Катушка индуктивности Советский патент 1993 года по МПК H01L27/04 

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

Целью изобретения является обеспечение максимального значения номинала индуктивности при заданных геометрических

размерах индуктивности, а также более полного эффективного использования объема полупроводниковой подложки устройства.

На фиг. 1 представлена изометрическая проекция катушки индуктивности конструкции по изобретению; на фиг. 2 - вертикальный поперечный разрез структуры слоев катушки индуктивности в случае создания многослойного соленоида катушки.

Устройство включает первую пластину 1 монокристаллического кремния n-типа проводимости, сквозное отверстие 2, формированное в объеме материала пластины

00

ND СЛ СО СО

СО

монокристаллического кремния, вертикальные цилиндрические области 3 полупровод- никар+-типапроводимости,

высоколегированные приконтактные области 4 полупроводника р -типа проводимости, слои 5 диэлектрика, сформированные на поверхностях пластины из монокристаллического кремния и кристалла, контактные окна б, сформированные в слоях диэлектрика, контактные площадки 7 из проводящего материала, вторую пластину 8 монокристаллического кремния n-типа проводимости боковые грани 9 пластины 8, слои 10 ферромагнитного материала, сформированные на боковых гранях сквозного отверстия, слои

11ферромагнитного материала, сформированные на боковых гранях кристалла, слои

12диэлектрика на поверхности ферромагнитного сердечника, горизонтальные участки 13, 14 прямоугольных витков соленоида, выполненные из проводящего материала первого и второго уровня, межслойный диэлектрик 15, в качестве которого использованы слои на основе двуокиси кремния.

Далее приведены примеры практической реализации конструкции катушки индуктивности.

Пример1.В объеме полупроводниковой первой пластины 1, представляющей собой пластину монокристаллического кремния 100 КЭФ 4,5 (100э)-480, отвечающего требованиям ЕТО.035.314. ТУ, ЕТО.035.240 ТУ или ЕТО.035.245. СТУ, п-ти- па проводимости с концентрацией атомов легирующей примеси, в качестве которой использованы атомы фосфора, 1015 и толщиной dnn 480+-20 мкм, сформировано методами анизотропного травления сквозное отверстие 2. боковые грани которого представляют собой семейство кристаллографических плоскостей {111}, образующих с кристаллографическими плоскостями {100}, служащими в качестве рабочих поверхностей исходной пластины монокристаллического кремния 1, угол, равный 54, 75°, обусловленный использованием методов травления пластин монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией рабочей поверхности в кристаллографическом направлении {100}.

Кроме того, в объеме материала пластины 1 монокристаллического кремния п-типа проводимости, сформированы вертикальные цилиндрические обчасти 3 полупроводника второго типа проводимости, а именно, р -типа. полученные методами термодиффузии или злектротермодиффузии атома алюминия. Причем области 3 полупроводника

второго типа проводимости пронизывают всю толщину материала монокристалличет ского кремния пластины 1, образуя на противоположных сторонах последней области рутила. Отсюда следует, что протяженность областей 3 в точности равна толщине пластины монокристаллического кремния и это можно выразить соотношением:

10

deepT.o6fl.ad(™

(1).

При этом геометрические размеры области 3 в плане определяются как 10,ОХ 10,0 мкм, а концентрация атомов алюминия, в

вышеназванных областях 3 определяется на уровне 1018-1020 и соответствующая величина объемного сопротивления указанных областей 3 не превышает 6,0 Ом. Вышеуказанные области 3 полупроводника

второго типа проводимости расположены в ряд с шагом расположения в ряду ,0 мкм, образуя при этом функционально одно из вертикальных рядов вертикальных участков прямоугольных витков индуктивности.

С целью обеспечения надежного контакта вертикальных областей 3 полупроводника второго типа проводимости с горизонтальными участками прямоугольных витков соленоида катушки индуктивности на противолежащих сторонах пластины 1 монокристаллического кремния сформированы высоколегированные приконтакт- ные области 4 полупроводника р -типа проводимости с концентрацией атомов легирующей примеси, а именно, бора, на уровне 10-10 и глубиной залегания p-n-перехода ,5-2,5 мкм. что значительно меньше толщины исходной пластины 1 монокристаллического кремния, это отражено соотношением:

.

(2)

Таким образом, вертикальные области 3 р+-типа проводимости как бы соединяют высоколегированные приконтактные области 4 р -типа проводимости, образуя с последним конструктивно единое целое, т.е. вертикальный участок прямоугольного вит- ка соленоида катушки индуктивности. При этом вышеназванные области 3 и 4 полупроводника р-типа проводимости отделены от основного материала исходной пластины 1 монокристаллического кремния n-типа про- водимости областями р-п-переходов.

