Brevet FR2819938A1 — publié le 20020726

DISPOSITIF SEMI-CONDUCTEUR COMPRENANT DES ENROULEMENTS CONSTITUANT DES INDUCTANCES La présente invention concerne un dispositif semi- conducteur comprenant un circuit intégré, dans lequel sont réalisés des enroulements constituant des inductances, en particulier des inductances couplées magnétiquement de façon à constituer un transformateur. On sait déjà réaliser dans un circuit intégré un transformateur comprenant un enroulement métallique primaire en spirale et un enroulement métallique secondaire en spirale réalisés dans une même couche et dont les spires sont enroulées parallèlement. On sait également réaliser un transformateur à sorties différentielles en formant dans ladite couche deux enroulements métalliques secondaires en spirales, les extrémités intérieures de ces deux enroulements étant connectées par des vias verticaux. Une telle topographie est connue sous le nom "balun". De tels transformateurs sont décrits dans le document 1998 IEEE, page 105. Le but de la présente invention est de proposer, dans un circuit intégré, un circuit métallique susceptible de constituer deux inductances secondaires et une inductance primaire, dont la géométrie permet, lorsqu'il est couplé magnétiquement à cette inductance primaire, de fournir notamment deux signaux d'amplitudes égales et déphasés à 180. Le dispositif semi-conducteur comprend un circuit intégré réalisé dans des couches, sur plusieurs niveaux. Selon l'invention, le dispositif comprend un circuit métallique comprenant deux parties enroulées en spirale qui présentent des extrémités intérieures et des extrémités extérieures entre lesquelles elles comprennent des branches qui s'étendent de part et d'autre d'une zone longitudinale médiane et dont les branches successives sont reliées par des jonctions intermédiaires traversant cette zone longitudinale médiane. 1 Selon l'invention, lesdites parties enroulées en spirales sont formées de telle sorte que les branches de l'une des parties et les branches correspondantes de l'autre partie, s'étendant de part et d'autre de ladite zone longitudinale médiane, sont réalisées dans un même niveau et sont symétriques par rapport à cette zone longitudinale médiane, qu'une jonction commune relie les extrémités intérieures desdites parties et s'étend au travers de ladite zone longitudinale médiane, et que les jonctions intermédiaires entre les branches de l'une des parties passent au-dessus ou en dessous des jonctions intermédiaires entre les branches de l'autre partie. Selon l'invention, le dispositif comprend un moyen de connexion extérieure commun relié à ladite jonction commune et des moyens séparés de connexion extérieure reliés respectivement aux extrémités extérieures. Ainsi, lesdites parties enroulées dudit circuit métallique constituent deux enroulements métalliques secondaires qui sont symétriques et formés entre le moyen de connexion commun et respectivement les moyens séparés de connexion et constituant des inductances symétriques. Selon l'invention, ledit enroulement primaire comprend deux parties enroulées en spirales qui présentent des extrémités intérieures et des extrémités extérieures entre lesquelles elles comprennent des branches qui s'étendent de part et d'autre d'une zone longitudinale médiane et dont les branches successives sont reliées par des jonctions intermédiaires traversant cette zone longitudinale médiane. Selon l'invention, lesdites parties enroulées en spirale sont formées de telle sorte que les branches de l'une des parties et les branches correspondantes de l'autre partie, s'étendant de part et d'autre de ladite zone longitudinale médiane, sont réalisées dans un même niveau et sont symétriques par rapport à cette zone longitudinale médiane, qu'une jonction commune relie les extrémités intérieures desdites parties et s'étend au travers de ladite zone longitudinale 1 médiane, et que les jonctions intermédiaires entre les branches de l'une des parties passent au-dessus ou en dessous des jonctions intermédiaires entre les branches de l'autre partie. Selon l'invention, le circuit primaire comprend des moyens séparés de connexion extérieure reliés respectivement aux extrémités extérieures. Selon l'invention, lesdites branches desdites parties enroulées sont de préférence en forme de U Selon l'invention, les extrémités extérieures desdites parties enroulées sont de préférence placées de façon adjacente. Selon l'invention, lesdites jonctions intermédiaires se croisant sont de préférence telles que l'une est dans le niveau de la partie enroulée correspondante et que l'autre est constituée par un pont présentant une branche dans un autre niveau et des vias de connexion aux branches de la partie enroulée correspondante. Selon l'invention, lesdits moyens de connexion séparés sont de préférence symétriques par rapport à la zone longitudinale médiane et le moyen de connexion commun s'étend le long de cette zone longitudinale médiane. Selon l'invention, lesdits moyens de connexion