SE510443C2 - Induktorer för integrerade kretsar - Google Patents

Description

510 44: 2 åstadkommas för resistensvärdet för samma induktansvärde, varvid en ökning av Q-värdet i samma storleksordning åstadkoms.

Cirkulär layout är inte särskilt lämpad för CAD, men kan ersättas av en oktagonal layout utan att öka resistensvärdet, se S. Chaki, S. Aono, N. Andoph, Y. Sasaki, N. Tanino, "Loss Reduction of a Spiral Inductor", Technical Report of IEICE, sid 61, ED93-166, MW93-123, lCD93-l8l(l994-01).

Ett bättre sätt att minska resistensen är att lägga de översta metallagren parallellt. Q-värdet kan på detta sätt ökas 1,5-2 gånger på bekostnad av en lägre resonsansfrekvens på grund av den minskade isolationstjockleken. Genom att öka antalet varv hos spiralen ökas induktansvärdet. Kapacitansen till substratet kommer emellertid också att öka, vilket leder till en lägre självresonanssekvens som begränsar det användbara driftsfrekvensområdet.

Således beskriver patentet US 5,446,311 en sådan struktur med en induktor formad i multipla metallnivåer i syfte att minska induktorresistansen.

Vidare visar JP A 07-106 514 en struktur liknande den struktur som beskrivs i US S,446,311, i vilken förlusten på grund av elektrostatisk kapacitans minskas och Q-värdet ökas genom att en induktor bildas, vilken har två metalliska spiraltrådar, bildade i olika metallager och vilka är sammankopplade av ett tredje lager.

Godhetstalet, Q-värdet, är förhållandet mellan den lagrade energin och förlustenergin och kan beräknas för en induktor som Q = 2*H*f*L/R, där f är frekvensen, L är induktansen och R är de resistiva förlusterna hos metalliseringen, varvid inga parasitförluster från substratet tas med i beräkningen.

På grund av ledningsegenskaperna hos kiselsubstratet minskas Q- värdet. Genom att selektivt ta bort kislet under induktorn uppnås högre Q-värde och högre självresonansfrekvenser. Q-värdet kan ökas med en faktor två genom ett sådant borttagande.

Borttagandet kan utföras som en kiselets, varvid luftgap på 510 443 3 flera hundratals mikrometer skapas, se J.Y.C. Chang, A.A. Abidi, M. Gaitan, "Large Suspended Inductor on Silicon and Their Use in a 2 um CMOS RF Amplifier", IEEE Transactions on Electron Devices Vol. 40, nr 5, sid 246, maj 1993, men sådana tekniker anses inte vara möjliga för produktion av stora volymer eller kompatibla med kisel-IC-processflöden.

Djupa diken ("trenches") används i moderna IC-processer för anordningsisolering. Fördelarna är minskade parasitkapacitanser och minskat anordningsavstånd. Ett djupt, 5-20 pm, men smalt, 1- 2 um, dike torretsas och återfylls med oxid och odopat polykisel eller ett dielektriskt material. Tack vare återfyllningen" förblir substratytan plan och metallisering kan läggas ovanför dikena utan några begränsningar. ' _ TEKNIKENs sTÅNnPUNKT I patenten US 5,336,921 och US 5,372,967 beskrivs ett förfarande för att bilda en induktor i ett vertikalt dike. Den beskrivna induktorn syftar till att eliminera några av de problem som finns med konventionella, horisontella induktorer på integrerade kretsar, genom att åstadkomma ett förfarande för att tillverka vertikala induktorer i form av en induktiv spole i ett dike.

Vidare visar patentet US 5,095,357 en induktiv struktur med låga parasitkapacitanser för direkt integration i halvledarintegrerade kretsar.

REDOGÖRELSE Fön UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att åstadkomma en struktur för integrerade kretsar vilken gör det möjligt att åstadkomma induktorer med ett högt Q-värde.

