DE69519476T2

DE69519476T2 - Herstellungsverfahren für einen Magnetkreis in einem integrierten Kreis

Info

Publication number: DE69519476T2
Application number: DE69519476T
Authority: DE
Inventors: Piero Capocelli; Federico Pio; Carlo Riva; Raffaele Zambrano
Original assignee: CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno; SGS Thomson Microelectronics SRL; SGS Thomson Microelectronics Inc
Current assignee: STMicroelectronics SRL; CORIMME Consorzio per Ricerca Sulla Microelettronica nel Mezzogiorno; STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 2001-06-28
Anticipated expiration: 2015-12-08
Also published as: US5936298A; EP0778593A1; EP0778593B1; DE69519476D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft magnetische Komponenten, die in einem Halbleitersubstrat, im wesentlichen durch die gleichen Verfahrensschritte wie bei der Herstellung eines integrierten Schaltkreises, gebildet sind.
Die Erfindung betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, elektronische Vorrichtungen, bei denen ein oder mehrere Transistoren und ein oder mehrere passive Komponenten monolithisch integriert sind, und stellt die damit gleichzeitige Bildung einer Magnetkreisstruktur bereit. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich lediglich zur Veranschaulichung auf diese Anwendung der Erfindung.

Stand der Technik

Passive Elemente wie Widerstände und Kondensatoren werden leicht zusammen mit aktiven Komponenten (Dioden und Transistoren) in elektronischen Halbleitervorrichtungen gebildet. Bei bestimmten Anwendungen wäre die Verfügbarkeit von Induktoren äußerst wünschenswert. Schaltkreiskonfigurationen, die bislang aufgrund der Nichtverfügbarkeit solcher Komponenten noch nicht integriert worden sind, wären dann zugelassen.
Leider ist eines der einem magnetischen Kreis eigenen Merkmale der Bedarf an großen Flächen oder Volumen, um akzeptable Induktionswerte zu erzeugen. Die Hauptschwierigkeit liegt in der Bildung einer Struktur, die vom Konzept her dreidimensional ist, in einem integrierten Schaltkreis, der von Natur her zweidimensional ist (alle aktiven Strukturen sind innerhalb einiger Mikrometer von einer der beiden Oberflächen angeordnet).
Diese Erfindung betrifft die Integration von Induktor- und/oder Transformatorstrukturen in integrierten Schaltkreisen mit mehreren Metallisierungsebenen.
Diese Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik hauptsächlich aus folgenden Gründen:
1) das Bereitstellen eines Kerns, der eine wesentlich höhere Induktivität bezogen auf die beanspruchte Flächeneinheit zuläßt;
2) die Unterdrückung des im Substrat induzierten magnetischen Felds durch Bereitstellen geschlossener Geometrien; und
3) die Möglichkeit der Integration von Transformatoren mit mehrfachen Wicklungen auf einem Kern.
Wie wohlbekannt ist, muß man zur Bildung eines Magnetkreises in einer Halbleiterkomponente auf dem Silizium einen oder mehrere Induktoren, die ein magnetisches Feld erzeugen, integrieren.
Eine ausreichend erschöpfende Übersicht an praktikablen Implementierungen ist im US-Patent 5 095 357 enthalten.
Die Fig. 1, 2, 3, 6, 9, 10, 11, 12, 13, 14 dieses Dokuments zeigen unterschiedliche Lösungen zu den weit verbreiteten Problemen, die dadurch aufgeworfen werden, d. h. der Magnetkreis ist dem Konzept nach ein dreidimensionales Element, der aufnehmende integrierte Schaltkreis ist im wesentlichen eine zweidimensionale Struktur.
Ein Merkmal, das von allen in dem vorstehend benannten Dokument dargestellten Lösungen geteilt wird, außer für das in Fig. 13 gezeigte, ist die Erzeugung eines Magnetfelds senkrecht zum Halbleitersubstrat.
Ein offensichtlicher Nachteil dieses Merkmals stellt die Induktion des Magnetfelds im Substrat, das die Eigenschaft der aktiven Komponenten in diesem ändert, dar.
Von den fundamentalen Gesetzen der Physik und des Elektromagnetismus ist es bekannt, daß jeder magnetische Schaltkreis eine magnetische Induktion und ein dazugehöriges elektrisches Feld erzeugt.
Jedem mit durchschnittlichem Können auf dem Gebiet der integrierten Schaltkreise ist es auch bekannt, daß die Funktionsweise einer aktiven Komponente, wie beispielsweise eines integrierten Transistors, auf der Bewegung von Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen durch eine Region des Halbleitermaterials basiert.
Daher wird es jedem Fachmann auf diesem Gebiet klar sein, daß das Vorliegen eines magnetischen Felds mit Kraftlinien senkrecht und/oder parallel zur Siliziumoberfläche eine erhebliche Störung verursachen kann und die Funktion der elektronischen Komponenten in dem integrierten Schaltkreis unvorhersehbar macht, wenn dieses nicht geeignet kontrolliert ist.
Ein Beispiel für dieses Phänomen, obgleich bezogen auf ein senkrecht zum Substrat ausgerichtetes magnetisches Feld, ist in Fig. 2 dargestellt.
Ein weiterer Nachteil der Lösungen, die in der genannten Druckschrift aufgeführt und in den Fig. 1 bis 12 dargestellt sind, ergibt sich aus der Fläche, die zur Bildung der Spulen benötigt wird, und aus der mit der Bereitstellung einer Anzahl von gekoppelten Spulen verbundenen Komplexität, wenn Transformatoren gebildet werden sollen. Ein weiterer Nachteil solcher Lösungen ist die kapazitive Kopplung mit dem Substrat der Leiter, aus denen die Spulen gefertigt sind.
Fig. 13 zeigt eine magnetische Komponente, bei der der Fluß parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats verläuft.
Obwohl diese Lösung ihre Vorgabe erreicht, ist auch sie nicht ganz ohne Mängel. Der Schaltkreis in Fig. 13 erzeugt, obwohl er parallel zur Oberfläche des Halbleitersubstrats ist, auch ein magnetisches Feld, dessen Flußlinien sich in die Umgebung und dadurch an beiden Enden der Wicklung in das Halbleitermaterial ausbreiten.
Zudem erstreckt sich der Teil des magnetischen Kreises, der die Induktorwicklung bildet, über beide Flächen des Substrats hinaus, das heißt, daß jedes Element der Spule der Reihe nach von einer Fläche zu der anderen des Substrats von Verbindungen, welche durch das Substrat ragen, passiert werden.
Wie klar zu erkennen ist, ist dies ein Versuch, den Magnetkreis zurück zu einer dreidimensionalen Konfiguration zu führen, während die Welt der integrierten Schaltkreise im wesentlichen zweidimensional ist.
Fachleute werden erkennen, daß diese Technik bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen sehr unüblich ist, und ihre Übernahme grundlegende Modifikationen bei den Standardherstellungsverfahren mit sich bringen würde, einschließlich der Anwendung von Lithographieprozessen an beiden Oberflächen des Halbleitersubstrats.
Weiterhin bleibt das Problem des im Substrat induzierten magnetischen Feldes ungelöst, obwohl dieses Problem irgendwie durch die zur Substratoberfläche parallelen Feldlinien vermindert wird, wobei ein Teil des Flusses in die Luft und ein anderer Teil in das Substrat geleitet wird.
Andererseits sind in den Figuren leicht die Komplikationen zu sehen, die mit der Herstellung von Strukturen mit mehrfachen gekoppelten Wicklungen verbunden sind (Fig. 13a bis e).
Noch ein anderer Nachteil bei dem vorstehend benannten Stand der Technik ist, daß all die vorgestellten Lösungen einen offenen magnetischen Fluß haben: Fig. 12 bis 15 zeigen Lösungen, die äußerst komplex und weniger als völlig erfolgreich in ihrem Versuch sind, Transformatoren entgegen einer solchen Einschränkung herzustellen.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung magnetischer Komponenten für integrierte Schaltkreise ist in dem US-Patent 5 070 317 beschrieben.
