[發(fā)明專利]一種片上變壓器

有效

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• 申請日: 2014-07-07
• 公開（公告）號: CN104103636A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 任志雄;張科峰;劉覽琦;任達(dá)明
• 申請（專利權(quán)）人: 武漢芯泰科技有限公司
• 主分類號: H01L27/02
• 分類號: H01L27/02;H01F30/06
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 廖盈春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及集成電路領(lǐng)域，更具體地，涉及一種集成電路片上變壓器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

片上變壓器廣泛應(yīng)用于射頻集成電路(RFIC)的設(shè)計(jì)，如功率放大器(PA)、低噪聲放大器(LNA)、混頻器(Mixer)、壓控振蕩器(VCO)等。片上變壓器一般用來實(shí)現(xiàn)單端信號和差分信號之間的轉(zhuǎn)變，也可以用來實(shí)現(xiàn)寬帶匹配、信號反饋、功率合成等功能，所以片上變壓器的性能好壞直接決定所設(shè)計(jì)電路的性能。

通常來說，主線圈和次線圈之間的耦合系數(shù)k是片上變壓器的主要性能之一，k值越大，主線圈和次線圈之間的耦合越緊，片上變壓器的效率越高。從線圈繞線形式上，目前片上變壓器主要采用交錯(cuò)互繞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的主線圈和次線圈相互交叉繞線，如圖1a-1d所示；從變壓器的幾何形狀上，目前片上變壓器主要采用矩形，而且以正方形居多；從金屬層數(shù)上，片上變壓器主要采用最頂層金屬走線，以CMOS工藝為例說明，主流的射頻CMOS工藝頂層金屬最厚，如TSMC180nm1P6M射頻CMOS工藝頂層金屬厚度高達(dá)4.6μm，所以采用單層金屬走線完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，在沒有超厚頂層金屬的情況下，變壓器一般采用多層金屬并聯(lián)走線來增加耦合系數(shù)；從金屬寬度上，根據(jù)設(shè)計(jì)效率和工作頻率要求，變壓器主線圈和次線圈的寬度一般都大于厚度，有時(shí)可能達(dá)到幾十微米。在射頻工作頻段，趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)是影響片上變壓器性能的主要因素，片上變壓器主線圈和次線圈的寬度達(dá)到一定值以后，由于線圈等效面積的增加，以上兩種效應(yīng)帶來的負(fù)面影響更加顯著，直接導(dǎo)致片上變壓器性能的下降。

圖1所示為現(xiàn)有技術(shù)的片上變壓器結(jié)構(gòu)，其中圖1a所示為主次線圈比為1:1的片上變壓器100，100由主線圈100a、次線圈100b、主線圈接頭100c和次線圈接頭100d組成，100為單層變壓器，該層一般采用工藝的最頂層金屬制造。為了避免同層主次線圈短路，次線圈接頭100d需要采用次頂層金屬100g走線，次線圈100b首先通過過孔100f和次頂層金屬100g相連，然后通過一段100g引出來，最后通過一個(gè)過孔接到頂層金屬100e，所以片上變壓器100需要兩層金屬和一層過孔實(shí)現(xiàn)。片上變壓器100的尺寸如下：線圈寬度W為20μm，線間距為1μm。

圖1b所示為主次線圈比為2:2的片上變壓器101，和100一樣，101由主線圈101a、次線圈101b、主線圈接頭101c和次線圈接頭組成，101為單層變壓器。為了避免同層主次線圈短路，金屬線101d、101e、101k和101m用來連接主次線圈，由于線圈的增加，需要三層金屬才能實(shí)現(xiàn)變壓器101，頂層金屬101f通過過孔101i和次頂層金屬101g相連，次頂層金屬101g通過過孔101j和下一層金屬101h相連。片上變壓器101的尺寸如下：線圈寬度W為20μm，線間距為1μm。

圖1c為主次線圈比為2:2的片上變壓器102，和100一樣，102由主線圈102a、次線圈102b、主線圈接頭102c和次線圈102e接頭組成，102為多層變壓器。片上變壓器102的主次線圈的三維結(jié)構(gòu)如102d描述，主次線圈由三層金屬組成，其中主線圈由102f、102g、102h組成，次線圈由102i、102j、102k組成，為了避免同層主次線圈短路，次線圈接頭102e需要通過過孔連接到下面兩層金屬102m、102n，最后再接出來，這樣片上變壓器102需要五層金屬和四層過孔實(shí)現(xiàn)，片上變壓器102的尺寸如下：線圈寬度W為11μm，線間距為1μm。

圖1d為主次線圈比為4:4的片上變壓器103，103由主線圈103a、次線圈103b、主線圈接頭和次線圈接頭組成，103為多層變壓器，103同102類似，同樣需要五層金屬和四層過孔實(shí)現(xiàn)。片上變壓器103的尺寸如下：線圈寬度W為11μm，線間距為1μm。

以上圖1a-1d為現(xiàn)有技術(shù)所設(shè)計(jì)的片上變壓器，其中圖1a-1b為單層變壓器，適合頂層金屬較厚的射頻集成電路制造工藝，圖1c-1d為多層變壓器，適合普通集成電路制造工藝，為了降低片上變壓器的損耗，線圈寬度一般較大(大于10μm)，這樣在射頻范圍，由于渦流效應(yīng)、趨膚效應(yīng)的影響，線圈上面的損耗增加，降低片上變壓器的耦合系數(shù)，影響其所應(yīng)用的射頻集成電路性能。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供一種片上變壓器，通過將片上變壓器的主線圈和次線圈各自拆分為多條并聯(lián)的主子線圈和次子線圈，解決現(xiàn)有片上變壓器耦合系數(shù)低、損耗高的技術(shù)問題，尤其適用于射頻集成電路。