DE102005056906A1

DE102005056906A1 - Integrierte Schaltungsanordnung mit in Reihe geschalteten Kondensatoren und Verwendung

Info

Publication number: DE102005056906A1
Application number: DE102005056906A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Kerber
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-11-29
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: DE102005056906B4

Abstract

Erläutert wird unter anderem eine integrierte Schaltungsanordnung, die eine Reihenschaltung (16) aus mindestens zwei Kondensatoren (C1a, C2a) enthält. Aufgrund der Reihenschaltung der Kondensatoren ergibt sich eine verlängerte Lebensdauer der Schaltungsanordnung, auch wenn die Dielektrika (D1a, D2a) sehr geringe Dicken haben.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Schaltungsanordnung:

– mit einem ersten Kondensator, der eine erste Elektrodenfläche, eine zweite Elektrodenfläche und ein zwischen der ersten Elektrodenfläche und der zweiten Elektrodenfläche angeordnetes erstes Dielektrikum enthält,
– mit einem zweiten Kondensator, der eine dritte Elektrodenfläche, eine vierte Elektrodenfläche und ein zwischen der dritten Elektrodenfläche und der vierten Elektrodenfläche angeordnetes zweites Dielektrikum enthält.

Der erste Kondensator und der zweite Kondensator sind in Reihe geschaltet, wobei die zweite Elektrodenfläche mit der dritten Elektrodenfläche elektrisch leitfähig zu einem Schaltungsknoten verbunden ist.

Die Kondensatoren sind beispielsweise:

– sogenannte MIM-Kondensatoren (Metall-Isolator-Metall),
– MOS-Kondensatoren (Metal Oxide Semiconductor),
– NCAP-Kondensatoren (n CAPacitor) bzw. PCAP-Kondensatoren (p CAPacitor),
– bzw. andere bekannte Kondensatorarten, die zur Integration geeignet sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte integrierte Schaltungsanordnung mit in Reihe geschalteten Kondensatoren anzugeben, insbesondere verbessert hinsichtlich der Zuverlässigkeit der Kondensatoren, des Platzbedarfs und/oder hinsichtlich besonderer Anwendungsmöglichkeiten. Außerdem soll eine Anwendung für eine Reihenschaltung angegeben werden.

Die auf die Schaltungsanordnung gerichtete Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den im Patentanspruch 1 angege benen Merkmalen gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist der Schaltungsknoten von anderen Bauelementen der integrierten Schaltungsanordnung elektrisch isoliert. Die Erfindung beruht auf der Überlegung, dass eine Herausforderung für das Design von höher integrierten CMOS-Schaltkreisen (Complementary Metal Oxide Semiconductor) darin besteht, das optimale Verhältnis zwischen Leistungsfähigkeit, Kosten und Zuverlässigkeit der Kondensatoren zu finden, z.B. von Metall-Isolator-Metall-Kondensatoren (MIM) bzw. Metall-Isolator-Halbleiter-Kondensator (MIS). Das Ziel besteht darin, Kondensatoren mit einer spezifischen Kapazität zu geringen Kosten und mit einer hohen Zuverlässigkeit zu fertigen.

Ein extrinsischer Fehler liegt vor, wenn der Kondensator ausfällt. Dagegen betrifft ein intrinsischer Fehler die Alterung in Abhängigkeit von der Temperatur oder von einer angelegten Spannung. Die Erfindung zielt auf eine Verbesserung der extrinsischen Zuverlässigkeitseigenschaften und ermöglicht bessere intrinsische Zuverlässigkeit durch das Verwenden der Kondensatorsplit-Technik, bei der anstelle eines Kondensators mit einem spezifischen Wert mindestens eine Reihenschaltung verwendet wird, wobei jede Reihenschaltung mindestens zwei Kondensatoren enthält. So wird an Stelle eines Einzelkondensators mindestens eine Reihenschaltung aus zwei, drei oder n-Kondensatoren verwendet. Die Kapazitäten der n-Kondensatoren sind in der genannten Reihenfolge bei unverändert großer Elektrodenfläche C/2, C/3 bzw. C/n im Vergleich zu der Einzelkapazität mit dem spezifischen Wert ist. n gibt hier eine natürliche Zahl an.

Wenn zwei oder mehr Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, sinkt die Wahrscheinlichkeit eines extrinsischen Fehlers auf Fⁿ, wobei F die extrinsische Fehlerwahrscheinlichkeit eines einzelnen Kondensators und n die Anzahl der in Reihe geschal teten Kondensatoren sind. Beispielsweise gilt für einen Einzelkondensator, der eine extrinsische Fehlerwahrscheinlichkeit von 100 ppm (parts per million) hat, dass die extrinsische Fehlerwahrscheinlichkeiten für zwei solche Kondensatoren in Reihenschaltung 0,01 ppm beträgt.

