DE10392479T5 - Spiralförmige Induktionsspule und Übertrager - Google Patents

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Yasushi Hashizume
Kazuyasu Nishikawa
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Abstract

Spiralförmige Induktionsspule, die mit n Ebenen (n ≥ 2) von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet ist, die unter Zwischenanordnung von Isolatoren auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die spiralförmige Induktionsspule folgendes aufweist:
eine Spiral-Zwischenverbindung, die unter spiralförmiger Anordnung einer Schicht i (2 ≤ i ≤ n) der elektrisch leitfähigen Schichten in elektrischer Verbindung miteinander sowie in Vertikalrichtung einander benachbart gebildet ist; und
eine Unterführungs-Zwischenverbindung, die mit der Schicht k (1 ≤ k ≤ n-1) der elektrisch miteinander verbundenen und vertikal einander benachbarten elektrisch leitfähigen Schichten gebildet ist und die mit dem inneren Ende der Spiral-Zwischenverbindung elektrisch verbunden ist,
wobei in demjenigen Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung und die Unterführungs-Zwischenverbindung einander schneiden, die einander in Vertikalrichtung benachbarten Schichten j (1 ≤ j ≤ i) als elektrisch leitfähige Schichten verwendet werden, die die Unterführungs-Zwischenverbindung der die Spiral-Zwischenverbindung bildenden elektrisch leitfähigen Schichten bilden, und wobei der schmalste Teil in dem Bereich...

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine spiralförmige Induktionsspule und einen Transformator bzw. Übertrager.
  • EINSCHLÄGIGER STAND DER TECHNIK
  • Für ein tragbares Terminal oder eine persönliche digitale Hilfseinrichtung (PDA), wie zum Beispiel ein Mobiltelefon, ist eine Vorrichtung mit kompakterer Ausbildung und höherer Leistungsfähigkeit erforderlich. Aus diesem Grund besteht ein konzentriertes Bestreben darin, die Größe einer in eine persönliche digitale Hilfseinrichtung integrierten Vorrichtung, wie zum Beispiel einer Hochfrequenzvorrichtung, zu reduzieren sowie deren Leistungsfähigkeit zu steigern.
  • In tragbaren Terminals und drahtlosen LANs (lokalen Netzwerken) wird in erster Linie ein Gigahertz-Band als Trägerfrequenz verwendet. Herkömmlicherweise ist eine Halbleitervorrichtung, die für Analogschaltungen für ein Gigahertz-Frequenzband verwendende Sender-Empfänger verwendet wird, auf einem Galliumarsenid-Substrat gebildet.
  • Die Mikroherstellungstechnologie eines Silizium-CMOS (komplementärer Metalloxid-Halbleiter) ist jedoch fortgeschritten, und die Betriebsfrequenz auf einem Siliziumsubstrat wird hoch, so daß eine mit einer Gigahertzfrequenz betriebene Halbleitervorrichtung unter Verwendung eines Siliziumsubstrats hergestellt werden kann. Die Vorrichtung kann auf dem Siliziumsubstrat mit geringeren Produktionskosten hergestellt werden als auf dem Galliumarsenidsubstrat. Ferner können bei Verwendung eines Siliziumsubstrats eine digitale Schaltung, die auf einem Siliziumsubstrat gebildet worden ist, sowie eine Analogschaltung für das Senden und Empfangen vorteilhafterweise auf einem einzigen Substrat gebildet werden.
  • Wesentliche passive Elemente, die für die Analogschaltung verwendet werden, beinhalten einen spiralförmigen Induktor bzw. eine spiralförmige Induktionsspule. Die spiralförmige Induktionsspule weist einen Durchmesser von mehreren zehn bis mehreren einhundert Mikrometern auf und nimmt im Vergleich zu einem aktiven Element, wie zum Beispiel einem Transistor, eine äußerst große Fläche ein. Zum Reduzieren der Größe einer Halbleitervorrichtung, die mit einer Analogschaltung versehen ist, ist somit die Möglichkeit einer Reduzierung der Größe der spiralförmigen Induktionsspule sehr effektiv.
  • Eine herkömmliche typische spiralförmige Induktionsspule ist gebildet aus einer Spiral-Zwischenverbindung, die aus einer spiralförmig angeordneten und verdrahteten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet ist, einer Unterführungs-Zwischenverbindung, die von dem inneren Ende dieser Spiral-Zwischenverbindung nach außen geführt ist, sowie aus einer steckerartigen Zwischenverbindung die die Spiral-Zwischenverbindung und die Unterführungs-Zwischenverbindung elektrisch miteinander verbindet.
  • Die spiralförmige Induktionsspule ist auf einer Isolierschicht gebildet, die über dem Halbleitersubstrat vorgesehen ist. Für die elektrisch leitfähige Schicht auf einem Galliumarsenidsubstrat wird zum Beispiel Gold oder eine Goldlegierung verwendet, und auf einem Siliziumsubstrat wird zum Beispiel Aluminium, Aluminiumlegierung oder Kupfer verwendet.
