TWI697919B

TWI697919B - 非對稱式螺旋狀電感

Info

Publication number: TWI697919B
Application number: TW108144873A
Authority: TW
Inventors: 顏孝璁; 陳家源
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-07-01
Also published as: US20210175006A1; TW202123266A

Abstract

本發明揭露一種非對稱式螺旋狀電感，包含第一繞組、第二繞組及第三繞組。第一繞組具有第一端點及第二端點，且製作於半導體結構的超厚金屬層。第二繞組具有第三端點及第四端點，製作於半導體結構的重佈線層，並且具有第一最大走線寬度。第三繞組具有第五端點及第六端點，製作於半導體結構的超厚金屬層，並且具有小於第一最大走線寬度之第二最大走線寬度。第二端點及第三端點透過第一貫穿結構連接，第四端點及第五端點透過第二貫穿結構連接，以及第一端點及第六端點形成非對稱式螺旋狀電感的兩端點。

Description

非對稱式螺旋狀電感

本發明是關於積體電感，尤其是關於非對稱式螺旋狀積體電感。

圖1及圖2分別顯示習知的非對稱式螺旋狀電感（asymmetric spiral inductor）及對稱式螺旋狀電感（symmetric spiral inductor）。非對稱式螺旋狀電感100及對稱式螺旋狀電感200為平面式的結構。對稱式螺旋狀電感200主要由位於兩個導體層（分別以灰色及黑色表示）的導體線段所構成。位於不同導體層的導體線段由貫穿結構105連接，貫穿結構105例如是半導體製程中的導孔（via）結構或導孔陣列（via array）。一般而言，因為對稱式螺旋狀電感200在結構上較對稱，所以適用於差動（differential）訊號，而非對稱式螺旋狀電感100則適用於單端（single-ended）訊號。

提高非對稱式螺旋狀電感100及對稱式螺旋狀電感200的電感值的方法之一為增加其線圈數。線圈數的增加除了導致非對稱式螺旋狀電感100及對稱式螺旋狀電感200的面積增加之外，也會造成其寄生串聯電阻（parasitic series resistance）及寄生電容（parasitic capacitance）的增加。高的寄生串聯電阻及寄生電容會造成非對稱式螺旋狀電感100及對稱式螺旋狀電感200的自振頻率（self-resonant frequency）及品質因素（quality factor）Q下降。此外，金屬耗損（metal loss）以及基板耗損（substrate loss）也是影響品質因素Q的重要因素。金屬耗損是由於金屬本身的阻值所導致。基板耗損來源有兩種，一種是來自於當電感作用時，電感的金屬線圈以及基板之間產生一時變的電位移（electric displacement），此電位移在金屬線圈與基板之間產生一位移電流（displacement current），此位移電流穿透至低阻抗的基板內，形成能量的損耗。此位移電流與電感線圈面積相關，面積越大，位移電流越大。另一種是來自於電感的時變電磁場穿透介電質，在基板上產生感應電流（magnetically induced eddy current），此感應電流與電感電流的方向相反，造成能量的損耗。

當電感操作於低頻時，金屬線圈中的電流會呈現均勻分佈，此時金屬耗損在低頻時是來自於金屬線圈的串聯電阻。當電感操作於高頻時，越靠近內圈的金屬線圈產生越強的磁場；強烈的磁場在金屬線圈的內圈感應出渦狀電流（eddy current）。此渦狀電流造成電流不均勻分佈，使大部分的電流被推擠到金屬線圈的表面；此現象稱為集膚效應（skin effect）。在集膚效應下，電流流過的金屬截面變小，因此將感受到較大的電阻，而造成品質因素Q下降。

因此，如何在不增加電感面積的情況下提高電感的品質因素Q及電感值成為本領域的重要課題。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種非對稱式螺旋狀電感。

