半导体器件上的混合变压器结构.pdf

若干新颖特征涉及一种在具有多个层的半导体管芯内形成的混合变压器。该混合变压器包括置于该管芯的第一层上的第一组绕组(702)。第一层置于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口(706)和第二端口(708)。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。该混合变压器包括置于该管芯的第二层上的第二组绕组(704)。第二层置于该基板上方。第二组绕组包括第三端口(710)、第四端口(712)和第五端口(714)。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。

1.  一种在具有多个层的半导体管芯内形成的混合变压器，所述混合变压器包括：
置于所述管芯的至少第一层上的第一组绕组，所述第一层位于所述管芯的基板之上，所述第一组绕组包括第一端口和第二端口，所述第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作；以及
置于所述管芯的至少第二层上的第二组绕组，所述第二层位于所述基板之上，所述第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口，所述第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作，其中所述第一组绕组和所述第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。

2.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

3.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量中的相当大的量发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

4.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述基板是绝缘射频(RF)基板。

5.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述基板是玻璃基板。

6.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述管芯包括位于所述第一组绕组与所述第二组绕组之间的电介质层。

7.  如权利要求6所述的混合变压器，其特征在于，所述电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。

8.  如权利要求6所述的混合变压器，其特征在于，所述电介质层是聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和/或苯并环丁烯(BCB)中的一者。

9.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第二层在所述第一层上方。

10.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第一层在所述第二层上方。

11.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述管芯包括第三层和第四层，所述第一组绕组置于所述第一和第三层上，所述第二组绕组置于所述第二和第四层上。

12.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述管芯包括第三层和第四层，所述第一组绕组在所述管芯的多个层上与所述第二组绕组交织。

13.  如权利要求12所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组的第一部分和所述第二组绕组的第一部分置于所述第一层上，其中所述第一组绕组的第二部分和所述第二组绕组的第二部分置于所述第三层上，其中所述第一组绕组的第三部分和所述第二组绕组的第三部分置于所述第二层上，其中所述第一组绕组的第四部分和所述第二组绕组的第四部分置于所述第四层上。

14.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组包括第一组导电迹线。

15.  如权利要求14所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组包括第一组互连。

16.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组与所述第二组绕组对称。

17.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第二组绕组直接置于并且对准在所述第一组绕组之上。

18.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组和所述第二组绕组是同轴的。

19.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述第一组绕组具有第一数目的环，其中所述第二组绕组具有第二数目的环。

20.  如权利要求1所述的混合变压器，其特征在于，所述混合变压器作为单个双工器来操作。

21.  一种用于在半导体管芯中制造混合变压器的方法，包括：
制造置于所述管芯的至少第一层上的第一组绕组，所述第一层置于所述管芯的基板之上，所述第一组绕组包括第一端口和第二端口，所述第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作；以及
制造置于所述管芯的至少第二层上的第二组绕组，所述第二层置于所述基板之上，所述第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口，所述第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作，其中所述第一组绕组和所述第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。

22.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述 第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

23.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量中的相当大的量发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

24.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基板是绝缘射频(RF)基板。

25.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述基板是玻璃基板。

26.  如权利要求21所述的方法，其特征在于，进一步包括在所述第一组绕组与所述第二绕组之间沉积电介质层。

27.  如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。

28.  如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电介质层是聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和/或苯并环丁烯(BCB)中的一者。

29.  一种用于在管芯中制造混合变压器的设备，包括：
用于制造置于所述管芯的至少第一层上的第一组绕组的装置，所述第一层置于所述管芯的基板之上，所述第一组绕组包括第一端口和第二端口，所述第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作；以及
用于制造置于所述管芯的至少第二层上的第二组绕组的装置，所述第二层置于所述基板之上，所述第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口，所述第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作，其中所述第一组 绕组和所述第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。

30.  如权利要求21所述的设备，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

31.  如权利要求21所述的设备，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递能量，其中在所述第一组绕组与所述第二组绕组之间传递的总能量中的相当大的量发生在所述管芯的不同层上的绕组之间。

32.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，所述基板是绝缘射频(RF)基板。

33.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，所述基板是玻璃基板。

34.  如权利要求29所述的设备，其特征在于，进一步包括在所述第一组绕组与所述第二绕组之间沉积电介质层。

35.  如权利要求34所述的设备，其特征在于，所述电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。

36.  如权利要求34所述的设备，其特征在于，所述电介质层是聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和/或苯并环丁烯(BCB)中的一者。

37.  一种半导体管芯，包括：
基板；以及
耦合至所述基板的混合变压器，所述混合变压器包括：
在所述管芯的至少第一层上的第一电感器；
在所述管芯的至少第二层上的第二电感器；以及
在所述管芯的至少所述第二层上的第三电感器，其中所述第一、第二和第三电感器被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。

38.  如权利要求37所述的半导体管芯，其特征在于，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在(i)所述第一电感器与(ii)所述第二和第三电感器之间传递能量，其中在所述第一电感器与所述第二和第三电感器之间传递的总能量的大部分是在所述管芯的不同层之间发生的。

