Brevet FR2812755A1 — publié le 20020208

INDUCTANCE INf La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés et plus particulièrement la réalisation d'une inductance formée au-dessus d'un substrat semiconducteur. Les figures 1A et 1B représentent, respectivement vu de dessus et en coupe selon la ligne B-B' de la figure 1A, un exemple classique d'une inductance 1 formée au-dessus d'un substrat semiconducteur 2. L'inductance 1 comprend un certain nombre de tours ou spires (au moins une spire) généralement concentriques obtenus par le dépôt d'un élément conducteur sur une couche isolante 3 (figure 1B). La couche isolante 3, par exemple de l'oxyde de silicium, repose sur le dernier niveau de métallisation 4 rapporté sur le substrat 2 après formation de composants intégrés dans ce substrat. Dans l'exemple de la figure 1B, deux autres niveaux de métallisations 5, 6 ont été illustrés en pointillés entre le substrat 2 et le niveau supérieur 4. Chaque niveau est bien sûr séparé du niveau sous-jacent par une couche isolante, respectivement 7, 8. L'élément conducteur de l'inductance 1 est classiquement de largeur et d'épaisseur constantes. I1 est déposé sur la couche isolante 3, sous la forme d'un enroulement à plat depuis une première extrémité interne 10 jusqu'à une deuxième extrémité externe 11. Pour permettre un raccordement de l'inductance 1 au reste du circuit intégré ou à une borne d'un boîtier, il est nécessaire de prévoir une reprise de contact de l'extrémité interne 10 de l'enroulement jusqu'à l'extérieur de cet enrou- lement. Classiquement, cette reprise de contact est obtenue en utilisant un niveau de métallisation sous-jacent (généralement le niveau supérieur 4). On y forme une piste conductrice 12 (généralement rectiligne) entre l'aplomb de l'extrémité interne 10 de l'inductance 1 et l'aplomb d'un plot 13 à l'extérieur de l'enroulement. Le plot 13 est réalisé sur la couche isolante 3 dans le même matériau conducteur que l'enroulement de l'inductance 1. Des vias 14 et 15 (par exemple, en tungstène) relient électriquement l'extrémité 10 et le plot 13 aux extrémités respectives de la piste sous-jacente 12. Dans la réalisation d'une inductance, on cherche généralement à optimiser son facteur de qualité. Parmi les paramètres qui influent sur ce facteur de qualité, la résistance parasite (résistance série) de l'inductance est un paramètre primordial. Pour réduire la résistance de l'élément conducteur au passage du courant, on cherche généralement à maximiser sa section. On augmente alors non seulement l'épaisseur mais également la largeur des spires de l'inductance 1. Un inconvénient est que la reprise du contact de l'extrémité interne de l'enroulement introduit une résistance en série qui annule les effets bénéfiques de l'augmentation de section de cet enroulement. En effet, l'épaisseur des niveaux métalliques sous-jacents à l'enroulement est imposée par la technologie dans laquelle sont fabriqués les autres composants intégrés avec l'inductance. Par exemple, les niveaux de métallisations sont constitués en aluminium déposé sur une épaisseur de 0,8 à 1 um. Le niveau conducteur rapporté sur le dessus de la structure et dans lequel sont réalisées les spires présente, dans le cas de l'aluminium, une épaisseur de l'ordre de 2,5 Mm. Toutefois, pour ne pas nuire à la fabrication du circuit intégré, une telle augmentation d'épaisseur n'est envisageable que sur le dernier niveau déposé. Ce problème se pose quel que soit le nombre de spires de l'inductance et quel que soit les matériaux conducteurs utilisés. En outre, il se rencontre plus généralement à chaque fois que l'on souhaite réaliser un croisement dans un enroulement d'une inductance intégrée. La présente invention vise à proposer une nouvelle inductance en circuit intégré qui pallie les inconvénients des inductances intégrées connues. L'invention vise, plus particulièrement, à résoudre les problèmes liés à la reprise de contact de l'extrémité interne de l'inductance. Plus généralement, l'invention vise à proposer une solution au problème de croisement, par reprise de contact dans un niveau inférieur, d'un enroulement à plat d'une inductance. Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une inductance intégrée, formée d'un enroulement à plat d'au moins une spire en un matériau conducteur au-dessus d'un substrat pourvu d'au moins un niveau conducteur sous-jacent dans lequel est réalisé, par une piste de reprise de contact, au moins un croisement de l'enroulement, la largeur de la spire étant réduite à l'aplomb de ladite piste de reprise de contact. L'invention prévoit également une inductance intégrée, formée d'un enroulement de plusieurs spires, la largeur d'au moins une spire et/ou d'au moins un intervalle séparant deux spires étant réduite à l'aplomb de ladite piste de reprise de contact. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le croisement sert à la reprise de contact d'une extrémité interne de l'enroulement vers un plot externe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le tracé des spires est tel que la spire externe est, au niveau de la reprise de contact, plus proche du centre de l'enroulement que le reste de cette spire externe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la résistance par carré du matériau conducteur constitutif de l'enroulement est sensiblement inférieure à la résistance par carré du niveau conducteur sous-jacent dans lequel est réalisée la reprise de contact, l'épaisseur du matériau conducteur constitutif de l'enroulement étant, de préférence, sensiblement supérieure à l'épaisseur du niveau conducteur sous-jacent. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les écarts, dans l'alignement de la reprise de contact, entre les deux parties d'enroulement raccordées, sont minimisés. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la longueur du ou des tronçons rétrécis, qui est fonction de la largeur de la piste de reprise de contact, est choisie pour être la plus courte possible. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le matériau conducteur est de l'aluminium, le niveau conducteur sous-jacent étant également en aluminium. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit matériau conducteur est du cuivre ayant une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres, le niveau conducteur sous- jacent étant en aluminium d'une épaisseur de l'ordre du micromètre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit niveau conducteur est constitué par le niveau supérieur de métallisation utilisé pour les interconnexions d'autres compo- sants du circuit intégré. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles les figures 1A et 1B décrites précédemment représentent, respectivement de dessus et en coupe, un exemple classique d'une inductance en circuit intégré ; les figures 2A et 2B représentent, respectivement de dessus et en coupe, un mode de réalisation d'une inductance intégrée selon la présente invention ; et les figures 3A et 3B illustrent, par des repré- sentations d'une inductance intégrée, respectivement de dessus et en coupe, des variantes de réalisation de la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments qui sont nécessaires à la compréhension de l'invention ont été représentés aux figures et seront décrits par la suite. En particulier, les composants avec lesquels sont intégrées une ou plusieurs inductances sur le substrat semiconducteur n'ont pas été représentés aux figures et ne font pas l'objet de la présente invention. Une caractéristique de la présente invention est de prévoir un rétrécissement de l'élément conducteur constitutif d'un enroulement d'une inductance intégrée, à l'aplomb d'une piste conductrice sous-jacente permettant, par reprise de contact, un croisement de l'enroulement. Un tel rétrécissement localisé de la ou des spires de l'enroulement permet de réduire la longueur du tronçon sous-jacent de reprise de contact, donc la résistance série de l'inductance. Dans une inductance à plusieurs spires, une caractéristique de l'invention est de prévoir, à l'aplomb de la reprise de contact sous-jacente, un rétrécissement d'au moins une spire de l'élément conducteur et/ou d'au moins un intervalle isolant entre spires. L'invention sera décrite par la suite en relation avec des exemples de reprise de contact d'une extrémité interne de l'enroulement. Toutefois, tout ce qui sera exposé par la suite s'applique plus généralement