TWI469160B - 積體變壓器 - Google Patents

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TWI469160B
TWI469160B TW103114707A TW103114707A TWI469160B TW I469160 B TWI469160 B TW I469160B TW 103114707 A TW103114707 A TW 103114707A TW 103114707 A TW103114707 A TW 103114707A TW I469160 B TWI469160 B TW I469160B
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inductor
winding
loop
integrated transformer
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TW103114707A
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Hsiao Tsung Yen
Yuh Sheng Jean
Ta Hsun Yeh
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Realtek Semiconductor Corp
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Description

積體變壓器
本發明係有關於變壓器，尤指一種積體變壓器。
變壓器(transformer)以及平衡/非平衡式變壓器(balun)為射頻積體電路中用來實現單端至差動訊號轉換、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級晶片(System on Chip，SoC)發展，積體變壓器(integrated transformer/balun)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，積體電路中的被動元件，例如電感及變壓器，往往會消耗大量的晶片面積，因此，如何將積體電路中被動元件的數量簡化以及將被動元件的面積最小化，並同時最佳化元件特性，例如品質因數(quality factor，Q)及耦合係數(coupling coefficient，K)等等，是一個重要的課題。
因此，本發明的目的之一在於提供一種積體變壓器，其具有高的品質因數及耦合係數，且可以使用較少的金屬層來實現，以降低晶片的製造成本並最佳化其元件特性。
依據本發明一實施例，一種積體變壓器包含有一第一電感以及一第二電感，其中該第一電感包含至少一第一圈以及一第二圈，且該第一電感至少由一第一金屬層以及一第二金屬層的多個繞線所構成，其中該第一金屬層與該第二金屬層為兩個相鄰的金屬層，且該第一電感之該第二圈係位於該第一圈之內；該第二電感包含至少一第一圈，且該第二電感至少由該第二金 屬層所構成的至少一繞線所構成，其中該第二電感之該第一圈與該第一電感之該第一圈實質上重疊；其中該第一電感之該第二圈包含了使用該第一金屬層與該第二金屬層來形成一並聯繞線結構的一區段。
110_1、310_1、610_1‧‧‧第一金屬層的第一圈繞線
110_2、310_2、610_2‧‧‧第一金屬層的第二圈繞線
111_1、111_2、211_1、211_2、311_1、311_2、511_1、511_2、611_1、611_2‧‧‧第一電感的輸入/輸出端點
119、129、219、229、519、522、529、539、619、629、639‧‧‧貫通孔
120_1、320_1、620_1‧‧‧第二金屬層的第一圈繞線
120_2、320_2、620_2‧‧‧第二金屬層的第二圈繞線
121_1、121_2、221_1、221_2、321_1、321_2、521_1、521_2、621_1、621_2‧‧‧第二電感的輸入/輸出端點
128、217、218、228、517、518、528、537、538、616、617、618、628‧‧‧橋接線
210_1a、510_1a‧‧‧第一金屬層的第一圈繞線的左半圈繞線
210_1b、510_1b‧‧‧第一金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線
210_2a、510_2a‧‧‧第一金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線
210_2b、510_2b‧‧‧第一金屬層的第二圈繞線的右半圈繞線
220_1a、520_1a‧‧‧第二金屬層的第一圈繞線的左半圈繞線
220_1b、520_1b‧‧‧第二金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線
