半導体デバイス上のハイブリッド変圧器構造

様々な特徴は、半導体デバイス上の垂直結合ハイブリッド変圧器構造に関する。

変圧器は、通常はコイルおよび/または巻線であるインダクタを介して、1つの回路から別の回路に電気エネルギーを伝達するデバイスである。ハイブリッド変圧器は、受信ポートの2つの組の間でエネルギー/電力を任意の所望の比率に分割することを可能にする特定のタイプの変圧器である。すなわち、第1の回路のポートの1つの組からのエネルギー/電力は、第2の回路の受信ポートの2つの異なる組に伝達することができ、逆もまた同様である。

ハイブリッド変圧器は、いくつかの特性を有し、いくつかの機能を実行し得る。たとえば、ハイブリッド変圧器は、ポートの代替の組の間の双共役(bi−conjugacy)、各ポートにおけるインピーダンス整合、2つの受信ポート間で電力を任意の所望の比率に分割する能力、および信号の180度位相反転を提供する。

ハイブリッド変圧器は、平衡な構成または非平衡な構成を有し得る。平衡な構成では、ポートの2つの組の間でエネルギー/電力の分割分がより均等に分配されるが、非平衡な構成では、エネルギー/電力の分割分は、ポートの一方の組の方に偏向される。

図1Aは、従来技術に見出されるハイブリッド変圧器100の一例の回路図を示す。図1Aに示すように、ハイブリッド変圧器100は、第1のコイル102、第1のポート104、および第2のポート106を含む。第1のポート104は第1のキャパシタに接続され、第2のポート106は第2のキャパシタに接続される。ハイブリッド変圧器100は、第2のコイル108、第3のコイル110、第3のポート112、第4のポート114、および第5のポート116も含む。第3のポート112はレプリカポート(replica port)に接続され、第4のポート114はパワーアンプ(PA)に接続され、第5のポートはアンテナに接続される。

ハイブリッド変圧器は、挿入損失および絶縁特性を有し得る。図1Bは、平衡な構成におけるハイブリッド変圧器の様々な損失および絶縁を概念的に示す。挿入損失の2つのタイプである、TX−ANT損失(送信機アンテナ損失)およびANT−RX損失(アンテナ受信機損失)が存在する。TX−ANT損失は、第4のポート114から第5のポート116へ(たとえば、PAからアンテナへ)の損失を指す。ANT−RX損失は、第5のポート116から第2のポート106へ(たとえば、アンテナからLNA回路へ)の損失を指す。図1Bに示すように、ハイブリッド変圧器は、TX−RX絶縁/漏れも有する。

図1Cは、非平衡な構成におけるハイブリッド変圧器の様々な損失および絶縁を概念的に示す。図1Cに示すように、TX−ANT損失は、(より太い矢印によって示すように)平衡な構成における場合よりも非平衡な構成における場合の方が低い。しかしながら、ANT−RX損失は、(さらに、点線矢印によって示すように)平衡な構成における場合よりも非平衡な構成における場合の方が高い。様々なハイブリッド変圧器が、様々な損失および絶縁特性を有する。

図2は、横方向結合ハイブリッド変圧器の上面図を示す。図2に示すように、ハイブリッド変圧器200は、巻線の第1の組202と巻線の第2の組204とを含む。巻線の第1の組は、第1のポート206および第2のポート208を含む。巻線の第1の組202は、相互接続部の第1の組210も含む。巻線の第2の組204は、第3のポート212、第4のポート214、および第5のポート216を含む。また、巻線の第2の組204は、相互接続部の第2の組218を含む。

図2に示すように、巻線の第1の組202および巻線の第2の組204は、ダイの1つの層上に配置される。巻線の第1の組202および巻線の第2の組204が1つの層上にあるとき、横方向結合が生じる。すなわち、ダイの同じ層内にエネルギーが伝達される。横方向結合の主な欠点には、(i)プロセス制限による巻線スペースおよび金属厚さに起因する、巻線の第1の組と第2の組との間(すなわち、隣接するインダクタ間)の小さい結合係数と、(ii)比較的大きい面積を占める巻線とが含まれる。加えて、1つの層のみが使用されるので、使用される巻線の組は、互いに非対称である。

したがって、改善されたハイブリッド変圧器が必要である。詳細には、新規の技術を利用するか、または革新的なプロセス技術を使用して新規のハイブリッド変圧器デバイス構造を探求する、改善されたハイブリッド変圧器が必要である。

本明細書で説明する装置および方法の様々な特徴は、垂直結合ハイブリッド変圧器を提供する。

第1の例は、複数の層を有する半導体ダイ内に形成されたハイブリッド変圧器を提供する。ハイブリッド変圧器は、巻線の第1の組と巻線の第2の組とを含む。巻線の第1の組は、ダイの少なくとも第1の層上に位置する。第1の層は、ダイの基板よりも上に位置する。巻線の第1の組は、第1のポートおよび第2のポートを含む。巻線の第1の組は、第1のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第2の組は、ダイの少なくとも第2の層上に位置する。第2の層は、基板よりも上に位置する。巻線の第2の組は、第3のポート、第4のポート、および第5のポートを含む。巻線の第2の組は、第2のインダクタおよび第3のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第1の組および巻線の第2の組は、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

一態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの大部分は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

別の態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの相当な量は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

また別の態様によれば、基板は、絶縁無線周波数(RF)基板である。いくつかの実装形態では、基板はガラス基板である。ダイは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間に配置された誘電体層を含み得る。いくつかの実装形態では、誘電体層は、低k誘電体および/または低損失誘電体のうちの一方である。