Für die intrinsische Zuverlässigkeit beruht die technische Wirkung auf der verringerten Betriebsspannung für jeden Kondensator. Die Betriebsspannung folgt für jeden Kondensator der Beziehung VDD/n, wobei VDD die Betriebsspannung eines einzelnen Kondensators und n die Anzahl der Kondensatoren sind. Der Effekt der verbesserten intrinsischen Zuverlässigkeit wird unten anhand der 2 noch näher erläutert.

Der verringerten Kapazität der Serienschaltung im Vergleich zu einem Einzelkondensator kann durch die folgenden Maßnahmen entgegengewirkt werden:

– Parallelschalten von weiteren Reihenschaltungen zu der ersten Reihenschaltung bei gegebener Dielektrikumsdicke für den Einzelkondensator und für die Kondensatoren der Reihenschaltungen. Um die Kapazität eines Einzelkondensators zu erreichen, sind nⁿ-Kondensatoren erforderlich. Für bspw. zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren sind vier Kondensatoren erforderlich.
– Das Dielektrikum kann aufgrund der verringerten extrinsischen Fehlerwahrscheinlichkeit dünner im Vergleich zu dem Dielektrikum des Einzelkondensators ausgeführt werden,
– die genannten Maßnahmen können kombiniert werden.

Bei einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält die Schaltungsanordnung ein Substrat, das eine Vielzahl von integrierten Halbleiterbauelementen trägt, beispielsweise Feldeffekttransistoren und/oder Bipolartransistoren. Die laterale Ausdehnung des Substrats beträgt ein Mehrfaches seiner Dicke, bspw. mehr als das zehnfache seiner maximalen Dicke.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist der erste Kondensator bezüglich des Substrats mit lateralem Versatz zu dem zweiten Kondensator angeordnet. Diese Weiterbildung gilt sowohl für MIS-Kondensatoren als auch für MIM-Kondensatoren. Der laterale Versatz findet in einer Richtung statt, die im Winkel von 90° zu einer Normalen des Substrats liegt. Beim nebeneinander Anordnen der Kondensatoren lässt sich eine Zunahme der Fläche verhindern bzw. begrenzen, wenn das Dielektrikum der in Reihe geschalteten Kondensatoren dünner als bisher üblich gewählt wird. Beim nebeneinander Anordnen der Kondensatoren können die Kondensatoren oft mit geringeren Kosten angeordnet werden, als wenn sie in vertikaler Richtung gesehen übereinander angeordnet werden.

Bei einer nächsten Weiterbildung sind die erste Elektrodenfläche, die zweite Elektrodenfläche, die dritte Elektrodenfläche und die vierte Elektrodenfläche an metallischem Material angeordnet, d.h. an Material, das vollständig aus Metall besteht, beispielsweise aus einer Kupferlegierung oder einer Aluminiumlegierung, oder das einen hohen Metallanteil, von beispielsweise größer als 40 Atomprozent enthält, beispielsweise Titannitrid, Tantalnitrid usw.

Bei einer alternativen Weiterbildung sind die erste Elektrodenfläche und die dritte Elektrodenfläche in oder an einem einkristallinen Material ausgebildet. Alternativ wird die zweite Elektrodenfläche und die dritte Elektrodenfläche in oder an einem einkristallinen Material ausgebildet. Das einkristalline Material ist beispielsweise einkristallines Silizium oder ein anderes Halbleitermaterial. Insbesondere kann das einkristalline Material dotiert oder undotiert sein.

Bei einer nächsten Weiterbildung sind die beiden in bzw. an dem einkristallinen Material ausgebildeten Elektrodenflächen jeweils in einem vorzugsweise einkristallinen und vorzugsweise dotierten Kanalausbildungsbereich angeordnet, der zwischen zwei vorzugsweise einkristallinen Anschlussbereichen angeord net ist, die im Vergleich zu dem Kanalausbildungsbereich mit einem anderen Dotiertyp dotiert sind, insbesondere auch mit einer höheren Dotierstoffkonzentration. In diesem Fall entsteht eine sogenannte MOS-Kapazität.

Bei einer alternativen Weiterbildung sind die beiden Elektrodenflächen jeweils in oder an einem vorzugsweise einkristallinen dotierten Bereich angeordnet, der jeweils zwischen zwei angrenzenden dotierten Anschlussbereich angeschlossen ist, die den gleichen Dotiertyp wie der dotierte Bereich haben, jedoch mit einer höheren Dotierstoffkonzentration. Ein solcher Kondensator wird auch als NCAP-Kondensator bzw. als PCAP-Kondensator bezeichnet. Jedoch gibt es auch andere Formen dieser Kondensatoren, bspw. mit einer Wannendotierung, die sowohl als Anschlussbereich als auch als Elektrodenfläche dient.

