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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein HF-IC (integrierte Hochfrequenzschaltungen)
und insbesondere Strukturen für
Induktionsspulen und Verfahren zur Herstellung davon.
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Eine
Induktionsspule in Elektronikanwendungen umfaßt in der Regel eine Drahtspule,
die elektromagnetische Eigenschaften aufweist, wenn Strom durch
die Drahtspule hindurch geschickt wird. Im allgemeinen kann eine
Induktionsspule Energie in ihrem Magnetfeld speichern, und eine
Induktionsspule setzt im allgemeinen einer durch sie hindurch fließenden Strommenge
einen Widerstand entgegen (als Beispiel). Die Induktanz einer Induktionsspule hängt von
mehreren Faktoren ab. Ein Faktor ist die Anzahl der Wicklungen:
je größer die
Anzahl der Wicklungen, um so höher
die Induktanz. Ein weiterer Faktor ist die Querschnittsfläche der
Spule: größere Fläche führt zu einer
höheren
Induktanz. Ein weiterer Faktor ist die Breite der Wicklungen: eine
größere Breite
führt zu
einem größeren Verhältnis von
Außen- zu
Innendurchmesser der Spule und reduzierter Induktanz. Diese Faktoren
beeinflussen auch die parasitäre
Kapazität
und den parasitären
Widerstand der Induktionsspule.
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Induktionsspulen
können
einzeln verwendet werden, oder Induktionsspulen können in
Paaren als Differentialinduktionsspulen oder Differentialtransformatoren
(als Beispiele) verwendet werden. Bei einigen Halbleiteranwendungen
wie etwa HF-ICs werden Induktionsspulen auf integrierten Schaltungen hergestellt.
Es ist wünschenswert,
wenn Schaltungen, die chipinterne Differentialin duktionsspulen verwenden
(z.B. Induktionsspulen, die auf einem Halbleiterwafer oder einem
Einzelchip hergestellt sind), so wenig Strom wie möglich verbrauchen,
damit die Batterielebensdauer verlängert wird (als Beispiel), und
dass die Differentialinduktionsspulen so wenig Rauschen wie möglich erzeugen.
Eine weitere wichtige Anforderung für chipinterne Differentialinduktionsspulen
besteht darin, dass sie eine niedrige parasitäre Kapazität aufweisen und dass die Induktanz-, Kapazitäts- und
Widerstandswerte des Paars von Induktionsspulen symmetrisch sind.
Chipinterne Induktionsspulen sind signifikante Komponenten von HF-ICs
und werden beispielsweise in spannungsgesteuerten Oszillatoren (VCO),
Impedanzanpassungsnetzen, Emitterdegenerationsschaltungen und Filtern
verwendet.
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VCOs
verwenden in der Regel Differentialinduktionsspulen, die zwei Induktionsspulen
umfassen, die an ein Ende eines gemeinsamen Knotens oder eines zentralen
Abgriffs gekoppelt sind. Ein VCO ist ein Oszillator, bei dem die
Steuerspannung die Oszillatorausgangsfrequenz steuert. Telekommunikationssysteme
wie etwa Bluetooth und GSM verwenden VCOs in Sendeempfängern, um
Kanäle
beispielsweise für
Mobiltelefon- oder Funkanwendungen zu steuern und zu schalten. Differentialinduktionsspulen
mit hoher Induktivität,
hohem Gütefaktor
und niedriger parasitärer
Kapazität
werden für
HF-ICs wie etwa VCOs benötigt,
um eine niedrige Strom- und Leistungsaufnahme, niedriges Phasenrauschen
und großen
Abstimmbereich für
die Frequenz des VCO zu erreichen.
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1 zeigt eine chipinterne
Differentialinduktionsspule nach dem Stand der Technik, bei der alle
Wicklungen von zwei Induktionsspulen in einer Metallisierungsschicht
coplanar sind. Eine Einebenen-Differentialinduktionsspule
dieses Typs wird in einem VCO-Design eingesetzt, das in einem Referat von
Tiebout mit dem Titel „A
Fully Integrated 1.3 GHz VCO for GSM in 0.25 μm Standard CMOS with a Phasenoise
of – 142
dBc/Hz at 3 MHz Offset" beschrieben
wird, veröffentlicht
in Proceedings 30th European Microwave Conference, Paris, Oktober,
2000, wobei dieses Referat durch Bezugnahme hier aufgenommen ist.
Siehe insbesondere 5 des Tiebout-Referats,
das ein ähnliches
Design einer Differentialinduktionsspule zeigt, wie es in 1 der vorliegenden Patentanmeldung
gezeigt ist.
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Bei
der in 1 gezeigten einschichtigen Differentialinduktionsspule
wird eine zweite Metallisierungsebene für die Unterquerungen verwendet, die
erforderlich sind, um die Symmetrie der Differentialinduktionsspule
zu vergrößern. Die
Induktionsspule ist für
eine niedrige parasitäre
Kapazität
der zwei Differentialeingänge
an den Anschlüssen
A und B ausgelegt. Die Induktionsspule enthält zwei Teilinduktionsspulen:
Induktionsspule LA, die eine zwischen Anschluss
A und mittlerem Abgriff D angeordnete Teilinduktionsspule umfasst
und Induktionsspule LB, die eine zwischen
B und dem mittleren Abgriff D angeordnete Teilinduktionsspule umfasst.
Die Teilinduktionsspulen LA und LA sind nahe daran, symmetrisch zu sein, und
weisen ein hohes Koppelverhältnis auf.
Der mittlere Abgriff D ist in der Regel mit einer Versorgungsspannung
(VDD) gekoppelt. Eine VCO-Schaltung nach
dem Stand der Technik, in der die in 1 gezeigte
Differentialinduktionsspule verwendet werden kann, ist beispielsweise
in 2 gezeigt.
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Bei
dem in 1 gezeigten Differentialinduktionsspulendesign
führt die
Differenz beim Durchmesser zwischen den Innen- und Außenwicklungen der
Induktionsspulen LA und LB zu
einem reduzierten Koppelfaktor der Wicklungen und zu einer reduzierten
erreichbaren Induktivität.
Das Verhältnis
spezifischer Widerstand zu Induktivität, das für den Gütefaktor (Q-Faktor) verantwortlich
ist, verschlechtert sich deshalb. Der Q-Faktor ist ein Maß für die Leistungscharakteristiken
einer Induktionsspule und weist einen starken Einfluss auf die Leistung
der HF-Schaltung
auf, wie etwa beispielsweise Stromverbrauch und Rauschen. Es ist
wünschenswert,
chipinterne Differentialinduktionsspulen mit hoher Induktanz, hohem
Q-Faktor, niedriger
Kapazität
und hoher Symmetrie zu konstruieren, wobei lediglich eine kleine
Bodenfläche
benötigt
wird.
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Aus
dem an Kyriazidou erteilten US-Patent Nr. 6,759,937 B2 mit dem Titel „On-chip
Differential Multi-Layer Inductor", das durch Bezugnahme hier aufgenommen
ist, ist eine Differentialinduktionsspule bekannt, die in zwei Metallschichten
ausgebildet ist. Die Verwendung zusätzlicher Metallschichten zum Parallelschließen zusätzlicher
Wicklungen zu den Induktionsspulenwicklungen wird ebenfalls offenbart. Mit
diesem Differentialinduktionsspulendesign erhält man jedoch keine perfekte
Symmetrie, da die Verbindungsstruktur, die verwendet wird, um die
Teilinduktionsspulen zu verbinden, eine Asymmetrie einführt.
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Insbesondere
gibt es bei der Differentialinduktionsspule nach dem Stand der Technik,
die in einer in 1 gezeigten
einzelnen Metallisierungsschicht ausgebildet ist, und auch bei der
in zwei Metallisierungsschichten ausgebildeten Differentialinduktionsspule
nach dem Stand der Technik wie in US-Patent Nr. 6,759,937 beschrieben,
einen Mangel an Symmetrie aufgrund der Überquerungen der Induktionsspulen.
Beispielsweise steigen durch die Unterführungen, wo die Wicklungen
einander kreuzen, der Widerstand und die Kapazität einer Wicklung, aber nicht
die in der anderen. Dieser Offset wird in der Regel bei Designs
nach dem Stand der Technik durch Abwechseln der Unterführungen
reduziert. Jedoch ist die Stelle innerhalb der Induktionsspule unsymmetrisch,
d.h., eine halbe Induktionsspule weist ihre Unterführungen
näher an
dem mittleren Pin oder dem mittleren Abgriff auf, und die andere
näher an dem
A- oder B-Spannungseingang. Es ist wünschenswert, wenn die beiden
Induktionsspulen einer Differentialinduktionsspule den gleichen
Induktanzwert aufweisen und die Wicklungen hinsichtlich Widerstand
und Kapazität
symmetrisch sind (z.B. zu dem Substrat oder zu anderen Induktionsspulenwicklungen).
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Was
in der Technik benötigt
wird, sind deshalb verbesserte Differentialinduktionsspulendesigns in
integrierten Schaltungen.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Diese
und weitere Probleme werden im allgemeinen gelöst oder umgangen und technische Vorteile
werden im allgemeinen erzielt durch bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, die neuartige Strukturen für zwei Induktionsspulen
liefern, die in zwei oder mehreren leitenden Schichten einer integrierten
Schaltung implementiert werden können.