comprennent de préférence des branches qui s'étendent parallèlement à ladite zone longitudinale médiane, les branches de connexion séparées desdites parties étant réalisées au même niveau que ces parties et la branche de connexion commune étant réalisée à un autre niveau que ces parties et que lesdites jonctions intermédiaires et étant reliée à ladite jonction commune par des vias. Selon l'invention, le dispositif comprend de préférence un écran électrostatique qui s'étend en dessous dudit circuit métallique. La présente invention sera mieux comprise à l'étude d'un dispositif semiconducteur à circuits intégrés comprenant un transformateur à sorties différentielles, décrit à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin sur lequel: - la figure 1 représente un schéma électrique d'un transformateur électrique comprenant un circuit primaire et un circuit secondaire superposés; 1 - la figure 2 représente une vue latérale schématique d'un dispositif semi-conducteur incluant le transformateur de la figure i; - la figure 3 représente une vue de dessus du circuit primaire indclu dans le dispositif semi-conducteur de la figure 2; - la figure 4 représente une vue de dessus du circuit secondaire indclu dans le dispositif semi-conducteur de la figure 2; - la figure 5 représente une vue en perspective d'une jonction incluse dans les circuits précités; - et la figure 6 représente une jonction incluse dans le circuit secondaire précité. En se reportant à la figure 1, on voit qu'on a représenté un transformateur 1 qui comprend un circuit métallique primaire 2 présentant un enroulement couplé magnétiquement à un circuit métallique secondaire 3 à deux enroulements construits pour fournir deux signaux d'amplitude égale et déphasés à 180 entre une sortie commune et deux autres sorties séparées. En se reportant à la figure 2, on voit qu'on a représenté un dispositif semi-conducteur 4 dans lequel sont intégrés, de façon superposée, le circuit primaire et le circuit secondaire pour constituer le transformateur 1, ces circuits étant réalisés par des micro-rubans métalliques. Ce dispositif semi-conducteur présente cinq couches de métallisation formées à des niveaux successifs n, n+l, n+2, n+3, n+4. Comme on va maintenant le décrire, le circuit primaire 2 est réalisé dans les couches n et n+l et le circuit secondaire 3 est réalisé dans les couches n+2, n+3 et n+4. En se reportant en particulier aux figures 2 et 3, on voit que le circuit primaire 2 comprend deux parties métalliques 5 et 6 enroulées en spirales qui présentent des extrémités intérieures 7 et 8 et des extrémités extérieures 9 et 10, chaque partie 5 et 6 comprenant une spire et demi réalisées et disposées de la manière suivante. La partie enroulée 5 présente, à partir de son extrémité intérieure 7 et dans la couche de niveau n+l, une branche 11 en forme de U qui est située sur un premier côté 12a d'une zone longitudinale 1 médiane s'étendant selon un axe longitudinal 12, une branche 13 en forme de U qui s'étend sur le second côté 12b de la zone longitudinale médiane 12 et une branche 14 en forme de U qui s'étend sur le premier côté 12a de la zone longitudinale médiane 12, les branches ci-dessus étant ouvertes du côté de la zone médiane 12. Comme on le décrira plus précisément plus loin, les branches 11 et 13 de la partie enroulée 5 sont reliées par une jonction intermédiaire 15 qui traverse la zone longitudinale médiane 12 et qui s'étend à 45 et les branches 13 et 14 sont reliées par une jonction 16 qui traverse la zone longitudinale médiane 12 et qui s'étend à 45. De la même manière, la partie enroulée 6 comprend, à partir de son extrémité intérieure 8 et dans la couche de niveau n+l, une branche 17 en forme de U située sur le second côté de la zone longitudinale médiane 12, une branche 18 en forme de U située sur le premier côté de la zone longitudinale médiane 12 et une troisième branche 19 en forme de U située sur le second côté de la zone longitudinale médiane 12. Les branches 17 et 18 de la partie enroulée 6 sont reliées par une jonction intermédiaire 20 qui s'étend au travers de la zone longitudinale médiane 12, à 45 et les branches 18 et 19 sont reliées par une jonction intermédiaire 21 qui traverse la zone longitudinale médiane 21, à 45. Les branches de la partie enroulée 5 et les branches correspondantes de la partie enroulée 6 sont disposées symétriquement par rapport à la zone longitudinale médiane 12. Ainsi, les branches 11 et 17, les branches 13 et 18 et les branches 14 et 19 s'étendent symétriquement par rapport à la zone longitudinale médiane 12 et les jonctions intermédiaires 15 et 20 se croisent à 90 et les zones longitudinales médianes 16 et 21 se croisent à 90. Ainsi, la branche 13 de la partie enroulée 5 s'étend entre les branches 17 et 19 de la partie enroulée 6 et la branche 18 de la partie enroulée 6 s'étend entre les branches 11 et 14 de la partie enroulée 5. Comme les branches précitées, la jonction 15 de la partie enroulée 5 et la jonction 21 de la partie enroulée 6 s'étendent dans la couche de niveau n+ 1. 