TWI408796B - 交插式三維晶片上差動電感器及變壓器 - Google Patents

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Description

交插式三維晶片上差動電感器及變壓器 相關申請之相互參考
本案請求關於由Daquan Huang和Mau.Chung、F.Chang等人之2005年8月4日所建檔之美國暫定專利申請序號60/705,868案之權益，其名稱是"交插式三維晶片上差動電感器和變壓器"，其所有揭示在法律和規定所允許之下整體地配合此處以為參考。
關於聯邦贊助研究或發展之聲明
本發明由美國海軍所授予之准予序號N66001－04－1－8934下的美國政府所支援。美國政府於本發明中具有某些權益。
發明領域
本揭示係關於電感器和變壓器。特別是，關於改進之晶片上電感器和變壓器以及其方法。
 發明背景
晶片上電感器和變壓器是無線電頻率/毫米波積體電路(RF/MMIC)中主要的被動構件。晶片上差動電感器是於具有差動結構之任何電路中非常需要的，例如，於放大器、混訊裝置/電壓控制震盪器(VCO)和相位鎖定迴路(PLL)/合成器、分頻器以及許多其他結構中。
一些習知的晶片上電感器和變壓器裝置包含：(1)單一端點多層晶片上電感器；(2)平面晶片上差動電感器，其不使用多數個金屬層；(3)平面晶片上變壓器，其不使用多數個金屬層；(4)多層適配器變壓器，其實現單一端點至平衡的轉換。
Kyriazidou之美國專利序號6,759,937B2案，揭示一晶片上差動多層電感器，於一實施例中，其包含第一層上之第一部份繞線組、該第一層上之第二部份繞線組、第二層上之第三部份繞線組、該第二層上之第四部份繞線組、以及一互連結構。該第一層上之第一和第二部份繞線組是可操作地被耦合以接收一差動輸入信號。該第二層上之第三和第四部份繞線組是各可操作地被耦合至一中心分接頭。該互連結構耦合第一、第二、第三和第四部份繞線組，以至於該第一和第三部份繞線組形成一繞線組，其是大約地對稱於利用第二和第四部份繞線組被形成之繞線組的中心分接頭。該第一、第二、第三和第四部份繞線組是供用於多數部件上，但不是整體地垂直對齊且不是大約地對稱於中心線(見第4圖之多層差動電感器實施例以及第6圖之另一實施例，多圈、多層差動電感器)。於電感器中，其所需求的是在該繞線組之間以磁耦合取代電氣耦合。垂直對齊使得經由在繞線組之間的電容之電氣耦合增高。
Castaneda等人之美國專利序號US6,707,367B2案揭示一晶片上多分接頭轉換適配器，包含具有二部分之第一繞線組和第二繞線組。Castaneda等人揭示一種單層結構，於其中多數個繞線組被安置於相同層上。這型式之結構具有一相對大之尺度。由於該大尺度，成本和低自我共振頻率是爭議點。該大尺寸是昂貴的，因為晶片之實際佔用區域是昂貴的。由於這原因，許多努力已經致力於自微米縮小至次微米至深次微米尺度之技術。
Gevorgian等人之美國專利序號US6,603,383案揭示一種多層、平衡－未平衡的信號變壓器，其包含一第一線圈和一第二線圈，該變壓器在適配變壓器一端提供至少一個平衡信號埠以及在該適配變壓器之另一端提供一未平衡信號埠。該線圈繞線組是垂直地對齊。於變壓器中，其所需要的是在主要和次要線圈之間以磁耦合取代電氣耦合。垂直對齊使得在繞線組之間經由電容之電氣耦合增高。
雖然上面揭示之專利裝置提供優點，但它們仍然可被改進。例如，於'367專利揭示之裝置使用相同層上之多數個繞線組(稱為一種單層結構)。這裝置相對大之尺度引起成本和低自我共振頻率之爭議。該'383和'937專利之裝置使用垂直地對齊之繞線組。但是，在變壓器中，在主要和次要線圈之間的磁耦合是比電氣耦合較佳，但是，由於在繞線組之間的電容，垂直對齊導致高電氣耦合。
需要自上述相關以及習知的裝置中，設計與製造晶片上電感器和變壓器，使其具有小尺度、高品質係數(Q係數)、大電感係數、高耦合率以及高自我共振頻率之特性。在其中基片是有損的以矽為主之積體電路中，尤其重要的是，儘可能地使晶片上電感器和變壓器消耗小的佔用區域，因為大電感器/變壓器區域在晶片上電感器/變壓器之間誘發大的寄生電容，並且該基片不僅是經由矽基片自其他電路部件拾取非所需的雜訊，同時也嚴重地限制該晶片上電感器和變壓器之自我共振頻率。
 發明概要
下面所揭示之裝置和方法達成這些目標。藉由完全地交錯繞線組，所揭示之實施例減少電氣耦合然而卻藉由電感式耦合而共用在主要和次要線圈之間的一些鐵芯以增加磁耦合。
交插式三維(3D)晶片上差動電感器和變壓器被揭示。該交插式三維晶片上差動電感器和變壓器充分使用主流標準處理程序中之多數金屬層，例如，CMOS、BiCMOS、以及矽鍺技術。
藉由分離一線圈之各圈成為二部份的繞線組並且交插式地置放它們於不同的層中，交插式三維晶片上差動電感器和變壓器被提供而具有最小化尺度、減少寄生電容、較高的自我共振頻率、增加的互感係數、較高耦合效率以及較高的Q係數。