In diesem Dokument ist ein Verfahren beschrieben, mit dem zunächst Halbleiterkomponenten auf einem Substrat und dann oben auf der Halbleitervorrichtung eine magnetische Schutzschicht ausgebildet werden. Magnetische Komponenten werden auf dieser Schutzschicht hergestellt.
Diese Erfindung betrifft Strukturen einer magnetischen Vorrichtung, die auf einem Halbleitersubstrat integriert werden kann, entsprechend dem Herstellungsverfahren für einen integrierten Standardschaltkreis. Diese Strukturen stellen gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Funktionsweise dar (mit einem reduzierten Platzbedarf), vermeiden Verluste beim magnetischen Fluß (d. h. sie stellen eine bessere Nutzung des erzeugten magnetischen Flusses sicher), und reduzieren die kapazitive Kopplung mit dem Substrat, während sie die Integration von Transformatoren auf einem Halbleitersubstrat gleichzeitig mit einem integrierten Schaltkreis zulassen. Diese Transformatoren belegen eine begrenzte Fläche und weisen hohe magnetische Kopplungsfähigkeiten auf, wodurch sie die vorstehend erwähnten Einschränkungen und/oder Nachteile des Standes der Technik umgehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Das technische Problem wird durch eine Halbleitervorrichtung mit einer oder mehreren aktiven Komponenten und einer oder mehreren passiven Komponenten gelöst, die in ein Halbleitersubstrat integriert sind, das eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung mindestens eine magnetische Komponente mit einem Closed-Loop- Magnetkern umfaßt. Diese ist dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkomponente in das gleiche Halbleitersubstrat integriert ist und folgendes umfaßt:
- mindestens einen ersten elektrischen Leiter, der auf der ersten Oberfläche liegt,
- mindestens eine erste Schicht eines Isoliermaterials, die den ersten Leiter zumindest teilweise bedeckt,
- mindestens eine Schicht eines magnetischen Materials über der ersten Isoliermaterialschicht,
- mindestens eine zweite Schicht eines Isoliermaterials, die das magnetische Material zumindest teilweise bedeckt,
- mindestens einen zweiten Leiter, der auf der zweiten Isoliermaterialschicht liegt, und
- mindestens erste und zweite vertikale leitende Verbindungen, die zum Verbinden mindestens des ersten elektrischen Leiters mit mindestens dem zweiten elektrischen Leiter angeordnet sind, um eine erste Spiralstruktur um das magnetische Material zu bilden, die mindestens den ersten Leiter, mindestens den zweiten Leiter und mindestens eine der ersten und zweiten vertikalen leitenden Verbindungen um das magnetische Material umfaßt.
Die vorstehend erwähnte Struktur bildet die Elementarspulenwindung einer Magnetkreisstruktur mit einem Closed-Loop- Magnetkern, um den eine oder mehrere Spulenwindungen gewickelt sind.
Es ist ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einfacher magnetischer Komponenten in einem integrierten Schaltkreis gemäß den Merkmalen des Anspruchs 5 bereitzustellen. Es ist noch ein weiteres Anliegen der vorliegenden Erfindung einen Transformator in einem integrierten Schaltkreis gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 bereitzustellen.
Erfindungsgemäß könnten ringförmige Induktoren zur Verfügung gestellt werden, die keine magnetischen Feldverluste aufweisen.
Auf diese Weise können magnetische Komponenten bereitgestellt werden, die ein starkes magnetisches Feld, einen geschlossenen Kern, einen geringen Platzbedarf auf dem Halbleitermaterial aufweisen und vollkommen mit Standardherstellungsprozessen für integrierte Schaltkreise vereinbar sind.
Insbesondere können erfindungsgemäß die gebildeten Elementarspiralstrukturen miteinander verbunden werden, um Wicklungen mit einem gewünschten Induktionswert zu erhalten. Der Magnetkern jeder Elementarmagnetstruktur kann vorzugsweise mit dem der nächsten Struktur verbunden werden und von da ausweitet werden, um einen geschlossenen magnetischen Kern zu bilden, um so Verluste des erzeugten magnetischen Feldes zu vermeiden und diese somit davon abzuhalten, die Eigenschaften der elektronischen Komponenten, die auf dem Halbleitermaterial integriert sind, zu beeinflussen.
Vor allem können die Hauptschritte zur Bildung der magnetischen Komponente, wie Ablagerung bzw. Sedimentierung, Oxidanwachsen, Lithographie und Ätzen, die bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen weit verbreitet sind, ohne Schwierigkeiten beim Herstellungsverfahren der magnetischen Materialien durchgeführt werden - dieses Verfahren kann möglicherweise einen Ablagerungs- oder Galvanisierungsprozeß umfassen, entsprechend dem Material der Wahl - da dies nach der Ablagerung und der Festlegung der ersten metallischen Verbindungsschicht stattfinden würde, und dies bei Prozessen für mehr als zwei Verbindungsebenen nur die letzte Verbindungsebene beeinflußt.
Fachleuten ist wohlbekannt, wie die Nutzungsrate durch die Verunreinigung verringert werden kann, die durch solche "schlechten" Verfahrensschritte eingebracht werden können, wie dies galvanische Ablagerungen in der Herstellungsumgebung von Halbleitervorrichtungen mit submikroskopischen Geometrien sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Induktors gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2a und 2b zeigen eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Induktors gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 3a, 3b und 3c zeigen perspektivische Ansichten, Drauf- bzw. Schnittansichten eines Induktors nach dem Stand der Technik, der zwei elektrisch miteinander verbundene Spulen verwendet.
Fig. 4 und 5 zeigen in Draufsicht zwei verschiedene Ausführungen von Vorrichtungen, die einen Induktor gemäß dem Stand der Technik beinhalten.
Fig. 6a und 6b zeigen eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht eines Spuleninduktors gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 7, 8a und 8b zeigen Draufsichten und Schnittansichten von Spulenwindungsausführungen gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 9 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß dem Stand der Technik mit zwei Spuleninduktoren, die auf unterschiedliche Oberflächen gelegt sind, die durch einen isolierenden Film getrennt sind.
Fig. 10a, 10b und lQc zeigen eine Schnittansicht bzw. zwei Draufsichten eines Transformators gemäß dem Stand der Technik mit einer magnetischen Platte zwischen dessen Spulenwindungen.
Fig. 11a, 11b und 11c zeigen eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines Transformators gemäß dem Stand der Technik mit zwei Wicklungen und einem Eisenkern, der auf die Oberfläche eines Galliumarsenid-Substrats gelegt ist.
Fig. 12a, 12b und 12c zeigen eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines bekannten Transformators mit mehrfachen Wicklungen und einem Ferritkern, der auf die Oberfläche eines Galliumarsenid-Substrats gelegt ist.
Fig. 13a bis 13b zeigen eine perspektivische Ansicht, zwei Seitenansichten, eine Teilansicht, eine Explosionsdarstellung bzw. eine weitere Teilansicht eines Transformators gemäß dem Stand der Technik mit einer Spiralspule, die von einer anderen Spiralspule umgeben ist. Beide Spulen sind aus einem Leiter gebildet, der auf beide Oberflächen eines Halbleitersubstrats gelegt und durch elektrische durchgehende Leitungsverbindungen verbunden ist.