39.  如权利要求37所述的半导体管芯，其特征在于，所述第一电感器包括置于所述管芯的至少所述第一层上的第一组绕组，所述第一层置于所述管芯的所述基板之上，所述第一组绕组包括第一端口和第二端口。

40.  如权利要求39所述的半导体管芯，其特征在于，所述第二电感器和所述第三电感器包括置于所述管芯的至少所述第二层上的第二组绕组，所述第二层置于所述基板之上，所述第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口。

41.  如权利要求37所述的半导体管芯，其特征在于，所述基板是玻璃基板。

42.  如权利要求37所述的半导体管芯，其特征在于，进一步包括所述第一电感器与所述第二电感器之间的电介质层。

43.  一种半导体管芯，包括：
基板；以及
用于提供垂直能量耦合的装置，所述装置包括：
在所述管芯的至少第一层上的第一电感器；
在所述管芯的至少第二层上的第二电感器；以及
在管芯的至少所述第二层上的第三电感器，其中所述第一、第二和第三电感器被安排成提供垂直能量耦合。

44.  如权利要求43所述的半导体管芯，其特征在于，所述用于提供垂直能量耦合的装置包括用于在(i)所述第一电感器与(ii)所述第二和第三电感器之间传递能量的装置，其中在所述第一电感器与所述第二和第三电感器之间传递的总能量的大部分是在所述管芯的不同层之间发生的。

45.  如权利要求43所述的半导体管芯，其特征在于，所述第一电感器包括置于所述管芯的至少所述第一层上的第一组绕组，所述第一层位于所述管芯的所述基板之上，所述第一组绕组包括第一端口和第二端口。

46.  如权利要求45所述的半导体管芯，其特征在于，所述第二电感器和所述第三电感器包括置于所述管芯的至少所述第二层上的第二组绕组，所述第二层置于所述基板之上，所述第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口。

