[0001] La présente invention concerne le domaine des circuits intégrés, et plus particulièrement
une inductance formée au-dessus d'un substrat semiconducteur.
[0002] La figure 1 représente une inductance 1, comprenant un certain nombre de tours ou
spires, formée par un élément conducteur déposé sur une couche isolante 2. La couche
isolante 2, par exemple de l'oxyde de silicium, repose sur un substrat semiconducteur
3, en général en silicium, qui, dans l'exemple représenté, est relié à la masse par
sa face inférieure 4.
[0003] Un gros inconvénient de l'inductance de la figure 1 est qu'elle présente des pertes
élevées. Ainsi, il existe une capacité C par rapport au substrat, la couche isolante
2 servant de diélectrique. Par ailleurs, le substrat 3 est résistif et il présente
une résistance R entre ses faces supérieure 5 et inférieure 4. Ainsi, lorsque l'inductance
1 est parcourue par un courant variable, des pertes se produisent par l'intermédiaire
de la capacité C et de la résistance R. Ces pertes ont l'inconvénient de diminuer
fortement le facteur de qualité Q de l'inductance.
[0004] Pour remédier à cet inconvénient, la demande de brevet européen EP-A-0780853 propose
une structure d'inductance sur un substrat de silicium comportant un plan conducteur
situé entre l'inductance et le substrat. Ce plan conducteur, isolé du substrat et
de l'inductance, est relié à la masse ou à un point froid du circuit, afin d'établir
un "blindage ou écran électrostatique" entre l'inductance et le substrat semiconducteur.
Pour éviter une dissipation par création de courants de Foucault dans le plan conducteur,
ladite demande propose un découpage du plan conducteur.
[0005] Un type d'inductance avec un plan inducteur découpé selon un exemple de la demande
ci-dessus mentionnée est illustré en figure 2.
[0006] La figure 2 illustre une inductance 1, une couche isolante 2 et un substrat 3 présentant
une face supérieure 5 et une face inférieure 4 reliée à la masse. La figure 2 illustre
aussi, au-dessus de la couche isolante 2, un plan conducteur 10. Le plan conducteur
10 est découpé en bandes longitudinales 12 reliées à une bande latérale 13, perpendiculaire
aux bandes 12 et présentant, en son milieu, un point 11 relié à la masse. L'effet
dû aux courants de Foucault est ainsi fortement diminué, mais la structure de la figure
2 présente des inconvénients.
[0007] Ainsi, en figure 2, lorsque l'inductance 1 est parcourue par un courant variable,
chacune des bandes 12 est le siège d'une force électromotrice e due au couplage inductif
existant entre lesdites bandes et l'inductance. De même, la bande latérale 13 est
le siège d'une force électromotrice e' due au couplage inductif entre la bande 13
et l'inductance 1. Ces forces électromotrices provoquent des pertes. En effet, chacun
des points des bandes 12 et 13 se trouve à un potentiel non nul par rapport à la masse,
dû aux forces électromotrices induites, et, de ce fait, des pertes se produisent par
l'intermédiaire d'une capacité due à la couche 2 servant de diélectrique et de la
résistance ohmique du substrat, ces capacité et résistance ohmique étant des grandeurs
réparties et différentes en chaque point du plan conducteur.
[0008] Toutes ces pertes rendent le comportement de la structure de la figure 2 insatisfaisant
et abaissent le coefficient de qualité Q de l'inductance.
[0009] La demande de brevet susmentionnée propose d'autres manières de découper le plan
conducteur (voir les figures 7, 9 et 12 de cette demande). Cependant, dans tous les
exemples proposés de ladite demande, y compris dans son mode de réalisation préféré,
correspondant à la figure 7, il demeure des portions de plan conducteur dans lesquelles
une force électromotrice induite élevée provoque l'effet indésirable qui a été décrit.
[0010] C'est pourquoi un objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance
agencée sur un substrat semiconducteur qui ne présente pas les inconvénients décrits
ci-dessus.
[0011] Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance
agencée sur un substrat semiconducteur qui minimise les pertes liées au fonctionnement
de l'inductance.
