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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Träger für mikroelektronische Bauelemente
und/oder Schaltungen, insbesondere Chips mit niedriger Empfindlichkeit
für Störungen von
Versorgungs- oder Signalspannungen. Dabei beschreibt die vorliegende
Erfindung eine innovative Technologie-Plattform zur Herstellung
von hoch integrierten "System
in Package"-Modulen
auf Basis von Silizium-Trägern
und findet Anwendung im Bereich der Kommunikationstechnik sowie
Automobil- und Industrieelektronik (z.B. Hochfrequenzmodule für Mobiltelefone,
Basisstationen oder auch Radarmodule für Automobile) oder anderen
Bereichen, in denen eine Höchstintegration
aus Platz- oder
Kostengründen
erwünscht
ist. "System in
Package"-Module
werden derzeit unter Verwendung verschiedener Trägermaterialien, wie beispielsweise
LTCC Keramik, Laminat PCB, Glas oder Silizium, hergestellt.
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Mit
steigender Integrationsdichte, zunehmenden Signalfrequenzen sowie
abnehmenden Versorgungsspannungen und Signalpegeln steigt die Empfindlichkeit
integrierter Schaltungen in Bezug auf Störsignale. Insbesondere Fluktuationen
und Störungen
der Versorgungsspannung oder hochfrequente Störungen der zu verarbeitenden
Signale, insbesondere Hochfrequenzsignale und schnelle Digitalsignale,
können
die Funktion und Zuverlässigkeit
des Systems negativ beeinflussen. Es ist somit stets nötig, insbesondere
hochfrequente Störsignale
aus den an einen Chipträger
insbesondere eines "System
in Package"-Moduls
zu übertragenden
Signal- und/oder Versorgungsspannungen zu filtern.
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Diese "Entstörung" der Versorgungsspannung
sowie die Filterung für
Signalspannungen erfolgt mit diskreten Bauelementen, insbesondere
SMD-Bauelementen, die auf dem Träger
angeordnet werden. Es handelt sich hierbei meist um passive Bauelemente,
mit deren Hilfe hochfrequente Anteile aus der Versorgungsspannung
gefiltert werden oder die als Filter oder Abstimmglieder für Signalspannungen
eingesetzt werden.
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Die
Miniaturisierung dieser passiven Bauelemente kann allerdings bisher
mit der Entwicklung in der Miniaturisierung integrierter Schaltungen
nicht Schritt halten. Daher stellen solche Entstörungs- und Filterkomponenten
immer eine Grenze für
die Miniaturisierung von "System
in Package"-Modulen
dar.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Träger für integrierte
Schaltungen, insbesondere Chips für "System in Package"-Module bereitzustellen, der bei niedriger
Störsignalempfindlichkeit
eine kompakte Bauweise ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch den im unabhängigen
Anspruch 1 definierten Träger
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung stellt somit einen Träger
für mikroelektronische
Bauteile und/oder Schaltungen, insbesondere Chips, zur Verfügung, welcher
umfasst:
- – ein
Substrat, das eine erste bzw. vorderseitige Grenzfläche, in
der eine Vielzahl erster Kontaktlöcher ausgebildet ist, und eine
der ersten Grenzfläche
im wesentlichen gegenüberliegende,
vorzugsweise im wesentlichen zur ersten Grenzfläche parallele, zweite bzw.
rückseitige
Grenzfläche
aufweist, in der eine Vielzahl zweiter Kontaktlöcher ausgebildet ist, wobei
das Substrat einen Substratkörper
und eine Vielzahl von in dem Substratkörper ausgebildeten elektrisch
leitfähigen
Kontaktkanälen
umfasst, von denen jeder ein erstes Kontaktloch mit einem zweiten
Kontaktloch elektrisch leitfähig
verbindet; und
- – zumindest
eine auf der ersten Grenzfläche
angeordnete erste bzw. vorderseitige Verdrahtungschicht, in der
zumindest eine erste vorderseitige Metallisierungsschicht bzw. Leiterbahnschicht
derart ausgebildet ist, dass sie eine erste Kondensatorelektrode
zum elektrischen Verbinden der mikroelektronischen Bauteile und/oder
Schaltungen mit einem ersten Pol einer Signal- und/oder Versorgungsspannung
zumindest teilweise umfasst,
wobei die erste Kondensatorelektrode
zumindest teilweise über
ein im Träger
ausgebildetes Kondensatordielektrikum kapazitiv an elektrisch leitfähige Bereiche
einer in der vorderseitigen Verdrahtungsschicht ausgebildeten zweiten
vorderseitigen Metallisierungsschicht bzw. Leiterbahnschicht und/oder
des Substrats koppelt, welche eine zweite Kondensatorelektrode zum
elektrischen Verbinden der mikroelektronischen Bauteile und/oder
Schaltungen mit einem zweiten Pol der Signal- bzw. Versorgungsspannung
zumindest teilweise bilden.
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Somit
bildet zumindest ein Teil der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht
zumindest einen Teil der ersten Kondensatorelektrode. Die zweite
Kondensatorelektrode ist zumindest teilweise entweder in einer weiteren
vorderseitigen Metallisierungsschicht ausgebildet oder wird durch
leitfähige
Bereiche des Substrats gebildet. Die zweite Kondensatorelektrode
könnte
auch sowohl Bereiche der zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht
als auch leitfähige
Bereiche des Substrats umfassen. Entscheidend ist, dass die beiden
Kondensatorelektroden durch das Kondensatordielektrikum gegeneinander
isoliert sind und eine Kondensatorstruktur bilden. Die genaue Geometrie
der Kondensatorstruktur hängt
insbesondere davon ab, welche leitfähigen Bereiche des Trägers und
insbesondere des Substrats als zweite Kondensatorelektrode ausgebildet
sind.
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Insbesondere
sind solche Bereiche des Substrats zumindest teilweise zur zweiten
Kondensatorelektrode ausgebildet, die in herkömmlichen Trägern mit vergleichbaren Substraten
ohne zusätzlichen
technologischen Aufwand mit einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit
gebildet bzw. hergestellt werden können. Dies sind vorzugsweise
der Substratkörper
und/oder die Kontaktkanäle.
Dadurch lässt
sich der erfindungsgemäße Träger in besonders
einfacher und kostengünstiger
Weise herstellen.
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Dabei
ist die Verwendung der Bezeichnungen "vorderseitig" bzw. "rückseitig" nicht einschränkend sondern
dient lediglich der Unterscheidung der ersten von der zweiten Grenzfläche bzw.
den darauf angeordneten Schichten. Für die Definition der Erfindung
könnten
somit die beiden Begriffe auch vertauscht benutzt werden.
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Der
erfindungsgemäße Träger stellt
einen universell einsetzbaren Chipträger für die Montage mehrerer mikroelektronischer
Bauteile (d.h. Dies, bevorzugt aus Silizium) und insbesondere einen
Träger
zur Verwendung in "System
in Package"-Modulen
dar, welcher diese Bauteile sehr gut elektrisch leitend miteinander verbindet.
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Dazu
werden in dem Träger,
wie in herkömmlichen
Trägern,
Verdrahtungsschichten mit Metallisierungsschichten und Durchgangskanäle mit leitfähigen Kontaktkanälen verwendet
um eine Umverdrahtung bzw. eine elektrische Kontaktierung elektronischer
Bauteile und insbesondere Chips zu ermöglichen. Die Umverdrahtung
bzw. Kontaktierung wird insbesondere über die zumindest eine erste
bzw. zweite vorderseitige Leiterbahnschicht bzw. Metallisierungsschicht
ermöglicht.
