SE526360C2 - Monolitiskt integrerad krets - Google Patents

Description

9-1 flâ Ch OJ O\ CD Dessa syften uppnås enligt föreliggande uppfinning medelst mo- nolitiskt integrerade kretsar i enlighet med bifogade patent- krav.

Genom att åstadkoma en monolitisk integrerad krets, särskilt en integrerad krets för radiofrekvenstillämpningar, innefat- tande en transistor och en spiralinduktor, där spiralinduktorn är anordnad ovanpå transistorn, sparas värdefull chipsyta.

Transistorn har en fingertypsutformning för att förhindra var- je betydande virvelström orsakad av elektromagnetisk koppling mellan spiralinduktorn och transistorn från att uppträda.

Ytterligare särdrag hos uppfinningen och fördelar med densamma kommer att bli uppenbara från den detaljerade beskrivningen av föredragna utföringsformer av föreliggande uppfinning given här nedan och de medföljande fig. 1-5, vilka endast är illu- strerande, och skall således icke vara begränsande för före- liggande uppfinning.

Kort beskrivning av ritningarna Fig. l är en kraftigt förstorad schematisk utformning av en monolitiskt integrerad krets enligt en föredragen utförings- form av föreliggande uppfinning.

Fig. 2a är en kraftigt förstorad schematisk utformning av en transistorcell innefattad i en transistor hos den monolitiskt integrerade kretsen i fig. 1.

Fig. 2b är en kraftigt förstorad tvärsektionsvy av transistor- cellen i fig. 2a tagen längs linjen A-A, varvid ett passive- ringsskikt och del av en induktor innefattad i den monolitiskt integrerade kretsen i fig. 1 visas.

Fig. 3 är ett kretsdiagram av en krets enligt en ytterligare föredragen utföringsform av uppfinningen. 526 360 Fig. 4 och 5 är var och en en kraftigt förstorad schematisk utformning av en monolitiskt integrerad krets enligt en re- spektive ytterligare föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer En monolitiskt integrerad krets enligt en första föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning visas schematiskt i fig. 1. Kretsen, som är särskilt avsedd för RF-tillämpningar innefattar en transistor ll och spiralinduktor 12 anordnad ovanpå transistorn ll på ett halvledarchipssubstrat, företrä- desvis av kisel. Transistorn ll, som i denna utföringsform är en LDMOS-effekttransistor, har en fingertypsutformning och in- nefattar ett antal styrefingrar l3a-f, anordnade parallellt.

På liknande vis är ett antal ledande kollektorfingrar l4a-c anordnade mellan styrefingrarna l3a-f för att bilda en samman- flätad struktur. Ett dopat, utsträckt emitterområde är bildat i substratet under var och en av kollektorfingrarna l4a-c.

Styrefingrarna l3a-f är anslutna till varandra via en gemensam styreanslutning 15 vid en första sida av transistorn ll, medan kollektorfingrarna l4a-c är anslutna till varandra via en ge- mensam kollektoranslutning 16 vid en andra sida av transistorn ll belägen i huvudsak motsatt den första sidan. Emittern hos LDMOS-transistorn är ansluten vid bottnen eller baksidan av chipssubstratet. Utsträckta, dopade emitterområden är bildade i substratet mellan styrefingrarna 13b och l3c och mellan sty- refingrarna l3d och l3e så att emitterfingrar/områden och kol- lektorområden är, sett från ovan, alternerande anordnade mel- lan varje par av intilliggande styrefingrar l3a-f.

Strukturen kan repeteras för att bilda en LDMOS-transistor ll med många fler styre- och kollektorfingrar/områden och emit- terområden är vad som illustreras i fig. 1. 526 360 4 Vidare kan LDMOS-transistorn 11, i stället för att vara anslu- ten på baksidan av chipssubstratet, innefatta ett ledande emitterfinger ovanpå vart och ett av emitterområdena, där des- sa emitterfingrar är anslutna till varandra på liknande sätt som styrefingrarna l3a-f eller kollektorfingrarna l4a-c är sammankopplade.

Chipsytan som behövs av kretsen innefattande transistorn och induktorn reduceras kraftigt medelst föreliggande uppfinning.

Om de laterala dimensionerna hos transistorn och induktorn är av liknande storlek reduceras chipsytan som behövs medelst en faktor två. Ytbesparandet beror självfallet på den särskilda kretskonstruktionen, men det är väldigt vanligt för effektför- stärkaranordningar att transistorn och spiralinduktorn är av liknande storlek, och också den dominerande delen av kretsen eller chipset.

