TWI579997B

TWI579997B - 積體電感結構

Info

Publication number: TWI579997B
Application number: TW105100356A
Authority: TW
Inventors: Hsiao-Tsung Yen; Cheng-Wei Luo; Yuh-Sheng Jean; Ta-Hsun Yeh
Original assignee: Realtek Semiconductor Corp
Priority date: 2016-01-07
Filing date: 2016-01-07
Publication date: 2017-04-21
Also published as: US20190108935A1; US20170200547A1; US10262782B1; US10210981B2; TW201725684A

Description

積體電感結構

本發明是關於積體電感，尤其是關於具有高對稱性之積體電感。

電感為射頻積體電路中用來實現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）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，半導體結構中的不同金屬層通常具有不同的電阻值，積體電感往往因為使用不同的金屬層來實作跨接結構而造成其兩個感應單元的電感值不匹配，電感值會因為電阻值的上升而上升，因此，如何製作電感值匹配以及電阻值匹配的積體電感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積體電感結構，以提高積體電感之感應單元的對稱性。

本發明揭露一種8字型積體電感，包含：一第一端點；一第二端點；一第三端點；一跨接結構，包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段及該第二金屬線段位於半導體結構的不同金屬層，且部分重疊；一第一感應單元，以該第一端點及該第三端點為其兩端，並包含該第一金屬線段；以及一第二感應單元，以該第二端點及該第三端點為其兩端，並包含該第二金屬線段及一第三金屬線段，該第三金屬線段位於不同於該第二金屬線段之金屬層，與該第二感應單元之其他金屬線段互相導通，但不跨越該第一感應單元之金屬線段。

本發明另揭露一種8字型積體電感，由一第一感應單元及一第二感應單元所組成，包含：一第一端點，作為該第一感應單元之一端；一第二端點，作為該第二感應單元之一端；一第三端點，作為該第一感應單元及該第二感應單元之一共同端點；一第一線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；一第二線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；以及一跨接結構，連接該第一線圈及該第二線圈，包含一第一金屬線段，位於一第一金屬層；一第二金屬線段，位於一第二金屬層且部分重疊於該第一金屬線段。該第一金屬層及該第二金屬層不同於該第一線圈及該第二線圈所屬之金屬層。

本發明另揭露一積體電感，由一第一感應單元及一第二感應單元所組成，包含：一第一端點，作為該第一感應單元之一端；一第二端點，作為該第二感應單元之一端；一第三端點，作為該第一感應單元及該第二感應單元之一共同端點；一外部線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；一內部線圈，位於該外部線圈所圍繞之一範圍內，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；以及一跨接結構，用來連接該外部線圈及該內部線圈，包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段及該第二金屬線段位於半導體結構的不同金屬層，且部分重疊。該第一感應單元包含該第一金屬線段，該第二感應單元包含該第二金屬線段及一第三金屬線段，該第三金屬線段位於不同於該第二金屬線段之金屬層，與該第二感應單元之其他金屬線段互相導通，但不跨越該第一感應單元之金屬線段。

本發明之積體電感結構藉由在積體電感上增加金屬線段來達到調整電阻值的目的，進而使積體電感的感應單元具有匹配的電阻值及接近或甚至相同的電感值。相較於習知技術，本發明使用簡單的結構即可增加積體電感之感應單元的對稱性，使積體電感具有更佳的電路特性。

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1A係本發明8字型積體電感之一實施例的結構圖。8字型積體電感100由兩個感應單元所組成，第一感應單元（深灰色）以端點101及端點103（即8字型積體電感100的中央抽頭（center tap））為其兩端點，並且包含金屬線段122以及金屬線段111；第二感應單元（淺灰色）以端點102及端點103為其兩端點，並且包含金屬線段121以及金屬線段112。8字型積體電感100的其中一優點是線圈110（由金屬線段111及112構成）與線圈120（由金屬線段121及122構成）的磁場方向（分別為圖中標示的H1與H2）相反，有助於抑制磁場散射（radiation），以避免干擾其他電子元件。金屬線段111、112、121及122位於同一金屬層。線圈110及線圈120藉由交叉狀（crossing）的跨接結構130相連接。