Bei einer anderen Weiterbildung ist der erste Kondensator mit lateraler Überlappung zu dem zweiten Kondensator angeordnet. Auf diese Art und Weise lässt sich der Platz auf der integrierten Schaltungsanordnung sehr gut nutzen, insbesondere auch dann, wenn das Dielektrikum im Vergleich zu bekannten Kondensatoren nicht zusätzlich dünner ausgeführt wird.

Bei einer Weiterbildung der mit lateraler Überlappung angeordneten Kondensatoren sind die Elektrodenflächen alle in einer Metallisierung angeordnet, so dass kein einkristallines Substrat genutzt werden muss, um Elektrodenflächen auszubilden.

Bei einer nächsten Weiterbildung gibt es zusätzlich zu der ersten Reihenschaltung des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators eine dazu parallel geschaltete zweite Reihenschaltung aus einem dritten Kondensator und einem vierten Kondensator. Bei einer anderen Weiterbildung gibt es drei Reihenschaltungen von Kondensatoren, die jeweils zwei oder drei Kondensatoren enthalten. Bei weiterer Ausgestaltung gibt es vier Reihenschaltungen, die jeweils vier Kondensatoren enthalten usw. Durch diese Weiterbildungen ist es möglich, den durch die Reihenschaltung entstehenden Kapazitätsverlust auszugleichen. Eine größere Fläche wird insbesondere dann nicht benötigt, wenn mehrere Kondensatoren übereinander angeordnet werden und/oder wenn die Dicke des Dielektrikums unter die bisher üblichen Werte verringert wird, weil aufgrund der durch die Reihenschaltung verringerten Ausfallrate mehr Ausfälle als bisher hingenommen werden können. Auch bei mehr als zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen enthält bei einer Ausgestaltung jede Reihenschaltung nur zwei Kondensatoren.

Bei einer nächsten Weiterbildung haben die bspw. vier, neun bzw. sechzehn Kondensatoren gleiche Kapazitätswerte, so dass sich die Kondensatoren auf die gleiche Art herstellen lassen.

Bei einer nächsten Weiterbildung besteht das erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum aus Siliziumdioxid. Die Dicke des ersten Dielektrikums ist kleiner als 15 Nanometer. Auch die Dicke des zweiten Dielektrikums ist kleiner als 15 Nanometer. Üblich sind in Metallisierungen bzw. MIM-Kondensatoren bisher Dielektrikumsdicken für Siliziumdioxid zwischen 30 und 50 Nanometer. Jedoch ist aufgrund der Reihenschaltung die Gesamtausfallwahrscheinlichkeit verringert, so dass mehr Teilausfälle hingenommen werden können. Solche Teilausfälle sind insbesondere bei der Verwendung der Kondensatoren als Blockkondensatoren zwischen Betriebspotentialleitungen hinnehmbar, weil die Funktion des Blockkondensators, nämlich die Unterdrückung von Spannungsspitzen auch gewährleistet ist, wenn ein Teilkondensator einer im Blockkondensator enthaltenen Reihenschaltung einen Kurzschluss enthält. Die genannten Werte für das Dielektrikum gelten hierbei für MIM-Kondensatoren.

Bei einer alternativen Weiterbildung bestehen das erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum aus Siliziumnitrid. Die Dicke des ersten Dielektrikums ist kleiner als 15 Nanometer. Auch die Dicke des zweiten Dielektrikums ist kleiner als 15 Nanometer. Bisher übliche Werte in Metallisierungen bzw. MIM-Kondensatoren für die Dicke von Siliziumnitrid als Dielektrikum liegen im Bereich zwischen 30 Nanometer und 50 Nanometer, um ein hochwertiges Dielektrikum herzustellen. Bei der Weiterbildung wird jedoch bei MIM-Kondensatoren die Schichtdicke im Vergleich zu der bekannten Schichtdicke verringert, weil Ausfälle aufgrund der durch die Reihenschaltung verringerten Ausfallwahrscheinlichkeit in größerem Maße hingenommen werden können.

Bei einer nächsten Weiterbildung enthält das erste Dielektrikum Aluminiumoxid. Bei MIM-Kondensatoren werden Aluminiumoxidschichtdicken heute mit Schichtdicken von etwa 10 Nanometer hergestellt. Aufgrund der oben mehrfach ausgeführten Überlegungen kann bei der Weiterbildung die Schichtdicke jedoch auf 5 Nanometer verringert werden.

Bei einer anderen Weiterbildung enthält das erste Dielektrikum und das zweite Dielektrikum Hafnium, insbesondere Hafniumoxid, Hafniumsilizid oder Hafniumaluminiumoxid. Auch hier kann die Dicke des ersten Dielektrikums und die Dicke des zweiten Dielektrikums jeweils kleiner als 5 Nanometer gewählt werden.

Bei einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung enthält die Reihenschaltung mehr als zwei Kondensatoren, d.h. insbesondere drei Kondensatoren oder vier Kondensatoren.