此處揭示之三維晶片上差動電感器和變壓器具有多數個線圈，其是"交插式"的以便儘可能地分隔相鄰繞線組而減少寄生電容。如在這說明中被使用之"交插式"的含義(並且不同於辭典中)指示共用一共同軸(任意地被選擇為垂直方向)之至少兩個線圈的組態並且大致彼此平行地進行，於其中該線圈之相鄰的部份繞線組是垂直及水平地分隔，以便減少寄生電容。
於此處所揭示之交插式三維晶片上差動電感器和變壓器的進一步論點中，一電感式三維晶片上裝置被提供，而包含第一線圈以及第二線圈，該第一和第二線圈各包含以一共同軸為中心之依序地連接之繞線組，其中該第一線圈之繞線組是與該相鄰的第二線圈繞線組交插。
於此處所揭示之交插式三維晶片上差動電感器和變壓器的另一論點中，一交插式三維晶片上差動電感器被提供，其包含被形成於一晶片上之多數層上並且共用一共同對齊軸的第一和第二線圈，該第一和第二線圈各包含多數個部份繞線組，其中各部份繞線組被配置於一個層上而連接於通過該等層之第一和第二線圈之各線圈的連續部份繞線組之間；且其中該第一和第二線圈的部份繞線組一般是垂直於該共同對齊軸並且是交插式。
於此處所揭示之交插式三維晶片上差動電感器和變壓器的另一論點中，一交插式三維晶片上變壓器被提供，其包含：被形成於一晶片上且共用一共同對齊軸之多數層上的第一和第二線圈，該第一和第二線圈各包含多數個部份繞線組，其中各個部份繞線組被配置於一個層上而連接於通過該等層之第一和第二線圈之各線圈的連續部份繞線組之間，而該等層則是分離各第一和第二線圈之連續的部份繞線組；其中第一和第二線圈之部份繞線組一般是垂直於該共同對齊軸並且是交插式；第三和第四線圈，其被形成於該晶片的多數層上並且共用該共同對齊軸，該第三和第四線圈各包含多數個部份繞線組，其中各個部份繞線組被配置於一個層上而連接於通過該等層之第三和第四線圈之各線圈的連續部份繞線組之間，而該等層分開各該第三和第四線圈之連續的繞線組；並且其中該第三和第四線圈的部份繞線組一般是垂直於該共同對齊軸並且是交插式。
於此處所揭示之交插式三維晶片上差動電感器和變壓器的進一步論點中，一種用於得到三維晶片上差動電感器之方法被提供，其包含：形成一基片於一晶片上之連續層中；配置二組部份繞線組於各層上，該等部份繞線組具有一共同軸並且形成一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀；連接被配置於該等層之一層上的各該部份繞線組至一相鄰層之一個部份繞線組；其中一層之該等部份繞線組被配置以便與該等相鄰層的部份繞線組交插。
圖式簡單說明
本揭示將自下面配合相關圖形的詳細說明而更徹底地被了解與領會。該等圖形將於下面詳細說明。
第1圖是交插式晶片上差動電感器較佳實施例之分解等高圖。
第2圖是沿著如第1圖展示之平面2-2採取的第1圖交插式晶片上差動電感器之截面圖。該基片以虛線被展示以強調該繞線組。
第3圖是第1圖之交插式晶片上差動電感器的分解端視圖，於其中該基片是暗藏的。
第4A和4B圖是交插式三維晶片上變壓器第一較佳實施例之二種形式之等高圖，於其中該變壓器包含二組交插式差動電感器。
第5圖是沿著如於第4A和4B圖展示之平面5－5採用的第4A和4B圖之交插式晶片上變壓器的截面圖。
第6A和6B圖是第4A和4B圖之交插式晶片上變壓器的分解端視圖，於其中該基片是不可見的。
第7圖是交插式三維晶片上變壓器之第二較佳實施例之分解等高圖，於其中該變壓器包含二組交插式差動電感器。
第8和9圖展示交插式晶片上差動電感器之部份繞線組的各種形狀之頂視圖。這些形狀同時也應用至晶片上變壓器。
第10圖展示交插式晶片上差動電感器電路圖，其具有一可變電容器以便調諧共振頻率。
第11圖展示交插式晶片上變壓器電路圖，其具有一可變電容器以便調整其共振頻率。
第12圖是依據本揭示之變壓器的品質係數和電感係數作為頻率之函數的圖形。
第13圖是依據本揭示之變壓器的耦合係數作為頻率之函數的圖形。
 較佳實施例之詳細說明
依據本揭示，交插式三維晶片上差動電感器和變壓器被提供。
上述之交插式三維晶片上差動電感器和交插式晶片上變壓器利用本技術的習知標準處理程序被製造，例如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)、雙極性接合電晶體和CMOS整合技術(BiCMOS)、以及矽－鍺(SiGe)技術。
下面說明之交插式三維晶片上差動電感器和交插式晶片上變壓器以包含繞線組之層方式被製造。於層被建立時繞線組被成型、被置放、或以不同的方式被安置於層上。該等繞線組利用導孔被連接在該等層之間。
第1圖展示交插式晶片上差動電感器之較佳實施例的透視分解圖，其一般以參考號碼10被辨識。第2圖展示一截面圖並且第3圖是第1圖展示之交插式晶片上差動電感器10的分解端視圖。應注意到，第2圖中截面背後的資訊被刪除以便較容易地理解該圖形。