Bei einigen Ausführungsformen
können
Verbindungen zu einer oder mehreren leitenden Schichten hergestellt
werden durch Abwechseln der Stelle der Durchkontaktverbindungen
zu den Abschnitten der beiden Induktionsspulen in den verschiedenen
leitenden Schichten an Stellen an einem inneren und äußeren Radius
der Induktionsspulenabschnitte, was die Herstellung von Differentialinduktionsspulen
mit erhöhter
Induktanz gestattet. Bei anderen Ausführungsformen liegen die Durchkontaktverbindungen
an der gleichen Position innerhalb einer im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
der beiden Induktionsspulen, und eine Kerbe ist an jedem Ende der
Induktionsspulenabschnitte enthalten, um die Durchkontakte aufzunehmen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthält
eine Halbleitereinrichtung ein Werkstück und eine über dem
Werkstück
angeordnete erste leitende Schicht. Ein erster Abschnitt einer ersten
Induktionsspule und ein erster Abschnitt einer zweiten Induktionsspule
sind innerhalb der ersten leitenden Schicht angeordnet, wobei der
erste Abschnitt der zweiten Induktionsspule symmetrisch zu dem ersten
Abschnitt der ersten Induktionsspule ist. Mindestens eine zweite
leitende Schicht ist in der Nähe
der ersten leitenden Schicht angeordnet, wobei ein zweiter Abschnitt
der ersten Induktionsspule und ein zweiter Abschnitt der zweiten
Induktionsspule in jeder mindestens einen zweiten leitenden Schicht
angeordnet sind. Jeder zweite Abschnitt der zweiten Induktionsspule
ist symmetrisch zu jedem zweiten Abschnitt der ersten Induktionsspule
in jeder mindestens einen zweiten leitenden Schicht. Mindestens
ein erster Induktionsspulendurchkontakt koppelt den ersten Abschnitt
der ersten Induktionsspule in der ersten leitenden Schicht an den
zweiten Abschnitt der ersten Induktionsspule in einer benachbarten
zweiten leitenden Schicht. Mindestens ein zweiter Induktionsspulendurchkontakt koppelt
den ersten Abschnitt der zweiten Induktionsspule in der ersten leitenden
Schicht an den zweiten Abschnitt der zweiten Induktionsspule in
einer benachbarten zweiten leitenden Schicht. Der mindestens eine
zweite Induktionsspulendurchkontakt ist symmetrisch zu dem mindestens
einen ersten Induktionsspulendurchkontakt.
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Gemäß noch einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Herstellen
einer Halbleitereinrichtung: Bereitstellen eines Werkstücks, Ausbilden
einer ersten leitenden Schicht über
dem Werkstück
und Ausbilden mindestens einer zweiten leitenden Schicht in der
Nähe der
ersten leitenden Schicht. Ein erster Abschnitt einer ersten Induktionsspule
und ein erster Abschnitt einer zweiten Induktionsspule sind innerhalb
der ersten leitenden Schicht ausgebildet, wobei der erste Abschnitt
der ersten Induktionsspule und der erste Abschnitt der zweiten Induktionsspule
symmetrisch sind. Ein zweiter Abschnitt der ersten Induktionsspule
und ein zweiter Abschnitt der zweiten Induktionsspule sind in jeder
mindestens einen zweiten leitenden Schicht ausgebildet. Jeder zweite
Abschnitt der ersten Induktionsspule und jeder zweite Abschnitt
der zweiten Induktionsspule sind in jeder mindestens einen zweiten
leitenden Schicht symmetrisch. Der erste Abschnitt der ersten Induktionsspule
in der ersten leitenden Schicht ist an den zweiten Abschnitt der
ersten Induktionsspule in einer benachbarten zweiten leitenden Schicht
mit mindestens einem ersten Induktionsspulendurchkontakt gekoppelt.
Der erste Abschnitt der zweiten Induktionsspule in der ersten leitenden
Schicht ist an den zweiten Abschnitt der zweiten Induktionsspule
mit mindestens einem zweiten Induktionsspulendurchkontakt in der
benachbarten zweiten leitenden Schicht gekoppelt. Der mindestens
eine erste Induktionsspulendurchkontakt und der mindestens eine zweite
Induktionsspulendurchkontakt sind symmetrisch.
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Zu
Vorteilen von bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zählen
die Bereitstellung von Paaren von gekoppelten Induktionsspulen,
wobei die beiden Induktionsspulen sehr symmetrische Induktanz-,
Widerstands- und Kapazitätswerte
aufweisen. Differentialinduktionsspulen mit vergrößerter Induktanz
können
erzielt werden durch Verwendung einer größeren Anzahl leitender Schichten von
integrierten Schaltungen und durch Erhöhen der Anzahl von Wicklungen
der Abschnitte der Induktionsspulen in einer oder mehreren leitenden
Schichten. Die Asymmetrie der beiden Induktionsspulen wird durch
Durchkontaktpositionierung, die Verwendung entsprechender Layouts
und durch den Einsatz von Kerben an dem Ende der Induktionsspulenabschnitte
zum Aufnehmen der Durchkontaktpositionierung auf ein Minimum reduziert,
um eine größere Symmetrie
zu erreichen.
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Das
oben gesagte hat die Merkmale und technischen Vorteile von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung recht breit umrissen, damit die ausführliche
Beschreibung der Erfindung, die folgt, besser verstanden werden
kann. Zusätzliche
Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen
der Erfindung werden hiernach beschrieben, die den Gegenstand der
Ansprüche
der Erfindung bilden.
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Der
Fachmann versteht, dass Konzeption und spezifische Ausführungsformen,
die offenbart sind, ohne weiteres als Basis verwendet werden können, um
andere Strukturen oder Prozesse zu modifizieren oder auszulegen,
um die gleichen Zwecke der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Der
Fachmann versteht außerdem,
dass äquivalente
Konstruktionen nicht von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung
abweichen, wie sie in den beigefügten
Ansprüchen
dargelegt sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein umfassenderes
Verständnis
der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden
Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug
genommen. Es zeigen:
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1 eine
Zeichnung nach dem Stand der Technik einer in einer Metallisierungsschicht
einer integrierten Schaltung ausgebildeten Differentialinduktionsspule;
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2 ein
Schemadiagramm einer VCO-Schaltung nach dem Stand der Technik, die eine
Differentialinduktionsspule verwendet;
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3 eine
Querschnittsansicht einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei eine Differentialinduktionsspule in mehreren leitenden
Schichten einer integrierten Schaltung ausgebildet ist;
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4A eine
Draufsicht auf eine obere leitende Schicht der in 3 gezeigten
Ausführungsform, wobei
Spannungsanschlussverbindungen in der oberen leitenden Schicht ausgebildet
sind;
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4B eine
Draufsicht auf eine unter der oberen leitenden Schicht angeordnete
leitende Schicht, wobei ein erster Abschnitt einer ersten Induktionsspule
und ein erster Abschnitt einer zweiten Induktionsspule in der leitenden
Schicht ausgebildet sind, die ersten Abschnitte der ersten und zweiten
Induktionsspule jeweils eine volle Wicklung umfassen und wobei die
Spannungsanschlüsse über Durchkontakte
an gegenüberliegenden
Seiten der Struktur an die ersten Abschnitte der ersten und zweiten
Induktionsspule gekoppelt sind;
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4C eine
Draufsicht auf eine unter der in 4B gezeigten
leitenden Schicht angeordnete leitende Schicht, wobei ein zweiter
Abschnitt der ersten Induktionsspule und ein zweiter Abschnitt der
zweiten Induktionsspule darin ausgebildet sind;
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4D eine
Draufsicht auf eine unter der in 4C gezeigten
Schicht angeordnete leitende Schicht, wobei ein dritter Abschnitt
der ersten Induktionsspule und ein dritter Abschnitt der zweiten
Induktionsspule darin ausgebildet sind;
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4E eine
Draufsicht auf eine leitende Schicht der Differentialinduktionsspule,
unter der in 4D gezeigten Schicht angeordnet,
wobei ein Abschnitt der leitenden Schicht verwendet wird, um den dritten
Abschnitt der ersten Induktionsspule mit dem dritten Abschnitt der
zweiten Induktionsspule und mit einer Spannungsversorgung zu verbinden;
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5A bis 5E Draufsichten
auf eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule
und der zweiten Induktionsspule in jeder leitenden Schicht zwei
volle Wicklungen umfassen;
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6A bis 6C Draufsichten
auf eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten und
zweiten Induktionsspule Halbwicklungen umfassen, wobei die Enden
der Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule gekerbt sind,
um die Durchkontakte aufzunehmen, wodurch eine symmetrische Struktur hergestellt
wird, und wobei die Spannungsverbindungen in der gleichen leitenden
Schicht hergestellt sind, in der die oberen und unteren Abschnitte
der ersten und zweiten Induktionsspule ausgebildet sind;
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7A bis 7C eine
Ausführungsform der
Erfindung, ähnlich
der in 6A bis 6C gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule und der zweiten
Induktionsspule, die in der mittleren leitenden Schicht (7B) ausgebildet
sind, 1,5 Wicklungen umfassen;
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8A, 8B und 8C Draufsichten auf
eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule
und der zweiten Induktionsspule in der dickeren oberen leitenden
Schicht 1,5 Wicklungen umfassen und wobei die Spannungsverbindungen
in den dünneren
darunter liegenden leitenden Schichten hergestellt sind;
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9A und 9B Draufsichten
auf noch eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die erste Induktionsspule, die
zweite Induktionsspule und die Spannungsverbindungen in zwei leitenden
Schichten hergestellt sind und die Induktionsspulenabschnitte zwei
Wicklungen in einer Schicht umfassen:
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10A und 10B eine
alternative Ausführungsform
zu der in 9A und 9B gezeigten;
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11A und 11B eine
weitere alternative Ausführungsform
zu der in 9A und 9B gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Induktionsspulenabschnitte 1,5 Wicklungen umfassen;
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12A und 12B eine
weitere alternative Ausführungsform
zu der in 11A und 11B gezeigten
Ausführungsform;
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13,
dass Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sich leicht in Halbleiterdesigns mit großen Durchkontakten
implementieren lassen;
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14 eine
Querschnittsansicht einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Wicklungen von Abschnitten
der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule in den
verschiedenen leitenden Schichten unterschiedliche Breiten umfassen;
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15 eine
Perspektivansicht von mehreren leitenden Schichten einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Wicklungen von Abschnitten
der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule in benachbarten
Schichten versetzt oder offset sind;
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16 ein
Diagramm für
eine ideale doppeltkugelförmige
Differentialinduktionsspule oder einen selbigen Transformator, die
oder der in mehreren leitenden Schichten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden kann;
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17A, 17B und 17C Draufsichten auf eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule
und der zweiten Induktionsspule in jeder leitenden Schicht ¾-Wicklungen
umfassen; und
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18 einen
Transformator, in dem die neuartigen ersten Induktionsspulen und
zweiten Induktionsspulen von hier beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung implementiert werden können.