Dazu ist die Metallisierungsschicht vorzugsweise im wesentlichen
lateral, d.h. senkrecht zur Substratnormalenrichtung in eine Vielzahl
von Leiterbahnen strukturiert. Bei der Kontaktierung bzw. Umverdrahtung
wird üblicherweise
nicht die gesamte Fläche
der Metallisierungsschicht für
Leiterbahnen und/oder Durchkontaktierungen verwendet. Insbesondere
wird die Länge
von Signalleitungen zur Vermeidung elektrischer Widerstände und
parasitärer
Induktivitäten
möglichst
kurz und die für
die Signalleitungen verwendete Fläche zur Unterdrückung parasitärer Kapazitäten möglichst
klein gehalten. Bei der Herstellung von Metallisierungsschichten
werden allerdings vorzugsweise ganzflächige Metallschichten aufgebracht,
die nachträglich
in Form von Leiterbahnen strukturiert werden.
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Die
vorliegende Erfindung nutzt nun vorzugsweise vorhandene flächige Metallisierungsschichten
zumindest teilweise zur Bildung zumindest der ersten flächigen Kondensatorelektrode.
Der bei Signalleitungen üblicherweise
zu vermeidende Effekt von parasitären Kapazitäten wird in der vorliegenden
Erfindung durch die kapazitive Kopplung über das Kondensatordielektrikum
gezielt ausgenutzt. Durch die entstehende Kapazität werden
insbesondere unerwünschte
hochfrequente Schwankungen bzw. Störungen der mittels der Kondensatorelektroden
an die elektronischen Bauteile und insbesondere Chips übertragenen
Versorgungsspannung bzw. der zu verarbeitenden Signale gedämpft bzw.
unterdrückt
bzw. gefiltert.
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Ein
Modul auf der Basis eines Trägers
gemäß der vorliegenden
Erfindung weist somit eine deutlich reduzierte Störsignalempfindlichkeit
auf. Besonders bevorzugt wird die Fläche, über die die beiden Kondensatorelektroden
kapazitiv koppeln und insbesondere die von der ersten Kondensatorelektrode
in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht belegte Fläche und
damit die elektrische Kapazität
derart an die Anforderungen der im Modul integrierten bzw. zu integrierenden
elektronischen Bauelemente bzw. Chips und/oder an das verwendete
Versorgungssystem bzw. die Signalspannungen angepasst, dass auf
externe, passive Bauelemente zur Entstörung zumindest teilweise verzichtet
werden kann. Da bei der Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägers keine
aufwendigen zusätzlichen
technologischen Schritte erforderlich sind, andererseits aber die
Anforderungen an externe Entstörkomponenten
vermindert werden, können
durch die vorliegende Erfindung die Herstellungskosten insbesondere
von "System in Package"-Modulen reduziert
werden. Außerdem wird
durch die Reduzierung diskreter externer und insbesondere passiver
Bauelemente die Größe solcher
Module vermindert, was für
Anwendungen, in denen eine hohe Packungsdichte erforderlich ist,
besondere vorteilhaft ist.
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Als
weiterer Vorteil eines Trägers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ergibt sich, dass durch Reduzierung von erforderlichen
externen Bauelementen (wie z.B. Filterkomponenten) die Länge der
dafür nötigen Zuleitungen
reduziert und damit parasitäre
Induktivitäten
und Widerstände
vermindert werden können.
Dadurch werden die Entstör-
bzw. Filterwirkungen zusätzlich
verbessert und insbesondere besser kontrollierbar bzw. einstellbar.
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Vorzugsweise
umfasst der Träger
ferner eine an der zweiten Grenzfläche angeordnete zweite bzw. rückseitige
Verdrahtungsschicht, in der zumindest eine erste rückseitige
Metallisierungsschicht ausgebildet ist. Vorzugsweise ist in der
ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht und/oder der ersten
rückseitigen
Metallisierungsschicht zumindest eine erste vorderseitige bzw. rückseitige
Leiterbahn ausgebildet, die mit zumindest einem Kontaktkanal elektrisch
leitfähig
verbunden ist. Besonders bevorzugt ist somit zumindest eine erste
vorderseitige Leiterbahn über
zumindest einen Kontaktkanal mit zumindest einer rückseitigen
Leiterbahn elektrisch leitfähig
verbunden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Träger
ferner zumindest eine in der vorderseitigen und/oder rückseitigen
Verdrahtungsschicht ausgebildete zweite vorderseitige bzw. rückseitige
Metallisierungsschicht, welche weiter von der vorderseitigen bzw.
rückseitigen
Grenzfläche
beabstandet ist als die erste vorderseitige bzw. rückseitige
Metallisierungsschicht und in der zumindest eine zweite vorderseitige
bzw. rückseitige
Leiterbahn ausgebildete ist, die mit zumindest einem Kontaktkanal
unter Bildung einer Durchkontaktierung elektrisch leitfähig verbunden
ist. Dabei sind in der ersten vorderseitigen bzw. rückseitigen
Metallisierungsschicht insbesondere im Bereich der Durchkontaktierung
vorzugsweise Aussparungen vorgesehen, durch die die erste vorderseitige
bzw. rückseitige
Metallisierungsschicht gegen die Durchkontaktierung elektrisch isoliert ist.
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Entsprechend
könnten
in der vorderseitigen bzw. rückseitigen
Verdrahtungsschicht eine oder mehrere weitere Metallisierungsschichten
ausgebildet sein. Vorzugsweise sind diese zumindest teilweise unter
Bildung von weiteren Durchkontaktierungen mit weiteren Kontaktkanälen und/oder
anderen Metallisierungsschichten elektrisch leitfähig verbunden.
Dabei weisen dazwischen liegende Metallisierungsschichten insbesondere
im Bereich der Durchkontaktierungen vorzugsweise Aussparungen auf,
durch die diese dazwischen liegenden Metallisierungsschichten gegen
die Durchkontaktierungen elektrisch isoliert sind. Alternativ oder
zusätzlich könnten auch
verschiedene Metallisierungsschichten, insbesondere innerhalb der
selben Verdrahtungsschicht und/oder in verschiedenen Verdrahtungsschichten
elektrisch leitfähig
miteinander verbunden sein. Dabei sind vorzugsweise zumindest zwei
verschiedene Leiterbahnen in den verschiedenen Metallisierungsschichten elektrisch
leitfähig
miteinander verbunden.
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Vorzugsweise
ist zumindest eine rückseitige
Leiterbahn mit zumindest einem rückseitigen
Kontakt und zumindest eine vorderseitige Leiterbahn mit zumindest
einem vorderseitigen Kontakt elektrisch leitfähig verbunden ist. Über diese
Kontakte kann eine gute elektrische Leitfähigkeit zu den mikroelektronischen
Bauteilen und/oder Schaltungen hergestellt werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Substrat makroporöses
Silizium. Besonders bevorzugt ist der Substratkörper zumindest teilweise elektrisch
leitfähig
dotiert (p- oder n-dotiert). Eine elektrisch leitfähige Dotierung
des Substratkörpers
und insbesondere dotiertes Silizium eignet sich bei der Herstellung
des Substrats und insbesondere bei einem bevorzugten elektrochemischen
Herstellungsverfahren für
makroporöses
Silizium besonders. Somit sind für
diese Ausführungsform
keine zusätzlichen
aufwendigen technologischen Schritte erforderlich.
