RU1825433C - Катушка индуктивности - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к области электронной техники и производства радиотехнических изделий в микроэлектронном исполнении и может быть использовано в интегральных аналоговых устройствах и других издели х с расширенными функциональными возможност ми как специального, так и общепромышленного применени . Сущность изобретени : с целью обеспечени  максимального значени  номинала индуктивности при заданных геометрических размерах катушки, а также более эффективного использовани  обьема полупроводниковой подложки, несущее основание выполнено составным, содержащим пластину монокристаллического полупроводника первого типа проводимости , рабоча  поверхность которой сориентирована в кристаллографической плоскости (100), со сформированным сквозным отверстием, боковые грани которого представл ют собой семейство кристаллографических плоскостей (111). 2 ил. (Л С

Description

Изобретение относитс  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 издели х с расширенными функциональными возможност ми как специального , так и общепромышленного применени .

Целью изобретени   вл етс  обеспечение максимального значени  номинала индуктивности при заданных геометрических

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

На фиг. 1 представлена изометрическа  проекци  катушки индуктивности конструкции по изобретению; на фиг. 2 - вертикальный поперечный разрез структуры слоев катушки индуктивности в случае создани  многослойного соленоида катушки.

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

00

ND СЛ СО СО

СО

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

высоколегированные приконтактные области 4 полупроводника р -типа проводимости , слои 5 диэлектрика, сформированные на поверхност х пластины из монокристаллического кремни  и кристалла, контактные окна б, сформированные в сло х диэлектрика , контактные площадки 7 из провод щего материала, вторую пластину 8 монокристаллического кремни  n-типа проводимости боковые грани 9 пластины 8, слои 10 ферромагнитного материала, сформированные на боковых гран х сквозного отверсти , слои

11ферромагнитного материала, сформированные на боковых гран х кристалла, слои

12диэлектрика на поверхности ферромагнитного сердечника, горизонтальные участки 13, 14 пр моугольных витков соленоида, выполненные из провод щего материала первого и второго уровн , межслойный диэлектрик 15, в качестве которого использованы слои на основе двуокиси кремни .

Далее приведены примеры практической реализации конструкции катушки индуктивности .

Пример1.В объеме полупроводниковой первой пластины 1, представл ющей собой пластину монокристаллического кремни  100 КЭФ 4,5 (100э)-480, отвечающего требовани м 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 травлени  сквозное отверстие 2. боковые грани которого представл ют собой семейство кристаллографических плоскостей {111}, образующих с кристаллографическими плоскост ми {100}, служащими в качестве рабочих поверхностей исходной пластины монокристаллического кремни  1, угол, равный 54, 75°, обусловленный использованием методов травлени  пластин монокристаллического кремни  с кристаллографической ориентацией рабочей поверхности в кристаллографическом направлении {100}.

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

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

10

deepT.o6fl.ad(™

(1).

При этом геометрические размеры области 3 в плане определ ютс  как 10,ОХ 10,0 мкм, а концентраци  атомов алюмини , в

вышеназванных област х 3 определ етс  на уровне 1018-1020 и соответствующа  величина объемного сопротивлени  указанных областей 3 не превышает 6,0 Ом. Вышеуказанные области 3 полупроводника

второго типа проводимости расположены в р д с шагом расположени  в р ду ,0 мкм, образу  при этом функционально одно из вертикальных р дов вертикальных участков пр моугольных витков индуктивности.

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

.

(2)

Таким образом, вертикальные области 3 р+-типа проводимости как бы соедин ют высоколегированные приконтактные области 4 р -типа проводимости, образу  с последним конструктивно единое целое, т.е. вертикальный участок пр моугольного вит- ка соленоида катушки индуктивности. При этом вышеназванные области 3 и 4 полупроводника р-типа проводимости отделены от основного материала исходной пластины 1 монокристаллического кремни  n-типа про- водимости област ми р-п-переходов.

На поверхности сформированной структуры созданы слои 5 диэлектрического материала в качестве которого использованы слои примесносиликатных стекол или чисто двуокиси кремни  либо композиционные слои на основе двуокиси кремни  и нитрида кремни , двуокиси кремни  и карбида кремни , двуокиси кремни  и окиси алюмини , и т.п. толщиной 0,85-1,75 мкм. В слое 5 диэлектрика, расположенного на горизонтальных поверхност х пластины 1. монокристаллического кремни , сформированы контактные окна 6, расположенные непосредственно над высоколегированными област ми 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 исключени  зако- ротки металла на области подложки. Слои 5 диэлектрика защищают и боковые поверхности сквозного отверсти .

