TW201837931A - 高度隔離之積體電感及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭露了一種電感，其一實施例包含：一第一金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於一第一金屬層；一第二金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於該第一金屬層；以及一第三金屬走線線圈，其為一閉迴路型態，且置於一第二金屬層。於上述實施例中，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是實質地對稱；該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以大略地圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈二者的大部分。

Description

高度隔離之積體電感及其方法

本發明大體而言是關於電感。

電感廣泛地使用於各種應用中。近來的趨勢之一是於一積體電路單晶片上包含複數個電感。在一積體電路單晶片上，多個電感共存（co-existence of multiple inductors）所導致的一重大問題是：於該些電感之間可能存在不需要的電磁耦合（undesired magnetic coupling），其對於該積體電路之功能而言是有害的。為減輕該些電感之間不需要的電磁耦合，該些電感中任二電感間的物理分隔通常要夠大，上述作法導致一總體電路面積的增加，進而導致該積體電路的成本上升。

鑑於上述，本揭露包含一種方法，該方法用來製作一電感，該電感本質上較不會遭受積體電路之同一晶片上的其它電感的電磁耦合的影響。

本發明揭露了一種電感，其一實施例包含：一第一金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於一第一金屬層；一第二金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於該第一金屬層；以及一第三金屬走線線圈，其為一閉迴路型態，且置於一第二金屬層。於上述實施例中，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是相當地（at least fairly）對稱；該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈二者的大部分。於一實施例中，該第一金屬走線線圈包含一開口，該開口位於離該第二軸最遠的一邊上。於一實施例中，該電感是由一介電板所罩覆。於一 實施例中，該介電板是置於一矽基板上。於一實施例中，有另一電感形成於該矽基板上。

本發明另揭露一種方法，其一實施例包含下列步驟：導入一第一金屬走線線圈，該第一金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於一第一金屬層，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是相當地對稱；導入一第二金屬走線線圈，該第二金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於該第一金屬層，該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及導入一第三金屬走線線圈，該第三金屬走線線圈為一閉迴路型態，且形成於一第二金屬層，從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈二者的大部分。於一實施例中，該第一金屬走線線圈包含一開口，該開口位於離該第二軸最遠的一邊上。於一實施例中，該電感是由一介電板所罩覆。於一 實施例中，該介電板是置於一矽基板上。於一實施例中，有另一電感形成於該矽基板上。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

本發明是關於電感。本說明書敘述了本發明的數個實施例，以呈現實施本發明的較佳方式，然而，本領域人士應當瞭解，本發明可透過多種方式來實作，而不受限於下述特定實施例或任一實施例所載的技術特徵，另外，習知技術的細節將不被顯示或說明，以避免妨礙本發明之特點的呈現。

本領域具有通常知識者可以瞭解使用於本揭露中關於微電子的用語與基本概念，例如「電壓」、「電流」、「訊號」、「差動訊號」、「冷次定律（Lenz law）」、「電感」、「自感（self-inductance）」、「互感（mutual inductance）」、「介電質」、「基板（substrate）」與「矽晶片」。

依據本發明之一實施例，圖1顯示一電感100的佈局。電感100是製作於一矽基板113上，並包含金屬走線（metal trace）之一第一線圈L1、一第二金屬走線線圈L2、以及一第三金屬走線線圈L3。為了說明簡潔，以下說明中，第一（第二、第三）金屬走線線圈L1（L2、L3）簡稱為L1（L2、L3）。如剖面圖110所示，L1、L2是置於一第一金屬層111中，而L3是置於一第二金屬層112中。一個置於基板113之上的介電板（dielectric slab）114作為一基底（housing）以確保L1、L2與L3之設置。如第一金屬層111之一頂視圖120所示，L1被適當地佈局，以在一第一軸方面是實質地對稱（be substantially symmetrical with respect to a first axis）；而L2被適當地佈局，以在一第二軸方面是L1的一鏡像（mirror image）。L1與L2二者都是開迴路（open loops），且每一個都具有一窄開口（narrow opening）。對L1而言，該窄開口是在右手邊上；對L2而言，該窄開口是在左手邊上。如第二金屬層112之一頂視圖130所示，L3被適當地佈局，以在該第一軸與該第二軸方面均是實質地對稱。不同於L1、L2，L3是一閉迴路（closed loop），而沒有開口。如上述二金屬層之一頂視圖140所示，從該頂視觀點（top view perspective）而言，L3圍繞L1與L2二者之大部分，雖然L3是置於一不同的金屬層。