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Entsprechende
Zahlen und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich allgemein
auf entsprechende Teile, so weit nicht anders angeführt. Die
Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der bevorzugten
Ausführungsformen
klar zu verdeutlichen, und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu
gezeichnet.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die
Herstellung und der Einsatz der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
werden unten ausführlich
erläutert.
Es sei jedoch angemerkt, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare
erfindungsgemäße Konzepte
liefert, die in einer großen Vielfalt
spezifischer Kontexte verkörpert
werden können.
Die erörterten
spezifischen Ausführungsformen veranschaulichen
lediglich spezifische Wege zur Herstellung und Verwendung der Erfindung
und begrenzen nicht den Schutzbereich der Erfindung.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen
in einem spezifischen Kontext beschrieben, nämlich in einer VCO-Schaltung
verwendete Differentialinduktionsspulen. Ausführungsformen der Erfindung
lassen sich jedoch auch auf andere HF-Designs anwenden, die die Verwendung
von Induktionsspulen erfordern, wie etwa beispielsweise Transformatoren
und andere Schaltungen oder Schaltungskomponenten, die zwei gekoppelte
Induktionsspulen erfordern.
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, bei der eine Halbleitereinrichtung 100 eine
Differentialinduktionsspule enthält,
die in mehreren leitenden Schichten M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7,
V1, V2, V3, V4, V5 und V6 einer integrierten Schaltung ausgebildet
ist. Die leitenden Schichten M1, M2, M3, M4, M5, M6, M7, V1, V2,
V3, V4, V5 und V6 können
Metallisierungsschichten M1, M2, M3, M4, M5, M6 und M7 und Durchkontaktmetallisierungsschichten
V1, V2, V3, V4, V5 und V6 umfassen, die Aluminium, Kupfer, Wolfram,
andere Metalle oder Kombinationen oder Legierungen davon umfassen
(als Beispiel). Die Metallisierungsschichten M1, M2, M3, M4, M5,
M6, M7, V1, V2, V3, V4, V5 und V6 umfassen in der Regel Inter connectschichten,
die in späteren
Stadien des Herstellungsprozesses für die Halbleitereinrichtung 100 ausgebildet
werden, oftmals als BEOL (back end of the line) bezeichnet (als
Beispiel), nachdem in einem Werkstück 102 aktive Bereiche
ausgebildet worden sind. Die obersten leitenden Schichten M6, M7, V5
und V6 können
im Vergleich zu den darunter liegenden leitenden Schichten M1 bis
M5 und V1 bis V4 eine vergrößerte Dicke
umfassen (als Beispiel). Sieben Metallisierungsschichten und sechs
Durchkontaktschichten sind in 3 gezeigt;
alternativ können gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mehr oder weniger leitende Schichten
in einer Halbleitereinrichtung 100 enthalten sein (als
Beispiel).
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Alternativ
können
die hier zu beschreibenden Differentialinduktionsspulen in anderen
leitenden Materialschichten einer Halbleitereinrichtung ausgebildet
sein, umfassend halbleitende Materialien wie etwa Silizium oder
Silizium kombiniert mit anderen Materialien wie etwa Metallen (als
Beispiel).
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Zur
Herstellung der Halbleitereinrichtung 100 wird zuerst ein
Werkstück 102 vorgesehen.
Das Werkstück 102 kann
ein Halbleitersubstrat enthalten, das Silizium oder andere Halbleitermaterialien
umfasst, die von einer isolierenden Schicht bedeckt sind (als Beispiel).
Das Werkstück 102 kann
auch andere aktive Komponenten oder Schaltungen enthalten, die in
dem FEOL (front end of line) ausgebildet sind (nicht gezeigt). Das
Werkstück 102 kann
Siliziumoxid über
einkristallinem Silizium umfassen (als Beispiel). Das Werkstück 102 kann
andere leitende Schichten oder andere Halbleiterelemente enthalten,
z.B. Transistoren, Dioden, usw. Anstelle von Silizium können als
Beispiel auch Verbindungshalbleiter GaAs, InP, Si/Ge oder SiC verwendet
werden.
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Als
nächstes
wird über
dem Werkstück 102 eine
leitende Schicht wie etwa M1 ausgebildet. Die leitende Schicht kann
unter Verwendung eines subtraktiven Ätzprozesses ausgebildet werden,
wobei leitendes Material über
dem Werkstück 102 abgeschieden
und dann strukturiert wird. Ein isolierendes Material 104 wird
dann zwischen dem strukturierten leitenden Material abgeschieden.
Alternativ kann das isolierende Material 104 zuerst abgeschieden
werden und das isolierende Material 104 wird dann strukturiert
und mit einem leitenden Material gefüllt, in der Technik als ein
Damascene-Prozess bezeichnet.
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Ein ähnlicher
Prozess kann verwendet werden, um mehrere Interconnectschichten
M2, M3, M4, M5, M6, M7 und V1, V2, V3, V4, V5 und V6 sequentiell über der
leitenden Schicht M1 auszubilden, wie gezeigt. Das leitende Material
in zwei oder mehr Interconnectschichten M1, M2, M3, M4, M5, M6 und M7
bildet Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung aus. Leitende Leitungen können auch
in anderen Gebieten der Halbleitereinrichtung 100 in den
Interconnectschichten M1, M2, M3, M4, M5, M6 und M7 ausgebildet
werden (als Beispiel, nicht gezeigt). Die Durchkontaktebenen V1,
V2, V3, V4, V5 und V6 stellen eine elektrische Verbindung zwischen
benachbarten leitenden Schichten M1, M2, M3, M4, M5, M6 und M7 (als
Beispiel) bereit und werden auch verwendet, um die Abschnitte der
Induktionsspulen L1 und L2 in
benachbarten leitenden Materialschichten gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung zu verbinden. Eine Durchkontaktebene wie etwa V2 und eine
darüber
liegende Interconnectschicht wie etwa M3 können beispielsweise in einem Doppel-Damascene-Prozess
ausgebildet werden.
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Gemäß bevorzugter
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden bevorzugt Abschnitte einer Differentialinduktionsspule
L1 und L2 in zwei oder
mehr leitenden Schichten M1 bis M7 ausgebildet, und die Abschnitte
jeder der Induktionsspulen L1 und L2 werden unter Verwendung der hier näher zu beschreibenden
Durchkontaktebe nen V1 bis V6 miteinander verbunden.
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Draufsichten
auf leitende Schichten der neuartigen Differentialinduktionsspule
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind in den 4A, 4B, 4C, 4D und 4E gezeigt.
Bei der in den 4A, 4B, 4C, 4D und 4E gezeigten
Ausführungsform
umfasst jeder Abschnitt der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2 der Differentialinduktionsspule
innerhalb einer einzelnen leitenden Schicht eine volle Wicklung,
wenngleich in anderen Ausführungsformen
die Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 andere Anzahlen von Wicklungen (2, 3,
4 usw.), bruchteilige Anzahlen von Wicklungen oder bruchteilige
Anzahlen größer als
volle Wicklungen (als Beispiel) umfassen können, hier näher zu beschreiben.
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4A ist
eine Draufsicht auf eine in 3 gezeigte
obere leitende Schicht wie etwa Schicht M7, wobei Spannungsanschlussverbindungen 109a und 109b in
der oberen leitenden Schicht M7 ausgebildet sind. Eine mit den Pfeilen
3-3 bezeichnete Querschnittsansicht eines Abschnitts von 4A ist
in 3 gezeigt. Die Spannungsanschlussverbindungen 109a und 109b können an
Spannungsanschlüsse
A bzw. B einer VCO-Schaltung wie etwa der in 2 gezeigten
Schaltung gekoppelt sein (als Beispiel).
