[发明专利]交错式变压器及其制造方法

说明书

本发明涉及交错式变压器及其制造方法，所揭示的是一种高效能晶载变压器，其具有交错的初级与次级绕组，用来达到更高的耦合系数，并且提供所欲的阻抗变换。此初级绕组是由二或更多个平行传导绕组路径或节段所构成。此次级绕组嵌入于初级绕组的平行路径里。变压器初级与次级螺旋匝使用通过将次级与初级螺状物的一部分断开所制作的下跨道/上跨道连接予以结合在一起。导电交越接面亦用于横过初级绕组的螺旋匝建立相等路径长度以使磁性损耗降到最小，并因而使射频条件下的螺状物电阻降到最小。再者，贯孔与交越接面亦用于以内外及上下方式串联堆叠次级的绕组以增强次级电感，并因而增强阻抗变换。

技术领域

本发明的领域是关于常用在射频电路中的高效能、晶载(on-chip)变压器。特别的是，是关于改良型晶载变压器及其制作方法。具体而言，此变压器呈现交错的初级与次级绕组，用以建立阻抗变换、差动对单一转换(反之亦然)、直流隔离、以及频宽增强。

背景技术

晶载变压器为射频/毫米波集成电路中重要的被动式组件。在半导体装置射频集成电路装置设计中，电感器及变压器是有待考量的非常重要的装置。已指出的是，配合装置的小型化，占据大面积的传统平面型变压器无法符合目前的需求。

整合型变压器常用于射频电路的输出，其中其是在功率放大器输出的差动信号转换成待施加至天线的单端信号时用于信号平衡。变压器亦可用于将第一单端信号转换成电压相同或不同的第二单端信号，端视线圈匝数而定。

晶载变压器是用于射频微电子装置的关键组件。其是在射频电路中用于阻抗变换、差动对信号转换(诸如将不平衡信号转换成平衡信号，反之亦然(平衡-不平衡变压器(Balun Transformer))、隔离、或频宽增强。增强半导体装置上的变压器对装置改良及操作是必要的。

在射频应用中建立高效能变压器操作的关键参数包括增强耦合系数K、衬底上装置所占据的占位面积(footprint)或面积、阻抗变换因子、以及功率增益、插入损耗、以及效率。

绝缘体上覆硅技术是通过利用更大占位面积变压器而以更高成本来制作。占位面积愈大，则产品成本愈高。进而需有效使用BEOL金属化才能缩减变压器面积。所以，所属技术领域需要一种占位面积更小(密度更高)且耦合与效率功能更好的集成电路变压器。其它集成电路变压器缺乏这些设计特征。

在Huang等人题为“Interleaved Three-Dimensional On-Chip DifferentialInductors and Transformers”的美国公开专利第2008/0272875号中，多个分层变压器装置是使用主流标准制程来制作。Huang将线圈的各线匝分隔成两个部分绕组，并且使这两个部分绕组在不同层件中交错而置。按照这种方式，交错式3D晶载差动变压器设有更小的寄生电容、更高的耦合效率、以及更高的Q因子。在Huang的揭露中，“交错式”是指至少两个共享一共同轴(例如，依照垂直方向)并且大致彼此平行的线圈所构成的组构。然而，注意到的是，此设计的变压器初级与次级绕组具备不理想的较低Q。

在Hsu等人题为“Three Dimensional Transformer”的美国专利第7,405,642号中，三维变压器的初级与次级绕组横过多个金属层展开，其中第一与第二线圈的各金属线是对应配置成彼此对立。根据Hsu的3-D变压器，各层的第一与第二线圈是沿着x-y平面对应配置成彼此对立。第一与第二线圈沿着Z方向交替地堆叠。因此，第一与第二线圈不仅可沿着x-y平面耦合，还可依z方向耦合以进一步改良耦合率。在此先前技术设计中，较低Q及较低匝比导因于设计拓朴型态。

在Raczkowski题为“Two Layer Transformer”的美国公开专利第2011/0032065号中，教示的是一种具有堆叠线圈结构的对称变压器；线圈是位于两个传导平面中。虽然Raczkowski设计呈现较佳的对称性，此设计本身的匝比及电感密度仍然较低。