DE69030123T2 - Induktive Strukturen für halbleitende integrierte Schaltungen - Google Patents

Induktive Strukturen für halbleitende integrierte Schaltungen

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Transformator, der mit einer integrierten Halbleiterschaltung integrierbar ist, wie im Oberbegriff von Anspruch 1 beansprucht.
  • Als Transformatoren können mehrere Spiralwindungen verwendet werden, die induktiv gekoppelt sind. Ein Beispiel eines anderen bekannten Transformators, der zwei auf derselben Fläche angeordnete Spiralwindungen nutzt, ist in Draufsicht in Fig. 1 dargestellt. Hierbei ist eine elektrisch leitende Spirale 2 innerhalb einer elektrisch leitenden Spirale 12 angeordnet. Sowohl das Außenende 3 als auch das Innenende 4 der Spirale 2 benötigen Luftbrückenstrukturen 9, die sie gegen Spiralwindungen der Spirale 12 isolieren und diese überkreuzen, und die elektrischen Zugang zur Spirale 2 geben. Da die Spirale 12 außerhalb der Spirale 2 liegt, ist zum Außenende 13 der Spule 12 direkter Zugang verfügbar. Jedoch muss immer noch eine Luftbrückenstruktur 9 vorhanden sein, um für Zugang von außen zum Innenende 14 der Spirale 12 zu sorgen. Wegen des Vorhandenseins dreier Luftbrücken 9 leidet der Transformator von Fig. 1 unter Problemen durch parasitäre Kapazitäten. Außerdem ist die magnetische Kopplung zwischen den Spiralen 2 und 12 beschränkt, da in der Nachbarschaft dieser Windungen nur ein Material mit relativ niedriger Permeabilität, d.h. das Substrat 1, vorhanden ist.
  • Eine andere bekannte Struktur eines Transformators ist in Explosionsansicht in Fig. 2 dargestellt. Diese Transformatorstruktur enthält ein elektrisch isolierendes Substrat 1, auf dem Isolierfilme 20, 30 und 40 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Elektrisch leitende Spiralen 2 und 12 sind jeweils auf den Filmen 20 b zw. 40 angeordnet. Jeder der Filme enthält ein Durchgangsloch durch die jeweiligen Isolierfilme, durch die hindurch sich Leiter 26 bzw. 27 zu einer darunterliegenden Schicht, dem Film 30 im Fall der Spirale 2 und dem Substrat 1 im Fall der Spirale 12, erstrecken. Diese elektrischen, durch die Isolierfilme hindurchgehenden Leiter sorgen für elektrische Verbindung zu jeweiligen Zuleitungen 6 von den Innenenden 4 und 14 der Spiralen 2 und 12. Die zwei Spiralen 2 und 12 weisen denselben Sinn auf, d.h. dieselbe Wicklungsrichtung, und sie liegen übereinander, um die wechselseitige induktive Kopplung zu maximieren. Die Gegeninduktivität der zwei Spiralen wird durch die gegenseitige Geometrie und die Dicken der Isolierfilme kontrolliert. Jedoch ist die Gegeninduktivität zwischen den zwei Spiralen beschränkt, da die Permeabilität der benachbarten Materialien relativ klein ist.
  • In den Fig. 3(a)-3(c) ist eine andere bekannte Transformatorstruktur zur Verwendung in integrierten Halbleiterschaltungen in Schnitt- und Draufsichten dargestellt. Dieser Transformator, wie er dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht, verwendet eine Lage eines Materials mit relativ hoher Permeabilität, um die induktive Kopplung zwischen den zwei Windungen zu verbessern. Bei dieser bekannten Struktur, wie sie in Patent Abstracts of Japan: Vol. 11, No. 161 [E-509], 23.05.87 sowie in der veröffentlichten Japanischen Patentanmeldung 61-294850 beschrieben ist, ist eine elektrisch leitende Spirale 2 auf einem Halbleitersubstrat 1 angeordnet. Eine zweite Windung 28 umfasst eine einzelne Schleife, die mittels einer elektrisch isolierenden Schicht 4 von der Spirale 2 beabstandet ist. In die Isolierschicht 29 zwischen der Spirale 2 und der Windung 28 ist eine ferromagnetische Lage 31 eingebettet. Da die ferroelektrische Lage 31 zwischen der Spirale 2 und der Windung 28 statt innerhalb der zentralen Öffnung derselben angeordnet ist, ist sie nicht wirksam hinsichtlich einer deutlichen Erhöhung der induktiven Kopplung zwischen diesen zwei Leitern. So ist es bei den bekannten Strukturen schwierig, große Gegeninduktivität und hohen Wirkungsgrad des Transformators zu erzielen.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Transformator gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 mit größerer Gegeninduktivität und höherem Wirkungsgrad zu versehen.
