EP1109179A1 - Structure d'inductance sur substrat semiconducteur - Google Patents

Structure d'inductance sur substrat semiconducteur Download PDF

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Publication number
EP1109179A1
EP1109179A1 EP00410155A EP00410155A EP1109179A1 EP 1109179 A1 EP1109179 A1 EP 1109179A1 EP 00410155 A EP00410155 A EP 00410155A EP 00410155 A EP00410155 A EP 00410155A EP 1109179 A1 EP1109179 A1 EP 1109179A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conductive
inductance
elements
track
plane
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00410155A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Frédéric Lemaire
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
STMicroelectronics SA
Original Assignee
STMicroelectronics SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STMicroelectronics SA filed Critical STMicroelectronics SA
Publication of EP1109179A1 publication Critical patent/EP1109179A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F17/00—Fixed inductances of the signal type 
    • H01F17/0006—Printed inductances
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/34—Special means for preventing or reducing unwanted electric or magnetic effects, e.g. no-load losses, reactive currents, harmonics, oscillations, leakage fields
    • H01F27/36—Electric or magnetic shields or screens
    • H01F27/363—Electric or magnetic shields or screens made of electrically conductive material

Definitions

  • the present invention relates to the field of circuits integrated, and more particularly an inductor formed above of a semiconductor substrate.
  • FIG. 1 represents an inductor 1, comprising a number of turns or turns, formed by a conductive element deposited on an insulating layer 2.
  • the insulating layer 2 by example of silicon oxide, based on a semiconductor substrate 3, generally made of silicon, which, in the example shown, is connected to ground by its lower face 4.
  • a big disadvantage of the inductance of figure 1 is that it has high losses. So there is a capacity C relative to the substrate, the insulating layer 2 serving dielectric. Furthermore, the substrate 3 is resistive and it has a resistance R between its upper 5 and lower faces 4. Thus, when inductance 1 is crossed by a variable current, losses occur through capacity C and resistance R. These losses have the disadvantage greatly reduce the quality factor Q by inductance.
  • the patent application European EP-A-0780853 proposes an inductance structure on a silicon substrate having a conductive plane located between inductance and substrate.
  • This conductive plane isolated from the substrate and inductance, is connected to ground or to a cold point of the circuit, in order to establish a "shield or electrostatic screen" between the inductance and the semiconductor substrate.
  • said request proposes a division of the conductor plane.
  • FIG. 1 A type of inductor with a cut inductor plane according to an example of the above mentioned request is illustrated in figure 2.
  • Figure 2 illustrates an inductor 1, an insulating layer 2 and a substrate 3 having an upper face 5 and a lower face 4 connected to earth.
  • Figure 2 also illustrates, above the insulating layer 2, a conducting plane 10.
  • the plane conductor 10 is cut into longitudinal strips 12 connected to a lateral strip 13, perpendicular to the strips 12 and having, in the middle, a point 11 connected to ground. The effect due to eddy currents is thus greatly decreased, but the structure of Figure 2 has drawbacks.
  • each of the bands 12 is the seat of an electromotive force e due to the existing inductive coupling between said bands and the inductance.
  • the side strip 13 is the seat of an electromotive force e 'due to the coupling inductive between strip 13 and inductance 1.
  • an object of the present invention is to providing an inductance structure arranged on a semiconductor substrate which does not have the drawbacks described above.
  • Another object of the present invention is to provide an inductance structure arranged on a semiconductor substrate which minimizes the losses linked to the operation of the inductor.
  • Another object of the present invention is to provide an inductance structure which minimizes electromotive forces induced in the conductive plane.
  • this invention provides an inductance structure arranged on a semiconductor substrate, comprising an inductor and a plane conductor disposed between the inductor and the substrate.
  • the plan conductor has several disjoint conductive elements and several conductive tracks, each conductive track connecting at least one conductive element at a contact point M on the plane driver.
  • Each of the conductive tracks is arranged so that the result of the electromotive forces which are induced there by said inductance is substantially zero.
  • each of the conductive tracks substantially follows an axis of inductance symmetry.
  • the inductance has substantially the shape of a square and the tracks conductive are arranged along the diagonals and medians of said square.
  • the inductance has substantially the shape of a circle and the tracks conductive are arranged along the radii of said circle.
  • said conductive elements have an elongated shape and are arranged perpendicular to a portion of the turn under which they rest.
  • said conductive elements are arranged under the turns of inductance only.
  • FIG. 3A represents an inductance structure according to the present invention.
  • an inductance 1 is formed by a three quarter turn, the turns being represented here in the form of straight turns. So the inductance 1 is formed by straight conductive turns AB, BC, CD, DE, EF, FG, and GH.
  • FIG. 3A also represents, under inductance 1, a conducting plane 10.
  • the conducting plane 10 is formed separate conductive elements 20, isolated from each other.
  • the conductive elements 20, which, in the example shown, have the shape of substantially rectangular bands can be produced in various ways, for example by etching a metallic layer or by diffusion of highly doped layers in the substrate.
  • the fact that the conductive plane is made up of elements separate from each other has the advantage of allow great flexibility for their connection, flexibility used in the structure of the present invention.