第2の例は、半導体ダイ内にハイブリッド変圧器を製造するための方法を提供する。本方法は、ダイの少なくとも第1の層上に位置する巻線の第1の組を製造する。第1の層は、ダイの基板よりも上に位置する。巻線の第1の組は、第1のポートおよび第2のポートを含む。巻線の第1の組は、第1のインダクタとして動作するように構成される。本方法は、ダイの少なくとも第2の層上に位置する巻線の第2の組を製造する。第2の層は、基板よりも上に位置する。巻線の第2の組は、第3のポート、第4のポート、および第5のポートを含む。巻線の第2の組は、第2のインダクタおよび第3のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第1の組および巻線の第2の組は、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

一態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの大部分は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

別の態様によれば、基板は、絶縁無線周波数(RF)基板である。いくつかの実装形態では、基板はガラス基板である。ダイは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間に配置された誘電体層を含み得る。いくつかの実装形態では、誘電体層は、低k誘電体および/または低損失誘電体のうちの一方である。

第3の例は、ダイ内にハイブリッド変圧器を製造するための装置を提供する。本装置は、ダイの少なくとも第1の層上に位置する巻線の第1の組を製造するための手段を含む。第1の層は、ダイの基板よりも上に位置する。巻線の第1の組は、第1のポートおよび第2のポートを含む。巻線の第1の組は、第1のインダクタとして動作するように構成される。本装置は、ダイの少なくとも第2の層上に位置する巻線の第2の組を製造するための手段を含む。第2の層は、基板よりも上に位置する。巻線の第2の組は、第3のポート、第4のポート、および第5のポートを含む。巻線の第2の組は、第2のインダクタおよび第3のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第1の組および巻線の第2の組は、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

一態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの大部分は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

別の態様によれば、基板は、絶縁無線周波数(RF)基板である。いくつかの実装形態では、基板はガラス基板である。ダイは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間に配置された誘電体層を含み得る。いくつかの実装形態では、誘電体層は、低k誘電体および/または低損失誘電体のうちの一方である。

第4の例は、基板と、基板に結合されたハイブリッド変圧器とを含む半導体ダイを提供する。ハイブリッド変圧器は、ダイの少なくとも第1の層上の第1のインダクタ、ダイの少なくとも第2の層上の第2のインダクタ、ダイの少なくとも第2の層上の第3のインダクタを含む。第1、第2、および第3のインダクタは、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

一態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの大部分は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

別の態様によれば、基板は、絶縁無線周波数(RF)基板である。いくつかの実装形態では、基板はガラス基板である。ダイは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間に配置された誘電体層を含み得る。いくつかの実装形態では、誘電体層は、低k誘電体および/または低損失誘電体のうちの一方である。

第5の例は、基板と、垂直エネルギー結合を提供するための手段とを含む半導体ダイを提供する。垂直エネルギー結合を提供するための手段は、ダイの少なくとも第1の層上の第1のインダクタ、ダイの少なくとも第2の層上の第2のインダクタ、およびダイの少なくとも第2の層上の第3のインダクタを含む。第1、第2、および第3のインダクタは、垂直エネルギー結合を提供するように構成される。

一態様によれば、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作することは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間でエネルギーを伝達することを含み、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間で伝達される総エネルギーの大部分は、ダイの異なる層上の巻線間で生じる。

別の態様によれば、基板は、絶縁無線周波数(RF)基板である。いくつかの実装形態では、基板はガラス基板である。ダイは、巻線の第1の組と巻線の第2の組との間に配置された誘電体層を含み得る。いくつかの実装形態では、誘電体層は、低k誘電体および/または低損失誘電体のうちの一方である。

様々な特徴、性質、および利点は、下記の詳細な説明を図面と併せ読めば明らかになるであろう。図中、同様の参照符号は、全体を通じて同じ部分を表す。

ハイブリッド変圧器の回路図である。

平衡な構成のハイブリッド変圧器の回路図である。

非平衡な構成のハイブリッド変圧器の回路図である。

横方向結合ハイブリッド変圧器を示す図である。

垂直結合変圧器を示す図である。

ダイ内の垂直結合変圧器の上面図および側面図である。

複数のループを有する巻線を有する垂直結合ハイブリッド変圧器を示す図である。

複数のループを有する巻線を有する概念的な垂直結合変圧器を示す図である。

複数のループを有する巻線を有する垂直結合ハイブリッド変圧器を示す図である。

ダイ内の、複数のループを有する巻線を有する垂直結合ハイブリッド変圧器の上面図および側面図である。

交互配置された巻線を有する概念的な垂直結合変圧器を示す図である。

交互配置された巻線を有する垂直結合ハイブリッド変圧器を示す図である。

垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイを製造するための方法の流れ図である。

垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイの製造プロセスの様々な層を示す図である。

垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイを示す図である。

ハイブリッド変圧器を製造するための一般的な方法の流れ図である。

本明細書で説明するICまたはダイを統合し得る様々な電子デバイスを示す図である。

以下の説明では、本開示の様々な態様の完全な理解を提供するために具体的な詳細が与えられる。ただし、態様はこれらの具体的な詳細なしに実施され得ることを当業者は理解されよう。たとえば、態様が不要な詳細で不明瞭になるのを避けるために、回路をブロック図で示すことがある。他の場合には、本開示の態様を不明瞭にしないように、よく知られている回路、構造および技法を詳細に示さないことがある。

概要 いくつかの新規の特徴は、複数の層を有する半導体ダイ内に形成されたハイブリッド変圧器に関する。ハイブリッド変圧器は、巻線の第1の組と巻線の第2の組とを含む。巻線の第1の組は、ダイの少なくとも第1の層上に位置する。第1の層は、ダイの基板よりも上に位置する。巻線の第1の組は、第1のポートおよび第2のポートを含む。巻線の第1の組は、第1のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第2の組は、ダイの少なくとも第2の層上に位置する。第2の層は、基板よりも上に位置する。巻線の第2の組は、第3のポート、第4のポート、および第5のポートを含む。巻線の第2の組は、第2のインダクタおよび第3のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第1の組および巻線の第2の組は、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

