DE69026164T2 - Halbleitende integrierte Schaltung - Google Patents
Halbleitende integrierte SchaltungInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 angegeben ist.
- Eine derartige Art einer integrierten Halbleiterschaltung ist bereits aus GB-A-2 173 956 bekannt. Diese bekannte integrierte Halbleiterschaltung weist folgendes auf:
- - ein elektrisch isolierendes Halbleitersubstrat mit einer ersten und einer zweiten Fläche, die voneinander abgewandt sind;
- - aktive oder passive Elemente auf oder innerhalb des Halbleitersubstrats;
- - einen elektrischen Leiter, der als erste Spirale auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist, die ein außerhalb dieser Spirale angeordnetes äußeres Ende als erste Zuleitung und ein innerhalb dieser Spirale angeordnetes inneres Ende aufweist;
- eine zweite Zuleitung, die auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats außerhalb der ersten Spirale angeordnet ist, wobei elektrische Verbindungen zur Spirale auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats vorgenommen werden können; und
- - einen elektrisch leitenden Verbinder, der unter der ersten Spirale angeordnet ist, um die zweite Zuleitung mit dem inneren Ende der Spirale zu verbinden;
- Aus US-A-3,504,276 ist bereits eine Suchspule bekannt, die zum Erfassen von Flußänderungen geeignet ist. Grundsätzlich werden Spulen mit einfachem Aufbau sowie komplizierte Spulenschleifen durch Techniken für gedruckte Schaltungen hergestellt, und eine spezielle Spulenstruktur kann aus verschiedenen Spulenschleifenkonfigurationen auf verschiedenen
- Seiten einer Platte bestehen, die über einen durch die Platte laufenden Draht verbunden sind.
- Ferner ist aus US-A-3,881,244 bereits eine Festkörperdrossel bekannt, die in einem einkristallinen Halbleiterkörper ausgebildet ist. Eine elektrisch isolierte Wendel aus leitenden Stiften, die wahlweise über elektrische Kontakte miteinander verbunden sind, umgrenzt ein elektrisch isoliertes Kernmaterial. Typischerweise bestehen die Stifte aus dem Material der Halbleiterscheibe, oder es handelt sich um einen abgeschiedenen Leiter. Eine derartige Festkörperdrossel kann auch Teil einer integrierten Schaltung sein.
- Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer induktiven Struktur, insbesondere zur Verwendung bei hohen Frequenzen.
- Von allen passiven elektrischen Elementen (Widerstände, Kondensatoren und Drosseln) sind Drosseln in integrierten Schaltungen am schwierigsten herzustellen. Drosseln bieten Schwierigkeiten, da sie relativ große Flächen und/oder Volumina benötigen, um nützliche Induktivitätswerte zu erzielen. Außerdem ist der herkömmliche dreidimensionale Charakter von Drosseln schwierig in integrierten Schaltungen zu realisieren, die im wesentlichen der Art nach zweidimensional sind.
- Die Schwierigkeiten zum Herstellen zufriedenstellender Drosseln mit nützlichen Werten, die in integrierten Schaltungen integrierbar sind, werden bei höheren Frequenzen noch schwerwiegender. Wegen der begrenzten Volumina, die für Komponenten, d.h. aktive und passive Elemente in im wesentlichen zweidimensionalen integrierten Schaltungen, zur Verfügung stehen, leiden die herkömmlichen induktiven Strukturen unter zunehmenden parasitären Kapazitäten bei erhöhten Frequenzen. Diese unerwünschten Kapazitäten werden durch Leitungsüberkreuzungen, eng beabstandete Verdrahtungspfade und dergleichen erzeugt. Die parasitären Kapazitäten beeinflussen die Frequenz, bei der die Schaltungen korrekt arbeiten, nachteilig und beeinflussen sie. Bei ausreichend hohen Frequenzen können die Auswirkungen der parasitären Kapazitäten so stark sein, daß sie die induktive Eigenschaft eines Induktionselements überwiegen. Bei komplizierteren Strukturen, wie Transformatoren, die mehrere Windungen verwenden, sind die Schwierigkeiten sogar noch größer, die mit dem Einstellen der Fläche und des Volumens eines Elements einhergehen, während das gewünschte Funktionsvermögen erzielt wird und die parasitären Kapazitäten begrenzt werden.
- Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine integrierte Halbleiterschaltung mit induktiven Strukturen zu schaffen, die, insbesondere bei hohen Frequenzen, verringerte parasitäre Kapazitäten aufweisen.
- Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch eine integrierte Halbleiterschaltung gemäß Anspruch 1 gelöst.
- Gemäß der Erfindung ist eine elektrisch leitende Spirale auf einer Fläche eines Halbleitersubstrats angeordnet. Die Spirale enthält ein äußeres, außerhalb der Spirale angeordnetes Ende und ein inneres, innerhalb der Spirale angeordnetes Ende. Eine elektrische Zuleitung auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats erreicht das innere Ende der Spirale durch zwei Durchgänge und einen elektrischen Leiter auf der zweiten Fläche des Halbleitersubstrats. Eine andere elektrische Zuleitung auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats erreicht die externe Zuleitung. Das Halbleitersubstrat ist zwischen die überkreuzung der Zuleitung vom inneren Ende und der Spirale eingefügt, um dadurch die parasitäre Kapazität deutlich zu verringern.
- Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten spiralförmigen Drossel.
- Fig. 2(a) und 2(b) sind eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht einer bekannten spiralförmigen Drossel.
- Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) sind eine perspektivische Ansicht, eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht einer bekannten Drossel, die zwei elektrisch miteinander verbundene Spiralen verwendet.
- Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer spiralförmigen Drossel gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind eine perspektivische Ansicht bzw. zwei Schnittansichten einer spiralförmigen Drossel gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgendin Verbindung mit repräsentativem Stand der Technik erörtert, um die durch die Erfindung erzielten Verbesserungen zu veranschaulichen. In allen Figuren sind gleiche Elemente mit denselben Bezugszahlen versehen.
- Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer bekannten Drossel, die auf einem Halbleitersubstrat 1 angeordnet ist, das aus Galliumarsenid bestehen kann. In dieser Drossel ist ein mit einem Spiralmuster angeordneter elektrischer Leiter 2 auf einer ersten Fläche des Substrats 1 angeordnet. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff "Spirale" eine Wicklung, deren Durchmesser in bezug auf einen Mittelpunkt zunimmt, wenn der Leiter länger wird. Die Spirale kann glatt verlaufen mit allmählich zunehmendem Durchmesser, ähnlich der Schale eines Nautilus, oder sie kann Ecken mit abgewinkelten Biegungen aufweisen, wie die in der Fig. 1 dargestellten 90-Grad-Biegungen. Die Spirale besteht aus einem Metall, das durch Aufdampfen oder Plattierung niedergeschlagen wird, und sie umfaßt ein äußeres Ende 3, das außerhalb der Spirale liegt und ein inneres Ende 4, das innerhalb der Spirale liegt. In der Fig. 1 ist das äußere Ende 3 mit einem Anschluß 5 für einfache Verbindung durch Drahtbonden oder andere Techniken mit anderen Schaltungskomponenten verbunden. Das innere Ende 4 ist über eine Zuleitung 6 mit einem Anschluß 7 zum Herstellen äußerer Anschlüsse verbunden. Die Zuleitung 6 muß die Windungen des Leiters 2 überqueren und daher gegen diese elektrisch isoliert sein. An der dem Leiter 2 abgewandten Seite des Substrats 1 ist eine elektrisch leitende Masseebene 8 angeordnet.
- In den Fig. 2(a) und 2(b) sind eine Draufsicht und eine Schnittansicht einer bekannten Drossel dargestellt, deren Aufbau der Drossel von Fig. 1 ähnlich ist. Eine elektrisch leitende Luftbrücke 9 einschließlich eines Luftzwischenraums 10 ist Teil der Zuleitung 6 und sorgt für elektrische Isolierung gegen die Windungen des Leiters 2. Die Luftbrücke wird durch eine herkömmliche Technologie unter Verwendung eines Zwischenträgers, wie eines Polyimid- oder Photoresistfilms, hergestellt, der die Windungen 2 bedeckt, während das die Luftbrücke 9 bildende Metall abgeschieden wird. Nachdem das Metall abgeschieden ist, wird der Zwischenträger entfernt, z. B. mit einem Lösungsmittel, wodurch eine freistehende Luftbrücke verbleibt. Bei der herkömmlichen Technologie beträgt der Abstand zwischen dem Metall der Luftbrücke und den Leitern 2 maximal einige wenige Mikrometer. Wegen dieses dichten Abstands existiert, obwohl die Dielektrizitätskonstante der Luft zwischen der Zuleitung 6 und den Windungen 2 relativ niedrig ist, eine deutliche parasitäre Kapazität zwischen den Windungen 2 und der Zuleitung 6 an der Luftbrücke 9.