Fig. 14 und 14b zeigen zwei Seitenansichten einer Modifikation des in Fig. 13a gezeigten Transformators gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 15 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Induktors.
Fig. 16 zeigt eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Transformators.
Fig. 17 zeigt eine Draufsicht einer möglichen modifizierten Ausführung von einigen Spulenwindungen eines erfindungsgemäßen Induktors.
Fig. 18 zeigt eine Draufsicht einiger Spulenwindungen des Induktors aus Fig. 15.
Fig. 19 zeigt eine Draufsicht einiger Spulenwindungen von zwei Induktoren, die koaxial miteinander gekoppelt sind.
Fig. 20 zeigt einen integrierten Schaltkreis, der einen erfindungsgemäßen magnetischen Kreis enthält.
Fig. 20a und 20b zeigen perspektivische Ansichten bzw. Schnittansichten eines Teils der erfindungsgemäßen Spulenausführung.
Fig. 21 zeigt eine Schnittansicht, die schematisch eine erfindungsgemäß hergestellte Spulenwindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den Zeichnungen ist schematisch mit 100 eine Vorrichtung dargestellt, die diese Erfindung verkörpert, um eine magnetische Komponente zu bilden, die monolithisch in ein Halbleitersubstrat mit anderen aktiven und passiven Komponenten integriert ist.
Die Ausführungsformen der Erfindung werden hier nun gegenüber dem Stand der Technik diskutiert, um die Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik hervorzuheben.
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines konventionellen Induktors auf einem Halbleitersubstrat 1, das z. B. aus Galliumarsenid sein kann. In diesem Induktor ist ein gewickelter Leiter bzw. Spulenleiter 2 auf einer ersten Oberfläche des Substrats 1 vorgesehen. Die Bezeichnung "Spule" bedeutet hier eine Wicklung, deren Durchmesser von einem zentralen Punkt aus mit der Leiterlänge zunimmt. Die Spule kann entweder eine runde Form haben, die in eine flache Spirale mit nach und nach anwachsenden Durchmessern gelegt ist, oder eine eckige Spule, wie die in Fig. 1 dargestellte. Die Spule ist aus Metall entweder durch Verdampfung oder Ablagerung bzw. Sedimentierung gefertigt und enthält einen äußeren Anschlußpunkt 3, der außerhalb der Spule angeordnet ist, und einen inneren Anschlußpunkt 4 innerhalb der Spule. In der Fig. 1 ist der äußere Anschlußpunkt 3 verbunden mit einem Anschlußpunkt 5 gezeigt, um eine zweckmäßige Verbindung mit anderen Schaltkreiskomponenten durch Drähte oder andere Verbindungstechniken zu ermöglichen. Der innere Anschlußpunkt 4 ist durch eine Verbindung 6 zu einem Anschlußpunkt 7 geführt, um externe Verbindungen zu ermöglichen. Die Verbindung 6 ist dazu da, um durch die Wicklungen des Leiters 2 zu verlaufen und muß folglich elektrisch von diesen isoliert sein. Eine Leiterplatte 8 ist an der entgegengesetzten Fläche des Substrats 1 von dem Leiter 2 vorgesehen.
Die Fig. 2(a) und 2(b) zeigen eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines bekannten Induktors, der dem Induktor aus Fig. 1 ähnlich ist. Eine Luftbrücke 9, die einen leeren Raum 10 umgibt, ist in der Verbindung 6 enthalten, um diesen elektrisch von den Wicklungen des Leiters 2 zu isolieren. Die Luftbrücke wird mit einer konventionellen Technik unter Nutzung einer temporären Stütze, die zur Abschirmung der Wicklungen 2 angeordnet ist, gebildet, während das Metall für die Luftbrücke 9 abgelagert wird. Wenn das Metall abgelagert worden ist, wird die temporäre Stütze entfernt, bspw. durch ein Lösungsmittel, um eine freitragende Luftbrücke zu hinterlassen. Bei Nutzung konventioneller Techniken kann der Abstand zwischen dem Metall der Luftbrücke und dem Leiter 2 höchstens einige Mikrometer betragen. Bei einem so kleinen Abstand, selbst wenn die Dielektrizitätskonstante von Luft zwischen der Verbindung 6 und den Bindungen 2 relativ klein ist, besteht bei der Luftbrücke 9 zwischen den Windungen 2 und der Verbindung 6 eine signifikante parasitäre Kapazität.
In den Fig. 3 (a), 3 (b) und 3 (c) ist eine weitere induktive Struktur in perspektivischer Ansicht, Draufsicht bzw. Schnittansicht gezeigt. Das in der Struktur verwendete Substrat 1, das aus einem Halbleitermaterial gefertigt sein kann, wurde in Fig. 3(a) der Übersichtlichkeit wegen weggelassen. Die induktive Struktur aus den Fig. 3(a) bis (c) umfaßt zwei gewickelte Leiter 2 und 12, die an gegenüberliegenden Flächen angeordnet sind. Der innere Anschlußpunkt 4 der Spule 2 ist elektrisch mit einem äußeren Anschlußpunkt 13 der Spule 12 mittels eines Leiters 15 verbunden. Die induktive Struktur hat einen ersten Anschlußpunkt 5, der elektrisch mit dem äußeren Anschlußpunkt 3 der Spulen 2 verbunden ist, und einen zweiten Anschlußpunkt 7, der mit dem inneren Anschluß 14 der Spule 12 verbunden ist.
Ein Aufbau der induktiven Struktur, die schematisch in Fig. 3(a) dargestellt ist, ist im Schnitt im Fig. 3(c) gezeigt. Die Struktur ist durch Ablagerung von Metallgeometrien zusammen mit Isolierungsschichten 20, 30, 40 und 50, die hintereinander auf das Substrat gelegt sind, hergestellt. Nach Ablagerung der Isolierschicht 20 wird zunächst ein Fenster eingeschnitten, um den Kontakt mit einer hochleitfähigen Region 1a im Substrat 1 zu schaffen. Danach wird die Spule 2 durch Ablagerung eines Metalls und Festlegung seiner Geometrie ausgebildet. Dann wird die Isolierschicht 30 abgelagert und ein Fenster eingeschnitten, um eine Verbindung zu dem inneren Anschlußpunkt 4 der Spule 2 zu bilden. Nach einer weiteren Metallablagerung und seiner Bemusterung, um eine Zwischenverbindung mit dem Leiter 15 zu bilden, wird die Isolierschicht 40 abgelagert und ein Fenster eingeschnitten. Nach einer weiteren Metallablagerung und der Bildung einer Spule 12, wird, während eine elektrische Verbindung in dem Fenster zum äußeren Anschlußpunkt 13 der Spule 12 hergestellt wird, eine abschließende Isolierschicht 50 abgelagert.
Die Induktivität der in den Fig. 3(a) bis (c) gezeigten Struktur ist die Induktivität der einzelnen Spulen plus einer gegenseitigen Induktivität zwischen den beiden Spulen. Da die gegenseitige Induktivität zwischen den beiden Spulen größer ist als die durch die beiden nebeneinander liegenden Spulen erzielte Induktivität, ist die Gesamtinduktivität größer als die Induktivität von zwei nebeneinander liegenden Spulen, wobei weniger Volumen belegt ist. Der Herstellungsprozeß für die Struktur aus den Fig. 3(a) bis (c) ist aber äußerst kompliziert. Wie es bei der herkömmlichen Vorrichtung, die unter Bezugnahme auf die Fig. 2(a) und 2(b) beschrieben wurde, der Fall ist, ist der Abstand der beiden Spulen durch die Dicke der Isolierschichten 20, 30, 40 und 50 begrenzt. Folglich wird in der Struktur der Fig. 3(a) bis (c) eine bedeutend erhöhte parasitäre Kapazität erzeugt werden, die den nutzbaren Frequenzbereich einschränkt.
Eine bekannte Methode zur Reduzierung der parasitären Kapazität einer Induktivitätsstruktur mit flacher Spule ist in den Fig. 6(a) und 6(b) dargestellt. In dieser Draufsicht und dieser Schnittansicht ist eine leitende Spule über der Oberfläche eines Substrats 1 durch eine Reihe von leitenden Stiften 25 aufgehängt. Die Metallstifte 25 sind voneinander durch Abstände 26 getrennt. Die Dielektrizitätskonstante von Luft ist annähernd eins und kleiner als diejenige des darunterliegenden Substrats, das bspw. zwölf sein kann, wenn das Substrat aus Galliumarsenid ist. Die Stützstruktur der Fig. 6(a) und 6(b) verringert die Kapazität zwischen angrenzenden Wicklungen der Spule 2 und verringert so wirkungsvoll die Dielektrizitätskonstante zwischen Wicklungen von zwölf runter auf eins. Die Stifte 25 tragen jedoch zur parasitären Kapazität bei.
