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Die
Erfindung betrifft eine integrierte Schaltung nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
solche Schaltung ist z. B. bekannt aus Chih-Chun Tang et al, IEEE
Journal of solidstate circuits, Vol. 37, No. 4, April 2002, pp.
471-480 und umfaßt
ein induktives Element, welches von einer Metallschicht gebildet
ist (vgl. 1(a) dieser Veröffentlichung).
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Derartige
Elemente sind insbesondere aus dem Bereich von integrierten Hochfrequenzschaltungen
bekannt und dort auch als "integrierte
Spulen" oder "monolithische Spulen" bezeichnet. Derartige Spulen
können
in allen gängigen
Herstellungstechnologien für
integrierte Schaltungen realisiert werden. Bei dieser Realisierung
von Spulen auf oder in einem Substrat einer integrierten Hochfrequenzschaltung
lassen sich vorteilhaft unerwünscht
große elektrische
und magnetische Kopplungen vermeiden, wie sie bei Verwendung externer
Spulen beispielsweise im Bereich von Kontaktierungspads und Bondleitungen
zwangsläufig
auftreten würden.
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Wichtige
Parameter eines induktiven Elements sind die Induktivität und der
elektrische Widerstand. Das Verhältnis
dieser beiden Parameter bestimmt zusammen mit den elektrischen Eigenschaften
der unmittelbaren Umgebung des Elements die sogenannte Güte (Qualitätsfaktor)
sowie die Resonanzfrequenz des Elements bzw. eines damit aufgebauten
Schwingkreises. Ein weiterer wichtiger Parameter für ein integriertes
induktives Element ist ferner der Platzbedarf.
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Wenngleich
diese Parameter stark vom Layout und den Eigenschaften der verwendeten
Herstellungstechnologie abhängen,
so sind bei der Auslegung eines integrierten induktiven Elements
hinsichtlich dieser Parameter stets relativ enge Grenzen gesetzt.
Oftmals besitzt das Element einen großen Widerstand, da die Leiterbahnbreite
durch das für
das Element auf einem Halbleitersubstrat zur Verfügung stehende
Platzangebot begrenzt ist und die Leiterbahnhöhe durch die verwendete Herstellungstechnologie
begrenzt ist. Für
ein vorgegebenes Platzangebot ist die maximal zu erreichende Induktivität stark eingeschränkt, insbesondere
da die Anordnung einer Mehrzahl von Windungen (ringförmig verlaufende Leiterabschnitte)
bei einer integrierten Schaltung im wesentlichen zweidimensional
(z. B. in einer Ebene des Layouts) erfolgen muß. Wenn ein nicht allzu großer Widerstand
der Leitungsbahn realisiert werden soll, so können nur wenige Windungen in
einer vorgegebenen Fläche
untergebracht werden.
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Zusammenfassend
besteht bei der Auslegung von integrierten induktiven Elementen
ein Zielkonflikt hinsichtlich der wichtigen Parameter. Besonders
problematisch ist die Realisierung eines solchen Elements mit wenig
Platzbedarf, kleinem Widerstand und hoher Induktivität.
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Aus
der DE-PS 1 095 403 ist eine Anordnung zur Abschirmung einer als
Oszillator dienenden Röhre
in gedruckten Schaltungen bekannt. Bei dieser Anordnung ist in einer
Leiterplatte eine runde Aussparung vorgesehen, um welche herum eine
Leiterbahn auf die Leiterplatte aufkaschiert ist. Diese elektrisch leitende
Leiterbahn bildet eine geschlossene Windung, die zum Auflöten eines
Blechkragens zur Anbringung einer Abschirmhülse dient. Eine gute Verlötung des
Blechkragens wird hierbei durch Aussparungen am Innenrand der Leiterbahn
gesichert.