本發明揭露一種非對稱式螺旋狀電感包含第一繞組、第二繞組及第三繞組。第一繞組具有第一端點及第二端點，且製作於半導體結構的超厚金屬層。第二繞組具有第三端點及第四端點，製作於半導體結構的重佈線層，並且具有第一最大走線寬度。第三繞組具有第五端點及第六端點，製作於半導體結構的超厚金屬層，並且具有小於第一最大走線寬度之第二最大走線寬度。第二端點及第三端點透過第一貫穿結構連接，第四端點及第五端點透過第二貫穿結構連接，以及第一端點及第六端點形成非對稱式螺旋狀電感的兩端點。

本發明另揭露一種非對稱式螺旋狀電感包含螺旋狀線圈、第一走線及第二走線。螺旋狀線圈具有第一端點及第二端點，且製作於半導體結構的第一導體層。第一走線具有第三端點及第四端點，且製作於半導體結構的第二導體層，其中第一導體層不等於第二導體層，且第一走線的長度小於螺旋狀線圈的一圈。第二走線具有第五端點及第六端點，且製作於半導體結構的第一導體層。第二端點及第三端點透過第一貫穿結構連接，第四端點及第五端點透過第二貫穿結構連接，以及第一端點及第六端點形成非對稱式螺旋狀電感的兩端點。

本發明之非對稱式螺旋狀電感實作於半導體結構中的兩個不同的導體層，相較於傳統技術，本發明可以在不增加電感面積的情況下提高非對稱式螺旋狀電感的電感值，進而提高品質因素Q

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。

本發明之揭露內容包含非對稱式螺旋狀電感。由於本發明之非對稱式螺旋狀電感所包含之部分元件單獨而言可能為已知元件，因此在不影響該裝置發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於已知元件的細節將予以節略。

圖3A及圖3B各顯示一個四圈的非對稱式螺旋狀電感的上視圖或下視圖，圖3A的非對稱式螺旋狀電感300實作於半導體結構的第一導體層或第二導體層，而圖3B的非對稱式螺旋狀電感400實作於半導體結構的第一導體層及第二導體層。第一導體層及第二導體層可以是半導體結構的任意兩個不同的導體層，舉例來說，第一導體層可以是超厚金屬（ultra-thick metal, UTM）層及重佈線層（re-distribution layer, RDL）的其中一者，而第二導體層是另一者。

如圖3A所示，非對稱式螺旋狀電感300由單一個繞組310構成。換言之，繞組310本身即為非對稱式螺旋狀電感300。繞組310可以視為由單一走線（trace）構成。

如圖3B所示，非對稱式螺旋狀電感400由三個繞組構成：繞組410、繞組420及繞組430。繞組410及繞組430實作於第一導體層，而繞組420實作於第二導體層。繞組410、繞組420及繞組430透過貫穿結構401及貫穿結構402連接。更明確地說，貫穿結構401連接繞組420的其中一個端點與繞組410，而貫穿結構402連接繞組420的另一個端點與繞組430。繞組420沿著非對稱式螺旋狀電感400或繞組430的邊緣延伸，因此，繞組420的形狀與非對稱式螺旋狀電感400及/或繞組430的部分的輪廓相似。

如圖3A及3B所示，非對稱式螺旋狀電感300及非對稱式螺旋狀電感400同為4圈的螺旋狀電感，差別在於非對稱式螺旋狀電感300的全部走線實作於同一導體層，而非對稱式螺旋狀電感400雖然大部分的走線實作於第一導體層，但有一部分的走線（即繞組420）實作於第二導體層。換言之，非對稱式螺旋狀電感300為平面的結構，而非對稱式螺旋狀電感400為立體的結構。如此一來，在具有同樣的圈數及外徑D1的前提下（亦即電感的面積實質上相同的前提下），非對稱式螺旋狀電感400的內徑D3大於非對稱式螺旋狀電感300的內徑D2，使得非對稱式螺旋狀電感400的品質因素Q高於非對稱式螺旋狀電感300的品質因素Q。