  • the elements 20 are connected to a contact point M by tracks conductive, further described in connection with Figure 3B.
  • the contact point M allows the connection of the conductive plane, and is intended to be connected to earth or to a "cold" point any of the circuit.
  • FIG. 3A does not represent neither the necessary insulating layers, nor the substrate on which rests the inductance structure.
  • Figure 3B repeats Figure 3A, but inductance 1 has been removed to better show the elements 20 of the conductive plane 10, as well as the conductive tracks which connect elements 20 at the contact point M.
  • the elements 20 have an elongated, substantially rectangular shape. They are willing perpendicular to or to the turn portions under which they rest. Their width is small so as to limit their surface to reduce eddy currents which, although weak, are not nonexistent. Preferably, the width is chosen as low as possible, while taking take care not to diminish the effectiveness of the elements 20 in their role of electrostatic screen.
  • the length of the conductive elements 20 is enough to go on either side of the portion of turn considered, slightly exceeding the most turn internal and the outermost turn. The elements 20 are therefore more or less long, depending on the number of turns crossed. So, element 24 of FIG. 3B, placed under the central part of the portions of coil BC and FG is longer than element 25, placed under the central part of the DE turn portion, because the number of coils placed above is lower for the latter.
  • the elements 20 of the conductive plane 10 do not extend into the central region of inductance, in order to limit their surface to reduce the eddy current losses.
  • Figure 3B also illustrates in detail the connections conductive elements 20 at the point of contact M.
  • Point M is connected to a point O corresponding to the center of inductance 1 by a conductive track MO, which connects to the point M the elements 25, 25 'and 25 ".
  • Various other conductive tracks pass through point O and connect a small number of elements 20. So the extension of the MO track, the ON track, connects the elements 24, 24 'and 24 ".
  • An RS track connects elements 30, 31, 32, 33. From similarly, VW and TU tracks, diagonally in the figure 3B, connect the remaining elements 20, located under the vertices of inductance 1.
  • these conductive tracks are of width minimum, compatible with the maximum tolerable resistance they can present.
  • the RS, TU, MN and VW tracks are not limited not to straight segments defined by the above points, but that they are arranged to connect effectively the elements 20 for example as indicated in bold lines in Figure 3B.
  • the ON track includes in addition to two segments NN ', NN ", perpendicular to ON, for connecting elements 24 'and 24 ".
  • point O is common to all tracks, which, because of the OM track, are all connected electrically at the point of contact M, and thus form, with the disjoint elements 20, the conducting plane 10.
  • the OM track is wider than the other tracks, in order to be able to effectively drain currents if necessary residuals outside the conductor plane.
  • the arrangement of the conductive tracks connecting the elements 20 was chosen so that the result of the forces electromotors induced in the conductive tracks is substantially nothing.
  • the coefficient mutual inductance is a function of the length of conductors and their distance, M being all the higher as the length of the conductors is great and their distance is low. If the conductors are not parallel but form a certain angle, their mutual inductance coefficient M is proportional to the cosine of the angle formed by the two conductors. Finally, when two conductors are perpendicular (their angle is 90 °), their mutual inductance coefficient is no.
  • a track or a section of conductive track is perpendicular to the portions of whorl, whence results a zero mutual inductance and a force electromotive induced null also.
  • a track or a section of conductive track is parallel to at least two portions of turn, and at an equal distance between them. Is equivalent to place these tracks in the center of the inductor and, like each coil of the inductor has portions traversed by a current with the same absolute value and in the opposite direction, the tracks considered have a mutual inductance made up of two components, one positive and the other negative, which are entrenched and cancel out exactly if the number of turns is the even on each side.
  • a conductive track or section of track is arranged along the bisector of the angle formed by whorl portions. These portions of the turn, being traversed by currents of opposite directions (respectively directing and moving away from the top of the angle they form), the inductance resulting mutual insurance between these turns and the track or the section of track considered is also zero, as well as the resulting electromotive force induced in the runway or section of track considered.
  • the MO track is perpendicular to the turns DE, FG and BC.
  • the mutual inductance coefficient between these portions of the turn and the MO track is therefore zero, and the force The electromotive motor created in MO by these portions of the turn is zero.
  • the track MO is parallel to the portions of coil AB, CD, EF and GH, and located between these turns, at equal distance from them.
  • the MO runway is the site of a first electromotive force induced by the AB and EF portions, but this electromotive force is compensated by a second force electromotive induced by the CD and GH turns, where it follows that the resultant of the electromotive forces created by the turns of AB, CD, EF and GH are zero. So the track MO is not the seat of any resulting electromotive force and the point O is at exactly the same potential as point M.
  • the ON track perpendicular to the portions of turns BC, FC and DE, and parallel to the portions of turns AB, CD, EF and GH, and at an equal distance between them, is the seat of a zero resulting electromotive force and point N is at the same potential as point M.
  • the OR track is perpendicular to the portions of turns AB, CD, EF and GH. No induced electromotive force will result therefore in the OR track due to these portions of turns.