  • Ein erfindungsgemäßer Transformator ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Windung sowie der elektrisch isolierende Film eine gemeinsame zentrale Öffnung aufweisen und ein magnetisches Material an der Oberfläche des Substrats in der gemeinsamen zentralen Öffnung angeordnet ist, das die induktive Kopplung zwischen der ersten und zweiten Windung erhöht.
  • Das Vorhandenseins eines Ferrits innerhalb der Öffnung der Windungen verbessert die gegenseitige Kopplung der Windungen und das Transformatorfunktionsvermögen im Vergleich mit bekannten Transformatoren.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit jeweiligem Stand der Technik erörtert, um die durch die Erfindung erzielten Verbesserungen zu veranschaulichen. In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
  • Fig. 1 ist eine Draufsicht auf einen bekannten Transformator, der zwei auf derselben Fläche angeordnete spiralförmige Induktoren verwendet;
  • Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten Transformators, der zwei auf verschiedenen Flächen angeordnete spiralförmige Induktoren verwendet, wobei ein Isolierfilm dazwischenliegt;
  • Fig. 3(a), 3(b) und 3(c) sind eine Schnittansicht bzw. zwei Draufsichten eines bekannten Transformators, der eine magnetische Lage zwischen Spulen verwendet;
  • Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) sind eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
  • Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) sind eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Die Fig. 4(a), 4(b) und 4(c) sind eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines in eine integrierte Halbleiterschaltung integrierbaren Transformators gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser Struktur ist eine einzelne Windung 28 aus einem dünnen Metallfilm auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats wie eines solchen aus Galliumarsenid angeordnet. Die Windung 28 enthält ein Paar Zuleitungen 32. Ein elektrisch isolierender Film 33, wie ein solcher aus SiN oder SiON, ist auf der Windung 28 angeordnet. Eine andere einzelne Windung 34 ist auf dem Isolator 33 unmittelbar über der Windung 28, dieser gegenüberstehend, angeordnet. Die Windung 34 enthält Zuleitungen 35. Die Windungen 28 und 34 sowie der Isolierfilm 33 weisen gemeinsame zentrale Öffnungen auf, die im wesentlichen zueinander ausgerichtet sind, um für einen gemeinsamen Kern zu sorgen. Ein ferromagnetischer Körper 36, wie ein Ferrit, ist innerhalb dieser gemeinsamen, zentralen Öffnung angeordnet, um die Gegeninduktivität der Windungen 28 und 34 zu verbessern. Die magnetische Permeabilität des Körpers 36 ist deutlich größer als die des Substrats 1. Darüber hinaus gewährleistet die Anordnung dieses magnetischen Körpers innerhalb des gemeinsamen Kerns der zwei Windungen 28 und 34 gute magnetische Kopplung zwischen diesen Windungen. Im Ergebnis wird aufgrund dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung eine relativ hohe Gegeninduktivität, d.h. ein Transformator mit hohem Wirkungsgrad, erhalten. Wie es in der Technik wohlbekannt ist, kann die Permeabilität von Ferritmaterialien ungefähr 25 Hundert betragen, was für sehr starke Kopplung zwischen den zwei Windungen 28 und 34 sorgt. Wie es in den Fig. 4(a) und 4(c) veranschaulicht ist, sind die Zuleitungen 32 und 35 der jeweiligen Windungen vorzugsweise in verschiedenen Richtungen ausgerichtet, um eine unerwünschte kapazitive Kopplung zwischen ihnen zu vermeiden.
  • Die Strukturen der Fig. 4(a)-4(c) werden leicht unter Verwendung herkömmlicher Techniken für Halbleiterbauteile aufgebaut, wie durch Strukturierung von Metall- und Isolierschichten durch Photolithographie, und sie können als Teil einer integrierten Schaltung auf einem Substrat ausgebildet werden, das miteinander verbundene aktive und passive Schaltungselemente aufweist. Der ferromagnetische Körper 36 kann gesondert hergestellt werden und in der gemeinsamen zentralen Öffnung der Windungen und des Isolierfilms 33 angeordnet werden. Alternativ kann das ferromagnetische Material in der gemeinsamen Öffnung der Windungen und der Isolierschicht durch Siebdruck oder eine andere Abscheidungstechnik abgeschieden werden, gefolgt von einem Aushärten und/oder anderen Schritten, die dazu erforderlich sind, für die gewünschten ferromagnetischen Eigenschaften zu sorgen. Vorzugsweise wird das ferromagnetische Material abgeschieden, nachdem die beiden Windungen 28 und 34 sowie der Isolierfilm 33 abgeschieden und strukturiert wurden.
