DE102008027422B4

DE102008027422B4 - Integrierte Schaltung mit mehrstufiger Anpassungsschaltung und Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung mit mehrstufiger Anpassungsschaltung

Info

Publication number: DE102008027422B4
Application number: DE102008027422.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bakalski Winfried; Dr. Kitlinski Krzysztof; Dr. Zannoth Markus
Original assignee: Intel Deutschland GmbH
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2008-06-09
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2028-06-10
Also published as: US20080303117A1; US7936045B2; DE102008027422A1

Abstract

Integrierte Schaltung (100) mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung (130; 1040), mit folgenden Merkmalen: einer als Planarspule gebildeten induktiven Leiterstruktur (132) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende in der integrierten Schaltung (100); und einer Kondensatorstruktur (136) in der integrierten Schaltung (100), die mit einem Abgriff zwischen den Enden der als Planarspule gebildeten induktiven Leiterstruktur (132) zwischen der induktiven Leiterstruktur (132) und einem Bezugspotential geschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf integrierte Schaltungen, insbesondere auf integrierte Schaltungen zur Impedanzanpassung, wie sie beispielsweise zur Leistungsanpassung zwischen zwei Hochfrequenz-Schaltungsblöcken eingesetzt werden können.
Unter Impedanzanpassung versteht man eine Anpassung einer Quellimpedanz an eine Lastimpedanz, so dass eine von einem Generator zu einer Last transportierte Leistung maximal wird. Oftmals ist eine Lastimpedanz nicht an eine Leitung angepasst, was bei Hochfrequenz-Schaltungen zu stehenden Wellen auf der Leitung fuhrt, wodurch nicht die vollständige Leistung vom Generator zu der Last übertragen werden kann. Auf einer Leitung mit vollständig stehender Welle kann beispielsweise keine Energie transportiert werden. Dieser Effekt kann typischerweise durch zwei Anpassungsarten verhindert werden. Zum einen kann man Lasten mittels Widerständen resistiv anpassen. Dies ist jedoch stark verlustbehaftet und wird im Allgemeinen nur dann eingesetzt, wenn eine bestimmte Impedanz über sehr viele Parameter konstant gehalten werden muss. Oft spricht man dabei von einer so genannten Zwangsanpassung. Eine frequenzabhängige Methode stellt eine Verwendung von Reaktanzen dar, wobei je nach Güte der Reaktanzen auch hierbei Verluste entstehen, wenn auch typischerweise erheblich geringere.
Anpassungsschaltungen werden oft durch diskrete Bauelemente realisiert, wodurch ein erheblicher Platzbedarf entsteht. Wünschenswert wären daher Anpassungsschaltungen, insbesondere integrierte Anpassungsschaltungen, die eine für die Anpassungsschaltungen benötigte Chipfläche möglichst klein halten.
Integrierte Anpassungsschaltungen sind beispielsweise in den Schriften WO 2006/071371 A2 oder US 2007/0007622 A1 beschrieben.
US 4 969 032 A offenbart eine monolithische integrierte Mikrowellenschaltung, die viele gestapelte Komponenten aufweist, wobei zumindest drei Metallschichten voneinander durch Schichten aus nicht leitendem Material isoliert sind.
Wünschenswert sind Anpassungsschaltungen, insbesondere integrierte Anpassungsschaltungen, die eine für die Anpassungsschaltungen benötigte Chipfläche möglichst klein halten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine integrierte Schaltung mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung, eine integrierte Schaltung und ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, Anspruch 11 und Anspruch 18 sowie ein Verfahren gemäß Anspruch 19 gelöst.
Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine integrierte Schaltung mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung mit einer induktiven Leiterstruktur mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende in der integrierten Schaltung und einer Kondensatorstruktur in der integrierten Schaltung, die an einen Abgriff zwischen den Enden der als Planarspule gebildeten induktiven Leiterstruktur zwischen die induktive Leiterstruktur und ein Bezugspotential geschaltet ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung zwischen Schaltungsblöcken gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
2a eine schematische Schnittansicht einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten induktiven Leiterstruktur mit in das Halbleitersubstrat eingebrachten Kondensatorstrukturen gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
3 eine perspektivische Ansicht der in 2 gezeigten induktiven Leiterstruktur mit den Kondensatorstrukturen;
4a eine schematische Schnittansicht einer auf einem Halbleitersubstrat aufgebrachten induktiven Leiterstruktur mit in das Halbleitersubstrat eingebrachten Kondensatorstrukturen gemäß einem weiteren nicht erfindungsgemäßen Beispiel;
4b ein Ersatzschaltbild der in 4a gezeigten Anordnung;
5 eine perspektivische Ansicht der in 4 gezeigten induktiven Leiterstruktur mit Kondensatorstrukturen;
6a eine Aufsicht einer zu einer Planarspule aufgewickelten induktiven Leiterstruktur mit unterhalb der Leiterstruktur gebildeten Kondensatorstrukturen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
6b eine perspektivische Darstellung der in 6a gezeigten Anordnung;
6c ein Ersatzschaltbild der in 6a und 6b gezeigten Anordnungen;
7 eine zu einer Planarspule aufgewickelte induktive Leiterstruktur mit Kondensatorstrukturen, die außerhalb der Planarspule gebildet sind und mit derselben verbunden sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
8 eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Ausschnitts von 7;
9a eine zu einer Planarspule aufgewickelte induktive Leiterstruktur mit Kondensatorstrukturen, die außerhalb der Planarspule gebildet sind und mit derselben verbunden sind, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
9b ein Ersatzschaltbild der in 9a gezeigten Anordnung; und
10 eine Verstärkerschaltung mit einer Anpassungsschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung zur Unterdrückung von Harmonischen höherer Ordnung.