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Die
erste Kondensatorelektrode umfasst vorzugsweise eine möglichst
große
Fläche
der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht, um eine möglichst
große
elektrische Kapazität
zur zweiten Kondensatorelektrode zu bewirken. Entsprechend umfasst
auch die zweite Kondensatorelektrode vorzugsweise eine möglichst große Fläche der
zweiten vorderseitigen Metallisierung und/oder des Substrats. Insbesondere
ist die gesamte Fläche
der Projektion der ersten und/oder zweiten Kondensatorelektrode
in Substratnormalenrichtung (d.h. in einer Richtung im wesentlichen
senkrecht zur ersten Grenzfläche)
auf die erste Grenzfläche
vorzugsweise größer als
1 mm2, noch mehr bevorzugt größer als
5 mm2, am meisten bevorzugt größer als
20 mm2. Der gesamte Träger umfasst vorzugsweise eine
Fläche
von zumindest 10 mm2, noch mehr bevorzugt
zumindest 30 mm2. Besonders bevorzugt umfasst
die erste Kondensatorelektrode im wesentlichen die gesamte, nicht
für Signalleitungen,
also insbesondere Leiterbahnen, und/oder Durchkontaktierungen benötigte bzw.
verwendete Fläche in
der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht.
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Vorzugsweise
ist die Dicke des Kondensatordielektrikums zumindest teilweise kleiner
als 500 nm, besonders bevorzugt kleiner als 250 nm. Somit weisen
insbesondere die erste und die zweite Kondensatorelektrode vorzugsweise
zumindest teilweise einen gegenseitigen Abstand auf der kleiner
als 500 nm, noch mehr bevorzugt kleiner als 250 nm ist. Außerdem umfasst
das Kondensatordielektrikum vorzugsweise einen Isolator mit hoher
Dielektrizitätskonstante,
insbesondere TiO2 und/oder Al2O3 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder Si3N4 und/oder ONO
(insbesondere die Schichtstruktur SiO2/Si3N4/SiO2).
Beides trägt
dazu bei, eine hohe elektrische Kapazität zwischen den Kondensatorelektroden
und damit besonders gute Dämpfungseigenschaften zu
erreichen.
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In
einem erfindungsgemäßen Träger ist
die pro Fläche,
also insbesondere pro Fläche
senkrecht zur Substratnormalenrichtung bzw. parallel zur ersten
und/oder zweiten Grenzfläche,
gebildete elektrische Kapazität
zwischen der ersten Kondensatorelektrode und der zweiten Kondensatorelektrode
vorzugsweise zumindest teilweise größer als 500 pF/mm2,
noch mehr bevorzugt größer als
1 nF/mm2, am meisten bevorzugt größer als
3 nF/mm2. Insbesondere ist die gesamte im
Träger
gebildete elektrische Kapazität
zwischen der ersten Kondensatorelektrode und der zweiten Kondensatorelektrode
vorzugsweise größer als
50 nF, noch mehr bevorzugt größer als
100 nF, am meisten bevorzugt größer als
300 nF.
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Vorzugsweise
sind die Kontaktkanäle
zumindest teilweise durch Durchgangsisolierungen vom Substratkörper beabstandet
und gegen diesen elektrisch isoliert. Die Durchgangsisolierungen
sind dabei vorzugsweise röhrenförmig ausgestaltet
und umgeben die elektrisch leitfähigen
Kontaktkanäle
zum Substratkörper hin.
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Vorzugsweise
umfasst die erste Kondensatorelektrode eine Vielzahl von ersten
Kondensatorfingern, die von einer Vielzahl der Kontaktkanäle gebildet
werden, welche mit der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht
elektrisch leitfähig
verbunden sind. Dadurch besitzt die erste Kondensatorelektrode eine
besonders große
Oberfläche
und insbesondere eine große
Kontaktfläche
bzw. Kopplungsfläche
zum Substrat und insbesondere den im Substrat ausgebildeten elektrisch
leitfähigen
Bereichen. Außerdem
wird dadurch das Potential der ersten Kondensatorelektrode bis zur
zweiten Grenzfläche übertragen,
was vorzugsweise eine kapazitive Kopplung zu einer rückseitigen
Metallisierungsschicht in einer rückseitigen Verdrahtungsschicht
bewirkt. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn die zweite Kondensatorelektrode
die erste rückseitige
Metallisierungsschicht zumindest teilweise umfasst. Dabei bilden
nicht notwendigerweise alle mit der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht
elektrisch leitfähig
verbundenen Kontaktkanäle
Kondensatorfinger. So könnte
in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht insbesondere
zumindest eine Leiterbahn ausgebildet sein, die gegen die erste
Kondensatorelektrode elektrisch isoliert ist. Ein mit dieser Leiterbahn
elektrisch leitfähig
verbundener Kontaktkanal bildet dann eine Durchkontaktierung zur
zweiten Grenzfläche.
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Vorzugsweise
umfasst die erste rückseitige
Metallisierungsschicht die zweite Kondensatorelektrode zumindest
teilweise. Besonders bevorzugt umfasst dabei die zweite Kondensatorelektrode
eine Vielzahl von zweiten Kondensatorfingern, die von einer Vielzahl
der Kontaktkanäle
gebildet werden, welche mit der ersten rückseitigen Metallisierungsschicht
elektrisch leitfähig
verbunden sind. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn das Kondensatordielektrikum
die Durchgangsisolierungen der ersten und/oder zweiten Kondensatorfinger
umfasst. Somit sind vorzugsweise die ersten und/oder zweiten Kondensatorfinger
durch das Kondensatordielektrikum vom Substratkörper beabstandet und gegen
diesen elektrisch isoliert.
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Es
ist außerdem
besonders bevorzugt, wenn die erste Kondensatorelektrode und/oder
die zweite Kondensatorelektrode eine geschlossene Fläche in der
ersten vorderseitigen bzw. rückseitigen
Metallisierungsschicht derart umfasst, dass die Projektion dieser
geschlossenen Fläche
auf die erste bzw. zweite Grenzfläche eine Vielzahl von ersten
bzw. zweiten Kontaktlöchern überdeckt.
Damit ist eine besonders gute kapazitive Kopplung der in den entsprechenden
Kontaktkanälen
ausgebildeten zweiten bzw. ersten Kondensatorfingern zur ersten
bzw. zweiten Kondensatorelektrode erreichbar.
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Vorzugsweise
ist die erste vorderseitige Metallisierungsschicht und/oder die
erste rückseitige
Metallisierungsschicht und insbesondere die erste Kondensatorelektrode
und/oder die zweite Kondensatorelektrode zumindest teilweise durch
das Kondensatordielektrikum von der ersten bzw. zweiten Grenzfläche beabstandet und
insbesondere gegen den Substratkörper
und/oder gegen Kontaktkanäle
elektrisch isoliert. Dadurch werden vorzugsweise insbesondere die
zweiten bzw. ersten Kondensatorfinger gegen die erste vorderseitige
bzw. rückseitige
Metallisierungsschicht elektrisch isoliert.
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Besonders
bevorzugt erfolgt die kapazitive Kopplung zwischen der ersten und
der zweiten Kondensatorelektrode über den Substratkörper. Dies
ist insbesondere vorteilhaft, wenn die erste und die zweite Kondensatorelektrode
jeweils eine Vielzahl von Kontaktkanälen als Kondensatorfinger umfasst.
