DE102014115513A1 - Isolationsgerät - Google Patents

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Abstract

In einer Ausführungsform wird ein Isolationsgerät offenbart, das ein Substrat, eine Metallplatte, eine leitfähige Schicht, erste und zweite Isolationsschichten aufweist. Die leitfähige Schicht kann innerhalb des Substrats gebildet sein. Die leitfähige Schicht kann an die Metallplatte gekoppelt angeordnet sein, um ein kapazitiv gekoppeltes Signal von der Metallplatte zu empfangen. Die ersten und zweiten Isolationsschichten können zwischen der Metallplatte und der leitfähigen Schicht liegen. In einer weiteren Ausführungsform wird ein Isolationsgerät offenbart, das ein Halbleitersubstrat, eine oberste Metallschicht und eine Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten umfasst. Das Isolationsgerät umfasst ferner einen Isolationskondensator, der unter Verwendung der obersten Metallschicht und einer leitfähigen Schicht, die mit mindestens einer von der Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten gekoppelt ist, gebildet wird.

Description

  • Hintergrund
  • Ein galvanischer Isolator (Entkoppler) stellt einen Weg zum Übertragen eines Signals von einem elektrischen Schaltkreis zu einem anderen elektrischen Schaltkreis in einem Kontrollsystem dar, wenn die beiden elektrischen Schaltkreise ansonsten voneinander elektrisch isoliert sein können. Üblicherweise arbeiten die beiden elektrischen Schaltkreise bei unterschiedlichen Spannungen und können somit elektrisch isoliert sein. Zum Beispiel stelle man sich eine Anwendung vor, bei der eine mit einer 5 V Batterie betriebene Reglerkarte konfiguriert ist, einen Motorschaltkreis zu regeln, der bei 240 V arbeitet. In diesem Beispiel kann der 240 V Motorschaltkreis von dem 5 V Reglerschaltkreis elektrisch isoliert sein, während dem 5 V Reglerschaltkreis ermöglicht ist, Signale an den bzw. von dem 240 V Motorschaltkreis zu senden oder zu empfangen. In dieser Art von Anwendung kann ein Isolator verwendet werden, um für eine Spannungs- und/oder Störungsisolation zu sorgen, während die Signalübertragung und/oder der Informationsaustausch zwischen den beiden Schaltkreisen immer noch ermöglicht ist.
  • Galvanische Isolatoren können ferner in optische Isolatoren (Optokoppler), kapazitive Isolatoren, magnetische Isolatoren und Hochfrequenz-basierte Isolatoren kategorisiert werden, je nach der Technologie, die zum elektrischen Isolieren des elektrischen Signals verwendet wird. Ein optischer Isolator kann einen optischen Sender und einen optischen Empfänger umfassen. Mit der Zeit kann ein Abbau auftreten und die optischen Signale, die von dem optischen Sender emittiert werden, können nachlassen.
  • Kapazitive Isolatoren mögen nicht das Problem der optischen Isolatoren eines optischen Abbaus haben. Jedoch kann der Einbau eines Hochspannung-Kondensators in einen Halbleiterchip eine technische Herausforderung darstellen. Es kann sein, dass Kondensatoren, die unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterverfahren hergestellt werden, nicht die Anforderungen der Hochspannungs-Toleranz erfüllen. Zum Beispiel sind die meisten Kondensatoren in integrierten Schaltkreisen Metalloxid-Halbleiter (im Folgenden als „MOS”, metal oxide semiconductor, bezeichnet) Kondensatoren oder zweilagige Polysilicium Kondensatoren. Die Blattkapazität (sheet capacitance) von MOS-Kondensatoren oder zweilagigen Polysilicium Kondensatoren kann erheblich sein. Jedoch können MOS-Kondensatoren unter hoher Spannung zusammenbrechen. Ein Grund mag sein, dass der Abstand zwischen dem Gate und dem Substrat geringer als wenige Mikrometer sein kann. Überlappende Metallschichten in Halbleiter-Chips würden vermutlich nicht als geeignet für die Verwendung in Isolationsanwendungen angesehen werden wegen des niedrigen und/oder unerheblichen Kapazitätswerts. In der Tat werden überlappende Metallschichten in Halbleiter-Chips meistens als im Zusammenhang mit unerwünschter parasitärer Kapazität stehend angesehen.
  • Die meisten Isolationskondensatoren in galvanischen Isolatoren können durch Nachbearbeitungsschritte gebildet werden, nachdem die Halbleiter-Chips hergestellt sind. Jedoch bringt die Nachbearbeitung zusätzliche Schritte mit sich und kann zusätzliche Kosten verursachen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • In den Zeichnungen werden veranschaulichende Ausführungsformen als Beispiele, nicht als Beschränkungen, gezeigt. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. In der ganzen Beschreibung und den Zeichnungen können ähnliche Bezugszeichen zur Identifizierung von ähnlichen Elementen verwendet werden.