Bezüglich der nachfolgenden Beschreibung sollte beachtet werden, dass bei den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen gleiche oder gleich wirkende Funktionselemente gleiche Bezugszeichen aufweisen und somit die Beschreibungen dieser Funktionselemente in den verschiedenen, im Nachfolgenden dargestellten Ausführungsbeispielen untereinander austauschbar sind.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer integrierten Schaltung 100 gemäß einem nicht erfindungsgemäßen Beispiel.
Die integrierte Schaltung 100 weist einen ersten Schaltungsblock 110 und einen zweiten Schaltungsblock 120 auf. Zwischen den beiden Schaltungsblöcken befindet sich eine mehrstufige Anpassungsschaltung 130 mit einer induktiven Leiterstruktur 132, die mit einem ersten Ende mit dem ersten Schaltungsblock 110 verbunden ist und die mit einem zweiten Leitungsende mit dem zweiten Schaltungsblock 120 verbunden ist. An einem Abgriff 134 zwischen den beiden Enden der induktiven Leiterstruktur 132 ist zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und einem Bezugspotential eine Kondensatorstruktur 136 geschaltet.
Bei der in 1 exemplarisch und schematisch dargestellten Anpassungsschaltung 130 werden Induktivitäten L_S auf beiden Seiten des Abgriffs 134 durch einen Induktivitätsbelag der Leiterstruktur 132 gebildet. Um eine hohe Güte der induktiven Leiterstruktur 132 zu erreichen, können in der integrierten Schaltung 100 beispielsweise Kupfermetallisierungen und hochisolierende Substrate verwendet werden.
Eine Anpassungsschaltung 130 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise zur Ausgangsanpassung von Leistungsendstufen verwendet werden, um damit gleichzeitig auch harmonische Ausgangsprodukte dämpfen zu können, worauf später noch anhand von 9 eingegangen wird.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden in regelmäßigen Abständen durch Abgriffe 134 Kondensatorstrukturen 136 zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und das Bezugspotential, welches beispielsweise ein Massepotential sein kann, geschaltet. Dadurch kann eine Leistungsanpassung in mehreren Teilschritten erfolgen. Werden diese Teilschritte geschickt gewählt, unterliegen dieselben reduzierten Güteanforderungen. Zudem kann eine Bandbreite der Anpassungsschaltung 130 gesteigert werden, da die frequenzabhängigen Reaktanzen kleiner werden.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird die induktive Leiterstruktur 132 in einer obersten Metallisierungsebene eines Schichtstapels der integrierten Schaltung 100 strukturiert. Die Kondensatorstruktur 136 bzw. eine Mehrzahl von Kondensatorstrukturen 136 wird bei Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung gezielt in die induktive Leiterstruktur 132 bzw. zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und das Bezugspotential eingefügt. Das bedeutet, dass beispielsweise Kapazitäten gezielt unterhalb der obersten Metallisierungsebene, in der die induktive Leiterstruktur 132 strukturiert ist, eingebaut werden. Dabei können die Kondensatorstrukturen unterschiedlich ausgestaltet sein. Gängige Kondensatorstrukturen für integrierte Schaltungen sind dabei sogenannte MIM-Kondensatoren (MIM = Metall-Isolator-Metall), MIS-Kondensatoren (MIS = Metal Insulator Semiconductor, Metall-Isolator-Halbleiter) oder beispielsweise Grabenkondensatoren (z. B. SIL-Cap).
Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird eine erste Elektrode einer Kondensatorstruktur 136 stets durch einen vordefinierten Bereich der induktiven Leiterstruktur 132 in einer obersten Metallisierungsebene eines Schichtstapels der integrierten Schaltung 100 gebildet.