  • the OR track is also parallel to the turns of BC, DE and FG. As the OR track is located exactly in the middle of the DE and FG turns, the action of these turns is compensated noticeably. However, the influence of the BC turn portion is not compensated for by the fact that inductance 1 is not symmetrical and that it does not have a whole number of turns.
  • the distance between the OR track and the portion of turn BC being fairly large, the electromotive force induced in the RO track remains low. Nevertheless, the point R is at a certain potential by relation to point O, therefore to point M, which generates losses.
  • the SO track is the seat of a force residual electromotive due to asymmetries in the inductance and point S is at a potential different from that of points O and Mr.
  • the TO runway for its part, is substantially located on the bisector of the angle formed by the portions of coil AB and BC on the one hand, EF and FG on the other.
  • the track TO is the seat of two electromotive forces which compensate and their resultant is zero.
  • the VO and UO tracks still due to the asymmetries of the inductance, do not go exactly through the bisector of the angles formed by turns.
  • the compensation is not perfect and it appears, at point V and at point U, a certain potential with respect to point O and, by next, from point M.
  • connection points of the elements 20 are at a potential substantially equal to that of contact point M.
  • the strip 13 and the two peripheral strips 12 are the seat of high electromotive forces e ′ and e, owing to the fact that they run over a considerable length of portions of the turn at short distance.
  • These capacitors C', C “and resistors R ', R" are distributed capacitors and resistances, the value of which depends on many parameters.
  • the currents i 'and i cause losses in the substrate by Joule effect, equal respectively to R'.i' 2 and R" .i “ 2 , all the higher as the voltages e 'and e" are high.
  • the tracks which connect elements of the conductive plane are arranged so that the resulting from the electromotive forces induced in these tracks is substantially zero.
  • the connection point between a conductive element 20 and the conductive track which connects is at a substantially zero potential.
  • the potential difference maximum between point M and each point of an element conductor 20 remains substantially limited by the value of the electromotive force induced in said element which is moreover weak because the conductive elements are perpendicular to the turns and their length is low. This therefore limits the current flowing through the capacity located under the elements 20 and consequently the losses ohmic in the substrate, and this in a significant way compared to the prior art, where the connection of the plane parts conductor is often made by the periphery.
  • a residual electromotive force mainly due to asymmetry of inductance, remains in certain conductive tracks connecting the different elements of the conductive plane, for example in the RO track, making the potential of the R point relative at point M is not entirely zero. It is possible to reduce this residual electromotive force.
  • electromagnetic simulation tools allowing, from various system parameters, calculate the coefficient of inductance mutual fund between inductance 1 as a whole and a particular track route. For example, for the RO track, a R'O track, located between the RO track and the VO track is more the influence of the turn portion DE and therefore is probably better, in terms of the result of electromotive forces induced, that the RO track.
  • inductance structure illustrated in Figures 3A and 3B is only an example and the present invention is susceptible to various variations and modifications which will appear to those skilled in the art.
  • the conductive elements 20 are arranged just below the location inductor 1 turns, and extend very little.
  • this characteristic is not essential and the elements of the conductive plane could extend further under inductance without departing from the scope of the invention.
  • FIGS. 3A and 3B represents a square inductor comprising a three-quarter turn. he goes of course the present invention can be applied whatever the number of turns of the inductance, and whatever or the form of the inductance.
  • the elements of the conductive plane can be rectangles, as in the case present, and the conductive tracks will follow, unless corrected due to asymmetries in the inductance, medians and diagonals of the rectangle.
  • the inductance turns are circular or in spiral and have a center O
  • these elements will arranged radially, and their connection to the center will be by conductive tracks also arranged radially, such a structure, perfectly symmetrical, with minimal losses.

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Abstract

L'invention concerne une structure d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur, comprenant une inductance (1) et un plan conducteur (10) disposé entre l'inductance et le substrat. Le plan conducteur (10) est formé de plusieurs éléments conducteurs disjoints (20), dont la connexion est réalisée par des pistes conductrices reliant au moins un élément conducteur (20) à un point de contact M du plan conducteur. Chacune des pistes conductrices est disposée de sorte que la résultante des forces électromotrices qui sont induites dans ladite piste conductrice par l'inductance soit sensiblement nulle. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés, et plus particulièrement une inductance formée au-dessus d'un substrat semiconducteur.
La figure 1 représente une inductance 1, comprenant un certain nombre de tours ou spires, formée par un élément conducteur déposé sur une couche isolante 2. La couche isolante 2, par exemple de l'oxyde de silicium, repose sur un substrat semiconducteur 3, en général en silicium, qui, dans l'exemple représenté, est relié à la masse par sa face inférieure 4.
Un gros inconvénient de l'inductance de la figure 1 est qu'elle présente des pertes élevées. Ainsi, il existe une capacité C par rapport au substrat, la couche isolante 2 servant de diélectrique. Par ailleurs, le substrat 3 est résistif et il présente une résistance R entre ses faces supérieure 5 et inférieure 4. Ainsi, lorsque l'inductance 1 est parcourue par un courant variable, des pertes se produisent par l'intermédiaire de la capacité C et de la résistance R. Ces pertes ont l'inconvénient de diminuer fortement le facteur de qualité Q de l'inductance.