  • 1 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm eines Isolationsgeräts.
  • 2A veranschaulicht eine veranschaulichende Querschnittsansicht eines Isolationsgeräts.
  • 2B veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts.
  • 2C veranschaulicht eine Draufsicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts.
  • 2D zeigt eine veranschaulichende Ansicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts und zeigt insbesondere die Übertragung eines Eingangssignals über das Isolationsgerät.
  • 2E veranschaulicht eine alternative Anordnung des Isolationsgeräts zum Erhöhen der Kapazität.
  • 3A veranschaulicht erste Anwendungsbeispiele des Isolationsgeräts unter Verwendung einer Wanne (Well) oder eines Substrats.
  • 3B veranschaulicht zweite Anwendungsbeispiele des Isolationsgeräts unter Verwendung einer tiefen Wanne.
  • 4A veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht eines Isolationsgeräts, das einen aktiven Bereich aufweist.
  • 4B veranschaulicht eine Draufsicht des in 4A gezeigten Isolationsgeräts.
  • 4C veranschaulicht ein Messergebnis des Isolationsgeräts unter Hochspannung.
  • 5 veranschaulicht eine Draufsicht eines Isolationsgeräts, das eine siebeneckige Form hat.
  • 6 zeigt eine veranschaulichende Ansicht eines Isolationssystems.
  • 7A veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht eines Isolationsgeräts, das einen Isolationskondensator, der eine Polysiliciumschicht umfasst, aufweist.
  • 7B veranschaulicht eine Draufsicht des in 7A gezeigten Isolationsgeräts.
  • 8A veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht eines Isolationsgeräts, das einen Isolationskondensator mit zwei Metallplatten aufweist.
  • 8B veranschaulicht eine Draufsicht des in 8A gezeigten Isolationsgeräts.
  • 9 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Herstellen eines Isolationskondensators zeigt.
  • Detaillierte Beschreibung
  • 1 zeigt ein veranschaulichendes Blockdiagramm eines Isolationsgeräts (isolation device) 100. Das Isolationsgerät 100 kann konfiguriert sein, einen Schaltkreis von einem anderen Schaltkreis elektrisch zu isolieren, ohne dass die beiden Schaltkreise elektrisch verbunden sind. Durchgehend in der Beschreibung kann „elektrisch isolieren” sich auf so ein Isolieren (Trennen, Entkoppeln) beziehen, dass es keinen direkten elektrischen Strom gibt. Zum Beispiel kann ein Signal übertragen werden von einem Schaltkreis zu einem anderen Schaltkreis (während sie immer noch elektrisch voneinander isoliert sind) mittels eines elektrischen Felds oder elektrischen Flusses, der innerhalb eines Isolationskondensators (isolation capacitor) 120 erzeugt wird. Jedoch mag kein direkter Strompfad zum Übermitteln eines elektrischen Signals existieren. Durchgehend in der Beschreibung kann „eine Struktur zu isolieren” verstanden werden, als „eine Struktur elektrisch zu isolieren”, um einen direkten Strom zu oder von der Struktur auszuschließen.
  • Das Isolationsgerät 100 kann ein Substrat 110, eine Vielzahl an Metallschichten 150, eine erste Isolationsschicht 140 und eine zweite Isolationsschicht 142 umfassen. Die Vielzahl an Metallschichten 150 kann eine oberste Metallschicht 151, die von der Vielzahl an Metallschichten 150 am weitesten von dem Substrat 110 weg gebildet sein kann, und eine erste Metallschicht 152, die angrenzend zu der obersten Metallschicht 151 gebildet ist, und eine zweite Metallschicht 153, die angrenzend zu der ersten Metallschicht 152 gebildet ist, umfassen, wie in 1 veranschaulicht. Die erste Metallschicht 152 kann am nächsten zu der obersten Metallschicht 151 gebildet sein, so dass die erste Isolationsschicht 140 zwischen der obersten Metallschicht 151 und der ersten Metallschicht 152 liegt. Ebenso kann die zweite Isolationsschicht 142 zwischen der zweiten Metallschicht 153 und der ersten Metallschicht 152 gebildet sein.