第1圖展示之交插式晶片上差動電感器10被安置於或結合於一般非傳導基片的六個層之上，該一般非傳導基片被建立於由半導體，例如，p－型矽(依據被採用之晶片製造技術)所構成之晶片頂部上(因此稱為"晶片上")。該交插式晶片上差動電感器10包含第一線圈20以及第二線圈30，其利用中心分接頭40和筆直連接50而被接合於底部。第一線圈20具有接埠60並且第二線圈30在頂部具有接埠70。第一線圈20和第二線圈30利用筆直連接50和中心分接頭40被接合於底部層17。
線圈20和30由水平地被配置於基片7接續層上之傳導部份繞線組所形成(參考第2圖)。應了解，基片7，最好是一般非傳導或介電質材料，例如二氧化矽。該傳導部份繞線組可由金屬(例如，鋁、銅、和金)所構成。不同層上之部份繞線組利用垂直地通過該等層之導孔被連接。(於這說明中，"水平"意即沿著或平行於一個層並且"垂直"意即垂直於一個層)。該導孔最好是由相同於傳導部份的繞線組之傳導材料所構成，例如，金屬。
該實際的層數目因應用而被決定。其是不受限制於六層並且可能是較少於六層。
第1-3圖所展示之差動電感器較佳實施例的線圈20和30各由交錯的部份繞線組所形成，其在利用導孔連接之連續層上，一"左方"部份繞線組之後接著"右方"部份繞線組，並且反之亦然(名詞"左方"和"右方"僅是參考如第1圖或第7圖所見之部份繞線組的位置，例如，於第1圖中第1-6層中之左方繞線(A,B,C,D,E,F)，及右方繞線(G,H,I,J,K,L)；以及於第7圖中第1-4層中之左方繞線(A,B,C,D)、第4n+1層中之左方繞線(O)、第4n+3層中之左方繞線(P)、第4n+2層中之左方繞線(Q)、及第2n+4層中之左方繞線(R)；於第7圖中第1-4層中之右方繞線(G,H,I,J)、第4n+1層中之右方繞線(T)、第2n+3層中之右方繞線(U)、第4n+2層中之右方繞線(V)、及第2n+4層中之右方繞線(W))。因此，第一線圈20具有在第一層12上一組"左方"或第一部份繞線組21而利用一導孔22被連接至第二層13上的"右方"或第二部份繞線組23。該右方部份繞線組23利用導孔24被連接至第三層14上的"左方"或第三部份繞線組25等等。該第二線圈30 具有第一層12上的"右方"或第一部份繞線組31而利用導孔32被連接至第二層13上的"左方"或第二部份繞線組33。該左方部份繞線組33利用導孔34被連接至第三層14上的"右方"或第三部份繞線組35等等。
在一層上之"左方"部份繞線組以及"右方"部份繞線組的各組，當自上面或下面看時，具有簡單多角形或其他具有簡單封閉曲線邊緣的形狀之輪廓的一般外貌。如於第3圖之展示，該形狀一般是方形，除部份繞線組之相互交連片段，例如，左方部份繞線組21的交叉互連子片段21a。應了解，各層的"左方"部份繞線組和"右方"部份繞線組不被連接，除了在底部層17(於第1-3圖所展示實施例之第六層中)之外，於該處，可發現在差動電感器10的二個"半個線圈"(線圈20和30)之間的筆直連接50。
於第一層12之上，第一線圈20的"左方"或第一繞線組21以及第二線圈30的"右方"或第一部份繞線組31形成，當自第3圖上面觀看時，具有較大平均直徑之一方形，其平均直徑較大於利用第二線圈30之"左方"部份繞線組33和第一線圈20之"右方"部份繞線組23被形成於第二層14上之另一方形。另一陳述這改變的方法是說，第一層12中的部份繞線組被配置而比第二層13中的部份繞線組較遠離一虛擬的垂直對齊軸5(忽略該交叉互連子片段)。另一陳述這改變之方式是觀察第一層12上之部份繞線組是否形成一簡單多角形或其他的形狀，其具有例如有比第二層13較大區域之簡單封閉曲線的外圍。
結果，比較於第一層12上的部份繞線組21和31，則第二層13上的部份繞線組23和33被交錯安排或水平地向內偏移，並且因被安置於不同的層上結果而垂直被分隔開。比較於第二層13上之部份繞線組23和33，則第三層14上的部份繞線組25和35依序地被交錯安排或水平地向外偏移。這可自第2圖中最佳地被看出。第1-3圖展示之差動電感器的部份繞線組因此水平以及垂直地被交插(例如於第1、3、及7圖中之交錯繞線80)。
在二組相鄰層上部份繞線組之間的距離是較大於習知的組態，於其中不同層上之繞線組是垂直地對齊，一個在另一個之上面，並且因此是彼此接近的，因為它們僅分離該層的厚度。
交插式可以被說明於二組晶片上線圈之本文中，例如，於第1-3圖實施例中所展示的那些，其如下所述地。各線圈具有至少一圈。線圈之各圈包含二組部份繞線組。來自第一線圈之部份繞線組被安置於第一位準上，如來自第二線圈的部份繞線組，並且來自第一線圈的另一部份繞線組被安置於具有來自第二線圈的另一部份繞線組之第二位準上，各線圈的部份繞線組利用垂直構件或導孔被接合，因而第一和第二線圈以一種雙螺旋組態在其共同軸附近形成螺旋形。
第一和第二線圈之垂直地分離的部份繞線組同時也是彼此水平地偏移。因此，第一一般直徑的部份繞線組交錯不同於該第一一般直徑之第二一般直徑的部份繞線組。相 鄰的部份繞線組是垂直地及水平地分離以減少寄生電容。