Dessa och andra syften uppnås genom att använda diken under spiralinduktorlayouten, vilka ökar det effektiva avståndet från metallen till halvledarsubstratet. Förlusterna i substratet och kapacitansen till substratet kommer då att minska. Q-värdet och självresonansfrekvensen hos induktorerna kommer följaktligen att 510 443 Då endast två metallager finns tillgängliga kan detta tillägg vara tillräckligt för att åstadkomma godtagbara Q-värden och 4 resonansfrekvenser.

I annat fall då flera metallager finns tillgängliga, typiskt fyra till fem lager, bör spiralen formas i de översta av metallagren, varvid parasitkapacitansen till substratet minskas ytterligare och ger en högre självresonansfrekvens. Det översta lagret har vanligen också den lägsta ytresistiviteten, vilket också kommer att öka Q-värdet. _Den ytterligare marginalen i minskad substratkapacitans kan också användas för att lägga de övre metallagren parallellt, till exempel metallagren tre och fyra för spiralen och metallagret två för undergången för att på så sätt öka Q-värdet med ytterligare en faktor 1,5-2. '" Diken kan också användas under vilken metalledning eller bondkudde ("bond pad") som helst för att minska parasitkapacitansen och minska förlusterna till substratet.

Dessutom behövs inga processändringar eller ytterligare processteg för att åstadkomma detta om en avancerad Si-IC- process används.

I ett förfarande för att tillverka en induktor i en integrerad krets eller en integrerad krets innefattande en induktor tillverkas således induktorn i eller på ett elektriskt halvledande eller halvisolerande substrat och särskilt genom att deponera eller täcka olika lager på ett kiselsubstrat. Induktorn kan allmänt innefatta en struktur av elektriska ledningsbanor som väsentligen sträcker sig i ett plan eller i flera, till exempel väsentligen parallella, plan. Innan ledningsbanorna tillverkas, särskilt innan induktormetallbanorna anbringas på eller deponeras på substratet, etsas diken i substratet, vilka utgår från substratytan vid lämpliga ställen. Placeringen av diken väljs så att induktorbanorna kommer att finnas ovanför och nära dikena eller allmänt så att dikena kommer att genomskära de hypotetiska elektriska strömbanorna inuti substratmaterialet, 510 443 5 när induktorn används och det finns ett elektriskt strömflöde däri och inga diken har gjorts i substratet, varvid denna utformning av diken då dämpar eller hindrar strömmar inuti substratet. Dikena fylls med ett elektriskt isolerande material, särskilt ett dielektrikum eller halvledande material, i syfte att de följande processtegen kommer att finna en väsentligen plan yta när ledningsbanorna utförs.

Dikena kan då företrädesvis vara arrangerade så att de upptar den största möjliga ytan under induktorn, dvs de kan vara tätt anordnade. Vidare är dikena också företrädesvis arrangerade i en struktur med väsentligen parallella diken eller i en nätliknande struktur.

Den integrerade kretsen med en däri integrerad induktor innefattar således mer allmänt uttryckt, tunna plattor av ett material som är en sämre elektrisk ledare än substratet, varvid dessa "plattor" är de ovan beskrivna fyllda dikena. Plattorna är anordnade i substratet i något område vid ledningsbanorna, till exempel under induktorbanorna, men även utformningar med plattor mellan planen hos ledningsbanor och ovanför induktorbanorna är möjliga i komplexa flerlagerstrukturer. Plattorna kan i alla fall vara anordnade väsentligen vinkelrätt mot planet eller planen hos ledningsbanorna eller ha någon annan lämplig geometrisk utformning i syfte att göra de oönskade strömbanorna, när kretsen används, och de önskade strömflödena i ledningsbanorna i substratet från ett ställe vid ledaren till ett annat ställe på denna långa för att ge dessa strömbanor stor resistivitet, varvid denna utformning väsentligen minskar dessa strömmar.