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Aus
der
DE 690 31 501
T2 ist eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Lichtmessung
unter Verwendung eines Supraleiters bekannt. Bei dieser Vorrichtung
ist ein supraleitender Ring mit zwei dünnen Verbindungsabschnitten
vorgesehen. Diese Verbindungsabschnitte sind jeweils aus einer Einbuchtung
am Innenrand und einer Einbuchtung am Außenrand des supraleitenden
Rings gebildet.
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Aus
der
EP 1 168 442 A1 ist
eine gattungsgemäße integrierte
Schaltung bekannt, bei welcher ein induktives Element auf und isoliert
von einer leitfähigen
Lage angeordnet ist. Die leitfähige
Lage bildet einen geschlossenen Ring, an dessen Innenrand sich in
Umfangsrichtung betrachten Schlitze (Aussparungen) und Streifen
abwechseln. Diese Strukturierung des leitfähigen Rings dient zur Vermeidung eines
durch das Magnetfeld des induktive Element hervorgerufenen Stromflusses
durch den leitfähigen Ring.
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Aus
der
DE 198 55 008
A1 ist eine weitere gattungsgemäße integrierte Induktivität sowie
ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Induktivität mit hoher
Güte bekannt.
Bei diesem Stand der Technik wird der Nachteil einer geringen Güte von planar
auf ein isoliertes Halbleitersubstrat mit isolierender Schutzschicht
aufgebrachten Induktivitäten dadurch
beseitigt, dass eine Spirale oder Spulenwindung mit erhöhtem Abstand
zum Substrat realisiert wird und die Substratverluste hierdurch
weitgehend reduziert werden. Als Ausführungsbeispiel wird eine Induktivität beschrieben,
bei welcher ein einzige Windung kreisbogenförmig und mit einheitlicher
Leiterbahnbreite verläuft, ähnlich wie
in
1 oder
9 gezeigt.
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Aus
der WO 00/5743A1 ist ein planarer Induktor bekannt, bei welchem
eine Windung mit einheitlicher Leiterbahnbreite entlang eines Rechtecks verläuft (1 und 2 dieser
Veröffentlichung), ähnlich wie in 1 oder 4 gezeigt.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein induktives Element
einer integrierten Schaltung der eingangs erwähnten Art bereitzustellen,
bei dem eine größere Freiheit
bei der Wahl der Parameter gegeben ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch eine integrierte Schaltung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die abhängigen
Ansprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das
induktive Element in dieser Schaltung ist dadurch gekennzeichnet,
daß die
Leiterbahn an deren Innenrand wenigstens eine Aussparung aufweist. Damit
läßt sich
beispielsweise bei vorgegebenen Platzbedarf und Widerstand die Induktivität erhöhen oder
bei vorgegebenen Widerstand und vorgegebener Induktivität Platz
einsparen. Unabhängig
davon ergibt sich eine Verringerung der kapazitiven Kopplung zum
Substrat.
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Das
Element kann in verschiedenen Herstellungstechnologien (CMOS, Bipolar,
BICMOS, GaAs, etc.) implementiert werden. Um einen niedrigen Widerstand
des Elements vorzusehen, kann als Material der Leiterbahn ein Metall
gewählt
werden. Alternativ kommt auch hoch dotiertes Halbleitermaterial
oder Polysilicium in Betracht.
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Bevorzugt
ist der Verlauf der Leiterbahn im wesentlichen polygonförmig (z.
B. rechteckig) oder kreisförmig
vorgesehen. Für
eine vorgegebene Induktivität
und Leiterbahnbreite läßt sich
mit einem kreisförmigen
Verlauf der Leiterbahn ein besonders kleiner Widerstand erzielen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
verläuft
die Leiterbahn entlang wenigstens 80% des Umfangs eines Rechtecks
oder eines Kreises. Für
die im Rahmen dieser Erfindung besonders interessierenden Hochfrequenzschaltungen
mit hoher Integrationsdichte beträgt eine einheitliche Leiterbahnbreite bzw.
eine lokal maximale Leiterbahnbreite weniger als 100 μm, insbesondere
weniger als 50 μm.