Den monolitiskt integrerade kretsen är företrädesvis fram- ställd i en konventionell kiselbaserad IC-process, t.ex. en BiCMOS- eller CMOS-process av standardslag, och behöver inte använda processteg, som är komplexa och komplicerade, eller icke-kompatibla med konventionell IC-processning, eller som innefattar ett överdrivet antal steg. Induktorn är typiskt framställd i några av metallskikten bildade i en sådan pro- cess. Således motsvarar det vertikala avståndet mellan tran- sistorn 11 och induktorn 12 typiskt tjockleken hos ett passi- veringsskikt bildat mellan transistorn och metalliseringsskik- ten. Om induktorn framställs i något av de övre metallskikten, vilket är föredraget för att undvika direkt kortslutning och minimera magnetisk koppling till den underliggande transis- torn, kan den vertikala separationen vara större tack vare tjocklekarna hos de nedre metallskikten och deras mellanlig- gande dielektriska skikt. Det vertikala avståndet mellan tran- sistorn ll och induktorn 12 är företrädesvis mindre än 25 mik- 526 360 rometer, mera företrädesvis mindre än 10 mikrometer och mest föredraget mindre än några få mikrometer.

Medan arrangemanget i fig. 1 sparar värdefull chipsyta är en oönskad elektromagnetisk koppling mellan de två anordningarna svår att undvika. En cirkulär ström liknande strömmen i spi- ralinduktorn 12 men i motsatt riktning komer högst sannolikt att induceras i transistorn ll.

Fingertypsutformningen hos transistorn 11 är viktig för att förhindra varje betydande cirkulär eller virvelström orsakad av den elektromagnetiska kopplingen från att flyta, vilket skulle vara katastrofalt för kretsens funktion. Således, medan en godtyckligt vald transistorutformning inte skulle fungera tillförlitligt, förhindrar fingertypsutformningen, där smala fingrar av motsatt ledningstyp (P, N) är alternerande anordna- de i eller på ytan av chipssubstratet, vilket hindrar varje virvelström från att flyta.

En kraftigt förstorad schematisk utformning av en minimitran- sistorcell innefattad i transistorn ll hos den monolitiskt in- tegrerade kretsen i fig. l visas i fig. 2a. Cellen innefattar ett centralt kollektorfinger l4a och två styrefingrar l3a-b anordnade på var sida om det centrala kollektorfingret l4a.

Utanför vart och ett av styrefingrarna l3a-b är ett respektive jonimplanterat emitterområde 2la-b bildat.

Transistorcellen i fig. 2a är i fig. 2b illustrerad i tvärsek- tionsvy tagen längs linjen A-A. Chipset innefattar ett sub- strat 22, i en övre del av vilket ett N+ dopat kollektorområde 23 är bildat. Emitterområdena 2la-b är separerade från det N+ dopade kollektorområdet 23 av P+ dopade sinkerområden 24. Ett dielektriskt passiveringsskikt 25 bilat ovanpå strukturen och del av en induktor 26 bildad därpå i något av kretsens metal- liseringsskikt indikeras likaledes. Kontakter från metallise- 526 360 ringsskikten ned till kollektorfinger l4a och styrefingrarna 13a-b kan utföras på varje konventionellt sätt via hål som fylls med ledande material. Emitterområdena 2la-b är typiskt elektriskt anslutna till de P+ dopade sinkeromrâdena 24 me- delst metallskiktskontakter på substratytan. Emitterområdena 2la-b är, via dessa metallskiktskontakter, typiskt anslutna på baksidan av substratet som beskrivits ovan.

Det skall inses av fackmannen inom området att en större tran- sistoranordning som vanligtvis används i RF-effektförstärkare innefattar ett stort antal av minimitransistorcellen som visas i fig. 2a-b.

Ett kretsdiagram av en monolitiskt integrerad standardeffekt- förstärkare som arbetar i klass A, för vilken uppfinningen kan användas, illustreras i fig. 3. De flesta effektförstärkare har liknande element, även om de inte arbetar i klass A. Ef- fektförstärkaren innefattar en transistor ll, en spiralinduk- tor 12, en DC-blockeringskondensator och en tankkrets 32 inne- fattande en induktor L, en kondensator C och en resistor R.

Transistorn ll är av fingertyp enligt ovan och är ansluten till induktorn 12 och kondensatorn 31 för att blockera RF- re- spektive DC-ström. Tankkretsen 32 avstäms till resonansfre- kvens så att lasten blir resistiv. Induktorn 12, såväl som kondensatorn 31, måste vara stora för att fungera tillfreds- ställande. Induktorn 12 är anordnad ovanpå transistorn ll på chipset enligt någon annan av de föredragna utföringsformerna i denna beskrivning.

Virvelströmmar i allmänhet kommer att uppträda i varje skikt som har betydande konduktivitet i transistorn. Dessa innefat- tar i viktighetsordning: den gemensamma styre- respektive den gemensama kollektoranslutningen, och valfritt, om emittern inte ansluts på baksidan om substratet, en gemensam emitteran- 526 360 7 slutning, substratet, inversionsskiktet, emitter- och kollek- tordifunderingar, d.v.s. dopade emitter- och kollektorområden och styret. För en fingertypseffektförstärkartransistor är emellertid styret och inversionsskikten oviktiga, eftersom de inte tillåter någon cirkulär ström av betydande radie. För att minska virvelströmmarna i emitter- och kollektordifunderingar- na och i de gemensamma styre-, kollektor- och valfritt emit- teranslutningarna och göra dem obetydande, täcker induktorn endast fingrarna hos transistorerna såsom sett från ovan.