Die Erfindung betrifft außerdem eine Verwendung der Kondensatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Blockkondensatoren zwischen zwei Betriebspotentialleitungen der integrierten Schaltungsanordnung. Die Betriebspotentialleitungen sind bspw. direkt mit äußeren Anschlüssen der integrierten Schaltungsanordnung verbunden, über die eine Spannung von außen angelegt wird. Alternativ sind die Betriebspotentialleitungen mit internen Spannungsquellen verbunden. Insbesondere bei Blockkondensatoren kann eine Verringerung des Kapazitätswertes, beispielsweise auf den halben Wert im Vergleich zu einem vorgegebenen Wert hingenommen werden, weil die Funktion des Blockkondensators immer noch in ausreichendem Maße gewährleistet ist.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
1 Varianten zur Realisierung einer Kapazität in einer integrierten Schaltungsanordnung,
2 eine grafische Darstellung der verbesserten Lebensdauer eines gesplitteten Kondensators,
3 zwei in Reihe geschaltete MOS-Kapazitäten, und
4 einen Querschnitt durch die Metallisierung einer integrierten Schaltungsanordnung.
1 zeigt im linken Teil einen Kondensator C, der eine Elektrodenfläche F1 und eine Elektrodenfläche F2 enthält, zwischen denen ein Dielektrikum D angeordnet ist. Beispielsweise soll der Kondensator C eine Kapazität im Bereich von bspw. 1 Pikofarad bis 1 Nanofarad haben. Um den Kondensator C in integrierten Schaltungen 13 und 19 zu realisieren, werden im Folgenden zwei Varianten näher erläutert, siehe Pfeil 10 und Pfeil 12.
Wie durch den Pfeil 10 angedeutet, lässt sich der Kondensator C durch eine Kondensatoranordnung 14 aus vier Kondensatoren C1a bis C4a realisieren. Die Kondensatoren C1a und C2a sind in einer Reihenschaltung 16 angeordnet. Die Kondensatoren C3a und C4a sind dagegen in einer Reihenschaltung 18 angeordnet, die der Reihenschaltung 16 parallel geschaltet ist. Jeder Kondensator C1a bis C4a enthält zwei Elektrodenflächen und ein Dielektrikum, siehe beispielsweise Elektrodenfläche F1a, Elektrodenfläche F2a und Dielektrikum D1a für den Kondensator C1a. In der Kondensatoranordnung ist eine Elektrodenfläche F1a des Kondensators C1a mit einer Elektrodenfläche F5a des Kondensators C3a verbunden. Eine Elektrodenfläche F2a des Kondensators C1a ist mit einer Elektrodenfläche F3a des Kondensators C2a verbunden, wodurch ein Schaltungsknoten K entsteht, der auf schwebendem Potential liegt, d.h. keine Anschlüsse zu weiteren Bauelementen der integrierten Schaltungsanordnung 13 hat. Eine Elektrodenfläche F4a des Kondensators C2a ist mit einer Elektrodenfläche F8a des Kondensators C4a verbunden. Schließlich ist eine Elektrodenfläche F7a des Kondensators C4a mit einer Elektrodenfläche F6a des Kondensators C3a verbunden, wodurch ein weiterer Schaltungsknoten entsteht, der auf schwebenden Potential liegt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel werden die Kondensatoren C3a und C4a nicht verwendet. Um dennoch die Kapazität des Kondensators C bei gleichen Dielektrikummaterialien und gleichen Dielektrikumdicken D, D1a, D2a zu erzielen, werden die Elektrodenflächen F1a, F2a, F3a und F4a im Vergleich zu den Elektrodenflächen F1 und F2 vergrößert.
Bei einer weiteren Alternative werden die Elektroden F1a und F2a, F3a, F4a im Vergleich zu den Elektrodenflächen F1 und F2 gleich groß ausgeführt oder sogar verkleinert, wobei jedoch die Dicke des Dielektrikums D1a und D2a im Vergleich zur Dicke des Dielektrikums D verringert werden, um die Kapazität des Kondensators C zu erreichen.
Wie durch den Pfeil 12 angedeutet, lässt sich der Kondensator C bspw. auch durch neun Kondensatoren C1b bis C9b realisieren, wobei jeweils drei Kondensatoren in einer Reihenschaltung 22, 24 bzw. 26 angeordnet sind. Jeder Kondensator C1b bis C9b enthält zwei Elektrodenflächen und ein Dielektrikum, siehe Elektrodenflächen F1b bis F18b und die Dielektrika D1b bis D9b. Die neun Kondensatoren C1b bis C9b haben im Vergleich zum Kondensator C jeweils gleich große Elektrodenflächen und Dielektrika gleicher Stärke.
Bei einer Alternative werden die Reihenschaltungen 24 und 26 weggelassen, so dass es nur noch die drei Kondensatoren C1b bis C3b gibt. Um den gleichen Kapazitätswert wie beim Kondensator C zu erzielen, werden bei gleichen Dielektrikumsdicken und gleichen Dielektrikumsmaterialien Elektrodenflächen F1b bis F6b der Kondensatoren C1b bis C3b mit dreifacher Fläche im Vergleich zur Fläche der Elektrodenfläche F1 bzw. F2 ausgeführt. Bei einer Alternative wird jedoch bei gleichen Dielektrikummaterialien die Dicke der Dielektrika D1b bis D3b der Kondensatoren C1b bis C3b im Vergleich zur Dicke D verringert, um den gleichen Kapazitätswert zu erzielen, wobei die Elektrodenflächen F1b bis F6b im Vergleich zur Elektrodenfläche F1 bzw. F2 nicht vergrößert sind bzw. sogar kleiner ausgeführt werden können.
