TWI715362B

TWI715362B - 磁場效率高的電感器及其方法

Info

Publication number: TWI715362B
Application number: TW108146820A
Authority: TW
Inventors: 嘉亮林
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-20
Publication date: 2021-01-01
Also published as: TW202038264A; US11309121B2; US20200203059A1; CN111354532B; CN111354532A

Abstract

一種電感器，包括：以開環拓撲結構配置的線圈，開環拓撲結構具有第一多指端和第二多指端，其中第一多指端與第二多指端交錯設置，並且佈局在多層結構的第一金屬層；佈局在多層結構的第二金屬層上的多對金屬線段，其中所述多對金屬線段中的每一對包括第一金屬線段和第二金屬線段。第一金屬線段在上視圖中與第一多指端相交，並且透過第一組導孔連接到第一多指端；第二金屬線段在上視圖中與第二多指端相交，並透過第二組導孔連接到第二多指端。

Description

磁場效率高的電感器及其方法

本發明是關於電感器，並且更具體地涉及整合到諧振網路（resonant network）中的電感器。

電感器可以使用佈局在矽基板上的多層結構來建構。圖1顯示電感器110的佈局。框110LG顯示圖例。上視圖顯示在框110TV內。側視圖顯示在框110SV內。電感器110包括：佈局在標記為M1的第一金屬層上並且被配置成包括第一端E1和第二端E2的開環拓樸（open-loop topology）的線圈111、佈局在標記為M2的第二金屬層上的兩個金屬線段（包括第一金屬線段112a和第二金屬線段112b）、用來在第一端E1處將第一金屬線段112a連接線圈111的第一導孔組113（例如圖中所示的包括三個導孔113a、113b及113c），以及用來在第二端E2處將第二金屬線段112b連接線圈111的第二導孔組114（例如圖中所示的包括三個導孔114a、114b及114c）。線圈111、兩個金屬線段112a和112b，以及兩個導孔組113和114都嵌入在製作於基板116上的電介質115中。

實作上，電感器110被整合為諧振網路的一部分，諧振網路包括電容器，其中電容器通常使用多個層佈局，多個層包括第二金屬層「M2」以及在第二金屬層M2下面的至少一個附加層（圖1中未繪示）。第一金屬線段112a和第二金屬線段112b分別用作第一端和第二端，電感器110透過第一端和第二端連接電容器以形成諧振網路。兩個金屬線段112a和112b之間的物理間隙需要配合電容器的物理尺寸。舉例來說，如果電容器在上視圖中所呈現的尺寸是80μm×80μm，則兩個金屬線段112a和112b之間的物理間隙需要大約80μm。順帶一提，兩端E1和E2之間的物理間隙也約為80μm。因此，如果要連接的電容器具有大的水平尺寸，則兩端E1和E2之間需要大的間隙。兩端E1和E2之間的大間隙使得可由線圈111激發的磁通量減少，導致電感器110的性能降低。

因此需要一種當整合在諧振網路中時仍可以有效地激發磁通量的電感器。

在一個實施例中，電感器包括：以開環拓撲配置的線圈，開環拓撲具有第一多指端和第二多指端，其中第一多指端與第二多指端交錯設置，並且佈局在多層結構的第一金屬層；以及複數對金屬線段，佈局在該多層結構的一第二金屬層，其中該些複數對金屬線段的每一對包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段在上視圖中與該第一多指端相交且透過一第一組導孔連接該第一多指端，且該第二金屬線段在上視圖中與該第二多指端相交且透過一第二組導孔連接該第二多指端。

在一個實施例中，一種方法包括：佈局一線圈，該線圈配置為具有一第一多指端和一第二多指端的一開環拓樸，其中該第一多指端與該第二多指端交錯設置，並且佈局在一多層結構的一第一金屬層上；在該多層結構的一第二金屬層上佈局複數對金屬線段，其中該些複數對金屬線段的每一對包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，在上視圖中，該第一金屬線段與該第一多指端相交，且該第二金屬線段與該第二多指端相交；對於該些複數對金屬線段的每一對，使用多個導孔連接該第一金屬線段與該第一多指端；以及對於該些複數對金屬線段的每一對，使用多個導孔連接該第二金屬線段與該第二多指端。

本公開涉及電感器。雖然說明書描述了本公開的若干範例實施例，且該些範例實施例被認為是實踐本發明的較佳模式，但是應該理解，本發明可以以多種方式實現，並且不限於下面描述的特定範例或者實施這些例子的任何特徵的特定方式。在其他情況下，未顯示或描述眾所周知的細節以避免模糊本公開的特徵。