Im Nachfolgenden sollen nicht erfindungsgemäße Beispiele und Ausführungsbeispiele von integrierten Anpassungsschaltungen anhand der 2A bis 9 näher erläutert werden.
Ein Ausschnitt 200 einer mehrstufigen Anpassungsschaltung mit einer induktiven Leiterstruktur und zwei Kondensatorstrukturen ist in einer Schnittansicht in 2a gezeigt.
Die integrierte Anpassungsschaltung weist ein Substrat 210 aus einem beispielsweise stark p-dotiertem Material auf. Eine Epitaxieschicht 220 ist auf dem Substrat 210 auf eine herkömmliche Weise aufgebracht. Dabei besteht die Epitaxieschicht typischerweise aus p-dotiertem Material. Mittels typischer Silizium-Prozessschritte sind beispielsweise niederohmige p-Sinkergebiete 230 in die Epitaxieschicht 220 eingebracht, so dass die p-Sinkergebiete 230 das p⁺-Substrat 210 elektrisch kontaktieren. Oberhalb der Sinkergebiete 230 befinden sich metallische Elektroden 240, die mittels Durchkontaktierungen 250 jeweils mit den Sinkergebieten 230 verbunden sind. Die Elektroden 240 und die Durchkontaktierungen 250 sind in einer dielektrischen Schicht 260 eingebettet, auf die eine induktive Leiterstruktur 132 in einer obersten Metallisierungsebene strukturiert ist. Typischerweise befindet sich auf der obersten Metallisierungsschicht, in der die induktive Leiterstruktur 132 gebildet ist, noch eine Passivierungsschicht 270.
Bei dem in 2a gezeigten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Kapazität bzw. eine Kondensatorstruktur 136 jeweils durch einen Sinkerbereich 230, die jeweils darüber liegende metallische Elektrode 240 und jeweils einen vordefinierten Bereich der induktiven Leiterstruktur 132 oberhalb der Metallelektrode 240 gebildet, so wie es in 2a angedeutet ist. Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist ein Verhältnis von einer kleinsten Abmessung von sich gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 240, 132 der Kondensatorstruktur 136 zu einem Abstand d zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden 240, 132 größer als 50. Dabei kann die kleinste Abmessung der sich gegenüberliegenden Seiten bzw. Flächen der Elektroden beispielsweise durch eine Breite B_E der Elektroden 240 oder durch eine Breite B_L der induktiven Leiterstruktur 132 gegeben sein.
Alternativ können die Sinkerbereiche 230 auch durch Substrat-Durchkontaktierungen bzw. Substrat-VIAs (VIA = Vertical Interconnect Access, Vertikalzwischenverbindungszugriff) ersetzt werden.
Des Weiteren könnten die in 2a gezeigten metallischen Elektroden 240 und die Durchkontaktierungen 250 auch weggelassen werden, so dass eine Kondensatorstruktur 136 durch ein Sinkergebiet 230, die Isolationsschicht 260 und die daruberliegende Leiterstruktur 132 gebildet wird. In dem Fall würde es sich bei der Kondensatorstruktur 136 um eine MIS-Kondensatorstruktur handeln. Unter dem Abstand d ware dann der Abstand der Sinkerstruktur 230 zu der Leiterstruktur 132 zu verstehen. Typischerweise wird dann unterhalb der Sinkergebiete 230 noch eine vergrabene Schicht (buried layer) vorzufinden sein, die bei der Herstellung von npn-Transistoren benötigt wird.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung weisen die Elektroden 240 Abmessungen von ca. 100 μm × 100 μm auf. Der Abstand d zwischen den Elektroden 240 und der induktiven Leiterstruktur 132 liegt bei Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 30 nm bis 100 nm, wobei zwischen den Elektroden ein Dielektrikum zur weiteren Kapazitätssteigerung verwendet werden kann.
Eine perspektivische Ansicht des in 2a gezeigten Ausschnitts ist zur besseren Veranschaulichung noch einmal in 3 dargestellt.
An dieser Stelle soll noch einmal verdeutlicht werden, dass durch die periodisch unterbrochene Anordnung von den Sinkergebieten 230 unterhalb der induktiven Leiterstruktur 132 eine periodische Unterbrechung einer Bezugspotentialebene erreicht wird und gezielt Kondensatorstrukturen zwischen der induktiven Leiterstruktur 132 und den Sinkerbereichen 230 gebildet werden können. Somit können vorteilhaft Anpassungsschaltungen zwischen Schaltungsblöcken einer integrierten Schaltung realisiert werden.
Ein weiteres nicht erfindungsgemäßes Beispiel einer integrierten mehrstufigen Anpassungsschaltung ist in einer Querschnittsansicht in 4a gezeigt.