2 zeigt die grafische Darstellung der verbesserten Lebensdauer eines gesplitteten Kondensators. In einem Koordinatensystem 50 ist eine x-Achse 52 dargestellt, auf der die Zeit bis zum Fehler logarithmisch im Bereich von 10⁰ bis 10³⁰ dargestellt ist. Eine y-Achse 54 zeigt für eine Vielzahl con Testkondensatoren eine Darstellung von: ln(–ln(1 – F))wobei ln den natürlichen Logarithmus und F die Wahrscheinlichkeit eines extrinsischen Fehlers sind. Die y-Achse 54 stellt Werte dieser Größe im Bereich von 0 bis –20 dar. Eine Kurve 56 gilt für Einzelkondensatoren C. Eine Kurve 58 gilt für Kondensatoranordnungen 14. Das Verringern der Betriebsspannung von VDD auf VDD/2 führt zu einem Gewinn von mehreren Dekaden in der Lebensdauer. Jedoch ist bei Nebeneinanderanordnung der Kondensatoren C1a bis C4a und gleichen Dielektrikummaterialien sowie gleichbleibender Dielektrikumstärke eine vierfach größere Fläche erforderlich, um den gleichen Kapazitätswert im Vergleich zu dem Einzelkondensator C zu erreichen, der jedoch nur einen Bruchteil der Lebensdauer der Kondensatoranordnung 14 hat.
3 zeigt zwei in Reihe geschaltete MOS-Kapazitäten 72, 74 einer integrierten Schaltungsanordnung 70, die ein n-dotiertes Substrat 76 enthält. In dem n-Substrat 76 befinden sich zwei p-Wannen 78 und 80, die voneinander durch das n-Substrat 76 isoliert sind.
Die MOS-Kapazität 72 enthält eine Elektrode 82, beispielsweise aus dotiertem polykristallinen Silizium, ein Dielektrikum 84, beispielsweise Siliziumdioxid, zwei Kanalanschlussbereiche 86, 88 an einander abgewandten Enden eines Kanalausbildungsbereichs 90 an der Oberfläche der p-Wanne 78.
Ebenso enthält die MOS-Kapazität 74 eine Elektrode 92, ein Dielektrikum 94, Kanalanschlussbereiche 96, 98, die n-dotiert sind, und einen in der p-Wanne 80 angeordneten Kanalausbildungsbereich 100.
Die Elektrode 72 ist über eine elektrische Verbindung 102 mit dem Anschlussbereich 96 verbunden. Ein Kondensatoranschluss 104 führt zu dem Kanalanschlussbereich 86. Ein Kondensatoranschluss 106 führt zu der Elektrode 92. Zwischen den Kondensatoranschlüssen 104 und 106 liegt die Gesamtkapazität Cges der Reihenschaltung der beiden MOS-Kapazitäten 72 und 74 an. In 3 ist außerdem eine Normalenrichtung N einer Hauptfläche des Substrats 76 dargestellt, wobei in der Hauptfläche die MOS-Kapazitäten 72 und 74 sowie weitere nicht dargestellte elektronische Halbleiterbauelemente angeordnet sind. Im Winkel von 90° liegt eine laterale Richtung L, in der gesehen die beiden MOS-Kapazitäten zueinander versetzt sind. Die Kanalanschlussbereiche 88, 98 werden auf geeignete Potentiale gelegt.
Die in 3 dargestellte Schaltung lässt sich auch mit komplementären Dotierungen erzeugen. Anstelle einer oder beider MOS-Kapazitäten lassen sich jedoch auch sogenannte NCAP bzw. PCAP verwenden, bei denen anstelle der p-Wannen 78, 80 n-Wannen verwendet werden. Auch Kombinationen aus MOS- Kapazität und NCAP bzw. PCAP werden bei anderen Ausführungsbeispielen angewendet. Die Dotierung der Elektrodenbereiche 82 und 84 kann mit der Dotierung der Bereiche 86, 88 bzw. 96 und 98 übereinstimmen, muss es aber nicht. Auch metallische Elektroden 82 und 84 werden verwendet.
Die Kondensatoren 82 und 92 sind beispielsweise einander benachbart, beispielsweise im Abstand kleiner als 10 Mikrometer. Die Kondensatoren 72 und 74 lassen sich jedoch auch mit größerem Abstand zueinander auf dem Substrat 76 anordnen, beispielsweise im Abstand größer als 10 Mikrometer.
Aufgrund der Parallelschaltung der Kondensatoren 72 und 74 wird das Dielektrikum 84, 94 bei einem Ausführungsbeispiel dünner als das dünnste Gatedielektrikum von aktiven Bauelementen auf dem gleichen einkristallinen Substrat 76 ausgeführt, z.B. von Feldeffekttransistoren. Dies ist aus den oben mehrfach genannten Überlegungen hinsichtlich der Fehlerwahrscheinlichkeit möglich.
4 zeigt eine Kondensatoranordnung 700, die oberhalb eines nicht dargestellten Halbleitersubstrats vier Metallisierungslagen Me1 bis Me3 enthält. Jede Metallisierungslage Me1 bis Me4 enthält eine Vielzahl von Leitbahnen aus einer Aluminiumlegierung mit einem Zusatz an Kupfer von bspw. weniger als zwei Prozent. In 9 sind jedoch nur die Leitbahnen der Metallisierungslagen Me1 bis Me3 dargestellt, die zur Kondensatoranordnung 700 gehören. Leitbahnen zum Anschluss von aktiven Bauelementen im Halbleitersubstrat sind also nicht dargestellt. Alternativ wird jedoch eine Kupfermetallisierung verwendet, die mehr als 40 Atomprozent Kupfer enthält und bspw. mit einem Damasceneverfahren hergestellt wird.
Die Metallisierungslagen Me1 bis Me3 sind in dieser Reihenfolge durch Zwischenlagen ILD1 und ILD2 aus beispielsweise Siliziumdioxid voneinander elektrisch isoliert. Beispielsweise haben die Metallisierungslagen Me1 bis Me3 jeweils eine Dicke im Bereich von 200 nm bis 600 nm. Die Abstände benachbarter Metallisierungslagen Me1 bis Me4 liegen beispielsweise im Bereich von 500 nm bis 1 Mikrometer.
