Brevet FR2839582A1 — publié le 20031114

INDUCTANCE A POINT MlLlEU La presente invention concerne la realisation, en circuit monolithique, d'une inductance a point milieu. L'inven- tion concerne, plus particulierement, la realisation d'une inductance symetrique. Une inductance a point milieu est consti tuee d'un enroulement conducteur dont les deux extremites constituent deux bornes de l' inductance. Une troisieme borne, cite aussi point milieu, accede en un autre endroit du troncon conducteur. Dans le cas d'une inductance symetrique, le point milieu est a egale distance des deux bornes d'extremite du troncon conducteur. Les inductances symetriques a point milieu vent gene- ralement utilisees dans des montages differentials utilisant des sorties en opposition de phase. On retrouve ce type d' inductance dans des circuits haute frequence ou radio frequence et, plus generalement, dans tout circuit differential ou equilibre reque- rant une precision de la symetrie entre deux elements inductifs. Par exemple, ce type d' inductance peut etre utilise dans des oscillateurs commandes en tension (VCO), dans des boucles a verrouillage de phase (PLL), dans des amplificateurs differen tiers a faible bruit (LNA), etc. Dans ce genre dapplication, il est necessaire d'avoir une structure la plus symetrique possible afin d'eviter tout desequilibre ou distorsion dans le circuit exploitant l' inductance. Cette symetrie impose de rechercher, vue de la connexion interne de l'enroulement (point milieu), un chemin identique que l'on aille vers l'une ou l'autre des bornes d'extremite de l'enroulement. Une structure symetrique conduit egalement a un modele electrique symetrique qui permet d'eviter toute difficulte de connexion pour des questions de sens de circulation du courant. La figure 1 represente, par une vue de dessus schema- tique, une structure classique diinductance symetrique a point milieu, par exemple, de forme generale octogonale. L' inductance comporte une premibre spirale 1 realisee dans un premier niveau de metallisation. La spirale 1 relic une premiere extremite 4 au point milieu 2 de l' inductance. La spirale 1 est decoupee en plusieurs sections 11, 12 reliees entre elles par une connexion 13 sur un deuxieme niveau de metallisation par l'intermediaire de vies 14 entre les premier et deuxibme niveaux Une deuxidme spirale 3 est realisee dans le meme niveau de metallisation que la premiere. Cette spirale 3 relic le point milieu 2 a une deuxieme borne 5 d'extremite. La spirale 3 est constituee, la encore, de sections 31 et 32 reliees entre elles par une connexion 33 dans un autre niveau de metallisation (le meme que celui ayant permis la realisation des connexions 13) par l'intermediaire de vies 34. Les connexions 13 et 33 permettent d'obtenir un arrangement regulier et croise des differentes sections de ltenroulement complet conduisant a une structure totalement symetrique dans laquelle tous les courants circulent dans le meme sees. Le point milieu 2 de l' inductance est relic, par une connexion 21 dans un troisibme niveau de metallisation vers l'exterieur de l'enroulement pour connexion aux autres constituent du circuit monolithique (non representes). Un via 22 relic la connexion 21 au point 2 dans le premier niveau conducteur. Un inconvenient des structures connues d' inductances symetriques a point milieu connu est lie a la presence de vies multiples dont le nombre est d'autant plus important que le nombre de spires de l' inductance augmente. En effet, l'exemple de la figure 1 represente une inductance de trots spires (une spire et demi pour chaque spirale conductrice prise d'une extremite 4 ou 5 au point milieu 2) necessitant deja quatre vies pour le simple croisement des sections des spirales (sans tenir compte du via 22 de connexion du point milieu 2 vers l'exterieur de la structure). Une inductance a cinq spires selon une telle structure necessite huit vies. Un premier inconvenient des vies est qu'ils consti tuent des elements resistifs augmentant la resistance serie de l'enroulement. Cela est prejudiciable pour des fonctionnements haute frequence auxquels vent generalement destinees les induc- tances realisees en circuit monolithique. Le probleme de resistance serie introduite par les vies fait quien pratique, le nombre maximum de spires est gene- ralement de cinq spires (huit vies pour les seules sections du circuit conducteur). Un deuxieme inconvenient est constitue par la taille meme des vies qui conditionne