圖4A、4B及4C分別顯示繞組410、繞組420及繞組430。繞組410為長度大約為非對稱式螺旋狀電感400之半圈的走線或線圈。繞組420為長度大約為非對稱式螺旋狀電感400之一圈的走線或線圈。繞組430構成一個非對稱的螺旋狀線圈。繞組410的兩端點為端點411及端點412，繞組420的兩端點為端點421及端點422，而繞組430的兩端點為端點431及端點432。端點411為非對稱式螺旋狀電感400的其中一個端點，端點412透過貫穿結構401與端點421連接，端點422透過貫穿結構402與端點431連接，而端點432為非對稱式螺旋狀電感400的另一個端點。在此實施例中，繞組410的走線的長度約為非對稱式螺旋狀電感400或繞組430的半圈，然而亦可為更長（例如3/4圈、1圈，或多圈）或更短（例如小於等於1/4圈）。在此實施例中，繞組420的走線的長度約為非對稱式螺旋狀電感400或繞組430的1圈，然而亦可為更長（例如1.5圈或多圈）或更短（例如小於1圈）。在此實施例中，繞組430為一個多圈的結構，較佳為大於等於1圈。

圖5顯示圖3B之橫截面A-A的一實施例。在此實施例中，繞組410、繞組420及繞組430的走線的寬度均為W1。在圖的左半部中，繞組420的部分走線與繞組430的部分走線完全重疊或部分重疊，而在圖的右半部中，繞組420的部分走線與繞組410的部分走線部分重疊以及與繞組430的部分走線部分重疊。繞組420與鄰近的繞組410及/或繞組430可以產生互感Lm。

圖6顯示圖3B之橫截面A-A的另一實施例。在此實施例中，繞組410及繞組430的走線的寬度均為W1（換言之，繞組410及繞組430的最大走線寬度為W1），而繞組420的最大走線寬度為W2或W3。當W2等於W3時，繞組420的走線具有均勻的寬度；當W2不等於W3時，繞組420的走線具有不均勻的寬度。相較於圖5，因為繞組420與繞組410及/或繞組430之間的重疊部分變大（亦即W2及/或W3大於W1），所以繞組420與繞組410及/或繞組430之間的互感Lm'大於圖5之實施例的互感Lm。換言之，相較於圖5的實施例，圖6的電感具有更高的電感值。

一般來說，重佈線層的單位電阻值大於超厚金屬層的單位電阻值，所以當第一導體層為超厚金屬層且第二導體層為重佈線層時，較大的寬度W2及/或W3（相較於W1）可以使繞組420具有較低的電阻值。因此，雖然實作於單位電阻值較大的導體層，因為走線的寬度加大，所以繞組420的整體的電阻值有可能不會變大（相較於當實作於超厚金屬層且寬度為W1時的電阻值）。

圖7顯示圖3B之橫截面A-A的另一實施例。在繞組430的走線中，與繞組420重疊或部分重疊的走線相較於未與繞組420重疊的走線可以具有更大的寬度（即W4>W1），使得繞組420與繞組430之間的互感Lm''大於圖6之實施例的互感Lm'。在一些實施例中，繞組420和繞組430 可能重疊不只一圈，可能二圈以上。換言之，相較於圖6的實施例，圖7的電感具有更高的電感值。圖7的電感的外徑等於圖6的電感的外徑（皆為D1），但因為圖7中部分繞組430的走線較寬，所以圖7的電感的內徑D4小於圖6的電感的內徑D3。在圖7的實施例中，繞組420的部分走線的寬度W5大於繞組430的部分走線的寬度W4與相鄰兩圈的間隔D5的和。