Zum Herstellen der Kondensatoranordnung 700 werden bisher übliche Schichtabscheidungs-, Lithografie- und Strukturierungsverfahren eingesetzt, so dass diese hier nicht näher erläutert werden. Eine untere Elektrode 710 liegt in der Metallisierungslage Me1. Zwischen der Elektrode 710 und einer darüber liegenden Teilelektrode 712 liegt ein Dielektrikum 714. Die Teilelektrode 712 wird bspw. durch eine 45 nm dicke Titannitridschicht gebildet. Das Dielektrikum 714 ist eine bspw. nur 13 nm dicke Siliziumnitridschicht. Im Ausführungsbeispiel haben die Elektroden der Kondensatoranordnung 700 eine rechteckförmige Grundfläche, wobei eine Länge L in Längsrichtung der Rechtecke liegt. Die Länge L der Teilelektrode 712 beträgt beispielsweise 150 μm.
Die untere Elektrode 710 und das Dielektrikum 714 ragen bspw. über die Teilelektrode 712 hinaus. Das Dielektrikum 714 diente bei der Strukturierung der Teilelektrode 712 als Ätzstopp und wurde nur leicht angeätzt, so dass die Darstellung in der 4 übertrieben ist. Auf der linken Seite erstreckt sich die untere Elektrode 710 weiter über die Teilelektrode 712 hinaus als auf der rechten Seite. Dadurch entsteht eine Anschlussfläche für einen Kontaktabschnitt Via1, der zwischen einer Leitbahn 718 der Metallisierungslage Me2 und der Elektrode 710 liegt. Der Kontaktabschnitt Via1 ist Teil einer Reihe von Kontaktabschnitten zwischen einer Leitbahn 718 in der Metallisierungsebene Me2 und der Grundelektrode 710.
Eine mit der Teilelektrode 712 über Kontaktabschnitte Via2 und Via3 verbundene Teilelektrode 720 liegt ebenfalls in der Metallisierungslage Me2. Die Kontaktabschnitte Via2 und Via3 sind Bestandteil zweier Viareihen zwischen den Teilelektroden 712 und 720. Die Teilelektroden 712 und 720 bilden eine floa tende bzw. auf schwebendem Potential liegende Mittelelektrode der Kondensatoranordnung 700.
Der Teilelektrode 720 benachbart liegt in der Zwischenlage ILD2 eine Teilelektrode 722, die von der Teilelektrode 720 durch ein Dielektrikum 724 getrennt ist. Die Teilelektrode 722 besteht aus einer 45 nm dicken Titannitridschicht. Das Dielektrikum 724 besteht wiederum aus einer bspw. nur 13 nm dicken Siliziumnitridschicht. Auch die Teilelektrode 722 hat die Länge L. Die Teilelektrode 720 und das Dielektrikum 724 ragen rechts und links über die Teilelektrode 722 hinaus. Auch das Dielektrikum 724 diente als Ätzstopp beim Erzeugen der Teilelektrode 722 und wurde nur leicht angegriffen. Durch diese Maßnahmen wird das Dielektrikum 724 am empfindlichen Randbereich der Elektrode 722 nicht geschädigt.
In der Metallisierungslage Me3 liegt außerdem eine Teilelektrode 730, die gemeinsam mit der Teilelektrode 722 die zweite Mittelelektrode der Kondensatoranordnung 700 bildet. Die Teilelektroden 722 und 730 sind über zwei Via-Reihen miteinander verbunden, von denen in 9 zwei Kontaktabschnitte Via5 und Via6 dargestellt sind. Die Teilelektrode 730 ist von der Leitbahn 728 durch Teile der Zwischenlage ILD3 getrennt, siehe Zwischenraum 731. Die unter Elektrode 710 ist elektrisch über zwei übereinander liegende Reihen von Kontaktabschnitten angeschlossen. Die untere Reihe führt von der Elektrode 710 zu der Leitbahn 718. Die obere Reihe führt von Leitbahn 718 zur Teilelektrode. In 4 ist ein Kontaktabschnitt Via7 dieser oberen Reihe von Kontaktabschnitten dargestellt. Zur unteren Reihe gehört der Kontaktabschnitt Via1.
In 4 ist außerdem eine Schaltskizze 750 dargestellt, aus der die Verschaltung von Kapazitäten C1 und C2 der Kondensatoranordnung 700 zu entnehmen ist. Die Kapazität C1 wird durch die untere Elektrode 710 und durch die Teilelektrode 712 gebildet. Die Kapazität C2 wird durch die Teilelektrode 720 und die Teilelektrode 722 gebildet. Die Kapazitäten C1 und C2 sind zueinander elektrisch in Reihe geschaltet.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Kondensatoranordnung über mehr als drei Metallisierungsebenen bzw. -lagen. Bei anderen Ausführungsbeispielen werden die Kondensatoren C1 und C2 in der Metallisierung der Schaltungsanordnung 700 nebeneinander in der gleichen Metallisierungslage oder auch in verschiedenen Metallisierungslagen angeordnet. In diesem Fall lassen sich beispielsweise die beiden oberen Elektroden, die beiden unteren Elektroden oder eine obere Elektrode und eine untere Elektrode miteinander verbinden. Parallel zu den Kondensatoren C1 und C2 werden bei anderen Ausführungsbeispielen zwei weitere zueinander in Reihe geschaltete Kondensatoren geschaltet.
Die Wirkungen der Erfindung gelten auch für sogenannte Grid-Kondensatoren bzw. für Sandwich-Kondensatoren. Bei einer Ausgestaltung werden Grid-Kondensatoren verwendet, bei denen zwischen zwei Elektroden mit positivem bzw. negativem Potential bzw. Massepotential jeweils eine floatende Elektrode liegt.

