Brevet FR2798220A1 — publié le 20010309

INDUCTANCE ET PROCEDE DE FABRICATION La présente invention concerne une inductance et un procédé de fabrication de celle-ci. La présente invention concerne plus particuliè- rement une inductance à semiconducteur radiofréquence (RF) ayant moins de pertes de substrat, et un procédé de fabrication de celle-ci. De façon générale, on forme une inductance sur un substrat sans pertes, tel qu'un substrat en arséniure de gallium ou un substrat en saphir qui a un effet d'isolation prometteur, pour obtenir un faible courant de substrat induit. On peut donc obtenir une qualité élevée de l'induc- tance, pour permettre un fonctionnement en radiofréquence (RF). Cepen- dant, du fait qu'un substrat en arséniure de gallium ou un cristal de sa- phir est coûteux, on utilise de façon caractéristique un substrat en sili- cium pour réduire le coût. Bien qu'elle permette d'obtenir un faible coût de fabrication, I'utilisation de la technologie du silicium pour fabriquer I'inductance sur un substrat en silicium conduit à une consommation d'énergie plus élevée. A l'heure actuelle, on a développé des procédés pour résoudre le problème de la consommation d'énergie élevée lors- qu'on utilise un substrat en silicium. On a proposé par exemple l'utilisa- tion d'un enlèvement local de substrat ou d'un plan de masse comportant des fentes. Cependant, ces procédés ne sont pas très pratique et l'effet est limité. La présente invention procure une inductance formée sur un substrat en silicium qui peut réduire effectivement le courant induit dans le substrat, pour réduire ainsi les pertes de substrat. De plus, I'invention procure une inductance qui a une valeur d'inductance plus élevée et une plus faible résistance. De plus, il est possible de minimiser la valeur de la capacité parasite de l'inductance et il est possible d'augmenter la fréquence d'oscillation de résonance de 2 2798220 I'inductance jusqu'à une valeur optimale. Pour obtenir ces avantages, ainsi que d'autres, et conforme- ment au but de l'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon générale, I'invention procure une inductance à semiconducteur. Il existe un substrat en silicium d'un premier type de conductivité. Une couche conductrice en spirale est formée sur le substrat en silicium. La couche conductrice en spirale a de multiples spires avec une borne à chaque extrémité. Une extrémité de la couche conductrice en spirale est connectée à une borne d'entrée, tandis que l'autre extrémité est con- nectée à une borne de sortie. La couche conductrice en spirale peut être en aluminium ou en cuivre. Une région dopée d'un second type de con- ductivité est formée dans le substrat, sous la surface du substrat. Une région dopée du premier type de conductivité est ensuite formée dans le substrat autour de la région dopée du second type de conductivité. La région dopée du premier type de conductivité est séparée par un espace de la région dopée du second type de conductivité, sans être directement en contact. Une polarisation inverse est appliquée pour connecter élec- triquement la région dopée du premier type de conductivité et la région dopée du second type de conductivité. Une région de désertion est ainsi formée entre les régions dopées des premier et second types de conduc- tivité. En vue de dessus, la région dopée du second type de conductivité a une forme en nappe, tandis que la région dopée du premier type de conductivité a une forme en anneau entourant la région dopée du second type de conductivité. Pour obtenir ces avantages, ainsi que d'autres, et conformé- ment au but de l'invention, telle qu'elle est mise en oeuvre et décrite ici de façon générale, l'invention procure également