Катушка индуктивности Советский патент 1993 года по МПК H01L29/92 

Изобретение относится к области электронной технике и производства радиотехнических изделий в микроэлектронном исполнении и может быть использовано в интегральных аналоговых, аналого-цифро- вых и цифроаналоговых устройствах и других изделиях электронной техники (ИЭТ) с расширенными функциональными возможностями как специального, так и общепромышленного применения.

Цель изобретения - повышение плотности размещения витков соленоида катушки индуктивности при одновременном уменьшении влияния паразитных наводок.

Устройство включает исходные пластины 1 и 2 монокристаллического кремния п- типа проводимости, вертикальные области 3 полупроводника р+-типа проводимости, канавки 4 и 5, сформированные в объеме материала исходных пластин монокристаллического кремния, сердечник 6 из ферромагнитного материала, расположенный на внутреннем объеме полости, слои диэлектрика 7, отделяющие объем сердечника от объема материала несущего основания, высоколегированные приконтактные области 8 полупроводника р -типа проводимости, горизонтальные области 9 проводящего материала, сформированные на поверхности несущего основания, слои диэлектрика 10, сформированные на поверхности несущего основания, контактные окна 11, сформированные в слоях диэлектрика, размещенного на поверхности несущего основания, контактные площадки 12 прямоугольных витков соленоида, слои 13 межслойного диэлектрика, отделяющего слои проводящего материала, выполняющих функции горизонтальных участков прямоугольных витков соленоида, горизонтальные участки

00

ттЛ

ю со ел VI

00

14 прямоугольных витков соленоиде, сформированные из проводящего материала на рабочей поверхности нижней пластины, в качестве которого использованы слои полупроводника р -типа проводимости, горизонтальные области 15 проводящего материала, сформированные на поверхности несущего основания.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена изометрическая проекция катушки индуктивности предлагаемой конструкции, полость которой ограничена кристаллографическими плоскостями (111).и (100), а сердечник из ферромагнитного материала размещен в межвитковом пространстве соленоида;

на фиг.2 - изометрическая проекция катушки индуктивности предлагаемой конструкции, полость которой так же, как и сердечник из ферромагнитного материала выполнены в виде замкнутых контуров;

на фиг.З - представлен вертикальный разрез структуры катушки индуктивности предлагаемой конструкции, соленоид которой представляет собой многослойную структуру с числом уровней витков индуктивности не менее 2-х;

на фиг.4 представлен вертикальный разрез физической структуры катушки индуктивности предлагаемой конструкции, полость которой образована канавкой, сформированной в объеме материала верхней пластины монокристаллического кремния и рабочей поверхностью нижней пластины монокристаллического кремния, на поверхности которой методами диффузии сформирован ряд проводящих областей, обеспечивающих попарную коммутацию вертикальных цилиндрических областей полупроводника второго типа проводимости, сформированных в материале верхней пластины монокристаллического кремния;

на фиг.5 представлен вертикальный разрез физической структуры катушки индуктивности предлагаемой конструкции, полость, предназначенная для размещения сердечника из ферромагнитного материала, образована канавкой, сформированной в объеме материала верхнего основания и рабочей поверхностью нижней пластцны монокристаллического кремния, а вертикальные области полупроводника второго типа проводимости сформированы в объемах материалов как верхней, так и нижней пластин несущего основания, причем, размещенные непосредственно одна над другой области проводника второго типа проводимости образуют в несущем основании конструктивно единое целое, т.е. вертикальный участок индуктивного витка соленоида;

на фиг.6 представлен вертикальный разрез физической структуры катушки индуктивности предлагаемой конструкции, полость которой, предназначенная для размещения сердечника из ферромагнитного материала, образована канавкой, сформированной в объеме материала верхней

0 пластины монокристаллического кремния, и горизонтальной поверхностью, нижней пластины, на поверхности которой сформирован ряд проводящего материала, например, полупроводника р -типа проводимости, осу5 ществляющий коммутацию внутренних витков соленоида, в то время как внешние витки соленоида скоммутированы слоями проводящего материала, размещенными на горизонтальных поверхностях верхней и

0 нижней пластин, образующих несущее основание.