220_2a、520_2a‧‧‧第二金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線
220_2b、520_2b‧‧‧第二金屬層的第二圈繞線的右半圈繞線
220_3、320_3、520_3、620_3‧‧‧第二金屬層的第三圈繞線
220_4、320_4、520_4、620_4‧‧‧第二金屬層的第四圈繞線
310_3、510_3‧‧‧第一金屬層的第三圈繞線
531‧‧‧中心抽頭繞線
620_5‧‧‧第二金屬層的第五圈繞線
630‧‧‧第三金屬層的繞線
IND1‧‧‧第一電感
IND2‧‧‧第二電感
第1A圖為依據本發明第一實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣。
第1B圖為第1A圖所示之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖。
第1C圖為依據本發明第一實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。
第2A圖為依據本發明第二實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣。
第2B圖為第2A圖所示之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖。
第2C圖為依據本發明第二實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。
第3圖為依據本發明第三實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。
第4圖為依據本發明另一實施例之積體變壓器的剖面示意圖。
第5A圖為依據本發明第四實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣。
第5B圖為第5A圖所示之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖。
第5C圖為依據本發明第四實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。
第6A圖為依據本發明第五實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣。
第6B圖為依據本發明第五實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。
請參考第1A圖、第1B圖及第1C圖，其中第1A圖為依據本發 明第一實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣，第1B圖為依據本發明第一實施例之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖，且第1C圖為依據本發明第一實施例之積體變壓器的上視圖及其剖面示意圖。本實施例之積體變壓器例如可應用於射頻晶片中的變壓器(transformer)或是平衡/非平衡式變壓器(balun)。
請先參考第1A圖，積體變壓器主要由一第一金屬層以及一第二金屬層所構成，其中圖示的第一金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點(port)111_1、111_2、一第一圈(turn)繞線110_1以及一第二圈繞線110_2，而第二金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點121_1、121_2、一橋接線128、一第一圈(turn)繞線120_1以及一第二圈繞線120_2，其中橋接線128用來連接第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第一圈繞線120_1。此外，第一金屬層與第二金屬層均包含了多個貫通孔，這些貫通孔係用來連接第一金屬層與第二金屬層，舉例來說，圖示的第一金屬層的貫通孔119係電性連接到第二金屬層的貫通孔129。
另外，於本實施例中，第一金屬層為一重佈線製程(Re-Distribution Layer，RDL)，且該第二金屬層為一超厚金屬層(Ultra-Thick Metal，UTM)，但本發明並不以此為限，在其他實施例，第一金屬層與第二金屬層可以是為積體電路中任兩個相鄰的金屬層。
接著，請同時參考第1A圖、第1B圖及第1C圖，本實施例的積體變壓器係包含有第一電感與第二電感，其中第一電感本身電性絕緣於第二電感，且第一電感包含了第一圈以及第二圈，參考第1B圖，除了橋接線128附近的位置，第一電感之第一圈係由第一金屬層的第一圈繞線110_1所構成，而第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第 二圈繞線120_2所形成的一上下層並聯結構。