  • Die Vielzahl an Metallschichten 150 können Metallschichten sein, die in manchen Fällen konfiguriert sein können, elektronische Geräte, die auf dem Substrat 110 gebildet sind, wie zum Beispiel Transistoren, elektrische Widerstände, Kondensatoren oder andere auf dem Substrat 110 gebildete Komponenten miteinander zu verbinden. Theoretisch mag ein Element der Vielzahl an Metallschichten 150 ausreichend sein und daher können in manchen Ausführungsformen die ersten und zweiten Metallschichten 152, 153 optional sein. Jedoch um die Energieeffizienz des Chips (die) zu erhöhen, kann das Isolationsgerät 100 üblicherweise drei oder mehr Metallschichten 151–153 umfassen. Zum Beispiel kann ein Isolationsgerät 100, das unter Verwendung einer Größe von ungefähr 90 nm gemacht ist, sechs Metallschichten umfassen. Bei einem Isolationsgerät 100 mit drei Metallschichten 151–153 kann die zweite Isolationsschicht 142 zwischen dem Substrat 110 und der ersten Metallschicht 152 liegen.
  • Das Isolationsgerät 100 kann ferner eine Metallplatte 122, die zum Empfangen eines Signals 162 konfiguriert ist, und eine leitfähige Schicht 125, die innerhalb des Substrats 110 gebildet ist, umfassen. Wie in 1 gezeigt, können die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 zwischen der leitfähigen Schicht 125 und der Metallplatte 122 liegen, so dass die leitfähige Schicht 125 von der Metallplatte 122 elektrisch isoliert sein kann. Die erste Isolationsschicht 140 kann angrenzend zu der Metallplatte 122 gebildet sein. Ein erster Teilbereich) der ersten Isolationsschicht 140 kann zwischen der zweiten Isolationsschicht 142 und der Metallplatte 122 liegen, während ein zweiter Teil(bereich) der ersten Isolationsschicht 140, der von der Metallplatte 122 beabstandet (entfernt) ist, zwischen der obersten Metallschicht 151 und der ersten Metallschicht 152 liegen kann.
  • Die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 können zwischen der Metallplatte 122 und der leitfähigen Schicht 125 liegen. Die Metallplatte 122 und die leitfähige Schicht 125 können im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sein. Die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 können im Wesentlichen Siliciumdioxidmaterial umfassen. Da die oberste Metallschicht 151 Hochspannung ausgesetzt sein kann, kann die erste Isolationsschicht 140, die angrenzend zu der obersten Metallschicht 151 ist, aus einem stärker isolierenden Material gemacht sein, bezogen auf die zweite Isolationsschicht 142. In einer Ausführungsform kann die erste Isolationsschicht 140 Polyimidmaterial umfassen.
  • Die Metallplatte 122 und die leitfähige Schicht 125, die durch die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 elektrisch isoliert sind, können einen Isolationskondensator 120 bilden. Der Begriff „Platte” kann verwendet werden, um ein dünnes flaches (ebenes) Blatt aus Metall zu beschreiben. Der Begriff Platte im Zusammenhang mit dem Isolationskondensator 120 kann sich auf ein Teil eines Isolationskondensators 120 beziehen, der in der Lage ist, ein elektrisches Feld zum kapazitiven Koppeln eines Signals hinüber zu einer gegenüberliegenden Platte eines Isolationskondensators 120 zu emittieren. In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die Metallplatte 122 mindestens 10 μm auf 10 μm betragen und ein Teilbereich) der Metallplatte 122 kann im Wesentlichen flach (eben) sein.
  • Ebenso kann der Begriff „Schicht” ein Blatt, eine Lage, eine Menge oder Dicke an Material beschreiben. Der Begriff Schicht kann sich auf einen Teilbereich) eines Substrats 110 mit einer von dem Rest des Substrats 110 verschiedenen Eigenschaft beziehen. Zum Beispiel kann ein Teilbereich) des Substrats 110 hochdotiert sein, um einen aktiven Bereich zu bilden, der als „Schicht” bezeichnet werden kann. Ebenso kann ein Teil(bereich) des Substrats 110 dotiert sein, um eine Wanne (ein Well) zu bilden, die als „Schicht” bezeichnet werden kann. Es kann sein, dass die „Schicht des aktiven Bereichs” und die „Wannenschicht” nicht sichtbar erkennbar oder sichtbar unterscheidbar von dem Substrat 110 sind. Jedoch kann die Existenz der Schicht durch das elektrische Verhalten detektiert werden. Ebenso können die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 als einstückig sichtbar gesehen werden.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform kann die Metallplatte 122 einen Teil eines Isolationskondensators 120 bilden, während die leitfähige Schicht 125 einen anderen Teil eines Isolationskondensators 120 bilden kann. Die Metallplatte 122 kann von der Vielzahl an Metallschichten 150 elektrisch isoliert sein. Die Metallplatte 122 kann ausschließlich extern elektrisch gekoppelt sein und es kann sein, dass sie nicht mit anderen elektronischen Geräten (nicht gezeigt), die auf dem Substrat 110 gebildet sind, elektrisch gekoppelt ist. Im Gegensatz dazu kann die leitfähige Schicht 125 mit anderen elektronischen Geräten, die auf dem Substrat 110 gebildet sind, durch die Vielzahl an Metallschichten 151–153 elektrisch gekoppelt sein. Die Metallplatte 122 kann an das Signal 162 extern gekoppelt sein und kann konfiguriert sein, einen elektrischen Fluss 124 zu erzeugen, der bezeichnend (indikativ) für das Signal 162 sein kann. Der elektrische Fluss 124 kann im Folgenden auch als ein kapazitiv gekoppeltes Signal 124 bezeichnet werden. Folglich kann die leitfähige Schicht 125 mit der Metallplatte 122 gekoppelt sein, um das kapazitiv gekoppelte Signal 124 von der Metallplatte 122 zu empfangen. Die leitfähige Schicht 125 kann verhältnismäßig (relativ) größer als die Metallplatte 122 sein, um den elektrischen Fluss 124 von der Metallplatte 122 im Wesentlichen einzufangen.
