TWI498928B - 螺旋電感元件 - Google Patents

Description

螺旋電感元件

本發明係有關於一種電子元件，且特別是有關於一種具有開口(opening)之電子元件。

許多數位與類比元件以成功地應用於半導體積體電路(integrated circuits,ICs)。上述元件包括了被動元件，例如電阻、電容或電感等。典型的積體電路包括一基底，一層以上的介電層(或絕緣層)形成於基底上，以及一層以上的金屬層形成於介電層中與介電層上，這些金屬層可藉由現行的半導體製程技術而形成晶片內建元件，例如晶片內建電感(on-chip inductor)。

傳統的螺旋電感元件形成於基底上方的絕緣層中，其中電感藉由導電插塞(conductive plug)、導電層與信號輸入/輸出埠與外部的電路電性連接。平面型螺旋電感的優點在於，可藉由減少外部電路元件數量與其所需的複雜內連線，而增加電路的積集度。

在螺旋電感中，用以評估電感的參數為品質因素(quality factor/Q value)，目前已知有三個因素會影響電感的品質因素，主要為肌膚效應(skin effect)、基板的渦電流(substrate eddy current)與線圈的渦電流(coil eddy current)。

為了改善肌膚效應的損失(loss)，可以加寬或加厚螺旋導線。為了改善基板渦電流的損失，可以在螺旋導線與基底之間設置一接地的金屬遮蔽層(metal shielding layer)。然而，目前沒有任何方法可以改善線圈的渦電流損失。

由於電感元件的效能取決於品質因素，因此，業界需要發展一種電感元件，以改善線圈的渦電流損失。

本發明提供一種電子元件，包括：一基底；以及一導線圖案(conductive trace pattern)，形成於該基底上，其中該導線圖案具有一開口(opening)，且該基底暴露於該開口。

本發明另提供一種螺旋電感元件，包括：一基底；以及一螺旋導線圖案，其為多匝式，形成於該基底上，其中該螺旋導線圖案具有一開口(opening)，且該基底暴露於該開口。

本發明尚包括一種電子元件之製法，包括以下步驟：提供一基底；以及形成一導線圖案於該基底上，其中該導線圖案具有一開口(opening)，以使該基底暴露於該開口。

本發明又包括一種螺旋電感元件之製法，包括以下步驟：提供一基底；以及形成一螺旋導線圖案於該基底上，其中該螺旋導線圖案為多匝式且具有一開口(opening)，以使該基底暴露於該開口。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參見第1A-1C圖，其顯示本發明實施例之電子元件，其中第1圖顯示電子元件之俯視圖，第1B圖顯示沿第1A圖1B-1B’線之剖面圖，第1C圖顯示沿著第1A圖1C-1C’線之剖面圖。

請參見第1A圖與第1B圖，本發明提供一種電子元件，電子元件中的導線圖案具有一開口(opening)，用以改變導線圖案的磁場變化。電子元件包括基底10；導線圖案20形成於基底10上，其中該導線圖案20具有一開口30，且基底10暴露於開口30中。

上述之基底10包括一矽基底或其他習知的半導體基底。基底10中可包含各種不同的元件，例如電晶體、電阻或其他習知的半導體元件。再者，基底10亦可包括其他導電層(例如銅、鋁或其合金)以及絕緣層(例如氧化矽、氮化矽或低介電常數材料層)。此處為了簡化圖式，僅以一平整基底表示之。

上述之導線圖案20為單一導線圖案，亦可為多條平行或不平行的導線圖案，導線圖案20之材質包括銅、鋁或上述之合金。導線圖案20具有一第一端點20a與第二端點20b，此兩端點20a、20b用以傳輸訊號。可依據電子元件之應用需求，將第一端點20a與第二端點20b各自連接到其他內連線結構(interconnect structures)(圖中未顯示)。