47.  如权利要求43所述的半导体管芯，其特征在于，所述基板是玻璃基板。

48.  如权利要求43所述的半导体管芯，其特征在于，进一步包括所述第一电感器与所述第二电感器之间的电介质层。

半导体器件上的混合变压器结构
背景
领域
各种特征涉及半导体器件上的垂直耦合混合变压器结构。
背景技术
变压器是通过电感器(其通常为线圈和/或绕组)将电能从一个电路传递到另一电路的设备。混合变压器是允许在两组接收端口之间以任何期望的比例来拆分能量/功率的特定类型的变压器。即，来自第一电路的一组端口的能量/功率可以被传递给来自第二电路的不同的两组接收端口，或者反过来。
混合变压器具有若干性质并且可以执行若干功能。例如，混合变压器提供交替的端口集合之间的双共轭性、每个端口处的阻抗匹配、在两个接收端口之间以任何期望的比例来拆分功率的能力、以及信号的180度倒相。
混合变压器可以具有平衡配置或不平衡配置。在平衡配置中，能量/功率的拆分在两组端口之间较均匀地分布，而在不平衡配置中，能量/功率的拆分朝一组端口偏置。
图1A解说了在现有技术中所见的混合变压器100的示例的电路图。如图1A中所示，混合变压器100包括第一线圈102、第一端口104和第二端口106。第一端口104连接至第一电容器并且第二端口106连接至第二电容器。混合变压器100还包括第二线圈108、第三线圈110、第三端口112、第四端口114和第五端口116。第三端口112连接至复制端口，第四端口114连接至功率放大器(PA)，并且第五端口连接至天线。
混合变压器可能具有插入损耗和隔离性质。图1B概念性地解说了处在平衡配置中的混合变压器的各种损耗和隔离。有两种类型的插入损耗，TX-ANT损耗(发射机天线损耗)和ANT-RX损耗(天线接收机损耗)。TX-ANT损耗是指从第四端口114到第五端口116(例如，从PA到天线)的损耗。ANT-RX 损耗是指从第五端口116到第二端口106(例如，从天线到LNA电路)的损耗。如图1A中所示，该混合变压器还具有TX-RX隔离/漏泄。
图1C概念性地解说了处在不平衡配置中的混合变压器的各种损耗和隔离。如图1C中所示，TX-ANT损耗在不平衡配置中要比在平衡配置中低(如由较粗的箭头所解说的)。然而，ANT-RX损耗在不平衡配置中要比在平衡配置中高(也由虚线箭头解说)。不同的混合变压器将具有不同的损耗和隔离性质。
图2解说了一种横向耦合混合变压器的俯视图。如图2中所示，混合变压器200包括第一组绕组202和第二组绕组204。第一组绕组包括第一端口206和第二端口208。第一组绕组202还包括第一组互连210。第二组绕组204包括第三端口212、第四端口214和第五端口216。另外，第二组绕组204包括第二组互连218。
如图2中所示，第一组绕组202和第二组绕组204位于管芯的一个层上。当第一组绕组202和第二组绕组204在一个层上时，则会发生横向耦合。即，能量在该管芯的相同层内传递。横向耦合的主要缺点包括(i)由于因工艺限制所造成的绕组间距和金属厚度而导致在第一组绕组与第二组绕组(或毗邻电感器)之间有较小的耦合系数，以及(ii)这些绕组占据相对较大的面积。另外，由于仅使用一个层，因而所使用的绕组集合彼此不对称。
因此，存在对改进的混合变压器的需要。具体而言，存在对利用新颖技术、或者探索使用破坏性工艺技术的新型混合变压器器件结构的改进的混合变压器的需要。
概述
本文中描述的各种特征、装置和方法提供垂直耦合混合变压器。
第一示例提供一种在具有多个层的半导体管芯内形成的混合变压器。该混合变压器包括第一组绕组和第二组绕组。第一组绕组置于该管芯的至少第一层上。第一层位于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口和第二端口。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。第二组绕组置于该管芯的至少第二层上。第二层位于该基板上方。第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端 口。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
根据一个方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在处于该管芯的不同层上的绕组之间。
根据另一方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量中的相当大的量发生在处于该管芯的不同层上的绕组之间。
根据又一方面，该基板是绝缘射频(RF)基板。在一些实现中，该基板是玻璃基板。该管芯可以包括位于第一组绕组与第二组绕组之间的电介质层。在一些实现中，该电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。
第二示例提供一种用于在半导体管芯中制造混合变压器的方法。该方法制造置于该管芯的至少第一层上的第一组绕组。第一层位于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口和第二端口。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。该方法制造置于该管芯的至少第二层上的第二组绕组。第二层位于该基板上方。第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
根据一个方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在处于该管芯的不同层上的绕组之间。