ダイ内の例示的な垂直結合変圧器 図3は、いくつかの実装形態における、ダイ内の変圧器300の一例を示す。図3に示すように、変圧器300は、第1の巻線302および第2の巻線304を含む。第1の巻線302は、第1のポート306および第2のポート308を含む。第1の巻線302は、第1の回路の一部であり得る。第2の巻線304は、第3のポート310および第4のポート312を含む。第2の巻線304は、第2の回路の一部であり得る。第2の巻線304は、第1の巻線302よりも上に(垂直方向に)位置する。図3にさらに示すように、第1の巻線302と第2の巻線304との間の垂直エネルギー結合/垂直結合が存在する。すなわち、ダイの異なる層上にある巻線間でエネルギーが伝達される。より詳細には、ダイの1つの層上の第1の回路の第1の巻線から、ダイの別の層上の第2の回路の第2の巻線にエネルギーが伝達されている。

垂直結合変圧器は、エネルギーを第1の回路から第2の回路に伝達することを可能にする変圧器を指す可能性があり、第1の回路から第2の回路に伝達される総エネルギーの大部分は、1つの層上の第1の回路上の巻線から、別の層上の第2の回路上の巻線に伝達される。

また、垂直結合変圧器は、エネルギーを第1の回路から第2の回路に伝達することを可能にする変圧器を指す可能性があり、第1の回路から第2の回路に伝達される総エネルギーの相当な/かなりの部分は、1つの層上の第1の回路上の巻線から、別の層上の第2の回路上の巻線に伝達される。

垂直結合は、横方向結合を上回るいくつかの利点を提供する。第1に、垂直結合を利用する変圧器構造は、横方向結合を利用する変圧器構造よりもエネルギーを伝達する際に効率的である。第2に、垂直結合変圧器は、横方向結合変圧器よりも高いインダクタQ値を提供する。Q値は、インダクタの効率を規定する品質因子/値である。Q値が高いほど、インダクタは、無損失のインダクタである理想のインダクタの挙動に近づく。第3に、垂直結合を利用する変圧器構造は、横方向結合を利用する変圧器構造よりもコンパクトな面積を占有する。

図4は、いくつかの実装形態における、ダイ内の垂直結合変圧器の上面図および側面図を示す。図4は、図3の垂直結合変圧器の上面図および側面図であり得る。図4に示すように、ダイ400は、基板402、第1の金属層404、ビア406、第1の誘電体層408、第2の金属層410、第2の誘電体層412、第3の金属層414、第2のビア416、第3の誘電体層418、第4の金属層420、およびパッシベーション層422を含む。

第2の金属層410は、第1の回路の巻線を画定する。第3の金属層414は、第2の回路の巻線を画定する。回路の各々は、2つのポートを有する。この構成では、(破線矢印によって表すように)エネルギー/電力は、第2の金属層410から第3の金属層414に伝達され、逆もまた同様である。このエネルギー伝達は、第2の金属層410が第3の金属層414とは異なる、ダイの層上にあるので、垂直エネルギー結合である。

垂直結合変圧器について説明してきたが、ここで、垂直結合ハイブリッド変圧器のいくつかの構成について以下に説明する。第1に、図3および図4の垂直結合変圧器は、巻線の第1の組または巻線の第2の組のいずれかに第3のポートを追加することによって、垂直結合ハイブリッド変圧器になるように変更され得ることに留意されたい。以上および以下の図において巻線を表すために使用される形状は、例にすぎず、巻線がそれらの形状を有する必要があることを意味するものと解釈されるべきでないことにも留意されたい。ハイブリッド変圧器の巻線は、任意の形状およびサイズを有し得る。

図5は、いくつかの実装形態における、ダイ内の垂直結合ハイブリッド変圧器500の一例を示す。図5に示すように、垂直結合ハイブリッド変圧器500は、巻線の第1の組502と巻線の第2の組504とを含む。巻線の第1の組は、第1のポート506および第2のポート508を含む。巻線の第2の組504は、第3のポート510、第4のポート512、および第5のポート514を含む。巻線の第2の組504は、相互接続部の組516も含む。巻線の第1の組502は、基板(図示せず)よりも上に位置する。巻線の第2の組504は、巻線の第1の組502よりも上に位置する。明快のために、誘電体層は示さない。

図5は、ダイの異なる層上にある、巻線の第1の組502と巻線の第2の組504との間でエネルギーが伝達されるので、垂直結合ハイブリッド変圧器を示す。

図5は、いくつかの実装形態において、巻線の第2の組504が巻線の第1の組502と対称であり得ることをさらに示す。図5は、巻線の第2の組504が相互接続部の組516を含むことも示す。相互接続部の組は、巻線の第2の組504よりも上に位置する。図5は、巻線の第2の組504が巻線の第1の組502よりも上に位置することを示すが、いくつかの実装形態において、巻線の第2の組504は、巻線の第1の組502よりも下に位置することがある。すなわち、巻線の第2の組504が、基板(図示せず)よりも上に位置することがあり、巻線の第1の組502が、巻線の第2の組504よりも上に位置することがある。

図5にさらに示すように、巻線の第1および第2の組502および504は各々、複数のループまたは巻きを有する。すなわち、巻線の各組は、そのそれぞれの層上で複数回ループする。ループまたは巻きは、約360度だけ回転した(正確に360度である必要はない)巻線として画定され得る。ループは、ダイのただ1つの層の代わりにダイのいくつかの層にわたって画定することもできる。そのようなループについて、さらに以下で説明する。

