DE102012018013B4

DE102012018013B4 - Spiralförmige, integrierbare Spulen mit zentrischen Anschlüssen in planarer grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie

Info

Publication number: DE102012018013B4
Application number: DE102012018013.6A
Authority: DE
Inventors: Ralf Lerner
Original assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Current assignee: X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: DE102012018013A1

Abstract

Planare, integrierte, spiralförmige Spule mit einem zentrischen Anschluss, in grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie ausgebildet, wobei in einem Halbleitersubstrat (12) eine durch einen Isolationsgraben (10) isolierte Insel gebildet ist, in deren Zentrum die Spule liegt, wobei die Spule in einer ersten Metalllage Metall-1 liegt, wobei eine elektrische Zuführung in das Zentrum der Spule zunächst über eine äußere Zuführung (15) in erster Metalllage über einen Metall-1-Halbleiterkontakt (14) an der Zuführung, die isolierte Insel und einen weiteren Metall-1-Halbleiterkontakt (18) an der Spule als zentrischer Anschluss der Spule erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft planare spiralförmige Spulen, einzelne als auch zwei übereinander angeordnete Spulen, integrierbar in eine grabenisolierte Siliziumhalbleitertechnologie, wobei einfache Spulen mit einer Metalllage und zwei übereinander angeordnete Spulen mit nur drei Metalllagen platziert im Zentrum einer elektrisch isolierten Insel und Anschlüssen im Zentrum der spiralförmigen Spulen liegend realisiert werden können.
Eine Nutzung von 2 Metalllagen zur Herstellung von spiralförmigen Induktivitäten wird beispielsweise in US 6 114 937 A gezeigt. Dabei wird die Spule durch eine erste Metallisierungslage erzeugt, der Anschluss für das Zentrum wird durch eine zweite Metallisierungslage realisiert. Damit werden für eine einzige Spule inklusive ihrer Zuleitungen zwei Metallisierungslagen benötigt. Die Schriften US 2011/0133879 A1 , und vergleichbar auch US 2011/0138875 A oder CN101752226 A , zeigen planar angeordnete, in Reihe verschaltete spiralförmige Spulen, hergestellt aus zwei oder drei Metallisierungslagen. Durch die Anordnung von mehreren Spulen in Reihe übereinander wird eine höhere Induktivität pro Fläche erreicht. Da die Spulen in Reihe geschaltet sind, entfällt hier jedoch der Bedarf an einer Zuleitung ins Zentrum einer der Spulen. Gestapelte, differentielle Spulen aus zwei Metalllagen werden in US 2011/0133878 A1 offenbart. Da auch hier die Spulen in Reihe geschaltet sind, entfällt der Bedarf an einer Zuleitung in das Zentrum. Eine Verwendung des Halbleitersubstrats zeigt WO 02/073702 A1 bzw. US 2003/0011041 A1 . Hier wird in dem Halbleitersubstrat jedoch eine Grube durch Ätzen ausgebildet, in der der untere Teil einer Spule versenkt wird. Aus der Druckschrift DE 100 62 232 A1 ist eine integrierte, spiralförmige, planare Spule bekannt, die einen zentrischen Anschluss besitzt und in grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie in einer höher gelegenen Metalllage gebildet ist. Der zentrische Anschluss der Spule erfolgt mittels eines Via und dem Metall-1-Halbleiterkontakt mit dem Halbleitersubstrat verbunden. Der zentrale Anschluss wird mittels einer weiteren Metallbahn nach außen aus der Spule herausgeführt. In der Druckschrift US 7 994 890 B2 ist bekannt, den zentrischen Anschluss einer planaren Spule über eine äußere Zuführung, über einen „buried wire" (könnte ein Metall-Halbleiterkontak sein) und eine "lead wire layer" im Substrat (könnte eine dotierte Schicht im Substrat sein) unter der Spule nach außen zu führen.
Gekoppelte, planare, spiralförmige Spulen werden in JPH 0319358 A dargestellt. Allerdings werden dort zur Herstellung von zwei Spulen 4 Metalllagen benötigt: jeweils eine Metalllage für die eigentliche Spule und jeweils eine weitere Metalllage für die Zuführung ins Zentrum. Eine Verwendung von Isolationsgräben zur Herstellung einer planaren Spule zeigt US 2012/0086537 A1 . Dort wird das leitfähige Material zur Herstellung der Spule in einen entsprechend geätzten Graben eingebracht d. h. die Spule liegt im Substrat vergraben. Das Zuleitungsproblem im Zentrum einer Spule wird in CN101728377 A durch die Verwendung eines Bondpads gelöst. Allerdings kostet das Bondpad im Zentrum zusätzlichen Platz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem Stand der Technik mit einer grabenisolierten Halbleitertechnologie integrierbare planare Spulen mit einem zentrischen Anschluss mit der geringst möglichen Anzahl von Metalllagen herstellbar zu machen, wobei einzelne Spulen mit einer einzigen Metalllage und zwei übereinanderliegende, voneinander elektrisch isolierte Spulen mit drei Metalllagen realisierbar sind und wobei sowohl die Isolationsschicht zwischen der höchsten, dritten und der zweiten Metalllage als auch die Isolationsschicht zwischen der untersten, ersten Metalllage und dem Halbleitersubstrat besonders dick sind und den elektrischen Isolationsanforderungen, insbesondere der hohen elektrische Isolationsfestigkeit der übereinanderliegenden zwei Spulen entsprechen müssen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den in den Ansprüchen 1, 2 und 5 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gegenstände der Ansprüche 1 und 2 sind in den Unteransprüchen 3 und 4 gegeben.