Der in 4a dargestellte Ausschnitt 400 einer Anpassungsschaltung unterscheidet sich von der in 2a gezeigten Anpassungsschaltung durch die Verwendung von MIM-Kondensatorstrukturen zwischen der Leiterstruktur 132 und den Sinkerbereichen 230.
Unterhalb der obersten Metallisierungsschicht mit der Leiterstruktur 132 befindet sich eine zweite Metalllage, in der Elektroden 440 strukturiert sind. Die Elektroden 440 sind mittels Durchkontaktierungen 450 mit einer ersten bzw. untersten Metallisierungsebene verbunden, die jeweils wiederum mittels der Durchkontaktierungen 250 mit den p-Sinkerbereichen 230 verbunden sind.
Bei dem in 4a gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Metall der obersten Metallisierungsschicht, in der die Leiterstruktur 132 strukturiert ist, oberhalb der Elektroden in Ausätzungen 460 aufgebracht. Die Dicke d einer dielektrischen Schicht 470 zwischen der obersten Metallisierungsebene der Leiterstruktur 132 und der Elektrode 440 ist abhängig von einer gewünschten elektrischen Festigkeit und liegt typischerweise in einem Bereich von 30 nm bis 100 nm, insbesondere in einem Bereich von 50 nm bis 80 nm.
Auch bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung mit MIM-Kondensatorstruktur ist das Verhältnis von einer kleinsten Abmessung von sich gegenüberliegenden Flächen der Elektroden 440, 132 der Kondensatorstruktur zu einem Abstand der sich gegenüberliegenden Elektroden größer als 50. Das heißt, wahrend die Elektroden 440 und die in die Ausatzungen eingebrachte Leiterstruktur 132 typischerweise Abmessungen von näherungsweise 100 μm × 100 μm aufweisen, ist der Abstand d der dielektrischen Schicht 470 zwischen der obersten Metallisierungsebene der Leiterstruktur 132 und der Elektrode 440 abhängig von einer gewünschten elektrischen Festigkeit und liegt typischerweise in einem Bereich von 30 nm bis 100 nm, insbesondere in einem Bereich von 50 nm bis 80 nm. Bei Ausführungsbeispielen ist das Dielektrikum 470 zwischen der Leiterstruktur 132 und der Elektrode 440 ein Nitrid.
Anstatt das Metall der obersten Metallisierungsebene der Leiterstruktur 132 in die in 4a dargestellten Ausätzungen aufzubringen, können zwischen der Metallisierungsebene der Elektroden 440 und der obersten Metallisierungsebene der Leiterstruktur 132 auch metallische Kontaktbereiche eingebracht werden, um den Abstand d der beiden Metallisierungsebenen lediglich oberhalb der Elektroden 440 auf einen Bereich von 30 nm bis 100 nm zu verringern.
Auch hier sei bemerkt, dass die in 4a dargestellte Realisierung der MIM-Kondensatorstrukturen 136 lediglich exemplarisch ist. Andere Realisierungsformen, z. B. durch Weglassen der untersten Metallisierungsebene für die metallischen Bereiche 240, sind ebenfalls denkbar, beispielsweise durch Ersatz mit Hilfe von Tantal-Nitrit-Schichten (bei Kupfer-Metallisierungen zur Vermeidung von Verunreinigungen durch Cu).
Gegenüber den anhand von 2a beschriebenen Kondensatorstrukturen, insbesondere gegenüber MIS-Kondensatorstrukturen, weisen die anhand von 4a beschriebenen MIM-Kondensatorstrukturen erheblich höhere Güten auf. Bei MIS-Kondensatorstrukturen handelt es sich um eine Art MOS-Kondensator (MOS = Metal Oxide Semiconductor, Metalloxidhalbleiter), d. h. lediglich die obere Platte bzw. Elektrode ist ein Metall, während die untere durch eine sonst für Transistoren benotigte vergrabene Schicht realisiert ist. MIS-Kondensatorstrukturen sind kostengünstiger zu realisieren, weisen aber schlechtere Güten auf, da Poly-Silizium durch einen höheren Schichtwiderstand gekennzeichnet ist. Außerdem weisen MIS-Kondensatorstrukturen noch eine Abhängigkeit ihrer Kapazität von einer angelegten Spannung auf.
Das Ersatzschaltbild für die in 4a gezeigte Anpassungsschaltung ist in 4b gezeigt.
Eine perspektivische Darstellung des anhand von 4a beschriebenen Ausschnitts 400 einer integrierten Anpassungsschaltung mit einer induktiven Leiterstruktur 132 und einer MIM-Kondensatorstruktur 136 in der integrierten Anpassungsschaltung, die an einen Abgriff der induktiven Leiterstruktur 132 zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und ein Bezugspotential geschaltet ist, ist in 5 gezeigt.