les dimensions minimales de la structure inductive. En particulier, le diametre necessaire des vies impose une largeur de piste minimale (et par consequent un pas entre pistes) qui soit superieure a la dimension des vies. Ce probleme de dimension rend classiquement quasi impossible la realisation de structures inductives symetriques a point milieu dans des systemes integres pour lesquels on utilise un dielectrique epais (de l'ordre de 5 a 10 m) a faible permittivite electrique permettant une reduction importante des capacite parasites et phenomenes de couplage entre metallisa- tions, necessaire a ce genre d' application. Le fait que le dielectrique soit epais rend plus difficile la realisation d'ouvertures (done de vies) dans celui-ci. Par exemple, pour un dielectrique d'une epaisseur de l'ordre de 10 m, le diametre necessaire a l'ouverture des vies est de 50 m, ce qui impose une largeur de piste importante, generalement incompatible avec une integration du circuit dans une surface reduite. La presente invention vise a proposer une nouvelle structure diinductance a point milieu qui pallie les inconve- nients des structures connues. L' invention vise en particulier a proposer une struc ture minimisant le nombre de vies entre les niveaux conducteurs pour realiser une inductance symetrique a point milieu. La presente invention vise egalement a proposer une solution qui soit compatible avec les procedes actuels de fabrication et notamment avec une integration d' inductances dans des applications radio frequence imposant le recours a des dielectriques epais. La presente invention vise egalement a proposer une solution qui permet de reduire la surface occupee par l'induc- tance a point milieu, en autorisant une diminution des largeurs des spires. Pour atteindre ces objets et d'autres, la presente invention prevoit une inductance a point milieu realisee en circuit monolithique, comportant: une premiere spirale conductrice integralement realisee dans un premier niveau conducteur; une deuxieme spirale conductrice integralement realisee dans un deuxieme niveau conducteur; et un via d'interconnexion des spirales en position du point milieu de l' inductance. Selon un mode de realisation de la presente invention, les deux spirales ne vent pas superposees. Selon un mode de realisation de la presente invention, l' inductance comporte, dans un troisieme niveau conducteur, une piste de reprise de contact vers l'exterieur de la structure, ladite piste etant connectee audit point milieu. Selon un mode de realisation de la presente invention, les deux spirales sont, en plan, symetriques par rapport a une ligne passant par le point milieu et le centre de la structure. Selon un mode de realisation de la presente invention, a chaque demi tour, chaque spirale subit une transition produi- sant un chevauchement isole entre les spirales. Selon un mode de realisation de la presente invention, les transitions vent alignees avec le point milieu. Selon un mode de realisation de la presente invention, l'enroulement est globalement circulaire. Selon un mode de realisation de la presente invention, l'enroulement est forme de troncons rectilignes mis bout a bout. L' invention prevoit egalement un circuit monolithique comprenant une inductance. Ces objets, caracteristiques et avantages, ainsi que d'autres de la presente invention seront exposes en detail dans la description suivante de modes de realisation particuliers faite a titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 decrite precedemment represente, schemati quement et vue de dessus, un exemple classique d' inductance symetrique a point milieu; la figure 2 represente un mode de realisation d'une inductance symetrique a point milieu selon la presente invention; la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne A-A' de la figure 2; et la figure 4 est une vue en coupe selon la ligne B-B' de la figure 2. Pour des raisons de clarte, seuls les elements de l' inductance et les etapes de procede qui vent necessaires a la comprehension de l' invention ont ete representes aux figures et seront decrits par la suite. En particulier, les etapes de procede necessaires a la realisation des couches successives conductrices et isolantes n'ont pas ete detaillees et ne font pas ['objet de la presente invention. L' invention peut etre mise en oeuvre avec n'importe queue methode classique de realisation de niveaux conducteurs avec interposition d'isolants (dielec- trique). Une