轉換為差動訊號(例如應用於射頻電路的輸入端)。詳言之，當半導體元件400應用於射頻電路的輸出端時，差動訊號由第一繞組的兩端點311a及311b輸入，由第二繞組的端點321a輸出(端點311c及321b接地)；當半導體元件400應用於射頻電路的輸入端時，單端訊號由端點321a輸入，由繞組410的兩端點411a及411b輸出(端點321b 及411c接地)。也就是說半導體元件400可由一個射頻電路的輸出端及輸入端共用，且只占用三層金屬層。
請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸以及比例等僅為示意，係供本技術領域具有通常知識者瞭解本發明之用，非用以限制本發明。再者，前揭實施例雖以積體變壓器及積體平衡-非平衡式變壓器為例，然此並非對本發明之限制，本技術領域人士可依本發明之揭露適當地將本發明應用於其它類型的半導體元件。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300、400‧‧‧半導體元件
111a~111c、121a~121c、211a~211b、221a~221b、311a~311c、321a~321b、411a~411c‧‧‧端點
110、120、210、220、410‧‧‧繞組
112~114、115a、115b、122~124、125a、125b、218a、218b、312~315、412~414‧‧‧金屬線段
115、125、215、218、415、418‧‧‧跨接結構
116、117、126、127、216、217、316、317、416、417‧‧‧範圍
319‧‧‧中央抽頭
330‧‧‧對稱軸
［圖1］為本發明之半導體元件之一實施例的結構圖； ［圖2］為半導體元件100的俯視圖； ［圖3］為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖； ［圖4］為半導體元件200的俯視圖； ［圖5A］~［圖5B］分別顯示半導體元件200的金屬線段在下層金屬層及上層金屬層的分佈； ［圖6A］~［圖6B］為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖； ［圖7］為本發明之半導體元件之另一實施例的結構圖；以及 ［圖8］為半導體元件400的俯視圖。

Claims (10)

  1. 一種半導體元件，包含： 一第一繞組，實質上位於一半導體結構之一第一金屬層，包含： 一第一外部線圈； 一第一內部線圈，位於該第一外部線圈所實質包圍之一第一範圍內；以及 一第一跨接結構，位於該第一內部線圈所實質包圍之一第二範圍內，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈；以及 一第二繞組，實質上位於該半導體結構之一第二金屬層，包含： 一第二外部線圈； 一第二內部線圈，位於該第二外部線圈所實質包圍之一第三範圍內；以及 一第二跨接結構，位於該第二內部線圈所實質包圍之一第四範圍內，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈； 其中，該第一跨接結構實質上位於該半導體結構之該第二金屬層，以及該第二跨接結構實質上位於該半導體結構之該第一金屬層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體元件，其中該第一跨接結構包含位於該第二金屬層之一第一金屬線段及一第二金屬線段。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體元件，其中該第一金屬線段及該第二金屬線段實質上平行。
  4. 如申請專利範圍第2項所述之半導體元件，其中該第一金屬線段及與其相連接之金屬線段共同形成一ㄇ字形。
  5. 一種半導體元件，實質上對稱於一對稱軸，包含： 一第一繞組，具有一第一端點、一第二端點及一第三端點，實質上位於一半導體結構之一第一金屬層，包含： 一第一外部線圈，其中該第一端點及該第二端點位於該第一外部線圈； 一第一內部線圈，位於該第一外部線圈所實質包圍之一第一範圍內；以及 一中央抽頭，形成該第三端點且實質上位於該半導體結構之一第二金屬層，其中該中央抽頭由該第一內部線圈所實質包圍之一第二範圍內延伸至該第一範圍外且對稱於該對稱軸；以及 一第二繞組，具有一第四端點及一第五端點，實質上位於該半導體結構之該第一金屬層，包含： 一第二外部線圈，其中該第四端點及該第五端點位於該第二外部線圈；以及 一第二內部線圈，位於該第二外部線圈所實質包圍之一第三範圍內。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體元件，其中該半導體元件更包含： 一第一跨接結構，實質上位於該第二金屬層，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈；以及 一第二跨接結構，實質上位於該第二金屬層，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈； 其中，該中央抽頭對稱於該對稱軸，但不與該第一跨接結構或該第二跨接結構重疊。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之半導體元件，其中該中央抽頭係為一封閉的多邊形結構，該封閉的多邊形結構對稱於該對稱軸且圍繞出一第四範圍。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之半導體元件，更包含： 一第三繞組，實質上位於該半導體結構之一第三金屬層，包含： 一第三外部線圈； 一第三內部線圈，位於該第三外部線圈所實質包圍之一第四範圍內；以及 一跨接結構，位於該第三內部線圈所實質包圍之一第五範圍內，或位於該第四範圍外，用來連接該第三外部線圈及該第三內部線圈； 其中，該跨接結構實質上位於該半導體結構之該第一金屬層或該第二金屬層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之半導體元件，其中該跨接結構及與其相連接之金屬線段共同形成一ㄇ字形。
  10. 一種半導體元件，製作於一半導體結構中的三層金屬層，包含： 一第一繞組，包含： 一第一外部線圈，位於一第一金屬層； 一第一內部線圈，位於該第一金屬層，且位於該第一外部線圈所實質包圍之範圍內；以及 一第一跨接結構，位於一第二金屬層，用來連接該第一外部線圈及該第一內部線圈； 一第二繞組，包含： 一第二外部線圈，位於該第一金屬層； 一第二內部線圈，位於該第一金屬層，且位於該第二外部線圈所實質包圍之範圍內；以及 一第二跨接結構，位於該第二金屬層，用來連接該第二外部線圈及該第二內部線圈；以及 一第三繞組，與該第一繞組或該第二繞組實質上重疊，包含： 一第三外部線圈，位於一第三金屬層； 一第三內部線圈，位於該第三金屬層，且位於該第三外部線圈所實質包圍之範圍內；以及 一第三跨接結構，位於該第一金屬層或該第二金屬層，用來連接該第三外部線圈及該第三內部線圈； 其中，該第三跨接結構及與其相連接之金屬線段共同形成一ㄇ字形結構。
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