Soll eine integrierte mehrstufige Anpassungsschaltung gemäß Ausführungsbeispielen auch für kleinere Frequenzen, wie z. B. das 900 MHz GSM-Band, verwendet werden, so ist es notwendig, die Induktivitäten L_S zwischen den einzelnen Kondensatorstrukturen 136 zu vergrößern. Dazu ist es möglich, die induktive Leiterstruktur 132 in Form einer Planarspule auszubilden, wie es beispielhaft in den 6a und 6b gezeigt ist.
6a zeigt eine Draufsicht auf eine induktive Leiterstruktur 132, die in der Form einer Planarspule ausgebildet ist, mit Kondensatorstrukturen 136 in der Planarspulenstruktur. Dabei sind die Kondensatorstrukturen 136 zwischen den Enden bzw. Anschlüssen der induktiven Leiterstruktur 132 zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und ein Bezugspotential, z. B. Masse, geschaltet.
Zur besseren Verdeutlichung zeigt 6b eine perspektivische Ansicht einer als Planarspule ausgebildeten induktiven Leiterstruktur 132 mit unterhalb der Planarspule ausgebildeten Kondensatorstrukturen 136, die zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und Masse geschaltet sind. Dabei bildet, wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, die induktive Leiterstruktur 132 bzw. ein begrenzter, vordefinierter Bereich der induktiven Leiterstruktur 132 jeweils eine Elektrode der Kondensatorstrukturen 136.
Die Kondensatorstrukturen 136 können, wie im Vorhergehenden bereits beschrieben wurde, beispielsweise als MIS-Kondensatorstrukturen, MIM-Kondensatorstrukturen oder Grabenkondensatorstrukturen ausgebildet sein.
Bei einer linearen induktiven Leiterstruktur 132 mit Abgriffen und zwischen den Abgriffen der induktiven Leiterstruktur 132 und Masse geschalteten Kondensatorstrukturen 136 weisen die Leitungsabschnitte zwischen den Abgriffen so gut wie keine induktive Kopplung untereinander auf. Im Unterschied dazu weisen die in 6a und 6b gezeigten Strukturen eine magnetische Kopplung zwischen den Spulenwicklungen auf, die vereinfacht in dem Ersatzschaltbild in 6c dargestellt sind.
Zwischen den Induktivitäten L_S der Leitungsabschnitte zwischen den Abgriffen besteht jeweils noch eine magnetische Kopplung k, die dazu führt, dass sich letztlich eine Gesamtinduktivität weiter erhöht, der Serienwiderstand der induktiven Leiterstruktur 132 aber nicht weiter ansteigt.
Eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel einer integrierten Anpassungsschaltung mit induktiver Leiterstruktur 132 und Kondensatorstruktur 136 ist schematisch in 7 dargestellt.
Im Vergleich zu den in 6a und 6b gezeigten Anordnungen sind hier die Kondensatorstrukturen 136 über Abgriffe 134 außerhalb der Wicklungen der Planarspule gebildet, so dass dieselben mit der Planarspule lateral nicht überlappen. Eine erste Elektrode der Kondensatorstrukturen 136 wird wiederum jeweils über eine Metallfläche 710 gebildet, die in derselben Metallisierungsebene strukturiert ist wie die induktive Leiterstruktur bzw. die Planarspule 132. Im Allgemeinen wird dies eine oberste Metallisierungsebene einer integrierten Schaltung sein. Eine zweite Elektrode der Kondensatorstrukturen 136 wird wiederum über einen Sinkerbereich 230 und eventuell darüber befindliche weitere Metallisierungsschichten gebildet, wie es im Vorhergehenden anhand der 2 bis 5 bereits detailliert beschrieben wurde.
Die in 7 gezeigte Anordnung weist gegenüber der in 6a und 6b gezeigten Anordnung den Vorteil auf, dass aufgrund der Tatsache, dass die Kondensatorstrukturen 136 externe Anschlüsse aufweisen, die Güte der durch die induktive Leiterstruktur 132 gebildeten Planarspule nicht beeinträchtigt wird.
Eine detailliertere perspektivische Ansicht des in 7 mit dem Bezugszeichen 720 angegebenen Bereichs ist in 8 gezeigt.
Bei dem in 8 exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kondensatorstruktur 136 als MIM-Kondensatorstruktur ausgeführt. Wie es im vorhergehenden bereits beschrieben wurde, kann die Kondensatorstruktur 136 auch als MIS-Kondensatorstruktur oder als Grabenkondensatorstruktur zwischen der Metallisierungsschicht, in der die induktive Leiterstruktur 132 gebildet ist, und Masse ausgebildet sein. Die Metallisierungsschicht, in der die Leiterstruktur 132 und die Abgriffe 134 strukturiert sind, ist typischerweise eine oberste Metallisierungsschicht eines Schichtstapels einer integrierten Schaltung.
