DE10100282A1

DE10100282A1 - Integrierter elektrischer Transformator

Info

Publication number: DE10100282A1
Application number: DE2001100282
Authority: DE
Inventors: Bernhard Strzalkowski; Wolfgang Werner; Jens-Peer Stengl
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-01-04
Filing date: 2001-01-04
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2021-01-05
Also published as: DE10100282B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator mit einer ersten und einer zweiten Spule (20, 40), die in versetzten Ebenen einer Halbleiteranordnung (10, 70, 30; 10, 30) ausgebildet sind, wobei die zweite Spule (40) vorzugsweise in einem Halbleiterkörper (30) integriert ist, der auf einem Halbleiterkörper (10) mit der ersten Spule aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft des weiteren ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Transformators.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen in Halbleitertechno logie integrierten Transformator und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Aus der GB 217 39 56 ist ein integrierter Transformator be kannt, bei welchem eine Primärwicklung und eine Sekundärwick lung des Transformators elektrisch gegeneinander isoliert auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht sind.

Derartige Transformatoren, die mit weiteren elektronischen Bauelementen, wie z. B. Transistoren, in einem Halbleiterkör per untergebracht sind, finden unter anderem Anwendung in Hochfrequenz-Schaltungen. Problematisch bei den bekannten in tegrierten Transformatoren, bei denen die erste und die zwei te Wicklung als Leiterbahnen auf der Oberfläche eines Halb leitersubstrats ausgebildet sind, ist es, die beiden Wicklun gen galvanisch sicher zu isolieren, so dass es auch bei hohen Spannungen nicht zu Spannungsüberschlägen zwischen den beiden Wicklungen kommt. Idealerweise beträgt die Spannungsfestig keit zwischen den beiden Wicklungen 6000 V oder mehr.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen integrierten Transformator zur Verfügung zu stellen, der auf einfache Wei se mittels bekannter Technologien realisierbar ist und bei dem eine hohe Spannungsfestigkeit zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch einen Transformator gemäß den Merk malen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Transformator sind eine erste Spule und eine zweite Spule, d. h. die Primärspule und die Sekundär spule des Transformators, in zueinander versetzten Ebenen ei ner Halbleiteranordnung ausgebildet. Die erste Spule ist da bei vorzugsweise auf oder in einem ersten Halbleiterkörper ausgebildet und die zweite Spule ist vorzugsweise auf oder in einem zweiten Halbleiterkörper ausgebildet, der oberhalb des ersten Halbleiterkörpers angeordnet ist. Der Versatz der ers ten Spule und der zweiten Spule in der durch die Halbleiter körper gebildeten Halbleiteranordnung ermöglicht es, zwischen den beiden Spulen eine oder mehrere Isolationsschichten ein zubringen, welche auf die maximal zwischen den beiden Wick lungen auftretende Spannung abgestimmt sind.

Die erste Spule ist vorzugsweise als spiralförmig verlaufende Leiterbahn auf einer ersten Isolationsschicht an der Oberflä che des ersten Halbleiterkörpers ausgebildet und die zweite Spule ist vorzugsweise als spiralförmig verlaufende Leiter bahn auf einer zweiten Isolationsschicht an der Oberfläche der zweiten Halbleiterkörpers ausgebildet. Gemäß einer Aus führungsform der Erfindung ist dabei eine dritte Isolations schicht vorgesehen, die die erste Spule vorzugsweise nach o ben hin abdeckt und die zudem den ersten und den zweiten Halbleiterkörper gegeneinander isoliert. Diese dritte Isola tionsschicht ist vorzugsweise ein auf eine hohe Spannungsfes tigkeit ausgelegtes Polyimid.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Transformators zur Verfügung zu stellen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht dazu folgende Verfah rensschritte vor:

- Bereitstellen eines ersten Halbleiterkörpers und Herstellen einer ersten Spule auf einer Oberfläche des ersten Halblei terkörpers oder in dem ersten Halbleiterkörper,
- Bereitstellen eines zweiten Halbleiterkörpers und Herstel len einer zweiten Spule auf einer Oberfläche des zweiten Halbleiterkörpers oder in dem zweiten Halbleiterkörper,
- Aufbringen des zweiten Halbleiterkörpers auf den ersten Halbleiterkörper.

