Индуктивный элемент Советский патент 1984 года по МПК H01F17/02 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для создания монолитных и гибридно-интегральных схем ВЧ и СВЧ диапазонов волн

При разработке современных малогабаритных радиоустройств для реализации резонансньпс контуров, высокочастотных дросселей, полосовых фильтров, развязок цепей питания и т.д. находят широкое применение миниатюрные индуктивные элементы в виде плоских или объемных катушек индуктивности.

Известен индуктивный элемент, выполненный в виде тонкопленочной катушки на изолирующей подложке интеграл ной схемы ИС. С целью вывода внутреннего конца катушки за ее пределы часть витков имеет направление закручивания по часовой стрелке, а другая часть - против часовой стрелки. При этом для ослаб тения взаимного влияния витков с разным направлением закручивания параллельные участки катушки расположены на обратной стороне подлож15:и. Для повышения величины индуктивности элемента в .области между витками расположена пленка ферромагнетика 1.

Существенным недостатком данного индуктивного элемента является совмещение витков с противоположным направлением закручивания в одной катушке, что приводит к уменьшению магнитного поля в нем. В связи с этим элементы имеют малую величину индуктивности и повьщ1енные габариты. Данные элементы также н:е могут быть реализованы в дискретном виде.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является индуктивный элемент для интегральных схем, содержащий две плоских спиральных катушки, симметрично расположённых на противоположных сторонах диэлектрической подложки. Внутренние , концы обеих катушек соединены между собой через металлизированное отверстие в подложке. Внешние концы кату- шек непосредственно присоединяются Кпроводникам микросхем. Для повьш1ения величины индуктивности на обе стороны подложки нанесена пленка ферромагнитного материала .

К недостаткам данного индуктивного элемента следует отнести наличие подложки между спиральными катушками, что обусловливает Повьш1енную межвитковую емкость, а также ограниченную добротность, рабочую частоту и большие габариты элемента. Недостатком является также симметричное расположение катушек по подложке,следствием которого является проти-, воположное направление закручивания витков у обеих спиралей. Это приводит к снижению индуктивности элемента. Кроме того, применение данных

элементов в монолитных ИС на частотах вьш1е 1 ГГЦ ограничивается большими СВЧ потерями в полупроводнике, что является неприемлемым.

Целью изобретения является расширение диапазона рабочих частот

индуктивных элементов при одновременном уменьшении их габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в индуктивном элементе, содержаЩем дре плоские спиральные катушки, расположенные одна над другой и гальванически соединенные между собой внутренними концами, а также изолирующую основу обеих катушек.

положены между витками другой спиральной катушки, разделены между собой воздушным промежутком и имеют одинаковое направление закручивания, изолирующая основа обеих катушек выполнена в виде, высокоомных полупроводниковых участков, расположенных в местах перекрещивания витков обеих катушек.

Выполнение индуктивного элемента с разделением спиральных катушек воздущным промежутком и с одинаковым направлением закручивания витков обусловливает уменьшение межвитковой емкости и, соответственно, повьшгение верхней границы рабочих частот индуктивного элемента на порядок величины по сравнению с прототипом. При этом габариты элемента снижаются в-несколько раз и определяются собственными размерами катушек.