[0012] Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure d'inductance
qui minimise les forces électromotrices induites dans le plan conducteur.
[0013] Pour atteindre ces objets ainsi que d'autres, la présente invention prévoit une structure
d'inductance agencée sur un substrat semiconducteur, comprenant une inductance et
un plan conducteur disposé entre l'inductance et le substrat. Le plan conducteur comporte
plusieurs éléments conducteurs disjoints et plusieurs pistes conductrices, chaque
piste conductrice reliant au moins un élément conducteur à un point de contact M du
plan conducteur. Chacune des pistes conductrices est disposée de sorte que la résultante
des forces électromotrices qui y sont induites par ladite inductance soit sensiblement
nulle.
[0014] Selon un mode de réalisation de la présente invention, chacune des pistes conductrices
épouse sensiblement un axe de symétrie de l'inductance.
[0015] Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'inductance a sensiblement
la forme d'un carré et les pistes conductrices sont disposées suivant les diagonales
et les médianes dudit carré.
[0016] Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'inductance a sensiblement
la forme d'un cercle et les pistes conductrices sont disposées suivant les rayons
dudit cercle.
[0017] Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments conducteurs
ont une forme allongée et sont disposés perpendiculairement par rapport à une portion
de spire sous laquelle ils reposent.
[0018] Selon un mode de réalisation de la présente invention, lesdits éléments conducteurs
sont disposés sous les spires de l'inductance uniquement.
[0019] 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
:
la figure 1, déjà décrite, représente une inductance déposée sur un substrat semiconducteur
selon l'art antérieur ;
la figure 2, déjà décrite, représente une autre structure d'inductance déposée sur
un substrat semiconducteur selon l'art antérieur ;
la figure 3A représente une structure d'inductance selon la présente invention ; et
la figure 3B représente un plan conducteur faisant partie de la structure de la figure
3A.
[0020] La figure 3A représente une structure d'inductance selon la présente invention. En
figure 3A, une inductance 1 est formée d'une spire trois quart, les spires étant représentées
ici sous la forme de portions de spire rectilignes. Ainsi, l'inductance 1 est formée
de portions de spire conductrices rectilignes AB, BC, CD, DE, EF, FG, et GH. La figure
3A représente également, sous l'inductance 1, un plan conducteur 10.
[0021] Selon l'invention, le plan conducteur 10 est formé d'éléments conducteurs 20 disjoints,
isolés les uns des autres. Les éléments conducteurs 20, qui, dans l'exemple représenté,
ont la forme de bandes sensiblement rectangulaires peuvent être réalisés de diverses
manières, par exemple par gravure d'une couche métallique ou par diffusion de couches
très dopées dans le substrat. Le fait que le plan conducteur soit formé d'éléments
distincts isolés les uns des autres présente l'avantage de permettre une grande souplesse
pour leur connexion, souplesse mise à profit dans la structure de la présente invention.
Les éléments 20 sont reliés à un point de contact M par des pistes conductrices, davantage
décrites en relation avec la figure 3B. Le point de contact M permet la connexion
du plan conducteur, et est destiné à être connecté à la masse ou à un point "froid"
quelconque du circuit.
[0022] Dans un souci de simplicité, la figure 3A ne représente ni les couches isolantes
nécessaires, ni le substrat sur lequel repose la structure d'inductance.
[0023] La figure 3B reprend la figure 3A, mais l'inductance 1 a été retirée pour mieux laisser
apparaître les éléments 20 du plan conducteur 10, ainsi que les pistes conductrices
qui relient les éléments 20 au point de contact M.
[0024] Comme cela a été indiqué ci-dessus, les éléments 20 ont une forme allongée, sensiblement
rectangulaire. Ils sont disposés perpendiculairement à ou aux portions de spire sous
lesquelles ils reposent. Leur largeur est faible de façon à limiter leur surface pour
réduire les courants de Foucault qui, bien que faibles, ne sont pas inexistants. De
préférence, la largeur est choisie de manière aussi faible que possible, tout en prenant
garde de ne pas diminuer l'efficacité des éléments 20 dans leur rôle d'écran électrostatique.