根据另一方面，该基板是绝缘射频(RF)基板。在一些实现中，该基板是玻璃基板。该管芯可以包括位于第一组绕组与第二组绕组之间的电介质层。在一些实现中，该电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。
第三示例提供一种用于在管芯中制造混合变压器的设备。该设备包括用于制造置于该管芯的至少第一层上的第一组绕组的装置。第一层位于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口和第二端口。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。该设备包括用于制造置于该管芯的至少第二层上的第二组绕组的装置。第二层位于该基板上方。第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五 端口。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
根据一个方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在处于该管芯的不同层上的绕组之间。
根据另一方面，该基板是绝缘射频(RF)基板。在一些实现中，该基板是玻璃基板。该管芯可以包括位于第一组绕组与第二组绕组之间的电介质层。在一些实现中，该电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。
第四示例提供一种半导体管芯，该半导体管芯包括基板和耦合至该基板的混合变压器。该混合变压器包括在该管芯的至少第一层上的第一电感器、在该管芯的至少第二层上的第二电感器、以及在该管芯的至少第二层上的第三电感器。第一、第二和第三电感器被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
根据一个方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在该管芯的不同层上的绕组之间。
根据另一方面，该基板是绝缘射频(RF)基板。在一些实现中，该基板是玻璃基板。该管芯可以包括位于第一组绕组与第二组绕组之间的电介质层。在一些实现中，该电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。
第五示例提供一种半导体管芯，该半导体管芯包括基板和用于提供垂直能量耦合的装置。该用于提供垂直能量耦合的装置包括在该管芯的至少第一层上的第一电感器；在该管芯的至少第二层上的第二电感器；以及在该管芯的至少第二层上的第三电感器。第一、第二和第三电感器被安排成提供垂直能量耦合。
根据一个方面，作为垂直耦合混合变压器来操作包括在第一组绕组与第二组绕组之间传递能量，其中在第一组绕组与第二组绕组之间传递的总能量的大部分发生在该管芯的不同层上的绕组之间。
根据另一方面，该基板是绝缘射频(RF)基板。在一些实现中，该基板是玻璃基板。该管芯可以包括位于第一组绕组与第二组绕组之间的电介质层。在一些实现中，该电介质层是低k电介质和/或低损耗电介质中的一者。
附图
在结合附图理解下面阐述的详细描述时，各种特征、本质和优点会变得明显，在附图中，相像的附图标记贯穿始终作相应标识。
图1A解说混合变压器的电路图。
图1B解说具有平衡配置的混合变压器的电路图。
图1C解说具有不平衡配置的混合变压器的电路图。
图2解说横向耦合混合变压器。
图3解说垂直耦合变压器。
图4解说管芯中的垂直耦合变压器的俯视图和侧视图。
图5解说具有带多个环的绕组的垂直耦合混合变压器。
图6解说具有带多个环的绕组的概念性垂直耦合变压器。
图7解说具有带有多个环的绕组的垂直耦合混合变压器。
图8解说管芯中具有带多个环的绕组的垂直耦合混合变压器的俯视图和侧视图。
图9解说具有交织的绕组的概念性垂直耦合变压器。
图10解说具有交织的绕组的垂直耦合混合变压器。
图11解说用于制造包括垂直耦合混合变压器的管芯的方法的流程图。
图12解说包括垂直耦合混合变压器的管芯的制造过程的不同层。
图13解说包括垂直耦合混合变压器的管芯。
图14解说用于制造混合变压器的一般方法的流程图。
图15解说可以集成本文中描述的IC或管芯的各种电子设备。
详细描述
在以下描述中，给出了具体细节以提供对本公开的各方面的透彻理解。然而，本领域普通技术人员将理解，没有这些具体细节也可实践这些方面。例如，电路可能用框图示出以避免使这些方面湮没在不必要的细节中。在其他实例中，公知的电路、结构和技术可能不被详细示出以免模糊本公开的这些方面。
综览
若干新颖特征涉及一种在具有多个层的半导体管芯内形成的混合变压器。该混合变压器包括第一组绕组和第二组绕组。第一组绕组置于该管芯的至少第一层上。第一层位于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口和第二端口。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。第二组绕组置于该管芯的至少第二层上。第二层位于该基板上方。第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
管芯中的示例性垂直耦合变压器
图3解说在一些实现中的在管芯中的变压器300的示例。如图3中所示，变压器300包括第一绕组302和第二绕组304。第一绕组302包括第一端口306和第二端口308。第一绕组302可以是第一电路的一部分。第二绕组304包括第三端口310和第四端口312。第二绕组304可以是第二电路的一部分。第二绕组304(垂直地)置于第一绕组302之上。如图3中进一步示出的，在第一绕组302与第二绕组304之间存在垂直能量耦合/垂直耦合。即，能量在位于该管芯的不同层上的绕组之间传递。更具体而言，能量从来自管芯的一个层上的第一电路的第一绕组被传递至来自该管芯的另一层上的第二电路的第二绕组。