Diese Anordnung bewirkt insbesondere eine Serienschaltung zweier
Kapazitäten.
Dabei ist die erste Kapazität
zwischen den ersten Kondensatorfingern und dem Substratkörper und
die zweite Kapazität
zwischen dem Substratkörper
und den zweiten Kondensatorfingern ausgebildet. Dabei sind die ersten
und zweiten Kondensatorfinger zumindest in einer Richtung vorzugsweise
zumindest teilweise abwechselnd angeordnet. Die erste und zweite
Kondensatorelektrode bilden über
die ersten und zweiten Kondensatorfinger somit vorzugsweise eine
Interdigitalstruktur.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfasst die zweite Kondensatorelektrode den Substratkörper zumindest
teilweise. Somit entsteht die kapazitive Kopplung vorzugsweise im
wesentlichen zwischen der ersten Kondensatorelektrode und dem Substratkörper.
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In
einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform ist die zweite Kondensatorelektrode
zumindest teilweise in einer zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht
ausgebildet, die zumindest teilweise durch das Kondensatordielektrikum
von der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht beabstandet
ist. Vorzugsweise ist die zweite vorderseitige Metallisierungsschicht
dabei zumindest teilweise im wesentlichen parallel zur ersten Metallisierungsschicht
angeordnet.
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Insbesondere
ist die zweite Kondensatorelektrode vorzugsweise im wesentlichen
in ihrer gesamten Fläche,
bis auf Bereiche von Ankontaktierungen bzw. Durchkontaktierungen,
in Substratnormalenrichtung durch das Kondensatordielektrikum von
der ersten Kondensatorelektrode getrennt. Es bildet sich somit eine Struktur ähnlich einem
Plattenkondensator aus. Dabei kann zwischen der ersten vorderseitigen
Metallisierungsschicht und der ersten Grenzfläche eine weitere vorderseitige
Metallisierungsschicht ausgebildet sein, die insbesondere gegen
die Kondensatorelektroden elektrisch isoliert ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf begleitende Zeichnungen
bevorzugter Ausführungsformen
beispielhaft beschrieben. Dabei zeigen:
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1:
eine erste bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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2:
eine zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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3:
eine dritte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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4:
eine vierte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung
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In 1 bis 4 sind
unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Trägers angegeben.
Im elektrischen Design des Systems werden Vorzugsebenen für die Umverdrahtung
der Signale (z.B. Hochfrequenzsignale oder digitale Hochgeschwindigkeitssignale),
die Masse sowie die Versorgungsspannung im Lagenaufbau des Silizium-Trägers definiert.
Zwischen den Lagen der Masse und der Versorgungsspannung wird über das
verwendete Dielektrikum eine Koppelkapazität realisiert. Durch die Verwendung
eines hochpermittiven Materials wie z.B. TiO2 und/oder
Al2O3 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder Si3N4 und/oder ONO (insbesondere die Schichtstruktur
SiO2/Si3N4/SiO2) können hohe
Kapazitätswerte
zur Entstörung
des Versorgungssystems oder zur Filterung von Störungen in Signalen erreicht
werden.
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Insbesondere
zeigt 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung. Der darin dargestellte Träger 10 umfasst ein
Substrat 12, das eine erste im wesentlichen planare Oberfläche bzw. Grenzfläche 14 und
eine vorzugsweise dazu parallele im wesentlichen planare zweite
Oberfläche
bzw. Grenzfläche 16,
die der ersten Grenzfläche 14 gegenüberliegt.
Das Substrat 12 umfasst einen Substratkörper 18, der vorzugsweise
Silizium umfasst.
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Im
Substratkörper 18 ist
eine Vielzahl von Durchgangskanälen 20 ausgebildet,
von denen jeder Durchgangskanal 20 jeweils über ein
erstes Kontaktloch 22 in der ersten Grenzfläche 14 und
ein zweites Kontaktloch 24 in der zweiten Grenzfläche 16 mündet. Jeder
der Durchgangskanäle 20 weist
eine elektrisch leitfähige
Kontaktkanal 26 auf, der eine elektrisch leitfähige Verbindung
zwischen dem ersten Kontaktloch 22 und dem zweiten Kontaktloch 24 herstellt.
Der Kontaktkanal 26 ist mittels einer Durchgangsisolierung 28 gegen
den Substratkörper 18 elektrisch
isoliert. Die Durchgangsisolierung 28 umfasst dabei elektrisch
isolierendes Material, wie beispielsweise SiO2 oder
TiO2. Vorzugsweise sind die Durchgangsisolierungen 28 im
wesentlichen röhrenförmig ausgebildet
und bilden jeweils die Wand der Durchgangskanäle 20. Am meisten
bevorzugt verlaufen die Durchgangskanäle 20 im wesentlichen
parallel zueinander und parallel zu einer Substratnormalenrichtung, d.h.
einer Richtung senkrecht zur ersten bzw. zweiten Grenzfläche. Die
Durchgangskanäle
verlaufen somit vorzugsweise geradlinig entlang einer Längsachse
parallel zur Substratnormalenrichtung und weisen weiter bevorzugt
jeweils einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt senkrecht
zur Substratnormalenrichtung also parallel zur ersten 14 bzw.
zweiten Grenzfläche 16 auf.
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Insbesondere
sind die Durchgangskanäle 20 vorzugsweise
im wesentlichen regelmäßig und
insbesondere zumindest teilweise äquidistant zueinander angeordnet.
In einem Querschnitt parallel zur ersten 14 bzw. zweiten
Grenzfläche 16 sind
die Durchgangskanäle 20 somit
zumindest teilweise in einem regelmäßigen 2-dimensionalen Gitter
angeordnet. In den gezeigten bevorzugten Ausführungsformen sind die Durchgangskanäle 20 insbesondere
in einem quadratischen Gitter angeordnet, wobei der Mittelpunktsabstand
benachbarter Durchgangskanäle
vorzugsweise zwischen 2 μm
und 200 μm,
noch mehr bevorzugt zwischen 10 μm
und 100 μm,
liegt. Der Durchmesser der Durchgangskanäle 20 entspricht vorzugsweise
der Hälfte
des Abstands benachbarter Durchgangskanäle 20 und liegt somit
vorzugsweise zwischen 1 μm
und 100 μm
noch mehr bevorzugt zwischen 5 μm
und 50 μm.
Das Substrat 12 weist somit am meisten bevorzugt zwischen
100 und 10 000 Durchgangskanäle 20 pro
mm2 auf.
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Diese
Durchgangskanäle
werden vorzugsweise durch elektrochemisches Ätzen hergestellt. Besonders
bevorzugt werden dabei durch elektrochemisches Ätzen in einem Siliziumsubstrat
Sacklöcher
von einer ersten, vorderseitigen Oberfläche des Siliziumsubstrats aus
erzeugt. Anschließend
wird vorzugsweise eine Isolatorschicht auf den Oberflächen des
im vorangegangenen Schritt erhaltenen Substrats erzeugt. Durch selektives
isotropes Ätzen
von der zweiten, rückseitigen
Oberfläche
aus werden vorzugsweise die erzeugten Sacklöcherenden derart freigelegt,
dass die jeweiligen Sacklöcherwände, welche
durch die Isolatorschicht gebildet werden, auf der rückseitigen
Oberfläche
aus dem Substrat herausragen und in diesem Bereich nur durch die,
die jeweilige Sacklochwand bildende Isolatorschicht definiert werden,
was wiederum über
die Länge
der herausragenden Isolatorschicht eingestellt werden kann. Anschließend wird
vorzugsweise eine weitere Isolatorschicht auf den Oberflächen des
erhaltenen Substrats erzeugt. Danach wird vorzugsweise eine Vielzahl
der erzeugten Sacklöcher
mit Metall befüllt.
