Sewald, Dieter (Sudetenstrasse 35, Bruckmühl, 83052, DE)
Tiebout, Marc (Therese-Giehse-Allee 15, München, 81739, DE)
Berthold, Jörg (Kirchenstrasse 1, München, 81675, DE)
Sewald, Dieter (Sudetenstrasse 35, Bruckmühl, 83052, DE)
Tiebout, Marc (Therese-Giehse-Allee 15, München, 81739, DE)
| 1. | Spule zur Integration in eine mikroelektronische Schal tung (10), mit einer oder mehreren Windungen (21), wobei die Windung (en) (21) durch zumindest Segmente von zwei Leiterbahnen (22,23), die in jeweils räumlich voneinan der getrennten Metallisierungsebenen (24,25) ausgebildet sind, sowie die diese Leiterbahn (en) (22) und/oder Lei terbahnsegmente (23) verbindende ViaKontakte (40) gebil det ist/sind, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Via Kontakt (40) aus einem Stapel (41) von zwei oder mehr übereinander angeordneten ViaElementen (42) gebildet ist. |
| 2. | Spule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ViaKontakte (40) zumindest im wesentlichen senkrecht zu den Leiterbahnen (22) und/oder Leiterbahnsegmenten (23) ausgerichtet sind. |
| 3. | Spule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen einzelnen ViaElementen (42) eines Stapels (41) Bestandteile (43) einer Metallisierungsebene vorgesehen sind. |
| 4. | Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leiterbahn (en) (22) und/oder die Lei terbahnsegmente (23) sowie die ViaKontakte (40) den Querschnitt (27) der Spule (20) begrenzen. |
| 5. | Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die die Windung (21) oder Windungen der Spule (20) bildende (n) Leiterbahn (en) (22) und/oder Lei terbahnsegmente (23) in einem Abstand von etwa 4 um zu einander angeordnet sind. |
| 6. | Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leiterbahn (en) (22) und/oder Leiter bahnsegmente 823) und/oder die ViaElemente (42) und/oder die zwischen einzelnen ViaElementen (42) vorgesehenen Bestandteile (43) einer Metallisierungsebene aus Kupfer, insbesondere aus elektrolytisch abgeschiedenem Kupfer, gebildet sind. |
| 7. | Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Spule (20) zur Integration in einer auf und/oder in einem Substrat (12) angeordneten mikroelek tronischen Schaltung (10) ausgebildet ist und daß die Spulenachse (26) horizontal zur Substratoberfläche (14) ausgerichtet ist. |
| 8. | Spule nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, daß der Spulenanfang (29) und das Spulenende (30) der Spule (20) benachbart zueinander angeordnet sind, so daß die Spulenachse (26) eine zumindest in etwa geschlossene Linie, insbesondere eine kreisförmige Linie, bildet. |
| 9. | Spulensystem zur Integration in eine mikroelektronische Schaltung 10, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Spu len (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. |
| 10. | Spulensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung der Spule (n) (20) eine Anzahl von Via Stapeln (71), die jeweils aus einem oder mehreren Via Element (en) (75) gebildet sind, vorgesehen ist und daß die ViaStapel (71) außerhalb der Spule (n) (20), insbe sondere außerhalb der Spulenperipherie, um diese herum angeordnet sind. |
| 11. | Spulensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die ViaStapel (71) in etwa senkrecht zur Spulenachse (26) ausgerichtet sind. |
| 12. | Spulensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Abschirmebene (73,74) zur vertikalen Abschirmung der Spule (20) vorgesehen ist. |
| 13. | Spulensystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschirmebene (73) als Metallebene ausgebildet ist. |
| 14. | Spulensystem nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abschirmebene (74) als Poly Siliziumebene oder als Struktur mit einem hochdotierten Substrat ausgebildet ist. |
| 15. | Mikroelektronische Schaltung, mit einer Anzahl integrier ter Bauelemente, wobei zumindest eines dieser Bauelemente als Induktivität ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das als Induktivität vorgesehene Bauelement als Spule (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder als Spu lensystem (70) nach einem der Ansprüche 9 bis 14 ausge bildet ist. |
| 16. | Mikroelektronische Schaltung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese auf und/oder in einem Chip (11) ausgebildet ist und daß der Chip (11) aus einem Substrat (12) und wenigstens einer Oxidschicht (13) gebildet ist. |
| 17. | I. |
| 18. | Mikroelektronische Schaltung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (20) und/oder das Spulensy stem (70) innerhalb der Oxidschicht (13) angeordnet ist. |
Bei einer ganzen Reihe von Schaltungstypen, beispielsweise bei Oszillatoren, Verstärkern, Mischern oder dergleichen, werden Induktivitäten (Spulen) benötigt. Diese gehören zu den Bauelementtypen, bei deren Integration auf einem Chip zusam- men mit den übrigen Schaltungsteilen Probleme auftreten kön- nen. Dies führte bisher dazu, daß Induktivitäten in vielen Fällen noch als diskrete Bauelemente eingesetzt werden, da sie als auf Chips integrierte Spulenformen ansonsten Nachtei- le aufweisen würden. Bei sehr hohen Frequenzen, das heißt bei Frequenzen in Bereichen weit oberhalb von 1 GHz, müssen auf jeden Fall integrierte Induktivitäten verwendet werden, da dann über die Zuleitungen der diskreten Spulen eine Si- gnalübertragung sehr schwierig wird.
