專(zhuān)利名稱(chēng)：集成的側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及一種阻抗變換元件，并尤其涉及一種集成的側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件。
背景技術(shù)：
利用銅導(dǎo)線(xiàn)雙絞線(xiàn)形成傳輸線(xiàn)元件是公知的。這些傳輸線(xiàn)元件用于產(chǎn)生平衡不平衡轉(zhuǎn)換器、平衡和不平衡變壓器以及電流和電壓變換器。使用傳統(tǒng)傳輸線(xiàn)元件的示例在Proceeding of the IRE(Institute for Radio Engneers)47卷1337～1342頁(yè)(1959年8月)中C.L.Ruthroff的“Some Broad BandTransformers”給出，該文獻(xiàn)合并于此作為參考。這些傳輸線(xiàn)元件典型地以可用于整個(gè)UHF的頻帶中的形式而為人所知。
這種傳輸線(xiàn)元件用在諸如在較高頻率下工作的RF功率放大器和低噪放大器的集成電路中是理想的。然而，諸如這些傳統(tǒng)傳輸線(xiàn)元件的多種芯片外(off-chip)器件合并到諸如蜂窩電話(huà)的RF裝置中由于其尺寸和成本而不具有競(jìng)爭(zhēng)力。此外，傳統(tǒng)耦合的傳輸線(xiàn)元件不適于用在所需的頻率范圍內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
因此，產(chǎn)生了對(duì)解決現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷的耦合傳輸線(xiàn)元件的需求。尤其是，已經(jīng)產(chǎn)生了對(duì)集成的側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件的需求。
于是，公開(kāi)了一種新型的側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件。在一個(gè)實(shí)施例中，該元件包括第一金屬化層，該層具有第一螺旋形傳輸線(xiàn)和其中形成的至少一個(gè)橋接段。該元件還包括第二金屬化層，其具有第二螺旋形傳輸線(xiàn)和其中形成的連接器段。連接器段提供第一和第二傳輸線(xiàn)的內(nèi)部區(qū)域和第一和第二傳輸線(xiàn)的外部區(qū)域之間的相應(yīng)的傳導(dǎo)路徑。第一個(gè)連接器段電連接到第二傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端。第二傳輸線(xiàn)在分別與連接器段相交處具有間隙。介電層位于第一和第二金屬化層之間。介電層具有多個(gè)其中形成的孔，用于提供第二傳輸線(xiàn)和第一金屬化層的橋接段之間的電連接，并用于提供第一傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端和第二個(gè)連接器段之間的電連接。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于耦合的傳輸線(xiàn)元件可以在集成電路環(huán)境中形成。本發(fā)明的另一優(yōu)點(diǎn)在于該元件可以用于產(chǎn)生各種電路元件，諸如平衡不平衡變換器、平衡和不平衡變壓器、功率分配器、組合器、定向耦合器、以及電流和電壓變換器。再一優(yōu)點(diǎn)在于該元件可以用在比傳統(tǒng)非集成耦合傳輸線(xiàn)元件更高的信號(hào)頻率下。


為了更全面地理解本發(fā)明并為了理解進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)，參照下面關(guān)聯(lián)附圖給出的描述，圖中圖1是矩形螺旋側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件的俯視圖；圖2是傳輸線(xiàn)元件中交叉區(qū)域的透視圖；圖3A到3C是在各個(gè)制造階段的傳輸線(xiàn)元件的俯視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的傳輸線(xiàn)元件的示意圖；圖5是利用傳輸線(xiàn)元件的平衡不平衡變換器的示意圖；圖6是利用傳輸線(xiàn)元件的電壓變換器的示意圖；圖7是利用傳輸線(xiàn)元件的電流變換器的示意圖；圖8是利用傳輸線(xiàn)元件的第二個(gè)平衡不平衡變換器結(jié)構(gòu)的示意圖；圖9是利用傳輸線(xiàn)元件的4∶1不平衡變壓器的示意圖；圖10是利用傳輸線(xiàn)元件的4∶1平衡變壓器的示意圖；圖11是利用傳輸線(xiàn)元件的9∶1不平衡變壓器的示意圖；以及圖12是利用傳輸線(xiàn)元件的第二個(gè)9∶1不平衡變壓器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
通過(guò)參照附圖中的圖1到12，更好地理解本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例以及他們的優(yōu)點(diǎn)。相似的附圖標(biāo)記用于各圖中相似或相應(yīng)的零件。