1 Comme le montre plus particulièrement la figure 5, la jonction intermédiaire 16 croise la jonction intermédiaire 21 en formant un pont qui contourne cette jonction intermédiaire 21. Pour celà, la jonction intermédiaire 16 comprend des portions 16a et 16b qui prolongent les branches 13 et 14 dans la couche de niveau n+l et qui sont interrompues à distance de la jonction intermédiaire 21, une branche intermédiaire 22 réalisée dans la couche de niveau n et des vias verticaux 23 et 24 qui rejoignent les extrémités des portions 16a et 16b et les extrémités de la branche intermédiaire 22. Les jonctions intermédiaires 15 et 20 sont disposées de façon à correspondre aux jonctions intermédiaires 16 et 21. Cette fois, c'est la jonction 20 qui est réalisée sous la forme d'un pont. Les extrémités intérieures 7 et 8 des parties enroulées 5 et 6 sont prolongées et reliées directement par une jonction intérieure 25 qui traverse la zone longitudinale médiane 12, perpendiculairement, dans la couche de niveau n+ 1. Les extrémités extérieures 9 et 10 des parties enroulées 5 et 6 sont disposées de façon adjacente dans le voisinage de la zone longitudinale médiane 12 et sont prolongées par des branches de connexion extérieure séparées 26 et 27 qui s'étendent parallèlement à la zone longitudinale médiane 12 et vers l'extérieur. Ces branches 26 et 27 sont destinées à être reliées à une source d'énergie électrique issue d'un autre composant du dispositif semi-conducteur 4. Ainsi, le circuit primaire 2 est constitué par un enroulement métallique symétrique par rapport à la zone longitudinale médiane 12. En se reportant en particulier aux figures 2 et 4, on voit que le circuit métallique secondaire 3 comprend également deux parties 28 et 29 enroulées en spirales qui sont construites de la même manière que le circuit primaire 2. Cette fois cependant, les parties enroulées 28 et 29 comprennent respectivement trois tours et sont formées symétriquement par rapport à une zone longitudinale médiane repérée par son axe longitudinal 30. 1 Les branches en forme de U des parties enroulées 28 et 29 s'étendent dans la couche de niveau n+4 et les jonctions intermédiaires qui se croisent sont réalisées comme les jonctions intermédiaires qui se croisent du circuit primaire 2. Elles présentent ainsi des ponts 31 qui présentent des branches intermédiaires 32 qui s'étendent dans la couche de niveau n+3. Les extrémités extérieures des parties enroulées 28 et 29 sont prolongées également par des branches longitudinales de connexion 33 et 34 séparées, qui s'étendent à l'opposé des branches de connexion 26 et 27 du circuit primaire 2. De plus, le circuit secondaire 3 comprend une branche longitudinale de connexion commune 35 qui s'étend parallèlement à la zone longitudinale médiane 30 et qui est réalisée dans la couche de niveau n+2. Cette branche 35 de connexion extérieure est reliée à la jonction intérieure 36 de liaison des extrémités des parties enroulées 28 et 29 par des vias verticaux 37. Ainsi, le circuit secondaire 3 comprend des parties enroulées 28 et 29 constituant deux enroulements secondaires identiques formés respectivement entre d'une part la branche de connexion extérieure commune 35 et les branches de connexion extérieure séparées 33 et 34. Les vias 37 se situant au milieu géométrique des enroulements secondaires, ils correspondent par construction au milieu électrique du circuit métallique 3. Il résulte de la structure décrite ci-dessus que le circuit primaire 2 constitue une inductance primaire et que le circuit secondaire 3 constitue deux inductances secondaires, couplées magnétiquement au circuit primaire 2 constituant une inductance primaire, de telle sorte que les signaux fournis d'une part entre les branches de connexion extérieure 33 et 35 et d'autre part entre les branches de connexion extérieure 34 et 35 sont d'amplitudes égales et sont déphasés de 180, ces signaux étant délivrés à d'autres composants du dispositif semi- conducteur 4. 1 Le circuit primaire 2 et les circuits secondaires 3 étant réalisés dans des niveaux différents, cette structure présente l'avantage de pouvoir définir ou choisir de façon indépendante le nombre de spires les constituant de façon à obtenir le rapport de transformation souhaité, et ceci pour une orientation des branches de connexion extérieures imposées, par exemple à 180 degrés comme le montrent les figures 3 et 4, tout en présentant l'avantage d'aboutir à la réalisation d'un transformateur de dimensions réduites. Cette structure permet de plus de maîtriser la position géométrique des extrémités exterieures afin de limiter la longueur des connexion avec d'autres circuits de la fonction réalisée et de faciliter la caractérisation hyperfréquence du dispositif. Cette structure présente en outre l'avantage de pouvoir être déterminée, avant fabrication, à l'aide d'outils de simulation électromagnétique de façon à obtenir le rapport de transformation souhaité. Par ailleurs, afin d'isoler le transformateur i par rapport au substrat du dispositif semiconducteur 4 et de tirer profit des capacités parasites par rapport au substrat lorsque l'on utilise des méthodes d'adapation par capacités externes, il est souhaitable de disposer, en dessous de la couche de niveau n, un écran électrostatique 38. La présente invention ne se limite pas à l'exemple ci-dessus décrit. Bien des variantes de réalisation sont possibles sans sortir du cadre défini par les revendications annexées. 