圖8A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例的上視圖或下視圖，圖8B顯示圖8A的橫截面B-B。非對稱式螺旋狀電感800與非對稱式螺旋狀電感400同樣是4圈的結構，並且包含繞組810、繞組820及繞組830。繞組810及繞組830實作於第一導體層，而繞組820實作於第二導體層。繞組810、繞組820及繞組830透過貫穿結構801及貫穿結構802連接。更明確地說，貫穿結構801連接繞組820的其中一個端點與繞組810，而貫穿結構802連接繞組820的另一個端點與繞組830。繞組820沿著非對稱式螺旋狀電感800或繞組830的邊緣延伸，因此，繞組820的形狀與非對稱式螺旋狀電感800及/或繞組830的部分的輪廓相似。端點811及端點832為非對稱式螺旋狀電感800的兩個端點。

如圖8A及8B所示，部分的繞組820與繞組830的其中一圈（在此實施例為最外圈）重疊。繞組820與鄰近的繞組830之間產生互感Lm。請參考圖5至圖7，繞組810、繞組820及繞組830的走線的寬度不限於圖8B所顯示的範例。

圖9A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例的上視圖或下視圖，圖9B顯示圖9A的橫截面C-C。非對稱式螺旋狀電感900與非對稱式螺旋狀電感400同樣是4圈的結構，並且包含繞組910、繞組920及繞組930。繞組910及繞組920實作於第一導體層，而繞組930實作於第二導體層。繞組910、繞組920及繞組930透過貫穿結構901及貫穿結構902連接。更明確地說，貫穿結構901連接繞組920的其中一個端點與繞組910，而貫穿結構902連接繞組920的另一個端點與繞組930。繞組920沿著非對稱式螺旋狀電感900或繞組930的邊緣延伸，因此，繞組920的形狀與非對稱式螺旋狀電感900及/或繞組930的部分的輪廓相似。端點911及端點932為非對稱式螺旋狀電感900的兩個端點。

如圖9A及9B所示，繞組920不與繞組910及繞組930重疊。繞組920位於非對稱式螺旋狀電感900的最外圈，且繞組920的走線的長度約為非對稱式螺旋狀電感900或繞組930的半圈。請參考圖5至圖7，繞組910、繞組920及繞組930的走線的寬度不限於圖9B所顯示的範例。

圖10A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例的上視圖或下視圖，圖10B顯示圖10A的橫截面D-D。非對稱式螺旋狀電感1000與非對稱式螺旋狀電感400同樣是4圈的結構，並且包含繞組1010、繞組1020、繞組1030及繞組1040。繞組1020及繞組1040實作於第一導體層，而繞組1010及繞組1030實作於第二導體層。繞組1010、繞組1020、繞組1030及繞組1040透過貫穿結構1001、貫穿結構1002及貫穿結構1003連接。繞組1010及繞組1030沿著非對稱式螺旋狀電感1000或繞組1040的邊緣延伸，因此，繞組1010及繞組1030的形狀與非對稱式螺旋狀電感1000及/或繞組1040的部分的輪廓相似。端點1011及端點1042為非對稱式螺旋狀電感900的兩個端點。

如圖10A及10B所示，繞組1010及繞組1030不與繞組1040重疊。繞組1010及繞組1030位於非對稱式螺旋狀電感1000的最外圈，且繞組1010及繞組1030的走線的長度各約為非對稱式螺旋狀電感1000或繞組1040的半圈。請參考圖5至圖7，繞組1010、繞組1020、繞組1030及繞組1040的走線的寬度不限於圖10B所顯示的範例。

圖11顯示非對稱式螺旋狀電感300及非對稱式螺旋狀電感400的品質因素Q。曲線1110代表非對稱式螺旋狀電感300的品質因素Q，而曲線1120代表非對稱式螺旋狀電感400的品質因素Q。相較於非對稱式螺旋狀電感300，非對稱式螺旋狀電感400的結構可以提升電感的品質因素Q。