開口30形成於導線圖案20中並將導線圖案20分成第一部份21與第二部份22，其中第一部份21之寬度可以大於、等於或小於第二部份22之寬度。請參見第1B圖中，所顯示之第一部份21之寬度W_A 等於第二部份22之寬度W_B 。

開口30從導線圖案20之第一端點20a延伸至第二端點20b，其中開口30從導線圖案20頂表面向下延伸之深度D與導線圖案20之厚度d相同，表示開口30之底部為基底10。此處須注意的是，雖然開口30兩側的導線圖案20被分成第一部份21與第二部份22，但是開口30並未穿過第一端點20a與第二端點20b(請參見第1C圖)，亦即第一部份與第二部份仍然藉由第一端點20a與第二端點20b電性連接。

此外，開口30包括連續或不連續之結構，其中不連續之結構係將開口30分成多個片段。於第1A圖中，開口30為連續之結構。於另一實施例中，請參見第1D圖，開口30為不連續之結構，其中開口30分成兩個片段30a與30b。

此外，請再次參見第1A圖，開口30為沿著導線圖案20而形成，且開口30之長度Lo小於導線圖案20之長度Lc。此外，導線圖案20包括一弧形或一矩形。於一實施例中，導線圖案20為一螺旋圖案。

依據安培定律(Ampere's circuital law)，當電子元件導線圖案中通入電流時，電流會產生磁場，當磁場通過導線圖案時，又會產生不想要的(unwanted)窩電流(eddy current)，由於電流與窩導電流會互相影響，進而影響原本電子元件的性能(performance)。為了解決上述問題，本發明於電子元件的導線圖案中形成開口，藉由控制開口的位置，用以改變磁場的大小，可能使導線圖案的電流可更均勻分佈，進而提升電子元件的效能。

本發明之電子元件可以為電感元件或其他被動電子元件，例如電子元件為一傳輸線或一儲能元件，只要會受到電流分佈不均影響的電子元件，皆在本發明所保護之範圍內。此處須注意的是，熟知本領域之人士，可依據導線圖案的形狀或長度，調整開口之位置，以改變導線圖案周圍磁場大小。

接著，本發明亦提供一種螺旋電感元件，請參見第2A-2B圖，其中第2A圖顯示螺旋電感之俯視圖，第2B圖顯示沿第2A圖2B-2B’線之剖面圖。

第2A圖為本發明另一實施例，其顯示一螺旋電感元件，包括基底100、螺旋導線圖案200與開口300，其中螺旋導線圖案200形成於基底100之上，且螺旋導線圖案200具有一開口300。上述基底100之材質同於第一實施例，為簡化說明，在此不再贅述。

螺旋導線圖案200為多匝式的螺旋導線圖案，其具有一內匝端點200a與一外匝端點200b，且其整體可實質上位於相同平面、亦可位於不同平面，且可依據電子元件之應用需求，將內匝端點200a與外匝端點200b各自連接到其他內連線結構(interconnect structures)(圖中未顯示)。於本實施例中，螺旋導線圖案200係由外匝端點200b開始以順時鐘方向迴旋至內匝端點200a為止，而發明所屬技術領域中具有通常知識者，亦可視其需求變更為逆時鐘方向迴旋。第2A圖中雖然顯示螺旋導線圖案200的匝數為2.5，但是發明所屬技術領域中具有通常知識者亦可視需求增加其匝數。

螺旋導線圖案200之外型可為圓形、矩形、六邊形、八邊形或多邊形。此處，以矩形作為範例說明。此外，螺旋導線圖案200之材質可包括銅、鋁或上述之合金。

上述之開口300從內匝端點200a延伸至外匝端點200b，開口300從導線圖案200頂表面向下延伸之深度與導線圖案200之厚度相同，表示開口300之底部為基底100。

此處須注意的是，請參見第2B圖，開口300並未穿過第一端點200a，亦即開口300雖然將螺旋導線圖案200分成兩部份，但事實上此兩部份的導線圖案彼此依然電性連接(藉由內匝端點200a與外匝端點200b)。