參照?qǐng)D1，示出了矩形螺旋側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件10的俯視圖。在元件10中，上部傳輸線(xiàn)12主要占據(jù)上部金屬化層。下部傳輸線(xiàn)14主要占據(jù)在上部金屬化層之下的下部金屬化層。上部和下部金屬化層由介電層(圖1中未示出)分隔。每條傳輸線(xiàn)12、14具有外部終端12a、14a。從外部終端12a、14a，每條傳輸線(xiàn)12、14向內(nèi)盤(pán)旋到內(nèi)部終端12b、14b。
在內(nèi)部終端12b、14b處，每條傳輸線(xiàn)12、14電連接到相應(yīng)的連接器16、18上。在一個(gè)實(shí)施例中，連接器16和18處于下部金屬化層上。連接器16和18用于建立相應(yīng)的內(nèi)部終端12b、14b和其他電端子之間的接觸。
螺旋元件10的每個(gè)環(huán)形使得傳輸線(xiàn)12和14橫穿連接器16和18。為了在不利用附加金屬化層的前提下實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，傳輸線(xiàn)14的橋接段14c與交叉區(qū)域20內(nèi)的傳輸線(xiàn)12共享上部金屬化層內(nèi)的空間。
元件10的傳輸線(xiàn)被稱(chēng)作側(cè)面耦合，這是由于傳輸線(xiàn)垂直對(duì)齊，使傳輸線(xiàn)在連接器之間耦合。自然，也可以觀(guān)察到諸如相同金屬化層內(nèi)連接器環(huán)形之間的邊緣耦合的其他效應(yīng)。然而，傳輸線(xiàn)12和14的螺旋形使得傳輸線(xiàn)耦合相對(duì)其他不需要的效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。
對(duì)于元件10，矩形螺旋形之外的各種形狀也是有可能的。例如，可以使用曲折形狀，這就消除了諸如交叉區(qū)域20的交叉區(qū)域的需求。然而，曲折形狀產(chǎn)生邊緣耦合效應(yīng)，該效應(yīng)損害導(dǎo)體之間的傳輸線(xiàn)耦合。
參照?qǐng)D2，示出了交叉區(qū)域20的透視圖。傳輸線(xiàn)12和橋接段14c占據(jù)上部金屬化層，同時(shí)連接器16和18占據(jù)下部金屬化層。介電層(未示出)將兩個(gè)金屬化層分隔。
用于形成元件10的過(guò)程示于圖3A到3C中，在該圖中，示出了在各個(gè)制造階段的元件10的俯視圖。參照?qǐng)D3A，示出了下部金屬化層22的圖案。金屬化層22例如可以為一層鋁、金、和其他導(dǎo)電材料。金屬化層22沉積到襯底24上，并利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)，光刻構(gòu)圖以形成傳輸線(xiàn)14和連接器16及18。襯底24可以是砷化鎵、硅或一些其他傳統(tǒng)襯底材料。
參照?qǐng)D3B，介電層26沉積到金屬化層22和襯底24上。介電層26例如可以為雙苯并環(huán)丁烯(BCB)，硅的氮化物或氧化物、或一些其他絕緣材料。介電層26利用傳統(tǒng)技術(shù)沉積。通孔28利用傳統(tǒng)光刻技術(shù)形成在介電層26中。過(guò)孔28形成在所示的位置處以建立兩個(gè)金屬化層之間的電接觸。
參照?qǐng)D3C，上部金屬化層30形成在介電層26上。金屬化層30例如可以是一層鋁、金、或其他導(dǎo)電材料。金屬化層30沉積到介電層26上并利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造技術(shù)光刻限定，而產(chǎn)生傳輸線(xiàn)12和傳輸線(xiàn)14的橋接段14c。在沉積過(guò)程中，金屬化層30填充在介電層26內(nèi)的通孔中，形成通向金屬化層22的電接觸。
元件10的尺寸優(yōu)選地為每條傳輸線(xiàn)12、14的全長(zhǎng)小于和約等于信號(hào)波長(zhǎng)的八分之一。傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度的下限將根據(jù)裝置的特性而變化，但是一般是由傳輸線(xiàn)耦合來(lái)確定。總之，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，優(yōu)選地是，傳輸線(xiàn)之間的“奇?！被虿顒?dòng)耦合對(duì)于不需要的相對(duì)于地或公共端子的信號(hào)傳播的“偶模”或“共?！闭贾鲗?dǎo)地位。
在一個(gè)示例性實(shí)施例中，通過(guò)元件10傳導(dǎo)頻率范圍在1GHz到5GHz內(nèi)的信號(hào)。在這個(gè)實(shí)施例中，每條傳輸線(xiàn)12、14寬度為15微米、厚度為5微米、而全長(zhǎng)為4毫米。傳輸線(xiàn)12、14由厚度為1.5微米的介電層分隔。
螺旋元件10可以用于形成利用傳統(tǒng)耦合傳輸線(xiàn)所形成的公知的電路裝置，如銅導(dǎo)線(xiàn)的雙絞線(xiàn)。例如，螺旋元件10可以用于形成平衡不平衡變換器、平衡和不平衡變壓器、以及電流和電壓變換器。