圖1B係跨接結構130的放大圖。跨接結構130主要由金屬線段131與金屬線段132所構成，兩者位於半導體結構中的不同層，例如一者位於超厚金屬（Ultra Thick Metal, UTM）層，另一者位於重佈線層（Re-Distribution Layer, RDL）。金屬線段131與金屬線段132部分互相重疊，但不互相導通。金屬線段131的兩端透過導孔（via）（或直通矽晶導孔（through silicon via, TSV））135或其組成的陣列分別連接金屬線段122與111，而金屬線段132的兩端分別連接金屬線段112與121（兩者與金屬線段132位於同一層）。在本實施例中，金屬線段132與金屬線段112及/或121可視為獨立的金屬線段；而在其他實施例中，金屬線段132可視為金屬線段112及/或121的延伸。換句話說，金屬線段131為第一感應單元的一部分，而金屬線段132為第二感應單元的一部分。因為在半導體結構中，不同金屬層通常有不同的電阻值，所以此跨接結構130造成第一感應單元與第二感應單元的電感值不匹配。

為了使8字型積體電感100的兩個感應單元的電阻值及電感值互相匹配，其中一個感應單元上具有用來調整電阻值的金屬線段。如圖1A所示，在第二感應單元的區域140及150分別實作了金屬線段145及155。圖1C為圖1A之跨接結構130及區域140及150的側視圖。為了清楚說明本發明，圖1C中省略了部分的金屬線段及導孔結構。如圖1C所示，金屬線段145與金屬線段131位於半導體結構中的同一層，藉由實質垂直於金屬線段145的導孔（或直通矽晶導孔）147或其組成的陣列與金屬線段121連接；同樣的，金屬線段155與金屬線段131位於半導體結構中的同一層，藉由實質垂直於金屬線段155的導孔（或直通矽晶導孔）157或其組成的陣列與金屬線段112連接。如此一來，在結構上及電性上，金屬線段145及155同屬於8字型積體電感100之第二感應單元的一部分。在其他的實施例中，金屬線段145及/或155可製作於不同於金屬線段131所屬之金屬層。

在本發明的一個實施例中，金屬線段121、132及112製作於超厚金屬層，金屬線段131、145及155製作於重佈線層。由於重佈線層的電阻值較超厚金屬層高，所以在實作金屬線段145及155之前，8字型積體電感100的第一感應單元整體的電阻值較第二感應單元高。然而藉由在第二感應單元的部分金屬線段上連接其他層的金屬線段145及155之後，即可藉由調整金屬線段145及155的長度及/或導孔147及157的個數來調整第二感應單元的電阻值。當金屬線段145及/或155的長度愈長，則第二感應單元的整體電阻值愈大；另外，當導孔147及/或157的個數愈多，則第二感應單元的整體電阻值也愈大。此實施例中金屬線段145及155位於金屬線段121及112的上方，此時金屬線段145及155為上導通（overpass）線段；然而金屬線段145及155亦可製作於金屬線段121及112下方之金屬層，此時金屬線段145及155為下導通（underpass）線段。

金屬線段131屬於8字型積體電感100的第一感應單元，而金屬線段132屬於8字型積體電感100的第二感應單元，也就是說，金屬線段131實際上跨越了第二感應單元。然而，金屬線段145以及金屬線段155雖與第一感應單元的大部分金屬線段不同層，然而兩者卻不跨越第一感應單元。更明確地說，金屬線段145（155）製作於金屬線段121（112）在金屬線段145（155）所屬之金屬層的投影範圍內，且金屬線段145（155）在其他金屬層的投影範圍內不包含第一感應單元的金屬線段。

