DE69524554T2

DE69524554T2 - Induktivität mit hohem Gütefaktor

Info

Publication number: DE69524554T2
Application number: DE69524554T
Authority: DE
Inventors: Kirk Burton Ashby; Iconomos A. Koullias
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1995-11-28
Publication date: 2002-08-01
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: US5635892A; KR960026744A; TW291612B; EP0716433B1; DE69524554D1; CN1132918A; EP0716433A1; JPH08227814A; CN1078382C

Description

Erfindungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft Induktionsspulen zur Verwendung in integrierten Hochfrequenzschaltungen.

Beschreibung des allgemeinen Stands der Technik

Induktionsspulen zur Verwendung in integrierten Schaltungen sind beispielsweise aus BM TECHNICAL DISCLOSURE BULLETIN, Band 8, Nr. 5, Oktober 1965, NEW YORK, USA, Seite 723, ANONYM "Etched Transformer October 1965" und aus JOURNAL OF MICROMECHANICS AND MICROENGINEERING, JUNI 1993, GB, BAND 3, NR. 2, SEITEN 37-44, ISSN 0960-1317, AHN C H ET AL "A planar micromachined spiral inductor for integrated magnetic microactuator applications" bekannt.
Induktiven Strukturen ist ein Reihenwiderstand zu eigen. Der Reihenwiderstand in durch einen Siliziumprozeß ausgebildeten induktiven Strukturen dominiert die beim Betrieb auftretenden Verluste, wenn die Arbeitsfrequenz ansteigt. Durch die Verluste wird der Gütefaktor Q der Induktionsspule, d. h. das Verhältnis von Reaktanz zu Serienwiderstand in der Induktionsspule (wenn die induktive Struktur unter Verwendung einer bestimmten Topologie modelliert wird), reduziert. Der mit der Frequenz ansteigende Reihenwiderstand, der einen begleitenden Effekt auf den Gütefaktor der Induktionsspule hat, wird durch Erhöhen der Querschnittsfläche für den Stromfluß in der Induktionsspule reduziert beziehungsweise minimiert. Die Querschnittsfläche kann durch Erhöhen der Metallisierungsbreite und/oder -dicke des die Induktionsspule bildenden leitenden Wegs vergrößert werden.
Ein verbesserter Gütefaktor einer Induktionsspule als Funktion der vergrößerten Breite W oder Tiefe D ist bei Gleichstrom zu den niedrigeren Frequenzen im wesentlichen linear. Mit Anstieg der Arbeitsfrequenz neigt der Stromfluß durch die gesamte Querschnittsfläche des leitenden Wegs der Induktionsspule jedoch zum Abfallen. Im allgemeinen fließt der Strom danach an den äußeren Querschnittskanten (das heißt den Umfängen) des Querschnitts der Induktionsspule, wie etwa L10, wie in Fig. 1A gezeigt ist. Ein derartiger Stromfluß entspricht der Theorie des sogenannten "Skin-Effekts".
Zur Verwendung in integrierten Schaltungen ausgebildete Induktionsspulen sind in der Regel spiralförmig. Fig. 1B zeigt einen Teil einer herkömmlichen spiralförmigen Induktionsspule L20, die mit einem Aluminiumleiter 24 auf einem Siliziumsubstrat 22 ausgebildet ist. Fig. 1C zeigt einen Querschnittsteil des leitenden Wegs des Leiters 24. W und L stellen die Breite bzw. Länge des Leiters und D seine Tiefe dar. L stellt die Summe der individuellen Längen 1&sub1;, 1&sub2; ..., 1N dar, aus denen der leitende Weg der Induktionsspule besteht. Da der leitende Weg spiralförmig ist (obwohl dies aus der Querschnittsansicht in der Figur nicht hervorgeht), zwingen die durch den Stromfluß induzierten Magnetfelder den Strom im allgemeinen dazu, entlang den inneren oder kürzeren Kanten des spiralförmigen leitenden Wegs (gestrichelt gezeichnet) zu fließen. Wegen dieser "Kanteneffekte" wird eine Vergrößerung der Breite W (und deshalb der Querschnittsfläche) über einen bestimmten Punkt hinaus, wie oben erwähnt, bei steigender Frequenz nicht von einer gleichzeitigen Verbesserung des Gütefaktors der Induktionsspule begleitet. Zur Bereitstellung des erforderlichen Gütefaktors muß entweder die Dicke oder Tiefe D des leitenden Wegs oder die magnetische Ankopplung zwischen benachbarten Windungen vergrößert werden.