à un croisement à n'importe quel endroit de l'enroulement. Les figures 2A et 2B représentent, respectivement par une vue de dessus et par une coupe selon la ligne B-B' de la figure 2A, un mode de réalisation d'une inductance intégrée selon la présente invention. De façon classique, une inductance 20 selon l'invention est constituée d'une ou plusieurs spires d'un élément conducteur déposé au-dessus d'un substrat semiconducteur 2 dans lequel ont été formés des circuits intégrés. L'inductance 20 est déposée à plat sur une couche isolante 3 recouvrant le dernier niveau de métallisation 4 du circuit intégré. L'exemple de la figure 2B reprend les mêmes niveaux métalliques 5, 6 et isolants 7, 8 que dans l'exemple décrit précédemment en relation avec la figure 1B. Dans l'exemple de la figure 2A, l'inductance 20 comporte trois spires un quart de forme carrée. Toutefois, une inductance selon l'invention peut présenter une forme quelconque (ronde, ovale ou polygonale) et un nombre de spires également quelconque. Le recours à des tronçons rectilignes simplifie cependant la réalisation. Carme précédemment, on prévoit une reprise de contact de l'extrémité 10 interne de l'enroulement vers un plot 13 externe à cet enroulement. Cette reprise de contact est effectuée au moyen d'une piste conductrice 12' obtenue, par exemple, dans le dernier niveau de métallisation 4 sous-jacent à l'élément conducteur constitutif de l'inductance 20. L'extrémité interne 10 et le plot 13 sont reliés aux extrémités respectives de la piste 12' au moyen de vias 14, 15. En variante, dans un circuit à plusieurs niveaux de métallisations, on peut utiliser plusieurs pistes superposées dans les niveaux de métallisations successifs pour former la reprise de contact. Ces pistes sont alors connectées en parallèle au moyen de vias traversant les différentes couches isolantes 3, 4 et 8. En effet, ces niveaux de métallisation sont disponibles dans la mesure où l'inductance est généralement rapportée sur une partie du substrat dépourvue d'autres composants. Toutefois, cette solution conduit à utiliser des niveaux de plus en plus près du substrat, ce qui accroît les capacités parasites entre l'enroulement et le substrat. Le choix de cette variante dépend du compromis souhaité entre la diminution de la résistance série et l'augmentation de ces capacités. Selon une autre variante, le premier niveau de métallisation utilisé ne sera pas le niveau le plus près de l'enroulement. Dans ce cas, on diminue la capacité parasite entre l'enroulement et la reprise de contact. Selon le mode de réalisation représenté aux figures 2A et 2B, chaque spire 21, 22 ou 23 qui doit passer au-dessus de la piste 12' de reprise de contact présente, à l'aplomb de cette piste 12', un tronçon rétréci, respectivement 21', 22' et 23'. vue de dessus, le rétrécissement 22' de la spire intermédiaire 22 est, par exemple, dans l'alignement du reste du tronçon rectiligne dans lequel il est formé. Les rétrécissements 21' et 23' ne sont alors pas alignés avec le reste des tronçons correspondants des spires 21 et 23 pour rapprocher le plus possible les tronçons 21' et 23' du tronçon 22'. La liaison entre chaque tronçon rétréci et le reste de la spire correspondante peut avoir une forme quelconque (par exemple, oblique corme cela est représenté, ou à angle droit) . Les rétrécissements permettent de réduire la longueur de la piste 12' par rapport à une même piste devant traverser les tronçons 21, 22 et 23 dans leurs portions non- rétrécies. Pour des spires à tronçons rectilignes, les tronçons rétrécis sont parallèles entre eux et, par exemple, perpendiculaires à la piste de reprise de contact dont on veut minimiser la longueur. Par conséquent, un tronçon de reprise de contact selon l'invention présente une résistance inférieure à celle d'un tronçon classique dans la même technologie. En réduisant la résistance du tronçon de reprise de contact, on diminue la résistance série globale de l'inductance et on améliore donc son facteur de qualité. On aurait pu penser qu'en rétrécissant les spires conductrices, on augmente la résistance série des tronçons correspondants d'une ampleur telle que la diminution de longueur de la piste de reprise de contact ne