垂直耦合变压器可以指允许能量从第一电路被传递至第二电路的变压器，其中从第一电路传递至第二电路的总能量的大部分是从一个层上的第一电路上的绕组传递至另一层上的第二电路上的绕组的。
垂直耦合变压器还可以指允许能量从第一电路传递至第二电路的变压器，其中从第一电路传递至第二电路的总能量中的显著部分/相当大部分是从一个层上的第一电路上的绕组传递至另一层上的第二电路上的绕组的。
垂直耦合提供胜过横向耦合的若干优点。第一，利用垂直耦合的变压器结构在传递能量方面要比利用横向耦合的变压器结构更高效。第二，垂直耦合变压器提供比横向耦合变压器更高的电感器Q因数。Q因数是定义电感器的效率的品质因数/值。Q因数越高，电感器就越逼近理想电感器的行为，理想电感器是无损电感器。第三，利用垂直耦合的变压器结构要比利用横向耦合的变压器 结构占用的面积更紧凑。
图4解说在一些实现中在管芯中的垂直耦合变压器的俯视图和侧视图。图4可以是图3的垂直耦合变压器的俯视图和侧视图。如图4中所示，管芯400包括基板402、第一金属层404、通孔406、第一电介质层408、第二金属层410、第二电介质层412、第三金属层414、第二通孔416、第三电介质层418、第四金属层420、以及钝化层422。
第二金属层410定义第一电路的绕组。第三金属层414定义第二电路的绕组。每个电路具有两个端口。在此配置中，能量/功率从第二金属层410传递至第三金属层414，或者反过来(如由虚线箭头所表示的)。此能量传递是垂直能量耦合，因为第二金属层410在管芯的与第三金属层414不同的层上。
已描述了垂直耦合变压器，现在将在以下描述垂直耦合混合变压器的若干配置。首先，应当注意，可以通过将第三端口添加至第一组绕组或第二组绕组来修改图3和4的垂直耦合变压器以变成垂直耦合混合变压器。还应当注意，以上和以下附图中用于表示绕组的形状仅是示例，并且应当被解读成意指绕组需要具有那些形状。混合变压器的绕组可以具有任何形状和大小。
图5解说在一些实现中在管芯中的垂直耦合混合变压器500的示例。如图5中所示，垂直耦合混合变压器500包括第一组绕组502和第二组绕组504。第一组绕组包括第一端口506和第二端口508。第二组绕组504包括第三端口510、第四端口512和第五端口514。第二组绕组504还包括一组互连516。第一组绕组502置于基板(未示出)之上。第二组绕组504置于第一组绕组502之上。出于清楚的目的，未示出诸电介质层。
图5解说垂直耦合混合变压器，因为能量是在位于管芯的不同层上的第一组绕组502与第二组绕组504之间传递的。
图5进一步解说在一些实现中第二组绕组504可以与第一组绕组502对称。图5还解说第二组绕组504包括一组互连516。该组互连置于第二组绕组504之上。尽管图5解说第二组绕组504置于第一组绕组502之上，但是在一些实现中，第二组绕组504可以置于第一组绕组502之下。即，第二组绕组504可以置于基板(未示出)之上，并且第一组绕组502可以置于第二组绕组504之上。
如图5中进一步示出的，第一组绕组和第二组绕组502-504各自具有多个环或匝。即，每组绕组在其各自相应的层上成环多次。环或匝可被定义为已旋转约360度(不必正好360度)的绕组。环也可以被定义在管芯的若干层上、而不是在管芯的仅一层上。此类环将在以下进一步描述。
图6解说在一些实现中在管芯中的另一垂直耦合混合变压器600的示例。如图6中所示，垂直耦合混合变压器600包括第一组绕组602和第二组绕组604。第一组绕组602包括第一端口606和第二端口608。第二组绕组604包括第三端口610和第四端口612。再次出于清楚的目的，在图6中未示出诸电介质层。
第一组绕组602置于基板(未示出)之上，并且在管芯的第一层和第二层上。第一端口606在第一层上并且第二端口在第二层上。第一组绕组602包括第一通孔614，该第一通孔614将第一组绕组602在第一层上的第一部分与第一组绕组602在第二层上的第二部分相连接。
第二组绕组604置于第一组绕组602之上并且置于该管芯的第三层和第四层上。第三端口610在第三层上并且第四端口612在第四层上。第二组绕组604包括第二通孔616，该第二通孔616将在第三层上的第二组绕组604与在第四层上的第二组绕组604相连接。如图6中示出的，第一组绕组和第二组绕组602-604中的每一者具有2个环/匝。通过上述通孔来促成这些环/匝。不同的实现可以使用不同数目的环/匝。环也可以是部分环。即，环也可以是完整环的分数和/或部分(例如，1.5环)。另外，每组绕组可以使用不同数目的环。
图7解说在一些实现中在管芯中的另一垂直耦合混合变压器700的示例。如图7中所示，垂直耦合混合变压器700包括第一组绕组702和第二组绕组704。第一组绕组702包括第一端口706和第二端口708。第二组绕组704包括第三端口710、第四端口712和第五端口714。
第一组绕组702置于基板(未示出)之上并且可以在管芯的第一层和第二层(例如，管芯的第一和第二金属层)上。第二组绕组704置于第一组绕组702之上并且可以置于该管芯的第三层和第四层(例如，管芯的第三和第四金属层)上。如图7中示出的，第一组绕组和第二组绕组702-704中的每一者具有2环/匝。
尽管图7解说第二组绕组704置于第一组绕组702之上，但是在一些实现中，第二组绕组704置于第一组绕组702之下。即，第二组绕组704置于基板(未示出)之上，并且第一组绕组702置于第二组绕组704之上。
