Катушка индуктивности

 

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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э Н 01 1 27/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4942845/25 (22) 05.06.91 (46) 30.06.93. Бюл. N. 24 (75) К.И.Баринов, Ю.И.Горбунов, Е.М.Гусев и Т.В,Рудовол (76) К.И.Баринов, Ю.И.Горбунов, Е.М.Гусев и Т.В.Рудовол (56) Заявка Японии

N 61-61538, кл. Н 011 27/04, 1986.

Заявка Японии

N 61-265857. кл. Н 01 L 27/04, 1986.

Заявка Японии

N 62 — 179562, кл. Н 01 1 27/04, 1986, Патент США

N3988764,,кл. Н 01 L 7/00. 1976. (54) КАТУШКА ИНДУКТИВНОСТИ (57) Использование: изобретение относится к области электронной техники и производства радиотехнических изделий в микроэлектронном исполнении и может быть

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

Целью изобретения является обеспечение максимального значения номинала индуктивности при заданных геометрических

„„Я „„1825433 АЗ использовано в интегральных аналоговых устройствах и других иэделиях с расширенными функциональными воэможностями 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 объема полупроводниковой подложки, несущее основание выполнено составным, содержащим пластину монокристаллического полупроводника первого типа проводимости, рабочая поверхность которой сориентирована в кристаллографической плоскости (100). со сформированным сквоз ным отверстием, боковые грани которого представляют собой семейство кристаллографических плоскостей (111), 2 ил. размерах индуктивности, а также более llollного 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 и-типа проводимости, сквозное отверстие 2, формированное в обьеме материала пластины

1825433

Оверт.обл.б пл

55 монокристаллического кремния, вертикальные цилиндрические области 3 полупроводника р+-типа проводимости, высоколегированные приконтактные области 4 полупроводника р -типа проводимости, слои 5 диэлектрика, сформированные на поверхностях пластины из монокристаллического кремния и кристалла, контактные окна 6, сформированные в слоях диэлектрика, контактные площадки 7 из проводящего материала, вторую пластину 8 монокристаллического кремния и-типа проводимости боковые грани 9 пластины 8, слои 10 ферромагнитного материала, сформированные на боковых гранях сквозного отверстия, слои

11 ферромагнитного материала, сформированные на боковых гранях кристалла, слои

12 диэлектрика 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 инду кти в ности.

Пример 1, В объеме полупроводниковой первой пластины 1, представляющей собой пластину монокристаллического кремния 100 КЭФ 4,5 (100э)-480, отвечающего требованиям ЕТО.035.214, ТУ, ЕТ0.035.240 ТУ или ЕТО.035.245. СТУ, п-типа проводимости с концентрацией атомов легирующей примеси, в качестве которой использованы атомы фосфора, 1О см з 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, 75О, 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 и-типа проводимости, сформированы вертикальные цилиндрические об 1асти 3 полупроводниКа второго типа проводимости, а именно, р -типа, полученные методами термодиффуэии или электротермодиффуэии атома алюминия. Причем области 3 йолупроводника второго типа проводимости пронизывают всю толщину материала монокристалличе-, ского кремния пластины 1, образуя на противоположных сторонах последней области

++ р -типа. Отсюда следует, что протяженность областей 3 в точности равна толщине пластины монокристаллического кремния и это можно выразить соотношением:

При этом геометрические размеры области 3 в плане определяются как 10,0 X 10,0 мкм, а концентрация атомов алюминия, в вышеназванных областях 3 определяется на уровне 10 -10 см и соответствующая

18 20 -3 величина обьемного сопротивления указанных областей 3 не превышает 6,0 Ом, Вышеуказанные области 3 полупроводника второго типа проводимости расположены в ряд с шагом расположения в ряду L-10,0 мкм, образуя при этом функционально одно из вертикальных рядов вертикальных участков прямоугольных витков индуктивности.

С целью обеспечения надежного контакта вертикальных областей 3 полупроводника второго тйпа проводимости с горизонтальными участками пряя1оугольных витков соленоида катушки индуктивности на противолежащих сторонах пластины

1 монокристаллического кремния сформированы высоколегированные приконтакт++ ные области 4 полупроводника р -типа проводимости с концентрацией атомов легируюшуй пуимеси, а именно, бора, на уровне 10 -10 см и глубиной залегания р-и-перехода Х=1,5-2,5 мкм, что значительно меньше толщины исходной пластины 1 монокристаллического кремния, это отражено соотношением:

Х-б л. (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 витка соленоида катушки индуктивности. При этом вышеназванные области 3 и 4 полупроводника р-типа проводимости отделены от основного материала исходной пластины 1 монокристаллического кремния и-типа проводимости облестями р-A-переходов.

На поверхности сформированной структуры созданы слои 5 диэлектрического материала в качестве которого использова1825433 ны 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 высоколегированны++ ми 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 закоротки 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 обьемного 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 I=10,0 мкм.