un procédé de fabrica- tion d'une inductance à semiconducteur. On fournit un substrat en sili- cium d'un premier type de conductivité. On forme une couche conductrice en spirale sur le substrat en silicium. La couche conductrice en spirale a de multiples spires avec une borne à chaque extrémité. Une extrémité de la couche conductrice en spirale est connectée à une borne d'entrée, tandis que l'autre extrémité est connectée à une borne de sortie. On peut former la couche conductrice en spirale en aluminium ou en cuivre. On forme dans le substrat, sous la surface de celui-ci, une région dopée d'un second type de conductivité. On forme ensuite dans le substrat une ré- gion dopée du premier type de conductivité, autour de la région dopée du second type de conductivité. La région dopée du premier type de con- ductivite est séparée par un espace de la région dopée du second type de conductivité, et elles ne sont pas en contact direct. On applique une polarisation inverse pour connecter électriquement la région dopée du premier type de conductivité et la région dopée du second type de con- ductivité. Une région de désertion est ainsi formée entre les régions do- pées des premier et second types de conductivité. En vue de dessus, la région dopée du second type de conductivité a une forme en nappe, tan- dis que la région dopée du premier type de conductivité a une forme en anneau entourant la région dopée du second type de conductivité. L'invention procure également un procédé de fabrication d'une inductance. On fournit un substrat en silicium d'un premier type de con- ductivité. On forme une couche conductrice en spirale sur le substrat en silicium. La couche conductrice en spirale a de multiples spires avec une borne à chaque extrémité. Une extrémité de la couche conductrice en spirale est connectée à une borne d'entrée, tandis que l'autre extrémité est connectée à une borne de sortie. La couche conductrice en spirale peut être en aluminium ou en cuivre. On forme dans le substrat, sous la couche conductrice en spirale, une couche dopée du premier type de conductivité. La concentration de dopants dans la couche dopée est plus élevée que la concentration dans le substrat en silicium. La couche do- pée a de préférence une profondeur de quelques micromètres (um) et une concentration en dopants d'environ 5 x 1019 atomes/cm3. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La suite de la des- cription se réfère aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1A est une vue de dessus schématique montrant une inductance conforme à un premier mode de réalisation de l'invention; La figure 1B est une coupe schématique selon une ligne [-I sur la figure 1A; La figure 2A est une vue de dessus schématique montrant une inductance conforme a un second mode de réalisation de l'invention; et La figure 2B est une coupe schématique selon une ligne I[-[I sur la figure 2A. Chaque fois que c'est possible, on utilise les mêmes références numériques dans les dessins et la description pour désigner les éléments identiques ou semblables. La figure 1A est une vue de dessus schématique montrant une inductance conforme à un premier mode de réalisation de l'invention. La figure 1B est une coupe schématique selon une ligne I-I sur la figure 1A. Comme représenté sur les figures 1A et 1B, il existe un substrat 10, tel qu'un substrat en silicium de type p ou de type n. Une couche d'isolation 12, de préférence une couche de dioxyde de silicium (SiO2), est formée sur le substrat 10. Une couche conductrice en spirale 14, consistant en aluminium ou en cuivre, est formée sur la couche d'isolation 12. La cou- che conductrice en spirale 14 comprend de multiples spires formant une structure en