图8解说在一些实现中在管芯中的垂直耦合混合变压器的俯视图和侧视图。图8可以是图7的垂直耦合混合变压器的俯视图和侧视图。如图8中所示，管芯800包括基板802、第一金属层804、第一通孔806、第一电介质层808、第二金属层810、第二通孔812、第二电介质层814、第三金属层816、第三电介质层818、第四金属层820、第三通孔822、第四电介质层824、第五金属层826、第四通孔828、第五电介质层830、第六金属层832和钝化层834。
第二金属层810和第三金属层816定义第一电路的绕组。如俯视图中所示，由第二金属层810和第三金属层816定义的第一电路具有两个端口。第四金属层820和第五金属层826定义第二电路的绕组。如图8的俯视图中所示，由第四金属层820和第五金属层826定义的第二电路具有三个端口。
电介质层可被用于隔离来自垂直耦合混合变压器的不同电路的绕组。这些电介质层可以具有低k性质。低k性质材料通常是在经受所施加的电场时具有弱极化的绝缘材料。电介质层也可以具有低损耗性质。具有低损耗性质的电介质帮助防止TX-RX漏泄。
具有低k性质和/或低损耗性质的电介质材料的示例包括聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和/或苯并环丁烯(BCB)。不同的实现可以将不同的材料用于电介质层。在一些实现中，相同的材料被用于所有电介质层。在其他实现中，至少两个不同的电介质层具有不同的电介质材料。例如，在一些实施例中，电介质层818可以是BCB，而另一电介质层可以是丙烯酸。
图8中解说的垂直耦合混合变压器的配置示出了第一与第二电路之间的垂直能量传递/耦合(其由垂直箭头指示)。这是因为这些电路在该管芯的不同层上。
以下将描述用于制造包括垂直耦合混合变压器的管芯的方法。然而，在描述混合变压器的制造过程之前，将描述另一垂直耦合变压器。
图9解说在一些实现中在管芯中的另一垂直耦合变压器900的示例。具体而言，图9解说包括彼此交织的两组绕组的垂直耦合变压器。如图9中所示， 垂直耦合变压器900包括第一组绕组902和第二组绕组904。第一组绕组902包括第一端口906和第二端口908。第二组绕组904包括第三端口910和第四端口912。
如以上所提及的，第一组绕组902与第二组绕组904交织。即，第一组绕组902的诸部分与第二组绕组904的诸部分位于相同的层上。如图9中所示，第一组绕组902的第一部分和第二组绕组904的第一部分位于管芯的第一层上。类似地，第一组绕组902的第二部分和第二组绕组904的第二部分位于该管芯的第二层上。第一组绕组902的第三部分和第二组绕组904的第三部分位于该管芯的第三层上。最后，第一组绕组902的第四部分和第二组绕组904的第四部分位于该管芯的第四层上。
对于每组绕组，通孔被用于连接该组绕组的诸部分。第一和第四端口906和912位于该管芯的第一层上。第二和第三端口908-910位于该管芯的第四层上。但是，这些端口可以位于该管芯的其他层上。
尽管来自不同电路的绕组的诸部分在相同的层上，但是图9解说了垂直耦合，这是因为能量是在绕组的位于该管芯的不同层上的诸部分之间传递的。
已描述了具有交织的绕组的垂直耦合变压器，现在将在以下描述垂直耦合混合变压器。
图10解说在一些实现中在管芯中的另一垂直耦合混合变压器1000的示例。具体而言，图10解说包括彼此交织的两组绕组的垂直耦合混合变压器。如图10中所示，垂直耦合混合变压器1000包括第一组绕组1002和第二组绕组1004。第一组绕组1002包括第一端口1006和第二端口1008。第二组绕组1004包括第三端口1010、第四端口1012和第五端口1014。
如上所述，第一组绕组1002与第二组绕组1004交织。即，第一组绕组1002的诸部分与第二组绕组1004的诸部分位于相同的层上。如图10中所示，第一组绕组1002的第一部分和第二组绕组1004的第一部分位于第一层上。类似地，第一组绕组1002的第二部分和第二组绕组1004的第二部分位于第二层上。第一组绕组1002的第三部分和第二组绕组1004的第三部分位于第三层上。最后，第一组绕组1002的第四部分和第二组绕组1004的第四部分位于第四层上。第一和第四端口1006和1010位于第一层上。第二和第三端口1008和1012 位于第四层上。第五端口1014位于第三层上。在一些实现中，这些层是该管芯的金属层。这些金属层可以是该管芯上的迹线或导线。
在垂直耦合混合变压器的这种配置中，发生垂直能量耦合，因为能量是在不同层上的绕组之间传递的。例如，在一些实现中，在第一组绕组1002的(在管芯的第四层上的)第四部分与第二组绕组1004的(在管芯的第三层上的)第三部分之间存在垂直能量耦合。
各种垂直耦合混合变压器的上述配置具有比横向耦合混合变压器更佳的性能和性质。例如，上述配置提供了增强的TX-RX隔离、减少的ANT-RX插入损耗、以及减少的TX-ANT插入损耗。在一些实现中，这是由于在垂直耦合混合变压器中使用的增强的Q因数和k材料。此外，上述垂直耦合混合变压器要比横向耦合混合变压器更紧凑。另外，垂直耦合混合变压器由于其紧凑的大小而比横向耦合混合变压器成本效率更高。
在一些实施例中，所描述的垂直耦合混合变压器的提高的性能允许它们被用作有效的信号双工器，从而替代表面声波(SAW)和薄膜体声波谐振器(FBAR)双工器技术。
已描述了管芯中的各种垂直耦合混合变压器，现在将描述用于在管芯中制造垂直耦合混合变压器的过程。
具有垂直混合变压器的管芯的示例性制造