Пример 1. В объемах материалов полупроводниковых пластин 1,2, представляющих собой пластины монокристал5 лического кремния 100 КЭФ 4,5 (100) - 480+20 мкм, отвечающих требованиям ЕТ0.035.214ТУ или ЕТО.035.240 ТУ п-типа проводимости с концентрацией атомов легирующей примеси, в качестве которой ис0 пользованы атомы фосфора, 1015 и толщиной 480+20 мкм, сформированы два ряда параллельно расположенных вертикальных областей Зр+-типа проводимости, отстоящие друг от друга на расстояние 1, с

5 шагом расположения в ряду L, которые получены методами термодиффузии атомов алюминия или методами ускоренной диффузии атомов алюминия под воздействием электрического поля (электротермодиффу0 зия). Следует отметить, что указанные области 3 пронизывают всю толщу материалов исходных полупроводниковых пластин 1,2, образуя на противолежащих сторонах последних областей рутила проводимости.

5 Поэтому протяженность указанных, областей 3 совпадает по величине с толщиной исходных полупроводниковых пластин 1,2, т.е. равна 480+20 мкм.

Ряды вертикальных цилиндрических об0 ластей 3 р -типа проводимости разделены канавками 4,5, сформированными в объемах материалов исходных пластин монокристаллического кремния, которые при наложении пластин 1,2 друг на друга сторо5 нами, служившими для формирования соответствующих канавок, образуют полость, внутренний объем которой ограничен боковыми стенками и основаниями соответствующих канавок 4,5. Канавки 4,5 формируют таким образом, чтобы они были симметрично расположены, а их геометрические размеры воспроизводят друг друга. Полость, образованная канавками 4,5, предназначена для размещения во внутреннем объеме последней сердечника б из ферромагнитного материала, геометрические размеры которого всегда меньше геометрических размеров соответствующей полости 4,5. С целью исключения электрического контакта материала сердечника 6 с объемом материала несущего основания пластин 1,2, представляющего собой полупроводник п-типа проводимости, сердечник б находится в окружении диэлектрика 7, представляющего собой в большинстве практических случаев использования слои высокомолекулярного диэлектрического материала, например, по- лиимида, который в описываемой конструкции выполняет также функции материала, с помощью которого осуществляется фиксирование сердечника 6 в объеме полости из канавок 4,5. Толщина слоев диэлектрического материала лежит в пределах от 5,0 мкм до 20,0-30,0 мкм в зависимости от конфигурации полости. В качестве диэлектрика могут быть использованы и слои легкоплавких стекол на основе окислов германия и других окислов, способствующих снижению температуры плавления стекол.

При наложении пластин 1,2 друг на друга с целью создания составного несущего основания, симметрично сформированные области 3 образуют конструктивно единое целое, а именно вертикальную область прямоугольного витка соленоида,которая, пронизывая всю толщу пластин. 1,2 несущего основания, образует на противолежащих сторонах последнего области полупроводника второго типа проводимости р -типа, которые выполняют функции высоколегированных приконтактных областей 8, размещенных в приповерхностных областях соответствующих пластин 1,2 и служащих для обеспечения надежного омического контакта с горизонтальными областями прямоугольных витков соленоида. В большинстве практических случаев вышеназванные области 8 представляют собой области полупроводника р -типа проводимости, легированные атомами бора с концентрацией атомов легирующей примеси на уровне 1020- 1021 с глубиной залегания p-n-перехода на уровнях 2,0-2,5 мкм. Вертикальные цилиндрические области 3 полупроводника р+-типа проводимости и соответствующие высоколегированные приконтактные области 8 конструктивно выполнены как единое целое и отделены от основного материала исходных пластин 1.2

несущего основания областями р-п-перехо- дов. При этом протяженность вертикальных областей 3 определяется как удвоенная толщина исходных пластин, т.е.

deep. обл. 2 d ПЛ. (1)

и равна deep. обл. 960 + 40 мкм.

Для создания несущего основания используются методы диффузионной сварки,

широко применяемые при создании полупроводниковых приборов большой мощности, например, силовых диодов и др., а также методы диффузионной сварки с использованием атомов германия. При этом

обеспечивается механическая прочность конструкции самой катушки индуктивности и надежный электрический контакт вертикальных цилиндрических областей 3 р+-типа проводимости, сформированных отдельно в

каждой пластине 1.2 исходного материала n-типа проводимости.