Eine Transformatorstruktur nach dem Stand der Technik ist in der Explosionsdarstellung der Fig. 9 gezeigt. Diese Transformatorstruktur umfaßt ein isolierendes Substrat 1 auf das Isolierschichten 20, 30 und 40 nacheinander gelegt sind. Die leitenden Spulen 2 und 12 sind auf die Schicht 20 bzw. die Schicht 40 gelegt. Jede Schicht enthält eine Durchlaßöffnung durch die entsprechenden Isolierschichten, durch die die Leiter 26 und 27 jeweils zu einer darunterliegenden Schicht ragen, die Schicht 30 für die Spule 2 und das Substrat 1 für die Spule 12. Diese durch die Isolierschichten reichenden Leiter stellen eine elektrische Verbindung zu jeweiligen Kontakten 6 von den inneren Anschlußpunkten 4 und 14 der Spulen 2 und 12 her. Die zwei Spulen 2 und 12 sind gleich ausgedehnt, d. h. in dieselbe Richtung gewickelt und eine oben auf die andere gelegt, um deren gegenseitige induktive Kopplung zu maximieren. Die gegenseitige Induktivität der beiden Spulen ist durch ihre relativen Geometrien und die Dicke der Isolierschicht bestimmt. Die gegenseitige Induktivität der beiden Spulen ist jedoch begrenzt, weil die Permeabilität des benachbarten Materials verhältnismäßig klein ist.
Die Fig. 10(a) bis (c) zeigen in einer Schnittansicht und einer Draufsicht eine andere für integrierte Halbleiterschaltkreise ausgelegte Transformatorstruktur gemäß dem Stand der Technik. Dieser Transformator verwendet eine Schicht eines Materials mit relativ hoher Permeabilität, um die induktive Kopplung zweier Wicklungen zu verbessern. In dieser herkömmlichen Struktur ist eine leitende Spule auf einem isolierenden Substrat 1 vorgesehen. Eine zweite Wicklung 28 umfaßt eine Einfachschleife, welche von der Spule 2 durch eine Isolierschicht 30 getrennt ist. Eine ferromagnetische Schicht 31 ist in der Isolierschicht 29 zwischen der Spule 2 und der Wicklung 28 eingekapselt. Die ferromagnetische Schicht 31, die zwischen der Spule 2 und der Wicklung 28 angeordnet ist, eher als in ihren zentralen Öffnungen, wäre nicht signifikant wirkungsvoll, um die induktive Kopplung dieser beiden Leiter zu verbessern. Daher ist eine große gegenseitige Induktivität und ein hoher Transformatorwirkungsgrad mit solchen bekannten Strukturen schwierig zu erreichen.
Die Fig. 11(a), 11(b) und 11(c) zeigen eine Draufsicht, eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht eines anderen Transformators in einem herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltkreis. In dieser Struktur ist eine Einfachwicklung 28 aus einem dünnen Metallfilm auf der Oberfläche eines Halbleitersubstrats, bspw. aus Galliumarsenid, vorgesehen. Die Wicklung 28 hat ein Paar Verbindungen 32. Ein isolierender Film 33, bspw. aus Siliciumnitrid (SIN) oder Siliciumsauerstoffnitrid (SiON), ist auf der Wicklung 28 gebildet. Eine weitere Einfachwicklung 34 ist auf dem Isolator 33 direkt oberhalb und der Wicklung 28 gegenüberliegend vorgesehen. Die Wicklungen 28, 34 und der isolierende Film 33 haben gemeinsame zentrale Öffnungen, die im allgemeinen aufeinander ausgerichtet sind, so daß sie einen einzigen Kern bilden. Ein ferromagnetischer Körper 36, bspw. aus Ferrit, ist innerhalb dieser gemeinsamen zentralen Öffnungen vorgesehen, um die gegenseitige Induktivität der Wicklungen 28 und 34 zu verbessern. Die magnetische Permeabilität des Körpers 36 ist bedeutend höher als die des Substrats 1. Weiterhin kann durch den magnetischen Körper innerhalb des gemeinsamen Kerns der beiden Wicklungen 28, 4 eine gute magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen erreicht werden. Daher bietet diese Ausführungsform eine verhältnismäßig hohe gegenseitige Induktivität, d. h. einen äußerst wirksamen Transformator. Wie aus dem Stand der Technik wohlbekannt ist, kann die Permeabilität von Ferrit- Materialien in einem Bereich oberhalb von 250 liegen, und sichert so eine sehr starke Kopplung zwischen den beiden Wicklungen 28, 34. Wie in den Fig. 11(a) und 11(b) gezeigt, sind die Verbindungen 33 und 35 der jeweiligen Wicklungen bevorzugt in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet, um eine unerwünschte kapazitive Kopplung zwischen den beiden zu vermeiden.
Die Strukturen der Fig. 11(a) bis (c) können zum Teil durch Nutzung herkömmlicher Halbleitervorrichtungstechniken gefertigt werden, so wie durch Bemustern von Metall- und Isolierschichtengeometrien durch Fotolithographie, und können Teile integrierter Schaltkreise auf einem Substrat bilden, das miteinander verbundene aktive und passive Schaltkreiselemente enthält. Der ferromagnetische Körper 36 wird gesondert gebildet und dann in die gemeinsamen zentralen Öffnungen der Wicklungen und des isolierenden Films 33 eingepaßt. Alternativ hierzu kann das ferromagnetische Material in die gemeinsamen Öffnungen der Wicklungen und der isolierenden Schicht durch Nutzung von Sedimentierungstechniken abgelagert werden, gefolgt von weiteren Schritten, die geeignet sind, die gewünschten ferromagnetischen Eigenschaften bereitzustellen. Vorzugsweise ist das ferromagnetische Material nach der Sedimentierung und Bemusterung der Geometrien der Wicklungen 28, 34 und deren isolieren Film 33 abgelagert.
Die Fig. 12(a), 12(b) und 12 (c) zeigen eine Draufsicht, eine Schnittsicht, bzw. eine perspektivische Ansicht einer Erweiterung der in den Fig. 11(a) bis (c) gezeigten Struktur. Die Struktur der Fig. 12(a) bis (c) ist identisch mit derjenigen der Fig. 11(a) bis (c), außer daß ein zweiter isolierender Film 37 auf der Wicklung 34 und eine dritte Wicklung 38 auf dem isolierenden Film 37 vorgesehen sind. Diese dritte Wicklung 38 enthält die Verbindung 39. Die Verbindungen der drei Wicklungen sind in unterschiedliche Richtungen geführt. Die Tiefe des magnetischen Körpers 36 ist vergrößert, um den gemeinsamen Kern der drei Wicklungen und der beiden dazwischenliegenden isolierenden Schichten auszufüllen. Dieser Stapel kann mit zusätzlichen Wicklungen und isolierenden Schichten versehen sein. Diese Ausführungsform wird auf die gleiche Weise wie die Ausführungsform der Fig. 11(a) bis (c) hergestellt, außer daß zusätzliche Prozeßschritte notwendig sind, um die zweite isolierende Schicht 37 und den die Wicklung 38 bildenden Leiter aufzubringen. Die gleiche gute gegenseitige Kopplung wird erreicht, nur daß sie eher zwischen drei als zwischen zwei Leitern stattfindet.
Die Technologie der monolithischen integrierten Schaltkreise macht die Herstellung von Transformatoren mit Einfachwicklung leicht, aber diese Komponenten haben von Natur aus zwischen Ihren Wicklungen niedrige gegenseitige Induktivitäten. In der in den Fig. 11 und 12 in Fortsetzung gezeigten Ausführungen nach dem Stand der Technik werden die gegenseitige Induktivität und der Transformatorwirkungsgrad der Einfachwicklungen bedeutend gegenüber den Strukturen der vorherigen konventionellen Ausführungen der Fig. 10(a) verbessert, da das ferromagnetische Material dichter an den Transformatorwicklungen ist.