Plattorna kan således anordnas väsentligen parallellt med varandra, åtminstone i delmängder av den totala mängden av alla plattor. Plattorna kan då, såsom sett i en riktning från ledningsbanorna, till exempel vara anordnade i en nätliknande struktur bildad av två deluppsättningar av parallella plattor.

Plattorna kan ha en lämplig tjocklek i syfte att stänga strömbanorna tillräckligt inuti substratet och begränsa strömmen i substratet till att endast ha långa banor inuti substratet. 510 443 »i 6 Tjockleken hos plattorna kan till exempel vara väsentligen lika med tjockleken hos ledningsbanorna för typiska plattmaterial.

Bredden och djupet hos dessa plattor, såsom sett från ledningsbanan, bör också vara tillräcklig för att begränsa strömbanorna inuti substratet. Plattorna är också företrädesvis tätt anordnade eller anordnade med täta mellanrum, så att avståndet mellan intilliggande plattor är litet, varvid detta också begränsar strömbanorna och således strömmarna inuti substratmaterialet från en plats på ledaren till en annan plats på denna, liggande mycket nära. Till exempel kan avståndet vara väsentligen lika med två eller några, till exempel fem gånger tjockleken av plattorna. Detta kan också uttryckas på så sätt att plattorna eller dikena är anordnade att uppta det största möjliga området sett från induktorn, varvid snittsytan hos varje platta emellertid är liten sett ur denna vinkel.

En integrerad krets kan, såsom ovan, allmänt, innefatta en metalledare formad på eller i ett elektriskt ledande eller halvisolerande substrat, särskilt på ett kiselsubstrat, varvid ledaren till exempel är en del av en induktorbana. Plattorna eller dikena kan då också i ett område eller ett område intill den ovan beskrivna ledaren, för att minska förluster i ledaren till substratet. Plattorna kan då såsom ovan, till exempel vara anordnade väsentligen vinkelrätt mot planet för ledaren eller den däri anordnade elektriska strömbanan. Plattorna kan vara fyllda diken anordnade att allmänt korsa den elektriska ledningsbanan i den metalliska ledaren och är företrädesvis anordnad att sträcka sig i en riktning väsentligen vinkelrätt mot nämnda strömbana och/eller mot en längdriktning hos ledaren.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas mer i detalj med hänvisning till de bilagda ritningarna, i vilka: - Figur 1 är ett mycket schematisk, rektangulär spirallayout i enlighet med teknikens ståndpunkt, såsom sedd från ovan för en induktor i en integrerad krets, - Figurerna 2a och 2b är schematiska genomskärningsvyer av induktorn i fig. 1, - Figur 3 är en schematisk genomskärningsvy av en induktor i en '510 443 integrerad krets, - Figur 4 är ett dikesmönster som används på ett substrat.

- Figur 5 visar ett dikesmönster under en ledning av metall.

BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM I figur 1 visas en rektangulär spirallayout som bildar en induktor enligt teknikens ståndpunkt. Induktorn är i detta fall bildad i ett fjärde, översta metallager 101 av en spiralformad, elektriskt ledande bana innefattande ett antal rektangulära varv, varvid antalet varv typiskt är mellan 5 och 10. Ett lägre liggande metallager 103, i detta fall det tredje lagret används för att sluta spiralstrukturen med hjälp av en undergång. i figurerna 2a och 2b, varvid genomskärningarna har gjorts längs linjen a-a respektive b-b. Således visar 2a metallen 201 i det fjärde metallagret som bildar de rektangulära varven. Under metallspiralen 201 finns ett oxidlager 203 anbringat på ett kiselsubstrat 205. Tjockleken hos metallagret är typiskt i området 1-2 pm och tjockleken hos oxidlagret är typiskt 6 um och bredden hos ledningsbanorna kan vara omkring 5 pm, varvid avståndet mellan intilliggande banor är av samma storleksordning som bredden hos banorna. sammankopplingsorgan 209. Dessa sammankopplingsorgan kan vara gjorda i ett separat steg med användning av etsning och metallisering eller, så kan de göras genom att först göra lämpliga hål och sedan fylla dessa hål med det fjärde lagrets material.