  • In den Fig. 5(a), 5(b) und 5(c) ist eine Erweiterung der in den Fig. 4(a)- 4(c) dargestellten Struktur in einer Draufsicht, einer Schnittansicht bzw. einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Die Struktur der Fig. 5(a)-5(c) ist identisch mit der von 4(a)-4(c), mit der Ausnahme, dass auf der Windung 34 ein zweiter Isolierfilm 37 angeordnet ist und auf diesem Isolierfilm 37 eine dritte Windung 38 angeordnet ist. Diese dritte Windung 38 umfasst Zuleitungen 39. Die Zuleitungen jeder der drei Windungen sind in verschiedenen Richtungen ausgerichtet. Der magnetische Körper 36 erstreckt sich der Höhe nach so, dass er den gemeinsamen Kern der drei Windungen und der zwei dazwischenliegenden Isolierschichten auffüllt. Zusätzliche Windungen und Isolierfilme können zum Stapel hinzugefügt werden. Dieses Ausführungsbeispiel wird auf dieselbe Weise wie das Ausführungsbeispiel der Fig. 4(a)- 4(c) hergestellt, mit der Ausnahme, dass zum Abscheiden des zweiten Isolierfilms 37 und des die Windung 38 bildenden elektrischen Leiters zusätzliche Schritte erforderlich sind. Es wird dieselbe wünschenswerte, große, wechselseitige induktive Kopplung wie beim früheren Ausführungsbeispiel erhalten, mit der Ausnahme, dass die Kopplung zwischen drei Windungen statt zwischen zweien erfolgt. Bei diesen Strukturen ist die Richtung der gegenseitigen Kopplung im wesentlichen rechtwinklig zur Substratoberfläche.
  • Da es durch die Technologie für monilithisch-integrierte Schaltungen am einfachsten ist, Transformatoren mit einzelnen Windungen herzustellen, haben integrierbare Transformatoren von natur aus niedrige Induktivitäten und niedrige Gegeninduktivitäten zwischen Windungen. Bei der Erfindung sind die Gegeninduktivität und der Transformatorwirkungsgrad bei einzelnen Windungen deutlich erhöht, da das ferromagnetische Material sehr nahe an den Transformatorwindungen angeordnet ist.

Claims (6)

1. Transformator, der in einer integrierten Halbleiterschaltung integrierbar ist, mit:
- einem Halbleitersubstrat (1) mit einer ersten Fläche;
- einem ersten elektrischen Leiter (28), der auf der ersten Fläche des Substrats (1) angeordnet ist und eine erste Windung mit einem ersten Paar Zuleitungen (32) aufweist;
- einem ersten elektrisch isolierenden Film (33), der auf dem ersten elektrischen Leiter (28) angeordnet ist; und
- einem zweiten elektrischen Leiter (34), der auf dem elektrisch isolierenden Film (33) angeordnet ist und eine zweite Windung mit einem zweiten Paar Zuleitungen (35) aufweist;
dadurch gekennzeichnet, dass
- die erste und die zweite Windung und der elektrisch isolierende Film eine gemeinsame, zentrale Öffnung aufweisen; und
- ein magnetisches Material (36) auf der Oberfläche des Substrats (1) in der gemeinsamen, zentralen Öffnung angeordnet ist, was die induktive Kopplung zwischen der ersten und zweiten Windung erhöht.
2. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetische Material (36) aus einem Ferritkörper besteht.
3. Transformator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrisch isolierende Film (33) aus der aus SiN und SiON bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
4. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Paar der Zuleitungen (32, 35) der ersten und der zweiten Windung in verschiedenen Richtungen ausgerichtet sind, um die Kopplung zwischen diesen jeweiligen Zuleitungspaaren zu minimieren.
5. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) aus der aus Galliumarsenid und Indiumphosphid bestehenden Gruppe ausgewählt ist.
6. Transformator nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch einen zweiten elektrisch isolierenden Film (37), der auf dem zweiten elektrischen Leiter (34) angeordnet ist, und einen dritten elektrischen Leiter (38), der auf dem zweiten elektrisch isolierenden Film (37) so angeordnet ist, dass er dem zweiten elektrischen Leiter (34) gegenübersteht, mit einer dritten Windung und einem dritten Paar Zuleitungen (39), wobei der zweite elektrisch isolierende Film (37) und der dritte elektrische Leiter (38) jeweilige zentrale Öffnungen aufweisen, die mit der gemeinsamen, zentralen Öffnung der ersten und zweiten Windung ausgerichtet sind.
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