Таким образом, в предлагаемой конструкции катушки индуктивности два ряда

вертикальных цилиндрических областей

Зр -типа проводимости, сформированные в объеме материала несущего основания п- типа и отделенные от последнего областями p-n-переходов, разделены полостью, во внутреннем объеме которой размещен сер-дечник 6 из ферромагнитного материала. При этом полость, сформированная в объеме материала несущего основания вместе с сердечником 6 из ферромагнитного материала частично или полностью размещена

в межвитковом пространстве соленоида катушки, образованного прямоугольными витками, состоящими из вертикальных областей 3 р+-типа проводимости с соответствующими высоколегированными областями

8 и горизонтальных областей 9 проводящего материала, расположенными на соответствующих сторонах несущего основания пластины 1,2 и отделенных от последнего слоями диэлектрика 10, в объеме материала

которого методами литографической обработки сформированы контактные окна 11, посредством последних осуществляется коммутация вертикальных областей 3 р+-ти- па проводимости с горизонтальными областями 9 прямоугольных витков соленоида. Контактные окна 11 размещены непосредственно над областями 8 и геометрические размеры последних всегда больше геометрических размеров контактных окон на величину 2,5-3,5 мкм. Топологические размеры контактных окон 11 составляют 8,0 х 8,0 мкм при топологических размерах соответствующих высоколегированных областей 8 - 10,0 х 10,0 мкм. При этом на поверхности диэлектрика 10. представляющего слои на основе двуокиси кремния, например, боросиликатного стекла, или композиционных слоев на основе композиций двуокиси кремния и других соединений последнего или соединений других металлов, например, двуокиси кремния и нитрида кремния, двуокиси кремния и окиси алюминия и т.п., толщина которого лежит в пределах от 0,8 до 1,5 мкм сформированы контактные площадки 12, представляющие конструктивно единое целое с горизонтальными областями 9 из проводящего материала. Геометрические размеры контактных площадок 12 составляют 10,0 х 10,0, а топологическая ширина горизонтальных областей 9 8,0 - 6,6 мкм, в качестве проводящего материала проводящих областей 9 и контактных площадок 12 выбраны металлизированные пленки алюминия или меди с соответствующими подстилающими слоями, обеспечивающими надежный омический контакт с диффузионными областями 8 толщиной 1,5 - 3,0 мкм.

Минимальная ширина сердечника 6 из ферромагнитного материала, размещенного во внутреннем объеме полости, ограниченной канавками 4,5, а также минимальное расстояние между двумя соседними вертикальными областями полупроводника р+ти- па, размещенными в одном ряду, т.е. шаг I размещения, определяется в основном величиной рабочего напряжения катушки индуктивности (1)раб) и ее электрической прочностью. Для обеспечения п-кратного запаса по электрической прочности при рабочем напряжении Краб необходимо, чтобы при напряжении,равном их Краб, области объемных зарядов р-п-переходов, образованных между материалом вертикальных цилиндрических областей 3 проводимости, образующих вертикальные области прямоугольных витков соленоида, и материалом исходной полупроводниковой подложки пластин 1,2 несущего основания n-типа проводимости, не перекрывались ни с сердечником 6, ни между собой. Из вышеупомянутого условия следует, что минимальная ширина сердечника 6 (Ьф/сер.мин) из ферромагнитного материала и минимальное расстояние между двумя соседними вертикальными областями 3, т.е. шаг витка

Овит.мин.) ДОЛЖНЫ бЫТЬ бОЛЬШв УД8О6ННОЙ

ширины (d o.o.з) области объемного заряда вышеупомянутого p-n-перехода, т.е. должны выполняться соотношения

Йф/сер.мин 2 do.o.a Ml .

I---------

сЯвит.мин 2d.o.o.3 П Цэаб ,

где М - коэффициент пропорциональности, определяемый уровнями легирования контактирующих областей n-типа несущего основания и р+-типа вертикальных областей.

Исходя из полученных соотношений, а также используя опыт практической работы и ограничения планарной технологии можно привести следующие параметры физической структуры катушки индуктивности, представленной на фиг.1, минимальное расстояние между двумя соседними вертикальными областями 3 р+-типа составляет величину 10,0 мкм, при топологическом размере самих областей 3 8,0 х 8,0 мкм и сопротивлении области 3 менее 4,0 Ом, а ширина сердечника 6 определялась в основном способом формирования последнего либо чисто механическим способом, т.е. традиционными методами прессования, либо методами прецизионного напыления в специально изготовленные формы, при использовании последнего способа форма и геометрические размеры сердечника 6 конформно воспроизводят форму и размеры полости, сформированной в объеме материала несущего основания. Кроме того, на геометрические размеры сердечника оказывает большое влияние и способ формирования канавок либо с использованием методов анизотропного травления, либо с использованием методов газового, плаз- мохимического или ионно-реактивного травления. Все вышеперечисленные методы травления обеспечивают и разные профили травления, а значит, предъявляют особые требования к топологии канавок, т.е. к ширине и высоте сердечника из ферромагнитного материала. В большинстве

практических случаев для обеспечения механической прочности конструкции катушки индуктивности толщина материала, отделяющего дно канавки от поверхности пластины из монокристаллического кремния,

определяется как 140,0- 150,0 мкм. Поэтому высоту сердечника 6 можно определить исходя из соотношения:

Йф/сер + 2d/fl/Mauj (7) + 2 Л d 2dm, (4)

где йф/сер высота сердечника из ферромагнитного материала,

йд/мат - толщина слоя диэлектрического материала, отделяющего сердечник от нижнего основания канавок,

dmi толщина исходных пластин монокристаллического кремния.