  • Wie vorstehend beschrieben, ermöglichte die Mikroherstellungstechnik des Silizium-CMOS die Verwendung eines Siliziumsubstrats bei der Herstellung einer Hochfrequenz-Analogschaltung, die in einem Gigahertz-Frequenzband verwendet werden kann, so daß sich die Größenreduzierung einer Halbleitervorrichtung voranbringen läßt. Zum Bilden feiner Strukturen in seitlicher Richtung in der Halbleitervorrichtung ist es jedoch notwendig, die Dicke der für die Analogschaltung verwendeten elektrisch leitfähigen Schicht zu reduzieren. Durch die Reduzierung der Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht kann die Größe der spiralförmigen Induktionsspule vermindert werden; wenn jedoch die Dicke der filmartigen Schicht reduziert wird, steigt der Widerstand der spiralförmigen Induktionsspule an, und dadurch wird das Leistungsvermögen der Vorrichtung beeinträchtigt.
  • Aus diesem Grund ist herkömmlicherweise als eine praktikable Lösung die folgende Verfahrensweise vorgeschlagen worden.
  • Zum Beispiel wird eine herkömmliche spiralförmige Induktionsspule, wie sie von J.N. Burghartz et al. vorgeschlagen worden ist (siehe "Microwave Inductors and Capacitors in Standard Multilevel Interconnect Silicon Technology", IEEE TRANSACTION ON MICROWAVE THEORY AND TECHNOLOGIES, Band 44, Seiten 100 bis 104, 1996) unter Verwendung einer vierlagigen elektrisch leitfähigen Schichtung hergestellt, die aus einer Legierung aus Aluminium und Kupfer gebildet sind.
  • Für das Halbleitersubstrat wird ein Siliziumsubstrat verwendet, und eine erste, zweite, dritte und vierte elektrisch leitfähige Schicht sind auf einer über dem Substrat vorgesehen Isolierschicht stapelartig angeordnet, wobei zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten jeweils eine Isolierschicht angeordnet ist. eine Spiral-Zwischenverbindung ist durch paralleles Verbinden dieser elektrisch leitfähigen Schichten unter Verwendung einer steckerartigen Zwischenverbindung gebildet.
  • Auf diese Weise sind zwei oder mehr elektrisch leitfähige Schichten zur Bildung der Spiral-Zwischenverbindung parallelgeschaltet, um dadurch den Widerstand der Spiral-Zwischenverbindung zu reduzieren und die Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule zu steigern.
  • Bei dieser herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspule ist eine Unterführungs-Zwischenverbindung unter Verwendung der ersten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet, sowie über die steckerartige Zwischenverbindung mit der Spiral-Zwischenverbindung elektrisch verbunden.
  • Ferner ist zum Beispiel bei einer herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspule, wie sie in der JP-A-9-181264 offenbart ist, eine Spiral-Zwischenverbindung unter Verwendung einer zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet, und eine Unterführungs-Zwischenverbindung ist unter Verwendung einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet, die sich unter der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht befindet.
  • Ferner wird die Fläche innerhalb der ersten elektrisch leitfähigen Schicht, bei der es sich nicht um diejenige Fläche handelt, in der die vorstehend genannte Unterführungs-Zwischenverbindung gebildet ist, zur Bildung einer weiteren Spiral-Zwischenverbindung verwendet, und die gebildete Spiral-Zwischenverbindung ist mit der vorstehend genannten Spiral-Zwischenverbindung, die aus der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht gebildet ist, parallel verbunden.
  • Bei dieser herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspule ist bei der Spiral-Zwischenverbindung in demjenigen Bereich, in dem eine Vielzahl von elektrisch leitfähigen Schichten einander parallelgeschaltet sind, die Dicke der elektrisch leitfähigen Schicht beträchtlich erhöht worden, und dadurch kann wiederum der Widerstand in diesem Bereich geringer werden.
  • Bei diesen herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspulen ist jedoch aufgrund der Tatsache, daß die Unterführungs-Zwischenverbindung und die Spiral-Zwischenverbindung in dem Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung die Unterführungs-Zwischenverbindung bei dem vorstehend erläuterten zweiten herkömmlichen Beispiel schneidet, mit einer geringen Anzahl von dünnen elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet sind, keine Reduzierung des Widerstands in diesem Bereich möglich.
  • Ferner entstehen die folgenden Probleme, wenn ein großer elektrischer Strom durch die spiralförmige Induktionsspule hindurchgeleitet wird.
  • Wenn die spiralförmige Induktionsspule für eine Schaltung verwendet wird, durch die ein hoher Strom fließt, wie zum Beispiel die Senderschaltung einer drahtlosen Verbindung, handelt es sich bei der Verhinderung des Auftretens einer Elektromigration (Bruch der Verdrahtung) um ein wichtigeres Thema als bei der Steigerung der Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule. Die Elektromigration wird durch die Entstehung von Defekten verursacht, die durch die Migration von Metallatomen in der Zwischenverbindung bedingt sind, wobei diese in dem Elektronenfluß durch die Zwischenverbindung ihre Ursache hat.
  • Für die vorstehend genannten herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspulen kommt es in demjenigen Bereich, der mit einer geringen Anzahl von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet ist, leicht zur Entstehung von Elektromigration. Genauer gesagt, es sind die Unterführungs-Zwischenverbindung bei der genannten spiralförmigen Induktionsspule, wie sie von J.N. Burghartz et al. beschrieben worden ist, sowie die Unterführungs-Zwischenverbindung und der Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, in dem die Spiral-Zwischenverbindung diese Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, bei der in der JP-A-9-181 264 offenbarten spiralförmigen Induktionsspule mit einer geringen Anzahl von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet.