На поверхности сформированной структуры созданы слои 5 диэлектрического материала в качестве которого использованы слои примесносиликатных стекол или чисто двуокиси кремния либо композиционные слои на основе двуокиси кремния и нитрида кремния, двуокиси кремния и карбида кремния, двуокиси кремния и окиси алюминия, и т.п. толщиной 0,85-1,75 мкм. В слое 5 диэлектрика, расположенного на горизонтальных поверхностях пластины 1. монокристаллического кремния, сформированы контактные окна 6, расположенные непосредственно над высоколегированными областями 4 р -типа проводимости. При этом топологические размеры контактных окон 5 всегда меньше топологических размеров высоколегированных областей 4 на величину 2,0 мкм с целью исключения зако- ротки металла на области подложки. Слои 5 диэлектрика защищают и боковые поверхности сквозного отверстия.

На горизонтальных поверхностях слоев 5 диэлектрика непосредственно над областями контактных окон 6 сформированы контактные площадки 7, представляющие собой области проводящего материала, например алюминия или меди, поверхность которых с целью уменьшения величины удельного объемного сопротивления покрыта слоями золота толщиной 1,5-2,5 мкм, которые обеспечивают омический контакт горизонтальных участков прямоугольных витков соленоида с вертикальными участками, представляющими собой области 3 полупроводника второго типа проводимости р -типа. Топологические размеры контактных площадок 7 имеют величину 10,0 X 10,0 мкм. Таким образом, на поверхности слоев 5 сформирован ряд контактных площадок с шагом расположения ,0 мкм.

В сквозном отверстии 2 пластины 1 монокристаллического кремния n-типа проводимости размещена вторая пластина 8 монокристаллического кремния n-типа проводимости (100 КЭФ 4,5 (100)-480), выполненная в виде усеченной пирамиды, боковые грани 9 которой представляют собой семейство кристаллографических плоскостей {111}. выполненных в виде равнобочных трапеций и образующих угол 45,75° с основаниями пирамиды, представляющими сооой прямоугольники, ориентированные в кристаллографической плоскости (100). При этом следует заметить, что пластина 8 монокристаллического кремния конформно воспроизводит форму и геометрические размеры соответствующего сквозного отверстия 2.

В объеме материала пластины 8 сформированы вертикальные цилиндрические

области 3 полупроводника р+-типа проводимости с соответствующими областями 4, выполняющими функции высолегированных приконтактных областей, используемые в качестве второго симметрично расположенного ряда вертикальных участков прямоугольных витков соленоида. При этом как горизонтальные плоскости второй пластины 8, выполняющие функции оснований усеченной пирамиды, так и боковые грани 9, защищены слоями 5 диэлектрика, имеющего те же параметры, что и слои 5, сформиро- ванные на поверхностях исходной пластины 1 монокристаллического кремния.

Вертикальные цилиндрические области р+- типа проводимости, сформированные в материале пластины 8, имеют те же параметры и те же геометрические размеры, что и соответствующие области 3, сформированные в объеме материала пластины 1, монокристаллического кремния. При этом вертикальные цилиндрические области 3 порядно симметрично расположенные в обьемах материалов пластин 1,8 образуют

вертикальные участки прямоугольных витков соленоида.

На боковых поверхностях как сквозного отверстия 2 пластины 1 монокристаллического кремния, так и на боковых гранях 9

пластины 8. размещенной в сквозном отверстии 2. сформированы слои 10 и 11 ферромагнитного материала соответственно которые при монтаже пластины 8 в сквозное отоерстие образуют конструктивно единое

целое, т.е. сердечник из ферромагнитного материала, представляющий собой замкнутый магнитопровод, частично расположенный в межвитковом пространстве соленоида. При этом толщина слоев 10 и 11

ферромагнитного материала лежит в пределах 5,0 12,0 мкм.

Исходя из получения способа как сквозного отверстия 2, так и пластины 8 монокристаллического кремния, а именно метода

анизотропноготравления пластин монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией (100) можно сделать вывод, что при монтаже пластины 8 в соответствующее отверстие 2 боковые грани

последней выполняют функции направляющих, позволяющих значительно автоматизировать процесс монтажа пластин, так как площадь отверстия всегда больше площади нижнего основания пластины 8.

На горизонтальных участках слоев 10 и 11 ферромагнитного материала образующих замкнутый сердечник соленоида катушки индуктивности, сформированы слои 12

диэлектрического материала в качестве материала использованы слои высокомолекулярного органического соединения, например, полиимида толи .иной 2,5-5,0 мкм. Таким образом, вертикальные цилиндрические области 3 полупроводника р+-типа проводимости оказались расположенными порядно по обеим сторонам границы раздела пластины монокристаллического кремния - кристалл монокристаллического кремния, т.е. по обеим сторонам сердечника из феромагнитного материала.