Pour remédier à cet inconvénient, la demande de brevet européen EP-A-0780853 propose une structure d'inductance sur un substrat de silicium comportant un plan conducteur situé entre l'inductance et le substrat. Ce plan conducteur, isolé du substrat et de l'inductance, est relié à la masse ou à un point froid du circuit, afin d'établir un "blindage ou écran électrostatique" entre l'inductance et le substrat semiconducteur. Pour éviter une dissipation par création de courants de Foucault dans le plan conducteur, ladite demande propose un découpage du plan conducteur.
Un type d'inductance avec un plan inducteur découpé selon un exemple de la demande ci-dessus mentionnée est illustré en figure 2.
La figure 2 illustre une inductance 1, une couche isolante 2 et un substrat 3 présentant une face supérieure 5 et une face inférieure 4 reliée à la masse. La figure 2 illustre aussi, au-dessus de la couche isolante 2, un plan conducteur 10. Le plan conducteur 10 est découpé en bandes longitudinales 12 reliées à une bande latérale 13, perpendiculaire aux bandes 12 et présentant, en son milieu, un point 11 relié à la masse. L'effet dû aux courants de Foucault est ainsi fortement diminué, mais la structure de la figure 2 présente des inconvénients.
Ainsi, en figure 2, lorsque l'inductance 1 est parcourue par un courant variable, chacune des bandes 12 est le siège d'une force électromotrice e due au couplage inductif existant entre lesdites bandes et l'inductance. De même, la bande latérale 13 est le siège d'une force électromotrice e' due au couplage inductif entre la bande 13 et l'inductance 1. Ces forces électromotrices provoquent des pertes. En effet, chacun des points des bandes 12 et 13 se trouve à un potentiel non nul par rapport à la masse, dû aux forces électromotrices induites, et, de ce fait, des pertes se produisent par l'intermédiaire d'une capacité due à la couche 2 servant de diélectrique et de la résistance ohmique du substrat, ces capacité et résistance ohmique étant des grandeurs réparties et différentes en chaque point du plan conducteur.
Toutes ces pertes rendent le comportement de la structure de la figure 2 insatisfaisant et abaissent le coefficient de qualité Q de l'inductance.
La demande de brevet susmentionnée propose d'autres manières de découper le plan conducteur (voir les figures 7, 9 et 12 de cette demande). Cependant, dans tous les exemples proposés de ladite demande, y compris dans son mode de réalisation préféré, correspondant à la figure 7, il demeure des portions de plan conducteur dans lesquelles une force électromotrice induite élevée provoque l'effet indésirable qui a été décrit.
C'est pourquoi un objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur qui ne présente pas les inconvénients décrits ci-dessus.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur qui minimise les pertes liées au fonctionnement de l'inductance.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance qui minimise les forces électromotrices induites dans le plan conducteur.
Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une structure d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur, comprenant une inductance et un plan conducteur disposé entre l'inductance et le substrat. Le plan conducteur comporte plusieurs éléments conducteurs disjoints et plusieurs pistes conductrices, chaque piste conductrice reliant au moins un élément conducteur à un point de contact M du plan conducteur. Chacune des pistes conductrices est disposée de sorte que la résultante des forces électromotrices qui y sont induites par ladite inductance soit sensiblement nulle.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des pistes conductrices épouse sensiblement un axe de symétrie de l'inductance.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'inductance a sensiblement la forme d'un carré et les pistes conductrices sont disposées suivant les diagonales et les médianes dudit carré.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'inductance a sensiblement la forme d'un cercle et les pistes conductrices sont disposées suivant les rayons dudit cercle.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments conducteurs ont une forme allongée et sont disposés perpendiculairement par rapport à une portion de spire sous laquelle ils reposent.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments conducteurs sont disposés sous les spires de l'inductance uniquement.
Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
  • la figure 1, déjà décrite, représente une inductance déposée sur un substrat semiconducteur selon l'art antérieur ;
  • la figure 2, déjà décrite, représente une autre structure d'inductance déposée sur un substrat semiconducteur selon l'art antérieur ;
  • la figure 3A représente une structure d'inductance selon la présente invention ; et
  • la figure 3B représente un plan conducteur faisant partie de la structure de la figure 3A.
    • La figure 3A représente une structure d'inductance selon la présente invention. En figure 3A, une inductance 1 est formée d'une spire trois quart, les spires étant représentées ici sous la forme de portions de spire rectilignes. Ainsi, l'inductance 1 est formée de portions de spire conductrices rectilignes AB, BC, CD, DE, EF, FG, et GH. La figure 3A représente également, sous l'inductance 1, un plan conducteur 10.