現在請參閱第一金屬層111之頂視圖120。令以逆時針方向流經L1的一電流為I ₁ ，令以順時針方向流經L2的一電流為I ₂ ，則I ₁ 與I ₂ 可表示如下：(1), (2) 其中(3). (4) 上列式子中，I_even 是一偶模（even-mode）電流模式訊號（current-mode signal），代表I ₁ 與I ₂ 中的一對稱成分，而I_odd 是一奇模（odd-mode）電流模式訊號，代表I ₁ 與I ₂ 中的一反對稱成分。

現在請參閱第二金屬層112之頂視圖130。 令以順時針方向流經L3的一電流為I ₃ 。現在請參閱該二金屬層之頂視圖140，並請一併參酌I ₁ 、I ₂ 、I ₃ 、I_even 與I_odd 的前述定義。根據冷次定律（Lenz law），基於L1與L3二者所共享的一共磁通量（a common magnetic flux shared by both L1 and L3），I ₁ 的增加會導致I ₃ 的增加。在另一方面，基於L2與L3二者所共享的一共磁通量，I ₂ 的增加會導致I ₃ 的減少。當I ₁ 與I ₂ 等量改變時，連帶導致I_even 的改變（如式(3)所示），而這不會導致I ₃ 變化，這是因為來自I ₁ 與I ₂ 分別作用於I ₃ 上的感應效果於此偶模狀態下相消。相對地，當I ₁ 與I ₂ 按一相反的量而改變時（change by an opposite amount），連帶導致I_odd 的改變（如式(4)所示），這會導致I ₃ 的變化增強，這是因為來自I ₁ 與I ₂ 分別作用於I ₃ 上的感應效果於此奇模狀態下對彼此強化。換言之，I ₃ 是響應I_odd ，而非I_even 。反過來說，I ₃ 的變化會導致I_odd 的變化，但不會導致I_even 的變化。

瞭解上述說明後，使用者可使用電感100來執行一模式選擇功能。如先前所述，L3的存在對I_even 沒有影響，但對I_odd 有顯著的影響。更明確地說，由於L3的存在，冷次定律會妨礙I_odd 的改變，這是因為I_odd 的改變所引起的一磁通量的變化會導致I ₃ 的變化，其會反抗該磁通量的變化，並因此減損I_odd 的改變。就結果而言，I_odd 的改變會大幅地被阻礙。因此，偶模訊號I_even 可以保持不受影響（intact），此時奇模訊號I_odd 可基於L3的存在而被抑制。

假如從電感100至位於同一矽晶片上的另一電感，有一不需要的電磁耦合，由於I ₁ 與I ₂ 是實質地相等（此係得益於前述的模式選擇功能）但它們在物理上是以相反方向流動（亦即其中一個是按順時針方向流動，另一個是按逆時針方向流動），因此，從L1至該另一電感之該不需要的電磁耦合，會被從L2至該另一電感之該不需要的電磁耦合所妨礙。電感100因此能夠有效率地減輕該不需要的電磁耦合，從而能夠高度地與同存於同一矽晶片上的其它電感相隔離。

於一非限制性的例子中，L1與L2二者的尺寸都是160μm乘以160μm；L1與L2二者的走線寬度都是20μm；L1與L2之間的物理間隔為20μm；L1與L2每一個的開口為20μm寬；L3的走線寬度為5μm；第一金屬層111的厚度為3.2μm；第二金屬層112的厚度為0.4μm；介電板114的介電常數為4.1。

雖然電感100之佈局的一較佳實施例為完全對稱（亦即L1被適當地佈局，以在該第一軸方面完全地對稱；L2被適當地佈局，以在該第二軸方面為L1的精確鏡像；以及L3被適當地佈局，以在該第一軸與該第二軸方面完全地對稱），完全對稱性對本發明而言是較佳的但並非必要的。一電感設計者可能基於某種理由，選擇令電感100的佈局不是高度地對稱，但高度對稱性的欠缺可能導致前述模式選擇與隔離之功能的效能有顯著/可察知的衰退。為有一個合理滿意的效能，該佈局至少應該有相當程度的對稱（fairly symmetrical）。