Die Gegenstände der Ansprüche 1, 2 und 5 weisen die Vorteile auf, dass jeweils eine Zuführung in das Zentrum der Spulen über ein grabenisoliertes Stück des Halbleitersubstrats erfolgt, wodurch weniger Metalllagen zum elektrischen Anschluss der Spulen benötigt werden. So können z. B. einzelne planare, spiralförmige Spulen mit einer Metalllage und zwei isolierte Spulen mit drei Metalllagen d. h. ohne eine weitere, vierte Metalllage hergestellt werden. Darüber hinaus besteht zwischen zwei übereinanderliegenden Spulen eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit: Die Spule in Metalllage 3 ist durch eine besonders dicke Isolatorschicht von den darunter liegenden Metalllagen eins und zwei isoliert, die Zuführung im Halbleitsubstrat ist durch die dicke Isolationsschicht zwischen dem Substrat und der ersten Metalllage isoliert. Zusätzlicher Platz für ein Bondpad im Zentrum wird nicht benötigt.
Die Erfindung wird nun anhand von 5 Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Zuhilfenahme der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
1 eine planare, spiralförmige Spule mit einer einzigen Metalllage, bei der die Zuführung in das Zentrum der Spule durch grabenisoliertes Substrat erfolgt,
2 eine planare, spiralförmige Spule mit einer einzigen Metalllage, bei der die Zuführung in das Zentrum der Spule durch das grabenisolierte Substrat entlang eines Steges als Ausbuchtung der hochdotierten Grabenseitenwanddotierung erfolgt,
3 eine planare, spiralförmige Spule mit einer einzigen Metalllage, bei der die Zuführung in das Zentrum der Spule durch grabenisoliertes Substrat entlang eines hochdotierten Substratbereiches erfolgt,
4 eine planare, spiralförmige Spule, gebildet durch die dritte Metalllage, bei der die Zuführung in das Zentrum der Spule durch das grabenisolierte Substrat, ein Kontaktloch, ein Stück erste Metalllage, einen Viakontakt, ein Stück der zweiten Metalllage und einen zweiten Viakontakt erfolgt,
5 zwei planare, spiralförmige Spulen, wobei die erste Spule gebildet wird durch die dritte Metalllage mit einer Zuführung in das Zentrum der Spule durch das grabenisolierte Substrat, ein Kontaktloch, ein Stück erste Metalllage, einen Viakontakt, ein Stück zweite Metalllage, einen zweiten Viakontakt und die zweite Spule durch die erste und zweite Metalllage mit einem Viakontakt.
Die einzelne, planare, spiralförmige Spule 17 in 1 besteht aus der ersten Metalllage, bei der die elektrische Zuführung in das Zentrum der Spule zunächst über eine äußere Zuführung in erster Metalllage 15 mit dem Metall 1-Halbleiterkontakt in der Zuführung 14 und das durch den Isolationsgraben 10 isolierte Gebiet des Halbleitersubstrats 12 und den Metall 1-Halbleiterkontakt an der Spule 18 als Anschluss im Zentrum der Spule erfolgt, wobei die Stromführung durch das Halbleitersubstrat 12 eine Kreuzung der Stromzuführung unter der Spule 17 in das Zentrum ermöglicht.
Eine zweite Ausführungsvariante einer einfachen Spule 17 ist in 2 gezeigt. Es liegt eine Dotierung der Isolationsgrabenseitenwand 20 vor. In diesem Gebiet ist die elektrische Leitfähigkeit größer als im Halbleitersubstrat 12. In der gezeigten Ausführungsform ist der Isolationsgrabens 10 stegförmig ausgebuchtet und auf diesem Steg liegen die Metall 1-Halbleiterkontakte 14 und 18 und der Strompfad zwischen diesen beiden Kontakten verläuft in einem gegenüber dem Halbleitersubstrat 12 niederohmigeren Gebiet.
3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer einzelnen Spule. Unter und zwischen den Metall 1-Halbleiterkontakten 14 und 18 liegt ein hochdotiertes Gebiet 30 und damit niederohmigeres Gebiet im Vergleich zum Halbleitersubstrat 12 Dieses hochdotierte Gebiet 30 kann beispielsweise durch einen Photolithographieschritt, gefolgt von einer Ionenimplantation, hergestellt werden.
Die planare, spiralförmige Spule in 4 wird durch eine dritte Metalllage 46 gebildet. Die Stromzuführung in das Zentrum der Spule erfolgt über die äußere Zuführung in erster Metalllage 15, den Metall 1-Halbleiterkontakt in der Zuführung 14, ein durch den Isolationsgraben 10 isoliertes Gebiet des Halbleitersubstrats 12, den Metall 1-Halbleiterkontakt an der Spule 18, ein Stück der ersten Metalllage 48, den ersten Viakontakt zwischen erster und zweiter Metalllage 40, ein Stück der zweiten Metalllage 44, den zweiten Viakontakt zwischen zweiter und dritter Metalllage 42 in das Zentrum der aus der dritten Metalllage 46 gebildeten Spule.
Die obere der beiden planaren, spiralförmigen Spulen in 5 wird aus der dritten Metalllage 46 gebildet. Die Stromzuführung in das Zentrum der Spule erfolgt wie in 4 beschrieben über die beiden Viakontakte 40 und 42. Die zweite planare, spiralförmige Spule ist die Spule in zweiter Metalllage 50. Deren Zuführung in das Zentrum erfolgt durch einen ersten Viakontakt zwischen erster und zweiter Metalllage 40 und der direkten Zuführung in erster Metalllage 16. Aufgrund der dicken Isolationsschicht zwischen der dritten und der zweiten Metalllage und der dicken Isolationsschicht zwischen der ersten Metalllage und dem Halbleitersubstrat können zwei voneinander elektrisch isolierte Spulen für hohe Spannungen ohne eine vierte Metalllage realisiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Isolationsgraben
12: Halbleitersubstrat
14: Metall 1-Halbleiterkontakt an der Zuführung
15: äußere Zuführung in erster Metalllage
16: direkte Zuführung in erster Metalllage
17: Spule in erster Metalllage
18: Metall 1-Halbleiterkontakt an der Spule
20: Dotierung der Isolationsgrabenseitenwand
30: stegartiges, hochdotiertes Gebiet
40: erster Viakontakt zwischen erster und zweiter Metalllage
42: zweiter Viakontakt zwischen zweiter und dritter Metalllage
44: zweite Metalllage
46: dritte Metalllage
48: erste Metalllage
50: Spule in zweiter Metalllage