利用參考號碼100被指示之交插式3維晶片上變壓器的第一較佳實施例，被展示於第4A-6B圖中。該變壓器100包含二組差動電感器110和120，並且因此具有四個線圈130、140、150、和160，其在頂部各分別地具有自己的接埠132(P2)、142(P1)、152(P4)、和162(P3)。線圈130和140是差動電感器110之部件且線圈150和160是差動電感器120之部件。
如差動電感器10，變壓器100之線圈130、140、150、和160由水平地被配置在被建立於一晶片上之一般非傳導基片7連續層上的傳導部份繞線組所形成(參考第5圖)。不同層上的部份繞線組利用在該等層之間垂直地進行的傳導孔而被連接。
線圈130和140，以及150和160，分別地在它們分別的底部之部份繞線組利用接合至中心分接頭112和122之筆直連接114和124而被接合。該交插式晶片上變壓器100緊緊地耦合差動電感器組對110和120，並且因此內在地提供相位同調特性。
該筆直連接114和124可利用傳導橋115被連接(如第4A和4B圖之虛線所展示)，因而中心分接頭112和122成為相同接埠並且變壓器100將是一種五個接埠的變壓器而不是六個接埠的變壓器，其是一些電路中所需的，於其中變壓器主要和次要線圈可共同使用一共同的中心分接頭。
第4A-6B圖展示之變壓器較佳實施例的各個線圈130、 140、150、和160以下列交錯部份繞線組之方式被形成：在利用導孔被連接的連續層上，一"左方"或第一繞線組之後接著一"右方"或第二部份繞線組，並且反之亦然。(專門名詞"左方"和"右方"僅是指如第4A和4B圖中所見之部份繞線組的位置。)
因此，差動電感器110第一線圈，線圈130，具有第一層102上的"左方"或第一繞線組131，其利用導孔133被連接至第二層103上的"右方"或第二部份繞線組135。右方部份繞線組135利用導孔137被連接至第三層104上的"左方"或第三部份繞線組139等等。差動電感器110第二線圈，第二線圈140，具有第一層102上之一"右方"或第一繞線組141,其利用導孔143被連接至第二層103上的"左方"或第二部份繞線組145。該左方部份繞線組145利用一導孔147被連接至第三層104上的"右方"或第三部份繞線組149等等。
因此，差動電感器120第一線圈，線圈150，具有第一層102上之"左方"或第一繞線組151，其利用導孔153被連接至第二層103上之"右方"或第二部份的繞線組155。右方部份繞線組155利用一導孔157被連接至第三層104上之"左方"或第三部份繞線組159等等。差動電感器120第二線圈，第二線圈160，具有第一層102上之"右方"或第一繞線組161,其利用一導孔163被連接至第二層103上的"左方"或第二部份繞線組165。左方部份繞線組165利用一導孔167被連接至第三層104上之"右方"或第三部份繞線組169等等。
比較於緊接地上方和下方層中之相同差動電感器的部 份繞線組，於這實施例中各個差動電感器的部份繞線組水平地被偏移，如上述連接於第1-3圖之差動電感器。水平偏移自第5圖中可看出。
第4B圖展示之變壓器實施例是第4A圖之目前較佳者，因為就其對稱性而論，模擬展示其具有較佳的性能，而導致在二個部份繞線組之間較少的不匹配。第4A圖實施例具有交叉互連，其中一層上之部份繞線組的各組在不同的層上改變向內方向(交叉互連192)或向外方向(交叉互連194)，以便避開另二組部份繞線組的導孔。於第4B圖中，這些互連196和198僅被形成於左方側的部份繞線組中並且分別地於連續的層上交錯地向內改變方向和向外改變方向，而於該連續的層中，該部份繞線組形成一大區域的簡單多角形或簡單曲線外圍或其之後接著一小區域之簡單多角形或簡單曲線外圍或其他外圍之另一外圍。
利用參考號碼200所指示之交插式變壓器第二較佳實施例，被展示於第7圖中。該變壓器200包含二組差動電感器210和220。該差動電感器210具有線圈230和240。該差動電感器220具有線圈250和260。該線圈230、240、250和260在其分別的頂部之部份繞線組上，各分別地具有其獨有的接埠232、242、252和262。
線圈230和240、以及250和260，利用被連接到中心分接頭212和222之筆直連接214和224而分別地被接合在它們分別的底部層上。該交插式晶片上變壓器200緊緊地耦合該差動電感器210和220組對，且因此內在地提供相位同調特 性。
筆直連接214和224可利用一傳導橋(不被展示出)而被連接，因而該中心分接頭212和222成為相同接埠並且變壓器200將是五個接埠的變壓器而不是六個接埠的變壓器。
由於在多角形或外圍(例如，利用部份繞線組被形成的簡單封閉曲線)一般直徑中之變化的交插可以是在如第7圖展示之二層組對之間，於其中二層之組對對應至二個差動電感器210和220之組對的繞線組，因此，該第一層1和2將各個具有相同或相似之簡單多角形或周邊的一般直徑，例如，利用部份繞線組被形成的簡單封閉曲線並且這一般直徑將是較小於簡單多角形或簡單封閉曲線或利用層3和4上之部份繞線組而被形成之其他周邊的一般直徑。層5和6具有部份的繞線組而形成一簡單多角形或簡單封閉曲線或一般直徑大於層3和4的其他周圍，等等。