值得注意的是，對L1與L2二者而言，該開口是故意地被設於距離該第二軸最遠的一邊之上（on a side that is farthest away from the second axis）。此安排有助於將一不需要的電磁耦合最小化，該電磁耦合是從電感100至位於一特定點上（沿著該第一軸）的另一電感。若該另一電感是置於該第二軸的右（左）邊上，從L1（L2）至該另一電感的耦合將會大於從L2（L1）至該另一電感的耦合，這是距離較短之故。該二耦合之間的差異（disparity）會減退（degrade）電感100與該另一電感之間的隔離效果。然而，藉由蓄意地將L1與L2的開口設於距離該第二軸最遠的一邊之上，該差異可以被最小化。關鍵在於：由於缺少金屬之故，一線圈的開口不會產生一磁通量，也因此無法提供一電磁耦合。若該另一電感是置於該第二軸之右（左）邊上，從L1（L2）至該另一電感的耦合會被最小化，這是因為L1（L2）的開口（其不會提供任何電磁耦合）是位於L1（L2）之最靠近該另一電感之處，換言之，電感100之中最靠近該另一電感之處，也就是電感100之中最有潛力貢獻電磁耦合之處，是被設計成無從貢獻電磁耦合，於是總的來說不良的電磁耦合就會比較少。

如圖2之流程圖200所示，本發明之一方法的一實施例包含：（步驟210）導入一第一金屬走線線圈，該第一金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於一第一金屬層，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是相當地對稱；（步驟220）導入一第二金屬走線線圈，該第二金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於該第一金屬層，該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及（步驟230）導入一第三金屬走線線圈，該第三金屬走線線圈為一閉迴路型態，且形成於一第二金屬層，從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以大略地圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈。

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‧‧‧電感佈局

110‧‧‧剖面圖（cross-sectional view）

111‧‧‧第一金屬層

112‧‧‧第二金屬層

113‧‧‧基板（substrate）

114‧‧‧介電板（dielectric slab）

L1、L2、L3‧‧‧第一線圈、第二線圈、第三線圈

120‧‧‧第一金屬層111之頂視圖（top view, 1^stmetal layer 111）

first axis‧‧‧第一軸

second axis‧‧‧第二軸

opening of L1‧‧‧L1之開口

opening of L2‧‧‧L2之開口

I ₁、I ₂‧‧‧電流

130‧‧‧第二金屬層112之頂視圖（top view, 2^ndmetal layer 112）

140‧‧‧二金屬層之頂視圖（top view, both metal layers）

200‧‧‧流程圖

210~230‧‧‧步驟

［圖1］依據本發明之一實施例顯示一電感的佈局；以及 ［圖2］依據本發明之一實施例顯示一流程圖。

Claims (10)

1. 一種電感，包含： 一第一金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於一第一金屬層； 一第二金屬走線線圈，其為一開迴路型態，且置於該第一金屬層；以及 一第三金屬走線線圈，其為一閉迴路型態，且置於一第二金屬層， 其中，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是實質地對稱；該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以大略地圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈二者的大部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其中該第一金屬走線線圈包含一開口，該開口位於離該第二軸最遠的一邊上。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電感，其中該電感是由一介電板所罩覆。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電感，其中該介電板是置於一矽基板上。
5. 如申請專利範圍第4項所述之電感，其中有另一電感形成於該矽基板上。
6. 一種方法，包含： 導入一第一金屬走線線圈，該第一金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於一第一金屬層，該第一金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第一軸方面是實質地對稱； 導入一第二金屬走線線圈，該第二金屬走線線圈為一開迴路型態，且形成於該第一金屬層，該第二金屬走線線圈被適當地佈局，以在一第二軸方面是該第一金屬走線線圈的一近似鏡像；以及 導入一第三金屬走線線圈，該第三金屬走線線圈為一閉迴路型態，且形成於一第二金屬層；從一頂視觀點而言，該第三金屬走線線圈被適當地佈局，以圍繞該第一金屬走線線圈與該第二金屬走線線圈二者的大部分。
7. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該第一金屬走線線圈包含一開口，該開口位於離該第二軸最遠的一邊上。
8. 如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該電感是由一介電板所罩覆。
9. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中該介電板是置於一矽基板上。
10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中有另一電感形成於該矽基板上。