spirale 14a ayant une première extrémité 14b et une se- conde extrémité 14c. La première extrémité 14b de la structure en spirale 14a est connectée à une borne d'entrée 16 par l'intermédiaire d'une cou- che conductrice inférieure 20 et d'une interconnexion 14d. La seconde extrémité 14c est connectée à une borne de sortie 18 par l'intermédiaire d'une autre interconnexion 14e. Selon une variante, la première extrémité 14b est connectée à la borne de sortie 18 par l'intermédiaire de la cou- che conductrice inférieure 20 et de l'interconnexion 14d, et la première extrémité 14c est connectée à la borne d'entrée 16 par l'intermédiaire de l'interconnexion 14e. La couche conductrice inférieure 20 est formée à I'intérieur de la couche d'isolation 12. Comme représente sur la figure 1B, une région implantée ou dopée 22 est formée dans le substrat en silicium 10, dans une région de surface. Le type de conductivité de la région dopée 22 est opposé à celui du substrat en silicium 10. Par exemple, la région dopée 22 peut être une région dopée de type N lorsqu'on utilise un substrat 10 de type P, ou une région dopée de type P* lorsqu'on utilise un substrat 10 de type N. Une seconde région dopée 24 ayant le même type de conductivité que le substrat en silicium 10, telle qu'une région dopée de type P' ou une re- gion dopée de type N+, est formée dans le substrat 10 de façon à entou- rer la première région dopée 22 au-dessous de la surface à nu du subs- trat. Comme indiqué, la concentration de dopage des première et se- conde régions dopées 22 et 24 est supérieure à celle du substrat en sili- cium 10. De plus, la seconde région dopée 24 est séparée par un espace de la première région dopée 22. En vue de dessus, la première région dopée 22 forme une structure semblable à une nappe, tandis que la se- conde région dopée 24 forme une structure semblable à un anneau en- tourant la première région dopée 22. Une polarisation inverse Vs est ap- pliquée entre la première région dopée 22 et la seconde région dopée 24. Par exemple, une tension positive est appliquée à la première région do- pée 22 et une tension négative est appliquée à la seconde région dopée 24. Selon une variante, la seconde région dopée 24 est reliée à la masse, comme représenté sur la figure 1B. L'application d'une polarisa- tion inverse crée une région de désertion 26 au-dessous de la première région dopée 22 et dans l'espace entre les régions dopées 22 et 24. La partie de la région de désertion 26 qui se trouve au-dessous de la pre- mière région dopée 22 a une profondeur qui est de préférence comprise entre 0,5 et 18,um. La région de désertion 26 est d'une importance spé- ciale dans l'invention, du fait que la région de désertion 26 est une cou- che effective pour blinder l'inductance en spirale 14 vis-a-vis du substrat en silicium 10. Par conséquent, le courant induit dans le substrat en sili- cium 10 est réduit et une plus faible quantité d'énergie est consommée. Les Tableaux 1 à 4 indiquent les résultats de simulation de l'inductance fabriquée conformément au premier mode de réalisation de l'invention. Les résultats sont obtenus en utilisant un logiciel de simula- tion électromagnétique de type tridimensionnel, écrit par une société des E.U.A., SONNET EM Corporation. L'inductance est soumise à une gamme de fréquences de fonctionnement, dans des conditions dans lesquelles la région de désertion 26 atteint une gamme de profondeurs. Des valeurs de la résistance effective résultante, Reff, sont également indiquées dans les tableaux. Une plus faible résistance effective Reff signifie que les pertes dues à l'inductance, à l'intérieur du substrat, sont plus faibles et que les performances de l'inductance sont