  • Selbst wenn der Spiral-Zwischenverbindungsbereich mit zwei oder mehr elektrisch leitfähigen Schichten gebildet ist, kann somit nur der Strom, der den mit einer Schicht ausgebildeten Unterführungs-Zwischenverbindungsbereich passieren kann, in zuverlässiger Weise durch diesen Spiral-Zwischenverbindungsbereich hindurchgeführt werden.
  • Zum Verhindern des Auftretens von Elektromigration bei diesen herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspulen werden die folgenden Verfahren verwendet.
  • Ein Verfahren besteht in der Vergrößerung der Breite der Unterführungs-Zwischenverbindung, um dadurch den Widerstand des Unterführungs-Zwischenverbindungsbereichs gegen die Elektromigration zu erhöhen. Wenn jedoch die Breite der Unterführungs-Zwischenverbindung, die dem Halbleitersubstrat nahe ist, erhöht wird, so wird mit steigender Breite der Zwischenverbindung die parasitäre Kapazität zwischen der Unterführungs-Zwischenverbindung und dem Halbleitersubstrat um so größer, wobei dies zu einer Verschlechterung der Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule führen kann.
  • Da die gegenüberliegende Fläche zwischen der Spiral-Zwischenverbindung und der Unterführungs-Zwischenverbindung ebenfalls größer wird, nimmt die dazwischen vorhandene parasitäre Kapazität zu. Dies kann wiederum ein Faktor werden, der die Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule beeinträchtigt.
  • Ein weiteres Verfahren besteht in der Bildung der Unterführungs-Zwischenverbindung durch Parallelschalten der beiden elektrisch leitfähigen Schichten, die dem Halbleitersubstrat am Nähesten sind, sowie in der Bildung der Spiral-Zwischenverbindung lediglich unter Verwendung der oberen elektrisch leitfähigen Schicht. Bei diesem Verfahren ist die Unterführungs-Zwischenverbindung aus den beiden Schichten gebildet, wobei dies den Widerstand derselben gegen die Elektromigration erhöhen kann. Ferner kann diese Verfahrensweise einen Anstieg der parasitären Kapazität um die Unterführungs-Zwischenverbindung herum im Vergleich zu dem vorstehend erläuterten Verfahren unterdrücken.
  • Zur Erzielung des gleichen induktiven Blindwiderstands wie im Fall der Ausbildung der Spiral-Zwischenverbindung mit zwei Schichten, ist es jedoch notwendig, die Breite der Zwischenverbindung zu erhöhen und zugleich den Durchmesser der spiralförmigen Induktionsspule zu steigern. Dies bedingt eine entsprechend große Fläche.
  • Zum Verhindern der Elektromigration bei den herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspulen kann somit die parasitäre Kapazität unter Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit von diesen oder Erhöhung der Fläche der spiralförmigen Induktionsspule zunehmen. Mit anderen Worten, es bleibt weiterhin ein Problem dahingehend, daß entweder bei der Leistungsfähigkeit oder der Fläche Opfer gebracht werden müssen.
  • Die vorliegende Erfindung ist zur Lösung des vorstehend genannten Problems erfolgt, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer spiralförmigen Induktionsspule in einer derartigen Weise, daß das Auftreten der Elektromigration verhindert werden kann, während zugleich die Leistungsfähigkeit von diesem erhalten bleibt und eine Ausbildung mit einer geringen Größe erzielt wird.
  • OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
  • Bei der spiralförmigen Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung handelt es sich um eine spiralförmige Induktionsspule, die mit n Ebenen (n ≥ 2) von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet ist, die unter Zwischenanordnung von Isolatoren auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die spiralförmige Induktionsspule folgendes aufweist:
    eine Spiral-Zwischenverbindung, die unter spiralförmiger Anordnung der Schicht i (2 ≤ i ≤ n) der elektrisch leitfähigen Schichten in elektrischer Verbindung miteinander sowie in Vertikalrichtung einander benachbart gebildet ist; und
    eine Unterführungs-Zwischenverbindung, die mit der Schicht k (1 ≤ k ≤ n-1) der elektrisch miteinander verbundenen und vertikal einander benachbarten elektrisch leitfähigen Schichten gebildet ist und die mit dem inneren Ende der Spiral-Zwischenverbindung elektrisch verbunden ist;
    wobei in demjenigen Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung und die Unterführungs-Zwischenverbindung einander schneiden, die einander in Vertikalrichtung benachbarten Schichten j (1 ≤ j ≤ i) als elektrisch leitfähige Schichten verwendet werden, die die Unterführungs-Zwischenverbindung der die Spiral-Zwischenverbindung bildenden elektrisch leitfähigen Schichten bilden, und wobei der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, breiter ist als der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die Unterführungs-Zwischenverbindung nicht schneidet.