Kurze Darstellung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung stellt eine zur Verwendung mit Halbleitern hergestellte Induktionsspule bereit, die eine vergrößerte Selbstinduktivität und einen verbesserten Gütefaktor aufweist, die sich mit herkömmlichen Herstellungstechniken für integrierte Induktionsspulen nicht realisieren lassen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildete Induktionsspulen können infolgedessen in einem Frequenzbereich von etwa 100 MHz bis im wesentlichen über 10 GHz hinaus eingesetzt werden. Während des Betriebs liegt der Gütefaktor von induktiven Strukturen der vorliegenden Erfindung in einem Bereich von etwa 2 bis etwa 15.
Bei einer als Spirale mit einer bestimmten Anzahl von Windungen N ausgebildeten induktiven Struktur führt die hier beschriebene Hinzufügung des Kerns aus magnetischem Material zu einer höheren Induktivität für die Struktur. Anders ausgedrückt kann relativ zu einer induktiven Struktur des Stands der Technik eine reduzierte Anzahl von Windungen innerhalb einer induktiven Struktur der vorliegenden Erfindung verwendet werden und ein ähnlicher Induktivitätswert abgeleitet werden. Da in einer gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Struktur weniger Windungen verwendet werden, ist die Streukapazität in der Struktur niedriger.
Bei einer Form ist die gegenseitige Induktivität zwischen benachbarten metallischen Verbindungszügen, die den leitenden Weg einer induktiven Struktur bilden, erhöht. Außerdem bleibt der von dem leitenden Weg gezeigte Reihenwiderstand fest, das heißt, er verschlechtert sich nicht wesentlich mit ansteigender Frequenz. Dadurch wird für stabile oder verbesserte Gütewerte mit variierender Frequenz gesorgt. Die strukturelle Anordnung beinhaltet die Abscheidung eines Teils, bevorzugt einer Ebene, aus einem magnetischen Material hoher Permeabilität über den den leitenden Weg der Induktionsspule bildenden metallischen Verbindungszügen.
Die Schicht aus magnetischem Material ist weiterhin so angeordnet, daß sie einen Weg mit niedriger Reluktanz bereitstellt und die magnetische Ankopplung zwischen Wegelementen maximiert und gleichzeitig für in dem Kern induzierte Wirbelströme einen Weg mit hohem Widerstand bereitstellt. Durch die Anordnung wird die Induktivität der Struktur maximiert und gleichzeitig die in dem Kern induzierten Wirbelstromverluste, die den Gütefaktor der Induktionsspule verschlechtern, minimiert. Das magnetische Material hoher Permeabilität weist bevorzugt keine elektrischen Verbindungen mit den integrierten Schaltungen auf, ein Teil derer die induktive Struktur ist. Es wird davon ausgegangen, daß der Prozeß der Bereitstellung der Schicht aus magnetischem Material hoher Permeabilität mit den bestehenden Siliziumherstellungsprozessen kompatibel ist.
Eine induktive Struktur gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1A ist ein Querschnitt durch einen rechteckigen Leiter des Stands der Technik;
Fig. 1B ist eine Draufsicht auf einen Teil einer mit herkömmlichen Siliziumherstellungstechniken ausgebildeten spiralförmigen Induktionsspule;
Fig. 1C ist eine Querschnittsansicht durch einen Teil eines leitenden Wegs, der über herkömmliche Herstellungstechniken eine spiralförmige Induktionsspule bildet;
Fig. 2A ist eine Draufsicht auf eine spiralförmige integrierte induktive Struktur der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2B ist eine Querschnittsansicht durch einen Teil der spiralförmigen Induktionsspule von Fig. 2A; und
Fig. 3A, 3B und 3C sind Draufsichten auf verschiedene Formen von Ebenen aus magnetischem Material hoher Permeabilität, die in der vorliegenden Erfindung enthalten sind.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die induktive Struktur der vorliegenden Erfindung wird zur Verwendung in integrierten Hochfrequenzhalbleiterschaltungen bereitgestellt. Die induktive Struktur zeigt für einen festen Wert des Reihenwiderstands, der dem die Induktionsspule bildenden leitenden Weg zu eigen ist, eine verbesserte Induktivität. Die verbesserte Induktivität führt zu der Realisierung eines Gütefaktors (Q) für die Erfindung zwischen Werten von 10 bis 16 bei sehr hohen Frequenzen, die im Stand der Technik nicht realisiert werden können. Der Arbeitsbereich von wie hier beschrieben ausgebildeten Induktionsspulen erstreckt sich von etwa 100 MHz bis etwa 10 GHz.
Die Fig. 2A und 2B zeigen spiralförmige bzw. Querschnittsteile von mehreren leitenden Elementen 21, 22, 23, 24, 25, die einen spiralförmigen leitenden Weg einer induktiven Struktur L30 der vorliegenden Erfindung bilden. Die leitenden Wege können auf oder in einem Substratmaterial, wie etwa einem halbleitenden Material, einem Substratmaterial oder einem dielektrischen Material, angeordnet sein. Ein Beispiel für ein nichtleitendes Substrat ist Galliumarsenid (GaAs), das üblicherweise als halbisolierend bezeichnet wird.