  • Das kapazitiv gekoppelte Signal 124 kann ein Ausgangssignal (Ausgabesignal) 124 sein. In anderen Worten kann die Anordnung so konfiguriert sein, dass das kapazitiv gekoppelte Signal 124 von der leitfähigen Schicht 125 zu der Metallplatte 122 übertragen werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das kapazitiv gekoppelte Signal 124 ein Eingangssignal (Eingabesignal) 124 sein. In diesem Fall kann die Anordnung so konfiguriert sein, dass das kapazitiv gekoppelte Signal 124 von der Metallplatte 122 zu der leitfähigen Schicht 125 übertragen werden kann. Weiterhin kann die Anordnung so konfiguriert sein, dass ein oder mehrere kapazitiv gekoppelte Signale 124 bidirektionale Signale 124 sein können, die zwischen der Metallplatte 122 und der leitfähigen Schicht 125 übertragen werden.
  • Um die Toleranz gegenüber hohen Spannungen zu verbessern, kann die Metallplatte 122 aus der obersten Metallschicht 151 gemacht sein, während die leitfähige Schicht 125 aus einem Teilbereich) des Substrats 110 gemacht sein kann. Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 125 eine n-Wanne (n-Well), eine p-Wanne (p-Well), ein n-aktiver Bereich oder ein p-aktiver Bereich sein, eingebettet innerhalb des Substrats 110. Um weiteren Abstand zwischen der Metallplatte 122 und der leitfähigen Schicht 125 zu erzeugen, kann eine Grabenisolationsschicht (trench isolation layer) 148 zwischen der Metallplatte 122 und der leitfähigen Schicht 125 gebildet sein. Die Grabenisolationsschicht 148 kann angrenzend zu einer Oberfläche 111 des Substrats 110 gebildet sein. Wie in 1 gezeigt, kann die Grabenisolationsschicht 148 zwischen der leitfähigen Schicht 125 und der zweiten Isolationsschicht 142 liegen. Bei Halbleiterprozessen mit mehr als zwei Metallschichten 151, 152 kann es zusätzliche Isolationsschichten (nicht gezeigt) geben, die zwischen der Grabenisolationsschicht 148 und der zweiten Isolationsschicht 142 liegen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Grabenisolationsschicht 148 in direktem Kontakt mit der zweiten Isolationsschicht 142 sein.
  • Wie in 1 veranschaulicht, kann ein wesentlicher Teil(bereich) der leitfähigen Schicht 125 innerhalb des Substrats 110 vergraben sein. Jedoch kann ein Teilbereich) der leitfähigen Schicht 125, der weiter weg von der Metallplatte 122 positioniert ist, in der Nähe der Oberfläche 111 des Substrats 110 gebildet sein, um eine elektrische Verbindung mit der Vielzahl an Metallschichten 150 herzustellen. Die elektrische Verbindung kann durch ein „Via” bzw. Durchgangsloch hergestellt werden, das die vergrabene Metallschicht der Vielzahl an Metallschichten 150, die am nächsten zu dem Substrat 110 ist, verbindet. Die Grabenisolationsschicht 148 kann sich der Metallplatte 122 annähern und kann aus einer mindestens ähnlichen Größe oder größer als die Metallplatte 122 gemacht sein. Diese Anordnung kann eine höhere Kapazität (Kapazitanz) sicherstellen und kann ein Zusammenbrechen (Durchschlagen, Breakdown) des Isolationskondensators 120 auf Grund hoher Spannung verhindern.