Ad - толщина материала исходных пластин, отделяющего нижнее основание канавки от поверхности пластины

Подставив численные значения указанных величин для высоты сердечника (6) получим:

о Ф/сер 630,0 - 690,0 мкм

Тогда как ширина сердечника лежит в пределах величин от 150,00 до 500 мкм, при ширине полости от 160,0 до 515,0 мкм

Следует отметить, что представленный пример, иллюстрируемый фиг. 1, имеет сердечник 6, выполненный в виде бруска, имеющего форму параллелепипеда или многогранной фигуры, поперечным сечением которой служит шестигранник, конформно воспроизводящий форму и геометрические размеры соответствующей полости.

П р и м е р 2. Конструкция катушки индуктивности аналогична конструкции, описание которой представлено в примере 1, за исключением того, что для увеличения значения номинала сердечник 6 из ферромагнитного материала и соответствующая ему полость выполнены в форме замкнутых контуров, которые частично размещены в межвитковом пространстве соленоида, или же нескольких соленоидов, как это представлено на фиг.2.

П р и м е р 3. Конструкция катушки индуктивности аналогична конструкции, описание которой представлено в примере 1, за исключением того, что для упрощения конструкции полость сформирована поверхностью канавки, выполненной в объеме материала одной из пластин, и рабочей поверхностью другой пластины, со сформированными слоями горизонтальных областей проводящего материала, в качестве которого использованы либо диффузионные слои р -типа проводимости, либо металлизированные пленки из алюминия, или меди, как это представлено на фиг.

Л р и м е р 4. Конструкция катушки индуктивности аналогична конструкции, описание которой представлено в примерах 1, 2, за исключением того, что, с целью повышения номинала индуктивности, а также повышения плотности размещения витков соленоида, катушка индуктивности выполнена многослойной, т.е. в конструкции имеется по крайней мере попарно расположенных по разным сторонам полости четыре ряда вертикальных цилиндрических областей 3 полупроводника р+-типа проводимости, которые посредством многоуровневой металлизации скоммутированы таким образом, что образуют прямоугольные витки соленоида, как это представлено на фиг.4.

П р и м е р 5. Конструкция катушки индуктивности аналогична конструкции, описание которой представлено в примерах

3,4, за исключением того, что многослойная структура соленоида, имеет горизонтальные участки сформированные как на одной поверхности нижнего основания, так и на 5 противоположной, как это представлено на фиг.5.

Катушка индуктивности предлагаемой

конструкции работает следующим образом.

При приложении к крайним контактным

0 площадкам 12 соленоида катушки индуктивности импульсного напряжения Ураб в прямоугольных витках, образованных вертикальными цилиндрическими областями 3, а также горизонтальными областями 9, про5 текает импульс тока, который приводит к возникновению потока электромагнитной индукции, поддерживаемого сердечником 6, расположенным в межвитковом пространстве соленоида. При этом в прямоугольных вит0 ках соленоида катушки индуктивности возникает под воздействием магнитной индукции возникает электродвижущая сила (ЭДС) электромагнитной индукции, которая препятствует нарастанию тока.

5Конструкция катушки индуктивности, в технологическом цикле изготовления которой широко использованы приемы и методы пленарной технологии, найдет широкое применение при создании сложных радио0 технических устройств изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также узлов и блоков ИЭТ и РЭА повышенной группы сложности с расширенными функциональными воз5 можностями, в которых возникает настоятельная необходимость совмещения процессов обработки информационных сигналов, выработки командных импульсов исполнительных механизмов и устройств,

0 осуществляющих преобразование энергии электрического источника питания в механическую, например, в производстве электромеханических и электронных часов, в производстве малогабаритных шаговых

5 двигателей совмещенных со схемами управления, за счет чего достигается экономия электроэнергии в пределах 12-14%, в радиоэлектронике для создания простых и надежных усилительных каскадов низкой

0 частоты, работающих по схеме усилителя с трансформаторным выходом, различных высокостабилизированных источников питания для ЭВМ и других средств вычислительной техники, в частности селекторов

5 телевизионных каналов и многих других.

Наибольшая эффективность в работе предлагаемой конструкции катушки индуктивности достигается в случае, когда отношение длины замкнутого сердечника из ферромагнитного материала к диаметру окружности, в площадь которого вписывается сечение сердечника, составляет менее 10.