La longueur des éléments conducteurs 20 est suffisante pour aller de part et d'autre
de la portion de spire considérée, en dépassant de peu la spire la plus interne et
la spire la plus externe. Les éléments 20 sont donc plus ou moins longs, selon le
nombre de spires traversées. Ainsi, l'élément 24 de la figure 3B, placé sous la partie
centrale des portions de spire BC et FG est plus long que l'élément 25, placé sous
la partie centrale de la portion de spire DE, car le nombre de spires placées au-dessus
est moins élevé pour ce dernier.
[0025] Sous les parties centrales des spires, tous les éléments adjacents 20 ont la même
longueur et la même largeur, dans l'exemple représenté. Sous les sommets de l'inductance,
par contre, les éléments 20, toujours perpendiculaires à la portion de spire sous
laquelle ils reposent, sont plus courts car ils rencontrent les éléments 20 du côté
adjacent. Ainsi, les éléments conducteurs 26, 27 de la figure 3B sont plus courts
que les éléments conducteurs 28, 29, de même longueur que les éléments 30, 31 situés
au centre des portions de spire AB et EF. On notera toutefois que la représentation
de la figure 3B est un exemple seulement, et que d'autres façons de disposer les éléments
conducteurs 20 sont possibles sans sortir du domaine de l'invention.
[0026] On notera en outre que les éléments 20 du plan conducteur 10 ne s'étendent pas dans
la région centrale de l'inductance, dans le but de limiter leur surface pour réduire
les pertes par courants de Foucault.
[0027] On notera aussi que la forme et la disposition des éléments 20 des figures 3A, 3B
n'est qu'un exemple seulement, et que d'autres formes et dispositions des éléments
disjoints 20 sont possibles sans sortir du domaine de l'invention.
[0028] La figure 3B illustre aussi en détail les connexions des éléments conducteurs 20
au point de contact M. Le point M est relié à un point O correspondant au centre de
l'inductance 1 par une piste conductrice MO, qui connecte au point M les éléments
25, 25' et 25". Diverses autres pistes conductrices passent par le point O et relient
un petit nombre d'éléments 20. Ainsi, le prolongement de la piste MO, la piste ON,
relie les éléments 24, 24' et 24". Une piste RS relie les éléments 30, 31, 32, 33.
De façon similaire, des pistes VW et TU, en diagonale sur la figure 3B, relient les
éléments 20 restants, situés sous les sommets de l'inductance 1.
[0029] De préférence, ces pistes conductrices sont de largeur minimum, compatible avec la
résistance maximum tolérable qu'elles peuvent présenter.
[0030] On notera que les pistes RS, TU, MN et VW ne se limitent pas à des segments rectilignes
définis par les points ci-dessus, mais qu'elles sont disposées de façon à relier efficacement
les éléments 20, par exemple comme cela est indiqué en traits gras sur la figure 3B.
Ainsi, la piste ON comporte en outre deux segments NN', NN", perpendiculaires à ON,
pour connecter les éléments 24' et 24".
[0031] On notera aussi que le point O est commun à toutes les pistes, qui, du fait de la
piste OM, se trouvent toutes reliées électriquement au point de contact M, et forment
ainsi, avec les éléments disjoints 20, le plan conducteur 10. On notera également
qu'en pratique la piste OM est plus large que les autres pistes, afin de pouvoir drainer
efficacement, si besoin est, des courants résiduels vers l'extérieur du plan conducteur.
[0032] La disposition des pistes conductrices reliant les éléments 20 a été choisie de sorte
que la résultante des forces électromotrices induites dans les pistes conductrices
soit sensiblement nulle.
[0033] Pour mieux comprendre le choix effectué, on va décrire, en relation avec les figures
3A et 3B, le comportement de la structure d'inductance selon la présente invention
lorsque l'inductance est parcourue par un courant variable i.
[0034] Tout d'abord, du fait que le plan conducteur est formé d'éléments conducteurs disjoints
de petite taille, le problème des courants de Foucault, qui existent néanmoins dans
chacun des éléments conducteurs 20 (et pas dans les pistes conductrices, de surface
négligeable), est pratiquement résolu et seul est à envisager le problème dû aux forces
électromotrices induites.