図6は、いくつかの実装形態における、ダイ内の別の垂直結合ハイブリッド変圧器600の一例を示す。図6に示すように、垂直結合ハイブリッド変圧器600は、巻線の第1の組602と巻線の第2の組604とを含む。巻線の第1の組602は、第1のポート606および第2のポート608を含む。巻線の第2の組604は、第3のポート610および第4のポート612を含む。ここでも明快のために、誘電体層は図6に示さない。

巻線の第1の組602は、基板(図示せず)よりも上に位置し、ダイの第1の層および第2の層上にある。第1のポート606は第1の層上にあり、第2のポートは第2の層上にある。巻線の第1の組602は第1のビア614を含み、第1のビア614は、第1の層上の巻線の第1の組602の第1の部分を、第2の層上の巻線の第1の組602の第2の部分に接続する。

巻線の第2の組604は、巻線の第1の組602よりも上に位置し、ダイの第3の層および第4の層上に位置する。第3のポート610は第3の層上にあり、第4のポート612は第4の層上にある。巻線の第2の組604は第2のビア616を含み、第2のビア616は、第3の層上の巻線の第2の組604を、第4の層上の巻線の第2の組604に接続する。図6に示すように、巻線の第1および第2の組602および604の各々は、2つのループ/巻きを有する。ループ/巻きは、上述したビアによって容易になる。様々な実装形態は、様々な数のループ/巻きを使用し得る。ループは、部分的なループである場合もある。すなわち、ループは、完全なループの分数および/または一部である場合もある(たとえば、1.5ループ)。加えて、巻線の各組は、異なる数のループを使用し得る。

図7は、いくつかの実装形態における、ダイ内の別の垂直結合ハイブリッド変圧器700の一例を示す。図7に示すように、垂直結合ハイブリッド変圧器700は、巻線の第1の組702と巻線の第2の組704とを含む。巻線の第1の組702は、第1のポート706および第2のポート708を含む。巻線の第2の組704は、第3のポート710、第4のポート712、および第5のポート714を含む。

巻線の第1の組702は、基板(図示せず)よりも上に位置し、ダイの第1の層および第2の層(たとえば、ダイの第1および第2の金属層)上にあり得る。巻線の第2の組704は、巻線の第1の組702よりも上に位置し、ダイの第3の層および第4の層(たとえば、ダイの第3および第4の金属層)上に位置し得る。図7に示すように、巻線の第1および第2の組702および704の各々は、2つのループ/巻きを有する。

図7は、巻線の第2の組704が巻線の第1の組702よりも上に位置することを示すが、いくつかの実装形態において、巻線の第2の組704は、巻線の第1の組702よりも下に位置する。すなわち、巻線の第2の組704が、基板(図示せず)よりも上に位置し、巻線の第1の組702が、巻線の第2の組704よりも上に位置する。

図8は、いくつかの実装形態における、ダイ内の垂直結合ハイブリッド変圧器の上面図および側面図を示す。図8は、図7の垂直結合ハイブリッド変圧器の上面図および側面図であり得る。図8に示すように、ダイ800は、基板802、第1の金属層804、第1のビア806、第1の誘電体層808、第2の金属層810、第2のビア812、第2の誘電体層814、第3の金属層816、第3の誘電体層818、第4の金属層820、第3のビア822、第4の誘電体層824、第5の金属層826、第4のビア828、第5の誘電体層830、第6の金属層832、およびパッシベーション層834を含む。

第2の金属層810および第3の金属層816は、第1の回路の巻線を画定する。上面図に示すように、第2の金属層810および第3の金属層816によって画定される第1の回路は、2つのポートを有する。第4の金属層820および第5の金属層826は、第2の回路の巻線を画定する。第4の金属層820および第5の金属層826によって画定される第2の回路は、図8の上面図に示すように、3つのポートを有する。

垂直結合ハイブリッド変圧器の様々な回路から巻線を絶縁するために、誘電体層が使用され得る。誘電体層は、低k特性を有し得る。通常、低k特性材料は、印加された電界にさらされるとき、弱い分極を有する絶縁材料となる。誘電体層は、低損失特性も有し得る。低損失特性を有する誘電体は、TX−RX漏れを防ぐのを助ける。

低k特性および/または低損失特性を有する誘電体材料の例には、ポリイミド、アクリル、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、および/またはベンゾシクロブテン(BCB)が含まれる。様々な実装形態は、誘電体層用の様々な材料を使用し得る。いくつかの実装形態では、すべての誘電体層に、同じ材料が使用される。他の実装形態では、少なくとも2つの異なる誘電体層は、異なる誘電体材料を有する。たとえば、いくつかの実施形態では、誘電体層818はBCBであり得るが、別の誘電体層はアクリルであり得る。

図8に示す垂直結合ハイブリッド変圧器の構成は、第1および第2の回路間の(垂直の矢印によって示す)垂直エネルギー伝達/結合を示す。これは、回路がダイの異なる層上にあるためである。

垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイを製造するための方法について以下で説明する。しかしながら、ハイブリッド変圧器の製造プロセスについて説明する前に、別の垂直結合変圧器について説明する。

図9は、いくつかの実装形態における、ダイ内の別の垂直結合変圧器900の一例を示す。詳細には、図9は、互いに交互配置された巻線の2つの組を含む垂直結合変圧器を示す。図9に示すように、垂直結合変圧器900は、巻線の第1の組902と巻線の第2の組904とを含む。巻線の第1の組902は、第1のポート906および第2のポート908を含む。巻線の第2の組904は、第3のポート910および第4のポート912を含む。