  • Das Isolationsgerät 100 kann konfiguriert sein, hohe Spannungen (Hochspannungen) elektrisch zu isolieren. Im Unterschied zu der Praxis, eine einheitliche Metallstruktur, die die Metallplatte 122 umgibt, zu haben, kann das Isolationsgerät 100 ferner eine Isolationszone 126 umfassen, die frei von und/oder im Wesentlichen frei von der Vielzahl an Metallschichten 150 ist, die die Metallplatte 122 umgeben. Die Isolationszone 126 kann sich im Wesentlichen senkrecht, bezogen auf die Metallplatte 122, erstrecken. Ein Teil(bereich) der Isolationszone 126 kann angrenzend an (zu) eine(r) Seite der leitfähigen Schicht 125 sein. Wie in 1 gezeigt, kann eine Seite der leitfähigen Schicht 125 in direktem Kontakt mit der Isolationszone 126 sein, die im Wesentlichen isolierendes Material, wie zum Beispiel Siliciumdioxid, umfasst, und die die ersten und zweiten Isolationsschichten 140, 142 bildet. Ein Teilbereich) der leitfähigen Schicht 125 kann sich nach außen über die Isolationszone 126 hinaus erstrecken, so dass eine der Vielzahl an Metallschichten 150 eine elektrische Verbindung mit (zu) der leitfähigen Schicht 125 herstellen kann.
  • 2A veranschaulicht eine veranschaulichende Querschnittsansicht eines Isolationsgeräts 200. Das Isolationsgerät 200 kann ein Halbleitersubstrat 210, eine Vielzahl an Isolationsschichten 240–246, eine oberste Metallschicht 251 und eine Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten 252–254 umfassen. 2B veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts, die mehr Informationen über die Isolationsschichten 240–246 bereitstellt. 2C veranschaulicht eine Draufsicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts. Unter Bezugnahme auf 2A–2C kann die oberste Metallschicht 251 angrenzend (benachbart) zu einer Komponentenoberfläche 211 des Halbleitersubstrats 210 gebildet sein. Die Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten 252–254 können zwischen der obersten Metallschicht 251 und dem Halbleitersubstrat 210 liegen. Alle Metallschichten 251–254 zusammen, einschließlich der obersten Metallschicht 251 und der zusätzlichen Metallschichten 252–254, können im Folgenden als „eine Vielzahl an Metallschichten 250” bezeichnet werden.
  • Jede der Vielzahl an Metallschichten 250 kann voneinander und untereinander durch die Vielzahl an Isolationsschichten 240–246 isoliert sein. In der 2A gezeigten Ausführungsform gibt es vier Metallschichten 250 und vier Isolationsschichten 240–246, aber in einer anderen Ausführungsform kann die Anzahl größer sein oder geringer sein. Die Vielzahl an Metallschichten 250 können die oberste Metallschicht 251 umfassen, die am weitesten von dem Halbleitersubstrat 210 weg, gemessen in einer zu dem Halbleitersubstrat 210 senkrechten Richtung 299, gebildet sein kann. Die oberste Metallschicht 251 kann ein Bondpad zum elektrischen Koppeln mit einem externen Gerät bilden. Zum Beispiel kann die oberste Metallschicht 251 eine Umverteilungsschicht bzw. eine Umlagerungsschicht (Redistributionsschicht) für Flip-Chip Packaging-Technologie umfassen. Wie in 2A gezeigt, kann ein Bondball oder eine Lötperle (solder bump) 260 auf der obersten Metallschicht 251 gebildet sein.
  • Eine erste Metallschicht 252 kann angrenzend zu der obersten Metallschicht 251 gebildet sein. Die erste Metallschicht 252 und die oberste Metallschicht 251 können durch eine erste Isolationsschicht 240, die zwischen der ersten Metallschicht 252 und der obersten Metallschicht 251 liegen kann, isoliert sein. Die erste Metallschicht 252 kann am zweitweitesten von dem Halbleitersubstrat 210 weg sein, gemessen in der zu dem Halbleitersubstrat 210 senkrechten Richtung 299. Eine zweite Metallschicht 253 kann angrenzend zu der ersten Metallschicht 252 gebildet sein. Die zweite Metallschicht 253 und die erste Metallschicht 252 können durch eine zweite Isolationsschicht 242, die zwischen der ersten Metallschicht 252 und der zweiten Metallschicht 253 liegen kann, isoliert sein. Die zweite Metallschicht 253 kann am drittweitesten von dem Halbleitersubstrat 210 weg sein, gemessen in der zu dem Halbleitersubstrat 210 senkrechten Richtung 299. Eine dritte Metallschicht 254 kann angrenzend zu der zweiten Metallschicht 253 gebildet sein. Die dritte Metallschicht 254 kann zwischen zwei Metallschichten 250 angeordnet sein, wenn es mehr als vier Metallschichten 250 geben kann. In der in 2A gezeigten Ausführungsform, bei der ein Prozess mit vier Metallschichten verwendet wird, kann die dritte Metallschicht 254 am verhältnismäßig nächsten zu dem Halbleitersubstrat 210 sein, gemessen in der zu dem Halbleitersubstrat 210 senkrechten Richtung 299. Die dritte Metallschicht 254 in der in 2A–2C gezeigten Ausführungsform kann auch als die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 254 bezeichnet werden. Eine dritte Isolationsschicht 244 kann zwischen der dritten Metallschicht 254 und der zweiten Metallschicht 253 eingefügt sein. Die dritte Isolationsschicht 244 kann konfiguriert sein, eine elektrische Isolation bereitzustellen. Gleichfalls kann eine vierte Isolationsschicht 246 zwischen der dritten Metallschicht 254 und dem Halbleitersubstrat 210 eingefügt sein und kann konfiguriert sein, eine elektrische Isolation bereitzustellen. Falls eine elektrische Verbindung benötigt wird, können „Vias” 256–259 benutzt werden. Ein aktiver Bereich 236 kann zusammen mit einem „Via” 259 gebildet werden, um eine elektrische Verbindung mit dem Halbleitersubstrat 210 herzustellen.