Vor dem Aufbringen des zweiten Halbleiterkörpers auf den ers ten Halbleiterkörper wird vorzugsweise eine Isolationsschicht auf den ersten Halbleiterkörper aufgebracht, welche die erste Spule gegenüber dem zweiten Halbleiterkörper isoliert und welche eine ausreichende Spannungsfestigkeit zwischen den beiden Spulen des Transformators sicherstellt. Das Herstellen von Spulen als spiralförmige Leiterbahnen auf Oberflächen von Halbleiterkörpern oder in Halbleiterkörpern ist mittels be kannter Technologien realisierbar und beispielsweise in der GB 217 39 56 beschrieben. Das Aufbringen des zweiten Halblei terkörpers auf den ersten Halbleiterkörper ist von Halblei terbauelementen, die in der sogenannten "Chip on Chip"- Technologie realisiert sind hinlänglich bekannt. Bei dieser Technologie sind beispielsweise ein Chip mit einem Leistungs transistor und ein Chip mit einer geeigneten Ansteuerschal tung für den Transistor, einem Temperatursensor oder derglei chen übereinander angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Aus führungsbeispiels in Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Transformators im Querschnitt,

Fig. 2 Draufsicht und teilweise Schnittdarstellung des Transformators gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Transformator während verschiedener Verfahrensschritte zu dessen Herstellung,

Fig. 4 Transformator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht im Querschnitt,

Fig. 5 Transformator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in Seitenansicht im Querschnitt.

In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen integrierten Transformators. Der Transformator weist einen ersten Halbleiterkörper 10 mit einem Halbleiter substrat 12 und einer auf dem Substrat 12 ausgebildeten ers ten Isolationsschicht 14, die vorzugsweise aus einem Halblei teroxid besteht, auf. Das Substrat 12 besteht vorzugsweise aus Silizium und die Isolationsschicht aus Siliziumdioxid.

Auf der ersten Isolationsschicht 14 ist eine erste Wicklung, beispielsweise die Primärwicklung, des Transformators ausge bildet, die in dem Ausführungsbeispiel von einer Isolations schicht 70 bedeckt ist.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Transformator gemäß Fig. 1, wobei die Isolationsschicht 70 in Fig. 2 geschnitten dargestellt ist, so dass der geometrische Verlauf der ersten Spule 20 auf der Isolationsschicht 14 deutlich wird. Die ers te Spule 20 ist in dem Ausführungsbeispiel als spiralförmig verlaufende Leiterbahn ausgebildet, die vorzugsweise aus ei nem Metall, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer, be steht. Die erste Spule ist durch die Isolationsschicht 14 ge genüber dem elektrisch leitenden Halbleitersubstrat 12 iso liert.

Oberhalb des ersten Halbleiterkörpers 10 ist auf der Isolati onsschicht 70 ein zweiter Halbleiterkörper 30 angeordnet, der ein Halbleitersubstrat 32 und eine darüber angeordnete Isola tionsschicht 36 aufweist. Das Halbleitersubstrat 32 ist vor zugsweise Silizium, die Isolationsschicht 36 vorzugsweise Si liziumdioxid. Auf der Isolationsschicht 36 ist eine zweite Spule, die Sekundärspule, des Transformators angeordnet, wel che in dem Ausführungsbeispiel ebenfalls als spiralförmig verlaufende Leiterbahn ausgebildet ist.