In Figur 1 ist eine typische Spulenimplementierung darge- stellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Eine Metallbahn durchläuft eine Spirale, wodurch eine Anzahl von Windungen mit zunehmenden Radien entsteht. Stehen auf dem Chip mehrere Metallagen zur Verfügung, können derartige Spi- ralen gestapelt werden. Durch eine Reihenschaltung addieren sich die Induktivitäten. Bei einer Parallelschaltung werden Bahnwiderstände verringert, was zu niedrigeren Leistungsver- lusten führt. Diese bekannten Spulen, beziehungsweise Spulen- formen, weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Ein be- sonderer Nachteil ergibt sich beispielsweise aus dem Durch- griff des magnetischen Feldes in das Substrat, üblicherweise ein Siliziumsubstrat. In der Regel wird in modernen CMOS-
Technologien ein relativ niederohmiges Substrat eingesetzt, was einen relativ hohen Induktionsstrom zur Folge hat, der durch das magnetische Wechselfeld verursacht wird. Dies führt zu relativ hohen Verlusten, was bedeutet, daß die GUte der integrierten Induktivität (Spule) relativ gering ist. Im Gi- gahertz-Frequenzbereich ist die Güte beispielsweise um Grö- ßenordnungen niedriger im Vergleich zu diskreten Spulen. Da die Spulengüte eine wichtige Performancegröße von Analog- schaltungen ist, besteht das Bedürfnis, die Güte der Spulen zu verbessern.
Die vorstehend beschriebenen Spulentypen werden beispielswei- se in Standard-CMOS-Prozessen eingesetzt. Bei solchen Prozes- sen wird relativ niederohmiges Substrat verwendet, was die entsprechend geringen Spulengüten zur Folge hat. Wird statt dessen ein hochohmiges Substrat verwendet, sinken die Verlu- ste und die Spulengüte steigt an. Ein hochohmiges Substrat kann allerdings nachteilige Auswirkungen auf eine ganze Reihe von Transistoreigenschaften haben. Bei Verwendung hochohmiger Substrate wäre auf jeden Fall kein Standard-CMOS-Prozeß mehr möglich, so daß eine andere Prozeßführung erforderlich würde.
Dies ist jedoch nicht wünschenswert.
Eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Spulengüte be- steht darin, daß das Substratmaterial direkt unter der Spule durch einen geeigneten Atzprozeß entfernt wird. Zwischen den Spulenebenen und dem Substrat kann dann eine Metallschicht aufgebracht werden. Durch Einbringen von Schlitzen können Wirbelströme unterbunden werden, wobei gleichzeitig eine Ab- schirmung zum Substrat erreicht wird. Nachteilig bei einer solchen Lösung ist jedoch, daß für Spulenwindungen eine Me- tallebene weniger zur Verfügung steht. Außerdem lassen sich damit nur geringfügige Verbesserungen der Spulengüte erzie- len.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Spulen liegt in dem rela- tiv großen Flächenbedarf. Die in Figur 1 gezeigte Spulengeo-
metrie erfordert bei einer Induktivität von ca. 9 nHz eine Fläche von 0,3 * 0,3 mm. Wird eine größere Induktivität benö- tigt, steigt der Flächenbedarf proportional an.