serve à rien. Or, il n'en est rien. Tout d'abord, le rétrécissement prévu par l'invention est localisé et le plus court possible pour minimiser la résistance introduite dans chaque spire. De plus, ce rétrécissement ne s'accompagne pas d'un amincissement, de sorte que la section des tronçons 21', 22' et 23' reste relativement importante (notamment par rapport au niveau sous-jacent). En outre, les inductances intégrées sont généralement utilisées pour des applications haute fréquence où le courant dans l'inductance est essentiellement fonction du périmètre de sa section (effet de peau). Par conséquent, si les spires sont suffisamment épaisses (plus épaisses que larges), l'inductance n'est pas dégradée par les rétrécissements prévus par l'invention. En reprenant l'exemple précédent d'un élément conducteur en aluminium d'une épaisseur de 2,5 um rapporté sur un empilement de niveaux de métallisation en aluminium de 0,8 gm, on peut prévoir un rétrécissement jusqu'à une largeur de 2 /.m (si la résistance série alors introduite le permet) dans des spires ayant pour le reste une largeur donnée comprise, par exemple, entre une et quelques dizaines de lm. Dans une variante (non représentée) où seuls les intervalles entre spires sont rétrécis à l'aplomb de la reprise de contact, la résistance série de l'enroulement n'est pas modifiée. La largeur minimum des tronçons conducteurs de l'inductance des intervalles entre spires est essentiellement liée à la filière technologique utilisée en fonction de l'épaisseur de ces tronçons conducteurs. Par exemple, pour améliorer la conductivité de l'inductance, on utilise également du cuivre qui peut alors être déposé en couche nettement plus épaisse pour réaliser l'inductance. On peut alors obtenir des épaisseurs de cuivre de plusieurs dizaines de gm (par exemple, environ 30 gm). Avec une telle technologie, la largeur minimum et l'espacement sont approximativement de la moitié de l'épaisseur (soit, par exemple, environ 15 jem). La largeur des tronçons non-rétrécis est par exemple, de l'ordre de 30 à 40 gm. Les niveaux de métallisation sous-jacents restent, par exemple, en aluminium. Bien entendu, on pourra jouer sur la nature du matériau et/ou sur son épaisseur. Ce qui est important, c'est que la résistance par carré de l'élément conducteur de l'enroulement soit inférieure à la résistance par carré du niveau de métallisation contenant la reprise de contact. Les figures 3A et 3B illustrent des variantes de réalisation d'une inductance selon l'invention. La figure 3A est une vue de dessus et la figure 3B est une vue en coupe selon la ligne B-B' de la figure 3A. Le mode de réalisation illustré par les figures 3A et 3B est une inductance hexagonale 30 de quatre spires un tiers, formées de tronçons rectilignes. Outre la variante de forme, ce mode de réalisation comprend une autre variante dans la dispo- sition des rétrécissements 31', 32', 33' et 34' des spires 31, 32, 33 et 34 à l'aplomb de la piste 12' de report de l'extrémité interne 10 de l'inductance 30 vers le plot externe 13. Dans le mode de réalisation des figures 3A et 3B, ces rétrécissements sont ramenés le plus près possible de l'extrémité 10 interne de l'inductance 30 alors que dans le mode de réalisation des figures 2A et 2B, ces rétrécissements permettent de resserrer les spires 21 et 23 symétriquement par rapport à la deuxième spire 22. D'autres variantes sont envisageables. Par exemple, on pourra prévoir de resserrer les tronçons rétrécis vers la spire externe 34 plutôt que vers la spire interne 31. Dans ce cas, l'extrémité interne 10 de l'inductance est également rapprochée de la spire externe 34. Selon un autre mode de réalisation non représenté, l'inductance est dite "symétrique,, et comprend un croisement approximativement à équidistance des extrémités de l'enroulement qui sont toutes les deux à l'extérieur de celui-ci. Dans le cas d'un enroulement à plusieurs spires, il y a alors plusieurs croisements, chaque reprise de contact passant sous une seule spire. Un avantage de la présente invention est qu'elle réduit la résistance série de l'inductance par rapport à une inductance classique. De plus, la mise en oeuvre de l'invention réduit les capacités parasites. D'une part en réduisant la longueur de la piste de reprise de contact, on réduit la capacité entre celle-ci et le substrat. D'autre part, en rétrécissant les spires, on réduit la capacité entre l'enroulement et la reprise de contact. Un autre avantage de l'invention est qu'elle diminue la surface de circuit intégré dans laquelle s'inscrit l'inductance. En effet, en resserrant les spires vers l'intérieur au niveau de leur rétrécissement, on rapproche le plot 13 de connexion extérieur, du centre de l'enroulement. Cet avantage ressort en particulier de la figure 3A. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaitront à l'hanne de l'art. En particulier, les dimensionnements respectifs des tron- çons de l'inductance, de leur rétrécissement et de la piste sous- jacente de reprise de contact dépendent de l'application et sont à adapter au cas par cas par l'homme de l'art. En outre, le niveau de reprise de contact pourra être constitué par n'importe quel niveau de métallisation ou de silicium polycristallin, voire par une région du substrat. Enfin, l'enroulement lui-même pourra comprendre plusieurs niveaux conducteurs en parallèles (reliés par des vias) pourvu que l'enroulement présente, au moins dans un de ces niveaux, une résistance linéique inférieure à celle de la reprise de contact. REVENDICATIONS 1. Inductance intégrée (20 ; 30), formée d'un enroulement à plat d'au moins une spire (21, 22, 23 ; 31, 32, 33, 34) en un matériau conducteur au-dessus d'un substrat (2) pourvu d'au moins un niveau conducteur (4) sous-jacent dans lequel est réalisé, par une piste (12') de reprise de contact, au moins un croisement de l'enroulement, caractérisée en ce que la largeur de la spire est réduite à l'aplomb de ladite piste de reprise de contact. 2. Inductance intégrée (20 ; 30), formée d'un enrou- lement à plat de plusieurs spires (21, 22, 23 ; 31, 32, 33, 34) en un matériau conducteur au-dessus d'un substrat (2) pourvu d'au moins un niveau conducteur (4) sous-jacent dans lequel est réalisé, par une piste (12') de reprise de contact, au moins un croisement de l'enroulement, caractérisée en ce que la largeur d'au moins une spire et/ou d'au moins un intervalle séparant deux spires est réduite à l'aplomb de ladite piste de reprise de contact. 3. Inductance selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le croisement sert à la reprise de contact d'une extrémité interne (10) de l'enroulement vers un plot (13) externe. 4. Inductance selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le tracé des spires (21, 22, 23 ; 31, 32, 33, 34) est tel que la spire externe est, au niveau de la reprise de contact (12'), plus proche du centre de l'enroulement que le reste de cette spire externe. 5. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la résistance par carré du matériau conducteur constitutif de l'enroulement est sensiblement inférieure à la résistance par carré du niveau conducteur (4) sous- jacent dans lequel est réalisée la reprise de contact (12'), l'épaisseur du matériau conducteur constitutif de l'enroulement étant, de préférence, sensiblement supérieure à l'épaisseur du niveau conducteur sous-jacent. 6. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que les écarts, dans l'alignement de la reprise de contact, entre les deux parties d'enroulement raccordées, sont minimisés. 7. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la longueur du ou des tronçons rétrécis (21', 22', 23' ; 31', 32', 33', 34'), qui est fonction de la largeur de la piste de reprise de contact (14 '), est choisie pour être la plus courte possible. 8. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le matériau conducteur est de l'aluminium, le niveau conducteur sous-jacent (4) étant également en aluminium. 9. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que ledit matériau conducteur est du cuivre ayant une épaisseur de plusieurs dizaines de micromètres, le niveau conducteur sous-jacent (4) étant en aluminium d'une épaisseur de l'ordre du micromètre. 10. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que ledit niveau conducteur (4) est constitué par le niveau supérieur de métallisation utilisé pour les interconnexions d'autres composants du circuit intégré.