[0035] De façon générale, la force électromotrice induite dans un premier conducteur, par
un second conducteur parcouru par un courant variable i, a pour valeur e = -M.di/dt,
M étant le coefficient d'inductance mutuelle entre les deux conducteurs et di/dt la
variation, en fonction du temps, du courant i parcourant le second conducteur.
[0036] Pour deux conducteurs rectilignes parallèles, le coefficient d'inductance mutuelle
est fonction de la longueur des conducteurs et de leur distance, M étant d'autant
plus élevé que la longueur des conducteurs est grande et que leur distance est faible.
Si les conducteurs ne sont pas parallèles mais forment un certain angle, leur coefficient
d'inductance mutuelle M est proportionnel au cosinus de l'angle formé par les deux
conducteurs. Enfin, lorsque deux conducteurs sont perpendiculaires (leur angle est
90°), leur coefficient d'inductance mutuelle est nul.
[0037] Ainsi, pour réduire les forces électromotrices induites dans les pistes conductrices
et par suite les pertes subies par l'inductance 1, on réalise autant que possible
trois types de configurations.
[0038] Selon une première configuration, une piste ou un tronçon de piste conductrice est
perpendiculaire aux portions de spire, d'où il résulte une inductance mutuelle nulle
et une force électromotrice induite nulle également.
[0039] Selon une seconde configuration, une piste ou un tronçon de piste conductrice est
parallèle à au moins deux portions de spire, et à égale distance entre celles-ci.
Cela revient à placer ces pistes au centre de l'inductance et, comme chaque spire
de l'inductance comporte des portions parcourues par un courant de même valeur absolue
et de sens inverse, les pistes considérées présentent une inductance mutuelle formée
de deux composantes, une positive et l'autre négative, qui se retranchent et s'annulent
exactement si le nombre de portions de spire est le même de chaque côté.
[0040] Selon une troisième configuration, utilisée pour les sommets de l'inductance, une
piste ou un tronçon de piste conductrice est disposé suivant la bissectrice de l'angle
formé par des portions de spire. Ces portions de spire, étant parcourues par des courants
de sens opposés (respectivement se dirigeant et s'éloignant du sommet de l'angle qu'elles
forment), l'inductance mutuelle résultante entre ces portions de spire et la piste
ou le tronçon de piste considérés est également nulle, ainsi que la force électromotrice
résultante induite dans la piste ou le tronçon de piste considérés.
[0041] Examinons ainsi, en relation avec les figures 3A et 3B, le couplage inductif entre
les différentes pistes conductrices de la présente invention et chacune des portions
de spire de l'inductance 1, et les forces électromotrices que ces portions de spire
produisent dans une piste lorsque l'inductance est parcourue par un courant variable.
[0042] La piste MO est perpendiculaire aux portions de spire DE, FG et BC. Le coefficient
d'inductance mutuelle entre ces portions de spire et la piste MO est donc nulle, et
la force électromotrice créée dans MO par ces portions de spire est nulle. Par ailleurs,
la piste MO est parallèle aux portions de spire AB, CD, EF et GH, et située entre
ces portions de spire, à égale distance de celles-ci. La piste MO est le siège d'une
première force électromotrice induite due aux portions AB et EF, mais cette force
électromotrice est compensée par une seconde force électromotrice induite par les
portions de spire CD et GH, d'où il résulte que la résultante des forces électromotrices
crées par les portions de spire AB, CD, EF et GH est nulle. Ainsi, la piste MO n'est
le siège d'aucune force électromotrice résultante et le point O se trouve exactement
au même potentiel que le point M.
[0043] De même, la piste ON, perpendiculaire aux portions de spires BC, FC et DE, et parallèle
aux portions de spires AB, CD, EF et GH, et à égale distance entre celles-ci, est
le siège d'une force électromotrice résultante nulle et le point N est au même potentiel
que le point M.