Wenn das induktive Element lediglich eine Windung umfaßt, so liegt
das Verhältnis
zwischen der über
die Leiterbahnlänge
gemittelten Leiterbahnbreite und der maximalen Querausdehnung der
Windung bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 0,4.
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Bevorzugt
besitzt die Leiterbahn (abgesehen von deren Aussparungen) eine im
wesentlichen einheitliche Breite, insbesondere eine Breite, die über die
Leiterbahnlänge
um maximal 20% von der gemittelten Leiterbahnbreite abweicht. Eine
besonders gute Verbesserung der Eigenschaften des Elements ergibt
sich hierbei, wenn die Ausdehnung der Aussparung in Querrichtung
der Leiterbahn im Bereich des 0,1-fachen bis 0,5-fachen der Breite
der Leiterbahn liegt und/oder die die Ausdehnung der Aussparung
in Längsrichtung
der Leiterbahn im Bereich des 0,05-fachen bis 0,5-fachen der Breite
der Leiterbahn liegt.
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Die
Ausdehnung einer Aussparung in Längsrichtung
der Leiterbahn sollte wenigstens so groß gewählt sein, daß beim Betrieb
des induktiven Elements mit elektrischen Belastungen gemäß der Spezifikation
dieses Elements im Bereich der Aussparung kein Durchschlag aufgrund
einer zu hohen elektrischen Feldstärke im Aussparungsbereich stattfindet.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist zur Vermeidung von Durchschlägen
als Material im Bereich der Aussparung ein Material vorgesehen,
welches verschieden von dem Substratmaterial der integrierten Schaltung
ist und eine höhere
Durchschlagfestigkeit als dieses Substratmaterial besitzt. Beispielsweise kann
das induktive Element in der obersten Leitungsebene eines IC gebildet
sein, die von einer isolierenden Passivierungsschicht überdeckt
wird, welche sich auch in die Aussparungen hinein erstreckt.
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Allgemein
ergeben sich auch dann besonders gute Eigenschaften des Elements,
wenn die Leiterbahn an deren Innenrand mehrere Aussparungen (z.
B. Einkerbungen) aufweist, die in Längsrichtung der Leiterbahn
im wesentlichen gleichmäßig voneinander
beabstandet sind. Hierbei hat es sich als günstig herausgestellt, wenn
die Summe der Ausdehnungen der Aussparungen in Längsrichtung der Leiterbahn
im Bereich des 0,05-fach
bis 0,2-fachen der Länge
der Leiterbahn liegt.
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Insbesondere
wenn die Leiterbahnbreite im Bereich einer Aussparung relativ klein
ist, z. B. in der Größenordnung
der mit der verwendeten Herstellungstechnologie erzielbaren Strukturbreite
liegt, so bietet sich eine rechteckige Form der Aussparung an. Hinsichtlich
der elektrischen Eigenschaften des Elements ist auch eine Aussparung
in Form einer Einbuchtung mit einem gekrümmten Verlauf des Einbuchtungsrands
günstig,
z. B. eine halbkreisförmige Einbuchtung.
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Bevorzugt
liegt das Verhältnis
zwischen Aussparungsfläche
und Leiterbahnfläche
(mit gedachter Fortsetzung der Leiterbahn im Bereich der Aussparungen)
im Bereich von 0,005 bis 0,25.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert.
