Brevet FR2830126A1 — publié le 20030328

(21) contenant un matériau isolant électrique (28). INDUCTANCE DE CIRCUIT ONt)LITHIQUE La présente invention concerne une inductance intogrce dans un circuit monolithique. Plus précisément, elle concerne une inductance intégrce dans un circuit monolithique comprenant un nombre limité déléments passifs, du type inductance, résistance, condensateur, et éventuellement un nombre limité d'éléments actifs, tels qu'une diode de protection. La figure 1 représente une coupe d'un circuit monoli- thique classique comprenant, à titre d'exemple, une inductance , une résistance 11, et un condensateur 12. Seuls trois niveaux de métallisation sont représentés sur la figure 1. Le cTrcuit monolithique pourrait éventuellement comporter un ou plusieurs niveaux de métallisation supplémentaires ne jouant pas de rôle dans la présente invention. Un substrat 13 semiconducteur, par exemple du silicium, est recouvert dun empilement de première 14, deuxième 15 et troisième 16 couches isolantes. La première couche isolante peut être réalisée en oxyde de silicium, et les deuxTème et troisième couches isolantes 15, 16 en un matériau à faible coefficient diélectrique, par exemple du beuzo-cyclo-butène (BCB). Le substrat 13 peut éventuellement être constitué d'un matériau isolant, par exemple du verre, la première couche isolante 14 n'étant pas nécessaire dans ce cas. A titre d'exemple, les deuxième et troisième couches isolantes 15, 16 ont une épaisseur d' environ 10 m, et un coefficient diélectrique de l'ordre de 2,6. L' inductance 10 comprend une spirale conductrice 20, par exemple en cuivre, appartenant au deuxième niveau de métal lisation et qui repose sur la surface extérieure de la deuxième couche isolante 15. La résistance 11 et le condensateur 12 sont réalisés sur la première couche isolante 14. La figure 2 représente une vue de dessus au niveau de linductance 10 du deuxième niveau de métallisation. La spirale 20 comprend une première extrémité 21 en bordure de spirale qui se prolonge par une première piste de connexion 22 connsctée à un plot 23 (voir figure 1). Le plot 23 peut faire partie dun ensemble de plots, formés dans le troisième niveau de métallisation, destinés, par exemple, au montage direct de la face supérieure du circuit monolithique sur un circuit imprimé. Comme l'illustrent les figures 1 et 2, une deuxième extrémité 24, situce sensiblement au centre de la spirale 20, est reliée à une deuxième piste de connexion 26, constituée dun métal du deuxième niveau de métallisation. La liaison entre la deuxième extrémité 24 et la deuxième piste de connexion 26 est réalisée par l'intermédiaire dune piste de raccord 29, constituce d'un métal, par exemple de l'aluminium, du premier niveau de métallisation déposée sur la première couche isolante 14. La piste de raccord 29 est reliée à ses deux extrémités respective ment à la deuxième extrémité 24 de la spirale 20 et à la deuxième piste de connexion 26 par deux vias 27, 28 formés dans la deuxTème couche isolante 15. La première piste de connexion 26 réalise la liaison entre l' inductance 10 et la résistance 11. La première piste de connexion 26 est reliée par un via 30 traversant la deuxième couche isolante 15 à une première borne 31 de la résistance 11. La première borne 31 est relice à une seconde borne 32 de la résistance 11 par une bande résistive 33, par exemple du nitrure de tantale (TaN), déposce sur la première couche isolante 14 et recouverte d'une zone isolante, par exemple de 1toxyde de sili cium 35, recouverte dune couche de nitrure de silicium 36. Au niveau de chaque borne 31, 32 de la résistance 11, des portions métalliques 37, 38, notamment de l'aluminium, sont interposoes entre les bornes 32, 31 de la résistance 11 et la première couche isolante 14. La seconde borne 32 de la résistance 11 est relice à une troisième piste de connexion 40, consistant en une bande métallique, par exemple du cuivre, du deuxième niveau de métal lisation, par un via 41 traversant la deuxième couche isolante 15. La troisième piste de connexion 40 relie la résistance 11 au condensateur 12. La troisième piste de connexion 40 est connectée à une première plaque 45 du condensateur 12, par l'intermédiaire dun via 46 travereant la deuxième couche isolante 15. La première plaque 45 se compose par exemple de nitrure