第7圖展示之三維晶片上變壓器實施例具有下列優點：所給予差動電感器之部份繞線組對於所給予的層之厚度被分開為甚至較大的垂直距離，因此有助於減少寄生電容。
第8和9圖展示對於交插式晶片上差動電感器的部份繞線組之不同形狀頂視圖，相似於第3圖。該繞線組形狀同時也應用至晶片上變壓器。第8圖展示部份的繞線組410、420、430、和440，其具有比第1-3圖展示之部份繞線組更圓的一般形狀。第9圖展示部份繞線組510、520、530、和540圖，其具有甚至比第8圖展示之部份繞線組410、420、 430、和440更圓的形狀。
一圓形狀是更好的，因為其提供對於相同包圍區域之最短的長度或周長，其對於由有限電阻和集膚效應(skin effect)所產生的金屬損失較低，因此導致較高的Q-係數。這同時也提供最高的磁通量，導致較高的電感係數。第8圖展示可以較容易地建構之組態。
共振頻率(f0 )利用下面式子而被決定：
其中C包含電感器/變壓器電容，L是電感器/變壓器電感係數。自我共振頻率因此是成反比例於電容平方根。減少電容，全面增加自我共振頻率。較高的自我共振頻率允許裝置以較高的頻率操作。
在共振頻率f0 時，耦合係數接近其之最大數值。
控制電感器/變壓器之電容可利用設計使裝置之寄生電容減少而被達成，如上述地。當需要時，電容同時也可利用添加與電感器/變壓器並聯之變容器而被改變並且因而控制該自我共振頻率。
因此，交插式三維晶片上差動電感器和變壓器可具有變容器(例如，二極體或電晶體)以具有可利用改變變容器偏壓而被調整之共振頻率。並聯於一變容器800之交插式三維晶片上差動電感器600和一交插式三維晶片上變壓器700的電路圖分別地被展示於第10和11圖中。
對於變壓器，該變容器800可在輸入或輸出端或其兩者 被輸入。於第11圖中，這藉由展示變容器800並聯於變壓器700之輸入端710，而變容器805可以並聯或不並聯於變壓器700之輸出端720，如利用連接變容器805虛線之線所展示而被指示。該變容器800可自該輸入端710被移除並且僅一變容器805被提供在該輸出端720。
申請人模擬且以矽質交插式三維晶片上差動電感器和變壓器製作並且應用它們至低雜訊放大器(LNA)、混訊裝置、耦合VCO陣列、以及分頻器之設計上。
依據揭示之交插式三維晶片上變壓器已被以範圍為2-10μm之繞線組寬度以及在繞線組(於相同層中)之間範圍為0.5~2μm的間隙而建立。變壓器佔用區域範圍是20 x 20μm2 至40 x 40μm2 。比較於習見的晶片上變壓器，一具有多層交插式幾何之電晶體大致縮小50至100因數之尺寸。
這些變壓器之自我共振頻率是較大於100GHz。習見晶片上變壓器的自我共振頻率是在20GHz之下。
第12和13圖展示具有佔用區域值20 x 20μm2 之交插式三維晶片上變壓器的性能圖表，其利用一模擬程式被計算。第12圖中，品質係數(Q)以及電感係數(L)以頻率之函數被標繪。
於第13圖中，耦合係數(κ)以頻率之函數被標繪。該耦合係數自下面之方程式被得到：
其中，L1 是第一電感器之電感係數，且L2 是第二電感器之電感係數，並且M是利用雙積分方程式計算之二個電 感器的互感係數
於其中i和j是指示互感係數將被計算的二個電路，μo 是真空導磁性，並且其他項關於電路幾何，電感係數是一純粹幾何量而無關於電路中之電流。
應注意到，當電感係數到達零時，耦合係數在大約100GHz時達到最大。大約在60GHz之操作頻率將享有高的和相對線性的且平坦的電感係數以及最大之品質係數。這是優於上面那些習見的晶片上變壓器之操作頻率。
此處所揭示之交插式三維晶片上電感器和變壓器提供下面的好處：1.小型尺寸，其消耗非常小的晶片之實際佔用區域；2.在電感器和基片之間以及在電感器繞線組和變壓器本身之間較小的寄生電容；3.大的電感係數，其增加Q係數電感係數乘積；4.在晶片上變壓器主要和次要線圈之間的高耦合效能；5.非常高自我共振頻率，其是高頻率應用所需的；6.一種對稱結構，其是內在地相容於差動電路；以及7.比較於二組非相關的電感器，該變壓器於正交電路中感應較少的相位不匹配誤差。
總之，依據本揭示之交插式繞線組提供較高的磁耦合和較低的電氣耦合或寄生，提供較高的自我共振頻率而允 許較高的頻率操作，由於更小型之尺度而消耗較少的晶片區域(並且因此較低的製造成本)，並且由於對稱的幾何而提供較少的相位不匹配。
雖然於上面說明中，此處所揭示之電路和方法展示實施例已經被展示並且被說明，熟習本技術者應明白本發明可有許多變化和不同的實施例，並且應了解，在附加之申請專利範圍內，本發明可以不同於如上所明確地說明的方式被實施。此類變化和不同實施例可被考量，並且可被達成，而不脫離本發明附加之申請專利範圍所定義範疇。
2-2‧‧‧平面
5-5‧‧‧平面
5‧‧‧共同軸
7‧‧‧基片
10‧‧‧差動電感器
20‧‧‧線圈、第一線圈