In der EP-A-0 725 407 ist eine dreidimensionale, in einer mi- kroelektronischen Schaltung integrierte Spule beschrieben, bei der die Spulenachse horizontal zur Chipoberfläche liegt.
Die Spule weist eine oder mehrere Windungen auf, wobei die Windungen durch Leiterbahnen einer unteren Metallisierungse- bene und Leiterbahnen einer oberen Metallisierungsebene sowie diese verbindende Via-Kontakte hergestellt werden. Als"Via" wird allgemein ein Verbindungsstück zwischen zwei Metallebe- nen verstanden. Bei der bekannten Lösung wird die Induktivi- tat durch einen zwischen die Leiterbahnen und Via-Kontakte eingebrachten Kern aus höher permeablem Material erreicht, der ein grundlegendes Merkmal dieser bekannten Lösung dar- stellt. Bei der in der EP-A-0 725 407 offenbarten Spulengeo- metrie dringt nur noch ein kleiner Teil des Magnetfeldes in das Substrat ein, so daß die hiermit verbundenen Verluste kleiner werden und somit die Güte der Spule verbessert wird.
Trotz dieses Vorteils wird diese Spulengeometrie bisher nicht eingesetzt. Dies liegt beispielsweise daran, daß zur Zeit kein halbleiterkompatibles Kernmaterial zur Verfügung steht.
Zudem weisen alle hochpermeablen Materialien bei hohen Fre- quenzen hohe Ummagnetisierungsverluste auf, die wiederum die Spulengüte begrenzen. Des weiteren sind bei den üblicherweise verwendeten Metallisierungen die Via-Widerstände zu hoch.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorlie- genden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Spule und ein Spulensystem zur Integration in eine mikroelektronische Schaltung, sowie eine mikroelektronische Schaltung bereitzu- stellen, bei der die zum Stand der Technik beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll erreicht wer- den, daß Spulen, beziehungsweise Spulensysteme, hoher Güte auf einfache und kostengünstige Weise hergestellt und in mi- kroelektronische Schaltungen integriert werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Spule zur Integration in eine mi- kroelektronische Schaltung, mit einer oder mehreren Windun- gen, wobei die Windung (en) durch zumindest Segmente von zwei Leiterbahnen, die in jeweils räumlich voneinander getrennten Metallisierungsebenen ausgebildet sind, sowie diese Leiter- bahn (en) und/oder Leiterbahnsegmente verbindende Via-Kontakte gebildet ist/sind. Die Spule ist erfindungsgemäß dadurch ge- kennzeichnet, daß jeder Via-Kontakt aus einem Stapel von zwei oder mehr übereinander angeordneten Via-Elementen gebildet ist.
Dadurch wird eine leicht in mikroelektronische Schaltungen integrierbare Spule hoher Güte geschaffen. Die erfindungsge- mäße Spule geht in ihrem Grundaufbau von der in der EP-A-0 725 407 beschriebenen Spule aus. Wegen des geringen Durch- griffs von Streufeldern ins Substrat können mit einer solchen Spulengeometrie hohe Spulengüten realisiert werden. Die For- mel für die Induktivität bei einer solchen Spulengeometrie lautet : L=p0*ur*A*N2/l Dabei ist pO die Permeabilitäts-Konstante (1.2 E-6 H/M) und ur die relative Permeabilitätszahl (ca. 100.000 bei ferroma- gnetischen Materialien). A ist die Querschnittsfläche der Spule senkrecht zur Spulenachse, N ist die Windungszahl und 1 ist die Länge der Spule. Aus den zum Stand der Technik be- schriebenen Gründen wird bei der erfindungsgemäßen Spule auf einen magnetischen Kern verzichtet. Statt dessen ist es ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung, daß die Quer- schnittsfläche der Spule vergrößert wird. Bei der in der EP- A-0 725 407 beschriebenen Lösung wären dazu sehr lange Lei- terbahnen erforderlich, um bei den in Standardmetallisierun- gen üblichen Dicken der Via-Kontakte (Intermetall- Dielektrikas) von 0,5 um bis 0,3 um Flächen von ca. 10-20
