平衡-不平衡变压器系统和方法 |
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| 申请号 | CN201110332261.X | 申请日 | 2011-10-25 | 公开(公告)号 | CN102468035B | 公开(公告)日 | 2014-08-13 |
| 申请人 | 台湾积体电路制造股份有限公司; | 发明人 | 吕哲庆; 颜孝璁; 刘莎莉; 叶子祯; 郑敏祺; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种用于传输 信号 的系统和方法。一个 实施例 包括平衡- 不平衡 变压器 ，比如Marchand平衡-不平衡变压器，具有带有主线圈和第一次级线圈的第一变压器，以及带有主线圈和第二次级线圈的第二变压器。第一次级线圈和第二次级线圈连接到接 地层 ，该接地层具有 槽口 线，该槽口线位于第一变压器和第二变压器中的线圈的分隔处下方。槽口线还可以具有指状物。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电器件，包括： |
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| 说明书全文 | 平衡-不平衡变压器系统和方法技术领域背景技术[0002] 可以在电路中使用平衡-不平衡变压器(Balun)，将不平衡信号变换为平衡信号，反之亦然。通过使用平衡变换器可以达到上述目的，从而提供了相等的振幅分割和相位差。换言之，一个单独的、不平衡的信号可以被分离为180度异相的两个独立的、平衡的信号。 [0003] 这种平衡可以通过使用耦合线结构而实现，其中，输入线(接收不平衡信号)通过单独的变压器电磁耦合到两个单独的输出线。所引入的不平衡信号(通过由耦合线形成的变压器)被变换为两个180度异相的独立的平衡信号。在Marchand平衡-不平衡变压器的特定实施例中，输入线接收不平衡信号，并保持一端断开，这样使得该平衡-不平衡变压器能够在比其它可能的情况更宽的带宽范围下使用。 [0004] 然而，传统平衡-不平衡变压器具有许多问题和限制。特别地，由于电流通路将耦合线接地，因此传统平衡-不平衡变压器件有损耗问题。另外，平衡-不平衡变压器的带宽可能会由耦合线和接地之间所产生的电容耦合而被限制，从而限制了平衡-不平衡变压器的运行。 发明内容[0005] 通过减小平衡-不平衡变压器中的电容性耦合的实施例，通常能够解决或者规避这些或者其它问题，通常还可获得一些技术优点。 [0006] 根据一个实施例，一种电器件，包括：第一变压器，位于第一金属层中，第一变压器包括：主线，连接到输入端；以及第一次级线，接近主线，并且连接到第一输出端，主线和第一次级线通过介电材料的第一区域相互分隔开。第二变压器，包括：主线；以及第二次级线，接近主线，并且连接到第二输出端，第二输出端与第一输出端不同。接地层位于第二金属层中，接地层包括第一槽口线，第一槽口线包括非导电材料，并且位于第一区域下方。 [0007] 根据另一实施例，一种电器件，包括：第一线，连接到第一端口，第一线包括调谐线；第二线，接近第一线，以形成第一变压器，第二线连接到第二端口，第二线通过第一区域与第一线分隔开。第三线，接近第一线，以形成第二变压器，第三线连接到第三端口。通孔将第二线和第三线连接到第一参考电压层，第一参考电压层包括：介电材料的第一槽口线，位于第一区域的正下方。 [0008] 该电器件进一步包括：指状物，沿第一槽口线设置。 [0009] 其中，指状物从第一槽口线延伸，垂直于第一槽口线的纵轴。 [0010] 其中，调谐线延伸进入分隔的金属层，而非第二线。 [0011] 其中，第一参考电压层是接地层。 [0012] 其中，变压器是Marchand平衡-不平衡变压器。根据又一实施例，一种用于形成电器件的方法，包括：在基板上方形成导电接地层，并在导电接地层中形成第一槽口线，第一槽口线包含第一介电材料。形成主传输线，接近第一传输线和第二传输线，主传输线通过第二介电材料的第一区域与第一传输线分隔开，其中，第一槽口线和第一区域位于沿着与基板垂直的线的位置上。 [0013] 其中，形成第一槽口线进一步包括：形成向远离第一槽口线方向延伸的指状物。 [0014] 该方法进一步包括：在导电接地层中形成第二槽口线，第二槽口线包含第一介电材料，其中，主传输线通过第二介电材料的第二区域与第二传输线分隔，并且其中，第二槽口线和第二区域沿与基板垂直的第二线设置。 [0015] 该方法进一步包括：形成调谐线，调谐线设置在主传输线中，调谐线延伸进入分隔的金属层，而非第一槽口线。 [0016] 其中，形成电器件包括：形成Marchand平衡-不平衡变压器。 [0017] 其中，形成主传输线包括：形成螺旋形的主传输线。 [0018] 其中，形成与第一传输线相邻的主传输线进一步包括：形成与主传输线平行的第一传输线。 [0019] 这些实施例的优点是，当信号的偶模(even-mode)部分降低电容耦合的时候，信号的奇模(odd-mode)部分中的电容耦合只略微发生改变。同样，平衡-不平衡变压器的总体运行带宽增大。附图说明 [0020] 为了更全面地理解本实施例及其优点，现在将结合附图所进行的以下描述作为参考，其中： [0021] 图1示出了根据实施例的Marchand平衡-不平衡变压器的电路图； [0022] 图2示出了根据实施例的Marchand平衡-不平衡变压器的信号层(level)的布局； [0023] 图3A-图3B示出了根据实施例的Marchand平衡-不平衡变压器的接地层； [0024] 图4A-图4C示出了根据实施例的Marchand平衡-不平衡变压器的顶视图和横截面图； [0025] 图5-图6示出了根据实施例的在Marchand平衡-不平衡变压器中可以实现的改进；以及 [0026] 图7示出了根据实施例的Marchand平衡-不平衡变压器的带状线实施例。 [0027] 除非另有说明，不同附图中的参考数字和符号通常指的是对应部件。绘制出附图，以清晰地示出实施例的相关方面，因而这些附图没有必要按比例绘制。 具体实施方式[0028] 下面，详细讨论本发明优选实施例的制造和使用。然而，应该理解，本实施例提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的概念。所讨论的具体实施例仅仅示出制造和使用本发明的具体方式，而不用于限制实施例的范围。 [0029] 本实施例将针对特定语境中的实施例(即平衡-不平衡变压器)进行描述。然而，本实施例还可以应用到其它信号传输器件。 [0030] 现在参考图1，示出了平衡-不平衡变压器100的示意图，该平衡-不平衡变压器100包括主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105。平衡-不平衡变压器100可以是形成在例如半导体基板(未示出)上的微波传输带(microstrip)、耦合线平衡-不平衡变压器。同样，尽管主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105被描述为线圈，但是这些结构也可以是其它形状的线，比如直线形状的微波传输带线或者蜿蜒形状的微波传输带线，如下文中所描述，主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105被耦合。 [0031] 在实施例中，主线圈101可以被连接到输入端口107，以接收输入信号，比如无线电频率信号、微波信号、毫米波信号。在与输入端口107相对的一端，主线圈101可以保持断开(open)，并且不接地，从而形成了一种平衡-不平衡变压器的特定类型：Marchand平衡-不平衡变压器。通过使用Marchand平衡-不平衡变压器(其中主线圈保持断开)，平衡-不平衡变压器100能够通过Marchand平衡-不平衡变压器得到比传统微波传输带、耦合线平衡-不平衡变压器更宽的带宽。 [0032] 然而，本领域普通技术人员将会明了，由图1中所示出的平衡-不平衡变压器100所表示出的平衡-不平衡变压器的特定类型仅仅旨在示出，并非意在限制本实施例。任意其它平衡-不平衡变压器的合适类型，比如带状线、或者微波传输带，都可以备选地应用到本实施例。 [0033] 可选地，调谐线115可以被应用到主线圈101中。调谐线115可以用于调节、或者调谐主线圈101的阻抗。为了延长或者收缩主线圈101的总长度，可以通过制造具有期望长度的调谐线115而进行调节。通过调节长度，调谐线115的阻抗可以被匹配，从而主线圈101可以被匹配，以使得平衡-不平衡变压器100(以下进一步描述)的输出为平衡振幅。 [0034] 第一次级线圈103和第二次级线圈105可以被设置为接近主线圈101，从而使得主线圈101和第一次级线圈103形成第一变压器110，主线圈101和第二次级线圈105形成第二变压器112。可以将第一次级线圈103和第二次级线圈105放置为，使得第一次级线圈103的电长度(electrical length)和第二次级线圈105的电长度在输入端口107所施加的信号的频率中心上是90°。第一次级线圈103可以被连接到不同的第一输出端109，第二次级线圈105可以被连接到不同的第二输出端111。 [0035] 接地结构113可以被连接到第一次级线圈103和第二次级线圈105。接地结构113可以产生出允许电流流过的合适的参考电压，比如0V。另外，尽管接地结构113如图1所示为两个隔开的结构，但这仅仅是说明性的，如关于图3的以下描述，该接地结构113也可以是单个结构。 [0036] 图2示出了图1中所示的平衡-不平衡变压器100的信号层201的结构布局200。在实施例中，信号层201可以包括主线圈101、第一次级线圈103、第二次级线圈105、以及调谐线115的部分。在图2所示出的信号层201中，主线圈101和第一次级线圈103相缠绕，以形成第一变压器110，主线圈101和第二次级线圈105相缠绕，以形成第二变压器112。还示出了，主线圈101连接到输入端口107，第一次级线圈103连接到第一输出端109，第二次级线圈105连接到第二输出端111。 [0037] 主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105可以形成在使用例如65nm技术节点、具有六个金属层和单个多晶硅层的半导体基板(未示出)的单个金属层中。主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105可以由导电材料形成，比如，铜、钨、或者铝、上述的混合物等等。另外，可以使用诸如电介质的绝缘材料202，从而将主线圈101与第一次级线圈103和第二次级线圈105分隔开，以防止各个线圈之间发生短路。 [0038] 主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105可以利用生产线后道(BEOL)制造工序制造，比如镶嵌技术、双道镶嵌技术、上述的组合等等。此类工艺可以包括，例如，形成或者沉淀绝缘层，形成穿过绝缘层的开口，将导电材料形成或者沉淀在穿过绝缘层的开口中，以及通过诸如化学机械抛光(CMP)的平坦化工艺从开口外部移除导电材料。 [0039] 然而，本领域普通技术人员将会明了，上面所描述的工艺仅仅是说明性的，并非意在将本实施例限制在任意方式。也可以用任意其它合适的材料或者工艺来形成主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105。可选地，所有这种合适的材料和方法都可以被使用。 [0040] 如所示，主线圈101和第一次级线圈103可以相缠绕，以形成第一变压器110。在一个实施例中，主线圈101和第一次级线圈103可以具有类似的宽度We，可以根据所利用的工艺设计规则来确定出该宽度We。备选地，主线圈101和第一次级线圈103宽度可以不同，或者甚至主线圈101和第一次级线圈103中的不同位置上的宽度也可以不同。第一变压器110中的主线圈101和第一次级线圈103可以应用任意合适的宽度或者宽度的组合。 [0041] 另外，在第一变压器110中，主线圈101和第一次级线圈103可以通过绝缘材料202而被分隔开。在一个实施例中，主线圈101和第一次级线圈103可以分隔开间隔Se，可以根据所利用的工艺设计规则来确定出该间隔Se。