Selbst diese Lösung ist aber nicht ohne Mängel. In der Tat ist es augenscheinlich, daß die beschriebene Struktur, die eine Verbesserung gegenüber den vorangegangenen ist, Prozeßschritte bedarf, die üblicherweise nicht in einem Standardprozeß zur Herstellung integrierte Schaltkreise verwendet werden. Von diesen ist die Heterogenität der Übereinanderlegung von mehreren isolierenden Schichten und Metallschichten im Vergleich zu dem Herstellungsprozeß integrierter Schaltkreise offensichtlich; ein Magnetkern wird dann am Filmzentrum als ein getrennt vorbereiteter Festkörper eingesetzt, durch eine Reihe von Schritten, die den Prozeß definitiv nicht-planar machen. Auch ist augenscheinlich, daß mit einem magnetischen Fluß senkrecht zum Substrat die resultierende Struktur die Anforderung bezüglich des Nichtstörens angrenzender integrierter Komponenten nicht erfüllen würde, da offensichtlich ist, daß ein wesentlicher Teil des durch den Magnetkreis erzeugten Flusses, egal ob dies bei einem Induktor oder einem Transformator geschieht, in das Substrat eingeführt wird.
Dieses Phänomen wird durch den beschriebenen Magnetkreis verschlimmert, da er ein Entwurf mit offenem Kern ist und daher einem Abfluß des erzeugten magnetischen Feldes in die Umgebung, sei es in das Halbleitersubstrat oder in die Luft, ausgesetzt ist.
Eine andere Transformatorausführung gemäß dem Stand der Technik ist in den Fig. 13(a) bis (e) gezeigt. Diese Transformatorausführung umfaßt zunächst eine im allgemeinen spiralförmige Spule 47, die von einer zweiten Spule 48, die ebenfalls im allgemeinen spiralförmig ist, umgeben ist. Die Bezeichnung "spiralförmig" bedeutet hier eine dreidimensionale Wicklung, die annähernd einem um eine Spule gewickelten Draht ähnelt; die Bezeichnung umfaßt jedoch auch eine Wicklung, die Ecken im Draht hat.
Fig. 13a ist eine perspektivische Ansicht der vorstehend genannten Ausführung, und Fig. 13(b) und 13(c) sind Seitenansichten der Ausführung in Fig. 13(a). Diese Ansichten enthalten eine große Zahl von imaginären Linien und übereinanderliegenden Elementen, die unter Bezugnahme auf die Fig. 13(d) und 13(e) leichter verstanden werden können. Betrachtet man zunächst Fig. 13(e), ist ein isolierendes Substrat 1 zu erkennen, das eine Reihe von Löchern 51 umfaßt, die das Substrat von einer Oberfläche 43 zu einer Oberfläche 44 durchdringen und mit einem leitenden Material. wie bspw. einem Metall, gefüllt sind. Das Substrat 1 kann ein Halbleiter sein, bspw. Galliumarsenid oder Indiumphosphid. Lochpaare sind elektrisch mit der Oberfläche 43 des Substrats 1 durch elektrische Leiter 43 verbunden. Ebenso ist in der in Fig. 13 (e) gezeigten Ausführung ein elektrischer Leiter 52 auf der Oberfläche 44 des Substrats vorgesehen, der zwei der Löcher auf der Oberfläche 44 elektrisch verbindet. Zwei der Löcher 51 sind über deren jeweilige Verbindungen 54 verbunden, die auf der Oberfläche 44 vorgesehen sind. Auf diese Weise wird, wie Fig. 13(e) deutlich macht, zunächst eine induktive Spiralstruktur vorbereitet, die einer gewickelten Spule sehr ähnlich ist.
Die Spiralstruktur 48, die die Spiralstruktur 47 umgibt, kann unter Bezugnahme auf Fig. 13(d) deutlicher verstanden werden. Fig. 13(d) zeigt eine Explosionsdarstellung, in der die Struktur 47 der Übersichtlichkeit wegen weggelassen ist. Nach Bildung der Spiralstruktur 47 werden die isolierenden Schichten 41 und 42 auf die Oberflächen 43 und 44 des Substrats 1 gelegt. Die isolierenden Schichten 41 und 42 bedecken die Leiter 53 bzw. 52. Danach werden die elektrisch leitenden Löcher 56 gebildet, die die isolierenden Schichten 41, 42 und das Substrat 1 durchdringen. Auf der Oberfläche 45 der isolierenden Schicht 41 angeordnete Lochpaare sind elektrisch durch die Leiter 58 miteinander verbunden. Ein Leiter verbindet zwei der Löcher 56 auf der Oberfläche 46 der isolierenden Schicht 42. Die elektrischen Verbindungen 58, die auf der Oberfläche 46 entsprechend angeordnet sind, kontaktieren jeweils eines der Löcher 56, um die externen Kontakte der Struktur bereitzustellen. Bei der Vervollständigung dieser Spiralen wird die Struktur aus Fig. 13(a) erhalten.
Die bisher beschriebenen Prozeßschritte, so wie die Bildung von Löchern und deren Füllung mit Metall, erscheinen bei der Herstellung integrierter Schaltkreise möglicherweise gewöhnlich, aber tatsächlich sind sie unüblich.
Es ist in der Tat unüblich, durchgehende Löcher in dem Halbleitersubstrat bereitzustellen und dessen beiden Oberflächen mit darin eingesetztem Metall zu verbinden, obwohl diese Technik möglicherweise manche Ähnlichkeit mit der Bildung von Löchern in sich birgt.
Auch ist die Nutzung der beiden Flächen des Halbleitermaterials bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen nicht üblich.
Die Lithographietechnik, die an beiden Oberflächen des Substrats angewandt wird, ist keine aktuelle Praxis beim Herstellungsprozeß von integrierten Schaltkreisen hoher Komplexität, hauptsächlich aufgrund der Schwierigkeit der Sicherstellung der Ausrichtung für Submikrongeometrien, die an gegenüberliegenden Seiten des Substrats angeordnet sind.
Es ist, wenn man nun zur Beschreibung der Ausführung nach dem Stand der Technik zurückkommt, zu sehen, daß die Spirale 48 um die Spirale 47 gelegt ist, was die induktive Kopplung zwischen den Spiralen maximiert. Wie im Fall der Ausführung der Fig. 6, wird auch die Entfernung der isolierenden Filme vorgeschlagen, um an deren Plätzen Strukturen zu hinterlassen, die Luftbrücken ähneln. Hierbei sind wir mit Prozeßschritten konfrontiert, die der Herstellung von integrierten Schaltkreisen widersprechen.
Die Struktur aus Fig. 13(a) stellt eine gute gegenseitige Kopplung zwischen den Spiralstrukturen bereit, weil diese so nah beieinander sein können. Die Kopplung aber kann durch die Aufnahme eines Materials mit einer relativ hohen magnetischen Permeabilität zwischen den beiden Spiralen gesteigert werden. Ein Beispiel eines solchen Transformators ist in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigt. Diese sind Seitenansichten, ähnlich denen aus den Fig. 13(b) und 13(c). Neben den in den Fig. 13(b) und 13(c) gezeigten Elementen ist in der in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigten Ausführungsform ein magnetisches Material 36, wie bspw. Ferrit, im Substrat 1 innerhalb der Spirale 47 vorgesehen. Das magnetische Material ist ein Festkörper, der vor der Ablagerung der Leiter 52 und 53 in einem Hohlraum angeordnet und im Substrat ausgebildet ist.
Selbst das Bereitstellen von Materialien, wie bspw. Ferrit, in vorbereiteten Hohlräumen im Substrat, wie vorstehend erwähnt, ist ein Arbeitsgang, der normalerweise beim gewöhnlichen Herstellungsprozess eines integrierten Schaltkreises ausgeschlossen ist.
Alle die bislang beschriebenen Anordnungen mit besonderer Bezugnahme zu den Fig. 13 und 14 und in Beziehung zum Stand der Technik, sind ausnahmslos durch die Bereitstellung des offenen Kerns gekennzeichnet.
Als ein Ergebnis war die einzige Möglichkeit zur Sicherstellung einer Kopplung zwischen einer Anzahl von Wicklungen die Bereitstellung koaxialer Wicklungen, die ineinander enthalten sind.
Dies bringt, zusätzlich zu der Nutzung von vier metallischen Verbindungsschichten, wie vorstehend erwähnt, Bearbeitungsschritte auf beiden Oberflächen des Halbleitersubstrats mit sich.