um2 zu realisieren. Diese langen Leiterbahnen weisen jedoch einen entsprechend hohen Bahnwiderstand auf, wodurch die Güte der Spule reduziert wird. Wählt man statt dessen eine höhere Windungszahl, so steigt ebenfalls entsprechend der längeren Leitungslänge der Bahnwiderstand an.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Via-Kontakte in Form von Stapeln mit jeweils zwei oder mehr übereinander an- geordneten Via-Elementen, kann der Querschnitt der Spule und damit deren Güte auf einfache Weise vergrößert, beziehungs- weise verbessert, werden. Durch die Verwendung mehrerer ge- stapelter Via-Elemente als Via-Kontakt kann erreicht werden, daß eine Standardmetallisierung zur Herstellung der Spule verwendet werden kann. Das bedeutet, daß zur Vergrößerung der Querschnittsfläche kein besonders dickes Intermetall- Dielektrikum mit entsprechend tiefen Via-Kontakten eingesetzt werden muß. Die Erzeugung besonders tiefer, von den Standard- metallisierungen abweichenden Via-Kontakten wäre nur mit Hil- fe von Sonderprozessen möglich, so daß die Herstellung derar- tiger Spulen konstruktiv aufwendig und kostenintensiv wäre.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Spule liegt darin, daß relativ große Spulenquerschnittsflächen mit kurzen Lei- terbahnen erzielt werden können. Weiterhin kann auf einen zu- sätzlichen magnetischen Kern verzichtet werden, der eine der Grundvoraussetzungen der in der EP-A-0 725 407 offenbarten Lösung darstellte.
Bei modernen Siliziumtechnologien stehen üblicherweise 4 bis 6 Metallebenen zur Verfügung. Das bedeutet, daß der vertikale Abstand zwischen der untersten und der obersten Metallage (Metallisierungsebene) bis zu 4 um betragen kann. Wird nun in einer Standardmetallisierung die Verbindung zwischen oberer und unterer Metallisierungsebene nicht über einen-besonders langen-Via-Kontakt, sondern durch einen Stapel übereinander liegender Via-Elemente bewerkstelligt, beträgt die Höhe des Spulenquerschnitts gerade diese 4 um. Wie weiter oben bereits
dargelegt wurde, betrug der Abstand zwischen 2 Leiterbahnen der Spule bei bekannten Lösungen bisher etwa 0,5 um.
In einem konkreten Beispiel kann die erfindungsgemäße Spule eine oder mehrere Windungen aufweisen, wobei eine Windung je- weils durch LeiterbahnstUcke, beziehungsweise Leiterbahnen, auf einer untersten Metallisierungsebene und auf einer ober- sten Metallisierungsebene sowie durch die als Vertikalverbin- dungen dienenden Via-Kontakte aus Stapeln zweier oder mehre- rer Via-Elemente zwischen diesen Metallisierungsebenen gebil- det wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Spule er- geben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft können die Via-Kontakte zumindest im wesentlichen senkrecht zu den Leiterbahnen und/oder Leiterbahnsegmenten ausgerichtet sein.
Vorzugsweise können zumindest zwischen einzelnen Via- Elementen eines Stapels Bestandteile einer Metallisierungse- bene vorgesehen sein.
Durch derart ausgebildete Via-Kontakte ist es möglich, daß zur Herstellung der Spule eine Standardmetallisierung verwen- det werden kann. Dabei wurde überraschenderweise herausgefun- den, daß derart ausgebildete Via-Kontakte gegenüber ansonsten notwendigen dickeren einteiligen Via-Kontakten keine Nachtei- le aufweisen.
Vorzugsweise begrenzen die Leiterbahn (en) und/oder die Lei- terbahnsegmente sowie die Via-Kontakte den Querschnitt der Spule. Diese Querschnittsfläche ist bestimmt von dem vertika- len Abstand zwischen den die Leiterbahn (en) beziehungsweise die Leiterbahnsegmente bildenden Metallisierungsebenen sowie die jeweilige Länge der Leiterbahn (en) beziehungsweise Lei- terbahnsegmente auf diesen Metallisierungsebenen. Diese Län-
gen sind wegen des Bahnwiderstands der Leitungen in Grenzen frei wählbar. Mit längeren Leitungsstücken auf den entspre- chenden Metallisierungsebenen sind somit entsprechend größere Querschnittsflächen möglich.