- In den Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) ist in perspektivischer, Drauf- bzw. Schnittansicht ein induktiver Aufbau dargestellt, wie er in der japanischen veröffentlichten Gebrauchsmusteranmeldung 60-136156 offenbart ist. Ein Substrat 1, das ein Halbleitermaterial sein kann, das zusammen mit dem Aufbau verwendet wird, ist in der Fig. 3(a) der Deutlichkeit halber nicht dargestellt. Der induktive Aufbau der Fig. 3(a) - 3(c) verwendet zwei spiralförmige elektrische Leiter 2 und 12, die einander gegenüberstehend angeordnet sind. Das innere Ende 4 der Spirale 2 ist elektrisch mit dem äußeren Ende 13 der Spirale 12 über einen elektrischen Leiter 15 verbunden. Der induktive Aufbau verfügt über einen ersten Anschluß 5, der elektrisch mit dem äußeren Ende 3 der Spirale 2 verbunden ist, und einen zweiten Anschluß 7, der mit dem inneren Ende 14 der Spirale 12 verbunden ist.
- Die Realisierung des induktiven Aufbaus, der in der Fig. 3(a) schematisch dargestellt ist, ist in der Schnittansicht der Fig. 3(c) angegeben. Der Aufbau wird dadurch hergestellt, daß Muster aus Metall in Verbindung mit isolierenden Schichten 20, 30, 40 und 50 hergestellt werden, die der Reihe nach auf dem Substrat 1 abgeschieden werden. Anfangs, nach dem Abscheiden der Isolierschicht 20, wird ein Fenster geöffnet, um für Kontakt mit einem stark leitenden Bereich la im Substrat 1 zu sorgen. Dann wird die Spirale 2 durch Abscheiden und Mustern eines Metalls hergestellt. Danach wird die Isolierschicht 30 abgeschieden und ein Fenster wird geöffnet, um für eine Verbindung zum inneren Ende 4 der Spirale 2 zu sorgen. Nach einem anschließenden Metallabscheidungs- und Musterungsvorgang zum Herstellen einer Verbindung zum Leiter 15 wird die Isolierschicht 40 abgeschieden und ein Fenster geöffnet. Nach noch einem weiteren Metallabscheidungs- und Musterungsvorgang zum Herstellen der Spirale 12 wird eine elektrische Verbindung im Fenster am äußeren Ende 13 der Spirale 12 hergestellt und abschließend wird die elektrische Isolierschicht 50 abgeschieden.
- Die Induktivität des in den Fig. 3(a) - 3(c) dargestellten Aufbaus ist die Induktivität der einzelnen Spiralen zuzüglich der Gegeninduktivität zwischen den zwei Spiralen. Da die Gegeninduktivität zwischen den zwei Spiralen größer ist als dann, wenn sie Seite an Seite liegen würden, ist die Gesamtinduktivität gegenüber derjenigen zweier Seite an Seite liegender Spiralen erhöht und es wird ein kleineres Volumen eingenommen. Jedoch ist der Herstellprozeß für den Aufbau der Figuren 3(a) - 3(c) extrem kompliziert und es ist, wie bei der unter Bezugnahme auf die Fig. 2(a) und 2(b) beschriebenen bekannten Vorrichtung der Abstand zwischen den zwei Spiralen durch die Dicke der Isolierschichten 20, 30, 40 und 50 begrenzt. Daher wird durch den Aufbau der Fig. 3(a) - 3(c) eine deutlich erhöhte parasitäre Kapazität erzeugt, was den nützlichen Frequenzbereich begrenzt.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Fig. 4 sowie 5(a) - 5(c) dargestellt. In der Fig. 4 ist eine perspektivische, schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt, bei der ein eingefügtes Halbleitersubstrat 1, das in den Fig. 5(b) und 5(c) dargestellt ist, der Deutlichkeit halber weggelassen ist. Gemäß der Fig. 4 enthält der induktive Aufbau einen spiralförmigen Leiter 2 mit einem äußeren Ende 3 und einem inneren Ende 4, angeordnet auf einer ersten Fläche eines elektrisch isolierenden Halbleitersubstrats (nicht dargestellt). Das innere Ende 4 ist elektrisch nicht über eine Luftbrückenkonstruktion mit der Zuleitung 6 verbunden, sondern über einen Durchgang und eine Zuleitungsanordnung. Ein Durchgang 21 enthält ein Durchgangsloch, das das Halbleitersubstrat 1 von der Fläche des Substrats, auf der die Spirale 2 ausgebildet ist, zur entgegengesetzten Fläche des Halbleitersubstrats durchdringt, und ein elektrisch leitendes Material, das das Durchgangsloch auffüllt. Ein elektrischer Leiter 22 ist auf der entgegengesetzten Fläche des Halbleitersubstrats mit der Spirale 2 angeordnet und steht in elektrischem Kontakt mit dem Durchgang 21. Ein zweiter elektrisch leitender Durchgang 23 außerhalb der Spirale 2 durchdringt ebenfalls das Halbleitersubstrat. Dieser Durchgang 23 steht in elektrischem Kontakt mit dem Leiter 22 und der Zuleitung 6, so daß eine äußere elektrische Verbindung von der Seite des Halbleitersubstrats her, auf der die Spirale 2 angeordnet ist, zum inneren Ende 4 der Spirale 2 hergestellt werden kann.