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4B zeigt
eine Draufsicht auf eine leitende Schicht wie etwa M6 von 3,
unter der oberen leitenden Schicht M7 angeordnet, wobei ein erster Abschnitt
einer ersten Induktionsspule L1 und ein
erster Abschnitt einer zweiten Induktionsspule L2 in
der leitenden Schicht M6 ausgebildet sind. Eine mit Pfeilen 3-3
bezeichnete Querschnittsansicht eines Abschnitts von 4B ist
in 3 gezeigt. Die ersten Abschnitte der ersten und
zweiten Induktionsspule L1 und L2 umfassen jeweils eine volle Wicklung und
sind symmetrisch, wie aus 4B ersichtlich
ist. Bevorzugt sind die Spannungsanschluss verbindungen 109a und 109b über Durchkontakte 110a und 110b an
Enden der ersten Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 bzw. L2 an gegenüberliegenden
Seiten der Struktur gekoppelt, wie gezeigt. Beispielsweise umfassen
die ersten Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2 bevorzugt eine
im wesentlichen schleifenförmige
oder kreisförmige
Struktur, und Durchkontakt 110b ist bevorzugt etwa 180
Grad von Durchkontakt 110a in der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
positioniert. Mit anderen Worten ist Durchkontakt 110b bevorzugt
gegenüber
vom Durchkontakt 110a in der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
positioniert (als Beispiel).
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Bevorzugt
sind die Enden des ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 versetzt und überlappen über eine vertikale Achse 130 in
der Nähe
der Durchkontakte 110a und 112a, die eine Verbindung
zu benachbarten leitenden Materialschichten bereitstellen. Analog
sind die Enden des ersten Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 versetzt und überlappen über die vertikale Achse 130 in der
Nähe der
Durchkontakte 110b und 112b, die eine Verbindung
zu benachbarten leitenden Materialschichten bereitstellen. Insbesondere
sind bei einigen Ausführungsformen
die ersten Induktionsspulendurchkontakte und die zweiten Induktionsspulen
auf einer geraden Linie ausgerichtet. Beispielsweise sind in 4B die
Durchkontakte 110a und 110b und die Durchkontakte 112a und 112b auf
einer geraden Linie ausgerichtet, z. B. der Achse 130.
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Die
Durchkontakte 110a, 110b, 112a und 112b sind
bevorzugt auf der vertikalen Achse 130 zentriert, wie gezeigt.
Außerdem
ist ein Durchkontakt 110a zum Herstellen einer Verbindung
zu der Spannungsanschlussverbindung 109a. (z.B. zum Spannungsanschluss
A in der in 2 gezeigten VCO-Schaltung) auf
einer Innenseite der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur positioniert,
und der andere Durchkontakt 110b zum Herstellen einer Verbindung
zu der Spannungsanschlussverbindung 109b (z.B. dem in 2 gezeigten
Spannungsanschluss B) ist auf einer Außenseite der im wesentlichen
schleifenförmigen
Struktur positioniert, um die Symmetrie der Struktur der Differentialinduktionsspule
zu verbessern.
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4C zeigt
eine Draufsicht auf eine leitende Schicht wie etwa Schicht M5 von 3,
unter der in 4B gezeigten leitenden Schicht
angeordnet, wobei ein zweiter Abschnitt der ersten Induktionsspule
L1 und ein zweiter Abschnitt der zweiten
Induktionsspule L2 darin ausgebildet sind.
Die zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2 umfassen
jeweils eine volle Wicklung und sind in der leitenden Schicht M5,
in der sie ausgebildet sind, symmetrisch. Die Durchkontakte 112a und 114a,
die die Enden des zweiten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 mit benachbarten leitenden Schichten
koppeln, liegen bevorzugt in der Nähe zueinander. Die Durchkontakte 112b und 114b,
die die Enden des zweiten Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 zu benachbarten leitenden Schichten koppeln,
liegen bevorzugt in der Nähe
zueinander und liegen bevorzugt gegenüber den Durchkontakten 112a und 114a in
der im wesentlichen schleifenförmigen
Struktur der zweiten Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 und L2.
-
Der
obere äußere Durchkontakt 112a ist
in der über
der leitenden Schicht M5 angeordneten Durchkontaktschicht V5 angeordnet
und koppelt ein Ende des ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 in der leitenden Schicht M6 zu einem
Ende des zweiten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 in der leitenden Schicht M5. Der obere
innere Durchkontakt 114a ist in der unter der leitenden
Schicht M5 angeordneten Durchkontaktschicht V4 angeordnet und koppelt
das andere Ende des zweiten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 in der leitenden Schicht M5 an ein Ende
eines dritten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 in
der leitenden Schicht M4, in 4D gezeigt.
Gleichermaßen
ist der untere innere Durchkontakt 112b in der über der
leitenden Schicht M5 angeordneten Durchkontaktschicht V5 ausgebildet
und koppelt ein Ende des ersten Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 in der leitenden Schicht M6 an ein Ende
des zweiten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 in
der leitenden Schicht M5. Der untere äußere Durchkontakt 114b ist
in der unter der leitenden Schicht M5 angeordneten Durchkontaktschicht
V4 ausgebildet und koppelt das andere Ende des zweiten Abschnitts
der zweiten Induktionsspule L2 in der leitenden
Schicht M5 an ein Ende eines dritten Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 in der leitenden Schicht M4, in 4D gezeigt.
-
4D zeigt
eine Draufsicht auf eine leitende Schicht wie etwa die unter der
in 4C gezeigten Schicht M5 angeordnete Schicht M4,
wobei ein dritter Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 und ein dritter Abschnitt der zweiten Induktionsspule
L2 darin ausgebildet und wie oben beschrieben
mit den zweiten Abschnitten der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 und L2 wie oben
beschrieben verbunden sind. Die dritten Abschnitte der ersten und
zweiten Induktionsspule L1 und L2 umfassen jeweils eine volle Wicklung und
sind in der leitenden Schicht M4, in der sie ausgebildet sind, symmetrisch.
Die Durchkontakte 114a und 116a, die die Enden
des dritten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 mit
benachbarten leitenden Schichten koppeln, liegen bevorzugt in der
Nähe zueinander.
Die Durchkontakte 114b und 116b, die die Enden
des dritten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 zu
benachbarten leitenden Schichten koppeln, liegen bevorzugt in der
Nähe zueinander
und liegen bevorzugt gegenüber
den Durchkontakten 114a und 114b in der im wesentlichen
schleifenförmigen
Struktur der dritten Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 und L2.
-
Der
obere äußere Durchkontakt 116a ist
bevorzugt zwi schen einem Ende des dritten Abschnitts der ersten
Induktionsspule L1 zu einem Ende einer leitenden
Leitung 117 in einer benachbarten leitenden Schicht wie
etwa Schicht M3 gekoppelt, in 3 gezeigt.
Der obere innere Durchkontakt 114a koppelt das andere Ende
des dritten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 an
ein Ende des zweiten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 von 4C. Gleichermaßen ist
der untere innere Durchkontakt 116b zwischen ein Ende des
dritten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 zu
einem Ende einer leitenden Leitung 117 in der leitenden
Schicht M3 gekoppelt. Der untere äußere Durchkontakt 114b koppelt
das andere Ende des dritten Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 an ein Ende des zweiten Abschnitts der zweiten
Induktionsspule L2 von 4C.
-
4E zeigt
eine Draufsicht auf eine leitende Schicht der unter der in 4D gezeigten
Schicht angeordneten Differentialinduktionsspule, wobei ein Abschnitt
der leitenden Schicht verwendet wird, um den dritten Abschnitt der
ersten Induktionsspule L1 und den dritten
Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 miteinander
und mit einer Spannungsversorgung VDD zu verbinden, wie in dem Schemadiagramm
von 2 gezeigt. Die leitende Leitung 117 kann
an anderer Stelle in der leitenden Schicht M3 an den Spannungsanschluss
D gekoppelt sein (als Beispiel, nicht gezeigt). Beispielsweise kann
die leitende Leitung 117 elektrisch mit einem mittleren
Abgriff oder einem Stromversorgungsanschluss VDD verbunden
sein, wie in der VCO-Schaltung von 2 gezeigt,
als Beispiel. Die in den Ausführungsformen hierin
beschriebenen Induktionsspulen L1 und L2 können
verwendet werden, um die in 2 gezeigten
Induktionsspulen LA und LB zu
ersetzen (als Beispiel).
-
In
jeder der leitenden Schichten wird eine verbesserte Symmetrie der
Differentialinduktionsspule erzielt durch Abwechseln der Durchkontaktverbindungspositionen,
z.B. unter Verwendung eines oberen äußeren Durchkontakts 112a und
unteren inneren Durchkontakts 114a für den zweiten Abschnitt der
ersten Induktionsspule L1, wie in 4C gezeigt, und
unter Verwendung eines unteren inneren Durchkontakts 112b und
eines unteren äußeren Durchkontakts 114b für den zweiten
Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2.
-
Bei
dieser Ausführungsform
sind Wicklungen der Induktionsspulen L1 und
L2 in drei leitenden Schichten ausgebildet
gezeigt. Alternativ werden möglicherweise
nur zwei leitende Schichten verwendet (wie in 4B und 4C gezeigt)
und an eine leitende Leitung 117 wie in 4E gezeigt
unter der untersten leitenden Schicht gekoppelt. Zudem können zusätzliche
Wicklungen oder Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 in vier oder mehr leitenden Schichten
ausgebildet sein, wobei wieder eine leitende Leitung 117 in
einer unteren leitenden Schicht verwendet wird, um die Induktionsspulen
L1 und L2 zu verbinden.