  • Auf diese Weise wird die Elektromigration dadurch unterdrückt, ferner wird die Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule nicht beeinträchtigt, und es läßt sich eine klein dimensionierte spiralförmige Induktionsspule erzielen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her;
  • 2 eine Ansicht zur Erläuterung von Dimensionen von Verdrahtungen der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine auseinandergezogene Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine Schnittdarstellung der spiralförmigen Induktionsspule in der Richtung A-B in 1;
  • 6 eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her;
  • 7 eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 8 eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her;
  • 9 eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 10 eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her;
  • 11 eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 12 eine vereinfachte Darstellung der spiralförmigen Induktionsspule gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 13 eine schematische Darstellung eines Übertragers gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her;
  • 14 eine Perspektivansicht des Übertragers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • 15 eine vereinfachte Darstellung des Übertragers gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
  • BESTE ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Im folgenden wird die beste Art und Weise zum Ausführen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, um die vorliegende Erfindung ausführlicher zu erläutern.
  • ERSTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite her. 3 zeigt eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule 100. 4 zeigt eine Perspektivansicht, die den Zustand veranschaulicht, in dem die spiralförmige Induktionsspule 100 in Vertikalrichtung zerlegt ist, um die positionsmäßige Beziehung zwischen dessen Verdrahtungen zu erläutern. Ferner zeigt 5 eine Schnittdarstellung der spiralförmigen Induktionsspule 100 entlang der Linie A-B in 1.
  • Wie in 3, 4 und 5 gezeigt ist, weist die spiralförmige Induktionsspule 100 elektrisch leitfähige Schichten auf, die jeweils eine erste Metall-Zwischenverbindung 30, eine zweite Metall-Zwischenverbindung 40 und eine dritte Metall-Zwischenverbindung 50 auf einem Halbleitersubstrat 80 bilden. Ein Isolator 90 mit einer Dicke von beispielsweise 1 μm ist zwischen den elektrisch leitfähigen Schichten vorgesehen. Wie in 4 gezeigt, ist die zweite Metall-Zwischenverbindung 40 aus Metallstücken 40a, 40b und 40c gebildet.
  • Wie ferner in 4 gezeigt ist, beinhaltet die spiralförmige Induktionsspule 100 eine Unterführungs-Zwischenverbindung 10 und eine Spiralzwischenverbindung 20.
  • Wie in 4 zu sehen ist, ist die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 gebildet durch paralleles Verbinden der ersten Metall-Zwischenverbindung 30 mit dem Metallstück 40c unter Verwendung einer großen Anzahl erster Kontaktstifte 60.
  • Wie in 4 gezeigt, ist die Spiral-Zwischenverbindung 20 nur an den Stellen, an denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist, aus der dritten Metall-Zwischenverbindung 50 gebildet. Die Spiral-Zwischenverbindung 20 ist jedoch durch paralleles Verbinden der dritten Metall-Zwischenverbindung 50 und der zweiten Metall-Zwischenverbindung 40 unter Verwendung von zweiten Kontaktstiften 70 an denjenigen Stellen gebildet, an denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 nicht unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist.
  • 2 zeigt eine Ansicht zur Erläuterung der Abmessungen der spiralförmigen Induktionsspule 100. Wie in der Zeichnung dargestellt, beträgt die Breite der dritten Metall-Zwischenverbindung 50, die die Spiral-Zwischenverbindung 20 bildet, beispielsweise 20 μm in den geradlinigen Bereichen, in denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 nicht unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist. In den geradlinigen Bereichen dagegen, in denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist, wird die Breite auf beispielsweise 30 μm verbreitert.
  • Für die zweite Metall-Zwischenverbindung 40 beträgt die Breite des Bereichs, der die Spiral-Zwischenverbindung 20 (die Metall-Zwischenverbindungen 40b, 40c) bildet, 20 μm, und die Breite des Bereichs, der die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 (die Metall-Zwischenverbindung 40a) bildet, beträgt 30 μm. Die Breite der ersten Metall-Zwischenverbindung 30, die die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 bildet, ist auf 30 μm eingestellt.
  • Für die Spiral-Zwischenverbindung 20 ist der Bereich, in dem die dritte Metall-Zwischenverbindung 50 und die zweite Metall-Zwischenverbindung 40 parallel miteinander verbunden sind, somit mit einer schmalen Breite (20 μm) ausgebildet, während der Bereich, der nur mit der dritten Metall-Zwischenverbindung 50 ausgebildet ist, mit einer großen Breite (30 μm) ausgebildet ist. Ferner ist die Breite der Unterführungs-Zwischenverbindung 10, die mit der ersten Metall-Zwischenverbindung 30 und der zweiten Metall-Zwischenverbindung 40 ausgebildet ist, auf 30 μm eingestellt.
  • Die Vergrößerung der Breite von demjenigen Bereich, der mit einer geringen Anzahl von Schichten ausgebildet ist, ermöglicht es somit, daß ein Auftreten von Elektromigration in jeglichem Bereich der spiralförmigen Induktionsspule 100 verhindert werden kann. Ferner kann diese Struktur das Problem eines Anstiegs der parasitären Kapazität verhindern, die durch eine übermäßige Breite der Unterführungs-Zwischenverbindung 10 verursacht werden kann. Zusätzlich dazu kann diese Konstruktion die von der spiralförmigen Induktionsspule 100 eingenommene Fläche reduzieren.