Vorteilhaft können die die Windung oder Windungen der Spule bildende (n) Leiterbahn (en) und/oder Leiterbahnsegmente in ei- nem Abstand von etwa 4 um zueinander angeordnet sein. Wie weiter oben bereits erwähnt wurde, ergibt sich ein solcher Abstand beispielsweise dann, wenn etwa 4 bis 6 Metallisie- rungsebenen zur Verfügung stehen.
In weiterer Ausgestaltung können die Leiterbahn (en) und/oder Leiterbahnsegmente und/oder die Via-Elemente und/oder die zwischen einzelnen Via-Elementen vorgesehenen Bestandteile einer Metallisierungsebene aus Kupfer, insbesondere aus elek- trolytisch abgeschiedenem Kupfer, gebildet sein. Bei Verwen- dung von Kupfer weisen die Bestandteile nur einen geringen Widerstand auf. Wird Kupfer als Leiterbahnmaterial einge- setzt, bleibt auch der Widerstand des als Stapel aus zwei oder mehr Via-Elementen ausgebildeten Via-Kontakts gering.
Dieser Widerstand kann beispielsweise 3 91 bei einer 0.18 um- Technologie betragen. Durch n-Via-Stapel kann mittels Paral- lelschaltung dieser Widerstand auf 1/n reduziert werden. Wird zur Herstellung der Spule eine Standardmetallisierung mit Kupfer verwendet, können bei diesem Verfahren auch die verti- kalen Verbindungsstücke zwischen den Metallebenen (die Via- Elemente) mit dem niederohmigen Kupfer aufgefüllt werden.
Besonders vorteilhaft wird mittels eines elektrolytischen Verfahrens abgeschiedenes Kupfer eingesetzt. Diese Herstel- lung des Kupfers ist an sich bereits bekannt. Sie ist bei- spielsweise in dem Aufsatz"Copper Electroplating"von Alex- ander E. Braun beschrieben, der in der Zeitschrift"Semicon- ductor International", April 1999, Seiten 58ff veröffentlicht ist, und dessen Offenbarungsgehalt insoweit in die Beschrei- bung der vorliegenden Erfindung einbezogen wird.
Vorteilhaft kann die Spule zur Integration in einer auf und/oder in einem Substrat angeordneten mikroelektronischen Schaltung ausgebildet sein, wobei die Spulenachse horizontal zur Substratoberfläche ausgerichtet ist. Dadurch kann der Durchgriff von Streufeldern in das Substrat verringert wer- den, was zu höheren Spulengüten führt.
Vorzugsweise kann der Spulenanfang und das Spulenende der Spule benachbart zueinander angeordnet sein, so daß die Spu- lenachse eine zumindest in etwa geschlossene Linie, insbeson- dere eine kreisförmige Linie, bildet. Durch eine solche Form der Spulenachse werden die Streuverluste reduziert, was zu einer weiteren Verbesserung der Spulengüte führt. Insbesonde- re dann, wenn die Spulenachse eine in etwa kreisförmige Linie bildet, gestattet es diese Geometrie, daß die Spule in geeig- neter Weise lateral abgeschirmt werden kann, wie dies im wei- teren Verlauf der Beschreibung im Hinblick auf das erfin- dungsgemäße Spulensystem näher erläutert wird.
Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Spulensystem zur Integration in einer mikroelektronischen Schaltung bereitgestellt, das erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch eine oder mehrere wie vorstehend beschriebene er- findungsgemäße Spulen. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Spulensystems wird ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zur erfin- dungsgemäßen Spule vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Spulen- systems ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise kann zur Abschirmung der Spule (n) eine Anzahl von Via-Stapeln, die jeweils aus einem oder mehreren Via- Element (n) gebildet sind, vorgesehen sein. Diese Via-Stapel sind vorteilhaft außerhalb der Spule (n), insbesondere außer-
halb der Spulenperipherie, um diese herum angeordnet. Wird eine ganze Reihe von Via-Stapeln nebeneinander angeordnet, um eine Spule herumgelegt, so kann dadurch eine effiziente late- rale Abschirmung der Spule erreicht werden.