30‧‧‧線圈、第二線圈
21‧‧‧左方部份繞線組
21a‧‧‧交叉互連子片段
22、24‧‧‧導孔
23‧‧‧右方部份繞線組
25‧‧‧第三部份繞線組
31‧‧‧右方部分繞線組、第一部分繞線組
32、34‧‧‧導孔
33‧‧‧左方部分繞線組、第二部份繞線組
12‧‧‧第一層
13‧‧‧第二層
14‧‧‧第三層
17‧‧‧底部層
35‧‧‧第三部份繞線組
40‧‧‧中心分接頭
50‧‧‧筆直連接
60‧‧‧接埠
70‧‧‧接埠
100‧‧‧交插式3維晶片上變壓器、變壓器
110、120‧‧‧差動電感器
112、122‧‧‧中心分接頭
114、124‧‧‧筆直連接
115‧‧‧傳導橋
117‧‧‧激動網路
130、140、150、160‧‧‧線圈
131‧‧‧第一繞線組
132、142、152、162‧‧‧接埠
133、137、143、147、153、157、163、167‧‧‧導孔
135‧‧‧第二部份繞線組
139‧‧‧第三部份繞線組
141、151、161‧‧‧第一繞線組
145、155、165‧‧‧左方部份繞線組
149、159、169‧‧‧第三部份繞線組
192‧‧‧交叉互連
194‧‧‧交叉互連
196、198‧‧‧互連
200‧‧‧變壓器
210、220‧‧‧差動電感器
212、222‧‧‧中心分接頭
214、224‧‧‧筆直連接
230、240、250、260‧‧‧線圈
232、242、252、262‧‧‧接埠
410、420、430、440‧‧‧繞線組
510、520、530、540‧‧‧部份繞線組
600‧‧‧交插式三維晶片上差動電感器
700‧‧‧變壓器
710‧‧‧輸入端
720‧‧‧輸出端
800、805‧‧‧變容器
第1圖是交插式晶片上差動電感器較佳實施例之分解等高圖。
第2圖是沿著如第1圖展示之平面2-2採取的第1圖交插式晶片上差動電感器之截面圖。該基片以虛線被展示以強調該繞線組。
第3圖是第1圖之交插式晶片上差動電感器的分解端視圖，於其中該基片是暗藏的。
第4A和4B圖是交插式三維晶片上變壓器第一較佳實施例之二種形式之等高圖，於其中該變壓器包含二組交插式差動電感器。
第5圖是沿著如於第4A和4B圖展示之平面5-5採用的第4A和4B圖之交插式晶片上變壓器的截面圖。
第6A和6B圖是第4A和4B圖之交插式晶片上變壓器的分解端視圖，於其中該基片是不可見的。
第7圖是交插式三維晶片上變壓器之第二較佳實施例之分解等高圖，於其中該變壓器包含二組交插式差動電感器。
第8和9圖展示交插式晶片上差動電感器之部份繞線組的各種形狀之頂視圖。這些形狀同時也應用至晶片上變壓器。
第10圖展示交插式晶片上差動電感器電路圖，其具有一可變電容器以便調諧共振頻率。
第11圖展示交插式晶片上變壓器電路圖，其具有一可變電容器以便調整其共振頻率。
第12圖是依據本揭示之變壓器的品質係數和電感係數作為頻率之函數的圖形。
第13圖是依據本揭示之變壓器的耦合係數作為頻率之函數的圖形。
2-2‧‧‧平面
5‧‧‧共同軸
10‧‧‧差動電感器
20‧‧‧線圈、第一線圈
30‧‧‧線圈、第二線圈
21‧‧‧左方部份繞線組
21a‧‧‧交叉互連子片段
22、24‧‧‧導孔
23‧‧‧右方部份繞線組
25‧‧‧第三部份繞線組
31‧‧‧右方部分繞線組、第一部份繞線組
33‧‧‧左方部分繞線組、第二部份繞線組
32、34‧‧‧導孔
35‧‧‧第三部份繞線組
40‧‧‧中心分接頭
50‧‧‧筆直連接
60、70‧‧‧接埠

Claims (37)

  1. 一種電感式三維晶片上裝置，其包含：分別配置跨越多層之一第一線圈和一第二線圈，其中該第一和第二線圈各包含以一共同軸為中心之依序地連接之多個部分的繞線，其中該第一線圈之多個部分的繞線在該多層之連續層上與該第二線圈之多個部分的繞線交插；以及其中該第一線圈和該第二線圈各包含多個部分的繞線，該多個部分的繞線跨越該多層以一第一平均直徑及一第二平均直徑交替地改變，以關聯於該共同軸垂直地及水平地來分開鄰接之該多個部分的繞線。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第一線圈之繞線不在共同軸方向與相鄰之該第二線圈之繞線對齊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第一線圈和該第二線圈各具有一第一端點以及一第二端點，該第一線圈之第二端點和該第二線圈之第二端點被連接到第一中心分接頭，該第一線圈之第一端點是第一接埠且該第二線圈之第一端點是第二接埠。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該裝置是一交插式三維晶片上差動電感器。