[0044] La piste OR est perpendiculaire aux portions de spires AB, CD, EF et GH. Aucune force
électromotrice induite ne résultera donc dans la piste OR du fait de ces portions
de spires. La piste OR est par ailleurs parallèle aux portions de spire BC, DE et
FG. Comme la piste OR est située exactement au milieu des spires DE et FG, l'action
de ces portions de spire se compense sensiblement. Cependant, l'influence de la portion
de spire BC n'est pas compensée du fait que l'inductance 1 n'est pas symétrique et
qu'elle ne présente pas un nombre entier de spires. La distance entre la piste OR
et la portion de spire BC étant assez grande, la force électromotrice induite dans
la piste RO reste faible. Néanmoins, le point R est à un certain potentiel par rapport
au point O, donc au point M, ce qui est générateur de pertes. De façon similaire,
la piste SO est le siège d'une force électromotrice résiduelle due aux dissymétries
de l'inductance et le point S est à un potentiel différent de celui des points O et
M.
[0045] La piste TO, quant à elle, est sensiblement située sur la bissectrice de l'angle
formé par les portions de spire AB et BC d'une part, EF et FG d'autre part. L'on se
trouve dans le cas d'une des configurations décrites ci-dessus et, le même courant
se dirigeant vers les points B et F et s'en éloignant ensuite, la piste TO est le
siège de deux forces électromotrices qui se compensent et leur résultante est nulle.
On peut négliger en première approximation l'action des portions de spire CD, DE et
GH, qui se compensent en partie et qui sont assez éloignées de TO. La même chose peut
être dite pour la piste WO, formant la bissectrice de l'angle formé par les portions
de spire BC et CD, respectivement FG et GH.
[0046] Par contre, les pistes VO et UO, toujours du fait des dissymétries de l'inductance,
ne passent pas exactement par la bissectrice des angles formés par des portions de
spire. La compensation n'est pas parfaite et il apparaît, au point V et au point U,
un certain potentiel par rapport au point O et, par suite, par rapport au point M.
[0047] Ainsi, il apparaît que, grâce à la structure selon la présente invention, les résultantes
des forces électromotrices induites dans les diverses pistes conductrices reliant
les divers éléments conducteurs 20 sont nulles ou avoisinent zéro. En fait, si l'inductance
était parfaitement symétrique, la structure décrite ci-dessus permettrait une parfaite
compensation des forces électromotrices induites dans les pistes conductrices. Avant
de décrire une manière de réduire davantage les forces électromotrices résiduelles
présentes dans les pistes, on va décrire l'avantage significatif apporté par le fait
que les points de connexion des éléments 20 sont à un potentiel sensiblement égal
à celui du point de contact M.
[0048] Ainsi, en revenant à la figure 2, la bande 13 et les deux bandes 12 périphériques
sont le siège de forces électromotrices e' et e élevées, du fait qu'elles longent
sur une longueur importante des portions de spire à faible distance. Le point 14,
à une extrémité de la bande 13 se trouve ainsi au potentiel e'/2 par rapport au point
11 et le point 15, à l'extrémité de la bande périphérique 12, se trouve au potentiel
e" = e + e'/2. Sous les points 14 et 15, se trouvent des capacités, respectivement
C' et C", situées entre le plan conducteur et substrat, et des résistances, respectivement
R' et R", du substrat. Ces capacités C', C" et résistances R', R" sont des capacités
et résistances réparties, dont la valeur dépend de nombreux paramètres. Dans les capacités
C' et C", circule un courant i' et i" dont la valeur est, du fait que les résistances
R' et R" sont faibles en pratique en comparaison de l'impédance des capacités C' et
C", respectivement i' = C'.de'/dt et i" = C".de"/dt, de'/dt et de"/dt représentant
respectivement les variations des tensions e' et e" en fonction du temps. Les courants
i' et i" occasionnent dans le substrat des pertes par effet Joule, égales respectivement
à R'.i'
2 et R".i"
2, d'autant plus élevées que les tensions e' et e" sont élevées.