Es stellen dar:
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1 vier
Ausführungen
eines induktiven Elements nach dem Stand der Technik zur Veranschaulichung
des Zusammenhangs zwischen Induktivität, Widerstand und Leiterbahnbreite
für eine
Leiterbahn einheitlicher Breite,
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2 eine
Darstellung zur Erläuterung
der Selbstinduktivität
von zwei parallelen Flachleitern,
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3 eine
Darstellung zur Erläuterung
des Widerstands eines Flachleiters,
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4 zwei
der Ausführungen
eines induktiven Elements nach 1 zur detaillierten
Erläuterung
des Einflusses der Leiterbahnbreite auf die Eigenschaften des Elements,
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5 eine
Darstellung zur Erläuterung
des Platzbedarfs sowie der Strompfade bei den induktiven Elementen
nach 4,
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6 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen induktiven
Elements,
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7 eine
der 5 entsprechende Darstellung zur Erläuterung
des Strompfads bei einem erfindungsgemäßen induktiven Element,
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8 eine
der 7 ähnliche
Darstellung zur Erläuterung
der Stromdichteverteilung in einem weiteren erfindungsgemäßen induktiven
Element,
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9 ein
induktives Element nach dem Stand der Technik als Vergleichsbeispiel,
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10 ein
weiteres erfindungsgemäßes induktives
Element,
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11 vergleichende
Darstellungen der Güte,
der Induktivität
und des Widerstands, jeweils in Abhängigkeit von der Frequenz,
der beiden Elemente nach 9 und 10, und
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12 ein
weiteres erfindungsgemäßes induktives
Element mit mehreren Windungen.
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Mit
Bezug auf die 1 bis 5 werden zunächst prinzipielle
Abhängigkeiten
der elektrischen Eigenschaften eines integrierten induktiven Elements von
dessen geometrischer Gestaltung erläutert.
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1 zeigt
zwei jeweils mit A bezeichnete Elemente, die von einer gekrümmten einheitlich
breiten Leiterbahn mit im wesentlichen kreisförmigem Verlauf (links) bzw.
im wesentlichen rechteckigem Verlauf (rechts) gebildet sind. In 1 unten
sind entsprechende Elemente mit gleichem Platzbedarf, jedoch verringerter
Leiterbahnbreite dargestellt und mit B bezeichnet. Für einen
Vergleich der Induktivität sowie
des Widerstands der Strukturen A mit den entsprechenden Strukturen
B sind die nachfolgend anhand der 2 und 3 dargestellten
Zusammenhänge
nützlich.
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2 stellt
die Anordnung von zwei parallelen Flachleitern dar, für die sich
eine auf die Flachleiterlänge
I bezogene Induktivität
L ergibt, die für
relativ großen
gegenseitigen Abstand der Flachleiter (d»w, t) durch folgende Formel
angenähert
werden kann (vgl. Walker, Charles S.: "Capacitance inductance and crosstalk
analysis"; 1. Aufl.;
Norwood; ARTECH HOUSE; 1990; s. 95):
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Hierbei
bezeichnet μr die relative Permeabilität der Umgebung
der Flachleiter (näherungsweise 1), μ0 die
absolute Permeabilität
des Vakuums, d den gegenseitigen Abstand der Flachleiter, w die
Breite der Flachleiter und t die Höhe der Flachleiter. Die Abhängigkeit
der Induktivität
von der Breite w und der Länge
I gemäß dieser
Näherung
gilt ähnlich
auch für die
in 1 gezeigten Strukturen. Für die in 1 linken
Strukturen A, B gilt diese Näherung
etwa, wenn darin der Abstand d durch den Durchmesser des kreisbogenförmigen Leiterbahnabschnitts
ersetzt wird, wobei als Durchmesser das arithmetische Mittel von
Innendurchmesser und Außendurchmesser
zu verwenden ist.
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Bei
den in 1 gezeigten Strukturen A läßt sich demnach die Induktivität erhöhen, indem
die Leiterbahnbreite w verringert wird oder die Leiterbahnlänge I vergrößert wird.
Dies ist der Fall bei den in 1 mit B
bezeichneten Strukturen. Diese besitzen gegenüber den entsprechenden Strukturen
A also eine erhöhte
Induktivität
(bei gleichem Platzbedarf).
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3 zeigt
einen Flachleiter mit einer Länge I,
einer Breite w und einer Höhe
t. Die Abhängigkeit des
elektrischen Widerstands R dieser Leiterbahn von diesen Abmessungen
und von dem spezifischen Widerstand ρ (homogenes Material) läßt sich
durch folgende Formel beschreiben:
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Die
in 1 mit B bezeichneten Strukturen besitzen gegenüber den
entsprechenden Strukturen A eine erhöhte Leiterbahnlänge I und
eine verringerte Leiterbahnbreite w. Somit besitzen die Strukturen
B einen vergleichsweise hohen Widerstand R.