Se防止在第一变压器110运行时，主线圈101与第一次级线圈103短路。 [0042] 第一变压器110中的主线圈101和第一次级线圈103可以相缠绕，从而使得第一变压器110的变压比为1∶1，例如，主线圈101和第一次级线圈103中的每个都使用一圈半。然而，该变压比仅仅是说明性的，并非意在限制本实施例。备选地，可以使用任意其它合适的变压比(阻抗变压比包括阻抗的实数部分和/或虚数部分)，比如2∶1、1∶4、或者3∶2，以及任意其它合适的圈数。 [0043] 主线圈101还可以与第二次级线圈105相缠绕，从而形成第二变压器112。与上面所述的第一变压器110类似，根据所利用的工艺设计规则，主线圈101和第二次级线圈105可以具有类似的宽度We。另外，第二变压器112中的主线圈101和第二次级线圈105可以分隔开间隔Se，并且相缠绕，从而使得第二变压器112的变压比是1∶1，例如，主线圈101和第二次级线圈105中的每个都使用一圈半。然而，备选地，可以使用其它间隔、变压比以及圈数。 [0044] 可选地，主线圈101可以通过调谐线115，从第一变压器110延伸到第二变压器112。通过，例如，形成穿过第一通孔206延伸到其它金属层中的部分，调谐线115可以将第一变压器110中的主线圈101连接到第二变压器112中的主线圈101。第一通孔206使得调谐线115能够与第一变压器110和第二变压器112的其它部分相交叉，而不会接触到这些部分。 [0045] 在实施例中，调谐线115使用第一通孔206和迹线208的组合，其将调谐线115布线(route)到另一金属层内。例如，如所示，为了将调谐线115围绕第一变压器110和第二变压器112的线圈布线，可以使用四个第一通孔206，从而将调谐线115延长到期望长度，进而使主线圈101达到期望阻抗。只是举个例子，为了将主线圈101调谐为其阻抗匹配进一步被改进，调谐线115的长度可以在大约20μm到大约300μm之间，比如大约40μm。 [0046] 然而，上述的调谐线115的长度和第一通孔206的数量仅仅是说明性的，并不用于限定本实施例。备选地，为了调谐主线圈101的阻抗，可以使用任意合适的长度和任意合适的通孔数量(比如，两个第一通孔206)，从而使得调谐线能够将第一变压器110中的主线圈101连接到第二变压器102中的主线圈101，而不会接触其它导电区域。此外，调谐线115可以延伸到包含信号层201的金属层上方或者下方的任意数量的金属层(未示出)中。 [0047] 在实施例中，第一次级线圈103和第二次级线圈105可以通过一个或者多个接地通孔209，连接到接地结构113(在关于图3的下文中进行完整描述)。为了向平衡-不平衡变压器100提供期望的接地连接，接地通孔209可以延伸穿过周围的(surrounding)绝缘材料202。 [0048] 与主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105类似，第一通孔206和接地通孔209可以通过使用BEOL制造技术形成。只是举个例子，第一通孔206和接地通孔209可以通过使用镶嵌技术或者双道镶嵌技术，形成在绝缘材料202中。然而，这些技术仅是说明性的，备选地，还可以使用任意其它合适的技术形成第一通孔206和接地通孔209。 [0049] 图3A示出了接地结构113(见图1)。在所示实施例中，接地结构113是穿过接地通孔209连接到第一次级线圈103和第二次级线圈105的接地层301。接地层301可以包括导电部分302、非导电第一槽口线303和非导电第二槽口线305。接地层301可以位于与包含信号层201的金属层邻近的金属层中，该信号层201包括主线圈101，第一次级线圈103、以及第二次级线圈105，但是接地层301并不限于此。 [0050] 备选地，接地层301可以位于包含有主线圈101、第一次级线圈103、以及第二次级线圈105的金属层上方或者下方的任意金属层中。例如，在具有六个金属层，技术节点为0.18μm的情况下，接地层301可以形成在第六金属层(例如，从基板开始数，未示出)中，信号层201可以形成在第一金属层中，两层之间大约7.05μm。