  • Es ist lediglich von wesentlicher Bedeutung, daß die Breite von jeder der Zwischenverbindungen derart festgelegt wird, daß es sich vom Standpunkt der Ausbildung der spiralförmigen Induktionsspule 100 mit einer geringen Größe um die Breite der Untergrenze handelt, bei der keine Elektromigration auftritt.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in 5 gezeigt ist, wird die spiralförmige Induktionsspule 100 von dem Isolator 90 umschlossen; die spiralförmige Induktionsspule kann jedoch beispielsweise eine geschichtete Konstruktion aus einer Vielzahl von Isolatoren aufweisen, wenn die vorstehende, aus den Metall-Zwischenverbindungen gebildete Konstruktion abgestützt wird und die Metall-Zwischenverbindungen durch die Schichtstruktur isoliert werden. Ferner kann die spiralförmige Induktionsspule 100 teilweise hohl sein und eine Konstruktion aufweisen, die einen elektrischen Leiter enthält, der von der spiralförmigen Induktionsspule isoliert ist.
  • Ferner können die Metall-Zwischenverbindungen und die Kontakt-Zwischenverbindungen aus verschiedenen Materialien gebildet sein, wobei sie zugleich auch aus dem gleichen Material gebildet sein können, in ähnlicher Weise wie bei einer Damaszener-Struktur, bei der zum Beispiel Kupfer verwendet wird.
  • Weiterhin sind bei dem ersten Ausführungsbeispiel die Kontakt-Zwischenverbindungen durch zylindrische elektrische Leiter gebildet; die Kontakt-Zwischenverbindungen können jedoch auch andere Formgebungen aufweisen, solange die Kontakt-Zwischenverbindungen eine elektrische Verbindung zwischen der oberen und der unteren Zwischenverbindung herstellen können. Bei den Kontakt-Zwischenverbindungen kann es sich zum Beispiel um eine plattenförmige Kontakt-Zwischenverbindung handeln, die durch Versenken eines bestimmten elektrischen Leiters in einer Vertiefung oder einer Nut zu bilden ist, die längs der Zwischenverbindungsrichtung der Spiral-Zwischenverbindung vorgesehen ist.
  • Ferner kann die Breite einer jeden der Zwischenverbindungen durch umfassendes Einstellen der Dicken der elektrisch leitfähigen Schichten festgelegt werden, die die erste, zweite und dritte Metall-Zwischenverbindung bilden. Wenn zum Beispiel die Dicke der oberen elektrisch leitfähigen Schicht (der dritten Metall-Zwischenverbindung 50) erhöht wird, kann die Breite von dieser reduziert werden.
  • Weiterhin wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel ein Siliziumsubstrat als Halbleitersubstrat verwendet; es kann jedoch auch zum Beispiel ein SiGe-Substrat, ein gestapeltes Substrat aus mehreren Typen von Halbleitern oder ein Substrat, wie zum Beispiel ein SOI (Silicon On Insulator bzw. Silizium auf Isolator) unter Einfügung eines Isolators dazwischen verwendet werden.
  • Wie vorstehend erläutert, ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bei der spiralförmigen Induktionsspule 100, die drei elektrisch leitfähige Schichten beinhaltet, an denjenigen Stellen, an denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist, die Verdrahtungsbreite der Spiral-Zwischenverbindung gegenüber der mit einer einzigen elektrisch leitfähigen Schicht ausgebildeten Spiral-Zwischenverbindung 20 verbreitert, während an denjenigen Stellen, an denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 nicht unmittelbar unter der Spiral-Zwischenverbindung vorhanden ist, die Verdrahtungsbreite der Spiral-Zwischenverbindung gegenüber der mit zwei elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildeten Spiral-Zwischenverbindung 20 verschmälert ist.
  • Infolgedessen kann die Elektromigration in jedem Bereich der spiralförmigen Induktionsspule 100 unterdrückt werden, ferner wird die Leistungsfähigkeit der spiralförmigen Induktionsspule 100 nicht beeinträchtigt, und auch eine Vergrößerung der Fläche kann unterdrückt werden.
  • Weiterhin ist die spiralförmige Induktionsspule 100 nicht auf die spiralförmige Induktionsspule mit einer dreilagigen Schichtung der elektrisch leitfähigen Schichten begrenzt, sondern die Induktionsspule kann auch eine zweilagige oder mehrlagige Schichtung von elektrisch leitfähigen Schichten aufweisen. Selbst wenn die spiralförmige Induktionsspule drei oder mehr elektrisch leitfähige Schichten beinhaltet, ist es nicht notwendig, daß sämtliche der elektrisch leitfähigen Schichten für die Spiral-Zwischenverbindung verwendet werden, sondern es ist lediglich wichtig, daß zwei oder mehr elektrisch leitfähige Schichten in beliebiger Weise zur Bildung der Spiral-Zwischenverbindung verwendet werden.
  • Dabei wird die spiralförmige Induktionsspule vorzugsweise unter Verwendung der elektrisch leitfähigen Schichten hergestellt, die sich von dem Halbleitersubstrat entfernt in den oberen Lagen befinden. Dies ermöglicht eine Reduzierung der parasitären Kapazität zwischen dem Halbleitersubstrat und der spiralförmigen Induktionsspule, wobei dies zu einer spiralförmigen Induktionsspule mit höherem Leistungsvermögen führt.