本技術領域具有通常知識者理解與本公開中使用的微電子有關的術語和基本概念，例如「電感器」、「電容器」、「磁通量」、「諧振網路」、「電介質」和「基板」。這些術語和基本概念對於本技術領域具有通常知識者來說是顯而易見的，因此這裡不再詳細說明。

圖2A顯示根據本發明一實施例的電感器210的佈局。電感器210佈局在多層結構上，該多層結構包括標記為「M1」的第一金屬層和標記為「M2」的第二金屬層。圖例顯示在框210LG內。上視圖顯示在框201TV內。側視圖顯示在框210SV內。電感器210包含：佈局在第一金屬層「M1」並且以開環拓撲配置的線圈211，開環拓撲具有彼此相互交錯（interdigitating）的第一多指端（multi-finger end）和第二端多指端，其中第一多指端包括（作為示例而非限制）從平面P1延伸到平面P3的三個指狀物（finger）F1、F3和F5，而第二多指端包括（作為示例而非限制）三個從平面P2延伸到平面P4的指狀物F2、F4和F6；佈局在第二金屬層「M2」、緊鄰平面P1並與第一多指端相交的第一金屬線段S1；被配置為將第一金屬線段S1連接到第一多指端的第一導孔組，第一導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包含導孔V1以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）；佈局在第二金屬層「M2」、緊鄰平面P2並與第二多指端相交的第二金屬線段S2；被配置為將第二金屬線段S2連接到第二多指端的第二導孔組，第二導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包括導孔V2以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）；佈局在第二金屬層「M2」、緊鄰平面P3並與第一多指端相交的第三金屬線段S3；被配置為將第三金屬線段S3連接到第一多指端的第三導孔組，第三導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包括導孔V3以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）；佈局在第二金屬層「M2」、緊鄰平面P4並與第二多指端相交的第四金屬線段S4；被配置為將第四金屬線段S4連接到第二多指端的第四導孔組，第四導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包括導孔V4以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）；佈局在第二金屬層「M2」、位於平面P4和平面P3之間（較靠近平面P4而較遠離平面P3）且與第一多指端相交的第五金屬線段S5；被配置為將第五金屬線段S5連接到第一多指端的第五導孔組，第五導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包括導孔V5以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）；佈局在第二金屬層「M2」、位於平面P4和平面P3之間（較靠近平面P3而較遠離平面P4）且與第二多指端相交的第六金屬線段S6；以及被配置為將第六金屬線段S6連接到第二多指端的第六導孔組，第六導孔組包括（作為示例而非限制）三個導孔，三個導孔包括導孔V6以及其他兩個導孔（由於圖式太過緊密而未標記）。

為了更清楚地說明多指交錯拓撲，圖2B顯示補充的上視圖。由於使用多指交錯拓撲，線圈211沒有物理間隙（例如出現在圖1的電感器110的物理間隙），否則物理間隙會造成磁通量減少並因而降低效能。圖2C顯示另一個補充上視圖。當被整合進諧振網路時，電感器210提供三對端子以分別連接到第一電容器、第二電容器，及第三電容器等三個電容器。第一金屬線段S1和第四金屬線段S4形成第一對端子，可用於連接到佈局在第一區域221中的第一電容器。第三金屬線段S3和第二金屬線段S2形成第二對端子，可用於連接到佈局在第二區域222中的第二電容器。第五金屬線段S5和第六金屬線段S6形成第三對端子，可用於連接到佈局在第三區域223中的第三電容器。因為多指交錯拓撲，所以三個電容器實際上並聯連接。舉例來說，如果諧振網路需要3pF的總電容，則三個電容器中的每一個可以是1pF。如此一來，可以使用分佈開來並且以分佈方式連接到線圈的多個小電容器來形成大電容。佈局在三個區域221、222和223中的三個電容器可以使用多個金屬層來佈局，多個金屬層包括第二金屬層「M2」以及在第二金屬「M2」下面的至少一個額外的金屬層（圖未示）。