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Die
Abschnitte der Induktionsspulen L1 und L2 in der in 4B bis 4D gezeigten
Ausführungsform
umfassen volle Wicklungen; alternativ kann die Anzahl der Wicklungen
von Schicht zu Schicht variieren. Wenn die Anzahl der Wicklungen variiert,
umfassen die Anzahl der Wicklungen ganze Zahlen, z. B. 1, 2, 3,
4 usw., so dass die Durchkontaktpositionen von Schicht zu Schicht
ausgerichtet sind (als Beispiel).
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Weil
die Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 in jeder Schicht symmetrisch sind, kann
das Layout der Abschnitte durch Drehung und/oder eine Spiegeloperation
von einem der Abschnitte ausgelegt werden (als Beispiel). Ein erstes
Muster für
einen Abschnitt einer ersten Induktionsspule L1 kann
ausgelegt werden, und um das Muster für einen Abschnitt einer zweiten
Induktionsspule L2 in der gleichen leitenden
Schicht zu erzeugen, kann das erste Muster um 180 Grad gedreht werden,
um ein zweites Muster für
den Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 zu
erzeugen (als Bei spiel).
-
Bei
dieser Ausführungsform
umfaßt
in einer Perspektivansicht die erste Induktionsspule L1 eine im
wesentlichen spiralförmige
Gestalt in der leitenden Schicht M6 (4B), der
leitenden Schicht M5 (4C) und der leitenden Schicht
M4 (4D). Gleichermaßen umfaßt die zweite Induktionsspule
L2 eine spiralförmige Gestalt in der leitenden
Schicht M6 (4B), der leitenden Schicht M5
(4C) und der leitenden Schicht M4 (4D).
Somit läßt sich
durch Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung eine Struktur erzielen, die einer idealen
Differentialstruktur wie etwa der in 16 gezeigten
nahe kommt. Ein Paar gekoppelter Induktionsspulen L1 und
L2 wird erzeugt, wobei die zweite Induktionsspule
L2 ein Spiegelbild der ersten Induktionsspule
L1 umfaßt
und zu der ersten Induktionsspule L1 symmetrisch
ist.
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Die 5A bis 5E zeigen
Draufsichten auf eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 und
der zweiten Induktionsspule L2 in jeder
leitenden Schicht zwei volle Wicklungen umfassen. Die Struktur ist ähnlich der
in 4A bis 4E gezeigten
Struktur mit dem Unterschied, daß der jede Abschnitt der ersten
und zweiten Induktionsspule L1 und L2 zwei Schleifen oder Wicklungen umfaßt.
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Jeder
Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 in
jeder leitenden Schicht umfaßt
bevorzugt ein symmetrisches Spiegelbild, das durch Rotation und/oder
eine Spiegeloperation des ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 in dieser leitenden Schicht erzeugt wird.
Wie bei der in den 4A bis 4E gezeigten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung liegen bevorzugt außerdem die Spannungsanschlüsse A und
B auf gegenüberliegenden
Seiten der Struktur, wie gezeigt, mit einem Anschluss am Außendurchmesser
und einem am Innendurchmes ser, um die korrekte Wicklungsrichtung beizubehalten
und Symmetrie zu erzielen. Dies ist vorteilhaft, weil eine Verbindung
zu einem darunter liegenden Induktionsspulenabschnitt an jedem Ende in
der Nähe
der Spannungsanschlüsse
A und B hergestellt werden kann. Ein Durchkontakt 110a kann
an ein Ende der ersten Induktionsspule L1 in
der Nähe der
Verbindung des Spannungsanschlusses A zum ersten Abschnitt der Induktionsspule
L1 gekoppelt sein, und ein Durchkontakt 110b kann
an ein Ende der zweiten Induktionsspule L2 in
der Nähe
der Verbindung des Spannungsanschlusses B zum ersten Abschnitt der
Induktionsspule L1 gekoppelt sein. Dies ist
vorteilhaft, weil eine sehr symmetrische Struktur, z.B. physikalisch,
elektrisch und elektromagnetisch, erzeugt wird, wobei der erste
Induktionsspulen-L1-Abschnitt und der zweite
Induktionsspulen-L2-Abschnitt die gleiche
Größe und Gestalt
umfassen und wobei beide Durchkontakte 110a und 110b in
der Nähe
eines Spannungsanschlusses A bzw. B liegen.
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Man
beachte, dass jeder Durchkontakt 110a und 110b einen
einzelnen Durchkontakt oder einen leitenden Plug umfassen kann,
der in einer Durchkontaktschicht wie etwa den in 3 gezeigten Schichten
V1 bis V6 ausgebildet ist, oder jeder Durchkontakt 110a und 110b kann
eine Vielzahl von Durchkontakten umfassen (als Beispiel).
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Insbesondere
umfasst bei dieser Ausführungsform
der erste Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 zwei
Wicklungen, und der erste Abschnitt der zweiten Induktionsspule
L2 umfaßt
zwei Wicklungen. Weil die Anzahl der Wicklungen in jeder Schicht zunimmt,
nimmt die Induktanz der Induktionsspulen L1 und
L2 vorteilhafterweise zu. Die beiden Wicklungen
der erste Induktionsspulen-L1-Abschnitt und der zweite
Induktionsspulen-L2-Abschnitt in jeder leitenden
Schicht umfassen eine im wesentlichen schleifenförmige Struktur, und der Spannungsanschluss
B ist innerhalb der im wesentlichen schleifen förmigen Struktur auf einer gegenüberliegenden
Seite vom Spannungsanschluss A positioniert. Bevorzugt ist der Spannungsanschluss
B etwa 180 Grad innerhalb der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
relativ zum Spannungsanschluss A in der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
positioniert. Ein Spannungsanschluss ist am Außendurchmesser platziert, während der
andere Spannungsanschluss am Innendurchmesser platziert ist. Diese
verbleibende Asymmetrie kann durch das Layout der verbindenden Struktur
reduziert werden, die die Spannungsanschlüsse unter Verwendung der Durchkontakte
kontaktiert (als Beispiel).
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In
den in 4A bis 4E und 5A bis 5E gezeigten
Ausführungsformen
sind die Enden der Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 in jeder leitenden Schicht bevorzugt versetzt
und überlappen über eine
Achse, in der Nähe
der Durchkontakte, die eine Verbindung zu benachbarten leitenden Materialschichten
bereitstellen. Gleichermaßen
sind die Enden der Abschnitte der zweiten Induktionsspule L2 in jeder leitenden Schicht versetzt und überlappen über eine
Achse, in der Nähe
der Durchkontakte, die eine Verbindung zu benachbarten leitenden
Materialschichten bereitstellen. Die Durchkontakte sind bevorzugt
auf der Achse zentriert, und die Durchkontakte der ersten Induktionsspule
L1 sind bevorzugt gegenüber von den Durchkontakten
der zweiten Induktionsspule L2 innerhalb
der von den Induktionsspulenabschnitten in jeder leitenden Schicht
ausgebildeten im wesentlichen schleifenförmigen Struktur positioniert.
Verbindungen zwischen Induktionsspulenabschnitten werden unter Verwendung
von inneren und äußeren Durchkontakten
hergestellt, um die Symmetrie der Struktur der gekoppelten Induktionsspulen
L1 und L2 zu verbessern.
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Man
beachte auch, daß bei
den in 4A bis 4E und 5A bis 5E gezeigten
Ausführungsformen
der zweite Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 innerhalb
der zweiten leitenden Schicht in der Nähe des ersten Abschnitts der
zweiten Induktionsspule L2 in der ersten leitenden
Schicht angeordnet ist und der zweite Abschnitt der zweiten Induktionsspule
L2 in der zweiten leitenden Schicht in der
Nähe des
ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 in
der ersten leitenden Schicht angeordnet ist. Beispielsweise kann
der zweite Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 unmittelbar
unter dem ersten Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 in einer benachbarten leitenden Schicht
angeordnet sein.
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Die 6A bis 6C zeigen
Draufsichten auf eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten und
zweiten Induktionsspule L1 und L2 in jeder leitenden Schicht Halbwicklungen
umfassen. Bei dieser Ausführungsform
sind die Enden der Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
gekerbt, um die verbindenden Durchkontakte aufzunehmen, wodurch
eine symmetrische Struktur hergestellt wird. Die Spannungsverbindungen
werden innerhalb der gleichen leitenden Schicht hergestellt, in
der die oberen und unteren Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
ausgebildet sind, so dass die Struktur unter Verwendung von nur
drei leitenden Schichten (und von zwei Durchkontaktschichten zwischen
den leitenden Schichten) ausgebildet wird.
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Unter
Bezugnahme auf 6A werden als nächstes die
Verbindungen für
die erste Induktionsspule L1 beschrieben.
Ein Ende eines ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 ist an einen Spannungsanschluss A gekoppelt.
Der erste Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 umfaßt eine Halbwicklung,
wobei das andere Ende eine Kerbe 134 umfaßt. Die
gezeigte Kerbe 134 ist eine nach innen gewandte Kerbe,
die in die durch die Abschnitte der Induktionsspule L1 und
L2 ausgebildete, im wesentlichen schleifenförmige Struktur
gewandt ist. Ein in einer benachbarten Durchkontaktschicht ausgebildeter
Durchkontakt 111a koppelt den ersten Abschnitt der ersten
Induktionsspule L1 an einen zweiten Abschnitt
der ersten Induktionsspule L1, in 6B gezeigt.