Eine schematische Draufsicht auf ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 9a gezeigt.
9a zeigt eine Draufsicht auf eine integrierte Anpassungsschaltung, die zumindest zwei Kondensatorstrukturen 136-1, 136-2 aufweist, die an Abgriffen 134-1, 134-2 zwischen die induktive Leiterstruktur und ein Bezugspotential (z. B. Masse) geschaltet sind, wobei eine dritte Kondensatorstruktur 136-3 zwischen die Abgriffe 134-1, 134-2 parallel zu der induktiven Leiterstruktur 132 geschaltet ist. Die Elektroden der dritten Kondensatorstruktur 136-3 sind auch jeweils mit den Abgriffen 134-1, 134-2 verbunden.
Das Ersatzschaltbild der in 9a dargestellten integrierten Anpassungsschaltung ist in 9b gezeigt.
An den beiden Abgriffen 134-1, 134-2 ist jeweils eine Kondensatorstruktur 136-1, 136-2 mit einer Kapazität C zwischen die induktive Leiterstruktur 132 und Masse geschaltet. Zwischen den beiden Abgriffen 134-1, 134-2 weist die parallel zu der induktiven Leiterstruktur 132 geschaltete Kondensatorstruktur 136-3 eine Kapazität C_S auf.
Das Einfügen von zusätzlichen Längskapazitäten C_S parallel zur Leiterstruktur 132 dient dazu, die Anpassungsschaltung mittels Anregung zusätzlich noch in Resonanznähe zu bringen, um eine weitere Erhöhung der Induktivität kurz vor der Eigenresonanz der Anpassungsschaltung auszunutzen. Je nach Schaltungsanwendung kann so eine Serien- oder Parallelresonanz erzeugt werden. Es entsteht so ein Kurzschluss- bzw. Leerlaufverhalten, das ausgenutzt werden kann, um Schaltungsteile für einen bestimmten Frequenzbereich voneinander zu isolieren.
Anpassungsschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können auch für eine Effizienzsteigerung mit einer harmonischen Impedanzanpassung und zur Stabilitätsverbesserung von Verstärkern unter Anwendung eines mehrstufigen Kollektortiefpasses verwendet werden.
HF-Leistungsverstärker erreichen typischerweise ihre maximale Effizienz, wenn eine Ausgangsanpassung an einen Transistor (z. B. einem SiGe/GaAs-HBT, CMOS oder LDMOS-Transistor) für die Arbeitsfrequenz bzw. Grundwelle des Transistors als auch für die Harmonischen der Arbeitsfrequenz richtig ausgelegt wird. Dabei versucht man unter Verwendung des Realteils der Grundwellenimpedanz einer Ausgangsanpassungsschaltung den benötigten HF-Strom durch den Transistor einzustellen und mittels des Imaginärteils Substratkapazitäten und andere parasitäre Elemente zu kompensieren.
Typischerweise benötigt man bei Mobilgeräten mit kleiner Betriebsspannung U (z. B. 3,6 Volt Li-Ionenzelle) eine sehr niedrige Verstärkerimpedanz R eines HF-Leistungsverstärkers, damit eine spezifizierte Leistung P erreicht wird. Dabei kann man die Verstärkerimpedanz R über den Ausdruck P = U²/2R abschätzen. Da eine maximale Effizienz nur dann erreicht werden kann, wenn man die Verlustleistung an dem Transistor, insbesondere der Kollektor-/Emitterstrecke bzw. zwischen Source und Drain, minimiert, ergibt sich daraus die Folgerung, dass das Produkt aus Spannung U und Strom I an dem Transistor minimiert werden muss. Um nun keinen Leistungsverlust zu vermeiden, folgt daraus, dass die Spannung U und der Strom I an dem Transistor möglichst nicht überlappen sollten. Dies wird unter anderem durch Blindanteile verhindert, die man durch einen meist induktiven Anteil der Verstärkerimpedanz versucht zu kompensieren. Ein weiterer Ansatz besteht darin, die Spannungs- und/oder Stromverläufe mittels harmonischer Anpassung derart zu auszubilden, dass dieselben vorzugsweise rechteckig werden, wodurch eine Überlappung vermindert wird.