    Selon l'invention, le plan conducteur 10 est formé d'éléments conducteurs 20 disjoints, isolés les uns des autres. Les éléments conducteurs 20, qui, dans l'exemple représenté, ont la forme de bandes sensiblement rectangulaires peuvent être réalisés de diverses manières, par exemple par gravure d'une couche métallique ou par diffusion de couches très dopées dans le substrat. Le fait que le plan conducteur soit formé d'éléments distincts isolés les uns des autres présente l'avantage de permettre une grande souplesse pour leur connexion, souplesse mise à profit dans la structure de la présente invention. Les éléments 20 sont reliés à un point de contact M par des pistes conductrices, davantage décrites en relation avec la figure 3B. Le point de contact M permet la connexion du plan conducteur, et est destiné à être connecté à la masse ou à un point "froid" quelconque du circuit.
    Dans un souci de simplicité, la figure 3A ne représente ni les couches isolantes nécessaires, ni le substrat sur lequel repose la structure d'inductance.
    La figure 3B reprend la figure 3A, mais l'inductance 1 a été retirée pour mieux laisser apparaítre les éléments 20 du plan conducteur 10, ainsi que les pistes conductrices qui relient les éléments 20 au point de contact M.
    Comme cela a été indiqué ci-dessus, les éléments 20 ont une forme allongée, sensiblement rectangulaire. Ils sont disposés perpendiculairement à ou aux portions de spire sous lesquelles ils reposent. Leur largeur est faible de façon à limiter leur surface pour réduire les courants de Foucault qui, bien que faibles, ne sont pas inexistants. De préférence, la largeur est choisie de manière aussi faible que possible, tout en prenant garde de ne pas diminuer l'efficacité des éléments 20 dans leur rôle d'écran électrostatique. La longueur des éléments conducteurs 20 est suffisante pour aller de part et d'autre de la portion de spire considérée, en dépassant de peu la spire la plus interne et la spire la plus externe. Les éléments 20 sont donc plus ou moins longs, selon le nombre de spires traversées. Ainsi, l'élément 24 de la figure 3B, placé sous la partie centrale des portions de spire BC et FG est plus long que l'élément 25, placé sous la partie centrale de la portion de spire DE, car le nombre de spires placées au-dessus est moins élevé pour ce dernier.
    Sous les parties centrales des spires, tous les éléments adjacents 20 ont la même longueur et la même largeur, dans l'exemple représenté. Sous les sommets de l'inductance, par contre, les éléments 20, toujours perpendiculaires à la portion de spire sous laquelle ils reposent, sont plus courts car ils rencontrent les éléments 20 du côté adjacent. Ainsi, les éléments conducteurs 26, 27 de la figure 3B sont plus courts que les éléments conducteurs 28, 29, de même longueur que les éléments 30, 31 situés au centre des portions de spire AB et EF. On notera toutefois que la représentation de la figure 3B est un exemple seulement, et que d'autres façons de disposer les éléments conducteurs 20 sont possibles sans sortir du domaine de l'invention.
    On notera en outre que les éléments 20 du plan conducteur 10 ne s'étendent pas dans la région centrale de l'inductance, dans le but de limiter leur surface pour réduire les pertes par courants de Foucault.
    On notera aussi que la forme et la disposition des éléments 20 des figures 3A, 3B n'est qu'un exemple seulement, et que d'autres formes et dispositions des éléments disjoints 20 sont possibles sans sortir du domaine de l'invention.
    La figure 3B illustre aussi en détail les connexions des éléments conducteurs 20 au point de contact M. Le point M est relié à un point O correspondant au centre de l'inductance 1 par une piste conductrice MO, qui connecte au point M les éléments 25, 25' et 25". Diverses autres pistes conductrices passent par le point O et relient un petit nombre d'éléments 20. Ainsi, le prolongement de la piste MO, la piste ON, relie les éléments 24, 24' et 24". Une piste RS relie les éléments 30, 31, 32, 33. De façon similaire, des pistes VW et TU, en diagonale sur la figure 3B, relient les éléments 20 restants, situés sous les sommets de l'inductance 1.
    De préférence, ces pistes conductrices sont de largeur minimum, compatible avec la résistance maximum tolérable qu'elles peuvent présenter.
    On notera que les pistes RS, TU, MN et VW ne se limitent pas à des segments rectilignes définis par les points ci-dessus, mais qu'elles sont disposées de façon à relier efficacement les éléments 20, par exemple comme cela est indiqué en traits gras sur la figure 3B. Ainsi, la piste ON comporte en outre deux segments NN', NN", perpendiculaires à ON, pour connecter les éléments 24' et 24".
    On notera aussi que le point O est commun à toutes les pistes, qui, du fait de la piste OM, se trouvent toutes reliées électriquement au point de contact M, et forment ainsi, avec les éléments disjoints 20, le plan conducteur 10. On notera également qu'en pratique la piste OM est plus large que les autres pistes, afin de pouvoir drainer efficacement, si besoin est, des courants résiduels vers l'extérieur du plan conducteur.
    La disposition des pistes conductrices reliant les éléments 20 a été choisie de sorte que la résultante des forces électromotrices induites dans les pistes conductrices soit sensiblement nulle.
    Pour mieux comprendre le choix effectué, on va décrire, en relation avec les figures 3A et 3B, le comportement de la structure d'inductance selon la présente invention lorsque l'inductance est parcourue par un courant variable i.