Снижение межвитковой емкости индуктивного элемента обеспечивает также конструктивное расположение обеих катушек со сдвигом их витков относительно друг друга на половину межвиткового расстояния. Такое расположение спиральных катушек, кроме того, создает перекрещивание последних в нескольких точках, расположенных по ди55 агонали элемента, что позволяет разместить в указанных точках изолирующие столбики для скрепления катушек между собой. 25 витки одной спиральной катушки расКроме того, обеспечение одинакового направления закручивания витков как верхней, так и нижней катушек индуктивного элемента приводит к сум мированию напряженности их магнитных полей, что (в отличии от прототипа) повышает индуктивность элемента при равном количестве витков. На фиг. 1 схематически изображен предлагаемый индуктивный элемент, вид сбоку;на фиг. 2 - то же,вид в плане; на фиг. 3 - индуктивный элемент с диагональным раэрезом витков верхней и нижней катушек, общий вид. Индуктивный элемент (фиг. 1) содержит верхнюю спиральную катушку и нижнюю спиральную катушку 2, внутренние концы которых гальванически соединены через участок высоколегированного полупроводника 3, имеющий малое электрическое сопротивление. Внешние концы обеих катушек имеют контактные площадки А и 5 для присоединения к проводникам микросхемы. В точках 6 перекрещивания витков обеих катушек расположены изолирующие высокоомные полупроводниковые участки 7 (фиг. 2), выполненные из высокоомного полупроводника и выполняющие роль элементов крепления. Для группового изготовления предлагаемых индуктивных элементов в качестве подложки при формировании спиральных катушек используются стан дартные монокристаллические пластины высокоомного кремния типа 40КЭФ 100(111). После подготовительных опе раций осуществляется плоскопараллель ное утоньшение исходной кремниевой пластины по всей площади, кроме перй ферийной области пластины шириной 5 мм методом химико-динамического травления. Толщина оставшегося слоя полупр водника составляет 30 мкм. Далее с помощью процессов фотолитографии и высокотемпературной диффузии осущест вляется локальное двухстороннее леги рование слоя кремния фосфором (или бором) в центрах расположения индуктивньпс элементов на пластине. В результате формируются йизкоомные области кремния. Процесс диффузии фосфора проходит при 1200°С. и длится 6 ч. Затем на обе стороны пластины методом пиролиза наносится слой двуокиси кремния Sic2, который служит защитной маской при формировании спиральных катушек индуктивных элементов. 464 При осуществлении процесса фотолитографии по слоям окисла в них создаются окна спиральной формы, соответствующие виткам плоских катушек. При этом внутренние концы спиралей на обеих сторонах пластины совмещаются с высоколегированной областью кремния 3. После вскрытия окон в SiOn в них путем вакуумного распыления осуществляется нанесение системы металлов нихром - золото. Затем проводится гальваническое наращивание золота на напыленные слои до толщины 10-12 мкм. В результате полностью формируются спиральные катушки 1 и 2 индуктивных элементов. После этого осуществляется снятие оставшегося окисла с пластины и . сквозное травление кремния под маской металлизации катушек одновременно с обеих сторон пластины. При этом кремний полностью стравливается за исключением легированных, участков 3, находящихся в месте перекрытия внутренних концов катушек 1 и 2, а также небольших столбиков 7, расположенных в точках перекрещивания витков верхней и нижней катушек (фиг. 1,2). Указанные столбики являются изолирующими, поскольку имеют удельное сопротивление исходного полупроводника и обеспечивают необходимую жесткость всего индуктивного элемента. Предложенная конструкция индуктивного элемента для интегральных схем микроэлектронных СЕЧ устройств обеспечивает расширение диапазона их рабочих частот до 10 .ГГц, т.е. на порядок вьш1е величины по сравнению с прототипом и на два порядка (в 100 раз) по сравнению с индуктивным элементом Р-100, вьтускаемым отечественной промьш1ленностью и принятым за базовый объект. Типичные габариты предложенных элементов (0,5x0,5x0,025 мм) в 3 раза меньше габаритов прототипа (1,5x1,5x0,5 мм) и в 6 раз меньше габаритов базового объекта (3x1,8х X 1 мм), что обеспечивает снижение общих размеров интегральной схемы. Индуктивные элементы предложенной конструкции имеют индуктивности до 0,1 мкГн и добротность более 100. Реализация данных элементов допускает их создание как в дискретном виде, так и в составе монолитных СВЧ интегральных схем. Изготовление индуктивных элементов отличается про51100646

стотой и высокой эффективностью, по- довании с использованием полупроводскольку полностью осуществляется ме- никового материала, выпускаемого протодами полупроводникового производст- мышленностью. При этом выход годных ва. Элементы могут быть изготовлены элементов составляет до 80% с каждой

на стандартном технологическом обору-5 пластины.

ИНДУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ, содержащий две плоские спиральные катушки расположенные одна над другой к гальванически соединенные между собой внутренними концами, а также изолирующую основу обеих катушек, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона рабочих частот при одновременном уменьшении габаритов элемента, витки одной спиральной катушки расположены между витками ДРУГОЙ спиральной катушки, разделены между собой воздушньш промежутком И имеют одинаковое направление закручивания, изолирующая основа обеих катушек выполнена в виде высокоомных, полупроводниковых участков, расположенных в местах перекрещивания витков обеих катушек. (Л с а 05