DE102005014929A1 - Inductor for integrated circuit, has number of vias connecting part of electrically conductive layers with each other to form three-dimensional conductive coil structure, where width of lower conductive strip is n-times width of upper strip - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungTerritory of invention
Die Erfindung betrifft ein induktives Bauteil für integrierte Schaltkreise, wie zur Beispiel ein auf einem Chip ausgeführtes induktives Element oder Transformator, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, im wesentlichen mit denselben Prozessschritten, die auch bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen beteiligt sind.The The invention relates to an inductive component for integrated circuits, such as an on-chip inductive element or transformer, which are formed on a semiconductor substrate, substantially with the same process steps that are used in the production of integrated circuits are involved.
Auf einem Chip ausgeführte Induktivitäten und Transformatoren haben typischer Weise eine sehr geringe Qualität. Der Hauptgrund ist der ohmsche Widerstand (einschließlich der Skin-Effekte) der Spule und die Verluste aufgrund von in dem Substrat induzierten Strömen. Während der Spulenwiderstand durch Vergrößerung der Breite und Höhe der Metallspule reduziert werden kann, ist es sehr schwer, die Substratverluste zu reduzieren, da jede hochfrequente magnetische Feldlinie, welche den Halbleiter durchdringt, Ströme induziert, welche aufgrund des Widerstandes des Substrates schließlich in Wärme und damit Verlust umgewandelt werden. Abgesehen von elektrischen Effekten ist keine magnetische Abschirmung auf dem Chip möglich. Eine magnetische Abschirmung würde ferromagnetische Materialien notwendig machen, welche in Standard CMOS Prozessen nicht verfügbar sind.On running a chip Inductors and Transformers typically have a very low quality. The main reason is the ohmic resistance (including the skin effects) of the coil and the losses due to currents induced in the substrate. During the Coil resistance by increasing the width and height the metal coil can be reduced, it is very difficult, the substrate losses because every high-frequency magnetic field line, which the semiconductor permeates currents which, due to the resistance of the substrate finally in Heat and so that loss will be transformed. Apart from electrical effects No magnetic shielding on the chip is possible. A magnetic shield would be ferromagnetic Make materials necessary, which in standard CMOS processes not available are.
Beschreibung des verwandten Standes der Technikdescription of the related art
Es
existieren mehrere Arten von Spulen und magnetischen Kopplern in
der Literatur. Neben den sehr gebräuchlichen Spiralspulen gibt
es einige Patente mit integrierten Spulen, die zwischen einer oberen
und einer unteren Metallschicht liegen und folglich mit den magnetischen
Feldlinien parallel zum Chip, z. B.
Die
meisten magnetischen Koppler in der Literatur bestehen aus mehreren
Windungen in verschiedenen übereinanderliegenden
Metallschichten, oder aus ineinander verwundene Windungen, die spiralförmig um
ein gemeinsames Zentrum verlaufen, z. B.:
WO 03/03 390 „ Mulitple-Interleaved Circuit Transformer": Vier Wicklungen sind ineinander verschachtelt und bilden einen Transformator.WHERE 03/03 390 "Mulitple-Interleaved Circuit Transformer ": Four windings are interlaced and form a transformer.
Offenbarung der Erfindungepiphany the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein induktives Bauteil für integrierte Schaltkreise in Form einer Induktivität oder eines Transformators vorzuschlagen, mit signifikant verringerten Substratverlusten.It the object of the present invention is an inductive component for integrated Circuits in the form of an inductance or a transformer to suggest, with significantly reduced substrate losses.
Diese Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines induktiven Bauteils für integrierte Schaltkreise erreicht, wie es in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben ist.These Task is by providing an inductive component for integrated Circuits achieved as described in the independent claims is.
Andere Merkmale, die als charakteristisch für die Erfindung angesehen werden, sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt, auf welche hierin Bezug genommen wird.Other Features considered characteristic of the invention are in the dependent claims executed which is incorporated herein by reference.