雖然線圈211是佈局在單層（即第一金屬層「M1」）上的單圈線圈，但是這只是作為示例而非限制。本技術領域具有通常知識者可以採用現有技術中已知的方式，使用多個金屬層及多圈來實作線圈，只要線圈具有相互交錯的第一多指端和第二多指端，並且有多對金屬線段被佈局，其中所述多對金屬線段的每一對包括第一金屬線段及第二金屬線段，第一金屬線段與線圈的第一多指端相交並透過第一導孔組連接到第一多指端，第二金屬線段與線圈的第二多指端相交並透過第二導孔組連接到第二多指端。為了形成諧振網路，每對金屬線段各自連接到電容器。

如圖3的流程圖300所示，根據本發明一實施例的方法包括以下步驟：（步驟310）佈局以開環拓撲配置的線圈，開環拓撲具有第一多指端和第二多指端，第一多指端和第二多指端彼此相互交錯並佈局在多層結構的第一金屬層上；（步驟320）在多層結構的第二金屬層上佈局複數對金屬線段，其中該些複數對金屬線段的每一對包含第一金屬線段及第二金屬線段，在上視圖中，該第一金屬線段與該第一多指端相交，且該第二金屬線段與該第二多指端相交；（步驟330）對於該些複數對金屬線段的每一對，使用多個導孔連接第一金屬線段與第一多指端；（步驟340）對於該些複數對金屬線段的每一對，使用多個導孔連接第二金屬線段與第二多指端。

本技術領域具有通常知識者將容易地觀察到，可以在保有本公開的教導的同時對裝置和方法進行多種修改和修飾。因此，上述公開內容應被解釋為僅受所附申請專利範圍的範圍和界限所限制。

M1 第一金屬層 via 導孔 M2 第二金屬層 110、210 電感器 111、211 線圈 112a 第一金屬線段 112b 第二金屬線段 113、114 導孔組 113a、113b、113c、114a、114b、114c 導孔 E1 第一端 E2 第二端 215、115 電介質 216、116 基板 110LG、210LG 圖例 110TV、210TV 上視圖 110SV、210SV 側視圖 P1、P2、P3、P4 平面 S1、S2、S3、S4、S5、S6 金屬線段 V1、V2、V3、V4、V5、V6 導孔 F1、F2、F3、F4、F5、F6 指狀物 221、222、223 區域 310～340 步驟

［圖1］顯示習知電感器的佈局；［圖2A］顯示根據本發明一實施例的電感器的佈局；［圖2B］顯示圖2A的電感器的補充上視圖；［圖2C］顯示圖2A的電感器的另一補充上視圖；以及［圖3］顯示根據本發明的實施例的方法的流程圖。

M1 第一金屬層 via 導孔 M2 第二金屬層 210 電感器 211 線圈 215 電介質 216 基板 210LG 圖例 210TV 上視圖 210SV 側視圖 P1、P2、P3、P4 平面 S1、S2、S3、S4、S5、S6 金屬線段 V1、V2、V3、V4、V5、V6 導孔 F1、F2、F3、F4、F5、F6 指狀物

Claims

一種電感器，包含：一線圈，配置為具有一第一多指端和一第二多指端的一開環拓樸，其中該第一多指端與該第二多指端呈現交錯設置，並且佈局在一多層結構的一第一金屬層上；以及複數對金屬線段，佈局在該多層結構的一第二金屬層，其中該些複數對金屬線段的每一對包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，該第一金屬線段在上視圖中與該第一多指端相交且透過一第一組導孔連接該第一多指端，且該第二金屬線段在上視圖中與該第二多指端相交且透過一第二組導孔連接該第二多指端。
如申請專利範圍第1項所述之電感器，其中該多層結構係嵌入置於一基板上的一電介質中。
如申請專利範圍第1項所述之電感器，其中該複數對金屬線段的每一對各自連接電容器以形成一諧振迴路。
一種電感器的製造方法，包含：佈局一線圈，該線圈配置為具有一第一多指端和一第二多指端的一開環拓樸，其中該第一多指端與該第二多指端呈現交錯設置，並且佈局在一多層結構的一第一金屬層上；在該多層結構的一第二金屬層上佈局複數對金屬線段，其中該些複數對金屬線段的每一對包含一第一金屬線段及一第二金屬線段，在上視圖中，該第一金屬線段與該第一多指端相交，且該第二金屬線段與該第二多指端相交；對於該些複數對金屬線段的每一對，使用複數個導孔連接該第一金屬線段與該第一多指端；以及對於該些複數對金屬線段的每一對，使用複數個導孔連接該第二金屬線段與該第二多指端。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該多層結構係嵌入置於一基板上的一電介質中。
如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該複數對金屬線段的每一對各自連接電容器以形成一諧振迴路。