在其它示例中，接地层301可以形成在六个金属层中的第六金属层中，技术节点为65nm，信号层201可以形成在第一金属层中，两层之间大约3.6μm，还可以是，接地层301形成在六个金属层中的第六金属层中，技术节点为40nm，信号层201在第一金属层中，两层之间隔开大约1.865μm。这些示例，以及任意其它合适的备选配置，都可以备选地应用到接地层301与信号层201有关的位置中。 [0051] 在实施例中，接地层301可以利用绝缘层202而被图案化，以具有第一槽口线303和第二槽口线305。接地层301连同第一槽口线303和第二槽口线305可以通过使用BEOL技术形成，比如通过镶嵌技术、双道镶嵌技术等等，其中，形成绝缘材料202，进而在绝缘材料202中形成接地层301的导电部分302。然而，备选地，还可以使用任意其它合适的工艺，比如，形成接地层301的导电部分302，然后，移除接地层301的导电部分302的一部分，以填充以及形成第一槽口线303和第二槽口线305。 [0052] 图3B示出了图3A中的用虚线标注的圈309的放大图，并且还示出了第一槽口线303的放大图。在实施例中，为了有助于调节和降低接地层301和信号层201之间的电容，第一槽口线303的槽口宽度可以是Ws。同样，第一槽口线303的槽口宽度Ws可以在大约2μm和大约18μm之间，比如大约5μm。 [0053] 另外，在实施例中，图3B还示出了，第一槽口线303和第二槽口线305可以被图案化，以形成例如指状物307，该指状物307从第一槽口线303和第二槽口线305延伸出来。指状物307可以与第一槽口线303和第二槽口线305同时形成，并且可以由类似材料(例如，绝缘材料202)形成。与第一槽口线303和第二槽口线305类似，指状物307可以用于很好地调节接地层301和信号层201之间的电容，其中，数量较多的指状物307(从而绝缘材料202的区域较大)能够降低接地结构113和信号层201之间电容耦合。同样，在一个实施例中，所形成的指状物307的指状物宽度Wf可以在大约1μm和大约12μm之间，比如大约2μm，相邻的指状物307之间的节距(pitch spacing)Wp可以在大约1μm和大约12μm之间，比如大约2μm。另外，指状物307可以从第一槽口线303延伸出来，从而使得第一槽口线303的(与指状物307相结合的)结合宽度Wg可以在大约6μm和大约36μm之间，比如12μm。最终，指状物307可以围绕着第一槽口线303和第二槽口线305的周界延伸。 [0054] 然而，本领域普通技术人员将会明了，围绕着第一槽口线303和第二槽口线305到指状物307的接地层的图案化仅仅是一个说明性的实施例，并非意在进行限制。为了有助于调节和控制电容耦合并且获得更好的性能，接地层301可以被图案化为备选的任意期望的形状，比如锯齿图案。备选地，可以使用任意其它合适的形状、间距、或者尺寸。 [0055] 图4A示出了第一变压器110和第二变压器112的顶视图，该第一变压器110和第二变压器112置于带有第一槽口线303和第二槽口线305的接地层301的上方。如图所示，可以设置第一槽口线303，使得位于第一变压器110中的主线圈101和第一次级线圈103置于第一槽口线303上方，第一槽口线303在主线圈101和第一次级线圈103(虽然处于单独的金属层中)之间延伸。另外，可以设置第二槽口线305，使得位于第二变压器112中的主线圈101和第二次级线圈105置于第二槽口线305和指状物307之上，该指状物307围绕第二槽口线305。 [0056] 另外，第一槽口线303和指状物307使得信号的回流能够不从信号耦合线下方流过(例如，第一次级线圈103和主线圈101之间的空间)，而是流向远离信号耦合线，从而增加等同的偶模电感和奇模电感，降低信号的速率，并且还使得耦合线的物理长度减小。此外，通过应用所提出的实施例，平衡-不平衡变压器100的总体尺寸可以降低大约40％。例如，传统平衡-不平衡变压器的宽度可以是大约85μm，长度可以是大约196μm，平衡-不平衡变压器100通过应用本实施例，可以降低电容耦合，并且使得尺寸减小到，例如，宽度为大约65μm，长度为大约156μm。 [0057] 图4B示出了沿着线A-A’的接地层301和信号层201的横截面图。如图所示，接地层301和第一槽口线303可以通过单个介电层403与主线圈101和第一次级线圈103分隔开，备选地，还可以应用任意合适数量的分离层。在实施例中，第一槽口线303在主线圈101和第一次级线圈103之间的间隔处，阻断(interrupt)了接地层301，从而有助于减小接地层301和信号层201之间的电容。 [0058] 另外，如果施加到输入端口107的信号可以被视为偶模部分和奇模部分的组合，则图4B还示出了由于信号的偶模部分所产生的电场401。如图所示，由第一槽口线303所提供的间隔是为了将电场401分隔开，从而有助于减小接地层301和信号层201之间的电容。另外，信号的偶模部分中的偶模阻抗Zeven可以用以下等式得出： [0059] [0060] 其中，Zeven＝偶模阻抗 [0061] Reven＝偶模电阻 [0062] J＝虚数单位 [0064] Leven＝偶模电感 [0065] Geven＝偶模电导 [0066] Ceven＝偶模电容 [0067] 同样，当槽口宽度Ws增大时，偶模电容Ceven将会减小，从而增大了偶模阻抗Zeven。 [0068] 与图4B类似，图4C示出了由所施加的信号的奇模部分所产生的电场401。如图所示，第一槽口线303再一次提供了间隔，用于分隔开电场，从而有助于减小接地层301和信号层201之间的电容，甚至在实施奇模方法时同样如此。另外，信号的奇模部分中的奇模阻抗Zodd可以用以下等式得出： [0069] [0070] 其中，Zodd＝奇模阻抗 [0071] Rodd＝奇模电阻 [0072] J＝虚数单位 [0073] ω＝辐射频率 [0074] Lodd＝奇模电感 [0075] Godd＝奇模电导 [0076] Codd＝奇模电容 [0077] 因此，当槽口宽度Ws增大时，奇模电容Codd将会略微减小，从而略微增大了奇模阻抗Zodd，而增加的量没有偶模阻抗Zeven中的那么大。 [0078] 另外，因为偶模电容Ceven和奇模电容Codd可以减小(即使偶模电容只是略微减小)，偶模电感Leven和奇模电感Lodd可以增大，而总体信号速率voverall可以减小。这可以从以下等式看出，这些等式涉及偶模信号速率veven与偶模电容Ceven之间的关系，奇模信号速率vodd与奇模电容Codd之间的关系，以及偶模信号速率veven和奇模信号速率vodd与总体信号速率voverall之间的关系： [0079] [0080] [0081] [0082] 因此，当信号速率降低时，线的物理长度会减小，从而使得平衡-不平衡变压器100的总体尺寸减小。 [0083] 图5-图6示出了由上述图1-图4所示出的优选实施例所带来的性能上的改进。例如，图5示出的插入损耗的改进为大约0.7dB。另外，图6示出了传统平衡-不平衡变压器和平衡-不平衡变压器100之间的振幅不平衡度和相位差的极好性能。另外，对于平衡-不平衡变压器100，调谐线115能够用于进一步改进振幅不平衡度和相位差的性能。 [0084] 图7示出了通过使用带状线配置所形成的平衡-不平衡变压器100的另一实施例的横截面图。如图所示，信号层200可以类似于关于图2的上述描述的信号层。然而，可以不再使用单个接地层300(例如，关于图3的上述描述中的接地层300)，而是在信号层200上接地层300的相对面上使用第二接地层700(绝缘材料202围绕并且隔开信号层200、接地层300和第二接地层700)。第二接地层700可以类似于接地层300，并且还可以包括第一槽口线303和第二槽口线305，包括指状物307。 [0085] 尽管已经详细地描述了本发明及其优点，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，做各种不同的改变，替换和更改。例如，上面所描述的用于接地的主线圈可以不保持断开。另外，只要主线圈、第一次级线圈、以及第二次级线圈保持耦合，上面所示的线圈形状可以改变为其它形状。 |
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