電路裝置的各種示例示于圖4到12中，在該圖中，耦合傳輸線(xiàn)由平行電感線(xiàn)圈表示。在這些圖中，相應(yīng)傳輸線(xiàn)的外部終端例如在每個(gè)圖的左側(cè)示出，而相應(yīng)傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端在每個(gè)圖的右側(cè)示出。可以理解到相反的構(gòu)造同樣是可行的，其中相應(yīng)傳輸線(xiàn)的外部終端示于每個(gè)圖的右側(cè)，而相應(yīng)傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端示于每個(gè)圖的左側(cè)。
在圖4到圖12中，上部和下部電感線(xiàn)圈可以分別表示前面圖中示出的上部和下部傳輸線(xiàn)12和14。當(dāng)然，相反的布置也是可行的。在一些情況下，使用多于一個(gè)如圖1所示的側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件。
在圖4到圖12中，平衡和不平衡電路元件或電感線(xiàn)圈組連接到所示的電路裝置(例如變壓器或平衡不平衡變換器)的每一側(cè)(右和左側(cè))上。不平衡元件例如可以是同軸電纜，從而一個(gè)裝置終端連接到電纜的中心導(dǎo)體，而另一個(gè)裝置終端連接到電纜的(接地)屏蔽層上。平衡元件例如可以是銅導(dǎo)線(xiàn)的雙絞線(xiàn)。當(dāng)然，可以使用其他平衡和不平衡電路元件。
借助于前面的解釋?zhuān)瑘D4到圖12的結(jié)構(gòu)是不需加以說(shuō)明的。參照?qǐng)D4，示出了如前面所述那樣的基本傳輸線(xiàn)元件。在圖5中示出了平衡不平衡變換器。在圖6中，示出了電壓變換結(jié)構(gòu)。在圖7中，示出了電流變換結(jié)構(gòu)。在圖8中示出了第二個(gè)平衡不平衡變換器結(jié)構(gòu)。在圖9中示出了4∶1不平衡變壓器。在圖10中，示出了4∶1平衡變壓器。在圖11中，示出了9∶1不平衡變壓器。在圖12中示出了第二個(gè)9∶1不平衡變壓器。這些結(jié)構(gòu)中每一種可以利用一個(gè)或多個(gè)諸如螺旋元件10的螺旋元件形成。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以輕易構(gòu)想到其他變型以及這些元件的組合。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該理解的是在不背離所附權(quán)利要求書(shū)限定的本發(fā)明的精髓和范圍前提下可以在其中作出各種變化、替代和改變。
權(quán)利要求
1.一種平衡不平衡變換器，包括第一金屬化層，其具有第一和第二螺旋形傳輸線(xiàn)，每條傳輸線(xiàn)具有外部終端和內(nèi)部終端；第二金屬化層，其具有第三和第四螺旋形傳輸線(xiàn)和多個(gè)其中形成的連接器段，第三和第四傳輸線(xiàn)分別具有外部終端和內(nèi)部終端，第三和第四傳輸線(xiàn)基本上分別與第一和第二傳輸線(xiàn)對(duì)齊；具有導(dǎo)體的不平衡元件；具有第一和第二導(dǎo)體的平衡元件；提供不平衡元件的導(dǎo)體和第一傳輸線(xiàn)中第一次選定的一個(gè)終端之間的電連接的第三導(dǎo)體；提供公共電勢(shì)和第三傳輸線(xiàn)中第一次選定的一個(gè)終端之間的電連接的第四導(dǎo)體；提供第二傳輸線(xiàn)中第一次選定的一個(gè)終端與第一傳輸線(xiàn)的第二選定的一個(gè)終端之間的電連接的第五導(dǎo)體；提供第四傳輸線(xiàn)中第一次選定的一個(gè)終端與第三傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端之間的電連接的第六導(dǎo)體；提供第二傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端與第四傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端之間的電連接的第七導(dǎo)體；提供公共電勢(shì)與第二傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端之間的電連接的第八導(dǎo)體；提供第一傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端與平衡元件的第一導(dǎo)體之間的電連接的第九導(dǎo)體；以及提供第三傳輸線(xiàn)中第二次選定的一個(gè)終端和平衡元件的第二導(dǎo)體之間的電連接的第十導(dǎo)體。
2.一種傳輸線(xiàn)元件，包括限定在第一金屬層中的第一導(dǎo)電傳輸線(xiàn)，其中第一傳輸線(xiàn)包括多個(gè)段并從內(nèi)部終端向外盤(pán)旋；形成在第一金屬層上的介電層；限定在介電層上形成的第二金屬層內(nèi)的第二導(dǎo)電傳輸線(xiàn)，其中，第二傳輸線(xiàn)從內(nèi)部終端向外盤(pán)旋，并且第二傳輸線(xiàn)定位在第一傳輸線(xiàn)上；限定在第二金屬層內(nèi)的橋接段，橋接段形成第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間的電連接；以及限定在第一金屬層內(nèi)的第一連接器段，其中，第一連接器段自第一傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端、在橋接段之下、并在第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間延伸。