Dies erfolgt vorzugsweise durch Einbringen des Substrats in eine Schmelze
des Metalls unter Druck in einer die Schmelze enthaltenden Prozesskammer.
Vorzugsweise wird anschließend
die Schmelze in den Sacklöchern
von der vorderseitigen Oberfläche
aus asymmetrisch abgekühlt, so
dass eine Kontraktion des Metalls beim Abkühlen in den Sacklöchern zur
rückseitigen
Oberfläche
hin erfolgt, bis die erstarrte Metalloberfläche auf einer Ebene mit der
rückseitigen
Oberfläche
des Substrats liegt. Schließlich
werden vorzugsweise die übrigen
unbefüllten,
aus dem Substrat herausragenden und in diesem Bereich nur durch
die Isolatorschicht gebildeten Sacklöcherenden entfernt. Alternativ
könnten
die Durchgangskanäle
auch durch bekannte Plasmaätzverfahren
hergestellt werden.
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Der
Träger 10 weist
ferner eine an der ersten Grenzfläche 14 angeordnete
erste Verdrahtungsschicht 30, auch als vorderseitige Verdrahtungsschicht 30 bezeichnet,
und eine an der zweiten Grenzfläche 16 angeordnete
zweite Verdrahtungsschicht 32, auch als rückseitige
Verdrahtungsschicht 32 bezeichnet, auf. In der in 1 gezeigten
Ausführungsform
umfasst die vorderseitige Verdrahtungsschicht 30 eine erste
vorderseitige Metallisierungsschicht 34, welche durch ein
Kondensatordielektrikum 36 von der ersten Grenzfläche 14 beabstandet
ist. Das Kondensatordielektrikum 36 ist an der ersten Grenzfläche 14 angeordnet
und bildet eine elektrische isolierende Schicht, die vorzugsweise
eine hohe relative Dielektrizitätszahl
aufweist. Besonders bevorzugt umfasst das Kondensatordielektrikum 36 TiO2 und/oder Al2O3 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder Si3N4 und/oder ONO
(insbesondere die Schichtstruktur SiO2/Si3N4/SiO2)
mit einer relativen Dielektrizitätszahl von
bis zu 95 und einer typischen Dicke in Substratnormalenrichtung
von vorzugsweise ungefähr
200 nm. Es sind auch kleinere Dicken (z.B. ungefähr 100 nm) möglich. Die
erste vorderseitige Metallisierungsschicht 34 grenzt vorzugsweise
direkt an das Kondensatordielektrikum 36 an.
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Außerdem weist
die erste Verdrahtungsschicht 30 in der in 1 gezeigten
Ausführungsform
eine zweite vorderseitige Metallisierungsschicht 38 auf,
die von der ersten Grenzfläche 14 in
Substratnormalenrichtung weiter beabstandet ist als die erste vorderseitige
Metallisierungsschicht 34 und die durch eine vorderseitige
Verdrahtungsisolation 40 zumindest teilweise gegen die
erste vorderseitige Metallisierungsschicht 34 elektrisch
isoliert ist. Abweichend von der gezeigten Ausführungsform könnten in
der ersten bzw. vorderseitigen Verdrahtungsschicht eine oder mehrere
weitere vorderseitige Metallisierungsschichten vorgesehen sein.
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Die
zweite bzw. rückseitige
Verdrahtungsschicht 32 weist eine erste rückseitige
Metallisierungsschicht 42 auf. Diese kann, wie in 1 gezeigt,
durch eine rückseitige
Verdrahtungsisolation 40 von der zweiten Grenzfläche 16 beabstandet
sein. Alternativ könnte
die erste rückseitige
Metallisierungsschicht 42 abweichend von der dargestellten
Ausführungsform
auch direkt an der zweiten Grenzfläche 16 angeordnet
sein. Auch die zweite bzw. rückseitige
Verdrahtungsschicht 32 könnte eine oder mehrere weitere
Metallisierungsschichten aufweisen.
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Die
Metallisierungsschichten sowohl in der vorderseitigen Verdrahtungsschicht 30 als
auch in der rückseitigen
Verdrahtungsschicht 32 verlaufen vorzugsweise im wesentlichen
entlang von Ebenen senkrecht zur Substratnormalenrichtung. Je nach
Ausgestaltung des Trägers 10 können die
Metallisierungsschichten aber auch Stufen in Substratnormalenrichtung
aufweisen. Jede der Metallisierungsschichten entspricht dabei vorzugsweise
einer in einem einzigen Metallisierungsprozess erzeugten metallischen
Schicht bzw. Leiterbahnschichten. Weist vor dem Abscheiden der jeweiligen
Metallisierungsschicht die Oberfläche des Trägers eine Stufe auf, so ist
diese Stufe auch in der entsprechenden Metallisierungsschicht vorhanden.
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Die
Metallisierungsschichten sind zumindest teilweise in lateraler Richtung,
d.h. senkrecht zu Substratnormalenrichtung, strukturiert. Die Metallisierung
innerhalb der jeweiligen Metallisierungsschicht ist also in lateraler
Richtung teilweise unterbrochen. Dies ist insbesondere dort erwünscht, wo
einzelne Bereiche der jeweiligen Metallisierungsschicht elektrisch
gegeneinander isoliert werden sollen. In den Metallisierungsschichten
sind vorzugsweise zumindest teilweise in herkömmlicher Weise Leiterbahnen 44 ausgebildet.
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Wesentlich
für die
gezeigt bevorzugte Ausführungsform
ist dabei, dass zumindest eine Metallisierungsschicht eine erste
Kondensatorelektrode 46 und eine andere Metallisierungsschicht
eine zweite Kondensatorelektrode 48 zumindest teilweise
umfasst. In der ersten gezeigten Ausführungsform ist die erste Kondensatorelektrode 46 zumindest
als Teil der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 ausgebildet,
während die
zweite Kondensatorelektrode 48 zumindest teilweise von
der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 umfasst ist. In dieser Ausführungsform
umfasst die zweite Kondensatorelektrode 48 außerdem eine Vielzahl von Kondensatorfingern 50.
Die Vielzahl der Kondensatorfinger 50 der zweiten Kondensatorelektrode 48 sind durch
einen Teil der Durchkontaktierungen bzw. Kontaktkanäle 26 gebildet
und sind mit dem in der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 ausgebildeten Teil der zweiten
Kondensatorelektrode 48 elektrisch leitfähig verbunden.
Die Kondensatorfinger 50 der zweiten Kondensatorelektrode 48 grenzen über die
erste Grenzfläche 14 an
das Kondensatordielektrikum 36 an.