另外，關於第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第二圈繞線120_2所形成的並聯結構，為了圖式簡潔起見，在第1B圖上只畫出了兩個貫通孔來直接連接第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第二圈繞線120_2然而，在實作上，第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第二圈繞線120_2可以通過很多個貫通孔來進行並聯，或甚至在繞線上佈滿貫通孔。
請再參考第1C圖所示之積體變壓器的上視圖，第1A圖中第一金屬層與第二金屬層中每一圈的圖樣是重疊的，亦即第一金屬層的第一圈繞線110_1(即，第一電感的第一圈)與第二金屬層的第一圈繞線120_1(即，第二電感)是重疊的。在第1C圖所示的A-A’剖面中，“IND1”所表示的是第一電感，而“IND2”所表示的是第二電感，第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線110_1及第二圈繞線110_2本身會形成電感自己的互感(mutual inductance)，而第二電感(即第二金屬層的第一圈繞線120_1)與第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線110_1、第二圈繞線110_2及位於第二金屬層的第二圈繞線120_2之間會形成一個“L”形的二個電感之間互感(mutual inductance)，因此，可以大幅改善積體變壓器的品質因數(Q值)，以及提高耦合量，減少使用面積。亦即，第一電感與第二電感的互感同時包含近距離的垂直耦合、斜向耦合、以及水平耦合；換言之第一電感與第二電感藉由近距離的垂直耦合、斜向耦合、以及水平耦合來形成彼此的互感。
此外，第1A圖~第1C圖的積體變壓器只需要使用到兩層金屬層便可以完成，因此，可以節省積體電路的空間，進一步降低製造成本。此外，由於在本實施例中第二金屬層為超厚金屬層(UTM)，其具有在金屬製程中最 低的電阻值，故也可改善電感的電阻值以增加品質因素。
另外，雖然第1A圖~第1C圖的積體變壓器只需要使用到兩層金屬層便可以完成，然而，有時候為了其他考量，例如改善品質因素，或是積體電路中尚有其他可使用的空間時，亦可以使用其他一或多個金屬層來另外形成堆疊結構，例如使用在第二金屬層下方的第三金屬層來與第一電感或是第二電感中的部分繞線作並聯，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
需注意的是，雖然在第1A圖~第1C圖所示的實施例中，第一電感之第二圈係全部由第一金屬層的第二圈繞線110_2與第二金屬層的第二圈繞線120_1所形成的並聯結構，然而，在本發明的其他實施例中，第一電感之第二圈可以只有部分的區段是並聯結構，而不需要每一個部分都是並聯結構，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
請參考第2A圖、第2B圖及第2C圖，其中第2A圖為依據本發明一第二實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣，第2B圖為依據本發明第二實施例之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖，且第2C圖為依據本發明第二實施例之積體變壓器的上視圖。本實施例之積體變壓器例如可應用於射頻晶片中的變壓器或是平衡/非平衡式變壓器。
請先參考第2A圖，積體變壓器主要由一第一金屬層以及一第二金屬層所構成，其中圖示的第一金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點(port)211_1、211_2、兩條橋接線217、218、一第一圈繞線(包含左半圈繞線210_1a與右半圈繞線210_1b)及一第二圈繞線(包含左半圈繞線210_2a與右半圈繞線210_2b)，而第二金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點221_1、221_2、 一橋接線228、一第一圈繞線(包含左半圈繞線220_1a與右半圈繞線220_1b)、一第二圈繞線(包含左半圈繞線220_2a與右半圈繞線220_2b)、一第三圈繞線220_3及一第四圈繞線220_4，其中橋接線217用來連接第一金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線210_2a與第二金屬層的第四圈繞線220_4(或可視為連接第二金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線220_2a與第二金屬層的第四圈繞線220_4)、橋接線218用來連接第二金屬層的第一圈繞線的左半圈繞線220_1a與第二金屬層的第三圈繞線220_3、且橋接線228用來連接第一金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線210_1b與第一金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線210_2a(或可視為連接第一金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線210_1b與第二金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線220_2a)。此外，第一金屬層與第二金屬層均包含了多個貫通孔，這些貫通孔係用來連接第一金屬層與第二金屬層，舉例來說，圖示的第一金屬層的貫通孔219係電性連接到第二金屬層的貫通孔229。