金屬線段145與金屬線段155的長度可為相同或不同。在一個實施例中，當8字型積體電感100的金屬線段的寬度為20μm，且金屬線段145與金屬線段155具有相同的導孔個數及長度時（L1=L2=3μm），兩個感應單元的S參數大小為0.59609及0.5958（操作於6.4GHz），兩者的差值為0.0003。作為比較，當8字型積體電感100不包含金屬線段145及金屬線段155時，兩個感應單元的S參數大小分別為0.59405及0.59323，兩者的差值為0.0008。也就是說，藉由增加金屬線段來調整兩個感應單元的電阻值差距之後，兩者的S參數大小值由0.0008降為0.0003。當8字型積體電感100應用於壓控振盪器（voltage controlled oscillator, VCO）時，此電感差值的降幅即可使VCO的峰對峰值的變化程度由50mV降為5-10mV。電感值和電阻值均為S參數轉換出來的等效值。也就是說，S參數的大小和相位對稱的話，運算8字型積體電感100的VCO有更好的電路表現。

在8字型積體電感上增加金屬線段亦有助於提高跨接結構的對稱性。當金屬線段145與金屬線段155愈接近跨接結構130， 8字型積體電感100在跨接結構130附近的對稱性則愈高。當8字型積體電感100在跨接結構130附近具有愈高的對稱性，則8字型積體電感100所產生的磁場就愈傾向於垂直8字型積體電感100所在的平面，有助於抑制磁場散射。

圖1D為圖1A之跨接結構130及區域140及150之另一實施方式的側視圖。此實施例與圖1C的實施例相似，差別在於，在圖1C中，在金屬線段145於金屬線段121所屬之金屬層的投影範圍內，第二感應單元包含金屬線段；換句話說，在金屬線段145的相鄰兩導孔之間，第二感應單元包含金屬線段。而在圖1D中，在金屬線段145於金屬線段121所屬之金屬層的投影範圍內，第二感應單元不包含金屬線段；換句話說，在金屬線段145的相鄰兩導孔之間，第二感應單元可以不包含金屬線段。

上述的實施例中，第二感應單元所包含的兩個金屬線段145及155不限於實作於跨接結構130附近。如圖2所示，8字型積體電感200的上/下導通線段可分別製作於對稱於跨接結構230的區域，例如兩個上/下導通線段的其中之一製作於區域210a，另一上/下導通線段製作於區域210b；或者，其中一上/下導通線段製作於區域220a，另一上/下導通線段製作於區域220b。在8字型積體電感200的結構或是該第二感應單元的結構中，區域210a（220a）及區域210b（220b）以跨接結構230為對稱中心。然而，在其他的實施例中，8字型積體電感亦可只包含一個上/下導通線段，利用單一的上/下導通線段亦可達到調整電阻的效果。

當本發明用於具有奇數個跨接結構的積體電感時，可以更突顯本發明的功效。如前述的實施例所示， 8字型積體電感100及200的兩個線圈皆為單圈的結構，以兩個單圈線圈所組成的8字型積體電感只有一個跨接結構。

為了使積體電感的感應單元的電阻值匹配，亦可將跨接結構的兩個金屬線段分別製作於電阻值相同或接近的兩個不同金屬層。圖3A係本發明8字型積體電感之另一實施例的結構圖，圖3B為圖3A之跨接結構的側視圖。8字型積體電感300的線圈310及320以跨接結構330相連接。圖3B中的金屬線段30a及30b位於線圈310及320所在之金屬層，其藉由導孔（或直通矽晶導孔(Through-Silicon-Via, TSV)）335或其組成的陣列連接位於下方金屬層之金屬線段331a。金屬線段331a可選擇性地再藉由導孔（或直通矽晶導孔）336或其組成的陣列連接位於下方金屬層之金屬線段331b。也就是說，金屬線段30a及30b可藉由金屬線段331a（及331b）互相連接。