Контактные площадки 7, сформированные на противолежащих рядах вертикальных цилиндрических областей 3. не попарно скоммутированы рядами горизонтальных участков 13 из проводящего материала, в качестве которого использованы слои из алюминия или меди толщиной 1,5-3,0 мкм, размещенные на горизонтальных участках диэлектриков слои 5 и 12, отделяющих поверхность монокристаллического кремния пластин 1,8, а также сердечника из ферромагнитного материала.

Таким образом, получены витки соленоида, состоящие из вертикальных областей 3 р -типа проводимости и горизонтальных участков 13.

Минимальное расстояние между двумя соседними вертикальными частями р -типа проводимости, размещенными в одном ряду, т.е. шаг размещения в ряду I, определяется рабочим напряжением катушки индуктивности (1)раб), и ее электрической прочностью. Для обеспечения п-кратного запаса по электрической прочности при рабочем напряжении 1)раб необходимо, чтобы при напряжении, равном n Upa6. области объемных зарядов p-n-переходов. образованных между материалом вертикальных областей 3 р+-типа витков соленоида, и материалом исходных полупроводниковых пластин 1, 8, не перекрывались между собой. Из вышеупомянутого условия следует, что минимальное расстояние между двумя соседними вертикальными областями 3, т.е. шаг витка 1Вит. должно быть больше удвоенной ширины области объемного заряда (do.o.3) вышеупомянутого p-n-перехода, таким образом должно выполняться соотношение:

l0HT..0.3M JnUpa6,

(3)

где М - коэффициент пропорциональности, определяемый уровнями легирования контактирующих областей n-типа пластин 1 и 8 и р -типа вертикальных областей 3.

Топографические размеры сквозного отверстия 2 и пластины 8 связаны следую-, щим соотношением:

1-крис 1-сквоз отв.4с1диэл 5 2{1ф/матЮ

-2с1ф/МЗт.11.

где Црис - линейный топологический размер пластины 8,

LcKeoa.oTB. линейный топологический размер сквозного отверстия 2,

йдиэл.б - толщина слоя 5 диэлектрического материала,

йф/матЮ толщина слоя 10 ферромагнитного материала, сформированного на боковых гранях сквозного отверстия,

йф/матП - толщина слоя 11 ферромагнитного материала, сформированного на

боковых поверхностях пластины 8.

П р и м е р 2. Конструкция катушки индуктивности аналогична конструкции, описание которой представлено в примере 1, за исключением того, что с целью экономии площади, занятой катушкой индуктивности, соленоид выполнен многослойным, как это представлено на фиг. 2. При этом как в объеме материала подложки из мЪнокри- сталлического кремния, так и в объеме материала кристалла, размещенного в сквозном отверстии 2, сформировано, по крайней мере, по два р.яда вертикальных цилиндрических областей 3 полупроводника второго типа проводимости, а именно р+-типа. Внутренние ряды областей 3 скоммутированы так же, как и в примере 1, а внешние ряды областей 3 скоммутированы горизонтальными участками 14проводящего материала, размещенными на поверхности межслойного диэлектрика 15, отделяющего горизонтальные участки 13 и 13 друг от друга.

Катушка индуктивности работает следующим образом.

При приложении к крайним контактным

площадкам 7 соленоида катушки индуктивности импульсного напряжения Upa6 в прямоугольных витках, образованных вертикальными областями 3 полупроводника второго типа проводимости, а также горизонтальными областями проводящего материала протекает импульс тока, который приводит к возникновению потока электромагнитной индукции, поддерживаемого сердечником из ферромагнитного материала, выполненного из двух слоев 10 и 11 ферромагнитного материала, размещенных на боковых поверхностях сквозного отверстия 2 и пластины 8, размещенного в межвитковом пространстве соленоида катушки индуктивности. При этом в прямоугольных витках соленоида катушки индуктивности возникает эле.-:-родвижущая сила (ЭДС) электромагнитной индукции, которая пре- 5 пятствует нараоанию тока в витках катушки.

Конструкция катушки индуктивности, в технологическом цикле изготовления которой широко использованы приемы и методы пленарной технологии, найдет широкое 10 применение при создании сложных радиотехнических устройств изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). а также узлов и блоков изделий электронной техники (ИЭТ) и ра- 15 диоэлектронной аппаратуры (РЭА) повышенной группы сложности с расширенными функциональными возможностями, в крто- рых возникает настоятельная необходимость совмещения процессов обработки 20 информационных сигналов, выработки командных импульсов исполнительных механизмов и устройств, осуществляющих преобразование энергии электрического источника питания в механическую энер- 25 гию, например, перемещения или вращения, в производстве электромеханических часов как крупного калибра, так и наручных, в производстве малогабаритных шаговых двигателей для создания простых и надеж- 30 ных усилительных каскадов, работающих по схеме усилителя с трансформаторным выхо- дом. различных управляемых селекторов каналов, связи в частности селектора телевизионных каналов, в производстве 35 усилителей мощности на индуктивностях, в различного рода электромеханических и электронных игрушках, где важны массога- баритные размеры, а также потребляемая мощность40

Конструкция катушки индуктивности будет широко использоваться в радиотехнических изделиях, например, в конструкциях разного рода реле, трансформаторах, сформированных непосредственно в составе 45 структуры кристалла БИС или УБИС в качестве дросселей.