Использование конструкции катушки индуктивности по сравнению с конструкцией катушки индуктивности, принятой за прототип, позволяет получить следующие преимущества:

- повысить максимальное значение номинала индуктивности за счет использования в конструкции сердечников из ферромагнитного материала, а также за счет использования многослойных соленоидов;

- расширяет в значительной мере функциональные возможности полупроводниковых приборов за счет объединения в одном приборе нескольких функций: от обработки информационных сигналов, выдачи и выработки командных импульсов и преобразования электрического источника питания непосредственно в механическую энергию перемещения или вращения исполнительного механизма;

- позволяет в значительной мере упростить конструкции низкочастотных усилителей за счет использования схем усилителя с трансформаторным выходом;

- позволяет, только используя методы планарной технологии, создавать высокостабильные источники питания ЭВМ и других средств вычислительной техники, занимающих малый объем, а в перспективе, встраиваемых в кристалл (УБИСС) микропроцессорного комплекта;

- повысить эффективность использования объема полупроводниковой подложки за счет формирования в объеме последней полости, предназначенной для размещения сердечника из ферромагнитного материала;

- в значительной мере снизить площадь, занимаемую физической структурой катушки индуктивности, за счет использования как сердечника из ферромагнитного материала, так и многослойной структуры соленоида;

- позволяет, используя методы пленарной технологии и принципы микроконструирования, создавать новые классы приборов, совмещающих в своей конструкции как функции обработки информационных сигналов, так и функции исполнительных органов, что в значительной мере снижает производственные затраты, приводит к значительному сокращению потребляемой энергии, а также обеспечивает самое короткое время, от обработки информационного сигнала до выполнения заданной функции исполнительного органа, при этом в значительной мере снижая массогабаритные показатели изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), создавая приборы с уникальными потребительскими качествами, что в значительной мере способствует конкурентоспособности изделий

на мировом рынке.

Формула изобретения 1. Катушка индуктивности, содержащая несущее основание, выполненное из монокристаллического полупроводника первого

типа проводимости толщины йпл, и прямоугольные витки, состоящие из параллельно расположенных рядов вертикальных цилиндрических областей полупроводника второго типа проводимости, пронизывающих всю

толщу материала несущего основания, и параллельно расположенных рядов горизонтальных областей проводящего материала, размещенных на поверхности слоев диэлектрика, нанесенного на противоположные

поверхности основания, отличэющая- с я тем, что, с целью повышения плотности размещения витков соленоида при одновременном уменьшении влияния паразитных наводок, несущее основание выполнено составным из двух пластин полупроводника со сформированной по крайне мере в одной из них канавкой, образующей полость, расположенную между витками соленоида, в полости размещен сердечник из ферромагнитного материала, а вертикальные цилиндрические области порядно размещены по обеим сторонам полости, причем объем материала сердечника отделен от объема несущего основания диэлектриком, а высота сердечника связана с геометрическими размерами структуры соотношением

йф/сер + 2йд/мат + 2 A d 2dnn, где йф/сер - высота сердечника из ферромагнитного материала;

dfl/Mam - толщина диэлектрика;

dnn - толщина несущего основания; Ad- величина, определяемая из условия обеспечения механической прочности конструкции и равная 140 мкм.

2. Катушка по п. 1,отличающаяся тем, что, с целью обеспечения максимального значения номинала индуктивности, полость выполнена замкнутой.

3. Катушка по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ ая с я тем, что, с целью уменьшения геометрических размеров катушки индуктивности, в основании сформировано по крайней мере четыре попарно расположенных ряда вертикальных цилиндрических областей.

4. Катушка по пп.1-3. отличающаяся тем, что горизонтальные области проводящего материала выполнены и двух уровнях, разделенных слоями материала нижней пластины.

ю

со

СП

00

fe «О-

SN

5,

Использование: изобретение относится к области электронной техники и производства радиотехнических изделий в микроэлектронном исполнении и может быть использовано в интегральных аналоговых и других изделиях электронной техники с расширенными функциональными возможностями как специального, так и общепромышленного применения. Сущность изобретения: с целью повышения плотности размещения витков соленоида при одновременном уменьшении влияния паразитных наводок несущее основание выполнено составным из двух пластин монокристаллического полупроводника первого типа проводимости со сформированными двумя симметрично расположенными канавками, образующими при наложении одной пластины на другую полость, расположенную в межвитковом пространстве соленоида. 3 з.п. ф-лы, 6 ил. fe

,

ю п #72 Фиг.б

3 1 Г /