另外，於本實施例中，第一金屬層為一重佈線製程(RDL)，且該第二金屬層為一超厚金屬層(UTM)，但本發明並不以此為限，在其他實施例，第一金屬層與第二金屬層可以是為積體電路中任兩個相鄰的金屬層。
接著，請同時參考第2A圖、第2B圖及第2C圖，本實施例的積體變壓器係包含有第一電感與第二電感，其中第一電感本身電性絕緣於第二電感，第一電感包含了第一圈、第二圈及第三圈，且第二電感包含了第一圈及第二圈，參考第2B圖，除了橋接線217、228附近的位置，第一電感之第一圈係由第一金屬層的第一圈繞線(包含左半圈繞線210_1a與右半圈繞線210_1b)所構成，第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線210_2a與右半圈繞線210_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線220_2a與右半圈繞線220_2b)所形成的一並聯結構，第一電感之第三圈係 由第二金屬層的第四圈繞線220_4所構成；另外，除了橋接線218附近的位置，第二電感之第一圈係由第二金屬層的第一圈繞線(包含左半圈繞線220_1a與右半圈繞線220_1b)所構成，且第二電感之第二圈係由第二金屬層的第三圈繞線220_3所構成。
第一電感的第一圈、第二圈及第三圈係透過螺旋(spiral)的方式來連接，且第二電感的第一圈及第二圈亦透過螺旋(spiral)的方式來連接。
另外，關於第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線210_2a與右半圈繞線210_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線220_2a與右半圈繞線220_2b)所形成的並聯結構，為了圖式簡潔起見，在第2B圖上只畫出了四個貫通孔來直接連接第一金屬層的第二圈繞線與第二金屬層的第二圈繞線，然而，在實作上，第一金屬層的第二圈繞線與第二金屬層的第二圈繞線可以通過很多個貫通孔，甚至在繞線上佈滿貫通孔，來進行並聯。
請再參考第2C圖所示之積體變壓器的上視圖，第一金屬層的第一圈繞線(即，第一電感的第一圈)與第二金屬層的第一圈繞線(即，第二電感的第一圈)是重疊的。在第2C圖所示的A-A’剖面中，“IND1”所表示的是第一電感，而“IND2”所表示的是第二電感，第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線及第二圈繞線本身會形成該電感自己的互感(mutual-inductance)，而第二電感的第一圈(即第二金屬層的第一圈繞線)與第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線、第二圈繞線及位於第二金屬層的第二圈繞線之間會形成一個“L”形的電感和電感之間的互感(mutual inductance)，因此，可以大幅改善積體變壓器的品質因數(Q值)。
此外，第2A圖~第2C圖的積體變壓器只需要使用到兩層金屬層便可以完成，且第一金屬層的第一圈繞線(即，第一電感的第一圈)與第二金屬層的第一圈繞線(即，第二電感的第一圈)是重疊的，因此，可以節省積體電路的空間，進一步降低製造成本。此外，由於在本實施例中第二金屬層為超厚金屬層(UTM)，其具有在金屬製程中最低的電阻值，故也可改善電感的電阻值以增加品質因素。另外，相較於第1A圖~第1C圖的實施例，第2A圖~第2C圖的積體變壓器另外包含了由螺旋(spiral)形式連接的內圈，因此可以再進一步增加品質因數及電感值。
另外，雖然第2A圖~第2C圖的積體變壓器只需要使用到兩層金屬層便可以完成，然而，有時候為了其他考量，例如改善品質因素，或是積體電路中尚有其他可使用的空間時，亦可以使用其他一或多個金屬層來另外形成堆疊結構，例如使用在第二金屬層下方的第三金屬層來與第一電感或是第二電感中的部分繞線作並聯，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
需注意的是，雖然在第2A圖~第2C圖所示的實施例中，第一電感之第二圈係全部由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線210_2a與右半圈繞線210_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線220_2a與右半圈繞線220_2b)所形成的並聯結構，然而，在本發明的其他實施例中，第一電感之第二圈可以只有部分的區段是並聯結構，而不需要每一個部分都是並聯結構，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