Bei der Impedanzanpassung zwischen aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen ist man mit einer Anzahl von reaktiven Elementen begrenzt. Dadurch wird für Vorverstärkerstufen meist auf eine Betrachtung der Harmonischen verzichtet. Dadurch wird zwar Effizienz verloren, jedoch ist diese meist von der Ausgangsstufe dominiert. Dennoch stellt diese Prozedur ein Potential zur Effizienzsteigerung dar, da beispielsweise bei GSM-Verstärkern eine Treiberstufe mittlerweile die 1-Watt-Klasse erreichen kann und zudem noch die Linearität verbessert werden kann. Bei 3G-Systemen werden oft große Teile der Ausgangsstufe abgeschaltet, um geringere Ströme zu erhalten, so dass eine Ausgangsstufendominanz nicht mehr gegeben ist.
10 zeigt schematisch eine Verstärkerschaltung 1000 mit einem ersten Transistor 1010 und einem zweiten Transistor 1020, wobei die Basis des zweiten Transistors 1020 über eine Kapazität 1030 mit dem Kollektoranschluss des ersten Transistors 1010 verbunden ist. Die Emitteranschlüsse der beiden Transistoren 1010, 1020 sind jeweils mit Masse verbunden. Zwischen den Kollektoranschluss des ersten Transistors 1010 und ein Versorgungspotential V_DD ist eine Anpassungsschaltung 1040 gemäß Ausfuhrungsbeispielen der vorliegenden Erfindung geschaltet.
Zwischen einen Knoten 1050 und Masse ist ein Kondensator 1060 geschaltet, um DC-Anteile abzublocken.
Die Anpassungsschaltung 1040 kann als Planarspule mit Abgriffen und Kondensatorstrukturen 136 realisiert sein, wie es anhand der 6 bis 8 bereits beschrieben wurde. Die in 10 dargestellte Konfiguration hat außerdem den Vorteil, dass ein mehrstufiger Tiefpass in der DC-Zuführung des Transistors 1010 entsteht, so dass Oszillationsneigungen durch Rückkopplung über die Versorgung V_DD stark vermindert werden. Eine hochfrequente Verunreinigung der Stromversorgung kann somit abgedämpft werden, wodurch unerwünschte Frequenzumwandlungsprodukte (Spurii) reduziert werden.
Um eine Versorgungsspannungsunterdrückung zu verbessern, kann eine mehrstufige Tiefpass- bzw. Anpassungsschaltung 1040 an einem Kollektor bzw. einem Drain eines Vorverstarkertransistors verwendet werden. Zudem kann man durch richtige Wahl der Kondensatorstrukturen 136 und der Abgriffe 134 auch noch ein Verhalten der Harmonischen der Arbeitsfrequenz mitbeeinflussen, wodurch Effizienz und Linearität eines Verstärkers erhöht werden können.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können also mehrstufige integrierte Anpassungsnetzwerke durch einen Einbau von Kondensatorstrukturen in eine Layout-Struktur einer Induktivitätsstruktur realisiert werden. Dabei können gezielt Halbleitertechnologien mit Massedurchkontaktierungen, wie z. B. Sinkern (Stromabflussbereichen), eingesetzt werden, um parasitäre Induktivitäten zu vermeiden. Dadurch kann eine mehrstufige Anpassung erhalten werden, mit Vorteilen bezüglich einer benötigten Integrationsfläche, da nunmehr eine induktive Leiterstruktur, die zu einer Planarspule aufgewickelt sein kann, verwendet wird. Dabei kann auch der Einfluss eines schlecht HF-geeigneten Substrats partiell ausgeblendet werden, falls eine Massedurchkontaktierung (Sinker) existiert. Des Weiteren kann eine magnetische Kopplung zwischen Wicklungen der induktiven Leiterstruktur ausgenutzt werden, womit auch ein Serienwiderstand der induktiven Leiterstruktur minimiert werden kann.
Abschließend soll darauf hingewiesen werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die hier beschriebenen Implementierungen oder die erläuterte Vorgehensweise beschränkt ist, da diese Implementierungen und Verfahren variieren können. Die hier verwendeten Begriffe sind lediglich dafür bestimmt, besondere Ausführungsbeispiele zu beschreiben und werden nicht einschränkend verwendet. Wenn in der Beschreibung und in den Ansprüchen die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet werden, beziehen sich diese auch auf die Mehrzahl dieser Elemente, solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich macht. Das selbe gilt in umgekehrter Richtung.