  • ZWEITES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Die äußere Formgebung der spiralförmigen Induktionsspule ist nicht auf eine rechteckige Formgebung begrenzt, wie sie bei dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, sondern die Formgebung kann auch fünfeckig oder polygonal sein. Ferner ist die Richtung der beiden Anschlüsse der spiralförmigen Induktionsspule nicht auf 180 Grad begrenzt, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt ist.
  • Zum Beispiel können bei der in 6 und 7 gezeigten spiralförmigen Induktionsspule 200 die Anschlüsse bei der achteckig ausgebildeten Induktionsspule in einer Richtung von 90 Grad nach außen geführt sein. Im Hinblick auf die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 3 die entsprechenden Bestandteile.
  • Wie in den Zeichnungen dargestellt, ist in den geradlinigen Bereichen (auf der einen Seite des Achtecks), unter denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 direkt vorgesehen ist, die Breite der Zwischenverbindung breiter ausgebildet als die Breite derselben in den geradlinigen Bereichen, unter denen die Unterführungs-Zwischenverbindung 10 nicht direkt vorgesehen ist.
  • Unabhängig von der äußeren Formgebung der spiralförmigen Induktionsspule und den Richtungen der Anschlüsse von dieser kann somit eine ähnliche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden.
  • DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Weiterhin kann die äußere Formgebung der spiralförmigen Induktionsspule gekrümmt ausgebildet sein, wie dies bei der in 8 und 9 gezeigten spiralförmigen Induktionsspule 300 der Fall ist. Im Hinblick auf die Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 3 entsprechende Elemente.
  • Wie in 8 gezeigt, ist in demjenigen Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung 20 durch Verbinden der zweiten Metall-Zwischenverbindung 40 und der dritten Metall-Zwischenverbindung 50 unter Verwendung der zweiten Kontakt-Zwischenverbindung 70 gebildet ist, die Breite der Zwischenverbindung in der oberen Hälfte der Zeichnung verschmälert. In dem Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung 20 nur mit der zweiten Metall-Zwischenverbindung 40 ausgebildet ist, ist die Spiral-Zwischenverbindung mit der regulären Breite ausgebildet.
  • Die Bereiche, die jeweils eine unterschiedliche Zwischenverbindungsbreite voneinander aufweisen, sind vorzugsweise durch allmähliches Ändern ihrer Zwischenverbindungsbreiten miteinander verbunden, wie dies in 8 und 9 dargestellt ist.
  • Der Widerstand gegen die Elektromigration der spiralförmigen Induktionsspule 300 wird durch den Widerstand in dem schmalsten Bereich in den jeweiligen Bereichen (dem Bereich der ersten Schicht und dem Bereich der zweiten Schicht) der Spiral-Zwischenverbindung bestimmt.
  • Selbst wenn die äußere Formgebung der spiralförmigen Induktionsspule gekrümmt ist, läßt sich somit wiederum eine ähnliche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielen.
  • VIERTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Die spiralförmigen Induktionsspulen der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 weisen alle zwei Anschlüsse auf; die spiralförmige Induktionsspule kann jedoch auch einen oder mehrere Leitungen aufweisen, die von dem Mittelpunkt der spiralförmigen Induktionsspule nach außen geführt sind.
  • 10 zeigt eine schematische Darstellung einer spiralförmigen Induktionsspule 400 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von ihrer Oberseite. 11 zeigt eine Perspektivansicht der spiralförmigen Induktionsspule 400. Die spiralförmige Induktionsspule 400 beinhaltet zwei elektrisch leitfähige Schichten. Die obere elektrisch leitfähige Schicht bildet eine zweite Metall-Zwischenverbindung 41, und die untere elektrisch leitfähige Schicht bildet eine erste Metall-Zwischenverbindung 31.
  • Die spiralförmige Induktionsspule 400 beinhaltet eine erste Unterführungs-Zwischenverbindung 11 (Anschluß Y) und eine zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 12 (Anschluß Z). Bei dem Anschluß Z handelt es sich um eine Leitung, die von dem Mittelpunkt der Spiral-Zwischenverbindung nach außen geführt ist, und bei dem Anschluß Y handelt es sich um einen Anschluß, der das innere Ende der Spiral-Zwischenverbindung bildet. Die spiralförmige Induktionsspule 400 läßt sich in der in 12 dargestellten Weise vereinfacht darstellen.
  • Die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 11 und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 12 sind mit einem Teil einer zweiten Metall-Zwischenverbindung 31 gebildet.
  • Ferner ist in denjenigen Bereichen, unter denen die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 11 und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 12 direkt vorgesehen sind, die Spiral-Zwischenverbindung nur mit der zweiten Metall-Zwischenverbindung 41 gebildet. In den übrigen Bereichen ist die Spiral-Zwischenverbindung durch paralleles Verbinden der zweiten Metall-Zwischenverbindung 41 und der ersten Metall-Zwischenverbindung 31 unter Verwendung einer ersten Kontakt-Zwischenverbindung 61 gebildet.
  • Die Zwischenverbindungsbreite der Spiral-Zwischenverbindung ist in den geradlinigen Bereichen, unter denen die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 11 und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 12 direkt vorgesehen sind, breiter als ihre Zwischenverbindungsbreite in den geradlinigen Bereichen, unter denen die Unterführungs-Zwischenverbindung nicht direkt vorgesehen ist.