請參考第3圖，第3圖為依據本發明第三實施例之積體變壓器的上視圖。本實施例之積體變壓器例如可應用於射頻晶片中的變壓器或是平衡/非平衡式變壓器。如第3圖所示，積體變壓器主要由一第一金屬層以及一第二金屬層所構成，其中圖示的第一金屬層的圖樣是斜線花紋，且包含了兩個 輸入/輸出端點(port)211_1、311_2、一第一圈繞線310_1、一第二圈繞線310_2及一第三圈繞線310_3；而第二金屬層的圖樣是點狀花紋，且包含了兩個輸入/輸出端點321_1、321_2、一第一圈繞線320_1、一第二圈繞線320_2、一第三圈繞線320_3及一第四圈繞線320_4。此外，第一金屬層與第二金屬層均包含了多個貫通孔，這些貫通孔係用來連接第一金屬層與第二金屬層。
第3圖的實施例類似第2C圖的積體變壓器，所差異的地方僅在於第3圖所示的積體變壓器中的第二電感還包含了使用第一金屬層來實作的一第三圈，參考圖示的A-A’剖面，相較於第2C圖的積體變壓器，第3圖所示的積體變壓器的第一電感與第二電感在最內圈會另外形成互感以進一步改善積體變壓器的品質因數(Q值)。
另外，由於在第3圖所示的積體變壓器中，第二金屬層的第三圈上方並未製作有第一金屬層的繞線，因此，在本發明的另一實施例中，亦可在第3圖的積體變壓器中第二金屬層的第三圈上方製作一個第一金屬層的繞線，並將其並聯，以形成如第4圖的電感關係。在第4圖中，“IND1”所表示的是第一電感，而“IND2”所表示的是第二電感，而第一電感與第二電感之間會形成兩個“L”形的互感，因此，可以大幅改善積體變壓器的品質因數(Q值)。
請參考第5A圖、第5B圖及第5C圖，其中第5A圖為依據本發明一第四實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣，第5B圖為依據本發明第四實施例之積體變壓器的第一電感與第二電感的示意圖，且第5C圖為依據本發明第四實施例之積體變壓器的上視圖。本實施例之積體變壓器例如可應用於射頻晶片中的變壓器或是平衡/非平衡式變壓器。
請先參考第5A圖，積體變壓器主要由一第一金屬層以及一第二 金屬層所構成，另外還包含了少部分的第三金屬層，其中圖示的第一金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點(port)511_1、511_2、兩條橋接線517、518、一第一圈繞線(包含左半圈繞線510_1a與右半圈繞線510_1b)、一第二圈繞線(包含左半圈繞線510_2a與右半圈繞線510_2b)及一第三圈繞線510_2，而第二金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點521_1、521_2、一第一圈繞線(包含左半圈繞線520_1a與右半圈繞線520_1b)、一第二圈繞線(包含左半圈繞線520_2a與右半圈繞線520_2b)、一第三圈繞線520_3及一第四圈繞線520_4，其中橋接線517用來連接第二金屬層的第一圈繞線的左半圈繞線520_1a與第一金屬層的第三圈繞線510_3、橋接線518用來連接第二金屬層的第四圈繞線520_4與第一金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線510_2a(或可視為第二金屬層的第四圈繞線520_4與第二金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線520_2a)、且橋接線528用來連接第一金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線510_1b與第二金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線520_2a(或可視為連接第一金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線510_1b與第一金屬層的第二圈繞線的左半圈繞線510_2a)。此外，第一金屬層與第二金屬層均包含了多個貫通孔，這些貫通孔係用來連接第一金屬層與第二金屬層，舉例來說，圖示的第一金屬層的貫通孔519係電性連接到第二金屬層的貫通孔529，第二金屬層的貫通孔522係電性連接到第三金屬層的貫通孔539。
另外，第三金屬層包含了兩條橋接線537、538、及一中心抽頭繞線531，其中橋接線537用來連接第二金屬層的第一圈繞線的右半圈繞線520_1b與第二金屬層的第三圈繞線520_3，橋接線538用來連接第二金屬層的第二圈繞線的右半圈繞線520_2b與第二金屬層的第四圈繞線520_4且中心抽頭繞線531係用來連接到第二電感的中心點。