de tantale (TaN) recouvrant une bande métallique 47, par exemple de l'aluminium, du premier niveau de métallisation. La seconde plaque 48 du condensateur 12 est séparce de la première plaque 45 par une couche de nitrure de silicium 49. La couche de nitrure de silicium 49 recouvre l' ensemble de la première plaque 45, une zone isolante 51, par exemple de 1'oxyde de silicium, étant interposse entre la couche de nitrure de silicium 49 et la première plaque 45 à lt exception de la zone o les deux plaques , 48 sont en vis-à-vis. La seconde plaque 48 est réalisée dans un métal, par exemple du cuivre, du deuxième niveau de métallisa tion déposce sur la couche de nitrure de silicium 49 au niveau d'une ouverture réalisce dans la deuxTème couche isolante 15. La seconde plaque 48 se prolonge en une quatrième piste de connexion 52, déposée sur la deuxième couche isolante 15, et connectée à un plot 55. Comme cela est représenté sur la figure 2, un plan de masse 56 vient entourer la spirale 20 de l' inductance 10. Le plan de masse 56 entoure également les première 22, deuxième 26, troisième 40, et quatrième 52 pistes de connexion. Le plan de masse 56 améliore le facteur de qualité du circuit monolithique aux hautes fréquences, puisqu'il permet d'obtenir des inter connexions du type à guide d'ondes coplanaires (coplanar wave guide ou CPw) ce qui permet de réaliser des adaptations d'impé- dance si nocessaire et d' assurer un isolement électromagnétique entre les composants et les niveaux de métallisation du circuit monolithique. Le fait que la piste de raccord 29 soit réalisée par une bande métal l ique du premier niveau de métal l i sat ion pré sente plusieurs inconvénients. La piste de raccord 29 ajoute une capacité parasite due au couplage avec le substrat 13, même lorsque le substrat 13 est du verre. En outre, la piste de raccord 29 se comporte comme une résistance série parasite, pouvant devenir prépondérante aux hautes fréquences. On constate alors une détérioration du compor tement de l' inductance 10 avec la fréquence. De plus, la présence de la piste de raccord 29 sur la première couche isolante 14 provoque l 'apparition, si l'on ne procède pas à des étapes de planarisation coûteuses, de dénivel- lations importantes, communément appelées "marches" sur la surface supérieure de la deuxième couche isolante 15. Le procédé de fabrication de l' inductance 10 sur la surface supérieure irréqulière de la deuxième couche isolante 15 est alors plus complexe. En outre, on peut obtenir une dispersion importante de certaines propriétés de 1tinductance 10 qui sont dépendantes de sa topologie. Afin de résoudre le problème de la capacité parasite, une solution consiste à interposer une couche à faible coef- ficient diélectrique entre la piste de raccord 29 et le substrat 13 afin de les éloigner l'un de l'autre. Pour ce faire, la piste de raccord 29 peut être réalisée dans le deuxième niveau de métallisation, tandis que la spirale 20 est réalisée dans le troisième niveau de métallisation. Toutefois, une telle configuration ne penmet pas de réaliser un plan de masse continu entre la spirale 20, située alors sur la troisième couche isolante, et les pistes de connexion 22, 26, 40 et 32 vers dautres composants ou des plots, situées sur les deuxième et troisième couches isolantes, ce qui nuit aux performances du dispositif en particulier aux hautes fréquences. La présente invention vise à proposer une inductance 10 dont les propriétés sont améliorces, en particulier aux hautes fréquences. Elle vise également à obtenir une inductance dont la fabrication est simplifice. lo Pour atteindre ces objets, la présente invention prévoit une inductance intégrce dans un circuit monolithique, comprenant une spirale conductrice dont une extrémité interne est reliée à une piste de connexion, la spirale et la piste de connexion appartenant à un même niveau de métallisation, dans laquelle la liaison entre l'extrémité interne de la spirale et la piste de connexion est réalisée par une piste de raccord apparte nant à un niveau de métallisation supérieur au niveau de métallisation de la spirale. Selon un mode de réalisation de l' invention, le circuit monolithique comprend un plan de masse venant entourer la spirale et la piste de connexion et qui est réalisé dans le même niveau de métallisation. Selon un mode de