Der zweite Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 umfasst
auch eine an dem in der Nähe
des Durchkontakts 111a liegenden Ende ausgebildete nach
innen weisende Kerbe 134, wie gezeigt. Der zweite Abschnitt
der ersten Induktionsspule L1 umfasst eine
Halbwicklung, wobei ein anderes Ende eine Kerbe 134 umfasst.
Die am weitesten links liegende Kerbe 134 in der Nähe des Durchkontakts 113a in 6B umfasst
eine nach außen
zeigende Kerbe (als Beispiel). Ein in einer Durchkontaktschicht ausgebildeter
Durchkontakt 113a koppelt den zweiten Abschnitt der ersten
Induktionsspule L1 an einen in einer benachbarten
leitenden Schicht ausgebildeten dritten Abschnitt der ersten Induktionsspule
L1, wie in 6C gezeigt.
Der dritte Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 umfaßt eine
Halbwicklung, die an das Ende eines dritten Abschnitts der zweiten
Induktionsspule L2 und auch an einen Spannungsversorgungsanschluss
D gekoppelt ist, wie gezeigt.
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Somit
umfaßt
die Gestalt der ersten Induktionsspule L1 eine
S-Gestalt oder Spirale innerhalb der leitenden Schichten, in denen
die erste Induktionsspule L1 ausgebildet
ist. In einer Draufsicht umfaßt die
Gestalt der ersten Induktionsspule L1 eine
kreisförmige
Gestalt innerhalb der obersten leitenden Schicht und der benachbarten
leitenden Schicht (als Beispiel).
-
Die
Abschnitte der zweiten Induktionsspule L2 sind
symmetrisch zu Abschnitten der ersten Induktionsspule L1 innerhalb
jeder leitenden Schicht. Die Abschnitte der zweiten Induktionsspule
L2 umfassen eine Kerbe 136 an den
Enden davon, worein die Kerbe 136 der zweiten Induktionsspule
L2 mit der Kerbe 134 der ersten
Induktionsspule L1 paßt, so daß die verbindenden Durchkontakte 111a, 111b, 113a und 113b entlang
einer zentralen Achse zu der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur
zentriert sind, was eine symmetrische Verbindungsstruktur für die Induktionsspulen
L1 und L2 gestattet.
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Die
Enden der Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 und
der zweiten Induktionsspule L2 enthalten
bevorzugt die Kerbe 134 bzw. 136, so dass die benachbarten
Enden des Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 und
des Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 wie
gezeigt versetzt sein können. Beispielsweise
ist in 6B Durchkontakt 111b an einer
Stelle an einem inneren Radius des zweiten Abschnitts der ersten
Induktionsspule L1 und an einer Stelle an
einem inneren Radius des ersten Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 gekoppelt (siehe 6A), und
Durchkontakt 111a ist an einer Stelle an einem äußeren Radius
des zweiten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 (siehe 6B)
und an einer Stelle an einem äußeren Radius
des ersten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 gekoppelt (6A).
Die Durchkontakte 111a und 111b sind bevorzugt
an den gekerbten Enden der Abschnitte der ersten Induktionsspule
L1 und den Abschnitten der zweiten Induktionsspule
L2 gekoppelt, wie gezeigt.
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7A bis 7C zeigen
eine Ausführungsform
der Erfindung ähnlich
der in 6A bis 6C gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 und
der zweiten Induktionsspule L2, in der mittleren
leitenden Schicht (7B) ausgebildet, 1,5 Wicklungen
umfassen. Diese Ausführungsform
ist vorteilhaft, weil die Induktanz der Induktionsspulen L1 und L2 wegen der
größeren Anzahl
der Wicklungen erhöht
ist. Man beachte, daß,
wenn ein Bruchteil von Wicklungen verwendet wird, bevorzugt der
gleiche Bruchteil einer Wicklung für alle die Abschnitte der Induktionsspulen L1 und L2 in einigen
Ausführungsformen
verwendet wird, so daß die
Durchkontakte 111a, 111b, 113a und 113b in
einer Reihe liegen und somit eine elektrische Verbindung zwischen
den leitenden Schichten herstellen. Beispielsweise kann die in 7B gezeigte mittlere
leitende Schicht alternativ 2,5 Wicklungen, 3,5 Wicklungen oder
x,5 Wicklungen umfassen, wobei x eine ganze Zahl ist.
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Gemäß einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (als Beispiel) umfassen die Abschnitte
der ersten Induktionsspule L1 und die Abschnitte
der zweiten Induktionsspule L2 in einer
leitenden Schicht x,f Wicklungen, wobei x eine ganze Zahl wie etwa
0, 1, 2, 3 usw. umfasst und wobei f einen Bruchteil einer Wicklung
umfasst.
-
8A, 8B und 8C zeigen
Draufsichten einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Abschnitte der ersten Induktionsspule
und der zweiten Induktionsspule in der dickeren oberen leitenden
Schicht 1,5 Wicklungen umfassen und wobei die Spannungsverbindungen
in den dünneren
darunter liegenden leitenden Schichten hergestellt sind. Beispielsweise
umfassen die Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2 in 8A 1,5
Wicklungen, die bevorzugt in einer dickeren leitenden Schicht wie
etwa der in 3 gezeigten Schicht M6 ausgebildet
sind. Die in 8B und 8C gezeigten
leitenden Schichten sind bevorzugt in den Schichten M5 bzw. M4 von 3 ausgebildet
(als Beispiel). Diese Ausführungsform
ist vorteilhaft, weil mehr und schmalere Wicklungen in der dickeren
oberen leitenden Leitungsschicht hergestellt werden können.
-
Vorteilhafterweise
können
der Widerstand der leitenden Leitungen, die die Abschnitte der ersten und
zweiten Induktionsspule L1 und L2 in benachbarten leitenden Schichten bilden,
gleich gemacht werden, indem die Breite der Wicklungen und die Anzahl der
Wicklungen an die Dicke und die Konduktanz des leitenden Materials
angepasst wird (z.B. dick gegenüber
dünn oder
Cu gegenüber
Al), als Beispiele. Beispielsweise kann eine erste leitende Schicht
(wie etwa die leitende Schicht M6 in 3, in 8A in einer
Draufsicht gezeigt) eine erste Dicke und ein erstes leitendes Material
umfassen, und eine zweite leitende Schicht (wie etwa die leitende
Schicht M5 in 3, in 8B in
einer Draufsicht gezeigt) kann eine zweite Dicke und ein zweites
leitendes Material umfassen, wobei die zweite Dicke von der ersten
Dicke verschieden ist. Der erste Abschnitt der ersten Induktionsspule
L1 und der erste Abschnitt der zweiten Induktionsspule
L2 in der leitenden Schicht M6 können eine
erste Breite und eine erste Anzahl von Wicklungen umfassen, und
der zweite Abschnitt der ersten Induktionsspule L1 und
der zweite Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 in
der leitenden Schicht M5 können
eine zweite Breite und eine zweite Anzahl von Wicklungen umfassen,
wobei die zweite Breite und die zweite Anzahl von Wicklungen von
der ersten Breite und der ersten Anzahl von Wicklungen verschieden
sind. Bevorzugt ist der Widerstand des die Induktionsspulenabschnitte
L1 und L2 in der
leitenden Schicht M6 bildenden ersten leitenden Materials etwa gleich
dem Widerstand des die Induktionsspulenabschnitte L1 und
L2 in der leitenden Schicht M5 bildenden
zweiten leitenden Materials (als Beispiel).
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Man
beachte, daß bei
dieser Ausführungsform
die Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 in den unteren Schichten (8B und 8C Halbwicklungen
umfassen, und die Enden der Halbwicklungen gekerbt sind (134, 146).
Die Durchkontakte 111a und 111b stellen elektrische
Verbindungen zwischen den Induktionsspulenabschnitten in 8A und 8B bereit,
und die Durchkontakte 113b/115b und 113a/115a stellen
eine elektrische Verbindung zwischen den Induktionsspulenabschnitten
in 8C und 8A bereit.
In 8B sind Landing-Pads für Durchkontakte 113a, 113b, 115a und 115b in
dem Design der leitenden Schicht enthalten, um eine Verbindung zwischen
den darunter liegenden Durchkontakten 113a und 113b mit
den darüber
liegenden Durchkontakten 115a bzw. 115b bereitzustellen.
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Bei
einigen Ausführungsformen
sind die erste Induktionsspule L1 und die
zweite Induktionsspule L2 bevorzugt in genau
zwei leitenden Schichten ausgebildet. Bei die ser Ausführungsform
wird bevorzugt eine weitere leitende Schicht verwendet, um die Enden
des zweiten Abschnitts der ersten Induktionsspule L1 und
des zweiten Abschnitts der zweiten Induktionsspule L2 zu
verbinden. Beispielsweise wird als nächstes unter Bezugnahme auf 9A und 9B der
größte Teil
der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 in der in 9A gezeigten
leitenden Schicht ausgebildet, wohingegen die Abschnitte der ersten
und zweiten Induktionsspule L1 und L2 zwei Wicklungen umfassen. Durchkontakte 140a und 140b koppeln
ein Ende der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 an leitende Leitungen 109a bzw. 109b,
die an Spannungsanschlüsse
A bzw. B gekoppelt sind, wie in 9B gezeigt.
Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 in der in 9B gezeigten
leitenden Schicht sind miteinander und an einen Spannungsversorgungsanschluss
D gekoppelt. Die Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 und L2 enthalten
bevorzugt eine Kerbe 134 bzw. 136 in der Nähe der Enden
der leitenden Leitung 109a bzw. 109b, wie gezeigt,
um eine symmetrische Verbindungsstruktur für die gekoppelten Induktionsspulen
L1 und L2 herzustellen.
-
Die 10A und 10B zeigen
eine alternative Ausführungsform
zu der in 9A und 9B gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Verbindungen des Spannungsanschlusses A und B weiterhin
einen Abschnitt der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2 umfassen.
Beispielsweise sind die leitenden Leitungen 109a und 109b in 9B durch
Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2 ersetzt worden, wodurch die Induktanz
erhöht
wird. Die Enden der Abschnitte der ersten und zweiten Induktionsspule
L1 und L2 umfassen
bevorzugt eine Kerbe entsprechend den Kerben 134 und 136 in
den Abschnitten der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und L2, die an
den Spannungsversorgungsanschluss D gekoppelt sind, wie gezeigt.
-
Die 11A und 11B zeigen
eine weitere alternative Ausführungsform
zu der in 9A und 9B gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Abschnitte der Induktionsspule L1 und
L2 1,5 Wicklungen in der oberen leitenden
Schicht umfassen, wie in 11A gezeigt.
Die Durchkontakte 144a und 146a stellen eine elektrische
Verbindung zu den darunter liegenden Abschnitten der ersten und
zweiten Induktionsspule L1 bzw. L2 her, in 11B gezeigt,
welche Abschnitte an die Spannungsanschlüsse A bzw. B gekoppelt sind.
Die Durchkontakte 144b und 146b stellen eine elektrische
Verbindung zu dem Spannungsversorgungsanschluss D her, wie gezeigt.
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Die 12A und 12B zeigen
eine weitere alternative Ausführungsform
zu der in 11A und 11B gezeigten
Ausführungsform,
wobei die Verbindung für
den Spannungsversorgungsanschluss D Abschnitte der ersten und zweiten
Induktionsspule L1 und L2 umfaßt.
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13 veranschaulicht,
daß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung leicht in Halbleiterdesigns mit großen Durchkontakten
implementiert werden können.
Die oberen Metallisierungsschichten von Halbleitereinrichtungen
weisen im Vergleich zu der Leitungsbreite der Wicklungen von Induktionsspulen
große
Durchkontakte auf, was für
einige Induktionsspulendesigns nach dem Stand der Technik problematisch
sein kann, weil viele Kreuzungen und Durchkontakte benötigt werden.
Weil die hier beschriebenen Designs der Induktionsspule L1 und L2 nur zwei
Durchkontakte 150a, 150b, 152a und 152b pro
Wicklung auf der inneren und äußeren Seite
der Wicklungen verwenden, ist es leicht, große Durchkontakte 150a, 150b, 152a und 152b mit
schmalen Linien zu kombinieren, z.B. schmale Wicklungen für die Abschnitte
der hier beschriebenen Induktionsspulen L1 und
L2 (als Beispiel).
-
14 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, wobei eine Halbleitereinrichtung 200 Wicklungen
von Abschnitten der ersten Induktionsspule und der zweiten Induktionsspule in
den verschiedenen leitenden Schichten mit unterschiedlichen Breiten
enthält. Wenn
beispielsweise die obere leitende Schicht MN eine
größere Dicke
als die leitende Schicht M1 umfasst, die in integrierten Schaltungen üblich ist,
können
vorteilhafterweise die Abschnitte der Induktionsspulen L1 und L2 eine Breite
w1 umfassen, die kleiner ist als eine Breite
w2 der Abschnitte der Induktionsspulen L1 und L2 in einer
niedrigeren leitenden Schicht M1. Die elektrischen Eigenschaften
wie etwa Widerstand und Induktanz der Abschnitte der Induktionsspulen
L1 und L2 können zwischen
den leitenden Schichten M1 und MN beispielsweise
durch Variieren der Breite der Wicklungen angepaßt werden. Die Verwendung von
breiteren leitenden Leitungen in den unteren leitenden Ebenen (beispielsweise
eine konstante totale Querschnittsfläche der Wicklungen bereitstellend)
kann die reduzierte Dicke der unteren leitenden Ebenen kompensieren.
-
15 zeigt
eine Perspektivansicht von mehreren leitenden Schichten einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, wobei die Wicklungen von Abschnitten
der ersten Induktionsspule und zweiten Induktionsspule in benachbarten
Schichten versetzt oder offset sind. Der Radius R1 und
R2 der Wicklungen in abwechselnden Schichten
kann variiert werden, so dass die Abschnitte der Induktionsspule
L1 und L2 in benachbarten
leitenden Schichten nicht direkt übereinander liegen (als Beispiel).
Nur das Kontaktgebiet, wo die Enden von Induktionsspulenabschnitten
mit Durchkontakten verbunden sind, weisen bevorzugt den gleichen
Radius und die gleiche Position auf (in der Figur nicht gezeigt).
-
16 veranschaulicht
ein Diagramm für eine
ideale doppelt-kugelförmige
Differentialinduktionsspule L1 und L2, die in mehreren leitenden Schichten gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung hergestellt werden kann. Durch Verwendung von
mehreren Interconnectebenen, um die Abschnitte der Induktionsspulen
L1 und L2 auszubilden,
kann eine spulenartige Struktur erzielt werden, die perfekt symmetrisch
und ähnlich
einer idealen Differentialinduktionsspule wie etwa der in 12 gezeigten ist (als Beispiel).
-
Die
hier beschriebenen Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 und der zweiten Induktionsspule L2 können
Teilwicklungen, Einzelwicklungen oder Mehrfachwicklungen umfassen.
Die Abschnitte der ersten Induktionsspule L1 und
zweiten Induktionsspule L2 können einen
Abschnitt einer Wicklung, eine volle Wicklung oder mehr als eine
Wicklung umfassen. Beispielsweise können die Abschnitte der Induktionsspulen
L1 und L2 auch 3/4-Wicklungen umfassen,
wie in 17A, 17B und 17C gezeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Spannungsanschlüsse A und
B und die Durchkontakte 114a und 114b einander
gegenüber
positioniert, und die Durchkontakte 120a und 120b und
Durchkontakte 124a und 124b sind in der Nähe voneinander
in der im wesentlichen schleifenförmigen Struktur der Abschnitte
der ersten Induktionsspule L1 und der zweiten
Induktionsspule L2 positioniert. Die Spannungsanschlüsse A und
B und die Durchkontakte 114a und 114b sind entlang
einer vertikalen Achse 130 positioniert, und die Durchkontakte 120a und 120b und
Durchkontakte 124a und 124b sind entlang einer
horizontalen Achse 132 positioniert, wie gezeigt.
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Vorteilhafterweise
können
in einigen Ausführungsformen,
weil die Durchkontaktstellen zwischen einem inneren und äußeren Radius
der Wicklungen abwechseln, entweder Teilwicklungen, Vollwicklungen
oder Mehrfachwicklungen für
die Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann
die Anzahl der Wicklungen der Abschnitte der Induktionsspulen L1 und L2 0,5 Wicklungen,
0,75 Wicklungen, 1,0 Wicklung, 1,5 Wicklungen oder 2,0 Wicklungen
oder größer umfassen.
Andere Bruchteile von Wicklungen können alternativ verwendet werden
(als Beispiel).
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Bevorzugt
umfasst gemäß Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der in einer leitenden Schicht ausgebildete
Abschnitt der zweiten Induktionsspule L2 ein
symmetrisches Spiegelbild des in dieser leitenden Schicht ausgebildeten
Abschnitts der zweiten Induktionsspule L1.
Erzielt werden kann dies durch Rotieren des Musters für den Abschnitt der
ersten Induktionsspule L1 in dieser leitenden Schicht
um 180 Grad (als Beispiel), um das Muster für den Abschnitt der zweiten
Induktionsspule L2 in dieser leitenden Schicht
zu erhalten.
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Man
beachte, dass bei einigen Ausführungsformen
nachträglich
ausgebildete Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 unter beiden Wicklungen der anderen Abschnitte
der Induktionsspulen L1 und L2 in
benachbarten leitenden Schichten ausgebildet werden können, als
Beispiel (z.B. wie etwa in der in 7A bis 7C gezeigten
Ausführungsform).
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Als
weiteres Beispiel kann das Muster des Abschnitts der zweiten Induktionsspule
L2 ein symmetrisches Spiegelbild des Abschnitts
der ersten Induktionsspule L1 in einer leitenden
Schicht umfassen. Beispielsweise kann der Abschnitt der zweiten
Induktionsspule L2 in einer leitenden Schicht
durch Spiegeln des Abschnitts des ersten Induktionsspulen-L1-Abschnitts in einer benachbarten leitenden Schicht
erzeugt werden.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
in verschiedenen Arten von Schaltungen von Halbleitereinrichtungen
implementiert werden. Als Beispiel können Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung in der in 2 gezeigten VCO-Schaltung implementiert
werden. Die Differentialinduktionsspule L1 und
L2 von Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung kann anstelle der in 2 gezeigten
Induktionsspulen LA und LB verwendet
werden. Ein Ende jeder Induktionsspule L1 und
L2 ist an einen zentralen Abgriff D gekoppelt,
der mit ei ner Spannungsversorgungsquelle VDD verbunden
ist. Das andere Ende jeder Induktionsspule L1 und
L2 ist an einen variablen Kondensator C
an den Spannungsanschlüssen
A bzw. B gekoppelt, wie gezeigt. Die Schaltung enthält zwei
Transistoren X1 und X2 und
einen Strombias IBIAS, der an Masse gekoppelt ist.