Vorteilhaft können die Via-Stapel in etwa senkrecht zur Spu- lenachse ausgerichtet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann zumindest eine Abschirmebene zur vertikalen Abschirmung der Spule vorgesehen sein.
Beispielsweise kann die Abschirmebene als Metallebene ausge- bildet sein.
In weiterer Ausgestaltung kann die Abschirmebene als Poly- Siliziumfläche oder als Struktur mit einem hochdotierten Sub- strat ausgebildet sein.
Stehen genügend Metallisierungsebenen zur Verfügung, so kann die oberste Metallisierungsebene beispielsweise als Abschir- mebene zum vertikalen Abschirmen der Spule nach oben verwen- det werden. Vorzugsweise kann diese Metallebene als ge- schlitzte Fläche ausgebildet sein, um Wirbelströme zu unter- binden. Für eine Abschirmung der Spule nach unten kann bei- spielsweise eine Abschirmebene dienen, die als Poly-Silizium- schicht oder Struktur mit hochdotiertem Substrat ausgebildet ist. Auch diese untere Abschirmebene kann vorteilhaft als ge- schlitzte Fläche ausgebildet sein.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine mikroelektronische Schaltung bereitgestellt, die eine Anzahl integrierter Bauelemente aufweist, wobei zumindest ei- nes dieser Bauelemente als Induktivität ausgebildet ist. Die mikroelektronische Schaltung ist erfindungsgemäß dadurch ge- kennzeichnet, daß das als Induktivität vorgesehene Bauelement als eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Spule und/oder als ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemä-
ßes Spulensystem ausgebildet ist. Dadurch lassen sich mikro- elektronische Schaltungen schaffen, in denen Spulen, bezie- hungsweise Spulensysteme, hoher Güte integriert werden kön- nen, so daß solche mikroelektronische Schaltungen auch bei sehr hohen Frequenzen in Bereichen weit oberhalb von 1 GHz eingesetzt werden können. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effek- ten und der Funktionsweise der erfindungsgemäßen mikroelek- tronischen Schaltung wird ebenfalls auf die vorstehenden Aus- führungen zur erfindungsgemäßen Spule sowie zum erfindungsge- mäßen Spulensystem vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Vorteilhaft kann die mikroelektronische Schaltung auf und/oder in einem Chip ausgebildet sein, wobei der Chip aus einem Substrat und wenigstens einer Oxidschicht gebildet ist.
Vorzugsweise kann die Spule beispielsweise das Spulensystem innerhalb der Oxidschicht angeordnet sein. Auf diese Weise kann bei der Herstellung der Spule auf eine Standardmetalli- sierung zurückgegriffen werden.
Die Erfindung wird nun an Hand von Ausführungsbeispielen un- ter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen : Figur 1 in schematischer Draufsicht eine aus dem Stand der Technik bekannte Spulenkonfiguration ; Figur 2 eine erste Ausführungsform einer Spule gemäß der vor- liegenden Erfindung ; Figur 3 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungs- gemäßen Spule gemäß Figur 2, wobei die Spule in einer mikroelektronischen Schaltung integriert ist ; Figur 4 eine weitere Ansicht der erfindungsgemäßen Spule nach Figur 2,
Figur 5 eine schematische Querschnittsansicht der erfindungs- gemäßen Spule nach Figur 4, in der der Verlauf der magnetischen Feldlinien dargestellt ist ; Figur 6 eine weitere Ausführungsform einer Spule gemäß der vorliegenden Erfindung ; Figur 7 eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemä- ßes Spulensystem unter Verwendung einer Spule nach Figur 6 ; Figur 8 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Spu- lensystems entlang der in Figur 7 dargestellten Schnittlinie VIII-VIII ; Figur 9 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spulensystems unter Verwendung einer in Figur 6 dar- gestellten Spule ; und Figur 10 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Spu- lensystems entlang der in Figur 9 dargestellten Schnittlinie X-X.
In Figur 1 ist eine Spule 90 dargestellt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Spule 90 weist eine Me- tallbahn 91 auf, die eine Spirale durchläuft, wodurch eine Anzahl von Windungen 92 mit zunehmenden Radien entsteht. Ste- hen mehrere Metallagen zur Verfügung, können die auf diese Weise ausgebildeten Spulen 90 übereinander gestapelt und an- schließend entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden.