Ein Teil des Materials 30 hoher magnetischer Permeabilität ist in einer Entfernung X von den leitenden Wegelementen angeordnet und ist von diesen durch eine Schicht aus einem dielektrischen Material 32 getrennt. Das magnetische Material hoher Permeabilität ist vorzugsweise planarförmig und liefert einen Weg mit geringer Reluktanz, der die zwischen benachbarten Verbindungszügen beim Stromfluß induzierte gegenseitige Induktivität anhebt. Wie aus den Figuren ersichtlich, ist das Material mit hoher magnetischer Permeabilität elektrisch nicht mit irgendeinem Teil der in der integrierten Schaltung enthaltenen Schaltungen verbunden.
Die Verwendung der Ebene aus einem Material 30 mit hoher magnetischer Permeabilität (Ebene oder Kern), wie sie oben beschrieben ist, ist günstig, bringt jedoch eine Komplikation in der Halbleiterschaltung mit sich. In dem magnetischen Material werden Wirbelströme erzeugt, durch die Energie als Wärmeverlust erschöpft wird. Wirbelströme werden induziert, wenn ein sich ändernder Fluß durch eine massive magnetische Masse, wie etwa Eisen, aus der die Schicht 30 möglicherweise besteht, läuft.
Ein Wechselstrom erzeugt einen sich ändernden magnetischen Fluß, der den Kern 30 beeinflußt.
Der Fluß induziert in dem magnetischen Material (Kern 30) einen Strom, der dem induzierten Fluß vergleichbar ist.
Wenn die sich ändernden magnetischen Flußdichten hoch sind, dann sind Wirbelströme für einen beträchtlichen Leistungsverlust verantwortlich. Der Wirbelstromverlust steht zu dem Quadrat der Frequenz und dem Quadrat der größten Flußdichte in Beziehung.
Um Wirbelströme (und den damit verbundenen Verlust) in Transformatoren mit Eisenkern auf ein Minimum zu reduzieren, wird der Kern aus Blöcken oder Laminatblechen ausgebildet, die parallel zu der Flußrichtung angeordnet sind. Wie aus den Fig. 3A, 3B und 3C hervorgeht, wird durch einen sich ändernden angelegten Fluß (der relativ zu dem mittleren Loch in die Papierebene hinein oder aus dieser herausgerichtet ist) in den Ebenen des Kernmaterials 30 ein Nettostrom induziert. Der induzierte Stromfluß ist mit den kreisförmigen Pfeilen gekennzeichnet. Folglich erzeugt der induzierte Wirbelstrom einen (aus der Papierebene herausgerichteten) mit der Zeit veränderlichen Fluß, der dem sich ändernden angelegten Fluß entgegengesetzt ist, wodurch der mit der Zeit veränderliche, angelegte Gesamtfluß durch den Kern reduziert wird. Wirbelströme werden senkrecht zur Richtung des sich verändernden Flusses induziert. Dementsprechend können die induzierten Wirbelströme minimiert werden, indem der Kern in dünne Abschnitte oder Bleche aufgeteilt wird. Dementsprechend sind die sich drehenden Wirbelstromwege begrenzt, was zu reduzierten Wirbelstromverlusten in der Gesamtmasse aus magnetischem Material führt.
Die Form des in Fig. 3A gezeigten planaren Kerns 30 enthält im wesentlichen in ihrer Mitte ein rechteckiges Loch. Durch das rechteckige Loch wird eine unerwünschte magnetische Ankopplung zwischen Verbindungszügen auf gegenüberliegenden Seiten der Induktionsspule relativ zu der Mitte reduziert. Durch das Design werden jedoch die mit der Erzeugung von Wirbelströmen verbundenen Probleme nicht gelöst. Fig. 3B zeigt den Kern (das heißt, den planaren Kern der bevorzugten Ausführungsform), der in Keile aufgeteilt ist und aus den oben angeführten Gründen das Loch in der Mitte enthält. Durch dieses Design werden sowohl eine unerwünschte Ankopplung als auch ein Wirbelstromverlust bezüglich des Designs von Fig. 3A reduziert. Fig. 3C zeigt die Verwendung mehrerer Streifen aus magnetischem Material zur Ausbildung des planaren Kerns. Durch ein derartiges Design wird der Wirbelstromverlust relativ zu dem Design von Fig. 3B weiter reduziert. Die Streifen aus magnetischem Material verlaufen bevorzugt im rechten Winkel (orthogonal) zu den Linien, die durch die das Leitende der Induktionsspule ausbildenden metallischen Verbindungszüge gebildet werden.
Was in diesem Text beschrieben worden ist, veranschaulicht lediglich die Anwendung der Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Andere Anordnungen und Verfahren können vom Fachmann implementiert werden, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Induktive Struktur, ausgebildet mit einem Substrat und mit einer integrierten Halbleiterschaltung integrierbar, mit einem elektrischen Leiter (21- 28), der einen auf dem Substrat als spiralförmiges planares Muster ausgebildeten leitenden Weg bereitstellt, bei dem benachbarte Längen des Wegs im wesentlichen parallel sind, und mit einem Kern (30) aus magnetischem Material, der sich in der Nähe des planaren Musters befindet und ihm gegenüber liegt, gekennzeichnet durch eine Öffnung in einem mittleren Gebiet des Kerns.