Erfindungsgemäß wird eine Induktivität für integrierte Schaltkreise vorgeschlagen, welche ein Substrat umfasst, eine erste elektrisch leitende Schicht auf dem Substrat, welche mindestens einen unteren streifenförmigen Leiter definiert, eine dazwischen liegende Schicht auf der ersten elektrisch leitenden Schicht, welche mindestens eine isolierende und/oder dielektrische Schicht umfasst, eine zweite elektrisch leitende Schicht auf dieser dazwischen liegenden Schicht, welche mindestens einen oberen streifenförmigen Leiter definiert, und eine Mehrzahl von vertikalen elektrischen Leitern, sogenannte „Vias", welche Teile der ersten und zweiten elektrisch leitenden Schichten miteinander verbindet, um eine 3-dimensionale leitende Spulenstruktur zu bilden, wobei die Breite des unteren streifenförmigen Leiters n-mal die Breite des oberen streifenförmigen Leiters beträgt.According to the invention is a inductance for integrated Circuits proposed, which includes a substrate, a first electrically conductive layer on the substrate, which at least a lower strip-shaped Head defined, an intermediate layer on the first electrically conductive layer, which at least one insulating and / or dielectric layer comprises a second electrically conductive layer on this intermediate layer, which is at least one upper strip-shaped Conductor defined, and a plurality of vertical electric Ladders, so-called "vias", which are parts of connects first and second electrically conductive layers, to form a 3-dimensional conductive coil structure, wherein the width of the lower strip-shaped Ladder is n times the width of the upper strip-shaped conductor.
Ein Transformator für integrierte Schaltkreise gemäß der Erfindung umfasst ein Substrat, eine erste elektrisch leitende Schicht, welche mindestens einen unteren streifenförmigen Leiter umfasst, eine dazwischen liegende Schicht auf der ersten elektrisch leitenden Schicht, welche mindestens eine isolierende und/oder dielektrische Schicht umfasst, eine zweite elektrisch leitende Schicht auf dieser dazwischen liegenden Schicht, welche mindestens einen oberen streifenförmigen Leiter umfasst, und mindestens zwei Transformatorwicklungen, wobei eine erste Wicklung aus einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Induktivität besteht, und eine zweite Wicklung aus einer streifenförmigen Spulenstruktur, die in der Ebene der zweiten leitenden Schicht angeordnet ist.One Transformer for integrated circuits according to the invention includes a substrate, a first electrically conductive layer, which comprises at least one lower strip-shaped conductor, a intermediate layer on the first electrically conductive Layer comprising at least one insulating and / or dielectric Layer comprises a second electrically conductive layer on this intermediate layer, which at least one upper strip-shaped conductor includes, and at least two transformer windings, wherein a first winding of one according to the present invention Invention constructed inductance, and a second Winding of a strip-shaped Coil structure arranged in the plane of the second conductive layer is.
Durch die Konstruktion von Spulen und Transformatoren im Einklang mit der vorliegenden Erfindung können Substratverluste der Spulen vollständig vermieden werden – zumindest theoretisch – durch Änderung der Geometrie der Spulen. Das ermöglicht eine neue Art von Induktivitäten und Transformatoren auf einem Chip. Die Struktur verwendet die Höhe zwischen der untersten und der obersten leitenden (Metall-) Schicht, um 3-dimensionale Spulen und Transformatoren aufzubauen. Das Konzept kann verwendet werden, um Spulen, einfache Transformatoren (einen Eingang und einen Ausgang) oder Transformatoren höherer Ordnung (2 zu 1, 4 zu 1, 8 zu 1) herzustellen. Die Erfindung kann ferner zur Herstellung von auf dem Chip vorgesehene Realisierungen von Baluns verwendet werden. Daher bietet sie eine gute Alternative zu teuren chipexternen Baluns.By the construction of coils and transformers in line with of the present invention Substrate losses of the coils are completely avoided - at least theoretically - by change the geometry of the coils. This allows a new kind of inductors and Transformers on a chip. The structure uses the height between the bottom and top conductive (metal) layers to 3-dimensional Build up coils and transformers. The concept can be used be to coils, simple transformers (an input and a Output) or transformers higher Order (2 to 1, 4 to 1, 8 to 1). The invention can furthermore for the production of on-chip realizations used by Baluns. Therefore, it offers a good alternative too expensive off-chip baluns.
Im Falle von mehr als einer Eingangsspule, die mit einer Ausgangsspule gekoppelt wird, kann die Erfindung als Leistungskombinierer verwendet werden. Auf einem Chip befindliche Leistungskombinierer können dazu verwendet werden, um die Leistung von mehreren Leistungsverstärkern, vier im unten stehenden Fall, passiv zusammen zu führen. Somit müssen die einzelnen Verstärker nur ein Viertel der an der Antenne benötigen Leistung liefern. Des weiteren kann das Induktivitätsverhältnis zwischen den Eingang- und Ausgangsspulen zur Impedanztransformation verwendet werden. Ein Transformator oder Koppler gemäß der Erfindung kann ferner als ein Leistungsteiler mit einer Eingangsspule und mehr als einer Ausgangsspule verwendet werden.in the Trap of more than one input coil, with an output coil is coupled, the invention can be used as a power combiner become. On-chip power combiners can be used be to the power of several power amplifiers, four in the case below, to passively merge. Thus, the single amplifier only a quarter of the power needed at the antenna supply. Of Further, the inductance ratio between the entrance and Output coils are used for impedance transformation. One Transformer or coupler according to the invention can also be used as a power divider with an input coil and more than one output coil can be used.