上述のように、巻線の第1の組902は、巻線の第2の組904と交互配置される。すなわち、巻線の第1の組902の一部は、巻線の第2の組904の一部と同じ層上に配置される。図9に示すように、巻線の第1の組902の第1の部分および巻線の第2の組904の第1の部分は、ダイの第1の層上に配置される。同様に、巻線の第1の組902の第2の部分および巻線の第2の組904の第2の部分は、ダイの第2の層上に配置される。巻線の第1の組902の第3の部分および巻線の第2の組904の第3の部分は、ダイの第3の層上に配置される。最後に、巻線の第1の組902の第4の部分および巻線の第2の組904の第4の部分は、ダイの第4の層上に配置される。

巻線の各それぞれの組では、巻線のそれぞれの組の一部を接続するためにビアが使用される。第1および第4のポート906および912は、ダイの第1の層上に配置される。第2および第3のポート908および910は、ダイの第4の層上に配置される。にもかかわらず、ポートは、ダイの他の層内に配置され得る。

様々な回路の巻線の一部が同じ層上にあっても、図9は、ダイの異なる層上にある巻線の一部の間でエネルギーが伝達されているので、垂直結合を示す。

交互配置された巻線を有する垂直結合変圧器について説明してきたが、ここで、垂直結合ハイブリッド変圧器について以下に説明する。

図10は、いくつかの実装形態における、ダイ内の別の垂直結合ハイブリッド変圧器1000の一例を示す。詳細には、図10は、互いに交互配置された巻線の2つの組を含む垂直結合ハイブリッド変圧器を示す。図10に示すように、垂直結合ハイブリッド変圧器1000は、巻線の第1の組1002と巻線の第2の組1004とを含む。巻線の第1の組1002は、第1のポート1006および第2のポート1008を含む。巻線の第2の組1004は、第3のポート1010、第4のポート1012、および第5のポート1014を含む。

上述のように、巻線の第1の組1002は、巻線の第2の組1004と交互配置される。すなわち、巻線の第1の組1002の一部は、巻線の第2の組1004の一部と同じ層上に配置される。図10に示すように、巻線の第1の組1002の第1の部分および巻線の第2の組1004の第1の部分は、第1の層上に配置される。同様に、巻線の第1の組1002の第2の部分および巻線の第2の組1004の第2の部分は、第2の層上に配置される。巻線の第1の組1002の第3の部分および巻線の第2の組1004の第3の部分は、第3の層上に配置される。最後に、巻線の第1の組1002の第4の部分および巻線の第2の組1004の第4の部分は、第4の層上に配置される。第1および第4のポート1006および1010は、第1の層上に配置される。第2および第3のポート1008および1012は、第4の層上に配置される。第5のポート1014は、第3の層上に配置される。いくつかの実装形態では、層は、ダイの金属層である。金属層は、ダイ上のトレースまたはワイヤであり得る。

垂直結合ハイブリッド変圧器のこの構成では、異なる層上の巻線間でエネルギーが伝達されているとき、垂直エネルギー結合が生じる。たとえば、いくつかの実装形態では、巻線の第1の組1002の第4の部分(ダイの第4の層上にある)と、巻線の第2の組1004の第3の部分(ダイの第3の層上にある)との間で垂直エネルギー結合が存在する。

様々な垂直結合ハイブリッド変圧器の上述の構成は、横方向結合ハイブリッド変圧器よりも良好な性能および特性を有する。たとえば、上述の構成は、TX−RX絶縁の向上、ANT−RX挿入損失の低減、およびTX−ANT挿入損失の低減を提供する。いくつかの実装形態では、このことは、垂直結合ハイブリッド変圧器に使用される、向上したQ値およびkの材料によるものである。さらに、上述の垂直結合ハイブリッド変圧器は、横方向結合ハイブリッド変圧器よりもコンパクトである。また、垂直結合ハイブリッド変圧器は、そのコンパクトなサイズにより、横方向結合ハイブリッド変圧器よりもコスト効果がある。

いくつかの実施形態では、説明した垂直結合ハイブリッド変圧器の性能の向上は、垂直結合ハイブリッド変圧器を効果的な信号デュプレクサとして使用することを可能にし、表面音響波(SAW)および圧電薄膜共振器(FBAR)デュプレクサ技術を置き換える。

ダイ内の様々な垂直結合ハイブリッド変圧器について説明してきたが、ここで、ダイ内に垂直結合ハイブリッド変圧器を製造するためのプロセスについて説明する。

垂直ハイブリッド変圧器を有するダイの例示的な製造 上述のように、垂直結合ハイブリッド変圧器がダイ内に製造され得る。図11は、ハイブリッド変圧器を含むダイを製造するための一般的な詳細な方法1100を示す。方法1100は、ダイがどのように製造されるかの一般化であり、ダイを製造するあらゆる単一のステップを捕らえることを意図していない。図11の方法は、垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイを製造するために使用され得る。いくつかの実装形態では、図11の方法は、相補型金属酸化物半導体(CMOS)バックエンドオブライン(BEOL)プロセス技術と呼ばれる。

本方法は、(1102で)基板を用意することによって開始する。これは、金属層を基板上に堆積させるために基板を洗浄するステップを含み得る。基板は、ガラス基板を含む任意の材料であり得る。次に、本方法は、(1104で)基板の上に金属層を堆積させる。金属層は、垂直結合ハイブリッド変圧器の1つまたは複数の巻線を画定し得る。金属層を堆積させることは、巻線を画定するために金属層の一部をエッチングすることなどの、他の製造プロセスを含み得る。巻線は、ワイヤおよび/またはトレースとして表され得る。

(1104で)金属層を堆積させた後、本方法は、(1106で)誘電体層を堆積させる。様々な実施形態は、誘電体層を様々に堆積させ得る。金属層によって画定された巻線を絶縁するために、誘電体層が使用され得る。垂直結合ハイブリッド変圧器の様々な回路から巻線を絶縁するために、誘電体層が使用されることもある。誘電体層は、低k特性を有し得る。通常、低k特性材料は、印加された電界にさらされるとき、弱い分極を有する絶縁材料となる。誘電体層は、低損失特性も有し得る。低k特性および/または低損失特性を有する誘電体材料の例には、ポリイミド、アクリル、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、および/またはベンゾシクロブテン(BCB)が含まれる。