meilleures. On peut aisément noter d'après les Tableaux 1 à 4 que plus la région de désertion 26 est épaisse, plus la valeur de la résistance effective Reff est faible. Tableau 1: Valeurs de la résistance effective pour une induc- tance de 0,15 nH fonctionnant avec diverses fréquences et diverses profondeurs de couche de désertion, dans le cas o la couche conduc- trice en spirale de l'inductance est constituée par un métal idéal, sans pertes. Inductance de 0,15 nH Un métal idéal Fréquence Profondeur de la région de désertion (.m) (GHz) 0 6 12 1 18 0,80 1,00 _ 0,00152 (ohm) 0,00099 (ohm) 1,20 0,00313 (ohm) 0,00284 (ohm) 0,00199 (ohm) 1,40 0,00601 (ohm) 0,00429 (ohm) 0,00332 (ohm) 1,60 0,01051 (ohm) 0,00777 (ohm) 0,00559 (ohm) 1,80 0,02408 (ohm) 0,01279 (ohm) 0, 00950 (ohm) 2,00 0,02288 (ohm) 0,01805 (ohm) 0,01371 (ohm) 2,20 0,04019 (ohm) 0,02991 (ohm) 0,02200 (ohm) 2,40 0,07068 (ohm) 0,04907 (ohm) 0, 03937 (ohm) 0,04019 (ohm) Tableau 2: Valeurs de la résistance effective pour une induc- tance fonctionnant avec diverses fréquences et diverses profondeurs de couche de désertion, dans le cas o la couche conductrice en spirale de l'inductance est constituée par de l'aluminium avec une épaisseur de 0,6 JLm. Aluminium I 0,6 p.m d'épaisseur Fréquence Profondeur de la région de désertion (im) (GHz) 0 6 12 18 0,80 0,33831 (ohm) 0,33730 (ohm) 0,33601 (ohm) 0,33856 (ohm 1,00 0,35635 (ohm) 0,35359 (ohm) 0,36050 (ohm) 0,35017 (ohm) 1,20 0,37694 (ohm) 0, 37592 (ohm) 0,39884 (ohm) 0,37263 (ohm) 1,40 0,41130 (ohm) 0,41053 (ohm) 0,40477 (ohm) 0,40149 (ohm) 1,60 0,45415 (ohm) | 0,44829 (ohm) 0, 44470(ohm) 0,43907(ohm) 1,80 0,51341 (ohm) 0,50526 (ohm) 0,50217 (ohm) 0, 49009 (ohm) 2,00 0,59576 (ohm) 0,56801 (ohm) 0,55596 (ohm) 0,55019 (ohm) 2,20 0,69877 (ohm) 0,66499 (ohm) 0,65083 (ohm) 0,63516 (ohm) 2,40 0,84768 (ohm) 0,79094 (ohm) 0,76499 (ohm) 0,74907 (ohm) Tableau 3: Valeurs de la résistance effective pour une induc- tance fonctionnant avec diverses fréquences et diverses profondeurs de couche de désertion, dans le cas o la couche conductrice en spirale de l'inductance est constituée par du cuivre avec une épaisseur de 1,0 um. Cuivre / Epaisseur de 1,0,Lm Fréquence Profondeur de la région de désertion (um) (GHz) 0 | 6 12 18 0,80 0,15666 (ohm) 0,15765 (ohm) 0,15685 (ohm) 0,15775 (ohm) 1,00 0,15636 (ohm) 0,16698 (ohm) 0,16995 (ohm) 0,16489 (ohm) 1,20 0,18074 (ohm) 0, 18015 (ohm) 0,22573 (ohm) 0,17710 (ohm) 1,40 0,20117 (ohm) 0,20204 (ohm) 0,19686 (ohm) 0,19399 (ohm) 1,60 0,23744 (ohm) 0,22319 (ohm) 0,21961 (ohm) 0,21560 (ohm) 1,80 0,25898 (ohm) 0,25778 (ohm) 0,25233 (ohm) 0,24473 (ohm) 2,00 0,30700 (ohm) 0,29425 (ohm) 0,28405 (ohm) 0,27862 (ohm) 2,20 0, 37467 (ohm) 0,35231 (ohm) 0,34243 (ohm) 0,32657 (ohm) 2,40 0,46110 (ohm) 0,42882 (ohm) 0,40530 (ohm) 0,39166 (ohm) Tableau 4: Valeurs de la résistance effective pour une induc- tance fonctionnant avec diverses fréquences et diverses profondeurs de couche de désertion, dans le cas o la couche conductrice en spirale de l'inductance est constituée par du cuivre avec une épaisseur de 2,0 u.m. Cuivre / Epaisseur de 2,0 um Frequence Profondeur de la région de désertion (um) (G Hz) 0] 6 [ 12 18 0,80 0,10146 (ohm) 0,10443 (ohm) 0,10161 (ohm) 0,10211 (ohm) 1,00 0,10813 (ohm) 011373 (ohm) 0,11152 (ohm) 0,10812 (ohm) 1,20 0,12065 (ohm) 0,13037 (ohm) 0,17716 (ohm) 0,11760 (ohm) 1,40 0,13715 (ohm) 0,14694 (ohm) 0, 13315 (ohm) 0,13022 (ohm) 1,60 0,16580 (ohm) 0,16648 (ohm) 0,14956 (ohm) 0,14606 (ohm) 1,80 0,18206 (ohm) | 0,19540 (ohm) 0,17550 (ohm) 0,16821 (ohm) 2,00 0,22472 (ohm) 0,23686 (ohm) 0,19833 (ohm) 0:19302 (ohm) 2,20 0, 28832 (ohm) 0,28160 (ohm) 0,24549 (ohm) 0,22853 (ohm) 2,40 0,34452 (ohm) 0,35207 (ohm) 0,29049 (ohm) 0,27703 (ohm) La figure 2A est une vue de dessus schématique montrant une inductance conforme à un second mode de réalisation de l'invention. La figure 2B est une coupe schématique selon une ligne 11-1! sur la figure 2A. Comme représente sur les figures 2A et 2B, il existe un substrat 30, tel qu'un substrat en silicium de type p. Une couche d'isolation 32, de préférence une couche de dioxyde de silicium, est formée sur le substrat 30. Une couche conductrice en spirale 34, consistant en aluminium ou en cuivre, est formée sur la couche d'isolation 32. La couche conductrice en spirale 34 comprend de multiples spires formant une structure en spirale 34a ayant une première extrémité 34b et une seconde extrémité 34c. La première extrémité 34b de la structure en spirale 34a est connectée à une borne d'entrée 36 par l'intermédiaire d'une couche conductrice infé- rieure 40 et d'une interconnexion 34d. La seconde extrémité 34c est con- nectee à une borne de sortie 38 par l'intermédiaire d'une autre intercon- nexion 34e. Selon une variante, la première extrémité 34b est connectée à la borne de sortie 38, et la seconde extrémité 34c est connectée à la borne d'entrée 36. La couche conductrice inférieure 40 est formée à l'in- térieur de la couche d'isolation 32. Comme représenté sur la figure 2B, une couche dopée 42, telle qu'une région dopée de type P+, est formé dans la substrat sous la sur- face à nu du substrat, au-dessous de la couche conductrice en spirale 34, par une implantation ionique. Le type de conductivité de la couche dopée 42 est identique à celui du substrat en silicium 30, mais la con- centration de dopage dans la région dopée 42 est plus élevée que celle dans le substrat en silicium 30. La couche dopée 42 a de préférence une concentration de dopage d'environ 5 x 1019 atomes/cm3 et une profon- deur de quelques micromètres. Le but de l'incorporation d'une couche dopée 42 est d'isoler l'inductance en spirale 34 par rapport au substrat en silicium 30, de façon à réduire le courant induit dans le substrat 30, et donc la quantité d'énergie qui est gaspillée pendant le fonctionnement. Par exemple, si la couche dopée 42 a une profondeur d'environ 2,0 um, la résistance effective Reff équivaut grossièrement à la formation d'une couche de désertion de 6,0 p.m d'épaisseur dans le premier mode de réa- lisation. Le Tableau 5 montre les résultats de simulation de l'inductance fabriquée conformément au second mode de réalisation de l'invention. Tableau 5: Valeurs de la résistance effective pour une induc- tance de 0,15 nH fonctionnant avec diverses fréquences et profondeurs de couche de désertion, dans le cas dans lequel la couche conductrice en spirale de l'inductance est en cuivre d'une épaisseur de 2,0 p.m. Inductance de 0,15 nH Cuivre / Epaisseur de 2,0 urm Fréquence (GHz) Profondeur de la couche dopée 2,0 um Transinductance 5 x 104 S/m 0,80 0, 10443 (ohm) 1,00 0, 1 1 3 7 3 (ohm) 1,20 0,13037 (ohm) 1,40 0,14694 (ohm) 1,60 0,16648 (ohm) 1,80 0,19540 (ohm) 2,00 0,23686 (ohm) 2,20 0,28160 (ohm) 2,40 0,35207 (ohm) Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être ap- portees au dispositif et au procéde décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS i. Inductance capable de réduire les pertes d'énergie dans un substrat sous-jacent, caractérisée en ce qu'elle comprend: un substrat (30) d'un premier type de conductivité; une couche conductrice en spirale (34) formée sur le substrat (30), la couche conductrice en spirale (34) ayant une multiplicité de spires avec une première extremité (34b) et une seconde extrémité (34c), de façon que la premiere extremite (34b) soit connectée à une borne d'entrée (36), tandis que la seconde extrémite (34c) es: connectée à une borne de sortie (38); et une couche dopée (42) du premser type de conductivité sous une surface à nu du substrat (30), audessous de la couche conductrice en spirale (34), la concentration de dopants dans la couche dopée (42) étant plus élevée que la concentra- tion de dopants dans le substrat (30). 