    Tout d'abord, du fait que le plan conducteur est formé d'éléments conducteurs disjoints de petite taille, le problème des courants de Foucault, qui existent néanmoins dans chacun des éléments conducteurs 20 (et pas dans les pistes conductrices, de surface négligeable), est pratiquement résolu et seul est à envisager le problème dû aux forces électromotrices induites.
    De façon générale, la force électromotrice induite dans un premier conducteur, par un second conducteur parcouru par un courant variable i, a pour valeur e = -M.di/dt, M étant le coefficient d'inductance mutuelle entre les deux conducteurs et di/dt la variation, en fonction du temps, du courant i parcourant le second conducteur.
    Pour deux conducteurs rectilignes parallèles, le coefficient d'inductance mutuelle est fonction de la longueur des conducteurs et de leur distance, M étant d'autant plus élevé que la longueur des conducteurs est grande et que leur distance est faible. Si les conducteurs ne sont pas parallèles mais forment un certain angle, leur coefficient d'inductance mutuelle M est proportionnel au cosinus de l'angle formé par les deux conducteurs. Enfin, lorsque deux conducteurs sont perpendiculaires (leur angle est 90°), leur coefficient d'inductance mutuelle est nul.
    Ainsi, pour réduire les forces électromotrices induites dans les pistes conductrices et par suite les pertes subies par l'inductance 1, on réalise autant que possible trois types de configurations.
    Selon une première configuration, une piste ou un tronçon de piste conductrice est perpendiculaire aux portions de spire, d'où il résulte une inductance mutuelle nulle et une force électromotrice induite nulle également.
    Selon une seconde configuration, une piste ou un tronçon de piste conductrice est parallèle à au moins deux portions de spire, et à égale distance entre celles-ci. Cela revient à placer ces pistes au centre de l'inductance et, comme chaque spire de l'inductance comporte des portions parcourues par un courant de même valeur absolue et de sens inverse, les pistes considérées présentent une inductance mutuelle formée de deux composantes, une positive et l'autre négative, qui se retranchent et s'annulent exactement si le nombre de portions de spire est le même de chaque côté.
    Selon une troisième configuration, utilisée pour les sommets de l'inductance, une piste ou un tronçon de piste conductrice est disposé suivant la bissectrice de l'angle formé par des portions de spire. Ces portions de spire, étant parcourues par des courants de sens opposés (respectivement se dirigeant et s'éloignant du sommet de l'angle qu'elles forment), l'inductance mutuelle résultante entre ces portions de spire et la piste ou le tronçon de piste considérés est également nulle, ainsi que la force électromotrice résultante induite dans la piste ou le tronçon de piste considérés.
    Examinons ainsi, en relation avec les figures 3A et 3B, le couplage inductif entre les différentes pistes conductrices de la présente invention et chacune des portions de spire de l'inductance 1, et les forces électromotrices que ces portions de spire produisent dans une piste lorsque l'inductance est parcourue par un courant variable.
    La piste MO est perpendiculaire aux portions de spire DE, FG et BC. Le coefficient d'inductance mutuelle entre ces portions de spire et la piste MO est donc nulle, et la force électromotrice créée dans MO par ces portions de spire est nulle. Par ailleurs, la piste MO est parallèle aux portions de spire AB, CD, EF et GH, et située entre ces portions de spire, à égale distance de celles-ci. La piste MO est le siège d'une première force électromotrice induite due aux portions AB et EF, mais cette force électromotrice est compensée par une seconde force électromotrice induite par les portions de spire CD et GH, d'où il résulte que la résultante des forces électromotrices crées par les portions de spire AB, CD, EF et GH est nulle. Ainsi, la piste MO n'est le siège d'aucune force électromotrice résultante et le point O se trouve exactement au même potentiel que le point M.
    De même, la piste ON, perpendiculaire aux portions de spires BC, FC et DE, et parallèle aux portions de spires AB, CD, EF et GH, et à égale distance entre celles-ci, est le siège d'une force électromotrice résultante nulle et le point N est au même potentiel que le point M.
    La piste OR est perpendiculaire aux portions de spires AB, CD, EF et GH. Aucune force électromotrice induite ne résultera donc dans la piste OR du fait de ces portions de spires. La piste OR est par ailleurs parallèle aux portions de spire BC, DE et FG. Comme la piste OR est située exactement au milieu des spires DE et FG, l'action de ces portions de spire se compense sensiblement. Cependant, l'influence de la portion de spire BC n'est pas compensée du fait que l'inductance 1 n'est pas symétrique et qu'elle ne présente pas un nombre entier de spires. La distance entre la piste OR et la portion de spire BC étant assez grande, la force électromotrice induite dans la piste RO reste faible. Néanmoins, le point R est à un certain potentiel par rapport au point O, donc au point M, ce qui est générateur de pertes. De façon similaire, la piste SO est le siège d'une force électromotrice résiduelle due aux dissymétries de l'inductance et le point S est à un potentiel différent de celui des points O et M.