caracteristique de la presente invention est d'utiliser deux niveaux conducteurs pour realiser les deux spirales respectives d'une inductance a point milieu. En d'autres termes, une premiere spirale (demiinductance) partant d'une premiere borne d'extremite jusqu' au point milieu est realisee dans un premier niveau conducteur tandis que l'autre spirale (partant du point milieu vers l'autre borne d'extremite) est realisee dans un deuxieme conducteur, la liaison entre les deux niveaux etant effectuee au point milieu. Les figures 2, 3 et 4 representent, respectivement par une w e de dessus tres schematique et par des w es en coupe selon les lignes A-A' et B-B' de la figure 2, la realisation d'une inductance symetrique a point milieu selon la presente invention. Une premiere spirale ou enroulement 6 part d'une borne d'extremite 61 de l' inductance dans un premier niveau de metal- lisation (illustree en figure 2 par une absence de remplissage dans le troncon). Cette spirale 6 est. a la difference notable des inductances a point milieu classiques, integralement realisee dans un meme niveau de metallisation (ou plus generalement un meme niveau conducteur) depuis la borne d'extremite 61 jusqu' au point milieu 7 de l' inductance. La notion de premier niveau ne signifie pas forcement qu'il s'agit du premier niveau de metallisation de la structure, ou de l'empilement technologique. L'ordre d'empilement peut etre different de l'ordre numeral indique dans la presente description. Un deuxieme enroulement ou spirale 8 est realise, integralement, dans un deuxieme niveau de metallisation sur ou sous jacent au premier (dans cet exemple, un niveau superieur)O Cette spirale 8 part d'une borne d'extremite 81 jusqu' au point milieu 7 de la structure. La encore, l'integralite de la deuxieme spirale est realisee dans un m8me niveau conducteur, c'est-a-dire sans via. La connexion des extremites internee des enroulements 6 et 8 s'effectue par un via 71 traversant, au niveau du point milieu 7, une couche de dielectrique 73 (figures 3 et 4) entre les niveaux conducteurs dans lesquels vent realises les enroule- meets 6 et 8. Pour permettre une circulation dans le meme sens du courant sur toute la structure, des croisements des spirales doivent etre prevus. En effet, une inductance destinee a des applications haute frequence doit generalement minimiser les zones de superposition de troncons conducteurs appartenant au deux spirales afin de minimiser les effete de couplage capacitif qui auraient autrement lieu entre les deux niveaux de metal- lisation. Par consequent, on prevoit des zones de croisement ou transition 91 et 92 dans la structure ou les spirales 6 et 8 se chevauchent. Ces zones vent situees approximativement sur une ligne imaginaire traversant la structure en passant par le point milieu 7. Ces zones de croisement n'entralnent pas plus de super- position de niveaux conducteurs que les structures classiques. La liaison du point milieu 7 vers l'exterieur de la structure s'effectue au moyen d'un troncon conducteur 10 dans un troisieme niveau de metallisation. Le troncon 10 est connecte au point milieu 7 par un via 72 traversant une couche de dielectrique 74 separant les deuxieme et troisieme niveaux de metallisation. Selon l' invention, le via 72 est dispose dans l'alignement du via 71 ou est decentre vers l'interieur de l'enroulement. Dans l'exemple represente, les vies 71 et 72 vent superposes. En figure 3, le troncon 10 de liaison a l'exterieur du point milieu a ete realise sous la forme d'un troncon enterre (underpass). En variante illustree en pointille sur cette figure, ce troncon peut 8tre realise en face avant de la structure (au dessus d'un niveau isolant 75, depose sur le premier niveau de metallisation et traverse par un via 72'). Une inductance selon l' invention peut etre realisee par tout procede classique de realisation d' inductance integree. En particulier, elle s' applique a n'importe quel substrat semi conducteur (par exemple, silicium ou arsenic de gallium) ou isolant (par exemple, du verre, du quartz). N'importe quel mate- riau conducteur couramment utilise pour une structure inductive pourra 8tre utilise pour realiser les spirales. Par ailleurs, tout type de dielectrique pourra 8tre utilise. Les dimensions donnees aux spires, que ce soit en largeur ou en longueur, dependent de ['application et de la technologie d' integration utilisee. On notera que, grace a ['invention, l'espacement (e, figure 2) entre spires peut