於本實施例中，第一金屬層為一重佈線製程(RDL)，且該第二金 屬層為一超厚金屬層(UTM)，且第一金屬層、第二金屬層與第三金屬層係為由上而下的三個相鄰的金屬層，但本發明並不以此為限，在其他實施例，第一金屬層、第二金屬層與第三金屬層可以是為積體電路中任兩個相鄰的金屬層。
接著，請同時參考第5A圖、第5B圖及第5C圖，本實施例的積體變壓器係包含有第一電感與第二電感，其中第一電感本身電性絕緣於第二電感，第一電感包含了第一圈、第二圈及第三圈，且第二電感包含了第一圈及第二圈，參考第5B圖，除了橋接線518、528、538附近的位置，第一電感之第一圈係由第一金屬層的第一圈繞線(包含左半圈繞線510_1a與右半圈繞線510_1b)所構成，第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線510_2a與右半圈繞線510_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線520_2a與右半圈繞線520_2b)所形成的一並聯結構，第一電感之第三圈係由第二金屬層的第四圈繞線520_4所構成；另外，除了橋接線517、537附近的位置，第二電感之第一圈係由第二金屬層的第一圈繞線(包含左半圈繞線520_1a與右半圈繞線520_1b)所構成，且第二電感之第二圈係由第一金屬層的第三圈繞線510_3與第二金屬層的第三圈繞線520_3以螺旋(helical)形式連接所構成。
另外，關於第一電感之第二圈係由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線510_2a與右半圈繞線510_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線520_2a與右半圈繞線520_2b)所形成的並聯結構，為了圖式簡潔起見，在第5B圖上只畫出了四個貫通孔來直接連接第一金屬層的第二圈繞線與第二金屬層的第二圈繞線，然而，在實作上，第一金屬層的第二圈繞線與第二金屬層的第二圈繞線可以通過很多個貫通孔，甚至在繞線上佈滿貫通孔，來進行並聯。
另外，如第5B圖所示，由於第二電感之第二圈係由第一金屬層的第三圈繞線510_3與第二金屬層的第三圈繞線520_3以螺旋(helical)形式連接所構成，故第二電感的圈數實質上是三圈，亦即，第5A圖的積體變壓器的第一電感與第二電感的圈數比(turn ratio)是1：1。
請再參考第5C圖所示之積體變壓器的上視圖，第一金屬層的第一圈繞線(即，第一電感的第一圈)與第二金屬層的第一圈繞線(即，第二電感的第一圈)是重疊的。在第5C圖所示的A-A’剖面中，“IND1”所表示的是第一電感，而“IND2”所表示的是第二電感，第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線及第二圈繞線本身會形成電感本身的互感(mutual-inductance)，而第二電感的第一圈(即第二金屬層的第一圈繞線)與第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線、第二圈繞線及位於第二金屬層的第二圈繞線之間會形成一個“L”形的電感和電感之間的互感(mutual inductance)，因此，可以大幅改善積體變壓器的品質因數(Q值)。另外，由於第二電感有以螺旋型式形成的第二圈，故可以再進一步加強第一電感與第二電感之間的互感。
此外，雖然第5A圖~第5C圖的積體變壓器會需要使用到第三金屬層，但其的大部分結構只需要使用到兩層金屬層便可以完成，因此，可以節省積體電路的空間，進一步降低製造成本。此外，由於在本實施例中第二金屬層為超厚金屬層(UTM)，其具有在金屬製程中最低的電阻值，故也可改善電感的電阻值以增加品質因素。
另外，雖然第5A圖~第5C圖的積體變壓器在主要結構部分只需要使用到兩層金屬層便可以完成，然而，有時候為了其他考量，例如改善品質因素，或是積體電路中尚有其他可使用的空間時，亦可以使用其他一或多 個金屬層來另外形成堆疊結構，例如使用第三金屬層或是第四金屬層來與第一電感或是第二電感中的部分繞線作並聯，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
需注意的是，雖然在第5A圖~第5C圖所示的實施例中，第一電感之第二圈係全部由第一金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線510_2a與右半圈繞線510_2b)與第二金屬層的第二圈繞線(包含左半圈繞線520_2a與右半圈繞線520_2b)所形成的並聯結構，然而，在本發明的其他實施例中，第一電感之第二圈可以只有部分的區段是並聯結構，而不需要每一個部分都是並聯結構，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
請參考第6A圖及第6B圖，其中第6A圖為依據本發明第五實施例之積體變壓器的兩個金屬層的圖樣，且第2C圖為依據本發明第五實施例之積體變壓器的上視圖。本實施例之積體變壓器例如可應用於射頻晶片中的變壓器或是平衡/非平衡式變壓器。