Die erfinderische Idee besteht in der Bereitstellung einer magnetischen Vorrichtung mit geschlossenem Kern. Die Kopplung zwischen zwei Wicklungen ergibt sich, im Falle eines Transformators, durch das Material, das den Kern bildet. Und da der Kern geschlossen ist, werden keine Verluste, weder in dem Substrat noch in der Luft, vorkommen, wie dies aus der Theorie magnetischer Kreise wohlbekannt ist.
Dies erlaubt im Falle von Transformatoren mehr als eine Wicklung, die lediglich durch Legen von Spulenwindungen nebeneinander und deren geeigneter Verbindung wie in Fig. 16 gezeigt gebildet wird, ohne Erhöhung der Anzahl von miteinander verbundenen Ebenen, um mehrfache Abgriffpunkte und daher eine Reihe von Ausgangsspannungen bereitzustellen.
Die bekannte Ausführung von Transformatoren mit vielen Abgriffen, d. h. Transformatoren mit mehrfachen Wicklungen, so wie die Ausführung, die in Fig. 14 gezeigt ist, bringt den Zusatz von zwei Verbindungsebenen für jede zusätzliche Wicklung mit sich.
In der erfindungsgemäßen Ausführung ist die Anzahl der verwendeten Verbindungsebenen vollkommen unabhängig von der Anzahl der Wicklungen.
Weitere Ausführungsformen der Induktoren, die die zuvor diskutierten Probleme zeigen, sind in folgenden Druckschriften beschrieben:
1) JP (A) 61-53760;
2) J. Y. C. Chang, A. A. Abidi und M. Gaitan, "Large Suspended Inductors on Silicon and Their Use in a 2-micron CMOS RF Amplifier", Electron Device Letters, Vol. 14, Nr. 5, Mai 1993, S. 246-248;
3) JP (A) 61-268054; und
4) JP (A) 1-179444.
Die vorstehend benannte Druckschrift 1 beschäftigt sich mit einem Induktor, der aus einer Spule gebildet ist, die entlang der Kante der Vorrichtung (Fig. 4) oder in einem zugeordneten Gebiet (Fig. 5) angeordnet ist.
Mit 1 ist das Halbleitersubstrat bezeichnet, auf dem der integrierte Schaltkreis 101 gebildet ist. Die magnetische Spule ist bei 2 gezeigt; 3 und 4 sind Anschlußpunkte. Die Verbindung zum Führen des Anschlußpunktes 3 der Spule zu dem Anschlußpunkt 105 des integrierten Schaltkreises ist mit 6 bezeichnet.
105 ist der Anschlußpunkt des integrierten Schaltkreises, der mit der Spule verbunden ist. Der andere Anschlußpunkt 105 des integrierten Schaltkreises stimmt mit 4 überein.
Diese Lösung bietet geringe Induktivitätswerte pro Flächeneinheit und hohe induzierte Ströme im Substrat (das magnetische Feld ist senkrecht zur Ebene der Spule und daher parallel zur Oberfläche der Vorrichtung). Außerdem ist die Bereitstellung gekoppelter Induktoren schwierig und die Integration des Transformators nahezu unmöglich.
Die vorstehende Druckschrift 2 stellt eine Verringerung der kapazitiven Kopplung zwischen dem Induktor (mit derselben Technologie wie in Fig. 6 beschrieben hergestellt) und dem Substrat durch einen Prozeß des selektiven Entfernens hiervon vor (aber für die vier Ecken der Spulen). Daher bleibt der Induktor über dem Substrat aufgehängt und ist an diesem nur an den vier Ecken befestigt. Es ist den Fachleuten auf dem Gebiet der Herstellung integrierter Schaltkreise wohlbekannt, daß die Technik des Ätzens eines Materials von unterhalb eines anderen, um ein Luftvolumen zu hinterlassen, nicht gemeinhin bei der Herstellung konventioneller integrierter Schaltkreise verwendet wird.
Die vorstehenden Druckschriften 3 und 4 betreffen einen Tauchmagneten, dessen Spulenwindungen durch eine Reihe paralleler Segmente von zwei geeignet verbundenen Metallisierungsschichten gebildet ist.
Fig. 7 und 8 zeigen die Ausführungen, die in diesen beiden Druckschriften jeweils beschrieben sind.
Mit 61 und 62 sind zwei Verbindungsebenen bezeichnet, aus denen die Spule gebildet ist, und 63 bezeichnet die Verbindung zwischen den beiden Verbindungsebenen, nämlich die Löcher. Mit 69 ist das Dielektrikum bezeichnet, das die beiden Verbindungsebenen voneinander trennt.
Die Komponente ist parallel zur Vorrichtungsoberfläche. An ihren Enden schließen sich jedoch die Magnetfeldlinien außerhalb des Tauchmagneten und induzieren Streuströme im Substrat. Dieser Fall wurde auch in Verbindung mit Fig. 14 besprochen.
Es sollte betont werden, daß alle diese bekannten Vorschläge Ausführungen mit Induktorausführungen mit offenem Kern umfassen und daß in diesen keine Hinweise auf die mögliche Ausführung von Induktoren und Transformatoren, die mit geschlossenem Kern gekoppelt sind, gegeben werden.
Fig. 20 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Magnetkerns. Mit 1 ist das Halbleitersubstrat bezeichnet, mit 101 der Teil des Halbleitersubstrats, an dem die aktiven und passiven Komponenten unter Nutzung von Standardherstellungstechnologien für integrierte Schaltkreise gebildet wurden, und mit 104 die Wicklungen, die den Magnetkern aufweisen, der um einen Kern 102 gewickelt ist. Ein weiterer Teil des Substrats ist mit 103 bezeichnet, wo passive und aktive Komponenten wieder durch Standardherstellungstechnologien für integrierte Schaltkreise gebildet wurden. Diese Komponenten können zur Bereitstellen eines Oszillators benutzt werden, wenn sie geeignet durch eine Spule 104 verbunden sind.
Der geschlossene Kern 102 sichert die Kopplung zwischen den Wicklungen 104.
Fig. 15 zeigt ein konkretes Layout für einen erfindungsgemäßen Induktor. Auch hier bezeichnen 61 und 62 wieder die beiden Verbindungsebenen, die benutzt werden, um die Elementarspulenwindungen zu bilden. 63 bezeichnet die leitende Verbindung zwischen den beiden Verbindungsebenen.
Außerdem ist mit 102 der Magnetkern bezeichnet, der die erfindungsgemäße Kopplung der beiden Wicklungen erlaubt. Weiterhin sind mit 105 die Anschlußpunkte des integrierten Schaltkreises bezeichnet, mit denen der Induktor verbunden ist.
Fig. 16 zeigt, wie einfach die Ausführung eines Transformators gemäß dem Verfahren dieser Erfindung sein kann, und wie gut die zwei oder mehr Wicklungen gekoppelt sind, wenn ein geschlossener Magnetkern vorgesehen ist. Die Figur macht zusätzlich zu den zuvor beschriebenen Symbolen die Anschlußpunkte 106 und 107 von zwei Transformatorwicklungen für eine spätere Verbindung mit den Anschlußpunkten 105 des integrierten Schaltkreises deutlich. Fig. 17 zeigt eine andere Ausführungsform der Spulenwindung eines Induktors oder Transformators, bei der drei Verbindungsebenen verwendet werden, um den Widerstand der Elementarwindung zu verringern und vor allen Dingen, um es bei einer erhöhten Dicke des magnetischen Kerns 102 zu ermöglichen, diesen zwischen der ersten und dritten Verbindungsebene schichtenweise anzuordnen.
Die Spulenwindungen sind durch eine Reihe von parallelen Segmenten aus zwei Metallisierungsebenen gebildet, deren Enden durch Löcher verbunden sind, in einer ansonsten herkömmlichen Anordnung.
Der Unterschied ist durch die Einführung eines metallischen Kerns gegeben, der die magnetischen Feldlinien innerhalb des Tauchmagneten konzentriert, und es damit erlaubt, die Induktivität pro Flächeneinheit zu erhöhen. Der Kern ist aus einer Zwischenmaterialschicht zwischen denen, die die Spulenwindungen bilden, gebildet.
Fig. 18 ist eine Detailansicht der Fig. 15, die die Nutzung von lediglich zwei Verbindungsebenen darstellt.
Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform, die vier Verbindungsebenen benötigt, um einen Induktor mit koaxialer Kopplung plus dem geschlossenen Kern bereitzustellen, und die für Anwendungen bestimmt ist, bei denen der Induktivitätswert so ist, daß das Oberflächengebiet des Halbleitersubstrats sich für die Ausführungsform gemäß Fig. 16 als ungenügend erweist.
