Катушка индуктивности

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 182543 1)5 Н 01 ( 27/04 Е К ПАТЕНТ 27 04, 19 СУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ И ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБ(57) Использование: изобретение относитск области электронной техники и производства радиотехнических изделий в микро ектронном 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 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 сквозным отверстием, боковые грани которого представляют собой семейство кристаллографических плоскостей (111), 2 ил. размерах индуктивности, а также более полного эффективного использования объема 4 полупроводниковой подложки устройства. САНа фиг. 1 представлена изометрическая Сд проекция катушки индуктивности конструкции поиэобретению; нефиг.2 - еертикаеь-ный поперечный разрез структуры слоев ( 1 катушки индуктивности в случае создания многослойного соленоида катушки,Устройство включает первую пластину 1 монокристаллического кремния и-типа проводимости, сквозное отверстие 2, формиро. ванное в обьеме материала пластины10 беерт.обл.б пл 15 20 25 30 35 40 45 50 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 ктив ности.П р и м е р 1, В объеме полупроводниковой первой пластины 1, представляющей собой пластину монокристаллического кремния 100 КЭФ 4,5 (100 э)-480, отвечающего требованиям ЕТО.035.Л 14, ТУ, ЕТО,035.240 ТУ или ЕТО.035,245, СТУ, п-типа проводимости с концентрацией атомов легирующей примеси, в качестве которой использованы атомы фосфора, 10 см з и толщиной бпл+-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 О, 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-типв проводимости, сформированы вертикальные цилиндрические обасти 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 Х 10,0 мкм, а концентрация атомов алюминия, в вышеназванных областях 3 определяется на уровне 10 -10 см и соответствующая1 в го -звеличина 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 1 =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 прямоугольных витков соленоида катушки индуктивности на противолежащих сторонах пластины 1 монокристаллического кремния сформированы высоколегированные приконтактФ+ ные области 4 полупроводника р -типа проводимости с концентрацией атомов легируюшей пгоимеси, 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-бпла, (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-п-переходов.На поверхности сформированной структуры созданы слои 5 диэлектрического материала в качестве которого использова 18254335 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 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 б, расположенные непосредственно над высоколегированными областями 4 р -типа проводимости, При этом топологические размеры контактных окон 5 всегда меньше топологических раз- меров 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 Х 10,0 мкм. Таким образом, на поверхности слоев 5 сформирован ряд контактных площадок с шагом расположения 1=10.0 мкм,В сквозном отверстии 2 пластины 1 монокристаллического кремния и-типа проводимости размещена вторая пластина 8 монокристаллического кремния и-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 собой 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 области 3 полупроводника р-типа проводимости с соответствующими областями 4, выполняющими функции высолегированных 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(3) 1 вит.гп о=2 бо.О.ЗМ и О раб 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 (Ораб), и ее электРической прочностью, Для обеспечения п-кратного запаса по электрической прочности при рабочем напряжении Ораб необходимо, чтобы при напряжении, равном и Ораб, 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,виткавит,гл 1 п должно бЫтЬ больШе удВО- енной ширины области объемного заряда (бо.о,з) вышеупомянутого р-п-перехода, таким образом должно выполняться соотношение: где М - коэффициент пропорциональности,определяемый уровнями легирования контактирующих областей и-типа пластин 1 и 8и р -типа вертикальных областей 3. 5 10 15 20 Топографические размеры сквозного отверстия 2 и пластины 8 связаны следую щим соотношением;1-крис=1-сквоэ.отв. - 4 бдиэл.б - 2 дф/мат 10-2 бф/мат.11,гдекрис - линейный топологический размер пластины 8,сквоа.отв. - линейный топологический размер сквозного отверстия 2,бдиал.б - тОЛЩИНа СЛОЯ 5 ДИЭЛЕКтРИЧЕ- ского материала,бф/мат 1 о - толщина слоя 10 ферромагнитного материала. сформированного на боковых гранях сквозного отверстия,бф/мат 11 - 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 обьеме материала подложки иэ мЬнокристаллического кремния, так и в объеме материала кристалла, размещенного в сквозном отверстии 2, сформировано, по крайней мере, 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 14 проводящего 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 напРЯженид Ораб в пРЯ- моугольных 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 межвитко 1825433вом пространстве соленоида катушки индуктивности, При этом в прямоугольных витках соленоида катушки индуктивности возникает эле; гродвижущая сила ЭДС) электромагнитн й индукции, которая препятствует нарастанию тока в витках катушкиКонструкция 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 командных 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 шаговых двигателей для создания простых и надежных усилительных каскадов, работающих по схеме усилителя с трансформаторным выхо.дом, различных управляемых селекторов каналов, связи в частности селектора телевизионных каналов, в 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 в 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 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 в конструкции одного поибооа 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 конструкции сердечника из ферромагнитного материала. выполненного в виде замкнутого контура: в значительной мере позволяет уменьшить площадь. занятую катушкой индуктивности, за счет использования сердечника из ферромагнитного материала, а также за счет использования многослойной структуры соленоида; позволяет, используя методы планарной технологии и принципы микро- конструирования, создавать новые классы приборов и устройств, совмещающих в своей конструкции как 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, а зачастую и утилизации отходов полупроводникового производства, так как для формирования кристалла несущего основания используются пластины монокристаллического кремния, забракованные на .отдельньх этапах технологиче 1825433 12ского цикла изготовления БИС, ИС и других полупроводниковых приборов. для формирования физических слоев которых используются пластины монокристаллического кремния с кристаллографической ориентацией 100.МФормула изобретения 1. Катушка индуктивности, содержащая несущее основание, выполненное из монокристаллического полупроводника первого типа проводимости толщиной Оп 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.сцелью обеспечения максимального значения номинала индуктивности при заданных геометрических размерах катушки индуктивности, а также более эффективного использования обьема полупроводниковой 5 подложки, несущее основание выполненосоставным иэ двух пластин, рабочие поверхности которых ориентированы в кристаллографической плоскости (100), а боковые поверхности - в плоскости (111), установ ленных с зазором, внутри зазора размещенсердечник из ферромагнитного материала, отделенный от боковых поверхностей пластин диэлектриком, а вертикальные цилиндрические области размещены порядно в 15 объеме пластин и скоммутированы попарногоризонтальными проводниками.2. Катушка поп. 1,отличающаясятем, что, с целью уменьшения геометрических размеров, в обьемах материалов пла стин сформировано по крайней мере четыреряда вертикальных цилиндрических областей, попарно размещенных в разных уровнях, разделенных слоями диэлектрика.1825433 Фи" Составитель К.БариновТехред 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. Раушская наб., 4)5