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Die
erste Kondensatorelektrode 46 ist dabei flächig bzw.
großflächig ausgebildet,
d.h. die erste Kondensatorelektrode 46 umfasst eine geschlossene
elektrisch leitfähige
Schicht, die in beide Dimensionen senkrecht zur Substratnormalenrichtung,
also zumindest teilweise im wesentlichen parallel zur ersten Grenzfläche 14,
eine Ausdehnung aufweist, die einem Vielfachen der Abstände benachbarter
Kontaktkanäle 26 bzw.
benachbarter Kondensatorfinger 50 entspricht. Vorzugsweise
umfasst die erste Kondensatorelektrode 46 den größten Teil
der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 und
ist lediglich dort unterbrochen, weist also eine Aussparung 52 auf,
wo ein elektrischer Kontakt zwischen einem Kontaktkanal 26 und
der zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht 38 in
Form einer Durchkontaktierung 54 hergestellt ist.
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Die
Kondensatorfinger 50 der zweiten Kondensatorelektrode 48 sind
zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig bezüglich des Kondensatordielektrikums 36 der
ersten Kondensatorelektrode 46 gegenüberliegend angeordnet, d.h.
an das Kondensatordielektrikum 36 angrenzend. Dadurch ergibt
sich eine besonders hohe elektrische Kapazität zwischen der ersten Kondensatorelektrode 34 und
der zweiten Kondensatorelektrode 48. Die beiden Kondensatorelektroden
sind dabei vorzugsweise ausgelegt, an die beiden Pole einer Versorgungsspannung
bzw. eines elektrischen Versorgungssystems für eine elektronische Schaltung
angeschlossen zu werden und übertragen
diese Versorgungsspannung an die elektronische Schaltung. Die im
Träger 10 zwischen
der ersten 46 und der zweiten Kondensatorelektrode 48 auftretende
elektrische Kapazität
bewirkt dabei eine Dämpfung
bzw. Unterdrückung
insbesondere hochfrequenter Spannungsfluktuationen im Versorgungssystem.
Damit bewirkt die integrierte Kapazität des Trägers eine Entstörung des
Versorgungssystems bzw. der Versorgungsspannung. Dazu wird eine
der beiden Kondensatorelektroden auf das Potential der Versorgungsspannung
(VDD) gelegt, während
die andere Kondensatorelektrode geerdet wird (GND). Somit bildet die
erste Kondensatorelektrode und/oder die zweite Kondensatorelektrode
vorzugsweise eine erste bzw. zweite Versorgungselektrode zum elektrischen
Verbinden der mikroelektronischen Bauteile und/oder Schaltungen mit
einem ersten bzw. zweiten Pol der Versorgungsspannung.
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Die
zweite vorderseitige Metallisierungsschicht 38 sowie die
nicht für
die Kondensatorelektroden 46 und 48 genutzten
Bereiche der ersten Vorderseitigen 38 und der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 werden für die Übertragung weiterer elektrischer
Signale (z.B. RF-Signale) genutzt. Insbesondere sind die Kontaktkanäle 26 zumindest
teilweise sowohl mit Bereichen der vorderseitigen Metallisierungsschichten
und insbesondere der zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht 38 und
Bereichen der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 unter Bildung von Durchkontaktierungen 54 elektrisch
leitfähig
verbunden, um rückseitige
Kontakte 56 mit vorderseitigen Kontakten 58 elektrisch
leitfähig
zu verbinden. 1 zeigt einen rückseitigen
Kontakt 56, der insbesondere als Standard Flip Chip Interconnect
ausgestaltet ist und mit einem als Face-To-Face Interconnect ausgestalteten vorderseitigen
Kontakt 58 elektrisch leitfähig verbunden ist. Über den
vorderseitigen Kontakt 58 kontaktiert der Träger 10 einen
elektronischen Chip 60. Entsprechende vorderseitige Kontakte
sind für
alle im Chip 60 benötigten
Signale und Spannungen vorgesehen.
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Die
zweite vorderseitige Metallisierungsschicht bzw. -lage 38 führt vorzugsweise
Signalleitungen bzw. Leiterbahnen 44. Die erste vorderseitige
Metallisierungsschicht bzw. -lage 34 wird als möglichst
vollflächige Metallisierung
für die
Versorgungsspannung vorgesehen. Die Metalllage auf der Rückseite
des Trägers 10,
die erste rückseitige
Metallisierungsschicht bzw. -lage 42 wird als Massefläche ausgeführt. Öffnungen
bzw. Aussparungen 52 für
Durchkontaktierungen 54 sowie notwendige Bereiche für die Umverdrahtung
reduzieren die Fläche
der Versorgungsspannung und der Masse, also die Fläche der
ersten Kondensatorelektrode 46 und der zweiten Kondensatorelektrode 48.
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Weiterhin
werden die nicht für
die Umverdrahtung benötigten
Kontaktkanäle 26 elektrisch
leitend mit der Massefläche,
also dem von der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 umfassten Teil der zweiten Kondensatorelektrode 48 verbunden.
Damit kann eine Koppelkapazität
zwischen den Kondensatorfingern 50 der zweiten Kondensatorelektrode 48 und
der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 und
insbesondere der ersten Kondensatorelektrode 46 entstehen.
Durch die Verwendung eines Dielektrikums (z.B. TiO2)
mit einer relativen Dielektrizitätszahl
von 95 und einer typischen Dicke von 200 nm können hohe Kapazitätswerte je
nach Durchmesser der Löcher
von ca. 800 bis 3300 pF/mm2 erreicht werden.
Bei einer Modulgröße von beispielsweise
100 mm2 stehen somit 80-330 nF zur Hochfrequenzentstörung des
Versorgungssystemes zur Verfügung.
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Vorteil
dieser Ausführung
ist, dass die Kapazitäten
ohne weiteres Hinzufügen
von Prozessschritten und damit sehr kostengünstig realisiert werden können. Das
Dielektrikum (z.B. TiO2) dient als Isolator,
um – wo erforderlich – die verschiedenen
metallischen Leiter und/oder das leitfähige Substrat gegeneinander
zu isolieren und gleichzeitig als Dielektrikum zur Herstellung der
integrierten Kapazität.
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Tabelle
1: Erreichbare Kapazitätswerte
für die
erste in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform
mit unterschiedlichen Größen der
Durchkontaktierungen
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Tabelle
1 zeigt berechnete Werte für
die Kapazität
pro Fläche
für die
erste in 1 gezeigte Ausführungsform,
wobei der Mittelpunktsabstand der Kontaktkanäle bzw. Löcher, doppelt so groß ist wie
der in der Tabelle angegebene Durchmesser der Kontaktkanäle bzw.
Löcher.
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Abweichend
von der gezeigten Ausführungsform
könnten
die Kondensatorfinger 50 auch als Teil der ersten Kondensatorelektrode 46 ausgebildet
sein, also mit dem flächigen
Teil der ersten Kondensatorelektrode 46 in der ersten vorderseitigen
Metallisierungsschicht 34 leitfähig verbunden sein. Die Kondensatorfinger 50 wären in diesem
Fall nicht mehr leitfähig
mit der ersten rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 verbunden. Das Kondensatordielektrikum 36 ist
in diesem alternativen Fall vorzugsweise an die zweite Grenzfläche 16,
also zwischen dem Substrat und der ersten rückseitigen Metallisierungsschicht 42 angeordnet.
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Eine
zweite bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt.
Abweichend von der ersten gezeigten Ausführungsform ist an der zweiten
bevorzugten Ausführungsform
das Kondensatordielektrikum 36 an der der ersten Grenzfläche 14 abgewandten
Seite der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 angeordnet
und an diese angrenzend. Die erste vorderseitige Metallisierungsschicht 34 ist
von der ersten Grenzfläche 14 durch
die dazwischen angeordnete vorderseitige Verdrahtungsisolation 40 beabstandet.