Aus
der Literatur sind Spulen, die zwischen einer unteren und einer
oberen leitenden Schicht liegen, bekannt. Die torusförmigen Strukturen,
die in
Andere
magnetische Koppler in der Literatur bestehen aus konzentrischen
Spiralen in einer oder mehreren Metallschichten, siehe hier z. B.
Der
Koppler der in
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings
Beschreibung von bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindungdescription of preferred embodiments of the invention
Die
allgemeine Struktur, auf welcher die Erfindung basiert, ist eine
Spulenstruktur zwischen zwei beabstandeten leitenden (Metall-) Schichten
einer mehrschichtigen Struktur. Im einfachsten Fall, wie es in den
Die
vorliegende Erfindung zeigt jedoch einen Weg, um Substratverluste
vollständig
zu vermeiden. Gemäß der Erfindung
muss die Symmetrie zwischen der unteren und der oberen Schicht gebrochen
werden, um dem magnetischen Feld eine bevorzugten Richtung zum Schließen zu geben.
Ausgehend von einem induktiven Element gemäß den
Basierend
auf der einzelnen Windung der
Die
Eingangswicklungen sind in dem isolierenden Material hergestellt
durch Verwendung der oberen und der unteren Metallschichten
Die
Kopplung zwischen den verschiedenen Eingangsspulen ist vernachlässigbar
im Falle des 4 zu 1 Kopplers. Dies begründet sich in den parallelen Feldlinien
Ein
mögliches
Layout der Transformatorstruktur ist in
Die wesentlichen Vorteile der innovativen Transformatorstruktur sind:
- – die Verwendung der dritten Dimension für Eingangsspulen in magnetischen Kopplern. Dies erlaubt es, magnetische Koppler mit vernachlässigbarer Kopplung zwischen den verschiedenen Eingangsspulen herzustellen.
- – Verwendung von Eingangswicklungen, die die Ausgangswicklung umgeben. Dies garantiert, dass alle Feldlinien einer Eingangsspule das Innere der Ausgangsspule kreuzen müssen.
- – Verwendung eines breiteren Metalls in der unteren Ebene der Eingangsspulen. Diese Idee zwingt alle magnetischen Feldlinien der Eingangsspule sich nach oben zu biegen und somit einen Fluss durch die Ausgangsspule zu erzeugen. Dies garantiert eine maximal mögliche Kopplung zwischen Eingangs- und Ausgangsspule. Weiterhin erzeugt der schmale Schlitz der Eingangsspule sehr starke und parallele Eingangsfelder im Schlitz, was eine Kopplung mit benachbarten Eingangsspulen vermeidet.
- - the use of the third dimension for input coils in magnetic couplers. This makes it possible to produce magnetic couplers with negligible coupling between the various input coils.
- - Use of input windings surrounding the output winding. This guarantees that all field lines of an input coil must cross the inside of the output coil.
- - Using a wider metal in the lower level of the input coils. This idea forces all of the magnetic field lines of the input coil to bend upward, thus creating a flux through the output coil. This guarantees a maximum possible coupling between the input and output coils. Furthermore, the narrow slot of the input coil produces very strong and parallel input fields in the slot, avoiding coupling to adjacent input coils.
- 11
- Substratsubstratum
- 22
- erste leitende Schichtfirst conductive layer
- 33
- Leiterladder
- 44
- dazwischen liegende Schichtbetween lying layer
- 55
- zweite leitende Schichtsecond conductive layer
- 66
-
Leiter
6' ladder6 ' - 77
- Viasvias
- 88th
- Viasvias
- 99
- magnetische Feldlinienmagnetic field lines
- 1010
- magnetische Feldlinienmagnetic field lines
- 1111
-
Leiter
11' ladder11 ' - 1212
-
Vias
12' vias12 ' - 1313
-
Vias
13' vias13 ' - 1414
- magnetische Feldlinienmagnetic field lines
- 1515
- Kreuzungcrossing
- 1616
- Ausgangswicklung (Transformator)output winding (Transformer)
- 1717
- Anschlussconnection
- 1818
- Anschlussconnection
- 1919
- magnetische Feldlinienmagnetic field lines
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