C bis C9b: integrierter Kondensator
F1 bis F18b: Elektrodenfläche
D bis D9b: Dielektrikum
10, 12: Pfeil
13: Schaltungsanordnung
14: Kondensatoranordnung
16, 18: Reihenschaltung
K: Schaltungsknoten
19: Schaltungsanordnung
20: Kondensatoranordnung
22 bis 26: Reihenschaltung
50: Koordinatensystem
52: x-Achse
54: y-Achse
56, 58: Kurve
N: Normalenrichtung
L: lateraler Versatz
70: integrierte Schaltungsanordnung
72, 74: MOS-Kapazität
76: Substrat
78, 80: p-Wanne
82: Elektrode
84: Dielektrikum
86, 88: Kanalanschlussbereich
90: Kanalausbildungsbereich
92: Elektrode
94: Dielektrikum
96, 98: Kanalanschlussbereich
100: Kanalausbildungsbereich
102: elektrische Verbindung
104, 106: Kondensatoranschluss
700: Kondensatoranordnung
Me1 bis Me3: Metallisierungslage
ILD1 bis ILD3: Zwischenlage
710: untere Elektrode
L: Länge
712: Teilelektrode
714: Dielektrikum
Via1 bis Via7: Kontaktabschnitt
718: Leitbahn
720, 722: Teilelektrode
724: Dielektrikum
730: Teilelektrode
731: Zwischenraum
732: Obere Elektrode
734: Dielektrikum
736, 738: gestrichelte Linie
Cges: Gesamtkapazität
750: Schaltskizze
C1 bis C2: Kapazität
752: gestrichelte Linie