Wenn ein Biasstrom IBIAS angelegt wird,
oszilliert die Schaltung, wodurch an den Spannungsanschlüssen VA und VB eine Hochfrequenz
erzeugt wird.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung weisen auch eine nützliche Anwendung in anderen
Schaltungen oder Anwendungen auf, wo zwei gekoppelte Induktionsspulen
L1 und L2 erforderlich sind.
Beispielsweise können
die hierin beschriebenen Induktionsspulen L1 und
L2 in einem Transformator verwendet werden,
wie in 18 gezeigt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beinhalten Verfahren zum Herstellen der
hier beschriebenen Induktionsspulen L1 und
L2. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beinhalten auch integrierte Schaltungen,
VCO-Schaltungen, Transformatoren und andere Halbleitereinrichtungen,
die die hier beschriebenen neuartigen Induktionsspulen L1 und L2 enthalten.
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Ein
Vorteil des Ausbildens der Wicklungen der Induktionsspulen L1 und L2 primär in einer
leitenden Schicht, wie in den Ausführungsformen von 9A und 9B, 10A und 10B, 11A und 11B und 12A und 12B gezeigt
ist, besteht darin, daß nur
zwei Durchkontaktverbindungen L1 und L2 für
jede Induktionsspule erforderlich sind; somit ist der Widerstand
der Induktionsspule-L1- und -L2-Struktur reduziert.
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Zu
Vorteilen von Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zählen
die Bereitstellung neuartiger Layoutverfahren für Wicklungen von Differentialinduktionsspulen
L1 und L2, wobei
die Wicklungen der Induktionsspulen L1 und
L2 in zwei oder mehr leitenden Schichten
ausgebildet sein können.
Die hierin beschriebenen neuartigen Strukturen gestatten die Herstellung
einer symmetrischen Differentialinduktionsspule. Bei einigen Ausführungsformen
ist es möglich,
den gleichen Wicklungsdurchmesser für jede Wicklung zu verwenden,
weil die Wicklungen über
verschiedene Metallschichten verteilt sind, was zu einem erhöhten Koppelverhältnis und
erhöhter
Induktivität
führt.
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Bei
anderen Ausführungsformen
sind die Wicklungen der Induktionsspulen L1 und
L2 bevorzugt derart angeordnet, daß der mittlere
Abgriff D einer VCO-Schaltung bevorzugt in der untersten Metallschicht
liegt und somit die höchste
parasitäre
Kapazität
aufweist, während
die empfindlichen Spannungseingangsanschlüsse (A und B) bevorzugt in der
höchsten
Metallschicht positioniert sind, wodurch man die niedrigste parasitäre Kapazität in der
Struktur erfährt.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung führen
zur Herstellung von Differentialinduktionsspulen L1 und
L2 mit optimierter Induktivität, parasitärer Kapazität und Reihenwiderstand.
Die Breite der Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 kann abgeändert werden, um die Struktur
zu optimieren, z.B. durch Verwendung breiterer Leitungen für dünnere leitende
Schichten. Der Radius (oder Durchmesser) von benachbarten Schichten
kann abgeändert
werden, um die kapazitive Kopplung zwischen den leitenden Schichten
z.B. durch abwechselnde Wicklungsdurchmesser zu reduzieren.
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Die
Struktur kann weiter optimiert werden durch Abändern der Anzahl der Wicklungen
in den Schichten, z.B. eine leitende Schicht kann eine erste Anzahl
von Wicklungen oder Abschnitten von Wicklungen aufweisen, und eine
andere leitende Schicht kann eine zweite Anzahl von Wicklungen oder
Abschnitt oder Wicklungen aufweisen, wobei die zweite Anzahl von
der ersten Anzahl verschieden ist.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen ein Differentialinduktionsspulendesign mit
einem hohen Symmetriegrad bereit. Das Layout für die Abschnitte der zweiten
Induktionsspule L2 innerhalb jeder leitenden
Schicht können
durch Drehen der Designs des Abschnitts der ersten Induktionsspule
L1 um 180 Grad erzeugt werden (als Beispiel). Bei
den Ausführungsformen,
bei denen die Abschnitte im wesentlichen die gleiche Gestalt in
jeder leitenden Schicht umfassen, können benachbarte leitende Leitungsschichtenlayouts
durch Spiegeln des Layouts für
die vorausgegangene benachbarte Schicht erzeugt werden (als Beispiel).
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Die
hier beschriebenen Differentialinduktionsspulen L1 und
L2 mit verbesserter Symmetrie führen zu
einer verbesserten Leistung von Differentialschaltungen (als Beispiel).
Eine verbesserte elektromagnetische Symmetrie von den Differentialeingängen A und
B zu einem mittleren Abgriff D wird erzielt durch die hier beschriebenen
Differentialinduktionsspulen L1 und L2.
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Bevorzugt
werden die Durchkontakte zwischen den Abschnitten der ersten Induktionsspule
zu Abschnitten der ersten Induktionsspule in benachbarten Schichten
zwischen Stellen an einem inneren und äußeren Radius der Abschnitte
der ersten Induktionsspule in jeder nachfolgenden leitenden Schicht abgewechselt,
und die Durchkontakte der zweiten Induktionsspule werden zwischen
den Abschnitten der zweiten Induktionsspule zu Abschnitten der zweiten Induktionsspule
in benachbarten Schichten ebenfalls zwischen Stellen an einem inneren
und äußeren Radius
der Abschnitte der zweiten Induktionsspule in jeder nachfolgenden
leitenden Schicht abgewechselt. Das neuartige Abwechseln zwischen
inneren und äußeren Radien
der Induktionsspulenabschnitte ermöglicht vorteilhafterweise die
Verwendung von drei oder mehr leitenden Schichten für die Ausbildung
der ersten und zweiten Induktionsspule L1 und
L2. Somit können die Induktionsspulen L1 und L2 in drei
oder mehr leitenden Schichten ausgebildet werden, z.B. acht oder
mehr leitenden Schichten einer integrierten Schaltung. Mit zunehmender
Anzahl der Wicklungen nimmt vorteilhafterweise der Wert der Induktanz
der Induktionsspulen L1 und L2 zu.
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Man
beachte, daß die
Wicklungen der Abschnitte der Induktionsspulen L1 und
L2 in den Figuren so gezeigt sind, daß sie Biegungen
von 45 Grad oder 90 Grad aufweisen; alternativ können die Wicklungen der Abschnitte
der Induktionsspulen L1 und L2 andere
Formen umfassen, wie etwa gekrümmte
Sektionen aus leitendem Material oder in anderen Winkeln gemustertes
leitendes Material, als Beispiel.
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Zu
Vorteilen von bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zählen
die Bereitstellung von Paaren von gekoppelten Induktionsspulen,
wobei die beiden Induktionsspulen sehr symmetrische Induktanz-,
Widerstands- und Kapazitätswerte
aufweisen. Differentialinduktionsspulen mit erhöhter Induktanz können erreicht
werden durch Verwendung einer größeren Anzahl
leitender Schichten von integrierten Schaltungen und durch Erhöhen der
Anzahl der Wicklungen der Abschnitte der Induktionsspulen in einer
oder mehreren leitenden Schichten. Die Asymmetrie der beiden Induktionsspulen
wird minimiert über
Durchkontaktpositionierung, die Verwendung entsprechender Layouts
und durch den Einsatz von Kerben an dem Ende der Induktionsspulenabschnitte
zum Aufnehmen der Durchkontaktpositionierung zum Erreichen einer
vergrößerten Symmetrie.
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Wenngleich
Ausführungsformen
der Erfindung und ihre Vorteile im Detail beschrieben worden sind,
versteht sich, dass daran verschiedene Änderungen, Substitutionen und
Abänderungen
vorgenommen werden können,
ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der Erfindung wie durch
die beigefügten
Ansprüche
definiert abzuweichen.
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Beispielsweise
versteht der Fachmann ohne weiteres, dass viele der hier beschriebenen
Merkmale, Funktionen, Prozesse und Materialien bei gleichzeitigem
Verbleib innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung
variiert werden können.
Zudem soll der Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung nicht auf
die bestimmten Ausführungsformen des
Prozesses, der Maschine, der Herstellung, der Materiezusammensetzung,
von Mitteln, Verfahren und Schritten, die in der Spezifikation beschrieben sind,
beschränkt
sein. Wie der Durchschnittsfachmann ohne weiteres anhand der Offenbarung
der vorliegenden Erfindung versteht, können gemäß der vorliegenden Erfindung
Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materiezusammensetzungen, Mittel,
Verfahren oder Schritte, die gegenwärtig existieren oder später zu entwickeln
sind, die im wesentlichen die gleiche Funktion erfüllen oder
im wesentlichen das gleiche Ergebnis wie die hier beschriebenen
entsprechenden Ausführungsformen
erzielen, verwendet werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche innerhalb
ihres Schutzbereiches solche Prozesse, Maschinen, Herstellung, Materiezusammensetzungen,
Mittel, Verfahren oder Schritte beinhalten.