    La piste TO, quant à elle, est sensiblement située sur la bissectrice de l'angle formé par les portions de spire AB et BC d'une part, EF et FG d'autre part. L'on se trouve dans le cas d'une des configurations décrites ci-dessus et, le même courant se dirigeant vers les points B et F et s'en éloignant ensuite, la piste TO est le siège de deux forces électromotrices qui se compensent et leur résultante est nulle. On peut négliger en première approximation l'action des portions de spire CD, DE et GH, qui se compensent en partie et qui sont assez éloignées de TO. La même chose peut être dite pour la piste WO, formant la bissectrice de l'angle formé par les portions de spire BC et CD, respectivement FG et GH.
    Par contre, les pistes VO et UO, toujours du fait des dissymétries de l'inductance, ne passent pas exactement par la bissectrice des angles formés par des portions de spire. La compensation n'est pas parfaite et il apparaít, au point V et au point U, un certain potentiel par rapport au point O et, par suite, par rapport au point M.
    Ainsi, il apparaít que, grâce à la structure selon la présente invention, les résultantes des forces électromotrices induites dans les diverses pistes conductrices reliant les divers éléments conducteurs 20 sont nulles ou avoisinent zéro. En fait, si l'inductance était parfaitement symétrique, la structure décrite ci-dessus permettrait une parfaite compensation des forces électromotrices induites dans les pistes conductrices. Avant de décrire une manière de réduire davantage les forces électromotrices résiduelles présentes dans les pistes, on va décrire l'avantage significatif apporté par le fait que les points de connexion des éléments 20 sont à un potentiel sensiblement égal à celui du point de contact M.
    Ainsi, en revenant à la figure 2, la bande 13 et les deux bandes 12 périphériques sont le siège de forces électromotrices e' et e élevées, du fait qu'elles longent sur une longueur importante des portions de spire à faible distance. Le point 14, à une extrémité de la bande 13 se trouve ainsi au potentiel e'/2 par rapport au point 11 et le point 15, à l'extrémité de la bande périphérique 12, se trouve au potentiel e" = e + e'/2. Sous les points 14 et 15, se trouvent des capacités, respectivement C' et C", situées entre le plan conducteur et substrat, et des résistances, respectivement R' et R", du substrat. Ces capacités C', C" et résistances R', R" sont des capacités et résistances réparties, dont la valeur dépend de nombreux paramètres. Dans les capacités C' et C", circule un courant i' et i" dont la valeur est, du fait que les résistances R' et R" sont faibles en pratique en comparaison de l'impédance des capacités C' et C", respectivement i' = C'.de'/dt et i" = C".de"/dt, de'/dt et de"/dt représentant respectivement les variations des tensions e' et e" en fonction du temps. Les courants i' et i" occasionnent dans le substrat des pertes par effet Joule, égales respectivement à R'.i'2 et R".i"2, d'autant plus élevées que les tensions e' et e" sont élevées.
    Selon l'invention, par contre, les pistes qui relient des éléments du plan conducteur sont disposées de sorte que la résultante des forces électromotrices induites dans ces pistes soit sensiblement nulle. Cela signifie que le point de connexion entre un élément conducteur 20 et la piste conductrice qui le relie est à un potentiel sensiblement nul. Ainsi, bien que des forces électromotrices soient induites dans la plupart des éléments conducteurs (seuls les éléments 24 et 25 en sont totalement exempts dans l'exemple représenté), la différence de potentiel maximale entre le point M et chacun des points d'un élément conducteur 20 reste limitée sensiblement par la valeur de la force électromotrice induite dans ledit élément qui est d'ailleurs faible du fait que les éléments conducteurs sont perpendiculaires aux portions de spire et que leur longueur est faible. Cela limite par conséquent le courant traversant la capacité située sous les éléments 20 et par suite les pertes ohmiques dans le substrat, et ce de manière importante par rapport à l'art antérieur, où la liaison des parties de plan conducteur est souvent faite par la périphérie.
    Néanmoins, comme cela a été mentionné ci-dessus, une force électromotrice résiduelle, due principalement à la dissymétrie de l'inductance, subsiste dans certaines pistes conductrices reliant les différents éléments du plan conducteur, par exemple dans la piste RO, faisant que le potentiel du point R par rapport au point M n'est pas tout à fait nul. Il est possible de réduire cette force électromotrice résiduelle. En effet, il existe des outils de simulation électromagnétiques permettant, à partir des divers paramètres du système, de calculer le coefficient d'inductance mutuelle entre l'inductance 1 dans son ensemble et un trajet de piste particulier. Par exemple, pour la piste RO, une piste R'O, située entre la piste RO et la piste VO subit davantage l'influence de la portion de spire DE et par conséquent est probablement meilleure, en termes de résultante de forces électromotrices induites, que la piste RO. Il est possible d'utiliser l'outil de simulation électromagnétique évoqué ci-dessus pour évaluer la performance d'une ou plusieurs pistes R'O décalées par rapport à la piste RO et de choisir celle pour laquelle la résultante des forces électromotrices qui y sont induites est la plus proche de zéro. Cela conduit à une variante du motif des pistes conductrices et il est possible d'obtenir ainsi de nombreuses possibilités de trajets de piste, qui améliorent le plan conducteur de la figure 3B. Par contre, elles nécessitent un calcul assez complexe, qui n'est pas toujours nécessaire. Ainsi, dans le cas de la figure 3A où l'inductance 1 est presque symétrique, le plan conducteur de la figure 3B procure de manière satisfaisante les avantages décrits sans nécessiter de correction supplémentaire.