Наибольшая эффективность в работе предлагаемой конструкции катушки индуктивности достигается в случае, когда отно- 50 шение длины замкнутого контура сердечника из феромагнитного материала к диаметру окружности, в площадь которой вписывается сечение сердечника, составляет величину менее 10.55

Использование конструкции катушки индуктивности, по сравнению с конструкцией катушки индуктивности, принятой за

прототи п, обеспечивает следующие преимущества: повысить максимальное значение номинала индуктивности за счет использования замкнутого сердечника из ферромагнитного материала, размещенного частично в межвитковом пространстве соленоида катушки индуктивности; в значительной мере расширяет функциональные возможности полупроводниковых приборов за счет объединения в конструкции одного прибора нескольких функций ог обработки информационных сигналов, поступивших от внешних устройств, выработки командных импульсов и преобразования энергии 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; повысить эффективность использования как площади, так и обьема полупроводниковой подложки за счет использования в конструкции составного несущего основания, а также за счет использования многослойной структуры соленоида; в значительной мере снизить потребляемую мощность за счет использования в конструмии сердечника из ферромагнитного материала, выполненного в виде замкнутого контура; в значительной мере позволяет уменьшить площадь, занятую катушкой индуктивности, за счет использованиясердечникаизферромагнитного материала, а также за счет использования многослойной структуры соленоида; позволяет, используя методы планарной технологии и принципы микроконструирования, создавать новые классы приборов и устройств, совмещающих в своей конструкции ка-к функции обработки информационных сигналов, так и функции исполнительных органов, что в значительной мере снижает производственные затраты и приводит к значительному сокращению потребляемой энергии, а также обеспечивает самое короткое время от обработки информационного сигнала до выполнения заданной функции исполнительным органом, при этом в значительной мере снижая массогабаритные показатели ИЭТ и РЭА; позволяет разработать процесс безотходной технологии, d зачастую и утилизации отходов полупроводникового производства, так как для формирования кристалла несущего основания используются пластины монокристаллического кремния, забракованные на .отдельных этапах те/нологического цикла изготовления БИС, ИС и других полупроводниковых приборов, для формирования физических слоев которых используются пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией 100.

Формула изобретения

1. Катушка индуктивности, содержащая несущее основание, выполненное из монокристаллического полупроводника первого типа проводимости толщиной 0Пл и прямоугольных витков, состоящих по крайней мере из двух параллельно расположенных рядов вертикальных цилиндрических областей полупроводника второго типа проводимости, пронизывающих всю толщу материала несущего основания, и двух рядов горизонтальных областей материала, размещенных на поверхности слоя диэлектрика, отличающаяся тем, что, с целью обеспечения максимального значения номинала индуктивности при заданных геометрических размерах катушки индуктивности, а также более эффективного использования объема полупроводниковой

подложки, несущее основание выполнено составным из двух пластин, рабочие поверхности которых ориентированы в кристаллографической плоскости (100), а боковые поверхности - в плоскости (111), установленных с зазором, внутри зазора размещен сердечник из ферромагнитного материала, отделенный от боковых поверхностей пластин диэлектриком, а вертикальные цилиндрические области размещены порядно в

объеме пластин и скоммутированы попарно горизонтальными проводниками.

2. Катушка по п. 1,отличающаяся тем, что. с целью уменьшения геометрических размеров, в объемах материалов пластин сформировано по крайней мере четыре ряда вертикальных цилиндрических областей, попарно размещенных в разных уровнях, разделенных слоями диэлектрика.

Использование: изобретение относится к области электронной техники и производства радиотехнических изделий в микроэлектронном исполнении и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах и других изделиях с расширенными функциональными возможностями как специального, так и общепромышленного применения. Сущность изобретения: с целью обеспечения максимального значения номинала индуктивности при заданных геометрических размерах катушки, а также более эффективного использования обьема полупроводниковой подложки, несущее основание выполнено составным, содержащим пластину монокристаллического полупроводника первого типа проводимости, рабочая поверхность которой сориентирована в кристаллографической плоскости (100), со сформированным сквозным отверстием, боковые грани которого представляют собой семейство кристаллографических плоскостей (111). 2 ил. (Л С

гт jo /г А М

1L Л. JL