請先參考第6A圖，積體變壓器主要由一第一金屬層以及一第二金屬層所構成，其中圖示的第一金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點(port)611_1、611_2、三條橋接線616、617、618、一第一圈繞線610_1(包含左半圈及右半圈)及一第二圈繞線610_2(包含左半圈及右半圈)，而第二金屬層的圖樣包含了兩個輸入/輸出端點621_1、621_2、一橋接線618、一第一圈繞線620_1(包含左半圈及右半圈)、一第二圈繞線620_2(包含左半圈及右半圈)、一第三圈繞線620_3(包含左半圈及右半圈)、一第四圈繞線620_4(包含左半圈及右半圈)及一第五圈繞線620_5，其中橋接線616用來連接第二金屬層的第三圈繞線610_3與第二金屬層的第五圈繞線620_5、橋接線617用來連接第一金屬層的第二圈繞線610_2與第二金屬層的第四圈繞線620_4(或可視為連 接第二金屬層的第二圈繞線620_2與第二金屬層的第四圈繞線620_4)、橋接線618用來連接第二金屬層的第一圈繞線610_1與第二金屬層的第三圈繞線6203、且橋接線628用來連接第一金屬層的第一圈繞線610_1與第一金屬層的第二圈繞線610_2(或可視為連接第一金屬層的第一圈繞線610_1與第二金屬層的第二圈繞線620_2)。此外，第一金屬層與第二金屬層均包含了多個貫通孔，這些貫通孔係用來連接第一金屬層與第二金屬層，舉例來說，圖示的第一金屬層的貫通孔619係電性連接到第二金屬層的貫通孔629。
另外，第三金屬層的繞線630包含了橋接線中心抽頭繞線兩種功能，其中繞線630可用來連接第二金屬層的第四圈繞線610_4的兩個端點，且繞線630業作為一中心抽頭繞線以連接到一固定電壓。
於本實施例中，第一金屬層為一重佈線製程(RDL)，且該第二金屬層為一超厚金屬層(UTM)，且第一金屬層、第二金屬層與第三金屬層係為由上而下的三個相鄰的金屬層，但本發明並不以此為限，在其他實施例，第一金屬層、第二金屬層與第三金屬層可以是為積體電路中任兩個相鄰的金屬層。
第6C圖的三個金屬層重疊後構成了一個具有一第一電感及一第二電感的積體變壓器。請再參考第6C圖所示之積體變壓器的上視圖，在第6C圖所示的A-A’剖面中，“IND1”所表示的是第一電感，而“IND2”所表示的是第二電感，第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線610_1及第二圈繞線610_2本身會形成電感自己本身互感(mutual inductance)，而第二電感的第一圈(即第二金屬層的第一圈繞線620_1)與第一電感在位於第一金屬層的第一圈繞線610_1、第二圈繞線610_2及位於第二金屬層的第二圈繞線620_2之間會形成一個“L”形的兩個不同電感之間的互感(mutual inductance)，因此， 可以大幅改善積體變壓器的品質因數(Q值)。另外，第一電感的第三圈(即第二金屬層的第四圈繞線620_4)和第二電感的第二、三圈(及第二金屬層的第三圈繞線620_3與第五圈繞線620_5)會形成另外的互感，以再進一步改善積體變壓器的品質因數。
此外，雖然第6A圖、第6B圖的積體變壓器會需要使用到第三金屬層，但其的大部分結構只需要使用到兩層金屬層便可以完成，因此，可以節省積體電路的空間，進一步降低製造成本。此外，由於在本實施例中第二金屬層為超厚金屬層(UTM)，其具有在金屬製程中最低的電阻值，故也可改善電感的電阻值以增加品質因素。
另外，雖然第6A圖、第6B圖的積體變壓器在主要結構部分只需要使用到兩層金屬層便可以完成，然而，有時候為了其他考量，例如改善品質因素，或是積體電路中尚有其他可使用的空間時，亦可以使用其他一或多個金屬層來另外形成堆疊結構，例如使用第三金屬層或是第四金屬層來與第一電感或是第二電感中的部分繞線作並聯，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
需注意的是，雖然在第6A圖、第6B圖所示的實施例中，第一電感之第二圈係全部由第一金屬層的第二圈繞線610_2與第二金屬層的第二圈繞線620_1所形成的並聯結構，然而，在本發明的其他實施例中，第一電感之第二圈可以只有部分的區段是並聯結構，而不需要每一個部分都是並聯結構，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
另外，在第1A~1C、2A~2C、3、5A~5C、6A~6B圖的實施例中，電感繞線的形狀均為方形，然而，在本發明之其他實施例中，電感繞線的形 狀可以為六角形、八角型等不同的形狀，或是可以為圓形，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
另外，在上述第1A~1C、2A~2C、3圖的實施例中，積體變壓器並沒有中心抽頭繞線，然而，若是第1A~1C、2A~2C、3圖的實施例需要加上中心抽頭繞線，亦可以仿照第5A~5C、6A~6B圖的實施例，使用第三金屬層來進行佈局，由於本領域具有通常知識者應能在參考第5A~5C、6A~6B圖的實施例之後，對第1A~1C、2A~2C、3圖的實施例做修改以加上中心抽頭繞線，故詳細的圖示及細節說明在此不予贅述。