Figur 3 visar en genomskärningsvy av en induktor 305 med förbättrad isolering, varvid induktorbanor är bildade i det översta, fjärde metallagret på ett kiselsubstrat 301. Innan strukturen på kiselsubstratet 301 har bildats har emellertid en 510 443 8 dikesets utförts på kiselsubstratet 301, följt av en återfyllning av dikena med ett isolerande material, det vill säga ett material som har lägre elektrisk ledningsförmåga än substratet har. De återfyllda dikena 303 tjänar till att öka det effektiva avståndet från metallagren hos induktorn till det halvledande substratet. Förlusterna i substratet och kapacitansen till substratet kommer då att minska. Q-värdet och självresonansfrekvensen hos induktorerna kommer följaktligen också att öka.

Dikena kan göras väsentligen på samma sätt som i de omnämnda traditionella förfarandena som används i moderna IC-processer för anordningsisolering. Djupa och smala diken kan således tillverkas genom torretsning och återfyllning av de etsade hålrummen med ett isolerande material såsom kiseloxid och odopat polykisel eller ett dielektriskt material. Substratytan kommer då fortfarande att vara väsentligen plan. Dikena kan ha en bredd på omkring 1-2 um och ett djup på omkring 5-20 um. Bredden av substratmaterial mellan intilliggande diken kan vara så liten som är praktiskt möjligt, till exempel 2-4 pm. Dikena är anordnade enligt något lämpligt mönster för att korsa överliggande ledningsbanor.

Figur 4 visare en vy av en del av ett substrat 401 från ovan i vilket ett föredraget dikesmönster 403 har etsats. Etsmönstret används sedan under en induktor för att minska förlusterna till substratet. Mönstret innefattar en första uppsättning av flera raka, identiska diken placerade parallellt och med lika avstånd och också en andra uppsättning av identiska diken placerade parallellt och med lika avstånd, varvid dikena hos den andra uppsättningen är vinkelrätt mot dem i den första uppsättningen.

Dikena bör alltid vara så långa och så placerade att de sträcker sig bortom det yttersta induktorvarvet ini det fria material som omger induktorn. Det använda dikesmönstret kan emellertid ha _ vilken nätlik form som helst och det är allmänt önskvärt att ta bort så mycket av substratet som mojligt. slutligen visar figur 5 hur tekniken kan användas i en annan tillämpning. I detta fall finns diken 501 etsade under en 510 443 9 metalledning 503 i syfte att minska parasitkapacitansen och minska förlusterna till substratet. Dikena kan ha samma dimensioner såsom är skrivet är ovan och de är anordnade att korsa under de elektriskt ledande banorna med väsentligen räta vinklar. De kan vara placerade symmetriskt under ledningsbanan och sträcka sig till varje sida på ledningsbanan så långt som behövs eller är möjligt, till exempel omkring 4-10 pm. Denna dikesutformning eller företrädesvis den nätliknande utformningen i figur 3 kan också användas för att minska förluster hos bondkuddar.

Claims (6)

1. 510 443 10 PATENTKRAV' 1. Förfarande för att tillverka en induktor i en integrerad krets i eller på en elektriskt halvledande eller halvisolerande substrat, särskilt ett kiselsubstrat, varvid induktorn har ett ökat Q-värde och innefattar en struktur av elektriska ledningsbanor som sträcker sig i ett plan eller flera väsentligen parallella plan, kännetecknat av - att diken etsas i substratet under de aktiva lagren och på sådana ställen att induktorledningarna kommer att befinna sig ovanför dikena, innan ledningsbanorna görs, särskilt innan induktorledningarna anbringas på substratet, och - att dikena återfylls med ett elektriskt isolerande material, särskilt ett dielektriskt eller halvledande material.

2. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat av att dikena är anordnade att uppta den största möjliga ytan under induktorn.

3. Förfarande enligt något av kraven 1 eller 2, kännetecknat av att dikena är anordnade i en struktur av väsentligen parallella diken eller en nätliknande struktur.

4. Induktor i en integrerad krets bildad på eller i ett elektriskt halvledande eller halvisolerande substrat, särskilt på ett kiselsubstrat, innefattande en struktur av ledningsbanor som sträcker sig i ett plan eller flera väsentligen parallella plan, kännetecknad av tunna plattor av ett material som är en sämre elektrisk ledare än substratet, vilka är anordnade i substratet under de aktiva lagren i ett omrâde vid ledningsbanorna, varvid plattorna särskilt är diken i substratet, placerade under induktorbanorna och återfyllda med ett elektriskt isolerande material, särskilt dielekriskt eller halvledande material.

5. Induktor enligt krav 4, kännetecknad av att plattorna är anordnade väsentligen vinkelrätt mot planet eller planen hos ledningsbanorna.

6. Induktor enligt något av kraven 4 eller 5, kännetecknad av att plattorna är anordnade väsentligen parallellt mot varandra. 510 443 ll 7. Induktor enligt något av kraven 4-6, kännetecknad av att plattornas tjocklek är väsentligen lika med ledningsbanornas tjocklek. 8. Induktor enligt något av kraven 4-7, kännetecknad av att plattornas är tätt anordnade så att mellanrummet mellan intilliggande plattor är litet, företrädesvis väsentligen lika med två eller några gånger tjockleken hos plattan, särskilt, i fallet med diken i substratet, är dikena anordnade att upptaga den största möjliga ytan under induktorn. 9. Induktor enligt något av kraven 4-8, kännetecknad av att plattorna, såsom sett i en riktning från ledningsbanorna, är anordnade i en nätlik struktur. 10. Förfarande för att minska förlusterna från en metalledare i en integrerad krets till ett substrat, kännetecknat av - att innan metalledaren anbringas på substratet etsas diken under de aktiva lagren i substratet, och - att dikena sedan återfylls med ett elektriskt ledande material, särskilt ett dielektriskt eller halvledande material. 11. Förfarande enligt krav 10, kännetecknat av att dikena är anordnade att allmänt korsa de elektriska strömbanorna i metalledaren, särskilt att sträcka sig i en riktning väsentligen vinkelrätt mot nämnda bana, och/eller en longitudinell riktning hos ledaren. material som är en sämre elektrisk ledare än substratet, vilka är anordnade i substraten under de aktiva lagren i ett område vid ledaren, varvid plattorna särskilt är diken i substratet placerade under ledaren och återfyllda med ett elektriskt isolerande material, särskilt ett dielektriskt eller halvledande material. 13. Krets enligt krav 12, kännetecknad av att plattorna är 510 443, 12 anordnade väsentligen vinkelrätt mot ledarens plan eller den elektriska strömbanan däri, särskilt i fallet med diken är dikena anordnade att allmänt korsas den elektriska strömbanan i metalledaren och företrädesvis sträcka sig i en riktning väsentligen vinkelrätt mot nämnda strömbana och/eller en longitudinell riktning hos ledaren. 14. Krets enligt något av kraven 12 eller 13, kännetecknad av att plattorna är anordnade väsentligen parallellt med varandra. 15. Krets enligt något av kraven 12-14, kännetecknad av att plattorna är tätt anordnade så att avståndet mellan intilliggande plattor är litet, företrädesvis väsentligen lika med två eller några gånger plattornas tjocklek, särskilt i fallet med diken i ett substrat är dikena anordnade att upptaga den största möjliga ytan under ledaren. 16. Krets enligt något av kraven 12-15, kännetecknad av att plattorna, såsom sett i en riktning från ledaren, är anordnade i en nätliknande struktur.