此外，開口300為沿著螺旋導線圖案200而形成，且開口300之長度小於導線圖案200之長度。開口300包括連續或不連續之結構，其中不連續之結構係將開口300分成多個片段。於第2A圖中，開口300為連續之結構。於另一實施例中，請參見第2C圖，開口300亦可為不連續之結構，此開口300分成三個片段。

請參見第2B圖，螺旋導線圖案200之寬度值W_m ，而螺旋導線圖案200的相鄰匝之間距值P，開口300之寬度值S，而開口300將螺旋導線圖案200分成第一部份210(寬度為W_1a )、230(寬度為W_1b )與第二部份220(寬度為W_2a )、240(寬度為W_2b )，其中第一部份210、230較第二部份220、240靠近內匝端點200a，且第一部份之寬度(W_1a 、W_1b )、第二部份之寬度(W_2a 、W_2b )與開口200寬度值S之總合即為螺旋導線圖案之寬度值W_m ，可表示成W_m =W_1a,1b +W_2a,2b +S。

此處須注意的是，於習知技術中，當電流流經電感相鄰兩金屬線圈之間時，會在兩線圈中產生磁場(依據安培定律)，當磁場通過相鄰的線圈時，線圈上會產生窩電流(eddy current)，窩電流會造成線圈中的電流分佈不均，進而影響電感的品質因素(Q value)。而本發明中，藉由於電感的螺旋導線圖案中形成開口，將螺旋導線圖案分成兩部份，藉由設計開口的位置，使得被分割後的螺旋導線圖案兩邊的磁場互相抵消，以避免產生窩電流，使得螺旋導線圖案中的電流可以均勻地分佈，進而改善電感之品質因素(Q)。

舉例而言，如第2B圖所示，藉由開口300之設計，將原本相鄰的兩導線圖案分成四部份，由左到右分別為210、220、230、240，當以第二部份220為中心，其左邊210與右邊230產生的磁場互相抵消，當以第一部份230為中心，其左邊220與右邊240產生的磁場互相抵消，因此，可避免產生窩電流。關於開口之位置設計，本領域人士可依據冷次定律(Lenz's Law)與安培定律，經由電腦模擬(simulation)計算，設計螺旋導線圖案的寬度W_m ，螺旋導線圖案的相鄰匝之間距值P，開口之寬度值S，而第一部份之寬度值(W_1a 、W_1b )與第二部份之寬度值(W_2a 、W_2b )，使任一被分割的螺旋導線圖案之左右兩邊的磁場抵消，以減少窩電流。

螺旋導線圖案200之第一部份210、230之寬度(W_1a 、W_1b )可大於、等於或小於第二部份220、240之寬度(W_2a 、W_2b )。於一實施例中，請參見第2B圖，第一部份210、230之寬度(W_1a 、W_1b )小於第二部份220、240之寬度(W_2a 、W_2b )。第一部份之寬度與第二部份之寬度不限定於特定尺寸，只要能將相鄰導線圖案中所產生之磁場互相抵銷，皆在本發明之保護範圍內。

本發明尚包括提供一種電子元件之製法，包括以下步驟：首先提供一基底，基底之材質同上所述，在此不再贅述。接著，形成一導線圖案於基底上，其中導線圖案具有一開口(opening)，以使基底暴露於開口。而形成導線圖案之方法，可藉由於基底上塗佈光阻(photoresist)，經由本領域人士所熟知之微影製程(photolithography)，於基底上形成一特定圖案，之後利用習知之沉積製程(例如化學氣相沉積法、濺鍍等)，於特定圖案中形成導線圖案，之後再移除光阻，即可完成具有開口之導電圖案。

本發明另包括一種螺旋電感元件之製法，包括以下步驟：提供一基底；以及形成一螺旋導線圖案於基底上，其中螺旋導線圖案為多匝式且具有一開口(opening)，以使基底暴露於開口。形成具有開口之螺旋導線圖案之方法同上所述，在此不再贅述。