次に、本方法は、(1108で)ビアを画定すべきかどうかを判定する。そうであれば、本方法は、(1110で)1つまたは複数のビアを作製する。ビアを作製するステップは、前もって堆積された金属層を露出させるために(たとえば、エッチングによって)誘電体層内に開口部を作製するステップと、ビアを作製するために開口部内に金属を堆積させるステップとを含み得る。層内に複数のビアが作製され得る。

(1110で)ビアを作製するか、または(1108で)ビアが画定される必要がないと判断された後、本方法は、(1112で)ダイに追加すべき少なくとも1つの金属層が存在するかどうかを判定する。そうであれば、本方法は、前の誘電体層の上に別の金属層を堆積させるための1104に進む。本方法は、(1104で)金属層を堆積するステップと、(1106で)誘電体層を堆積させるステップと、(1110で)ビアを画定するステップとを数回反復し得る。(1104で)金属層を堆積させるステップは、いくつかの実装形態では、巻線のための相互接続部を画定するステップも含み得る。各反復中に、本方法は、各層(たとえば、金属および/または誘電体)の様々な厚さを画定し得る。たとえば、いくつかの金属層は、他の金属層よりも薄い場合がある。加えて、本方法は、誘電体層の少なくとも1つに様々な誘電体材料を使用することもできる。様々な誘電体材料および層(たとえば、金属層および/または誘電体層)の様々な厚さを使用する理由について、以下にさらに説明する。

本方法は、(1112で)追加の金属層が画定される必要がないと判定すると、本方法は、(1114で)パッシベーション層を堆積させ、終了する。パッシベーション層は、金属層を酸化から保護する保護層である。パッシベーション層は、いくつかの実装形態では、誘電体材料から作製され得る。

図11には示されていないが、本方法のいくつかの実装形態は、さらに、パッシベーション層内に開口部を作製し、ビアおよび/またはパッドを形成するために開口部に金属を充填し得る。ビアおよび/またはパッドは、他の外部構成要素にダイを電気的に接続するために使用され得る。たとえば、ビアおよび/またはパッドは、プローブに接続するために使用され得る。いくつかの実装形態では、プローブなどの外部構成要素にダイを接続するために、アンダーバンプ構造(under bump structure)が画定され得る。

通常、ウエハ上に同時に複数のダイが製造される。その場合、次いで、ウエハは、別個のダイにカットされる。しかしながら、明快のために、図11の方法は、1つのダイのみが製造されているかのように説明される。さらに、ダイの他の要素を製造することもでき、その方法は上述されなかった(たとえば、アンダーバンプ金属化(under bump metallization)(UBM))。

ダイを製造するための方法の流れ図について説明してきたが、ここで、垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイを製造するための層バイ層プロセスについて説明する。

図12は、いくつかの実装形態における、ハイブリッド結合変圧器を製造するための層バイ層プロセスの一例を示す。この図12に示すように、プロセス1200は、(1202で)基板の上に第1の金属層を堆積させる。この例では、基板はガラス基板である。しかしながら、基板は他の材料であってもよい。図12に示すように、第1の金属層は、ハイブリッド変圧器用の構成要素およびプローブパッド用の構成要素を含む。次いで、プロセス1200は、(1204で)第1の誘電体層を堆積させ、次いで、(1204で)第1の金属層の上の誘電体層内にビアの組を画定する。いくつかの実装形態では、第1の誘電体は、低kおよび/または低損失の誘電体である。前に説明したように、低k誘電体の例には、ポリイミド、アクリル、ポリベンゾオキサゾール(PBO)、およびベンゾシクロブテン(BCB)などが含まれる。

次に、プロセス1200は、(1206で)第2の金属層を堆積させる。いくつかの実装形態では、第2の金属層は、巻線の第1の組を含む。次いで、プロセス1200は、(1208で)第2の誘電体層を堆積させ、(1208で)第2の金属層の上の第2の誘電体層内にビアの第2の組を画定する。第2の誘電体を堆積させ、ビアの第2の組を画定した後、次いで、プロセス1200は、(1210で)第3の金属層を堆積させる。いくつかの実装形態では、第3の金属層は、巻線の第1の組を含み得る。(1210で)第3の金属層を堆積させた後、プロセス1200は、(1212で)第3の誘電体層を堆積させ、(1212で)ビアの第3の組を画定する。第3の誘電体が堆積され、ビアの第3の組が画定されると、プロセス1200は、(1214で)第4の金属層を堆積させる。いくつかの実装形態では、第4の金属層は、巻線の第2の組を含み得る。次いで、プロセス1200は、(1216で)パッシベーション層(PSV)を堆積させ、ビアパッド(VP)を画定し、次いで終了する。

図13は、図12のプロセスの後、垂直結合ハイブリッド変圧器を含むダイの概念図を示す。図13に示すように、ダイ1300は、基板1302、第1の金属層1304、第1の誘電体層1306、第2の金属層1308、第2の誘電体層1310、第3の金属層1312、第3の誘電体層1314、第4の金属層1316、およびパッシベーション層1318を含む。ダイ1300は、基板1302の直接上の誘電体層などの追加の誘電体層を含み得る。

第1の金属層1304は、基板1302よりも上に位置し、垂直ハイブリッド変圧器の巻線を画定し得る。第1の金属層1304は、プローブパッドの導電層を画定することもできる。いくつかの実装形態では、第1の金属層1304は、1から3ミクロン(μm)の間の厚さを有し得る。