1 REVENDICATIONS 1. Dispositif semi-conducteur comprenant un circuit intégré réalisé dans des couches, sur plusieurs niveaux, caractérisé par le fait qu'il comprend un circuit métallique (3) comprenant deux parties enroulées en spirales (28, 29) qui présentent des extrémités intérieures et des extrémités extérieures entre lesquelles elles comprennent des branches qui s'étendent de part et d'autre d'une zone longitudinale médiane et dont les branches successives sont reliées par des jonctions intermédiaires traversant cette zone longitudinale médiane; par le fait que lesdites parties enroulées en spirales sont formées de telle sorte que les branches de l'une des parties et les branches correspondantes de l'autre partie, s'étendant de part et d'autre de ladite zone longitudinale médiane, sont réalisées dans un même niveau et sont symétriques par rapport à cette zone longitudinale médiane, qu'une jonction commune relie les extrémités intérieures desdites parties et s'étend au travers de ladite zone longitudinale médiane, et que les jonctions intermédiaires entre les branches de l'une des parties passent au-dessus ou en dessous des jonctions intermédiaires entre les branches de l'autre partie; par le fait qu'il comprend un moyen de connexion extérieure commun (35) relié à ladite jonction commune et des moyens séparés de connexion extérieure (33, 34) reliés respectivement aux extrémités extérieures; de telle sorte que lesdites parties enroulées constituent deux enroulements métalliques secondaires qui sont symétriques et formés entre le moyen de connexion commun et respectivement les moyens séparés de connexion et constituant des inductances symétriques; et par le fait qu'il comprend un enroulement métallique primaire (2) couplé audit circuit métallique (3) et réalisé dans au moins un niveau différent de ceux de ce dernier. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit enroulement primaire (2) comprend deux parties enroulées en spirales (5, 6) qui présentent des extrémités intérieures et des extrémités 1 extérieures entre lesquelles elles comprennent des branches qui s'étendent de part et d'autre d'une zone longitudinale médiane et dont les branches successives sont reliées par des jonctions intermédiaires traversant cette zone longitudinale médiane; par le fait que lesdites parties enroulées en spirale sont formées de telle sorte que les branches de l'une des parties et les branches correspondantes de l'autre partie, s'étendant de part et d'autre de ladite zone longitudinale médiane, sont réalisées dans un même niveau et sont symétriques par rapport à cette zone longitudinale médiane, qu'une jonction commune relie les extrémités intérieures desdites parties et s'étend au travers de ladite zone longitudinale médiane, et que les jonctions intermédiaires entre les branches de l'une des parties passent en dessous ou en dessous des jonctions intermédiaires entre les branches de l'autre partie; et par le fait qu'il comprend des moyens séparés de connexion extérieure (26, 27) reliés respectivement aux extrémités extérieures. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites branches (11, 17) desdites parties enroulées sont en forme de U. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les extrémités extérieures desdites parties enroulées sont placées de façon adjacente. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdites jonctions intermédiaires se croisant sont telles que l'une est dans le niveau de la partie enroulée correspondante et que l'autre est constituée par un pont (22, 23, 24) présentant une branche dans un autre niveau et des vias de connexion aux branches de la partie enroulée correspondante. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que lesdits moyens de connexion séparés sont symétriques par rapport à la zone longitudinale médiane et le moyen de connexion commun s'étend le long de cette zone longitudinale médiane. 1 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledits moyens de connexion comprennent des branches qui s'étendent parallèlement à ladite zone longitudinale médiane, les branches de connexion séparées desdites parties étant réalisées au même niveau que ces parties et la branche de connexion commune étant réalisée à un autre niveau que ces parties et que lesdites jonctions intermédiaires et étant reliée à ladite jonction commune par des vias. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend un écran électrostatique (38) qui s'étend en dessous dudit circuit métallique.