Fig. 21 ist eine Schnittansicht einer Spulenwindung, die aus zwei Verbindungsebenen, wie in Fig. 18 gezeigt, hergestellt ist.
Dies kann als Querschnitt durch den Magnetkreis gezeigt werden, senkrecht zum Kern 102, ausgehend von einem Punkt in den Durchgängen 63.
Ein Dielektikum 69 ist auf dem Substrat 1 in dem Gebiet gebildet, das dazu vorgesehen ist, die Induktorspulenwindung zu enthalten.
Über diesem ist, wieder durch die gleichen Prozeßschritte, die genutzt werden, um die Verbindungen in anderen Gebieten der Vorrichtung zu bilden, der tiefere Teil der Spulenwindung durch Nutzung der ersten Verbindungsebene 61 gebildet. Eine weitere dielektrische Schicht 69 ist bspw. aus Polyimid gebildet, das dann mit den vertikalen Leitungsverbindungen oder Durchgängen durch Nutzung derselben Techniken wie für die Teile, die die integrierten Schaltkreise enthalten, bemustert wird.
Eine weitere dielektrische Schicht 69 ist über der ersten gebildet und die Struktur des Kerns 102 und der Durchgänge 63 ist auf dieser mit herkömmlichen Fotolithographietechniken definiert.
Das den Kern 102 bildende Material kann auch, wenn dies gewünscht ist, genutzt werden, um die Durchgänge 63 abhängig vom verwendeten Material leitend zu machen.
Eine weitere dielektrische Schicht 69 und Durchgänge 63 bieten die Basis zur Bildung der zweiten Verbindungsebene 62.
Die nächste dielektrische Schicht 69 vervollständigt die Windungsstruktur der magnetischen Spule.
Die Prozeßschritte zur Implementierung der Erfindung sind bereits im Standardprozeßfluß zur Bildung von integrierten Schaltkreisen auf einem Halbleitersubstrat enthalten und bedürfen keiner wesentlichen Änderung, außer natürlich für die zusätzlichen Maskenschritte, um den magnetischen Kern zu bilden, wo er vorgesehen ist.
Das wesentliche Element des magnetischen Schaltkreises, nämlich die Spulenwindung, besteht aus zwei Verbindungsebenen 61 und 62, gewöhnlich aus Metall für einen geringen Widerstand, und zwei vertikalen Verbindungen oder Durchgängen 63, die gewöhnlich zur Verbindung der beiden Verbindungsebenen genutzt werden.
Die Erfindung eignet sich zur Bildung einer bspw. aus Polyimid gefertigten isolierenden Materialschicht 69, nach der Bildung der ersten Verbindungsschicht 61 und der Bemusterung der Durchgänge 63, bis zu einer Dicke von wenigen Mikrometern.
Ein magnetisches Material, bspw. Eisennickel, ist über die letztere aufgebracht und wird zur Herstellung des Kerns 102 des erfindungsgemäßen Magnetkreises genutzt. Seine Größe und Dicke wird durch die Eigenschaften des zu bildenden Magnetkreises festgelegt und kann durch Anwendung von wohlbekannten Gesetzen der Physik und des Magnetismus erreicht werden. Eine geeignete Maske wird genutzt werden, um die Struktur des Magnetkerns zu bemustern, entsprechend wohlbekannter Fotolithographietechniken.
Eine zweite Schicht 69 eines isolierenden Materials, bspw. Polyimid, wird dann aufgebracht. Diese entfernt wegen ihrer bekannten Glättungstätigkeit jede Unebenheit in dem darunterliegenden magnetischen Material. Durchgänge 63 werden später in dieser Schicht an den Orten der vorherigen Löcher bemustert, um die erste Verbindungsschicht des Magnetkreises mit der zweiten Verbindungsschicht 62 des Magnetkreises zu verbinden. Für beste Qualität der magnetischen Komponente ist es wünschenswert, daß die Löcher vom sogenannten "plugged type" sind, d. h. mit einem mittels einer chemischen Verdampfungsanlage bzw. einer chemically vapordeposit- Anlage (CVD-Analge) benetzten leitenden Material, wie bspw. Wolfram, gefüllt sind.
Dieser Verfahrensschritt wird bei der Herstellung von hochintegrierten Schaltkreisen gemeinhin benutzt.
Die beiden Verbindungsebenen, die im Magnetkreis benutzt werden, können zwei beliebige im Herstellungsprozeß des integrierten Schaltkreises zur Verfügung stehende Verbindungsebenen sein, obwohl es von Vorteil ist, die erste und die letzte zu nutzen, um die parasitären Kapazitäten der Wicklung zu reduzieren und die Dicke des magnetischen Kerns, wo vorgesehen, zu vergrößern.
Eine solche Wahl ist nur durch deren Eigenschaften hinsichtlich der zu fertigenden magnetischen Komponente bestimmt. Fachleuten ist bekannt, daß die unterschiedlichen Verbindungsebenen unterschiedliche Dicken und daher unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben.
Die Einfachheit des Prozesses zur Bildung einer magnetischen Komponente in einem Halbleitersubstrat und dessen Übereinstimmung mit gegenwärtigen Technologien zur Herstellung integrierter Schaltkreise, selbst hochintegrierte Schaltkreise und solche im Submikronbereich, ist aus den vorstehenden Ausführungen ersichtlich.
Es ist auch aus den Fig. 15 und 16 ersichtlich, daß die Komponente eine geschlossene Geometrie hat. Dies ist ein wichtiges Hilfsmittel, wenn die Magnetfeldlinien davon abgehalten werden sollen, den Tauchmagneten zu verlassen und Streuströme in dem Substrat zu induzieren.
Der Einfachheit wegen wurde in den Fig. 15 und 16 ein Induktor mit rechteckiger Form gezeigt, aber Induktoren mit ringförmiger Form könnten anstelle dessen vorgesehen sein.
Fig. 16 zeigt einen Transformator mit zwei Wicklungen. Verglichen mit Fig. 15 ist es ausreichend, für die Wicklungen vorzusehen, an zwei Punkten unterbrochen zu sein. Es ist augenscheinlich, daß Transformatoren mit jeder Zahl an Wicklungen leicht mit demselben Verfahren gebildet werden können. Als Folge kann eine Reihe von Spannungswerten von einer einzelnen Wechselstromquelle erzeugt werden.
Neben der Induktivität hängt der parasitäre Reihenwiderstand (und damit der Qualitätsfaktor Q) vom Induktor-Layout ab.
Beachtet werden sollten die Layout- und Dickenregeln für jede Metallisierungsschicht. Im allgemeinen wachsen sowohl die Minimum-Dimensionen (Weite und Raum) als auch die Dicke von der ersten bis zur letzten Ebene.
Die zweite Metallisierungsebene kann nicht nur für den Tauchmagnetkern verwendet werden, sondern auch, um den mit jedem Durchgang verbundenen parasitären Widerstand zu reduzieren, um direkte Verbindungen zwischen der ersten und der dritten Metallisierungsebene zu vermeiden und um evtl. ein weniger stringentes Vorrichtungslayout zu erlauben.
Fig. 17 zeigt eine weitere Ausführungsform, welche die vorstehend getroffenen Überlegungen berücksichtigt. Die Ausführungsform ist dafür ausgelegt, den parasitären Reihenwiderstand des Induktors ohne Verringerung seiner Induktivität pro Flächeneinheit zu verringern.
In der Figur, die einen erfindungsgemäßen Induktor zeigt, ist zu sehen, daß die dritte Metallisierungsebene die Anzahl der Windungen pro Längeneinheit bestimmt und daß, um den Widerstand jeder Windung zu reduzieren, die Weite der Pfade, die durch die erste Metallisierungsebene gebildet sind, erhöht wurden. Noch einmal: die Löcher sind in der zweiten dazwischenliegenden Metallisierungsebene definiert, nie zwischen der ersten und dritten Schicht.
Eine weitere Modifikation der Erfindung sorgt dafür, daß die beiden Verbindungsschichten und die Kernschicht übereinstimmend mit denen eines aktuellen Prozesses mit drei Verbindungsebenen sind. Die zweite Schicht kann durch ein ferromagnetisches Material gebildet werden, um eine weitere Verbesserung des Induktivitätswertes pro belegter Flächeneinheit zu erreichen.
Es dürfte auch möglich sein Silicid- oder Polycid-Schichten für die Bildung der ersten Verbindungsschicht zu verwenden.