第1の誘電体層1306は、第1の金属層1304よりも上に位置する。第1の誘電体層は、第1の金属層1304に結合されたいくつかのビアを含み得る。第1の誘電体層1306は、第1の誘電体特性を有し得る。いくつかの実装形態では、第1の誘電体層1306は、3から5ミクロン(μm)の間の厚さを有し得る。第1の誘電体層1306内のビア1307は、約2ミクロンの厚さを有し得る。

第2の金属層1308は、第1の誘電体層1306よりも上に位置し、垂直結合ハイブリッド変圧器の巻線を画定することもできる。第2の金属層1308は、プローブパッドの別の導電層を画定することもできる。いくつかの実装形態では、第2の金属層1308は、約10ミクロンの厚さを有し得る。

第2の誘電体層1310は、第1の金属層1304よりも上に位置する。第2の誘電体層1310は、第2の金属層1308に結合されたいくつかのビアを含み得る。第2の誘電体層1310は、第1の誘電体特性とは異なる第2の誘電体特性を有し得る。いくつかの実装形態では、第2の誘電体層1310は、約15ミクロンの厚さを有し得る。第2の誘電体層1310内のビアは、約5ミクロンの厚さを有し得る。

第3の金属層1312は、第2の誘電体層1310よりも上に位置し、垂直結合ハイブリッド変圧器の別の巻線を画定することもできる。第3の金属層1312は、プローブパッドの別の導電層を画定することもできる。第3の誘電体層1314は、第3の金属層1312よりも上に位置する。第3の誘電体層1314は、第3の金属層1312に結合されたいくつかのビア(たとえば、ビア1315)を含み得る。第3の誘電体層1314は、第1および第2の誘電体特性とは異なる第3の誘電体特性を有し得る。

第4の金属層1316は、第3の誘電体層1314よりも上に位置し、垂直結合ハイブリッド変圧器の別の巻線を画定することもできる。第4の金属層1316は、プローブパッドの別の導電層を画定することもできる。パッシベーション層1318は、第4の金属層1316よりも上に位置する。パッシベーション層1318は、第4の金属層1316に結合されたいくつかのビア(たとえば、VP1319)を含み得る。

誘電体層用の様々な誘電体材料が使用され得る。加えて、ダイの様々な層に様々な厚さが使用され得る。したがって、上述の厚さは、例にすぎず、層をそれらの寸法に限定するものと解釈されるべきでない。

垂直結合ハイブリッド変圧器を製造するための詳細な方法について説明してきたが、垂直結合ハイブリッド変圧器を製造するための一般的な方法について、図14を参照しながら説明する。詳細には、図14は、ハイブリッド変圧器を製造する概要の流れ図を示す。図14に示すように、本方法は、(1402で)ダイの少なくとも第1の層上に位置する巻線の第1の組を製造する。第1の層は、ダイの基板よりも上に位置する。巻線の第1の組は、第1のポートおよび第2のポートを含む。巻線の第1の組は、第1のインダクタとして動作するように構成される。

次に、本方法は、(1404で)ダイの少なくとも第2の層上に位置する巻線の第2の組を製造する。第2の層は、基板よりも上に位置する。いくつかの実装形態では、第2の層は、第1の層よりも上にある。他の実装形態では、第2の層は、第1の層よりも下にある。巻線の第2の組は、第3のポート、第4のポート、および第5のポートを含む。巻線の第2の組は、第2のインダクタおよび第3のインダクタとして動作するように構成される。巻線の第1の組および巻線の第2の組は、垂直結合ハイブリッド変圧器として動作するように構成される。

図15は、上述の集積回路、ダイ、チップ、またはパッケージのいずれかと統合され得る様々な電子デバイスを示す。たとえば、携帯電話1502、ラップトップコンピュータ1504、および固定位置端末1506は、中央熱管理ユニットを有する集積回路(IC)1500を含み得る。IC1500は、たとえば、本明細書で説明する集積回路、ダイ、またはパッケージのうちのいずれかであり得る。図15に示すデバイス1502、1504、1506は、例にすぎない。他の電子デバイスは、限定しないが、ハンドヘルドパーソナル通信システム(PCS)ユニット、携帯情報端末などのポータブルデータユニット、GPS対応デバイス、ナビゲーションデバイス、セットトップボックス、音楽プレーヤ、ビデオプレーヤ、娯楽ユニット、メータ読取り機器などの固定位置データユニット、またはデータもしくはコンピュータ命令の記憶もしくは取り出しを行う任意の他のデバイス、またはそれらの任意の組合せを含むIC1500を採用することもできる。

図3、図4、図5、図6、図7、図8、図9、図10、図11、図12、図13、図14および/または図15に示した構成要素、ステップ、特徴、および/または機能のうちの1つまたは複数は、単一の構成要素、ステップ、特徴または機能に再構成され、および/または組み合わされ、あるいは、いくつかの構成要素、ステップ、または機能で具現化され得る。本発明から逸脱することなく、さらなる要素、構成要素、ステップ、および/または機能を追加することもできる。

上記図に示す構成要素、ステップ、特徴および/または機能のうちの1つまたは複数は、単一の構成要素、ステップ、特徴、または機能に再構成および/または結合され、あるいは、いくつかの構成要素、ステップ、または機能で具現化され得る。本明細書で開示する新規の特徴から逸脱することなく追加の要素、構成要素、ステップ、および/または機能が、追加することもできる。上記図に示す装置、デバイス、および/または構成要素は、上記図に記載した方法、特徴、またはステップのうちの1つまたは複数を実行するように構成され得る。また、本明細書に記載した新規のアルゴリズムは、ソフトウェアに効率的に実装され、および/またはハードウェアに組み込まれる可能性もある。