- Das Ausführungsbeispiel der Erfindung, das in den Fig. 4 und 5(a) - 5(c) dargestellt ist, wird durch herkömmliche Techniken hergestellt, mit dem Erzeugen der Durchgangslöcher, dem Auffüllen derselben mit Metall, um die Durchgänge fertigzustellen, und mit dem anschließenden Abscheiden und Mustern elektrischer Leiter auf den beiden Seiten des Halbleitersubstrats, um die elektrischen Verbindungen fertigzustellen. Diese Bearbeitungsschritte können in verschiedenen Reihenfolgen ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der spiralförmige Leiter 2 zunächst abgeschieden und gemustert werden, dann können die Durchgangslöcher hergestellt und mit Metall gefüllt werden, und der Aufbau kann dadurch fertiggestellt werden, daß der Leiter 22 auf der Rückseite des Halbleitersubstrats 1 abgeschieden und gemustert wird. Das Halbleitersubstrat 1 kann Galliumarsenid oder Indiumphosphid sein. Galliumarsenid ist für Hochfrequenzanwendungen bevorzugt.
- Die Erfindung hat den Vorteil, daß die induktive Struktur direkt in eine integrierte Halbleiterschaltung integriert ist. Das halbisolierende Halbleitersubstrat, auf dem die Spirale angeordnet ist und in dem die Durchgänge ausgebildet sind, ist auf und in ihm mit aktiven Komponenten wie Transistoren und Dioden und anderen passiven Elementen, versehen, was zusammen eine integrierte Schaltung bildet.
- Beim Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in den Fig. 5(a) - 5(c) dargestellt ist, ist eine zweite elektrisch leitende Spirale 12 auf der Fläche des Halbleitersubstrats angeordnet, die von der die Spirale 2 tragenden Fläche abgewandt ist. Wie beim in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das innere Ende der auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats 1 angeordneten Spirale 2 elektrisch über einen Durchgang 21 angeschlossen. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5(a) - 5(c) erstreckt sich der Durchgang 21 durch das Halbleitersubstrat 1 und ist elektrisch an die zweite Spirale 12 angeschlossen. Die Spirale 12 ist mit der Zuleitung 6 über einen zweiten Durchgang 23 verbunden.
- Ein wichtiges Merkmal des Aufbaus der Fig. 5(a) - 5(c) ist der Drehsinn, d.h. die Windungsrichtung der Spiralen 2 und 12. Die Spiralen 2 und 12 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5(a) - 5(c) verfügen über verschiedene Drehsinne, d.h., daß die eine in linkem Sinn und die andere in rechtem Sinn gewunden ist. Außerdem ist die Spirale 12 dort, wo es möglich ist, so angeordnet, daß sie nicht direkt unter der Spirale 2 liegt. Offensichtlich liegt das innere Ende 14 der Spirale 12 unmittelbar unter dem inneren Ende 4 der Spirale 2, und ein Teil der Spirale 12 oder des Leiters 22 geht unter einem Teil der Spirale 2 hindurch, um den Durchgang 23 zu erreiche. Ansonsten besteht beim Ausführungsbeispiel der Fig. 5(a) - 5(c), wenn die Spirale 12 auf die die Spirale 2 tragende Fläche des Halbleitersubstrats projiziert wird, keine überlappung zwischen den Spiralen 2 und 12, mit Ausnahme am Durchgang 23 und an der überkreuzungsstelle. Anders gesagt, sind die Spiralen 2 und 12 verschachtelt. Diese Anordnung minimiert die parasitäre Kapazität zwischen den zwei Spiralen. Das Ausführungsbeispiel der Fig. 5(a) - 5(c) wird auf dieselbe Weise hergestellt wie das Ausführungsbeispiel von Fig. 4.