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In
der Praxis ist bei den in 1 dargestellten
Strukturen immer ein Kompromiss zwischen der notwendigen Induktivität, der Güte und dem
Platzbedarf zu finden. Eine Struktur mit einer hohen Induktivität L und
dennoch niedrigem Widerstand R benötigt oftmals zu viel Platz.
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4 zeigt
nochmals die in 1 rechts dargestellten rechteckigen
Strukturen A, B und 5 veranschaulicht in einer kombinierten
Darstellung für einen
Teil der von der Leiterbahn gebildeten Windung die verschiedenen
Leiterbahnbreiten wA, wB, die verschiedenen Leiterbahnflächen AA,
BB und die verschiedenen bevorzugten Strompfade PA, PB. Die Strukturen
A und B besitzen den gleichen Substrat-Platzbedarf. Die Struktur
A hat eine größere Leiterbahnbreite
wA als die Struktur B und besitzt deshalb einen niedrigeren Widerstand
als die Struktur B. Jedoch besitzt die Struktur B mit deren geringerer Leiterbahnbreite
wB und einem größeren Leiterbahnabstand
eine größere Induktivität als die
Struktur A. Beide Strukturen A, B ermöglichen es daher nicht, eine
große
Induktivität
mit einem kleinen Widerstand und mit möglichst wenig Platzverbrauch
zu realisieren.
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6 zeigt
ein erfindungsgemäßes induktives
Element 10 bestehend aus einer Windung 12, die aus
einer ringartig verlaufenden Leiterbahn 14 einheitlicher
Breite w gebildet ist. Das Element 10 ist in einer leitenden
Ebene im Rahmen einer IC-Herstellung gebildet und über Kontaktierungen 16, 18 mit weiteren,
hier nicht dargestellten Komponenten einer integrierten Schaltung
verbunden. Die Leiterbahn 14 weist an ihrer Innenseite
eine Mehrzahl von Aussparungen bzw. Einkerbungen 30 auf.
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Das
dargestellte Element 10 besitzt den gleichen Platzbedarf
wie die in 4 dargestellten Elemente A und
B, besitzt diesen gegenüber
jedoch verbesserte Eigenschaften aufgrund der Aussparungen 30.
Die Struktur 10 kombiniert gewissermaßen den Vorteil eines niedrigen
Widerstands der Struktur A mit dem Vorteil einer großen Induktivität der Struktur
B. Die Aussparungen 30 bewirken, daß der Strom durch die Leiterbahn
einen effektiv längeren
Strompfad benutzen muß,
so daß sich
eine erhöhte
Induktivität
ergibt. Gleichzeitig bewirken die Aussparungen 30 jedoch
nur eine geringfügige
Erhöhung
des Widerstands, da sich dieser Widerstand durch eine Integration
eines lokalen spezifischen Widerstands ergibt und im Bereich der
Aussparungen 30 bewirkte lokale Erhöhungen dieses spezifischen
Widerstands relativ wenig zu dem Integral beitragen. Vielmehr ergibt
sich bei dem in 6 dargestellten Beispiel ein
Widerstand, der etwa dem der Struktur A in 4 entspricht,
da in Längsrichtung
(Umfangsrichtung) betrachtet die nichtausgesparten Leiterbahnabschnitte bei
weitem überwiegen.
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Bei
der nachfolgenden Beschreibung von weiteren Ausführungsbeispielen werden für analoge Komponenten
die gleichen Bezugszahlen verwendet, jeweils ergänzt durch einen kleinen Buchstaben zur
Unterscheidung der Ausführungsform.
Dabei wird im wesentlichen nur auf die Unterschiede zu der bzw. den
bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen eingegangen
und im übrigen
hiermit ausdrücklich
auf die Beschreibung vorangegangener Ausführungsbeispiele verwiesen.