Derartige Spulen 90 weisen jedoch die im Hinblick auf die Be- schreibungseinleitung genannten Nachteile auf.
In den Figuren 2 und 3 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spule 20 zur Integration in einer mikro- elektronischen Schaltung 10 dargestellt. Wie sich insbesonde- re aus Figur 3 ergibt, ist die mikroelektronische Schaltung
10 in einem Chip 11 ausgebildet, der wiederum aus einem Sub- strat 12 und wenigstens einer Oxidschicht 13 gebildet ist.
Die Oxidschicht 13 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der Substratoberfläche 14 ausgebildet.
Die Spule 20 weist einen Spulenanfang 29 und ein Spulenende 30 sowie eine Anzahl von Windungen 21 auf. Jede Spulenwindung 21 wird durch Leiterbahnen 22 beziehungsweise Leiterbahnseg- mente 23 gebildet. Die Leiterbahnen 22, beziehungsweise die Leiterbahnsegmente 23, werden durch eine untere Metallisie- rungsebene 24 sowie eine obere Metallisierungsebene 25 gebil- det. Zur Verbindung der beiden Metallisierungsebenen 24,25, beziehungsweise der Leiterbahnen 22 beziehungsweise Leiter- bahnsegmente 23, sind vertikale Verbindungsstücke zwischen den Metallisierungsebenen 24,25 vorgesehen, die als Via- Kontakte 40 bezeichnet werden. Alle Bestandteile der Win- dung (en) 21 bestehen aus Kupfer und weisen deshalb nur einen geringen Widerstand auf. Die von der Windung 21 umschlossene Spulenquerschnittsfläche 27 ist bestimmt von dem vertikalen Abstand 28 der oberen Metallisierungsebene 25 zur unteren Me- tallisierungsebene 24. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt dieser Abstand in etwa 4 um. Weiterhin wird die Spu- lenquerschnittsfläche 27 bestimmt durch die Länge der Leiter- bahnen 22, beziehungsweise Leiterbahnsegmente 23, auf der un- teren und oberen Metallisierungsebene 24,25. Diese Längen sind wegen des Bahnwiderstands der Leitungen in Grenzen frei wählbar. Das bedeutet, daß mit längeren Leitungsstücken auf der unteren und oberen Metallisierungsebene 24,25 entspre- chend größere Querschnittsflächen möglich sind.
Um die Spule 20 mittels einer Standardmetallisierung herstel- len zu können, ohne daß besonders tiefe Via-Kontakte erfor- derlich sind, die nur mittels eines aufwendigen und teuren Sonderprozesses herstellbar wären, weisen die Via-Kontakte 40 einen Stapel 41 aus jeweils zwei oder mehr Via-Elementen 42 auf. Zwischen den einzelnen Via-Elementen 42 befinden sich Bestandteile 43 verschiedener Metallisierungsebenen, die zwi-
schen der unteren und der oberen Metallisierungsebene 24,25 ausgebildet sind. Wird Kupfer als Leiterbahnmaterial einge- setzt, das durch ein elektrolytisches Verfahren abgeschieden werden kann, so bleibt der Widerstand dieses Stapels 41 über- einander liegender Via-Elemente 42 mit dazwischen befindli- chen Bestandteilen 43 von Metallisierungsebenen dennoch ge- ring.
Wie sich weiterhin aus den Figuren 4 und 5 ergibt, ist die Spulenachse 26 der Spule 20 horizontal zur Substratoberfläche 14 ausgebildet. Dadurch ergibt sich nur ein geringer Durch- griff von magnetischen Streufeldern in das Substrat 12 hin- ein. Dies ist durch den in Figur 5 dargestellten Verlauf der magnetischen Feldlinien 60 verdeutlicht.
Auf Grund des mittels einer Standardmetallisierung herstell- baren großen Spulenquerschnitts 27 kann auf einen wie in der EP-A-0 725 407 beschriebenen Magnetkern verzichtet werden.