  • Eine solche Konstruktion der Spiral-Zwischenverbindung kann eine ähnliche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ergeben.
  • Für die Unterführungs-Zwischenverbindung, die den jeweiligen Anschluß bildet, ist es bevorzugt, die Zwischenverbindungsbreite in individueller Weise derart auszubilden, daß sie der Menge des darin fließenden Stroms Rechnung trägt.
  • Ferner ist es bevorzugt, die Anschlüsse X, Y der beiden Enden derart anzuordnen, daß eine größere Menge an Strom durch den unter Verwendung von zweilagigen Metallverdrahtungen gebildeten Anschluß auf der externen Seite der Anschlüsse X, Y fließt. Dies kann die Strommenge reduzieren, die durch die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 11 fließt.
  • Infolgedessen kann eine Erhöhung der Zwischenverbindungsbreite der ersten Unterführungs-Zwischenverbindung 11 vermieden werden. Auf diese Weise kann die parasitäre Kapazität zwischen der ersten Unterführungs-Zwischenverbindung 11 und dem Halbleitersubstrat oder zwischen der ersten Unterführungs-Zwischenverbindung 11 und der darauf befindlichen Spiral-Zwischenverbindung reduziert werden, wobei dies wiederum zu der Herstellung einer spiralförmigen Induktionsspule führt, die ein höheres Leistungsvermögen aufweist.
  • FÜNFTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
  • Bei den Ausführungsbeispielen 1 bis 4 wird jeweils eine einzelne spiralförmige Induktionsspule gebildet. Wenn jedoch zwei spiralförmige Induktionsspulen zur Herstellung eines Transformators bzw. Übertragers kombiniert werden, läßt sich eine ähnliche Wirkung unter Verwendung einer ähnlichen Konstruktion erzielen.
  • 13 zeigt eine schematische Darstellung eines Übertragers 500 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, gesehen von dessen Oberseite her. 14 zeigt eine Perspektivansicht des Übertragers 500.
  • Bei diesem Übertrager 500 bildet ein Paar aus einem Anschluß W und einem Anschluß X eine spiralförmige Induktionsspule, und ein weiteres Paar aus einem Anschluß Y und einem Anschluß Z bildet eine weitere spiralförmige Induktionsspule. Der Übertrager 500 kann in der in 15 gezeigten Weise vereinfacht dargestellt werden.
  • Weiterhin beinhaltet der Übertrager 500 zwei elektrisch leitfähige Schichten. Die obere elektrisch leitfähige Schicht bildet eine zweite Metall-Zwischenverbindung 42, und die untere elektrisch leitfähige Schicht bildet eine erste Metall-Zwischenverbindung 32.
  • Eine erste Unterführungs-Zwischenverbindung 13 (Anschluß X) und eine zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 14 (Anschluß Z) sind mit einem Teil der ersten Metall-Zwischenverbindung 32 ausgebildet. Ferner ist die Spiral-Zwischenverbindung in denjenigen Bereichen, unter denen die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 13 und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 14 direkt vorhanden sind, nur mit der zweiten Metall-Zwischenverbindung 42 ausgebildet.
  • In den übrigen Bereichen ist die Spiral-Zwischenverbindung durch paralleles Verbinden der zweiten Metall-Zwischenverbindung 42 und der ersten Metall-Zwischenverbindung 32 miteinander unter Verwendung einer ersten Kontakt-Zwischenverbindung 62 gebildet.
  • Die Zwischenverbindungsbreite der Spiral-Zwischenverbindung ist in den geradlinigen Bereichen (den Zwischenverbindungen in vertikaler Richtung in der Zeichnung), unter denen die erste Unterführungs-Zwischenverbindung 13 und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung 14 unmittelbar vorhanden sind, breiter als ihre Zwischenverbindungsbreite in den geradlinigen Bereichen (den Verdrahtungen in horizontaler Richtung in der Zeichnung), unter denen keine Unterführungs-Zwischenverbindung direkt vorhanden ist.
  • Eine derartige Konstruktion des Übertragers 500 kann wiederum eine ähnliche Wirkung wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel erzielen.
  • Wenn die Spiral-Zwischenverbindung mit geraden Zwischenverbindungen aufgebaut ist, kann ferner einer der im folgenden genannten zwei Konstruktionstypen ausgewählt werden; eine Konstruktion, bei der nur ein Teil der eine große Breite aufweisenden geraden Bereiche, in denen die Spiral-Zwischenverbindung die Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, mit einer geringen Anzahl von Zwischenverbindungsschichten ausgebildet ist (wie zum Beispiel bei dem ersten und dem vierten Ausführungsbeispiel), sowie eine Konstruktion, in der die Gesamtheit der eine große Breite aufweisenden geraden Bereiche, in denen die Spiral-Zwischenverbindung die Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, mit einer kleinen Anzahl von Zwischenverbindungsschichten ausgebildet ist, wie dies bei der Konstruktion des fünften Ausführungsbeispiels der Fall ist.