Unmittelbar an das Kondensatordielektrikum 36 angrenzend
ist die zweite vorderseitige Metallisierungsschicht 38 ausgebildet.
Das Kondensatordielektrikum 36 trennt somit die erste 34 von
der zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht 38.
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Während analog
zur ersten Ausführungsform
die erste Kondensatorelektrode 46 in der ersten vorderseitigen
Metallisierungsschicht 34 ausgebildet ist, ist abweichend
von der ersten Ausführungsform
in der in 2 gezeigten Ausführungsform
die zweite Kondensatorelektrode 48 von der zweiten vorderseitigen
Metallisierungsschicht 38 umfasst. Wiederum sind beide
Kondensatorelektroden zumindest teilweise flächig bzw. großflächig ausgestaltet.
Besonders bevorzugt umfassen die Kondensatorelektroden alle nicht
für Signalübertragung
benötigten
Bereiche der ersten 34 bzw. zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht 38.
Insbesondere bei Verwendung eines dünnen Kondensatordielektrikums 36 mit
hoher relativer Dielektrizitätszahl
lässt sich damit
eine große
elektrische Kapazität
zwischen den Kondensatorelektroden erreichen, die eine besonders
effiziente Entstörung
des Versorgungssystems oder von Signalspannungen bewirkt. Dazu werden
wiederum die beiden Kondensatorelektroden 46 und 48 jeweils
mit den Polen des Versorgungssystems bzw. der Versorgungsspannung
oder der Signalspannung verbunden.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst in dieser Ausführungsform
die vorderseitige Verdrahtungsschicht 30 eine dritte vorderseitige
Metallisierungsschicht 62. Diese Schicht und insbesondere
die in dieser Schicht ausgebildeten Leiterbahnen 44 werden
ebenso wie die erste rückseitige
Metallisierungsschicht 42 zumindest teilweise für die Signalübertragung
insbesondere die Übertragung
von RF- und Hochfrequenzsignalen genutzt. Wiederum sind Durchkontaktierungen 54 vorgesehen
die den rückseitigen
Kontakt 56 mit dem vorderseitigen Kontakt 58 elektrisch
leitfähig
verbinden.
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Bei
Verwendung der zweiten vorderseitigen Metallisierungsschicht 38 für die Bildung
der zweiten Kondensatorelektrode 48 kann die Koppelkapazität zwischen
zwei Metallebenen implementiert werden. Somit erhöht sich
die Kapazität
auf 4200 pF/mm2. Die erste rückseitige
Metallisierungsschicht 42 wird damit frei und kann für zusätzliche
Umverdrahtungen von Signalen genutzt werden.
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In
einer dritten bevorzugten Ausführungsform,
wie sie in 3 dargestellt ist, ist der Substratkörper 18 des
Substrats 12 elektrisch leitfähig dotiert und als zweite
Kondensatorelektrode 48 ausgestaltet. Insbesondere ist
der dotierte Substratkörper 18 zum
elektrischen Verbinden mit einem Pol der Versorgungsspannung und insbesondere
mit der Erdung (GND) ausgestaltet.
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Die
erste vorderseitige Verdrahtungsschicht 30 umfasst die
erste vorderseitige Metallisierungsschicht 34 und die zweite
vorderseitige Metallisierungsschicht 38, die jeweils durch
die vorderseitige Verdrahtungsisolation 40 und das Kondensatordielektrikum 36 voneinander
bzw. von der ersten Grenzfläche 14 elektrisch
isoliert und beabstandet sind. Die erste Kondensatorelektrode 46 ist
teilweise in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 ausgebildet.
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Außerdem umfasst
die erste Kondensatorelektrode 46 eine Vielzahl von Kondensatorfingern 50,
die elektrisch leitfähig
mit dem in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 ausgebildeten
Teil der ersten Kondensatorelektrode 46 elektrisch leitfähig verbunden
sind. Die Vielzahl der Kondensatorfinger 50 der ersten Kondensatorelektrode 46 wird
durch einen Teil der Kontaktkanäle 26 des
Substrats 12 gebildet. Die Kondensatorfinger 50 der
ersten Kondensatorelektrode 46 sind durch die Durchgangsisolierung 28 elektrisch
vom leitfähigen
Substratkörper 18 isoliert.
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Somit
bildet das System bestehend aus der ersten Kondensatorelektrode 46,
dem elektrisch leitfähigen
Substratkörper 18,
der als zweite Kondensatorelektrode 48 ausgestaltet ist,
und der Durchgangsisolierung 28, die als Kondensatordielektrikum
ausgestaltet ist, eine Kondensatorstruktur. Aufgrund der sich dadurch
ergebenden elektrischen Kapazität
zwischen der ersten 46 und der zweiten Kondensatorelektrode 48 wird
eine Entstörung
der Versorgungsspannung erreicht. Dazu ist die erste Kondensatorelektrode 46 ausgelegt,
mit dem entsprechend anderen Pol der Versorgungsspannung verbunden
zu werden. Wie in den anderen Ausführungsformen wird zum Erreichen
einer möglichst
großen
Kapazität
ein Großteil
der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 und
der Kontaktkanäle 26 als
erste Kondensatorelektrode 46 genutzt. Insbesondere wird
die Kapazität
dieser Kondensatorstruktur an die erforderliche Entstörungseigenschaft
des Trägers 10 angepasst.
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Für diese
Ausführungsform
umfasst der Substratkörper
vorzugsweise dotiertes Siliziummaterial, wobei beispielsweise ein
spezifischer elektrischer Widerstand für den Substratkörper im
Bereich von etwa 100 Ohm cm bis 1 kOhm cm (p- oder n-dotiert) verwendet
wird. Vorzugsweise umfasst der Substratkörper zumindest lokal zusätzliche
Dotierungen, die den spezifischen elektrischen Widerstand zumindest
lokal erniedrigen. Somit liegt der spezifische elektrische Widerstand
des Substratkörpers
vorzugsweise zumindest teilweise bzw. lokal unter 1 Ohm cm, besonders
bevorzugt unterhalb von 10 mOhm cm, am meisten bevorzugt bei ungefähr 1 mOhm
cm. Damit ist eine Verringerung elektrischer Verluste bzw. eine
Erhöhung
der Güten
der entstehenden Kapazitäten
erreichbar. Das Kondensatordielektrikum 36 umfasst vorzugsweise
SiO2. Durch die Verwendung von höher dotiertem
Silizium für
den Substratkörper
kann die Güte
der resultierenden Kapazität
erhöht
werden.
-
Bei
einer Waferdicke von 150 μm
und einem 200 nm dicken SiO2-Dielektrikum können sehr
hohe Kapazitäten
je nach Durchmesser der Durchkontaktierung von 1600 bis 4100 pF/mm2 erreicht werden. Für die in Tabelle 2 angegebenen
Werte wurde wiederum ein Mittelpunktsabstand der Kondensatorfinger
gewählt,
der dem doppelten des Durchmessers der Kondensatorfinger (Löcher) entspricht.
Mit einer typischen Modulgröße von 100
mm2 kann somit eine Koppelkapazität von 160
bis 410 nF erzielt werden. Je nach Anwendung lassen sich hiermit
sehr gute Entkoppelkonzepte für
das Versorgungssystem eines Moduls realisieren.