2. Induktive Struktur nach Anspruch 1, bei der der Kern eine allgemein rechteckige Plattform aufweist und vier elektrisch isolierte und getrennte Keilteile enthält, wobei jeder Keilteil eine allgemein dreieckige Plattform derart aufweist, daß der Kern diagonale Öffnungen definiert, die sich zwischen diagonal gegenüberliegenden Ecken der rechteckigen Plattform erstrecken.

3. Induktive Struktur nach Anspruch 2, bei der die Keilteile jeweils mehrere Streifen aus magnetischem Material umfassen.

4. Induktive Struktur nach Anspruch 3, bei der die mehreren Streifen im wesentlichen im rechten Winkel zu im wesentlichen benachbarten Längen des leitenden Wegs angeordnet sind.

5. Induktive Struktur nach Anspruch 1, bei der der Kern planar ist.

6. Induktive Struktur nach Anspruch 1, weiterhin mit einer zwischen dem Muster und dem Kern angeordneten Schicht aus dielektrischem Material zum elektrischen Isolieren des Musters von dem Kern.

7. Induktive Struktur nach Anspruch 1, bei der das Substrat aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einem Halbleiter und einem dielektrischen Material besteht.

8. Induktive Struktur nach Anspruch 7, bei der das Muster und der Kern so positioniert sind, daß sie für einen hochfrequenten Betrieb sorgen.

9. Induktive Struktur nach Anspruch 1, bei der das Muster und der Kern so positioniert sind, daß sie für einen hochfrequenten Betrieb bis etwa 12 GHz sorgen.

10. Integrierte Halbleiterschaltung, die aus einem Substrat und einer induktiven Struktur, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, besteht.