Der erste Halbleiterkörper 10, die dritte Isolationsschicht 70 und der zweite Halbleiterkörper 30 bilden eine Halblei teranordnung, bei der die erste und die zweite Spule 20, 40 in zueinander versetzten Ebenen angeordnet sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Transformator sind die erste Spule 20 und die zweite Spule 40 durch die Isolationsschicht 36 un terhalb der zweiten Spule 40 und die Isolationsschicht 70, welche die erste Spule 20 umgibt, gegeneinander isoliert. Die Anordnung der ersten und der zweiten Spule 20, 40 in zueinan der versetzten, durch die Oberflächen der Halbleiterkörper 10, 20 gebildeten Ebenen ermöglicht bei dem erfindungsgemäßen Transformator das Anordnen der Isolationsschichten 70, 36 zwischen den beiden Spulen 20, 40, die auf eine hohe Span nungsfestigkeit ausgelegt sind. Die Isolationsschicht 70 be steht vorzugsweise aus einem Polyimid, dessen Dicke oberhalb der die Spule 20 bildenden Leiterbahn vorzugsweise etwa 30 µm beträgt.

Zur Steigerung der Spannungsfestigkeit weist der zweite Halb leiterkörper vorzugsweise eine in Fig. 1 gestrichelt einge zeichnete weitere Isolationsschicht 34 auf, welche auf einer der ersten Isolationsschicht 36 gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats 32 ausgebildet ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Integration eines Transformators mit einer ersten und zweiten Spule 20, 40 und zugehörigen an den Transformator angeschlossenen Halbleiter bauelementen in einer Halbleiteranordnung. Fig. 1 zeigt ge strichelt eingezeichnet einen aktiven Bereich 80 in dem Halb leiterkörper 10 und einen aktiven Bereich 90 in dem zweiten Halbleiterkörper 30, in welchen jeweils Halbleiterbauelemen te, beispielsweise Transistoren, Dioden oder auch Widerstän de, realisiert sind, die an die jeweilige Spule 20, 40 ange schlossen sind. Die aktiven Bereiche 80, 90 sind dabei durch die Isolationsschichten 14, 36 gegenüber den Spulen isoliert.

Zum Ansteuern der ersten Spule 20 sind auf der Isolations schicht 14 neben der Spule Anschlusspins 50, 52 vorgesehen, welche innerhalb des ersten Halbleiterkörpers 10 in nicht nä her dargestellter Weise an die Enden der ersten Spule 20 an geschlossen sind. Die Anschlusspins können dabei direkt an die Enden der Spule oder auch über die Bauelemente des akti ven Bereichs 80 an die erste Spule 20 angeschlossen sein.

Entsprechend sind auf der Isolationsschicht 36 des zweiten Halbleiterkörpers 30 Anschlusspins 60, 62 zum Ansteuern der zweiten Spule 40 vorgesehen, wobei diese Anschlusspins 60, 62 in nicht näher dargestellter Weise innerhalb des zweiten Halbleiterkörpers 30 an die Enden der zweiten Spule 40 ange schlossen sind. Die Anschlusspins können dabei direkt an die Enden der zweiten Spule oder auch über die Bauelemente des aktiven Bereiches 90 an die zweite Spule 40 angeschlossen sein.

Weitere Anschlusspins zum Anschließen der Bauelemente in den aktiven Halbleiterbereichen 80, 90 sind in den Fig. 1 und 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.

Ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen integ rierten Transformators wird nachfolgend anhand von Fig. 3 erläutert. In ersten Verfahrensschritten wird ein erster Halbleiterkörper 10 hergestellt, der ein Halbleitersubstrat 12 und eine an einer Oberfläche des Substrats 12 ausgebildete erste Isolationsschicht 14 aufweist. Anschließend wird auf der Isolationsschicht 14 eine spiralförmig verlaufende Lei terbahn als erste Spule 20 hergestellt. Hierzu können her kömmliche Verfahrensschritte zur Herstellung von Leiterbahnen verwendet werden. In dem Halbleiterkörper 10 können des wei teren Halbleiterbauelemente zum Anschließen an die erste Spu le 20 realisiert sein, wie in Fig. 3a durch den gestrichelt dargestellten aktiven Bereich 80 skizziert ist. Diese Bauele mente werden mittels bekannter Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen vor dem Aufbringen der Isolations schicht 14 auf das Substrat 12 hergestellt.