Claims

1. Halbleitervorrichtung mit einer oder mehreren aktiven Komponenten und einer oder mehreren passiven Komponenten, die in ein Halbleitersubstrat (1) integriert sind, das eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung mindestens eine Magnetkomponente mit einem Closed-Loop-Magnetkern umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Magnetkomponente in das gleiche Halbleitersubstrat (1) integriert ist und folgendes umfaßt:

- mindestens einen ersten elektrischen Leiter (61), der auf der ersten Oberfläche liegt,

- mindestens eine erste Schicht (69) eines Isoliermaterials, die den ersten Leiter (61) zumindest teilweise bedeckt,

- mindestens eine Schicht (102) eines magnetischen Materials über der ersten Isoliermaterialschicht,

- mindestens eine zweite Schicht (69) eines Isoliermaterials, die das magnetische Material zumindest teilweise bedeckt,

- mindestens einen zweiten Leiter (62), der auf der zweiten Isoliermaterialschicht liegt, und

- mindestens erste und zweite vertikale leitende Verbindungen (63), die zum Verbinden mindestens des ersten elektrischen Leiters (61) mit mindestens dem zweiten elektrischen Leiter (62) angeordnet sind, um eine erste Spiralstruktur zu bilden, die mindestens den ersten Leiter (61), mindestens den zweiten Leiter (62) und mindestens eine der ersten und zweiten vertikalen leitenden Verbindungen (63) um das magnetische Material (102) umfaßt.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkomponente eine Anzahl von um einen geschlossenen Magnetkern gewickelten und magnetisch gekoppelten Spulenwindungen umfaßt.

3. Halbleitervorrichtung mit mindestens zwei Magnetkomponenten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zentrum der Spiralstrukturen angeordneten magnetischen Materialien mittels zusätzlichen magnetischen Materials miteinander verbunden sind.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zentrum der Spiralstrukturen angeordneten magnetischen Materialien eine Closed-Loop-Struktur bilden.

5. Verfahren zur Herstellung von Elementarmagnetkomponenten in einer auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildeten integrierten Schaltung und zum Bilden einer Closed-Loop- Struktur, die eine erste Oberfläche und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritten umfaßt:

- Bilden mindestens eines ersten elektrischen Leiters (61), der auf der ersten Oberfläche liegt,

- Bilden mindestens einer ersten Schicht (69) eines Isoliermaterials, die den ersten Leiter (61) zumindest teilweise bedeckt,

- Bilden mindestens einer Schicht (102) eines magnetischen Materials über der ersten Isoliermaterialschicht (69).

- Bilden mindestens einer zweiten Schicht (69) einer Isoliermaterials, die das magnetische Material zumindest teilweise bedeckt,

- Bilden mindestens eines zweiten elektrischen Leiters (62), der auf der zweiten Isoliermaterialschicht (69) liegt, und

- Bilden mindestens erster und zweiter vertikaler leitender Verbindungen (63), die zum Verbinden mindestens des ersten elektrischen Leiters (61) mit mindestens dem zweiten elektrischen Leiter (62) angeordnet sind, um eine erste Spiralstruktur zu bilden, die mindestens den ersten Leiter, mindestens den zweiten Leiter und mindestens eine der ersten und zweiten vertikalen leitender Verbindungen umfaßt, und

daß die Elementarmagnetkomponenten durch die gleiche Technik hergestellt sind, die zum Bilden aktiver oder passiver Komponenten in dem gleichen Halbleitersubstrat (1) verwendet werden.

6. Verfahren zum Herstellen mindestens zweier Magnetkomponenten nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die im Zentrum der Spiralstrukturen angeordneten magnetischen Materialien mittels zusätzlichen magnetischen Materials miteinander verbunden sind.

7. Transformator in einer integrierten Schaltung, gekennzeichnet durch:

- mindestens zwei Windungen, die eine Mehrzahl von geeignet verbundenen Spiralstrukturen umfassen, und einen Magnetkern, der aus dem magnetischen Material der Spiralstrukturen gemäß Anspruch 1 gebildet ist, und zusätzliches magnetisches Verbindungsmaterial zur Herstellung einer geschlossenen Konfiguration des Transformatorkerns.

8. Transformator nach Anspruch 9, bei dem die magnetische Permeabilität des magnetischen Materials größer als 1 ist.

9. Transformator nach Anspruch 10, bei dem das magnetische Material eine Ferronickellegierung ist.

10. Transformator nach Anspruch 10, bei dem das magnetische Material eine Legierung auf Aluminiumbasis ist.