綜上所述，本發明提供一種電子元件與螺旋電感元件，藉由於元件導線圖案中形成開口，當電子元件或螺旋電感元件通入電流後，開口之設計可改變導線圖案或螺旋導線圖案中的磁場分佈，甚至可以消除窩電流，進而增進電子元件之性能表現或提高螺旋電感元件的品質因素(Q)。

【實施例】

比 較例

於比較例 中，螺旋導線圖案之寬度值W_m 為25 μm且其匝數為2.5，而螺旋導線圖案相鄰匝之間距值P為3 μm。比較例中並未形成任何的開口。

實施例1

於實施例1 中，螺旋導線圖案為2.5匝，螺旋導線圖案之寬度值W_m 為25 μm，而螺旋導線圖案的相鄰匝之間距值P為3 μm，開口具有寬度值S為6 μm，而第一部份之寬度值W_1a 、W_1b 為6.5 mm，第二部份之寬度值W_2a 、W_2b 為12.5 μm。

分別計算比較例 與實施例1 之品質因素，實驗結果證明實施例1 之品質因素(Q)高於比較例 約25%。

實施例2

於實施例2 中，螺旋導線圖案為3.5匝，其中螺旋導線圖案之寬度值W_m 為25 μm，而螺旋導線圖案的相鄰匝之間距值P為2 μm，開口具有寬度值S為6 μm，而第一部份之寬度值W_1a、 W_1b 為6.5 μm，第二部份之寬度值W_2a 、W_2b 為12.5 μm。

雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10．．．基底

20．．．導線圖案

20a．．．第一端點

20b．．．第二端點

21．．．第一部份

22．．．第二部份

30．．．開口(opening)

Lo．．．開口之長度

Lc．．．導線之長度

D．．．開口之深度

d．．．導線圖案之厚度

W_A ．．．第一部份之寬度

W_B ．．．第二部份之寬度

100．．．基底

200．．．螺旋導線圖案

200a．．．內匝端點

200b．．．外匝端點

300．．．開口(opening)

P．．．螺旋導線圖案的相鄰匝之間距值

S．．．開口之寬度值

W_m ．．．螺旋導線圖案之寬度值

W_1a 、W_1b ．．．第一部份之寬度

W_2a 、W_2b ．．．第二部份之寬度

第1A圖為一俯視圖，用以說明本發明一實施例之電子元件。

第1B~1C圖為一系列剖面圖，用以說明本發明一實施例之電子元件。

第1D圖為一俯視圖，用以說明本發明另一實施例之電子元件。

第2A圖為一俯視圖，用以說明本發明一實施例之螺旋電感元件。

第2B圖為一剖面圖，用以說明本發明一實施例之螺旋電感元件。

第2C圖為一俯視圖，用以說明本發明另一實施例之螺旋電感元件。

100．．．基底

200．．．螺旋導線圖案

200a．．．內匝端點

200b．．．外匝端點

300．．．開口(opening)

Claims (4)

1. 一種螺旋電感元件，包括：一基底；以及一螺旋導線圖案，其為多匝式，形成於該基底上，其中該螺旋導線圖案具有一開口(opening)，且該基底暴露於該開口，其中該開口將該螺旋導電圖案分成一第一部份與一第二部份，使得該第一部份與該第二部份產生的磁場相互抵消，以避免產生渦電流。
2. 如申請專利範圍第1項所述之螺旋電感元件，其中該開口沿著該螺旋導線圖案而形成，該開口之長度小於該螺旋導線圖案之長度，且該開口為連續或不連續的結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之螺旋電感元件，其中該不連續的結構係將該開口分成多個片段。
4. 如申請專利範圍第1項所述之螺旋電感元件，其中該第一部份較該第二部份靠近該螺旋導線圖案之內匝端點，且該第一部份之寬度值小於該第二部份之寬度值。