Nach dem Herstellen der ersten Spule 20 auf der Isolations schicht 14 wird in einem nächsten Verfahrensschritt eine Iso lationsschicht 70 auf der Isolationsschicht 14 abgeschieden, welche die erste Spule 20 überdeckt. Das Ergebnis dieses Ver fahrensschrittes zeigt Fig. 3b.

In weiteren Verfahrensschritten wird, wie in Fig. 3c darge stellt ist, ein zweiter Halbleiterkörper 30 bereitgestellt, welcher ein Substrat 32 mit einer an einer Oberfläche ange ordneten zweiten Isolationsschicht 36 aufweist. Auf dieser Oberfläche 36 wird, beispielsweise mittels bekannter Verfah ren zur Herstellung von Leiterbahnen, eine zweite Spule 40 hergestellt, welche insbesondere als spiralförmig verlaufende Leiterbahn ausgebildet ist. Wie auch in den ersten Halblei terkörper 10 können in dem zweiten Halbleiterkörper in einem aktiven Bereich 90 Halbleiterbauelemente zum Anschließen an die zweite Spule 40 ausgebildet sein, die mittels bekannter Verfahren zur Herstellung von integrierten Schaltungen vor dem Aufbringen der Isolationsschicht 36 auf das Substrat 32 hergestellt werden.

Gemäß eines weiteren optionalen Verfahrensschrittes ist vor gesehen, auf den zweiten Halbleiterkörper 30 an einer der Spule 40 abgewandten Oberfläche eine weitere Isolations schicht 34 aufzubringen.

In einem nächsten Verfahrensschritt wird der in Fig. 3c dar gestellte zweite Halbleiterkörper 30 mit der zweiten Spule 40 auf den in Fig. 3b dargestellten ersten Halbleiterkörper 10 mit der ersten Spule 20 aufgebracht und dort beispielsweise durch Verkleben des Halbleiterkörpers 30 mit der Isolations schicht 70 befestigt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Transformators im Querschnitt, welches sich von dem in Fig. 1 dargestellten dadurch unterscheidet, dass kei ne Isolationsschicht über der ersten Spule 20 ausgebildet ist. Der zweite Halbleiterkörper 30 ist bei diesem Ausfüh rungsbeispiel auf der ersten Isolationsschicht 14 auf einer durch die erste Spule 20 freigelassenen Fläche angeordnet. Die erste Spule 20 und die zweite Spule 40 sind bei diesem Ausführungsbeispiel durch die Isolationsschicht 14 des ersten Halbleiterkörpers 10 und die Isolationsschicht 36 des zweiten Halbleiterkörpers 30 und durch eine vorzugsweise vorhandene Isolationsschicht 34 an der Rückseite des zweiten Halbleiter körpers 30 gegeneinander isoliert.

Der erste Halbleiterkörper 10 und der zweite Halbleiterkörper 30 bilden eine Halbleiteranordnung mit zwei Spulen 20, 40 die in zueinander versetzten Ebenen angeordnet sind.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Transformators, bei dem der zweite Halbleiter körpers 30 um 180° gedreht gegenüber dem zweiten Halbleiter körpers 30 in den Fig. 1 und 4 angeordnet ist. Zudem ist die zweite Spule 40 des Halbleiterkörpers 40 in eine Isolati onsschicht 36' an der Oberfläche des zweiten Halbleiterkör pers 30 eingebettet. Bei dieser Ausführungsform sind die ers te Spule 20 und zweite Spule 40 nur durch die Isolations schicht 70 gegeneinander isoliert. Die Isolationsschicht 36' kann dabei in nicht näher dargestellter Weise auch derart ausgebildet sein, dass sie die zweite Spule vollständig umgibt, so dass die erste Spule 20 und die zweite Spule 40 dann durch die Isolationsschichten 36' und 70 gegeneinander iso liert sind. Die beiden 20, 40 Spulen sind bei der Ausfüh rungsform nach Fig. 5 gegenüber den zuvor beschriebenen Aus führungsformen räumlich näher zueinander angeordnet woraus eine verbesserte induktive Kopplung der Spulen 20, 40 resul tiert.