2. Procédé de fabrication d'une inductance capable de réduire des per:es d'énergie dans un substrat sous-jacent. carac:erise en ce cu'il comprerd les étapes suivantes: on fournit un substrat (30), d'un premier type de conductivité; on forme une couche conductrice en spirale (34) sur le subst.,at (30), la couche conductrice en spirale (34) ayant une multioli- cit de spires avec une première extrémité (34b) et une seconde extreé- mite (34c), de façon que la premieère extrémité soit connectée à une borne d'entrée (36), tandis que la seconde extrémité est connectée a une borne de sortie (38); et on implante des ions pour former une couche co- pée (422 du premier type de conductivité dans le substrat (30), sous la surface àa nu du substrat, au-dessous de la couche conductrice en spioale (34), la concentration de dopage dans la couche dopée (42) étant plus élevée que la concentration de dopage dans le substrat (30). 3.Procedé selon la revendication 2, dans lequel le subs- trat (10. 30) comprend un substrat en silicium 4 Procéde selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'avanr. l'étape de formation de la couche conductrice en spirale (14, 3.) sur le substrat (10, 30), il comprend en outre le dépôt d'un materiau iso- lant sur ie substrat pour former une couche d'isolation (12, 32). Procedé selon la revendication 4, caractrs- en ce cue l'étape de formation de la couche d'isolation (12, 32) comDprend le dépôt de dioxyde de silicium. 6 Procedé selon l'une quelconque des revendications 2 à , caractérisé en ce que la couche conductrice en spirale (14, 34) est formée en utilisant de l'aluminium ou du cuivre. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que la couche dopée (42) dans le substrat (30) a une épaisseur de l'ordre de quelques micromètres (pm). 8. Procéde selon la revendication 2 ou 7, caractérisé en ce que la couche dopée (42) a une concentration de dopants d'environ 5 x 10'9 atomes/cm3. 9. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le substrat (30) du premier type de conductivité est un substrat P-, tandis que la couche dopée (42) du premier type de conductivité est une région P+. Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau pour la formation du substrat (30) comprend du silicium. 11. Inductance selon la revendication 1 ou 10, caractérisée en ce qu'une couche d'isolation (32) supplémentaire est formée entre le substrat (30) et la couche 1 5 conductrice en spirale (34). 12. Inductance selon la revendication 1, 10 ou 11, caractérisee en ce que le matériau pour la formation de la couche d'isolation (32) comprend le dioxyde de silicium. 13. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 et 10-12, caractérisée en ce que le matériau pour la formation de la couche conductrice en spirale (34) comprend l'aluminium ou le cuivre. 14. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 et 11-13, caractérisee en ce que la couche dopée (42) dans le substrat (30) a une épaisseur de l'ordre de quelques micromètres. D5 15. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 et 10-14, caractérisée en ce que la couche dopée (42) a une concentration de dopants d'environ 5 X 1019 atomes/cm3. 16. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 et 10-15, caractérisée en ce que le substrat (30) du premier type de conductivité est un substrat 0o P-, tandis que la couche dopée (42) du premier type de conductivité est une région P+.