3.如權(quán)利要求2所述的傳輸線(xiàn)元件，還包括限定在第一金屬層內(nèi)的第二連接器段，第二連接器段電連接到第二傳輸線(xiàn)內(nèi)部端子上，而第二連接器段在橋接段之下、并在第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間延伸。
4.如權(quán)利要求3所述的傳輸線(xiàn)元件，還包括第二連接器段和第一傳輸線(xiàn)的外部終端之間的電連接。
5.如權(quán)利要求2所述的傳輸線(xiàn)元件，還包括第一連接器段和第二傳輸線(xiàn)外部終端之間的電連接。
6.如權(quán)利要求2所述的傳輸線(xiàn)元件，其中，第一傳輸線(xiàn)包括外部終端，而第二傳輸線(xiàn)包括外部終端，并且在內(nèi)部終端或外部終端至少一個(gè)處接地。
7.如權(quán)利要求2所述的傳輸線(xiàn)元件，其中，第二傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度小于或約等于該傳輸線(xiàn)元件所接收的信號(hào)的波長(zhǎng)的八分之一。
8.如權(quán)利要求2所述的傳輸線(xiàn)元件，其中，第一傳輸線(xiàn)和第二傳輸線(xiàn)分別電耦合，從而傳輸線(xiàn)元件在如平衡不平衡變換器、電壓變換器、電流變換器和變壓器的電路中起作用。
9.一種形成傳輸線(xiàn)元件的方法，包括以下步驟在第一金屬層中限定第一導(dǎo)電傳輸線(xiàn)，其中第一傳輸線(xiàn)包括多個(gè)段，并且從內(nèi)部終端向外盤(pán)旋；在第一金屬層上形成介電層；在介電層之上形成的第二金屬層內(nèi)限定第二導(dǎo)電傳輸線(xiàn)，其中，第二傳輸線(xiàn)自?xún)?nèi)部終端向外盤(pán)旋，且第二傳輸線(xiàn)定位在第一傳輸線(xiàn)上；在第二金屬層內(nèi)限定橋接段，橋接段形成第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間的電連接；以及在第一金屬層內(nèi)限定第一連接器段，其中第一連接器段自第一傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端、在橋接段之下、并在第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間延伸。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括以下步驟在第一金屬層內(nèi)限定第二連接器段，其中，第二連接器段在橋接段之下、且在第一傳輸線(xiàn)的第一和第二段之間延伸；以及將第二連接器段電連接到第二傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端上。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括提供第二連接器段和第一傳輸線(xiàn)的外部終端之間的電連接的步驟。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括提供第一連接器段和第二傳輸線(xiàn)的外部終端之間的電連接的步驟。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括耦合第一傳輸線(xiàn)和第二傳輸線(xiàn)的步驟，以便傳輸線(xiàn)元件在如平衡不平衡變換器、電壓變換器、電流變換器和變壓器的電路中起作用。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括將第二傳輸線(xiàn)形成為具有小于和約等于該傳輸線(xiàn)元件所接收的信號(hào)的波長(zhǎng)的八分之一的長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種新型側(cè)面耦合傳輸線(xiàn)元件。該元件包括第一金屬化層，該層具有第一螺旋形傳輸線(xiàn)和其中形成的至少一個(gè)橋接段。該元件還包括第二金屬化層，第二金屬化層具有第二螺旋形傳輸線(xiàn)和其中形成的連接器段。連接器段提供了第一和第二傳輸線(xiàn)的內(nèi)部區(qū)域和第一和第二傳輸線(xiàn)的外部區(qū)域之間相應(yīng)的電連接。第一個(gè)連接器段電連接到第二傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端上。第二傳輸線(xiàn)在每個(gè)與連接器段相交處具有間隙。介電層位于第一和第二金屬化層之間。介電層具有多個(gè)其中形成的孔，用于提供第二傳輸線(xiàn)和第一金屬化層的橋接段之間的電連接，并用于提供第一傳輸線(xiàn)的內(nèi)部終端和第二個(gè)連接器段之間的電連接。該元件在集成電路環(huán)境中形成，并可以用于產(chǎn)生各種電路元件，諸如在高頻下工作的平衡不平衡變換器、平衡和不平衡變壓器以及電流和電壓變換器。
文檔編號(hào)H01P5/16GK1455968SQ02800127
公開(kāi)日2003年11月12日 申請(qǐng)日期2002年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者托馬斯·R·阿佩爾, 理查德·L·坎貝爾 申請(qǐng)人:特里奎恩特半導(dǎo)體公司