  5. 如申請專利範圍第3項之電感式三維晶片上裝置，其進一步地包含第三和第四線圈，該第三和第四線圈包含以該共同軸為中心之依序地連接之多個繞線，其中該第三 線圈之多個繞線與該第四線圈之多個繞線交插，該第三線圈和該第四線圈各具有第一端點和第二端點，該第三線圈之第二端點和該第四線圈之第二端點被連接到第二中心分接頭，且該第三線圈之第一端點是第三接埠並且該第四線圈之第一端點是第四接埠。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第一線圈之多個繞線不在該共同軸之方向與相鄰之該第二線圈之多個繞線對齊。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第三線圈之多個繞線不在該共同軸之方向與相鄰之該第四線圈之多個繞線對齊。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該裝置是一交插式三維晶片上變壓器。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第一中心分接頭是第五接埠且該第二中心分接頭是第六接埠。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之電感式三維晶片上裝置，其中該第一和第二中心分接頭被連接以形成一第五接埠。
  11. 如申請專利範圍第3項所述之電感式三維晶片上裝置，其進一步地包含一可變電容器，其操作性地並聯於該第一和第二接埠。
  12. 如申請專利範圍第5項所述之電感式三維晶片上裝置，其進一步地包含一可變電容器，其操作性地並聯於該第 一和第二接埠。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之電感式三維晶片上裝置，其進一步地包含一可變電容器，其操作性地並聯於該第三和第四接埠。
  14. 一種交插式三維晶片上差動電感器，其包含：第一和第二線圈，其被形成於一晶片上多數個層上並且共用一共同對齊軸，該第一和第二線圈各包含多數個部份繞線，其中各部份繞線被配置於一個層上而連接於通過該等層之該第一和第二線圈之各線圈的連續部份繞線之間；並且其中該第一和第二線圈的該部份繞線一般是垂直於該共同對齊軸並且是交插式；以及其中該第一線圈和該第二線圈之多數個部分繞線跨越多數層以一第一平均直徑及一第二平均直徑交替地改變，以關聯於該共同軸垂直地及水平地來分開鄰接之該多數個部分繞線。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中該第一線圈之各個部份繞線被配置於具有該第二線圈之部份繞線的一個層之上。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中被配置於一個層上之各個部份繞線界定一簡單多角形或一簡單封閉曲線之部份形狀。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中被配置於一個層上之該第一線圈的部份繞 線和該第二線圈的部份繞線一般界定一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中利用一個層上之部份繞線所界定的簡單多角形或簡單封閉曲線之區域是較大於或較小於利用相鄰層上之部份繞線所界定的簡單多角形或簡單封閉曲線之區域。
  19. 如申請專利範圍第14至18項之任何一項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中在一線圈的連續部份繞線組之間的連接是導孔。
  20. 如申請專利範圍第14至18項之任何一項所述之交插式三維晶片上差動電感器，其中該第一線圈和該第二線圈各具有第一端點以及第二端點，該第一線圈之第二端點和該第二線圈之第二端點被連接到一中心分接頭，該第一線圈之第一端點是第一接埠且該第二線圈之第一端點是第二接埠。
  21. 一種交插式三維晶片上變壓器，其包含：第一和第二線圈，其被形成於一晶片上多數個層上並且共用一共同對齊軸，該第一和第二線圈各包含多數個部份繞線，其中各個部份繞線組被配置於一個層上而連接於通過該等層之第一和第二線圈之各線圈的連續部份繞線之間，該等層是分開各該第一和第二線圈之連續的部份繞線；其中該第一和第二線圈的部份繞線一般是垂直於 該共同對齊軸並且是交插式；第三和第四線圈，其被形成於該晶片之多數個層上並且共用該共同對齊軸，該第三和第四線圈各包含多數個部份繞線組，其中各個部份繞線組被配置於一個層上而連接於通過該等層之第三和第四線圈之各線圈的連續部份繞線之間，該等層分開各該第三和第四線圈之連續的繞線；並且其中該第三和第四線圈的部份繞線組一般是垂直於該共同對齊軸並且是交插式；以及其中該第一、第二、第三及、第四線圈之該多數個部分的繞線跨越多層以一第一平均直徑及一第二平均直徑交替地改變，以關聯於該共同軸垂直地及水平地來分開鄰接之該多數個部分繞線。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第一線圈的一部份繞線被配置於具有該第二線圈之一部份繞線組的一個層之上。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該等第一、第二、第三、和第四線圈的部份繞線被配置於至少一個層上。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該等第一、第二、第三、和第四線圈的部份繞線被配置於具有部份繞線被配置於其上的各該層上。