Claims

Planare, integrierte, spiralförmige Spule mit einem zentrischen Anschluss, in grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie ausgebildet, wobei in einem Halbleitersubstrat (12) eine durch einen Isolationsgraben (10) isolierte Insel gebildet ist, in deren Zentrum die Spule liegt, wobei die Spule in einer ersten Metalllage Metall-1 liegt, wobei eine elektrische Zuführung in das Zentrum der Spule zunächst über eine äußere Zuführung (15) in erster Metalllage über einen Metall-1-Halbleiterkontakt (14) an der Zuführung, die isolierte Insel und einen weiteren Metall-1-Halbleiterkontakt (18) an der Spule als zentrischer Anschluss der Spule erfolgt.
Planare, integrierte, spiralförmige Spule mit einem zentrischen Anschluss, in grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie ausgebildet, wobei in einem Halbleitersubstrat (12) eine durch einen Isolationsgraben (10) isolierte Insel gebildet ist, in deren Zentrum die Spule liegt, wobei die Spule nicht aus der ersten Metalllage Metall-1 sondern aus einer weiter höher gelegenen Metalllage gebildet ist, ihre Anschlüsse aus der ersten und der weiteren höher gelegenen Metalllage gebildet sind, wobei eine Stromzuführung in das Zentrum der Spule über eine äußere Zuführung (15) in der ersten Metalllage, einen Metall-1-Halbleiterkontakt (14) an der Zuführung, die isolierte Insel, einen weiteren Metall-1-Halbleiterkontakt (18) an der Spule und bei einer Spule in zweiter Metalllage über einen ersten Viakontakt zwischen erster und zweiter Metalllage (40) und bei Spulen in höher gelegenen Metalllagen über entsprechend mehrere Viakontakte als zentrischer Anschluss erfolgt.
Spiralförmige Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Isolationsgrabenseitenwanddotierung (20) vorhanden ist und ein stegartiges Gebiet, das mit der Isolationsgrabenseitenwanddotierung (20) in Verbindung steht und in gleicher Weise dotiert ist, ausgebildet ist, wobei die Metall-1-Halbleiterkontakte (14, 18) auf dem stegartigen Gebiet gebildet sind.
Spiralförmige Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-1-Halbleiterkontakte (14, 18) auf einem im Halbleitersubstrat (12) vorhandenen, stegartigen, hochdotierten Gebiet (30) ausgebildet sind.
Zwei planare, integrierte, spiralförmige, übereinander liegende, voneinander elektrisch unabhängig funktionierende Spulen mit zentrischen Anschlüssen, in grabenisolierter Siliziumhalbleitertechnologie ausgebildet, wobei die eine der Spulen in der dritten Metalllage (46) und die andere der Spulen in der zweiten Metalllage (50) gebildet ist, wobei die Spule in der dritten Metalllage als Spule gemäß Anspruch 2 ausgebildet ist und der zentrische Anschluss der Spule in zweiter Metalllage (50) über eine isolierte direkte Zuführung in der ersten Metalllage (16) und einen ersten Viakontakt (40) hergestellt ist.