- Das in den Fig. 5(a) - 5(c) dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung sorgt für erhöhte Induktivität gegenüber der der Fig. 4, und zwar durch Einschluß der zweiten Spirale 12. Jedoch existiert keine deutliche Erhöhung der parasitären Kapazität, da die Spirale 12 nicht mehr unmittelbar unter der Spirale 2 liegt, wie es beim Leiter 22 von Fig. 4 der Fall ist. Darüber hinaus ist der Herstellprozeß nicht komplizierter als der des Aufbaus von Fig. 4, und er ist weit weniger kompliziert als der des bekannten Aufbaus der Fig. 3(a) - 3(c).
- Bei dem in den Fig. 4 und 5(a) - 5(c) dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Halbleitersubstrat 1 zwischen der Spirale 2 und dem Leiter 22 und, wie es in den Fig. 5(a) - 5(c) gezeigt ist, der zweiten Spirale 12 angeordnet. Die relativ hohe Dicke des Halbleitersubstrats, insbesondere im Vergleich mit den relativ dünnen Isolierschichten beim bekannten induktiven Aufbau gemäß Fig. 3(c) verdeutlicht die parasitäre Kapazität des neuartigen Aufbaus deutlich. Die Dielektrizitätskonstante der bei der Luftbrükke 9 des in Fig. 2(b) dargestellten bekannten Aufbaus verwendeten Luftbrücke 9 hat den Wert 1, wohingegen für ein Halbleitersubstrat 1, wie aus Galliumarsenid, die Dielektrizitätskonstante ungefähr 12 beträgt. Jedoch führt die Erhöhung des Abstands zwischen den Leitern bei der Erfindung auf Hunderte von Mikrometern gegenüber einigen wenigen Mikrometern beim Luftbrückenaufbau gemäß den Fig. 2(a) - 2(b) zu einer wesentlichen Verringerung der parasitären Kapazität bei der Erfindung.
Claims (4)
1. Integrierte Halbleiterschaltung mit:
- einem elektrisch isolierenden Halbleitersubstrat (1) mit
einer ersten und einer zweiten Fläche, die voneinander
abgewandt sind;
- aktiven oder passiven Elementen auf oder innerhalb des
Halbleitersubstrats (1);
- einem elektrischen Leiter, der als erste Spirale (2) auf
der ersten Fläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet
ist, die ein außerhalb dieser ersten Spirale (2)
angeordnetes äußeres Ende (3) als erste Zuleitung und ein innerhalb
dieser ersten Spirale (2) angeordnetes inneres Ende (4)
aufweist;
- einer zweiten Zuleitung (6), die auf der ersten Fläche des
Halbleitersubstrats (1) außerhalb der ersten Spirale (2)
angeordnet ist, wobei elektrische Verbindungen zur ersten
Spirale (2) auf der ersten Fläche des Halbleitersubstrats (1)
vorgenommen werden können; und
- einem elektrisch leitenden Verbinder (22), der unter der
ersten Spirale (2) angeordnet ist, um die zweite Zuleitung
(6) mit dem inneren Ende (4) der ersten Spirale (2) zu
verbinden;
dadurch gekennzeichnet, daß
- ein erster und ein zweiter elektrisch leitender Durchgang
(21, 23) von der ersten zur zweiten Fläche durch das
Halbleitersubstrat (1) hindurchgehen;
- der elektrisch leitende Verbinder (22) auf der zweiten
Fläche des Halbleitersubstrats (1) angeordnet ist;
- der erste Durchgang (21) das innere Ende (4) der ersten
Spirale (2) mit dem Verbinder (22) verbindet und
- der zweite Durchgang (23) den Verbinder (22) mit der
zweiten Zuleitung (6) verbindet.
2. Integrierte Halbleiterschaltung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der auf der zweiten Fläche des
Substrats (1) angeordnete elektrisch leitende Verbinder (22)
eine zweite Spirale (12) ist.
3. Integrierte Haibleiterschaltung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spirale (12), wenn sie
auf die erste Fläche des Substrats (1) projiziert wird, mit
der ersten Spirale (2) verschachtelt ist.
4. Integrierte Haibleiterschaltung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (1) aus der aus
Galliumarsenid und Indiumphosphid bestehenden Gruppe ausgewählt
ist.
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