在一個實施例中，圈線310及線圈320皆製作於半導體結構的超厚金屬層，金屬線段312及321透過半導體結構的第六金屬層及/或第四金屬層相連接，而金屬線段322及311透過半導體結構的第五金屬層及/或第三金屬層相連接。以圖3B的側視圖作說明，當金屬線段30a及30b分別對應金屬線段312及321時，金屬線段331a及331b分別位於半導體結構的第六及第四金屬層；當金屬線段30a及30b分別對應金屬線段322及311時，金屬線段331a及331b分別位於半導體結構的第五及第三金屬層。上述之第三、四、五、六金屬層介於半導體結構之基板與超厚金屬層（可視為第七金屬層）之間，並依序由下往上堆疊。一般來說，第三及第四金屬層的電阻值相當，且第五及第六金屬層的電阻值相當，所以如圖3B所示的跨接結構有助8字型積體電感300的兩個感應單元的電阻匹配。

除了8字型積體電感之外，本發明也可以應用於螺旋狀積體電感。圖4係本發明螺旋狀積體電感之一實施例的結構圖。螺旋狀積體電感400由內外兩個線圈所組成，外部線圈包含金屬線段411及412，而內部線圈包含金屬線段421及422。外部線圈及內部線圈藉由跨接結構430連接。螺旋狀積體電感400的第一感應單元（深灰色）以端點401及403（即螺旋狀積體電感400的中央抽頭）為其兩端，第二感應單元（淺灰色）以端點402及403為其兩端。金屬線段445及金屬線段455（兩者可擇一或同時實施）與第二感應單元的金屬線段相連，但不跨越第一感應單元的金屬線段。藉由調整金屬線段445及/或455的長度，第一及第二感應單元有更佳的電阻匹配，使得兩者的電感值更為接近。與8字型積體電感類似，當本發明用於具有奇數個跨接結構的螺旋狀積體電感時，可以更突顯本發明的功效。

請注意，前揭圖示中，元件之形狀、尺寸、比例以及步驟之順序等僅為示意，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8字型積體電感及螺旋狀積體電感為例，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積體電感。

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‧‧‧8字型積體電感

101、102、103、401、402、403‧‧‧端點

110、120、310、320‧‧‧線圈

111、112、121、122、131、132、145、155、311、312、321、322、30a、30b、331a、331b、411、412、421、422、445、455‧‧‧金屬線段

135、147、157、335、336‧‧‧孔

130、230、330、430‧‧‧跨接結構

140、150、210a、210b、220a、220b‧‧‧區域

400‧‧‧螺旋狀積體電感

［圖1A］為本發明8字型積體電感之一實施例的結構圖；［圖1B］為圖1A之跨接結構130的放大圖；［圖1C］為圖1A之跨接結構130及區域140及150的側視圖；［圖1D］為圖1A之跨接結構130及區域140及150之另一實施方式的側視圖；［圖2］為本發明8字型積體電感之另一實施例的結構圖；［圖3A］為本發明8字型積體電感之另一實施例的結構圖；［圖3B］為圖3A之跨接結構330的側視圖；以及［圖4］為本發明螺旋狀積體電感之一實施例的結構圖。