Claims

Integrierte Schaltungsanordnung (13), mit einem ersten Kondensator (C1a), der eine erste Elektrodenfläche (F1a), eine zweite Elektrodenfläche (F2a) und ein zwischen der ersten Elektrodenfläche (F1a) und der zweiten Elektrodenfläche (F2a) angeordnetes erstes Dielektrikum (D1a) enthält, mit einem zweiten Kondensator (C2a), der eine dritte Elektrodenfläche (F3a), eine vierte Elektrodenfläche (F4a) und ein zwischen der dritten Elektrodenfläche (F3a) und der vierten Elektrodenfläche (F4a) angeordnetes zweites Dielektrikum (D2a) enthält, der erste Kondensator (C1a) und der zweite Kondensator (C2a) sind in Reihe geschaltet, wobei die zweite Elektrodenfläche mit der dritten Elektrodenfläche (F3a) elektrisch leitfähig zu einem Schaltungsknoten (K) verbunden sind, der von anderen Bauelementen der integrierten Schaltungsanordnung elektrisch isoliert ist.
Schaltungsanordnung (70) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Substrat (76), das eine Vielzahl integrierter Halbleiterbauelemente trägt und dessen laterale Ausdehnung ein Mehrfaches seiner Dicke beträgt.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (72) bezüglich des Substrats (76) mit lateralem Versatz (L) zu dem zweiten Kondensator (74) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenfläche, die zweite Elektrodenfläche, die dritte Elektrodenfläche und die vierte Elektrodenfläche an einem metallischem Material ausgebildet sind oder dass die vier Elektrodenflächen in mindestens einer Metallisierungslage angeordnet sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenfläche und die dritte Elektrodenfläche in oder an einem einkristallinen Material (90, 100) ausgebildet sind, insbesondere in einkristallinen Material des Substrats (76).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenfläche und die dritte Elektrodenfläche in oder an einem einkristallinen Material ausgebildet sind, insbesondere in einkristallinen Material des Substrats (76).
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrodenflächen jeweils in einem Kanalausbildungsbereich (90, 100) angeordnet sind, der jeweils zwischen zwei Anschlussbereichen (86, 88; 96, 98) angeordnet ist, die im Vergleich zu dem Kanalausbildungsbereich (90, 100) mit einem anderen Dotiertyp dotiert sind.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektrodenflächen jeweils in oder an einem dotierten Bereich angeordnet sind, der jeweils zwischen zwei dotierten Anschlussbereichen angeordnet ist, die den gleichen Dotiertyp wie der dotierte Bereich haben.
Schaltungsanordnung (700) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (C1) mit lateraler (L) Überlappung zu dem zweiten Kondensator (C2) angeordnet ist.
Schaltungsanordnung (700) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrodenfläche (710), die zweite Elektrodenfläche (712), die dritte Elektrodenfläche (720) und die vierte Elektrodenflächen (722) an metallischem Material ausgebildet sind, oder dass die vier Elektrodenflächen (710 bis 722) in einer Metallisierungslage oder in mehreren Metallisierungslagen angeordnet sind.
Schaltungsanordnung (13) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine der Reihenschaltung (16) des ersten Kondensators (C1a) und des zweiten Kondensators (C2a) parallel geschaltete Reihenschaltung (18) aus einem dritten Kondensator (C3a) und einem vierten Kondensator (C4a).
Schaltungsanordnung (19) nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine der Reihenschaltung (22) des ersten Kondensators (C1b) und des zweiten Kondensators (C2b) parallel geschaltete dritte Reihenschaltung (26) aus einem fünften Kondensator (C7b) und einem sechsten Kondensator (C8b).
Schaltungsanordnung (13, 19) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren (C1a bis C4a; C1b bis C9b) gleiche Kapazitätswerte haben.
Schaltungsanordnung (700) nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dielektrikum (714) und insbesondere auch das zweite Dielektrikum (724) Siliziumdioxid enthält oder aus Siliziumdioxid besteht, und dass die Dicke des ersten Dielektrikums (714) und insbesondere des zweiten Dielektrikums (724) kleiner als 15 Nanometer oder kleiner als 10 Nanometer ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dielektrikum und insbesondere das zweite Dielektrikum Siliziumnitrid enthalten oder aus Siliziumnitrid bestehen, und dass die Dicke des ersten Dielektrikums und insbesondere auch die Dicke des zweiten Dielektrikums kleiner als 15 Nanometer oder kleiner als 10 Nanometer ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dielektrikum und insbesondere das zweite Dielektrikum Aluminiumoxid enthält oder aus Aluminiumoxid besteht, und dass die Dicke des ersten Dielektrikums und insbesondere die Dicke des zweiten Dielektrikums kleiner als 5 Nanometer oder kleiner als 3 Nanometer ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dielektrikum und insbesondere das zweite Dielektrikum Hafnium enthält, und dass die Dicke des ersten Dielektrikums und insbesondere die Dicke des zweiten Dielektrikums kleiner als 5 Nanometer oder kleiner als 3 Nanometer ist.
Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihenschaltung mehr als zwei Kondensatoren enthält.
Verwendung der Kondensatoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Blockkondensator zwischen zwei Betriebspotentialleitungen der integrierten Schaltungsanordnung (13, 19, 700).