réalisation de l 'invention, la piste de connexion relie la spirale à un composant passif intégré au circuit monolithique. Selon un mode de réalisation de l 'invention, la piste de connexion relie la spirale à un plot accessible depuis l'exté- rieur du circuit monolithique. Selon un mode de réalisation de l 'invention, le circuit monolithique comprend au moins trois niveaux de métallisation, la spirale et la piste de connexion appartenant au deuxTème niveau de métallisation, et la piste de raccord au troisième niveau de métallisation. Selon un mode de réalisation de l' invention, la spirale et la piste de connexion sont recouvertes dune couche isolante sur laquelle est formée la piste de raccord, la piste de raccord étant connoctée à la spirale et à la piste de connexion par l'intermédiaire de deux vias traversant la couche isolante. Selon un mode de réalisation de l' invention, la spirale et la piste de connexion sont recouvertes d'une couche isolante sur laquelle est formée la piste de raccord, la couche isolante comportant deux ouvertures dans lesquelles s'étendent les deux extrémités de la piste de raccord pour se connecter respective ment à la spirale et à la piste de connexion. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation particulier faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, précédemment décrite, représente une coupe d'un cTrcuit monolithique classique comportant une inductance, une résistance, et un condensateur; la figure 2, précédemment décrite, représente une vue de dessus de linductance de la figure 1; et la figure 3 représente une coupe d'une portion d'un circuit monolithique comportant une inductance selon la présente invention. On va décrire de façon détail lée un mode de réal i sat ion de la présente invention. On notera que dans les différentes figures, comme cela est usuel dans le domaine de la représenta tion des circuits monolithiques, les épaisseurs et dimensions latérales des diverses couches ne sont pas tracces à l'échelle ni à l'intérieur dune même figure, ni d'une figure à l'autre pour améliorer la visibilité de cette figure. Par ailleurs, de mêmes références désigneront, sur les différentes figures, de mêmes éléments. Comme cela est représenté sur la figure 3, 1'induc tance, selon la présente invention, est réalisée dans un circuit monolithique comportant trois niveaux de métallisation et un empilement de quatre couches isolantes 14, 15, 16, 60. Le circuit monolithique pourrait éventuellement comporter un ou plusieurs niveaux de métallisation supplémentaires ne jouant pas de rôle dans la présente invention. L' inductance 10 est constituée, comme pour un circuit monolithique classique, dune spirale 20 consistant en une bande métallique du deuxième niveau de métallisation déposée sur la deuxième couche isolante 15. L'extrémité intérieure 24 de la spirale 20 est relice à la piste de connexion 26 par l'intermé- diaire d'une piste de raccord 59. La piste de raccord 59 consiste en une bande métallique du troisième niveau de métallisation déposce sur la troisième couche isolante 16 et reliée à ses deux extrémités respectivement à l'extrémité interne 24 de la spirale et à la piste de connexion 26 par deux vias 57, 58 travereant la troisième couche isolante 16. L'extrémité extérieure 21 de la spirale 20 peut être relice à un contact (non représenté) par l'intermédiaire d'un via traversant la troisième 16 couche isolante. La piste de connexion 26 peut être connectée à un plot (non représenté), ou à un autre composant (non représenté) du cTrcuit monolithique. Le fait que la piste de raccord soit réalisée par une bande métallique d'un niveau de métallisation supérieur à celui de la spirale et des pistes de connexion présente de nombreux avantages. L' absence de bande métallique sous l' inductance permet de réaliser simplement une deuxième couche isolante de surface supérieure sensiblement plane. La fabrication de l' inductance, par exemple par le dépôt dune bande métallique sur la surface supérieure plane de la deuxième couche isolante, est simplifiée. On contrôle mieux ainsi la topologie de linductance de sorte que les dispersions de ses propriétés dépendantes de la topologie sont réduites. De plus, le fait que la piste de raccord est disposce de l'autre côté du plan de masse associé au deuxième niveau de métallisation par rapport