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7 zeigt
eine der 5 entsprechende Darstellung
eines Teils eines induktiven Elements 10a mit einer Windung 12a,
die von einer Leiterbahn 14a gebildet ist. Die Leiterbahn 14a verläuft wieder einem
Rechteck folgend. Abweichend von dem in 6 dargestellten
Beispiel sind hier einige der Aussparungen 30a an den Eckbereichen
der Leiterbahn 14a vorgesehen. Wie bei dem Element gemäß 6 sind
die Aussparungen 30a rechteckig. Deren Breite ist mit wE,
deren Länge
ist mit IE und deren Fläche ist
mit AE bezeichnet. Ein Vergleich mit 5 zeigt, daß der Strompfad
etwa dem Strompfad PB entspricht, so daß eine hohe Induktivität erzielt
wird. Die Leiterbahnfläche
ist im dargestellten Windungsabschnitt um 6 × AE reduziert. Diese Reduzierung
der Fläche
verringert außerdem
vorteilhaft die kapazitive Kopplung der Leiterbahn zum Substrat
(im Vergleich z. B. mit der Struktur A in 4).
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8 zeigt
eine der 7 ähnliche Darstellung eines Abschnitts
einer Leiterbahn 14b zur Bildung eines induktiven Elements 10b.
Eingezeichnet sind Stromflußpfade
im Bereich zweier aufeinanderfolgend angeordneter Aussparungen 30b.
Hieraus ist ersichtlich, daß die
Länge eines
für die
Induktivität des
Elements 10b maßgeblichen "effektiven Strompfads" durch die Anordnung
der Aussparungen 30b verlängert ist. Der Stromfluß erfolgt
um die Aussparungen 30b herum.
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Die 9 bis 11 dienen
einem Vergleich zwischen einem herkömmlichen induktiven Element 1 (9),
d. h. ohne Aussparungen, und einem erfindungsgemäßen induktiven Element 10c (10). Das
Element 10c unterscheidet sich von dem herkömmlichen
Element 1 lediglich durch äquidistante Anordnung von sieben
rechteckigen Aussparungen 30c am inneren Rand der ringförmig gekrümmt verlaufenden
Bahn 14. Hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften ist
die für
eine Windung vorgesehene Anzahl von Aussparungen (aus Symmetriegründen) bevorzugt
ungerade. So sind im dargestellten Beispiel sieben gleichgestaltete
und gleichbemessene Aussparungen vorgesehen.
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11 zeigt
für beide
Elemente 1 und 10c die Frequenzabhängigkeit
der Güte
Q, der Induktivität
L und des Widerstands R. Die in 11 dargestellten
Kurven sind das Ergebnis eines Simulation der Elemente 1, 10c mit
einem stark vereinfachten Ersatzschaltbild bestehend aus einer Induktivität L, einem
in Serie dazu angeordneten ohmschen Widerstand R und einer parasitären Kapazität C zum
(nicht dargestellten) Substrat. Durch diese starke Vereinfachung
im Rahmen der Simulation ergibt sich die Frequenzabhängigkeit
der simulierten Größen Q, L
und R.
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Aus 11 ist
ersichtlich, daß das
Element 10c verglichen mit dem Element 1 beispielsweise
bei einer Auslegungsfrequenz von 10 GHz eine nahezu unveränderte Güte Q und einen
nur geringfügig
höheren
Widerstand R besitzt, die Induktivität L jedoch beträchtlich
erhöht
ist.
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12 zeigt
schließlich
eine weitere Ausführungsform
eines induktiven Elements 10d, umfassend zwei Windungen 12d-1 und 12d-2,
die jeweils von einem Abschnitt einer spiralförmig vorgesehenen Leiterbahn 14d gebildet
sind. Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel könnten noch mehr
Windungen vorgesehen sein. Ferner ist es möglich, lediglich einen Teil
einer Mehrzahl von Windungen mit Aussparungen vorzusehen.