    Bien entendu, la structure d'inductance illustrée en figures 3A et 3B n'est qu'un exemple seulement et la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaítront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les éléments conducteurs 20 sont disposés juste sous l'emplacement des spires de l'inductance 1, et débordent très peu. Néanmoins, cette caractéristique n'est pas essentielle et les éléments du plan conducteur pourraient s'étendre davantage sous l'inductance sans sortir du domaine de l'invention.
    Par ailleurs, l'exemple des figures 3A et 3B représente une inductance carrée comportant une spire trois quarts. Il va bien entendu de soi que la présente invention peut être appliquée quel que soit le nombre de spires de l'inductance, et quelle que soit la forme de l'inductance.
    Ainsi, si les spires sont rectangulaires, les éléments du plan conducteur peuvent être des rectangles, comme dans le cas présent, et les pistes conductrices vont suivre, sauf correction due aux dissymétries de l'inductance, les médianes et les diagonales du rectangle.
    Si les spires de l'inductance sont circulaires ou en spirale et présentent un centre O, on peut conserver une forme rectangulaire aux éléments 20 du plan conducteur 10, mais, de préférence, ceux-ci auront soit une forme trapézoïdale, limitée par des rayons de centre O ou soit seront des parties de secteurs circulaires de centre O. Quoi qu'il en soit, ces éléments seront disposés radialement, et leur connexion au centre se fera par des pistes conductrices disposées aussi radialement, une telle structure, parfaitement symétrique, présentant des pertes minimales.

    Claims (6)

    1. Structure d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur (3), comprenant une inductance (1) et un plan conducteur (10) disposé entre l'inductance (1) et le substrat, le plan conducteur (10) comportant plusieurs éléments conducteurs disjoints (20) et plusieurs pistes conductrices, chaque piste conductrice reliant au moins un élément conducteur (20) à un point de contact M du plan conducteur, caractérisée en ce que chacune des pistes conductrices est disposée de sorte que la résultante des forces électromotrices qui y sont induites par ladite inductance soit sensiblement nulle.
    2. Structure d'inductance selon la revendication 1, dans laquelle chacune des pistes conductrices épouse sensiblement un axe de symétrie de l'inductance.
    3. Structure d'inductance selon la revendication 2, dans laquelle l'inductance a sensiblement la forme d'un carré et les pistes conductrices sont disposées suivant les diagonales et les médianes dudit carré.
    4. Structure d'inductance selon la revendication 2, dans laquelle l'inductance a sensiblement la forme d'un cercle et les pistes conductrices sont disposées suivant les rayons dudit cercle.
    5. Structure d'inductance selon la revendication 1, dans laquelle les éléments conducteurs (20) ont une forme allongée et sont disposés perpendiculairement par rapport à une portion de spire sous laquelle ils reposent
    6. Structure d'inductance selon la revendication 1, dans laquelle les éléments conducteurs (20) sont disposés sous les spires de l'inductance uniquement.
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    Families Citing this family (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    JP4776752B2 (ja) * 2000-04-19 2011-09-21 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置
    US7061072B2 (en) * 2002-12-26 2006-06-13 Jbcr Innovations, Llp Integrated circuit inductors using driven shields
    US7340703B2 (en) * 2004-08-02 2008-03-04 Hazem Mahmoud Hegazy Test structures and method for interconnect impedance property extraction
    US9780572B2 (en) * 2014-10-27 2017-10-03 Qualcomm Incorporated Wireless power multi-coil mutual induction cancellation methods and apparatus

    Citations (2)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    EP0780853A1 (fr) * 1995-12-21 1997-06-25 Hewlett-Packard Company Structure d'une inductance
    WO1998050956A1 (fr) * 1997-05-02 1998-11-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Blindages de masse a motifs geometriques pour inducteurs de circuits integres

    Family Cites Families (4)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5717243A (en) * 1996-04-24 1998-02-10 Harris Corporation Integrated circuit with an improved inductor structure and method of fabrication
    EP0862218B1 (fr) * 1997-02-28 2007-02-28 Telefonaktiebolaget LM Ericsson (publ) Inducteur de q-amélioré avec plusieures niveaux de métallisation
    US5936299A (en) * 1997-03-13 1999-08-10 International Business Machines Corporation Substrate contact for integrated spiral inductors
    US6310387B1 (en) * 1999-05-03 2001-10-30 Silicon Wave, Inc. Integrated circuit inductor with high self-resonance frequency

    Patent Citations (2)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    EP0780853A1 (fr) * 1995-12-21 1997-06-25 Hewlett-Packard Company Structure d'une inductance
    WO1998050956A1 (fr) * 1997-05-02 1998-11-12 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Blindages de masse a motifs geometriques pour inducteurs de circuits integres

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