descendre a un espacement quasi nul (nul aux tolerances de positionnement des masques pres) dans la mesure ou il n'est pas limite ici au minimum technologique de gravure entre deux metallisations adjacentes. Ainsi, on peut accroltre le couplage entre spires et ameliorer les performances du composant en termes de surface et de reponse. La largeur L des pistes conductrices est desormais liee a la largeur minimum qu'autorise la technologie utilisee dans des niveaux de metallisation concernes. En particulier, on peut grace a l' invention realiser des inductances symetriques a point milieu compactes en surface queues que soient les dimensions d'ouverture minimum des dielectriques pour realiser des vies. Un avantage de la presente invention est qu'un seul via en serie avec les deux spirales 6 et 8 suffit pour realiser 1' inductance a point milieu, et ce quel que soit le nombre de spires. L' unique via serie de l'enroulement de l' inductance qui en resulte reduit fortement les problemes dus a la resistance parasite serie dans des applications haute frequence. Un autre avantage de l' invention est que la largeur L des pistes conductrices de realisation de la structure est independante des vies. De plus, la largeur e des interpistes se trouve elle aussi independante de la taille des vies. La seule precaution eventuelle est que le via 71 de liaison du point milieu peut 8tre plus encambrant que la largeur des pistes realisant les troncons conducteurs. Dans ce cas, on cherchera par exemple a loger 1'encombrement supplementaire du via au milieu de la structure. Gn notera cependant que, meme en gardant des largeurs de piste importantes, 1' invention permet deja de supprmer des vies, et resout ainsi les problemes de resistance eerie. La structure de l' inductance peut prendre des formes variees non necessairement circulaires. Par exemple, celle-ci pourra etre carree, meme si cela ne constitue pas un mcde de realisation prefere en raison des effete de coin qui reduisent le coefficient de qualite de l' inductance. Selon une autre variante, on pourra prevoir lo une structure octogonale qui ameliore le coefficient de qualite par rapport a une structure carree tout en facilitant sa realisation pratique (son dessin) par la mise bout a bout de troncons rectilignes. Bien entendu, la presente invention est susceptible de diverges variantes et modifications qui apparaltront a l'homme de ['art. En particulier, bien qu'une structure symetrique constitue un mode de realisation prefere en raison de la facilite de connexion qu'elle engendre, on pourra realiser une inductance a point milieu dont les longueurs de spires soient differentes l'une de l'autre. Dans ce cas, pour respecter la necessite dun unique via, la difference de longueur entre les deux spirales restera, de prefe- rence, inferieure a un demi tour. REVENDICATIONS 1. Inductance a point milieu (7) realisee en circuit monolithique, caracterisee en ce qu'elle comporte: une premiere spirale conductrice (6) integralement realisee dans un premier niveau conducteur; une deuxieme spirale conductrice (8) integralement realisee dans un deuxieme niveau conducteur; et un via (71) d'interconnexion des spirales en position du point milieu de l' inductance. 2. Inductance selon la revendication 1, caracterisee en ce que les deux spirales (6, 8) ne vent pas superposees. 3. Inductance selon la revendication 1 ou 2, carac- terisee en ce qutelle comporte, dans un troisieme niveau conduc- teur, une piste (10) de reprise de contact vers l'exterieur de la structure, ladite piste etant connectee audit point milieu (7). 4. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 a 3, caracterisee en ce que les deux spirales (6, 8) sont, en plan, symetriques par rapport a une ligne passant par le point milieu (7) et le centre de la structure. 5. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 a 4, caracterisee en ce que a chaque demi tour, chaque spirale (6, 8) subit une transition (91, 92) produisant un chevauchement isole entre les spirales. 6. Inductance selon la revendication 5, caracterisee en ce que les transitions (91, 92) vent alignees avec le point milieu (7). 7. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 a 6, caracterisee en ce que l'enroulement est globalement circulaire. 8. Inductance selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caracterisee en ce que l'enroulement est forme de troncons rectilignes mis bout a bout. 9. Circuit monolithique comprenant une inductance