一种基于tsv的全对称三维变压器
阅读说明：本技术 一种基于tsv的全对称三维变压器 (TSV-based full-symmetry three-dimensional transformer ) 是由 王凤娟 任睿楠 余宁梅 杨媛 朱樟明 尹湘坤 于 2021-05-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于TSV的全对称三维变压器,包括顶部介质层a、中间硅衬底层m和底部介质层b。本发明所提出的1:1变压器初次级线圈以及结构全对称,可以与差分电路集成。本发明所提出的1:1,1:2和1:3变压器均具有大于0.93的耦合系数。(The invention discloses a TSV (through silicon via) -based fully-symmetrical three-dimensional transformer which comprises a top dielectric layer a, a middle silicon substrate layer m and a bottom dielectric layer b. The primary and secondary coils of the 1:1 transformer provided by the invention are fully symmetrical in structure and can be integrated with a differential circuit. The proposed 1:1,1:2 and 1:3 transformers all have a coupling coefficient greater than 0.93.)
技术领域
本发明属于微电子器件
技术领域
，涉及一种基于TSV的全对称三维变压器。背景技术
变压器作为一种重要的无源器件，广泛应用于实现阻抗匹配、低噪声反馈、混频器和压控振荡器。传统的二维片式变压器是平面或叠层结构，面临着占用芯片面积大的问题。现有的研究结果表明，基于TSV的三维变压器可以有效地降低大面积的硅耗，解决二维变压器面临的瓶颈，由于目前和未来射频集成电路设计中硅面积和损耗的限制，这已成为三维变压器的一个重要优势。然而现阶段研究人员提出的基于TSV的三维变压器或是具有优越的对称性，或是具有良好的耦合系数，还没有一种变压器同时兼具这两种特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于TSV的全对称三维变压器，该变压器为高耦合系数且全对称的三维变压器，该三维变压器的匝数比为分别1:1、1:2和1:3。
本发明所采用的技术方案是，一种基于TSV的全对称三维变压器，包括顶部介质层a、中间硅衬底层m和底部介质层b。
本发明的特点还在于：
顶部介质层a中制作有金属层Pa、Sa1、Sa2、Sa3和接触孔Ha1、Ha2、Ha3、Ha4。
中间硅衬底层m中制作有硅通孔TSV1和硅通孔TSV2，硅通孔TSV1和硅通孔TSV2从内到外均依次制作有金属柱和绝缘层。
底部介质层b中分别制作有金属层Pb、Sb1、Sb2、Sb3和接触孔Hb1、Hb2、Hb3、Hb4。
金属层Pa、接触孔Ha1、硅通孔TSV1、接触孔Hb1、金属层Pb相连接构成1:1、1:2和1:3变压器的初级线圈。
金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1相连接构成1:1变压器的次级线圈。
金属层Sa2、接触孔Ha3、金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1、接触孔Hb3、金属层Sb2相连接构成了1:2变压器的次级线圈。
金属层Sa3、接触孔Ha4、金属层Sa2、接触孔Ha3、金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1、接触孔Hb3、金属层Sb2、接触孔Hb4、金属层Sb3相连接构成了1:3变压器的次级线圈。
顶部介质层a、底部介质层b均采用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种制作；
硅通孔TSV1、硅通孔TSV2中填充的金属为铜或铝；
硅通孔TSV1、硅通孔TSV2的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种；
金属层Pa、Sa1、Sa2、Sa3、Pb、Sb1、Sb2、Sb3和接触孔Ha1、Ha2、Ha3、Ha4、Hb1、Hb2、Hb3、Hb4使用的材料为铜或铝。
本发明的有益效果如下：
1.本发明所提出的1:1变压器初次级线圈以及结构全对称，可以与差分电路集成。
2.本发明所提出的1:1、1:2和1:3变压器均具有大于0.93的耦合系数，这意味着较小的磁泄露。
3.本发明所提出的变压器结构紧凑具有较小的占位面积。
附图说明
图1是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:1变压器结构示意图；
图2是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:1变压器俯视图；
图3是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:2变压器结构示意图；
图4是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:2变压器俯视图；
图5是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:3变压器结构示意图；
图6是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:3变压器俯视图；
图7是本发明一种基于TSV的全对称三维变压器的全对称1:1，1:2，1:3变压器耦合系数仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于TSV的全对称三维变压器，包括顶部介质层a、中间硅衬底层m和底部介质层b。
顶部介质层a中制作有金属层Pa、Sa1、Sa2、Sa3和接触孔Ha1、Ha2、Ha3、Ha4。
中间硅衬底层m中制作有硅通孔TSV1和硅通孔TSV2，硅通孔TSV1和硅通孔TSV2从内到外均依次制作有金属柱和绝缘层。
底部介质层b中分别制作有金属层Pb、Sb1、Sb2、Sb3和接触孔Hb1、Hb2、Hb3、Hb4。
如图1、2所示，金属层Pa、接触孔Ha1、硅通孔TSV1、接触孔Hb1、金属层Pb相连接构成1:1、1:2和1:3变压器的初级线圈。
金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1相连接构成1:1变压器的次级线圈。
如图3、4所示，金属层Sa2、接触孔Ha3、金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1、接触孔Hb3、金属层Sb2相连接构成了1:2变压器的次级线圈。
如图4、6所示，金属层Sa3、接触孔Ha4、金属层Sa2、接触孔Ha3、金属层Sa1、接触孔Ha2、硅通孔TSV2、接触孔Hb2、金属层Sb1、接触孔Hb3、金属层Sb2、接触孔Hb4、金属层Sb3相连接构成了1:3变压器的次级线圈。
顶部介质层a、底部介质层b均采用绝缘材料二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种制作；
硅通孔TSV1、硅通孔TSV2中填充的金属为铜或铝；
硅通孔TSV1、硅通孔TSV2的绝缘层使用的材料为二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅中的一种；
金属层Pa、Sa1、Sa2、Sa3、Pb、Sb1、Sb2、Sb3和接触孔Ha1、Ha2、Ha3、Ha4、Hb1、Hb2、Hb3、Hb4使用的材料为铜或铝。
为了评估所提出的1:1、1:2、1:3变压器的性能，采用电磁仿真软件HFSS对变压器进行了建模和仿真。在仿真中设置了空气盒子，以确定求解的范围，并使用了辐射边界条件。另外，选择集总端口激励，采用终端驱动的求解方式。自适应网格生成的收敛误差采用HFSS系统的默认值，通过设置扫频求解得到0～25GHz的耦合系数，如图7所示。从图中可以看出所提出的1:1、1:2、1:3变压器均具有大于0.93的耦合系数。
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