au substrat rend négligeable la capa cité parasite entre cette piste de raccord et le substrat. En outre, le fait que la piste de raccord solt réalisée par un niveau de métallisation supérieur au premier niveau de métallisation permet dutiliser plus facilement un métal différent de l'aluminium qui, selon les technologies actuelles, est le métal le plus utilisé pour le premier niveau de métallisation. Ainsi, la piste de raccord peut, par exemple, être réalisée en cuivre, ce qui permet d'obtenir alors des connexions de faible résistance. Cette faible résistance peut également être obtenue en augmentant la largeur de la piste de raccord, ce qui lo est possible étant donné la capacité négligeable entre la piste de raccord et le substrat. La présente invention permet ainsi d'améliorer glabale- ment les propriétés électriques de l' inductance avec la fré- quence. En effet, pour des inductances de l'art antérieur, on obtient de façon générale des facteurs de qualité à 5 GHz infé- rieurs à 50, alors que pour une inductance selon la présente invention, on obtient des facteurs de qualité à 5 GHz pouvant atteindre 70 ou 100. Enfin, en maintenant l' inductance au même niveau de métallisation que les pistes de connexion, il est possible de réaliser un plan de masse continu entourant l' inductance et les pistes de connexion de façon à améliorer les propriétés de l' ensemble, en particulier aux hautes fréquences. sien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. Par exemple, on peut choisir, selon les technologies de fabrication envisagées, des matériaux isolants et conducteurs autres que ceux spécifiquement décrits. En outre, pour assurer la connexion entre une bande métallique d'un niveau de métallisation supérieur avec une bande métallique d'un niveau de métallisation inférieur, on peut réaliser, au lieu d'un via traversant la couche isolante séparant les deux bandes métalliques, une ouver- ture dans la couche isolante dans laquelle s'étend une extrémité de la bande métallique du niveau de métalli sat ion supérieur pour se connecter à la bande métallique de niveau inférieur. REVENDICATIONS 1. Inductance (10) intégrée dans un circuit monoli- thique, comprenant une spirale conductrice (20) dont une extrémité interne (24) est relice à une piste de connexion (26), la spirale (20) et la piste de connexion (26) appartenant à un même niveau de métallisation, caractérisée en ce que la liaison entre l'extrémité interne (24) de la spirale (20) et la piste de connexion (26) est réalisce par une piste de raccord (59) appar- tenant à un niveau de métallisation supérieur au niveau de métallisation de la spirale (20). 2. Inductance selon la revendication 1, caractérisce en ce que le circuit monolithique comprend un plan de masse (23) venant entourer la spirale (20) et la piste de connexion (26) et qui est réalisé dans le même niveau de métallisation. 3. Inductance selon la revendication 1, caractérisce en ce que la piste de connexion (26) relie la spirale (20) à un composant passif (11, 12) intogré au circuit monolithique. 4. Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la piste de connexion (26) relie la spirale (20) à un plot accessible depuis l'extérieur du circuit monolithique. 5. Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que le circuit monolithique comprend au moins trois niveaux de métallisation, la spirale (20) et la piste de connexion (26) appartenant au deuxième niveau de métallisation, et la piste de raccord (59) au troisième niveau de métallisation. 6. Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la spirale (20) et la piste de connexion (26) sont recou vertes d'une couche isolante (16) sur laquelle est formée la piste de raccord (59), la piste de raccord (59) étant connoctée à la spirale (20) et à la piste de connexion (26) par l'intermé diaire de deux vias (27, 28) travereant la couche isolante (16). 7. Inductance selon la revendication 1, caractérisée en ce que la spirale (20) et la piste de connexion (26) sont recou vertes d'une couche isolante (16) sur laquelle est formoe la piste de raccord (59), la couche isolante (16) comportant deux ouverLures dans lesquelles s'6tendenL les deux exLrmits de la plate de raccond (59) pour se connecter respectiv _ at la spirale (20) eL la paste de connexion (26). 8. 1, me s ce gue le substrat (13) est du verre.