  • Während des Herstellungsprozesses eines integrierten Schaltkreises, wie zum Beispiel des Isolationsgeräts 200, kann die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 254 (d. h. die dritte Metallschicht 254) als erste gebildet werden, gefolgt von der am zweittiefsten vergrabenen Metallschicht 253 (d. h. die zweite Metallschicht 253). Aus diesem Grund kann in der in 2A gezeigten Ausführungsform die dritte Metallschicht 254, die die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 254 ist, als „M1” bezeichnet werden, während die zweite Metallschicht 253, die die am zweittiefsten vergrabene Metallschicht 253 ist, als „M2” bezeichnet werden kann. Gleichfalls kann die erste Metallschicht 252, die die am dritttiefsten vergrabene Metallschicht 252 ist, als „M3” bezeichnet werden und die oberste Metallschicht 251 kann als „M4” bezeichnet werden. Zum Schutz kann das gesamte Halbleitersubstrat 210, außer einem Teilbereich) der obersten Metallschicht 251, durch eine Passivierungsschicht 249 bedeckt sein. Wie in 2A gezeigt, kann die erste kapazitive Platte (capacitive plate) 222 eine innere Oberfläche 221a, die angrenzend zu der ersten Isolationsschicht 240 ist, und eine äußere Oberfläche 221b, die zum Aufnehmen von zumindest einer Lötperle oder eines Drahtanschlusses (wire bond) konfiguriert ist, umfassen. In manchen Ausführungsformen kann es sein, dass die äußere Oberfläche 221b nicht durch die Passivierungsschicht 249 bedeckt ist.
  • Ein Teil(bereich) des Halbleitersubstrats 210 kann wesentlich leitfähiger, bezogen auf das Halbleitersubstrat 210, gemacht werden, um eine leitfähige Schicht 225 zu bilden. Die leitfähige Schicht 225 kann unter Verwendung eines Wannen-Bereichs (Well-Bereichs) oder eines aktiven Bereichs gebildet sein, der ein Teilbereich) des Halbleitersubstrats 210 sein kann und der leitfähiger gemacht sein kann. Zum Beispiel kann ein Teilbereich) des Halbleitersubstrats 210 leitfähiger gemacht werden, indem Träger (Carrier) in den Teil des Halbleiters implantiert werden, um ein Well oder einen aktiven Bereich zu bilden. Bei manchen Gelegenheiten kann ein Teil(bereich) des Halbleitersubstrats 210 mit einer Polysilicium-Struktur aufgetragen (abgeschieden) werden, die leitfähiger gemacht sein kann. Die Polysilicium-Struktur kann verwendet werden, um ein Gate-Oxid oder einen doppelten Poly-Kondensator (double poly capacitor) in einem CMOS integrierten Schaltkreis Herstellungsprozess zu bilden. In der in 2A gezeigten Ausführungsform kann die leitfähige Schicht 225 eine Nichtmetall-Struktur sein, die leitfähiger, verglichen mit dem Halbleitersubstrat 210, gemacht sein kann. Ein Beispiel ungefährer Leitfähigkeit von jeder Schicht ist in Tabelle 1 veranschaulicht:
    Schichtname Widerstand
    Oberste Schicht (RDL) ~ 0,08 Ω/☐
    M1–M5 ~ 0,08 Ω/☐
    Isolation zwischen den Metallen 2–4 G Ω/☐
    Polysilicium ~ 5 Ω/☐
    N-Well ~ 1 K Ω/☐
    N+ ~ 5 Ω/☐
    P+ ~ 5 Ω/☐
    Grabenisolationsschicht 2–4 G Ω/☐
    P-Substrat 1–40 K Ω/☐
    Tabelle 1: Ein Beispiel für Widerstandswerte
  • Die leitfähige Schicht 225 kann so konfiguriert sein, dass sie verschiedene Träger als das Halbleitersubstrat 210 aufweist, insbesondere wenn die leitfähige Schicht 225 in direktem Kontakt mit dem Halbleitersubstrat 210 ist. Zum Beispiel, wenn das Halbleitersubstrat 210 ein p-Substrat ist, kann die leitfähige Schicht 225 ein n-Well oder ein n+ (n-aktiver Bereich) sein.