На горизонтальных поверхност х слоев 5 диэлектрика непосредственно над област ми контактных окон 6 сформированы контактные площадки 7, представл ющие собой области провод щего материала, например алюмини  или меди, поверхность которых с целью уменьшени  величины удельного объемного сопротивлени  покрыта сло ми золота толщиной 1,5-2,5 мкм, которые обеспечивают омический контакт горизонтальных участков пр моугольных витков соленоида с вертикальными участками , представл ющими 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 р д контактных площадок с шагом расположени  ,0 мкм.

В сквозном отверстии 2 пластины 1 монокристаллического кремни  n-типа проводимости размещена втора  пластина 8 монокристаллического кремни  n-типа проводимости (100 КЭФ 4,5 (100)-480), выполненна  в виде усеченной пирамиды, боковые грани 9 которой представл ют собой семейство кристаллографических плоскостей {111}. выполненных в виде равнобочных трапеций и образующих угол 45,75° с основани ми пирамиды, представл ющими сооой пр моугольники, ориентированные в кристаллографической плоскости (100). При этом следует заметить, что пластина 8 монокристаллического кремни  конформно воспроизводит форму и геометрические размеры соответствующего сквозного отверсти  2.

В объеме материала пластины 8 сформированы вертикальные цилиндрические

области 3 полупроводника р+-типа проводимости с соответствующими област ми 4, выполн ющими функции высолегированных приконтактных областей, используемые в качестве второго симметрично расположенного р да вертикальных участков пр моугольных витков соленоида. При этом как горизонтальные плоскости второй пластины 8, выполн ющие функции оснований усеченной пирамиды, так и боковые грани 9, защищены сло ми 5 диэлектрика, имеющего те же параметры, что и слои 5, сформиро- ванные на поверхност х исходной пластины 1 монокристаллического кремни .

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 кремни . При этом вертикальные цилиндрические области 3 пор дно симметрично расположенные в обьемах материалов пластин 1,8 образуют

вертикальные участки пр моугольных витков соленоида.

На боковых поверхност х как сквозного отверсти  2 пластины 1 монокристаллического кремни , так и на боковых гран х 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, представл ющий 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.

Исход  из получени  способа как сквозного отверсти  2, так и пластины 8 монокристаллического кремни , а именно метода

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

последней выполн ют функции направл ющих , позвол ющих значительно автоматизировать процесс монтажа пластин, так как площадь отверсти  всегда больше площади нижнего основани  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 высокомолекул рного органического соединени , например, полиимида толи .иной 2,5-5,0 мкм. Таким образом, вертикальные цилиндрические области 3 полупроводника р+-типа проводимости оказались расположенными пор дно по обеим сторонам границы раздела пластины монокристаллического кремни  - кристалл монокристаллического кремни , т.е. по обеим сторонам сердечника из феромагнитного материала.

Контактные площадки 7, сформированные на противолежащих р дах вертикальных цилиндрических областей 3. не попарно скоммутированы р дами горизонтальных участков 13 из провод щего материала, в качестве которого использованы слои из алюмини  или меди толщиной 1,5-3,0 мкм, размещенные на горизонтальных участках диэлектриков слои 5 и 12, отдел ющих поверхность монокристаллического кремни  пластин 1,8, а также сердечника из ферромагнитного материала.

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

Минимальное рассто ние между двум  соседними вертикальными част ми р -типа проводимости, размещенными в одном р ду , т.е. шаг размещени  в р ду I, определ етс  рабочим напр жением катушки индуктивности (1)раб), и ее электрической прочностью. Дл  обеспечени  п-кратного запаса по электрической прочности при рабочем напр жении 1)раб необходимо, чтобы при напр жении, равном n Upa6. области объемных зар дов 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 вышеупом нутого услови  следует, что минимальное рассто ние между двум  соседними вертикальными област ми 3, т.е. шаг витка 1Вит. должно быть больше удвоенной ширины области объемного зар да (do.o.3) вышеупом нутого p-n-перехода, таким образом должно выполн тьс  соотношение:

l0HT..0.3M JnUpa6,

(3)

где М - коэффициент пропорциональности, определ емый уровн ми легировани  контактирующих областей n-типа пластин 1 и 8 и р -типа вертикальных областей 3.

Топографические размеры сквозного отверсти  2 и пластины 8 св заны 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 отверсти  2,

йдиэл.б - толщина сло  5 диэлектрического материала,

йф/матЮ толщина сло  10 ферромагнитного материала, сформированного на боковых гран х сквозного отверсти ,

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

боковых поверхност х пластины 8.

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

Катушка индуктивности работает следующим образом.

При приложении к крайним контактным

площадкам 7 соленоида катушки индуктивности импульсного напр жени  Upa6 в пр моугольных витках, образованных вертикальными област ми 3 полупроводника второго типа проводимости, а также горизонтальными област ми провод щего 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 поверхност х сквозного отверсти  2 и пластины 8, размещенного в межвитковом пространстве соленоида катушки индуктивности . При этом в пр моугольных витках соленоида катушки индуктивности возникает эле.-:-родвижуща  сила (ЭДС) электромагнитной индукции, котора  пре- 5 п тствует нараоанию тока в витках катушки.