前揭實施例的線圈雖以八邊形為例，然此並非對本發明之限制，該些電感也可以是其他多邊形或圓形。本發明的電感不限於4圈。

綜上所述，本發明可以在不增加電感面積的情況下提高非對稱式螺旋狀電感的電感值，進而提高品質因素Q。

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。

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、300、400、800、900、1000:非對稱式螺旋狀電感 200:對稱式螺旋狀電感 105、401、402、801、802、901、902、1001、1002、1003:貫穿結構 310、410、420、430、810、820、830、910、920、930、1010、1020、1030、1040:繞組 411、412、421、422、431、432、811、832、911、932、1011、1042:端點 D1:外徑 D2、D3、D4:內徑 D5:間隔 W1、W2、W3、W4、W5:寬度 Lm、Lm'、Lm'':互感 1110、1120:曲線

圖1為習知的非對稱式螺旋狀電感；圖2為習知的對稱式螺旋狀電感；圖3A為四圈的非對稱式螺旋狀電感。圖3B為四圈的非對稱式螺旋狀電感。圖4A為圖3B之繞組410；圖4B為圖3B之繞組420；圖4C為圖3B之繞組430；圖5為圖3B之橫截面A-A的一實施例；圖6為圖3B之橫截面A-A的另一實施例；圖7為圖3B之橫截面A-A的另一實施例；圖8A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例；圖8B為圖8A的橫截面B-B；圖9A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例；圖9B為圖9A的橫截面C-C；圖10A為本發明非對稱式螺旋狀電感之另一實施例；圖10B為圖10A的橫截面D-D；以及圖11顯示非對稱式螺旋狀電感300及非對稱式螺旋狀電感400的品質因素Q。

400:非對稱式螺旋狀電感

401、402:貫穿結構

410、420、430:繞組

D1:外徑

D3:內徑

Claims

一種非對稱式螺旋狀電感，包含：一第一繞組，具有一第一端點及一第二端點，且製作於一半導體結構之一超厚金屬層；一第二繞組，具有一第三端點及一第四端點，製作於該半導體結構之一重佈線層，且具有一第一最大走線寬度；以及一第三繞組，具有一第五端點及一第六端點，製作於該半導體結構之該超厚金屬層，且具有小於該第一最大走線寬度之一第二最大走線寬度；其中該第二端點及該第三端點透過一第一貫穿結構連接，該第四端點及該第五端點透過一第二貫穿結構連接，以及該第一端點及該第六端點形成該非對稱式螺旋狀電感之兩端點。
如申請專利範圍第1項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中該第二繞組的長度小於該非對稱式螺旋狀電感的一圈。
如申請專利範圍第1項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中部分該第二繞組沿著該第三繞組的邊緣延伸。
如申請專利範圍第3項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中部分該第二繞組與部分該第三繞組重疊。
如申請專利範圍第3項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中該第二繞組之一第一部分與部分該第三繞組重疊，且該第二繞組之一第二部分與部分該第一繞組重疊及與部分該第三繞組重疊。
如申請專利範圍第1項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中該第二繞組位於該非對稱式螺旋狀電感的外圈且不與該第三繞組重疊。
一種非對稱式螺旋狀電感，包含：一螺旋狀線圈，具有一第一端點及一第二端點，且製作於一半導體結構之一第一導體層；一第一走線，具有一第三端點及一第四端點，且製作於該半導體結構之一第二導體層，其中該第一導體層不等於該第二導體層，且該第一走線的長度小於該螺旋狀線圈的一圈；以及一第二走線，具有一第五端點及一第六端點，且製作於該半導體結構之該第一導體層；其中該第二端點及該第三端點透過一第一貫穿結構連接，該第四端點及該第五端點透過一第二貫穿結構連接，以及該第一端點及該第六端點形成該非對稱式螺旋狀電感之兩端點。
如申請專利範圍第7項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中該螺旋狀線圈具有一第一最大走線寬度，該第一走線具有一第二最大走線寬度，該第二最大走線寬度大於該第一最大走線寬度。
如申請專利範圍第8項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中該第一導體層係超厚金屬層，且該第二導體層係重佈線層。
如申請專利範圍第7項所述之非對稱式螺旋狀電感，其中部分該第一走線沿著該螺旋狀線圈的邊緣延伸。