-
Tabelle
2: Erreichbare Kapazitätswerte
für die
in Fig. 3 gezeigte Ausführungsform
mit unterschiedlichen Größen der
Durchkontaktierungen
-
Auch
in dieser Designvariante werden keine zusätzlichen Prozessschritte benötigt, um
die integrierten Kapazitäten
herzustellen.
-
4 zeigt
eine vierte bevorzugte Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Wiederum ist der Substratkörper 18 elektrisch
leitfähig
dotiert. Die erste Kondensatorelektrode 46 ist teilweise
in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 ausgebildet,
während
die zweite Kondensatorelektrode 48 teilweise in der ersten
rückseitigen
Metallisierungsschicht 42 ausgebildet ist. Die erste Kondensatorelektrode 46 umfasst außerdem eine
Vielzahl von ersten Kondensatorfingern 64 die durch einen
Teil der Kontaktkanäle 26 gebildet wird
und elektrisch leitfähig
mit dem in der ersten vorderseitigen Metallisierungsschicht 34 ausgebildeten
Teil der ersten Kondensatorelektrode 46 elektrisch leitfähig verbunden
sind. Entsprechend umfasst die zweite Kondensatorelektrode 48 eine
Vielzahl von zweiten Kondensatorfingern 66, die elektrisch
leitfähig
mit entsprechenden Bereichen der ersten rückseitigen Metallisierungsschicht 42 verbunden
sind. Dabei sind die Kondensatorfinger der einen Kondensatorelektrode
jeweils durch die Verdrahtungsisolation 40, welche bereichsweise einen
Teil des Kondensatordielektrikums 36 bildet, gegen die
Metallisierungsschicht der jeweils anderen Kondensatorelektrode
und durch die Durchgangsisolierung 28, welche ebenfalls
einen Teil des Kondensatordielektrikums 36 bildet, gegen
den elektrisch leitfähigen
Substratkörper 18 isoliert.
-
Die
ersten 64 und zweiten Kondensatorfinger 66 sind
dabei zumindest in einer Richtung jeweils abwechselnd angeordnet,
d.h. die einem ersten Kondensatorfinger 64 benachbarten
Kondensatorfinger gehören zur
zweiten Kondensatorelektrode 48 und umgekehrt. Diese Anordnung
kann in beide zweidimensionalen Raumrichtungen der vorzugsweise
quadratischen Anordnung von Durchgangskanälen, also Kondensatorfingern,
gelten. Alternativ können
die Kontaktkanäle
auch reihenweise zur selben Kondensatorelektrode gehören, wobei
deren Zugehörigkeit
von Reihe zu Reihe wechselt. In jedem Fall wird über diese Anordnung der Kondensatorelektroden 46 und 48 eine
hohe elektrische Kapazität
zwischen den Kondensatorelektroden erreicht.
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Durch
das Verbinden der Kondensatorelektroden mit den Polen der Versorgungsspannung
wird damit eine Entstörung
des Versorgungssystems bewirkt. Dabei kann die in der vierten Ausführungsform
gezeigte Anordnung der Kondensatorelektroden als Serienschaltung
zweier Kondensatorstrukturen verstanden werden. Die erste Kondensatorstruktur
bildet sich dabei zwischen der ersten Kondensatorelektrode 46 und
dem elektrisch leitfähig
dotierten Substratkörper 18 aus,
während
der Übergang
zwischen dem Substratkörper 18 und der
zweiten Kondensatorelektrode 48 die zweite Kondensatorstruktur
bilden. Durch diese Serienschaltung der Kapazitäten und insbesondere auch durch
eine geeignete Dotierung des Substratkörpers 18 kann die
Güte der Kapazität zwischen
den Kondensatorelektroden verbessert werden, was zu einer besser
kontrollierbaren Entstörung
des Versorgungssystems führt.
-
In
dieser Designvariante reduziert sich die erzielbare Kapazität im Vergleich
zur dritten gezeigten Ausführungsform,
die Güten
können
aber erhöht
werden. Abhängig
vom Durchmesser der Kondensatorfinger werden Kapazitäten von
ca. 500 bis 1400 pF/mm2 erreicht.
-
Besonders
bevorzugt ist ein Kondensatordielektrikum 36 mit einer
hohen relativen Dielektrizitätskonstante.
Insbesondere ist die relative Dielektrizitätskonstante des Kondensatordielektrikums 36 vorzugsweise größer als
die Dielektrizitätskonstante
der Verdrahtungsisolation 40. Für die Verdrahtungsisolation 40 könnte beispielsweise
SiO2 verwendet werden, während als Kondensatordielektrikum 36 sich
TiO2 und/oder Al2O3 und/oder Ta2O5 und/oder HfO2 und/oder
Si3N4 und/oder ONO
(insbesondere die Schichtstruktur SiO2/Si3N4/SiO2)
besonders gut eignet. Insbesondere in der ersten, dritten und vierten
Ausführungsform
weist auch die Durchgangsisolierung 28 vorzugsweise eine
hohe relative Dielektrizitätszahl
auf. Die Herstellung dieser dielektrischen Schicht großer Kapazität kann z.B.
mit bekannten Verfahren wie Sputtern (Physical Vapour Deposition),
CVD (Chemical Vapour Deposition), MOCVD (Metal Organic CVD) oder
ALD (Atomic Layer Deposition) erfolgen.
-
Alle
gezeigten Ausführungsformen
eignen sich für
die Hochfrequenzentstörung
der Versorgungsnetze sehr gut, da große Kapazitätswerte pro Fläche erzielt
werden können.
Vor allem die ersten beiden in 1 und 2 dargestellten
Ausführungsformen
eignen sich darüber
hinaus auch besonders gut für
die Realisierung von Hochfrequenzkapazitäten in Anwendungen für Filter
und Abstimmglieder, da Kapazitäten
hoher Güte erzielt
werden können.
In diesem Fall werden die erste und zweite Kondensatorelektrode
als erste und zweite Signalelektrode zur Übertragung eines elektrischen
Signals an die mikroelektronische Schaltung bzw. den Chip 60 ausgestaltet.
-
- 10
- Träger
- 12
- Substrat
- 14
- erste
Grenzfläche
- 16
- zweite
Grenzfläche
- 18
- Substratkörper
- 20
- Durchgangskanal
- 22
- erstes
Kontaktloch
- 24
- zweites
Kontaktloch
- 26
- Kontaktkanal
- 28
- Durchgangsisolierung
- 30
- erste
bzw. vorderseitige Verdrahtungsschicht
- 32
- zweite
bzw. rückseitige
Verdrahtungsschicht
- 34
- erste
vorderseitige Metallisierungsschicht
- 36
- Kondensatordielektrikum
- 38
- zweite
vorderseitige Metallisierungsschicht
- 40
- Verdrahtungsisolation
- 42
- erste
rückseitige
Metallisierungsschicht
- 44
- Leiterbahn
- 46
- erste
Kondensatorelektrode
- 48
- zweite
Kondensatorelektrode
- 50
- Kondensatorfinger
- 52
- Aussparung
- 54
- Durchkontaktierung
- 56
- rückseitiger
Kontakt
- 58
- vorderseitiger
Kontakt
- 60
- Chip
- 62
- dritte
vorderseitige Metallisierungsschicht
- 64
- erster
Kondensatorfinger
- 66
- zweiter
Kondensatorfinger