另外，在本發明上述所提及的實施例中，積體變壓器只包含了兩個互相感應的電感，然而，在其他實施例中，積體變壓器可以包含三個或四個以上互相感應的電感。舉例來說，可以在上述第1A~1C、2A~2C、3、5A~5C、6A~6B圖之積體變壓器的上方或下方使用另外的金屬層來設置另外一或兩個電感，來彼此作感應，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
簡要歸納本發明，在本發明的積體變壓器中，在大部分只使用兩個金屬層的情形下，利用特殊的繞線方式來增加第一電感本身的互感，並大幅增加第一電感與第二電感之間的互感，因此，相較於先前技術，本發明可以在最節省空間的情形下改善積體變壓器的品質因數。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
110_1‧‧‧第一金屬層的第一圈繞線
110_2‧‧‧第一金屬層的第二圈繞線
111_1、111_2‧‧‧第一電感的輸入/輸出端點
120_1‧‧‧第二金屬層的第一圈繞線
120_2‧‧‧第二金屬層的第二圈繞線
121_1、121_2‧‧‧第二電感的輸入/輸出端點
128‧‧‧橋接線
IND1‧‧‧第一電感
IND2‧‧‧第二電感

Claims (13)

  1. 一種積體變壓器，包含有：一第一電感，包含至少一第一圈(turn)以及一第二圈，且該第一電感至少由一第一金屬層以及一第二金屬層的多個繞線所構成，其中第一電感之該第二圈係位於該第一圈之內；以及一第二電感，包含至少一第一圈，且該第二電感至少由該第二金屬層所構成的至少一繞線所構成，其中該第二電感之該第一圈與該第一電感之該第一圈實質上重疊；其中該第一電感之該第二圈包含了使用該第一金屬層與該第二金屬層來形成一並聯結構的一區段。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一電感為具有對稱結構，且除了橋接線附近的位置，該第一電感之該第一圈實質上僅由該第一金屬層所構成，且該第一電感之該第二圈係為該第一金屬層與該第二金屬層所形成的一上下層並聯結構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該積體變壓器只會使用該第一金屬層與該第二金屬層來形成，而不會使用到其他的金屬層。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一電感另包含一第三圈，且該第一電感之該第三圈係位於該第二圈之內；以及該第二電感另包含一第二圈，且該第二電感之該第二圈係位於該第一圈之內。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之積體變壓器，其中除了橋接點附近的位置，該第一電感之該第三圈以及該第二電感之該第二圈實質上僅由該第二金屬層所構成。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之積體變壓器，其中該第二電感另包含一第三圈，該第二電感之該第三圈係位於該第二圈之內，該第二電感之該第三圈實質上僅由該第一金屬層所構成，且該第二電感之該第三圈的至少一部份與該第一電感之該第三圈的至少一部份重疊。
  7. 如申請專利範圍第4項所述之積體變壓器，其中除了橋接點附近的位置，該第二電感之該第二圈包含了使用該第一金屬層與該第二金屬層來形成一並聯結構的一區段。
  8. 如申請專利範圍第4項所述之積體變壓器，其中除了橋接點附近的位置，該第二電感之該第二圈係由該第一金屬層與該第二金屬層以螺旋(helical)形式連接所構成。
  9. 如申請專利範圍第4項所述之積體變壓器，該第二電感另包含一第三圈，該第二電感之該第三圈係位於該第二圈之內，且該第一電感之該第三圈係位於該第二電感之該第二圈及第三圈之間。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之積體變壓器，其中除了橋接點附近的位置，該第一電感之該第三圈以及該第二電感之該第二圈與第三圈實質上僅由該第二金屬層所構成。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一電感或是該第二電感的中心點係連接到一中心抽頭(center tap)，且該中心抽頭係由一第三金屬層來形成。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一金屬層為一重佈 線製程(Re-Distribution Layer，RDL)，且該第二金屬層為一超厚金屬層(Ultra-Thick Metal，UTM)。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之積體變壓器，其中該第一電感與該第二電感利用垂直耦合、斜向耦合、以及水平耦合來形成彼此的互感。
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