In Figur 6 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungs- gemäßen Spule 20 dargestellt. Bei dieser Spule 20 weist die Spulenachse 26 eine zumindest in etwa geschlossene, kreisför- mige Linie auf. Dadurch erhält auch die gesamte Spule 20 ein in etwa kreisförmiges Aussehen. Durch diese Spulenkonfigura- tion wird erreicht, daß neben der als geschlossene Linie aus- gebildeten Spulenachse 26 auch der Spulenanfang 29 sowie das Spulenende 30 direkt benachbart zueinander liegen. Durch eine solche Ausgestaltung der Spule 20 kann die SpulengUte weiter verbessert werden, da der Streuanteil reduziert wird. Der grundsätzliche Aufbau der Spule 20 gemäß Figur 6 entspricht in etwa demjenigen der in den Figuren 2 bis 5 dargestellten Spule 20, so daß gleiche Bauelemente mit identischen Bezugs- ziffern bezeichnet sind und zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Ausführungen zu diesem Ausführungsbeispiel verwiesen wird.
In den Figuren 7 und 8 ist nun ein Spulensystem 70 darge- stellt, in dem eine oder mehrere Spulen 20 gemäß Figur 6 ver- wendet werden. Der besseren Übersicht halber ist nur eine einzige Spule 20 dargestellt. Die Spule 20 ist wiederum Be- standteil einer mikroelektronischen Schaltung 10 und inner- halb einer Oxidschicht 13 eines Chips 11 angeordnet, wobei sich die Oxidschicht 13 auf der Substratoberfläche 14 eines Substrats 12 befindet.
Um eine effiziente laterale Abschirmung der Spule 20 reali- sieren zu können, sind eine Reihe von Via-Stapeln 71 vorgese- hen, die im Bereich außerhalb der Spulenperipherie 72 neben- einander angeordnet und um die Spule 20 herum gelegt sind.
Die Via-Stapel 71 erstrecken sich parallel zu den Via- Kontakten 40.
Ahnlich wie die Via-Kontakte 40 bestehen die Via-Stapel 71 aus zwei oder mehr Via-Elementen 75, zwischen denen sich Be- standteile 76 von Metallisierungsebenen befinden. Die unter- ste Metallisierungsebene ist wie bei der Spule 20 die Metal- lisierungsebene 24, während die oberste Metallisierungsebene wie bei der Spule 20 die Metallisierungsebene 25 ist. Für die Herstellung der Via-Stapel 71 kann somit auch die Standardme- tallisierung, vorzugsweise die Standardmetallisierung mit Kupfer, verwendet werden. Die Via-Stapel 71 können gleichzei- tig mit der Spule 20 hergestellt werden.
Im Unterschied zu den Via-Kontakten 40 der Spule 20 sind die Via-Stapel 71 über entsprechende Kontakte 50 mit dem Substrat 12 verbunden.
In den Figuren 9 und 10 ist schließlich eine im Hinblick auf die Figuren 7 und 8 weiterführende, modifizierte Ausführungs- form eines Spulensystems 70 dargestellt. Dabei sind im Ver- gleich zu den Figuren 7 und 8 gleiche Bauelemente wiederum mit identischen Bezugsziffern bezeichnet worden.
Zusätzlich zu dem in den Figuren 7 und 8 dargestellten Spu- lensystem 70 weist das Spulensystem 70 gemäß den Figuren 9 und 10 eine obere Abschirmebene 73 sowie eine untere Abschir- mebene 74 auf. Stehen bei der in Figur 10 dargestellten mi- kroelektronischen Schaltung 10 genügend Metallisierungsebenen zur Verfügung, kann die oberste Metallisierungsebene, im vor- liegenden Fall die Abschirmebene 73, zum vertikalen Abschir- men der Spule 20 nach oben verwendet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die obere Abschirmebene 73 aus Metall. Zur Unterbindung von Wirbelströmen ist die obere Ab- schirmebene 73 als geschlitzte Fläche ausgebildet.
Für die Abschirmung der Spule 20 nach unten kann die untere Abschirmebene 74 verwendet werden, die beispielsweise als Po- ly-Siliziumschicht oder Struktur mit hochdotiertem Substrat ausgebildet sein kann. Ebenso wie die obere Abschirmebene 73 kann auch die untere Abschirmebene 74 als geschlitzte Fläche ausgebildet sein.