Claims

Integrierte Schaltung (100) mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung (130; 1040), mit folgenden Merkmalen: einer als Planarspule gebildeten induktiven Leiterstruktur (132) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende in der integrierten Schaltung (100); und einer Kondensatorstruktur (136) in der integrierten Schaltung (100), die mit einem Abgriff zwischen den Enden der als Planarspule gebildeten induktiven Leiterstruktur (132) zwischen der induktiven Leiterstruktur (132) und einem Bezugspotential geschaltet ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei eine erste Elektrode der Kondensatorstruktur (136) durch einen vordefinierten Bereich der induktiven Leiterstruktur (132) gebildet ist und eine zweite Elektrode durch ein niederohmiges Gebiet in einem Halbleitersubstrat mit dem Bezugspotential verbunden ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die induktive Leiterstruktur (132) in einer obersten Metallisierungsebene der integrierten Schaltung (100) strukturiert ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß Anspruch 1 oder 3, bei der die Kondensatorstruktur (136) außerhalb der Wicklungen der Planarspule gebildet ist, so dass dieselbe mit der Planarspule lateral nicht überlappt und mit der Planarspule über Abgriffe gekoppelt ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der ein Verhältnis von einer Breite von sich gegenüberliegenden Flächen von Elektroden der Kondensatorstruktur (136) zu einem Abstand der sich gegenüberliegenden Elektroden größer als 50 ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Metall-Isolator-Metall-Kondensator-struktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatorstruktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Grabenkondensatorstruktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die zumindest zwei Kondensatorstrukturen aufweist, die an Abgriffen der induktiven Leiterstruktur (132) zwischen der induktiven Leiterstruktur (132) und dem Bezugspotential geschaltet sind, und wobei eine dritte Kondensatorstruktur zwischen den Abgriffe parallel zu der induktiven Leiterstruktur (132) geschaltet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die ferner einen Transistor aufweist, wobei das eine Ende der induktiven Leiterstruktur (132) der Anpassungsschaltung (130; 1040) mit einem Drain-Anschluss des Transistors verbunden ist und das andere Ende der induktiven Leiterstruktur (132) mit einem Versorgungspotential verbunden ist.
Integrierte Schaltung (100) mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung (130; 1040), mit folgenden Merkmalen: einer in einer obersten Metallisierungsebene der integrierten Schaltung (100) als eine Planarspule strukturierten induktiven Leiterstruktur (132) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende in der integrierten Schaltung (100); und einer Kondensatorstruktur (136) in der integrierten Schaltung (100), wobei eine erste Elektrode durch einen vordefinierten Bereich der als Planarspule strukturierten induktiven Leiterstruktur (132) gebildet ist.
Integrierte Schaltung gemäß Anspruch 11, wobei eine zweite Elektrode über ein niederohmiges Gebiet in einem Halbleitersubstrat mit einem Bezugspotential verbunden ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß Anspruch 11 oder 12, bei der ein Verhältnis von einer Breite von sich gegenüberliegenden Flächen der erste Elektrode und der zweiten Elektrode der Kondensatorstruktur (136) zu einem Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden größer als 50 ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Metall-Isolator-Metall-Kondensatorstruktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensatorstruktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Kondensatorstruktur (136) durch eine Grabenkondensatorstruktur gebildet ist.
Integrierte Schaltung (100) gemäß einem der Ansprüche 11 bis 16, die zumindest zwei Kondensatorstrukturen aufweist, die an Abgriffen der induktiven Leiterstruktur (132) zwischen der induktiven Leiterstruktur (132) und dem Bezugspotential geschaltet sind, und wobei eine dritte Kondensatorstruktur zwischen den Abgriffe parallel zu der induktiven Leiterstruktur (132) geschaltet ist.
Integrierte Schaltung (1000) mit einem Versorgungspotentialanschluss; einem Transistor mit einem Drain-Anschluss; einer zwischen dem Versorgungspotentialanschluss und dem Drain-Anschluss des Transistors geschalteten als eine Planarspule ausgebildeten induktiven Leiterstruktur (132); und einer Kondensatorstruktur (136), die mit einem Abgriff zwischen den Enden der als Planarspule ausgebildeten induktiven Leiterstruktur (132) und ein Bezugspotential geschaltet ist.
Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltung (1000) mit einer mehrstufigen Anpassungsschaltung (130; 1040), mit folgenden Schritten: Strukturieren einer induktiven Leiterstruktur (132) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende in der integrierten Schaltung (100) als eine Planarspule; und Bilden einer Kondensatorstruktur (136) in der integrierten Schaltung (100) mit einem Abgriff zwischen den Enden der als Planarspule ausgebildeten induktiven Leiterstruktur (132) und einem Bezugspotential.
Verfahren gemäß Anspruch 19, bei dem die induktive Leiterstruktur (132) in einer obersten Metallisierungsebene der integrierten Schaltung (100) strukturiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19 oder 20, bei dem die Kondensatorstruktur (136) derart gebildet wird, dass ein Verhältnis von einer Breite von sich gegenüberliegenden Flächen von Elektroden der Kondensatorstruktur (136) zu einem Abstand zwischen den sich gegenüberliegenden Elektroden größer als 50 ist.