Slutligen, kommer substratet alltid att ge en slutlig begräns- ning av induktorns Q-värde, men andra bidrag undviks eller minskas genom föreliggande uppfinning.

En kraftigt förstorad schematisk utformning av en monolitiskt integrerad krets enligt ytterligare en föredragen utförings- form av föreliggande uppfinning illustreras i fig. 4. Transis- torn ll innefattar, såsom ovan, styrefingrar 13a-f anslutna till varandra genom en gemensam styreanslutning l5 och kollek- torfingrar l4a-c anslutna till varandra genom en gemensam kol- lektoranslutning 16. Denna utföringsform innefattar emellertid en något mindre spiralinduktor 41. Spiralinduktorn är anordnad så att den täcker åtminstone en del av ett flertal 13b-d av styrefingrarna 13a-f sett från ovan och lämnar de gemensamma styre- respektive kollektoranslutningarna 15 respektive 16 otäckta sett från ovan. Företrädesvis skall ett minimalt antal lindningar parallella med transistorfingrarna placeras direkt ovanför ett finger, eftersom virvelströmmar längs fingrarna är mer problematiska än virvelströmmar som flyter vinkelrätt mot transistorfingrarna.

En kraftigt förstorad schematisk utformning av en monolitiskt integrerad krets enligt ännu en föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning illustreras i fig. 5. Den integrerade kretsen innefattar multipla spiralinduktorer 52, 53 anordnade (_71 I x) U\ LN ON 3 ovanpå en lång och smal transistor 51, varvid virvelströmmar fortfarande undvikes. Den illustrerade transistorn 51 innefat- tar styrefingrar l3a-k och samanflätade kollektorfingrar 14a-f. Styrefingrarna 13a-k är anslutna till den gemensamma styreanslutningen 15 och kollektorfingrarna l4a-f är anslutna till den gemensamma kollektoranslutningen 16. Emittrarna är anslutna på baksidan av chipset.

Det skall inses att medan föreliggande uppfinning primärt är avsedd för kiselbaserade, integrerade RF-effektkretsar kan den icke desto mindre realiseras i andra materialsystem, såsom t.ex. GaAs och/eller för andra typer av tillämpningar.

Det skall vidare inses att transistorn 11 är fullt utbytbar mot en bipolär transistor eller en MOS-transistor som har en fingertypsutformning utan att avvika från föreliggande uppfin- ning. Om den bipolära transistorn är en vertikal transistor, är strömmarna som används under drift huvudsakligen vertikala, vilket gör funktionen mera opåverkad av laterala, cirkulära och virvelströmar. Fingertypsutformningen minimerar i varje fall dessa laterala strömmar.

Claims (6)

526 360 Patentkrav

1. Monolitiskt integrerad krets, särskilt en integrerad krets för radiofrekvenstillämpningar, innefattande en transis- tor och en spiralinduktor, k ä n n e t e c k n a d a v att - nämnda spiralinduktor (l2; 26; 41; 52, 53) är anordnad ovanpå nämnda transistor (11; 51), varigenom en elek- tromagnetisk koppling mellan nämnda spiralinduktor och nämnda transistor erhålles, och - nämnda transistor har en fingertypsutformning (l3a-k, 14a-f) för att förhindra varje betydande virvelström orsakad av nämnda elektromagnetiska koppling från att uppträda.

2. Integrerad krets enligt krav 1, varvid en lateral di- mension hos nämnda spiralinduktor och en lateral dimension hos nämnda transistor är av sama storleksordning.

3. Integrerad krets enligt krav 1 eller 2, varvid nämnda spiralinduktor och nämnda transistor har liknande laterala ut- sträckningar.

4. Integrerad krets enligt något av kraven 1-3, varvid nämnda spiralinduktor (12) är bildad i metalliseringsskikt, företrädesvis övre metalliseringsskikt, i nämnda integrerade krets, där nämnda metalliseringsskikt är separerade från nämn- da transistor endast genom ett passiveringsskikt (25).

5. Integrerad krets enligt något av kraven 1-4, varvid ett vertikalt avstånd mellan nämnda transistor (11) och nämnda spiralinduktor (12) är mindre än 25 mikrometer, företrädesvis mindre än 10 mikrometer, och mest företrädesvis mindre än någ- ra få mikrometer.

6. 10 Integrerad krets enligt något av krav l-5, varvid nämn- da transistor är en RF-effektförstärkartransistor och nämnda spiralinduktor är en RF-blockeringsinduktor. 7O nämnda 9. Integrerad krets enligt något av kraven l-6, varvid transistor är en LDMOS-transistor. Integrerad krets enligt något av kraven 1-7, varvid nämnda transistor innefattar multipla styre- respektive multipla kollektorfingrar; och nämnda spiralinduktor täcker åtminstone en del av ett flertal av nämnda multipla styrefingrar sett från ovan, och lämnar gemensama styre- och kollektoranslutningar (15, 16), som ansluter nämnda multipla styre- respekti- ve kollektorfingrar, otäckta sett från ovan. Integrerad krets enligt något av kraven l-8, varvid nämnda integrerade krets innefattar multipla spiralinduktorer anordnade ovanpå nämnda transistor.