Die Ausführungsbeispiele gemäß der Fig. 1, 2, 4 und 5 zei gen jeweils Transformatoren, bei denen die Spulen jeweils auf oder in einem ersten und zweiten Halbleiterkörper angeordnet sind. Gemäß weiterer nicht näher dargestellter Ausführungs formen der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spulen jeweils eingebettet in Isolationsschichten übereinander in einem ein zigen Halbleiterkörper angeordnet sind.

Bezugszeichenliste

10

erster Halbleiterkörper

12

Halbleitersubstrat

14

Isolationsschicht

20

erste Spule

30

zweite Halbleiterschicht

32

Halbleitersubstrat

34

Isolationsschicht

36

Isolationssicht

36

' Isolationsschicht

40

zweite Spule

50

,

52

Anschlüsse der ersten Spule

60

,

62

Anschlüsse der zweiten Spule

70

Isolationsschicht

80

aktiver Bereich des ersten Halbleiterkörpers

90

aktiver Bereich des zweiten Halbleiterkörpers

Claims

1. Transformator mit einer ersten und einer zweiten Spule (20, 40) die in versetzten Ebenen einer Halbleiteranordnung (10, 70, 30; 10, 30) ausgebildet sind.

2. Transformator nach Anspruch 1, bei dem die erste Spule auf oder in einem ersten Halbleiterkörper (10) ausgebildet ist und bei dem die zweite Spule (40) auf oder in einem zweiten Halbleiterkörper (30), die oberhalb des ersten Halbleiterkör pers (10) angeordnet ist, ausgebildet ist.

3. Transformator nach Anspruch 1, bei dem die erste Spule (10) und/oder die zweite Spule (20) als spiralförmig verlau fende Leiterbahnen ausgebildet sind.

4. Transformator nach Anspruch 3, bei dem die erste Spule (20) auf einer ersten Isolationsschicht (14) im Bereich einer Oberfläche des ersten Halbleiterkörpers (10) ausgebildet ist und bei dem die zweite Spule (40) auf einer zweiten Isolati onsschicht (36) im Bereich einer Oberfläche des zweiten Halb leiterkörpers (30) ausgebildet ist.

5. Transformator nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die erste Spule (29) von einer dritten Isolationsschicht (70) bedeckt ist.

6. Transformator nach Anspruch 5, bei dem die dritte Isolati onsschicht (70) ein Polyimid ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Transformators, das fol gende Merkmale aufweist:

- Bereitstellen eines ersten Halbleiterkörpers (10) und Her stellen einer ersten Spule (20) auf einer Oberfläche des ers ten Halbleiterkörpers (10) oder in dem Halbleiterkörper,
- Bereitstellen eines zweiten Halbleiterkörpers (30) und Her stellen einer zweiten Spule (40) auf einer Oberfläche des zweiten Halbleiterkörpers oder in dem Halbleiterkörper(30),
- Aufbringen des zweiten Halbleiterkörpers (10) auf den ers ten Halbleiterkörper.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem vor dem Herstellen der ersten Spule (20) eine erste Isolationsschicht (14) auf die Oberfläche des ersten Halbleiterkörpers (10) aufgebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem vor dem Herstel len der zweiten Spule (40) eine zweite Isolationsschicht (36) auf die Oberfläche des zweiten Halbleiterkörpers (20) aufge bracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem vor dem Aufbringen des zweiten Halbleiterkörpers (20) auf den ersten Halbleiterkörper (10) eine dritte Isolationsschicht (70) auf die erste Spule aufgebracht wird.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem vor dem Aufbringen des zweiten Halbleiterkörpers (20) auf den ersten Halbleiter (10) eine Isolationsschicht auf der Ober fläche des zweiten Halbleiterkörpers (30) hergestellt wird, die der Oberfläche mit der zweiten Spule (40) gegenüberliegt.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der zweite Halbleiterkörper (30) auf den ersten Halbleiter körper (10) aufgeklebt wird.