В сквозном отверстии 2 пластины 1 монокристаллического кремния и-типа проводимости размещена вторая пластина 8 монокристаллического кремния и-типа проводимости (100 КЗФ 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 coboA 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 обьеме материала пластины 8 сформированы вертикальные цилиндрические

55 области 3 полупроводника р -типа проводимости с соответствующими областями 4, выполняющими функции выcoëeãèðoâàнных приконтактных областей, исгользуемые 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, сформированные 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 объемах 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 отверстие 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 анизотропного травления 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

1825433

+ соседними вертикальными частями р -типа 30

50 (3) lant.min=2 d0.о.çM и араб диэлектрического материала в качестве материала использованы слои высокомолекулярного органического соединения, например, полиимида толе,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 проводимости, размещенными в одном ряду, т.е. шаг размещения в ряду!, епределяется рабочим напряжением катушки индуктивности (u»6), и ее электрической прочностью. Для обеспечения п-кратного запаса по электрической прочности при рабочем напряжении Upa6 необходимо, чтобы при напряжении, равном и Upa6, Области обьемных зарядов р-п-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 toHT.min должно быть больше удвоенной ширины области объемного заряда (do.0.3) вышеупомянутого р-п-перехода, таким образом должно выполняться соотношение: где М вЂ” коэффициент пропорциональности, определяемый уровнями легирования контактирующих областей и-типа пластин 1 и 8 и р -типа вертикальных областей 3.

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

Lapse=Lcêâîý.отв. 4одиэл.5 2оф/мат ю

-2бф/мат.11, где L

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 иэ монокристаллического кремния, так и в объеме материала кристалла, размещенного в сквозном отверстии 2, сформировано, по крайней ме-. ре, по два ряда 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 межвитко1825433

10 вом пространстве соленоида катушки индуктивности, При этом в прямоугольных витках соленоида катушки индуктивности возникает эле;...родвижущая сила (ЭДС) электромагнитн.й индукции, которая препятствует нарастанию тока в витках катушки

Конструкция катушки индуктивности, в технологическом цикле изготовления которой широко использованы приемы и методы планарной технологии, найдет широкое применение при создании сложных радиотехнических устройств изделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также узлов и блоков иэделий электронной техники (ИЭТ) и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) повышенной группы сложности с расширенными функциональными воэможностями, в крторых возникает настоятельная необходимость совмещения процессов обработки информационных сигналов. выработки ко. мандных импульсов исполнительных механизмов и устройств, осуществляющих преобразование энергии электрического источника питания в механическую энергию, например. перемещения или вращения. о производстве электромеханических часов как крупного калибра, так и наручных, в производстве малогабаритных шагоаых двигателей для создания простых и надежных усилительных каскадов, работающих по схеме усилителя с трансформаторным выходом, различных управляемых селекторов каналов, связи в частности селектора телевизионных каналов, а производстве усилителей мощности на индуктивностях, в различного рода электромеханических и электронных игрушках, где важны массогабаритные размеры, а также потребляемая мощность, Конструкция катушки индуктивности будет широко использоваться в радиотехнических изделиях, например, в кОнструкциях разного рода реле, трансформаторах. сформированных непосредственно в составе структуры кристалла БИС или УБИС в качестве дросселей.

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

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

55 прототип, обеспечивает следующие преимущества: повысить максимальное значение номинала индуктивности за счет использования замкнутого сердечника из ферромагнитного материала. размещен ного частично в межвитконом пространстве соленоида катушки индуктивности; в значительной мере расширяет функциональные возможности полупроводниковых приборов за счет объединения о конструкции одного поибора нескольких функций or 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 а конструкции составного несущего основания, а также за счет использования многослойной структуры соленоида; в значительной мере снизить потребляемую мощность за счет использования в конструкции сердечника из ферромагнитного материала. выполненного в виде замкнутого контура: в значительной мере позволяет уменьшить площадь. занятую катушкой индуктианости, за счет использования сердечника из ферромагнитного 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 как функции обработки информационных сигналов, так и функции исполнительных органов, что а 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, а зачастую и утилизации отходоа полупроводникового производстваа, так как для формирования кристалла несущего основания используются пластины монокристаллического кремния, забракованные на .отдельнь х этапах технологиче1825433

12 ского 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 Qnn 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 IlpM заданных геометрических размерах катушки индуктивности, а также более эффективного использования обьема полупроводниковой

5 подложки, несущее основание выполнено составным иэ двух пластин, рабочие поверхности которых ориентированы в кристаллографической плоскости (100), а боковые поверхности — в плоскости (111), установ10 ленных с зазором, внутри зазора размещен сердечник из ферромагнитного материала, отделенный от боковых поверхностей пластин диэлектриком, а вертикальные цилиндрические области размещены порядно в

15 объеме пластин и скоммутированы попарно горизонтальными проводниками.

2. Катушка поп. 1, отл и ч а ю ща яс я тем, что, с целью уменьшения геометрических размеров, в обьемах материалов пла20 стин сформировано по крайней мере четыре ряда вертикальных цилиндрических областей, попарно размещенных в разных уровнях, разделенных слоями диэлектрика.

i825433

Фи"

Составитель К.Баринов

Техред М.Моргентал Корректор 8.Петраш

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, улХагарина, 101

Заказ 2235 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и оТкрытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35. Раушская наб., 4/5