100‧‧‧8字型積體電感

101、102、103‧‧‧端點

110、120‧‧‧線圈

111、112、121、122、145、155‧‧‧金屬線段

130‧‧‧跨接結構

140、150‧‧‧區域

Claims

一種8字型積體電感，包含：一第一端點；一第二端點；一第三端點；一跨接結構，包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段及該第二金屬線段位於半導體結構的不同金屬層，且部分重疊；一第一感應單元，以該第一端點及該第三端點為其兩端，並包含該第一金屬線段；以及一第二感應單元，以該第二端點及該第三端點為其兩端，並包含該第二金屬線段及一第三金屬線段，該第三金屬線段位於不同於該第二金屬線段之金屬層，與該第二感應單元之其他金屬線段互相導通，但不跨越該第一感應單元之金屬線段。
如申請專利範圍第1項所述之8字型積體電感，其中該8字型積體電感包含一第一線圈及一第二線圈，該第一線圈及該第二線圈以該跨接結構相連接，該第一線圈的其中一部分金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分金屬線段屬於該第二感應單元，該第二線圈的其中一部分金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分金屬線段屬於該第二感應單元，該第一線圈及該第二線圈皆為單圈結構。
如申請專利範圍第1項所述之8字型積體電感，更包含：一第一連接結構，實質上垂直於該第三金屬線段，用來連接該第三金屬線段與該第二感應單元之其他金屬線段；以及一第二連接結構，實質上垂直於該第三金屬線段，用來連接該第三金屬線段與該第二感應單元之其他金屬線段；其中，在該第一連接結構與該第二連接結構之間，該第二感應單元於該第二金屬線段所屬之金屬層中不包含金屬線段。
如申請專利範圍第1項所述之8字型積體電感，其中，在該第三金屬線段於該第二金屬線段所屬之金屬層之投影範圍內，該第二感應單元不包含金屬線段。
如申請專利範圍第1項所述之8字型積體電感，更包含：一第四金屬線段，屬於該第二感應單元之一部分，位於不同於該第二金屬線段之金屬層，與該第二感應單元之其他金屬線段互相導通，但不跨越該第一感應單元之金屬線段；其中，該第三金屬線段及該第四金屬線段於該第二感應單元之位置對稱於該跨接結構。
一種8字型積體電感，由一第一感應單元及一第二感應單元所組成，包含：一第一端點，作為該第一感應單元之一端；一第二端點，作為該第二感應單元之一端；一第三端點，作為該第一感應單元及該第二感應單元之一共同端點；一第一線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；一第二線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；以及一跨接結構，連接該第一線圈及該第二線圈，包含一第一金屬線段，位於一第一金屬層；一第二金屬線段，位於一第二金屬層且部分重疊於該第一金屬線段；其中，該第一金屬層及該第二金屬層不同於該第一線圈及該第二線圈所屬之金屬層。
如申請專利範圍第6項所述之8字型積體電感，其中該第一線圈及該第二線圈皆為單圈結構。
一種積體電感，由一第一感應單元及一第二感應單元所組感，包含：一第一端點，作為該第一感應單元之一端；一第二端點，作為該第二感應單元之一端；一第三端點，作為該第一感應單元及該第二感應單元之一共同端點；一外部線圈，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；一內部線圈，位於該外部線圈所圍繞之一範圍內，其一部分之金屬線段屬於該第一感應單元，另一部分之金屬線段屬於該第二感應單元；以及一跨接結構，用來連接該外部線圈及該內部線圈，包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段及該第二金屬線段位於半導體結構的不同金屬層，且部分重疊；其中，該第一感應單元包含該第一金屬線段，該第二感應單元包含該第二金屬線段及一第三金屬線段，該第三金屬線段位於不同於該第二金屬線段之金屬層，不屬於該內部線圈或該外部線圈且與該第二感應單元之其他金屬線段互相導通，但不跨越該第一感應單元之金屬線段。
如申請專利範圍第8項所述之積體電感，更包含：一第一連接結構，實質上垂直於該第三金屬線段，用來連接該第三金屬線段與該第二感應單元之其他金屬線段；以及一第二連接結構，實質上垂直於該第三金屬線段，用來連接該第三金屬線段與該第二感應單元之其他金屬線段；其中，在該第一連接結構與該第二連接結構之間，該第二感應單元於該第二金屬線段所屬之金屬層中不包含金屬線段。
如申請專利範圍第9項所述之積體電感，其中，在該第三金屬線段於該第二金屬線段所屬之金屬層之投影範圍內，該第二感應單元不包含金屬線段。