[0049] Selon l'invention, par contre, les pistes qui relient des éléments du plan conducteur
sont disposées de sorte que la résultante des forces électromotrices induites dans
ces pistes soit sensiblement nulle. Cela signifie que le point de connexion entre
un élément conducteur 20 et la piste conductrice qui le relie est à un potentiel sensiblement
nul. Ainsi, bien que des forces électromotrices soient induites dans la plupart des
éléments conducteurs (seuls les éléments 24 et 25 en sont totalement exempts dans
l'exemple représenté), la différence de potentiel maximale entre le point M et chacun
des points d'un élément conducteur 20 reste limitée sensiblement par la valeur de
la force électromotrice induite dans ledit élément qui est d'ailleurs faible du fait
que les éléments conducteurs sont perpendiculaires aux portions de spire et que leur
longueur est faible. Cela limite par conséquent le courant traversant la capacité
située sous les éléments 20 et par suite les pertes ohmiques dans le substrat, et
ce de manière importante par rapport à l'art antérieur, où la liaison des parties
de plan conducteur est souvent faite par la périphérie.
[0050] Néanmoins, comme cela a été mentionné ci-dessus, une force électromotrice résiduelle,
due principalement à la dissymétrie de l'inductance, subsiste dans certaines pistes
conductrices reliant les différents éléments du plan conducteur, par exemple dans
la piste RO, faisant que le potentiel du point R par rapport au point M n'est pas
tout à fait nul. Il est possible de réduire cette force électromotrice résiduelle.
En effet, il existe des outils de simulation électromagnétiques permettant, à partir
des divers paramètres du système, de calculer le coefficient d'inductance mutuelle
entre l'inductance 1 dans son ensemble et un trajet de piste particulier. Par exemple,
pour la piste RO, une piste R'O, située entre la piste RO et la piste VO subit davantage
l'influence de la portion de spire DE et par conséquent est probablement meilleure,
en termes de résultante de forces électromotrices induites, que la piste RO. Il est
possible d'utiliser l'outil de simulation électromagnétique évoqué ci-dessus pour
évaluer la performance d'une ou plusieurs pistes R'O décalées par rapport à la piste
RO et de choisir celle pour laquelle la résultante des forces électromotrices qui
y sont induites est la plus proche de zéro. Cela conduit à une variante du motif des
pistes conductrices et il est possible d'obtenir ainsi de nombreuses possibilités
de trajets de piste, qui améliorent le plan conducteur de la figure 3B. Par contre,
elles nécessitent un calcul assez complexe, qui n'est pas toujours nécessaire. Ainsi,
dans le cas de la figure 3A où l'inductance 1 est presque symétrique, le plan conducteur
de la figure 3B procure de manière satisfaisante les avantages décrits sans nécessiter
de correction supplémentaire.
[0051] Bien entendu, la structure d'inductance illustrée en figures 3A et 3B n'est qu'un
exemple seulement et la présente invention est susceptible de diverses variantes et
modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que les
éléments conducteurs 20 sont disposés juste sous l'emplacement des spires de l'inductance
1, et débordent très peu. Néanmoins, cette caractéristique n'est pas essentielle et
les éléments du plan conducteur pourraient s'étendre davantage sous l'inductance sans
sortir du domaine de l'invention.
[0052] Par ailleurs, l'exemple des figures 3A et 3B représente une inductance carrée comportant
une spire trois quarts. Il va bien entendu de soi que la présente invention peut être
appliquée quel que soit le nombre de spires de l'inductance, et quelle que soit la
forme de l'inductance.
[0053] Ainsi, si les spires sont rectangulaires, les éléments du plan conducteur peuvent
être des rectangles, comme dans le cas présent, et les pistes conductrices vont suivre,
sauf correction due aux dissymétries de l'inductance, les médianes et les diagonales
du rectangle.
[0054] Si les spires de l'inductance sont circulaires ou en spirale et présentent un centre
O, on peut conserver une forme rectangulaire aux éléments 20 du plan conducteur 10,
mais, de préférence, ceux-ci auront soit une forme trapézoïdale, limitée par des rayons
de centre O ou soit seront des parties de secteurs circulaires de centre O. Quoi qu'il
en soit, ces éléments seront disposés radialement, et leur connexion au centre se
fera par des pistes conductrices disposées aussi radialement, une telle structure,
parfaitement symétrique, présentant des pertes minimales.