如上所述，可以在管芯中制造垂直耦合混合变压器。图11解说用于制造包括混合变压器的管芯的一般详细方法1100。方法1100是对如何制造管芯的概括并且不旨在捕捉制造管芯的每一单个步骤。图11的方法可被用于制造包括垂直耦合混合变压器的管芯。在一些实现中，图11的方法被称为互补金属氧化物半导体(CMOS)后端制程(BEOL)工艺技术。
该方法始于(在1102)制备基板。这可以包括清洗基板以便可在该基板上沉积金属层。基板可以是任何材料，包括玻璃基板。接下来，该方法(在1104)在该基板之上沉积金属层。该金属层可以定义垂直耦合混合变压器的一个或多个绕组。沉积金属层可以包括其他制造工艺，诸如蚀刻金属层的诸部分以定义绕组。绕组可被表示为导线和/或迹线。
在(1104)沉积了金属层之后，该方法(在1106)沉积电介质层。不同的实施例可以不同地沉积电介质层。电介质层可被用于隔离由金属层定义的绕组。电介质层也可被用于隔离来自垂直耦合混合变压器的不同电路的绕组。电介质层可以具有低k性质。低k性质材料通常是在经受所施加的电场时具有弱极化的绝缘材料。电介质层也可以具有低损耗性质。具有低k性质和/或低损耗性质的电介质材料的示例包括聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和/或苯并环丁烯(BCB)。
接下来，该方法(在1108)确定是否要定义通孔。若是，则该方法(在1110)创建一个或多个通孔。创建通孔可以包括(例如通过蚀刻)在电介质层中创建开口以使先前沉积的金属层暴露，以及在开口中沉积金属以创建通孔。可以在该层中创建多个通孔。
在(1110)创建了通孔之后或者在(1108)确定不需要定义通孔之后，该方法(在1112)确定是否有至少一个金属层要添加至该管芯。若是，则该方法行进至1104以在前一电介质层之上沉积另一金属层。该方法可以将(在1104)沉积金属层、(在1106)沉积电介质层、和(在1110)定义通孔的步骤迭代若干次。在一些实现中，(在1104)沉积金属层还可以包括定义绕组的互连。在每次迭代期间，该方法可以为每个层(例如，金属和/或电介质)定义不同厚度。例如，一些金属层可以比其他金属层薄。另外，该方法还可以将不同的电介质材料用于其中至少一个电介质层。现在将进一步描述使用不同电介质材料以及不同厚度的各个层(例如，金属和/或电介质层)的原因。
一旦该方法(在1112)确定不需要定义附加的金属层，则该方法(在1114)沉积钝化层并且结束。钝化层是保护金属层免受氧化的保护层。在一些实现中，钝化层可以由电介质材料制成。
尽管图11中未示出，但是该方法的一些实现可以进一步在钝化层中创建开口并且用金属来填充该开口以形成通孔和/或焊盘。通孔和/或焊盘可被用于将管芯电连接至其他外部组件。例如，通孔和/或焊盘可被用于连接至探针。在一些实现中，可以限定凸块下结构以将管芯连接至外部组件(诸如探针)。
通常，在晶片上同时制造多个管芯。在这种情形中，晶片随后被切割成分开的管芯。然而，出于清楚的目的，图11的方法被描述为如同仅制造一个管 芯那样。此外，也可以制造管芯的以上尚未描述的其他元件(例如，凸块下金属化(UMB))。
已描述了用于制造管芯的方法的流程图，现在将描述用于制造包括垂直耦合混合变压器的管芯的逐层过程。
图12解说在一些实现中用于制造混合耦合变压器的逐层过程的示例。如图12中所示，过程1200(在1202)在基板之上沉积第一金属层。在此示例中，该基板是玻璃基板。然而，该基板也可以是其他材料的。如图12中所示，第一金属层包括混合变压器的组件以及用于探针焊盘的组件。过程1200随后(在1204)沉积第一电介质层并且随后(在1204)在第一金属层之上的电介质层中定义一组通孔。在一些实现中，第一电介质是低k和/或低损耗电介质。如先前所讨论的，低k电介质的示例包括聚酰亚胺、丙烯酸、聚苯并噁唑(PBO)、和苯并环丁烯(BCB)等。
接下来，过程1200(在1206)沉积第二金属层。在一些实现中，第二金属层包括第一组绕组。过程1200随后(在1208)沉积第二电介质层并且(在1208)在第二电介质层中且在第二金属层之上定义第二组通孔。在沉积了第二电介质并且定义了第二组通孔之后，过程1200随后(在1210)沉积第三金属层。在一些实现中，第三金属层可以包括第一组绕组。在(1210)沉积了第三金属层之后，过程1200(在1212)沉积第三电介质层并且(在1212)定义第三组通孔。一旦沉积了第三电介质并且定义了第三组通孔，过程1200就(在1214)沉积第四金属层。在一些实现中，第四金属层可包括第二组绕组。过程1200随后(在1216)沉积钝化层(PSV)并定义通孔焊盘(VP)，并且随后结束。
图13解说在图12的过程之后包括垂直耦合混合变压器的管芯的概念性解说。如图13中所示，管芯1300包括基板1302、第一金属层1304、第一电介质层1306、第二金属层1308、第二电介质层1310、第三金属层1312、第三电介质层1314、第四金属层1316、以及钝化层1318。管芯1300可以包括附加的电介质层，诸如直接在基板1302上方的一个电介质层。
第一金属层1304置于基板1302之上并且可以定义垂直混合变压器的绕组。第一金属层1304还可以定义探针焊盘的导电层。在一些实现中，第一金 属层1304可以具有1-3微米(um)之间的厚度。
第一电介质层1306置于第一金属层1304之上。第一电介质层可以包括耦合至第一金属层1304的若干通孔。第一电介质层1306可以具有第一电介质性质。在一些实现中，第一电介质层1306可以具有3-5微米(um)之间的厚度。第一电介质层1306中的通孔1307可以具有约2微米的厚度。
第二金属层1308置于第一电介质层1306之上并且还可以定义垂直耦合混合变压器的绕组。第二金属层1308还可以定义探针焊盘的另一导电层。在一些实现中，第二金属层1308可以具有约10微米的厚度。