  • Im Gegensatz dazu, wenn das Halbleitersubstrat 210 ein n-Substrat ist, kann die leitfähige Schicht 225 ein p-Well oder ein p+ (p-aktiver Bereich) sein. Das Obige mag nicht bei Situationen anwendbar sein, wenn die leitfähige Schicht 225 von dem Halbleitersubstrat 210 durch eine zusätzliche Schicht isoliert ist.
  • Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 225 ein p-Well sein, umgeben von einem n-Well in einem p-Substrat. Wie in dem Beispiel in Tabelle 1 gezeigt, kann die leitfähige Schicht 225 n+, p+, Polysilicium oder ein n-Well sein, was wesentlich weniger leitfähig verglichen mit Metallschichten 250 sein kann, aber verhältnismäßig leitfähiger als das Halbleitersubstrat 210 sein kann. Ein Schutzring 232 kann um die leitfähige Schicht 225 herum gebildet sein, um Störungen (noise) und/oder ein Koppeln mit einem anderen Teilbereich) des Halbleitersubstrats 210 zu verhindern. Der Schutzring 232 kann ein Well sein, das tiefer in das Halbleitersubstrat 210 hinein gebildet ist, bezogen auf die leitfähige Schicht 225. Der Schutzring 232 kann an einen Erdungsanschluss gekoppelt sein.
  • Das Isolationsgerät 200 kann ferner einen Isolationskondensator 220 umfassen. Der Isolationskondensator 220 kann eine erste kapazitive Platte 222 und eine zweite kapazitive Platte 225 umfassen. Die erste kapazitive Platte 222 kann mit der obersten Metallschicht 251 gekoppelt sein, während die zweite kapazitive Platte 225 die leitfähige Schicht 225 sein kann. In der in 2A gezeigten Ausführungsform kann die erste kapazitive Platte 222 einen wesentlichen Teil(bereich) der obersten Metallschicht 251 umfassen. Die zweite kapazitive Platte 225 kann die leitfähige Schicht 225 umfassen, die ein Nichtmetall sein kann. Wie von einem Fachmann verstanden wird, müssen die innerhalb eines integrierten Schaltkreises gebildeten Strukturen nicht vollständig flach (eben) sein, weil der Umfang bzw. Umkreis von solchen Strukturen unregelmäßig sein kann. Darüber hinaus kann die leitfähige Schicht 225 innerhalb des Halbleitersubstrats 210 mit einer Grabenisolationsschicht 248, die angrenzend zu der leitfähigen Schicht 225 gebildet sein kann, eingebettet bzw. verdeckt sein. Die Grabenisolationsschicht 248 kann eine im Wesentlichen ähnliche Größe wie die erste kapazitive Platte 222 haben. Somit kann die zweite kapazitive Platte 225, die die leitfähige Schicht 225 eines n-Wells, das die Grabenisolationsschicht 248 umgibt, ist, verhältnismäßig größer als die erste kapazitive Platte 222 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Grabenisolationsschicht 248 größer als die erste kapazitive Platte 222 sein, aber sie kann kleiner als die zweite kapazitive Platte 225 oder die leitfähige Schicht 225 sein.
  • Wie in 2A und 2B gezeigt, können die ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 durch die ersten, zweiten, dritten und vierten Isolationsschichten 240–246 getrennt sein. Jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Isolationsschichten 240–246 kann eine Dicke von d1, d2, d3 bzw. d4 haben. Die oberste Metallschicht 251 kann bei einem vorgegebenen Abstand d von dem Halbleitersubstrat 210 gebildet sein, die ungefähr der Summe der Dicken d1–d4 der Vielzahl an Isolationsschichten 240–246 entspricht. Bei einem Isolationskondensator 220 mit n Schichten an Isolationsschichten 240–246 kann der Abstand d zwischen der ersten und zweiten kapazitiven Platte 222, 225 ungefähr durch die folgende Formel ausgedrückt werden:
    Figure DE102014115513A1_0002
  • Wie in 2B gezeigt, auf Grund der Grabenisolationsschicht 248 kann die leitfähige Schicht 225 noch weiter weg von der ersten kapazitiven Platte 222 gebildet sein. Ohne die Grabenisolationsschicht 248 entspricht der Abstand zwischen den ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 ungefähr d. Jedoch mit der Grabenisolationsschicht 248 kann der Abstand dc betragen, der verhältnismäßig größer als der Abstand d sein kann. Die Grabenisolationsschicht 248 kann eine flache (untiefe) Grabenisolationsschicht oder eine tiefe Grabenisolationsschicht sein.