Конструкци  катушки индуктивности, в технологическом цикле изготовлени  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 возможност ми, в крто- рых возникает насто тельна  необходимость совмещени  процессов обработки 20 информационных сигналов, выработки командных импульсов исполнительных механизмов и устройств, осуществл ющих преобразование энергии электрического источника питани  в механическую энер- 25 гию, например, перемещени  или вращени , в производстве электромеханических часов как крупного калибра, так и наручных, в производстве малогабаритных шаговых двигателей дл  создани  простых и надеж- 30 ных усилительных каскадов, работающих по схеме усилител  с трансформаторным выхо- дом. различных управл емых селекторов каналов , св зи в частности селектора телевизионных каналов, в производстве 35 усилителей мощности на индуктивност х, в различного рода электромеханических и электронных игрушках, где важны массога- баритные размеры, а также потребл ема  мощность40

Конструкци  катушки индуктивности будет широко использоватьс  в радиотехнических издели х, например, в конструкци х разного рода реле, трансформаторах, сформированных непосредственно в составе 45 структуры кристалла БИС или УБИС в качестве дросселей.

Наибольша  эффективность в работе предлагаемой конструкции катушки индуктивности достигаетс  в случае, когда отно- 50 шение длины замкнутого контура сердечника из феромагнитного материала к диаметру окружности, в площадь которой вписываетс  сечение сердечника, составл ет величину менее 10.55

Использование конструкции катушки индуктивности, по сравнению с конструкцией катушки индуктивности, прин той за

прототи п, обеспечивает следующие преимущества: повысить максимальное значение номинала индуктивности за счет использовани  замкнутого сердечника из ферромагнитного материала, размещенного частично в межвитковом пространстве соленоида катушки индуктивности; в значительной мере расшир ет функциональные возможности полупроводниковых приборов за счет объединени  в конструкции одного прибора нескольких функций ог обработки информационных сигналов, поступивших от внешних устройств, выработки командных импульсов и преобразовани  энергии электрического источника питани  непосредственно в механическую энергию перемещени  или вращени  исполнительного механизма; позвол ет в значительной мере упростить конструкции низкочастотных усилителей за счет использовани  схем усилител  с трансформаторным выходом; повысить эффективность использовани  как площади, так и обьема полупроводниковой подложки за счет использовани  в конструкции составного несущего основани , а также за счет использовани  многослойной структуры соленоида; в значительной мере снизить потребл емую мощность за счет использовани  в конструмии сердечника из ферромагнитного материала, выполненного в виде замкнутого контура; в значительной мере позвол ет уменьшить площадь, зан тую катушкой индуктивности, за счет использовани сердечникаиз ферромагнитного материала, а также за счет использовани  многослойной структуры соленоида; позвол ет, использу  методы планарной технологии и принципы микроконструировани , 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 потребл емой энергии, а также обеспечивает самое короткое врем  от обработки информационного сигнала до выполнени  заданной функции исполнительным органом, при этом в значительной мере снижа  массогабаритные показатели ИЭТ и РЭА; позвол ет разработать процесс безотходной технологии, d зачастую и утилизации отходов полупроводникового производства , так как дл  формировани  кристалла несущего основани  используютс  пластины монокристаллического кремни , забракованные на .отдельных этапах те/нологического цикла изготовлени  БИС, ИС и других полупроводниковых приборов, дл  формировани  физических слоев которых используютс  пластины монокристаллического кремни  с кристаллографической ориентацией 100.

Claims (2)

1. Катушка индуктивности, содержаща  несущее основание, выполненное из монокристаллического полупроводника первого типа проводимости толщиной 0Пл и пр моугольных витков, состо щих по крайней мере из двух параллельно расположенных р дов вертикальных цилиндрических областей полупроводника второго типа проводимости , пронизывающих всю толщу материала несущего основани , и двух р дов горизонтальных областей материала, размещенных на поверхности сло  диэлектрика , отличающа с  тем, что, с целью обеспечени  максимального значени  номинала индуктивности при заданных геометрических размерах катушки индуктивности , а также более эффективного использовани  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 пор дно в

объеме пластин и скоммутированы попарно горизонтальными проводниками.

2. Катушка по п. 1,отличающа с  тем, что. с целью уменьшени  геометрических размеров, в объемах материалов пластин сформировано по крайней мере четыре р да вертикальных цилиндрических областей , попарно размещенных в разных уровн х , разделенных сло ми диэлектрика.

гт jo /г А М

1L Л. JL