  • Bei jeder derartigen Konstruktion kann die Elektromigration unterdrückt werden. Ferner gibt es zwischen diesen keinen Unterschied in der von der spiralförmigen Induktionsspule eingenommenen Fläche. Jedoch kann bei der ersteren Konstruktion der parasitäre Widerstand reduziert werden, da der breitere Bereich der Metall-Zwischenverbindung nahe dem Halbleitersubstrat vorhanden ist, wobei jedoch die parasitäre Kapazität zunimmt. Bei letzterer Konstruktion wird die parasitäre Kapazität vermindert, jedoch nimmt der Widerstand zu. Es gibt Vorteile und Nachteile.
  • Aus diesem Grund wird dann, wenn die Betriebsfrequenz der Schaltung, die diese spiralförmigen Induktionsspulen oder Übertrager verwendet, niedriger ist, erstere Konstruktion gewählt, während bei höherer Betriebsfrequenz letztere Konstruktion gewählt wird. Dadurch kann der Einfluß der parasitären Komponente, der in Abhängigkeit von der Betriebsfrequenz größer wird, reduziert werden.
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Wie vorstehend erläutert, ist die spiralförmige Induktionsspule gemäß der vorliegenden Erfindung in der Lage, mit hoher Leistungsfähigkeit zu arbeiten, und es kann ferner eine klein dimensionierte spiralförmige Induktionsspule mit einer Steuerung der Elektromigration geschaffen werden.
    • 100; 200; 300; 400; 500
    Spiralförmige Induktionsspule
    10; 11; 13, 14
    Unterführungs-Zwischenverbindung
    20; 12
    Spiral-Zwischenverbindung
    30; 31; 32
    erste Metall-Zwischenverbindung
    40; 41; 42
    zweite Metall-Zwischenverbindung
    50
    dritte Metall-Zwischenverbindung
    60, 70
    Kontaktstifte
    61; 62
    Kontakt-Zwischenverbindung
    80
    Substrat
    90
    Isolatoren
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es wird eine spiralförmige Induktionsspule angegeben, bei der in dem Bereich, in dem eine Spiral-Zwischenverbindung und eine Unterführungs-Zwischenverbindung einander schneiden, mindestens eine Schicht von den die Spiral-Zwischenverbindung bildenden elektrisch leitfähigen Schichten zum Bilden der Unterführungs-Zwischenverbindung verwendet wird. Die Spiral-Zwischenverbindung, die mit einer geringeren Anzahl von elektrisch leitfähigen Schichten in dem sich schneidenden Bereich ausgebildet ist, hat eine größere Zwischenverbindungsbreite als die Spiral-Zwischenverbindung, die in dem sich nicht schneidenden Bereich mit einer größeren Anzahl von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet ist.
    3

Claims (3)

  1. Spiralförmige Induktionsspule, die mit n Ebenen (n ≥ 2) von elektrisch leitfähigen Schichten ausgebildet ist, die unter Zwischenanordnung von Isolatoren auf einem Halbleitersubstrat angeordnet sind, wobei die spiralförmige Induktionsspule folgendes aufweist: eine Spiral-Zwischenverbindung, die unter spiralförmiger Anordnung einer Schicht i (2 ≤ i ≤ n) der elektrisch leitfähigen Schichten in elektrischer Verbindung miteinander sowie in Vertikalrichtung einander benachbart gebildet ist; und eine Unterführungs-Zwischenverbindung, die mit der Schicht k (1 ≤ k ≤ n-1) der elektrisch miteinander verbundenen und vertikal einander benachbarten elektrisch leitfähigen Schichten gebildet ist und die mit dem inneren Ende der Spiral-Zwischenverbindung elektrisch verbunden ist, wobei in demjenigen Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung und die Unterführungs-Zwischenverbindung einander schneiden, die einander in Vertikalrichtung benachbarten Schichten j (1 ≤ j ≤ i) als elektrisch leitfähige Schichten verwendet werden, die die Unterführungs-Zwischenverbindung der die Spiral-Zwischenverbindung bildenden elektrisch leitfähigen Schichten bilden, und wobei der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, breiter ist als der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die Unterführungs-Zwischenverbindung nicht schneidet.
  2. Spiralförmige Induktionsspule nach Anspruch 1, mit einer zweiten Unterführungs-Zwischenverbindung, die mit h Ebenen (1 ≤ h ≤ n-1) von elektrisch miteinander verbundenen und vertikal einander benachbarten elektrisch leitfähigen Schichten gebildet ist und die mit demjenigen Bereich der Spiral-Zwischenverbindung elektrisch verbunden ist, bei dem es sich nicht um die beiden Enden der Spiral-Zwischenverbindung handelt; wobei in dem Bereich, in dem die Spiral-Zwischenverbindung und die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung einander schneiden, die einander in Vertikalrichtung benachbarten Schichten m (1 ≤ m < i) als diejenigen elektrisch leitfähigen Schichten verwendet werden, die die Unterführungs-Zwischenverbindung der die Spiral-Zwischenverbindung bildenden elektrisch leitfähigen Schichten bilden, und wobei der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die zweite Unterführungs-Zwischenverbindung schneidet, breiter ist als der schmalste Teil in dem Bereich der Spiral-Zwischenverbindung, der die Unterführungs-Zwischenverbindung nicht schneidet.
  3. Übertrager, bei dem es sich um eine Kombination aus den beiden spiralförmigen Induktionsspulen gemäß Anspruch 1 oder gemäß Anspruch 2 handelt.
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