  25. 如申請專利範圍第22項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第三線圈之一部份繞線被配置於具有該第四 線圈之一部份繞線的一個層上。
  26. 如申請專利範圍第25項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第一和第二線圈的部份繞線以及該第三和第四線圈的部份繞線被配置於交錯的層上。
  27. 如申請專利範圍第21至26項之任何一項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中被配置於一個層上的各部份繞線界定一簡單多角形或一簡單封閉曲線之部份形狀。
  28. 如申請專利範圍第21至26項之任何一項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中被配置於一個層上之該第一線圈的部份繞線和該第二線圈的部份繞線一般界定一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀。
  29. 如申請專利範圍第28項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中被配置於一個層上之該第三線圈的部份繞線和該第四線圈的部份繞線一般界定一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀。
  30. 如申請專利範圍第29項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中利用於一個層上之第一線圈和第二線圈的部份繞線而所界定之簡單多角形或簡單封閉曲線的區域是較大於或較小於利用該第一和第二線圈之最接近的部份繞線而所界定之簡單多角形或簡單封閉曲線的區域。
  31. 如申請專利範圍第29項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中利用於一個層上之第三線圈和第四線圈的部份繞線而所界定之簡單多角形或簡單封閉曲線的區域是較大於或較小於利用該第三和第四線圈之最接近的部 份繞線而所界定之簡單多角形或簡單封閉曲線的區域。
  32. 如申請專利範圍第21項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中在一線圈之連續部份繞線之間的連接是導孔。
  33. 如申請專利範圍第21項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第一線圈和該第二線圈各具有第一端點和第二端點，該第一線圈之第二端點和該第二線圈之第二端點被連接到第一中心分接頭，該第一線圈之第一端點是第一接埠且該第二線圈之第一端點是第二接埠，該第三線圈和該第四線圈各具有第一端點以及第二端點，該第三線圈之第二端點和該第四線圈之第二端點被連接至第二中心分接頭，該第三線圈之第一端點是第三接埠且該第四線圈之第一端點是第二接埠。
  34. 如申請專利範圍第33項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第一中心分接頭是第五接埠且該第二中心分接頭是第六接埠。
  35. 如申請專利範圍第33項所述之交插式三維晶片上變壓器，其中該第一中心分接頭和該第二中心分接頭被連接為第五接埠。
  36. 一種用於形成三維晶片上差動電感器和變壓器之方法，其包含：形成一基片於一晶片上之多個連續層中；配置二個部份繞線於各層上，該等部份繞線具有一共同軸並且形成一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀，該簡單多角形或該簡單封閉曲線之平均直徑於一第 一平均直徑及於相近層上之一第二平均直徑間交替改變；連接被配置於該等層之一層上的各該部份繞線至一相鄰層之該部份繞線之一；其中一層之該等部份繞線被配置以便與該等相鄰層的部份繞線交插。
  37. 如申請專利範圍第36項所述之用於形成三維晶片上差動電感器和變壓器之方法，其中配置部份繞線於各層上之步驟包含配置四個部份繞線於各層上，該等部份繞線具有一共同軸並且以成對的部份繞線方式被配置，其中各成對的部份繞線形成一簡單多角形或一簡單封閉曲線之形狀。
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