第二电介质层1310置于第一金属层1304之上。第二电介质层1310可以包括耦合至第二金属层1308的若干通孔。第二电介质层1306可以具有不同于第一电介质性质的第二电介质性质。在一些实现中，第二电介质层1310可以具有约15微米的厚度。第二电介质层1310中的通孔可以具有约5微米的厚度。
第三金属层1312置于第二电介质层1310之上并且还可以定义垂直耦合混合变压器的另一绕组。第三金属层1312还可以定义探针焊盘的另一导电层。第三电介质层1314置于第三金属层1312之上。第三电介质层1314可以包括耦合至第三金属层1312的若干通孔(例如，通孔1315)。第三电介质层1314可以具有不同于第一和第二电介质性质的第三电介质性质。
第四金属层1316置于第三电介质层1314之上并且还可以定义垂直耦合混合变压器的另一绕组。第四金属层1316还可以定义探针焊盘的另一导电层。钝化层1318置于第四金属层1316之上。钝化层1318可以包括耦合至第四金属层1316的若干通孔(例如，VP 1319)。
可以将不同的电介质材料用于这些电介质层。另外，可以将不同的厚度用于管芯的不同层。由此，上述厚度仅是示例并且不应当被解读为将这些层限定于那些尺寸。
已描述了用于制造垂直耦合混合变压器的详细方法，将参照图14来描述用于制造垂直耦合混合变压器的一般方法。具体而言，图14解说制造混合变压器的概览的流程图。如图14中所示，该方法(在1402)制造置于管芯的至少第一层上的第一组绕组。第一层位于该管芯的基板上方。第一组绕组包括第一端口和第二端口。第一组绕组被安排成作为第一电感器来操作。
接下来，该方法(在1404)制造置于该管芯的至少第二层上的第二组绕组。第二层置于该基板上方。在一些实现中，第二层在第一层上方。在一些实现中，第二层在第一层下方。第二组绕组包括第三端口、第四端口和第五端口。第二组绕组被安排成作为第二电感器和第三电感器来操作。第一组绕组和第二组绕组被安排成作为垂直耦合混合变压器来操作。
图15解说了可与任何前述集成电路、管芯、芯片或封装集成的各种电子设备。例如，移动电话1502、膝上型计算机1504以及固定位置终端1506可包括具有中央热管理单元的集成电路(IC)1500。IC 1500可以是例如本文所述的集成电路、管芯或封装中的任何一种。图15中所解说的设备1502、1504、1506仅是示例性的。其他电子设备也可以IC 1500为特征，包括但不限于手持式个人通信系统(PCS)单元、便携式数据单元(诸如个人数据助理)、有GPS能力的设备、导航设备、机顶盒、音乐播放器、视频播放器、娱乐单元、固定位置数据单位(诸如仪表读数装备)、或存储或检索数据或计算机指令的任何其它设备，或者其任何组合。
图3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14和/或15中解说的组件、步骤、特征和/或功能之中的一个或多个可以被重新安排和/或组合成单个组件、步骤、特征或功能，或可以实施在数个组件、步骤、或功能中。也可添加额外的元件、组件、步骤、和/或功能而不会脱离本发明。
附图中解说的组件、步骤、特征、和/或功能之中的一个或多个可以被重新安排和/或组合成单个组件、步骤、特征、或功能，或可以实施在若干组件、步骤或功能中。还可添加附加的元件、组件、步骤、和/或功能而不会脱离本文中所公开的新颖特征。附图中所解说的装置、设备和/或组件可以被配置成执行在这些附图中所描述的一个或多个方法、特征、或步骤中。本文中描述的新颖算法还可以高效地实现在软件中和/或嵌入在硬件中。
措辞“示例性”在本文中可用于表示“用作示例、实例或解说”。本文中描述为“示例性”的任何实现或方面不必被解释为优于或胜过本公开的其他方面。同样，术语“方面”不要求本公开的所有方面都包括所讨论的特征、优点或操作模式。术语“耦合”在本文中被用于指两个对象之间的直接或间接耦合。例如，如果对象A物理地接触对象B，且对象B接触对象C，则对象A和C 可仍被认为是彼此耦合的——即便它们并非彼此直接物理接触。例如，第一管芯可以在封装中耦合至第二管芯，即便第一管芯从不直接与第二管芯物理接触。
术语“能量耦合”在本文中可被用于指两个对象之间的直接或间接能量传递。能量耦合可以在两个对象(例如，电路、导线)之间发生，即使这些对象不在物理上接触。例如，能量耦合可以在两个对象A与B之间发生，即使在两个对象A与B之间存在对象C。能量耦合可以指从对象A至对象B或者从对象B至对象A的能量传递。能量耦合可被称为单向或双向能量传递。
根据本公开的各方面，术语晶片和基板在本文可被用于包括具有藉以形成集成电路(IC)的暴露表面的任何结构。术语“管芯”可以在此处用于包括IC。术语基板被理解为包括半导体晶片。术语基板还被用于指制造期间的半导体结构，并且可包括已经在其上制造了的其它层。术语基板包括掺杂和未掺杂半导体、由基半导体支承的外延半导体层、或由绝缘体支承的半导体层、以及本领域技术人员熟知的其它半导体结构。术语绝缘体被定义为包括比一般被本领域技术人员称为导体的材料导电性低的任何材料。
还应注意，这些实施例可能是作为被描绘为流程图、流图、结构图、或框图的过程来描述的。尽管流程图可能会把诸操作描述为顺序过程，但是这些操作中有许多操作能够并行或并发地执行。另外，这些操作的次序可以被重新安排。过程在其操作完成时终止。
本文所述的本发明的各种特征可实现于不同系统中而不脱离本发明。应注意，本公开的以上各方面仅是示例，且不应被解释成限定本发明。对本公开的各方面的描述旨在是解说性的，而非限定所附权利要求的范围。由此，本发明的教导可以现成地应用于其他类型的装置，并且许多替换、修改和变形对于本领域技术人员将是显而易见的。