「例示的な」という言葉は、「例、事例、または例示として機能すること」を意味するように本明細書で使用され得る。「例示的」として本明細書で説明するいかなる実装形態または態様も、必ずしも本開示の他の態様よりも好ましいまたは有利なものと解釈されるべきでない。同様に、「態様」という用語は、本開示のすべての態様が、説明される特徴、利点、または動作モードを含むことを必要とするとは限らない。「結合された」という用語は、2つのオブジェクト間の直接的または間接的な結合を指すために本明細書で使用される。たとえば、オブジェクトAがオブジェクトBに物理的に接触し、オブジェクトBがオブジェクトCに接触する場合、オブジェクトAとCとは、互いに物理的に直接接触していなくても、依然として互いに結合するものと見なすことができる。たとえば、第1のダイがパッケージ内の第2のダイに物理的に直接接触していなくても、第1のダイは、第2のダイに結合している可能性がある。

「エネルギー結合」という用語は、2つのオブジェクト間の直接的または間接的なエネルギー伝達を指すために本明細書で使用され得る。エネルギー結合は、オブジェクトが物理的に接触していなくても、2つのオブジェクト(たとえば、回路、ワイヤ)間に生じ得る。たとえば、エネルギー結合は、2つのオブジェクトAとBとの間にオブジェクトCが存在しても、2つのオブジェクトAとBとの間に生じ得る。エネルギー結合は、オブジェクトAからオブジェクトBへのエネルギー伝達、またはオブジェクトBからオブジェクトAへのエネルギー伝達を指し得る。エネルギー結合は、一方向または双方向のエネルギー伝達を指す可能性がある。

ウエハおよび基板という用語は、本開示の態様による集積回路(IC)を形成する露出面を有する任意の構造体を含むものとして本明細書で使用され得る。ダイという用語は、本明細書ではICを含むものとして使用され得る。基板という用語は、半導体ウエハを含むものとして理解される。基板という用語は、作製中の半導体構造体を指すものとしても使用され、その上に作製されてきた他の層を含み得る。基板という用語は、ドープされた半導体およびドープされていない半導体、ベースの半導体によってサポートされたエピタキシャル半導体層、または絶縁体によってサポートされた半導体層、ならびに当業者によく知られている他の半導体構造体を含む。絶縁体という用語は、当業者によって一般に導体と呼ばれる材料ほど導電性がない任意の材料を含むものとして定義される。

また、実施形態は、フローチャート、流れ図、構造図、またはブロック図として示されるプロセスとして説明され得ることに留意されたい。フローチャートは動作を逐次プロセスとして説明し得るが、動作の多くは並行してまたは同時に実行され得る。加えて、動作の順序は並び替えられ得る。プロセスは、その動作が完了したときに終了する。

本明細書で説明する本発明の様々な特徴は、本発明から逸脱することなく様々なシステムに実装され得る。上記の本開示の態様は例にすぎず、本発明を限定するものと解釈されるべきでないことに留意されたい。本開示の態様の説明は、例示的なものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。したがって、本教示は、他のタイプの装置、ならびに多くの代替形態、変更形態、および変形形態に容易に適用され得ることが当業者には明らかであろう。

100 ハイブリッド変圧器 102 第1のコイル 104 第1のポート 106 第2のポート 108 第2のコイル 110 第3のコイル 112 第3のポート 114 第4のポート 116 第5のポート 200 ハイブリッド変圧器 202 巻線の第1の組 204 巻線の第2の組 206 第1のポート 208 第2のポート 210 相互接続部の第1の組 212 第3のポート 214 第4のポート 300 変圧器 302 第1の巻線 304 第2の巻線 306 第1のポート 308 第2のポート 310 第3のポート 312 第4のポート 400 ダイ 402 基板 404 第1の金属層 406 ビア 408 第1の誘電体層 410 第2の金属層 412 第2の誘電体層 414 第3の金属層 416 第2のビア 418 第3の誘電体層 420 第4の金属層 422 パッシベーション層 500 垂直結合ハイブリッド変圧器 502 巻線の第1の組 504 巻線の第2の組 506 第1のポート 508 第2のポート 510 第3のポート 512 第4のポート 514 第5のポート 516 相互接続部の組 600 垂直結合ハイブリッド変圧器 602 巻線の第1の組 604 巻線の第2の組 606 第1のポート 608 第2のポート 610 第3のポート 612 第4のポート 614 第1のビア 616 第2のビア 700 垂直結合ハイブリッド変圧器 702 巻線の第1の組 704 巻線の第2の組 706 第1のポート 708 第2のポート 710 第3のポート 712 第4のポート 714 第5のポート 800 ダイ 802 基板 804 第1の金属層 806 第1のビア 808 第1の誘電体層 810 第2の金属層 812 第2のビア 814 第2の誘電体層 816 第3の金属層 818 第3の誘電体層 820 第4の金属層 822 第3のビア 824 第4の誘電体層 826 第5の金属層 828 第4のビア 830 第5の誘電体層 832 第6の金属層 834 パッシベーション層 900 垂直結合変圧器 902 巻線の第1の組 904 巻線の第2の組 906 第1のポート 908 第2のポート 910 第3のポート 912 第4のポート 1000 垂直結合ハイブリッド変圧器 1002 巻線の第1の組 1004 巻線の第2の組 1006 第1のポート 1008 第2のポート 1010 第3のポート 1012 第4のポート 1014 第5のポート 1300 ダイ 1302 基板 1304 第1の金属層 1306 第1の誘電体層 1307 ビア 1308 第2の金属層 1310 第2の誘電体層 1312 第3の金属層 1314 第3の誘電体層 1315 ビア 1316 第4の金属層 1318 パッシベーション層 1319 ビア 1500 集積回路 1502 携帯電話 1504 ラップトップコンピュータ 1506 固定位置端末