  • Jede der ersten, zweiten, dritten und vierten Isolationsschichten 240–246 kann eine Permittivität von ε1, ε2, ε3 bzw. ε4 haben. In einigen Verfahren können die Permittivitäten ε1–ε4 im Wesentlichen ähnlich sein, aber in vielen Fällen können die Permittivitäten ε1–ε4 verhältnismäßig unterschiedlich sein. Zum Beispiel in der in 2A und 2B gezeigten Ausführungsform kann die erste Permittivität ε1 wesentlich größer als die zweite Permittivität ε2 sein. Dies kann erreicht werden, indem substantielle Isolationsmaterialien in jede der Vielzahl an Isolationsschichten 240–246 hinzugegeben werden. Zum Beispiel kann die erste Isolationsschicht 240 Polyimidmaterial, zusätzlich zu dem Siliciumdioxidmaterial umfassen. Bei einem Isolationskondensator 220 mit n Schichten an Isolationsschichten 240–246 kann die Permittivität von jeder Schicht dargestellt werden als ungefähr ε1, ε2, ε3 ... εn. Der Isolationskondensator 220 kann als n in Serie verbundene Kondensatoren mit der Dicke di behandelt werden. Da die gesamten Potentialdifferenzen zwischen den beiden Elektroden ungefähr der Summe der Potentialdifferenzen über jeden einzelnen Kondensator entsprechen kann, ungefähr ausgedrückt als:
    Figure DE102014115513A1_0003
  • Jeder einzelne Kondensator kann ungefähr dieselbe Menge an Ladung wie die des gesamten Kondensators C haben, die als Q festgelegt ist. Somit kann es ungefähr ausgedrückt werden als:
    Figure DE102014115513A1_0004
  • In der obigen Gleichung kann ε0 eine physikalische Konstante sein, die im Allgemeinen Permittivität des Vakuums oder elektrische Feldkonstante genannt wird, ki kann die relative Permittivität sein, die auch als Dielektrizitätszahl bezeichnet wird, während A die gesamten überlappenden Flächen zwischen den beiden Elektroden des Isolationskondensators 220 sein kann. In manchen Ausführungsformen kann der Wert ε0 ungefähr 8,854 187 817 × 10–12 Farad pro Meter (F m–1) sein. Somit kann die gesamte Kapazität des Kondensators ungefähr berechnet werden als:
    Figure DE102014115513A1_0005
  • Durch Ersetzen der Gleichungen für jeden einzelnen Kondensator und Vereinfachung der Gleichung kann die Kapazität des Isolationskondensators 220 ungefähr ausgedrückt werden als:
    Figure DE102014115513A1_0006
  • In der obigen Formel kann di die ungefähre Dicke jeder einzelnen Schicht der Isolationsschichten 240–246 sein, wohingegen ki die ungefähre relative Permittivität jeder einzelnen Schicht sein kann, wobei die ganze Zahl i von 1 bis n reicht. Die Kapazität des Isolationskondensators 220 kann entweder durch Erhöhen der Oberflächenfläche A der ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225, durch Verringern des Spalts oder Abstands d zwischen den ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 oder durch Auswählen einer Permittivität k, die groß sein kann, erhöht werden. Die oben erklärte Gleichung (1) kann eine grobe Schätzung erster Ordnung sein und zum Zweck der Veranschaulichung gemeint sein. Die tatsächlichen Werte können davon abweichen. Um die höchste Kapazität zu erhalten, können typischerweise die ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 nah beieinander gebildet sein. Jedoch können das Isolationsgerät 200 und der Isolationskondensator 220 zum Isolieren von Schaltkreisen mit äußerst hohen Spannungen konfiguriert sein. Abhängig von dem Material, das zur Bildung des Isolationskondensators 220 verwendet wird, kann der Isolationskondensator 220 eine Begrenzung (Limit) haben, was die maximale Energie, die der Isolationskondensator 220 physikalisch speichern kann, betrifft. Wenn ein spezifisches elektrisches Feld in Bezug auf die dielektrische (Durchschlags- )Festigkeit Eds überschritten wird, kann der Isolationskondensator 220 zusammenbrechen. Die Durchschlagsspannung (breakdown voltage) eines Kondensators, Vbd, kann unter Verwendung der folgenden Formel abgeschätzt werden, wobei d ungefähr der Abstand zwischen den ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 ist. Vbd – Edsd Gleichung(2)
  • Ähnlich wie Gleichung (1) kann die oben gezeigte Gleichung (2) eine grobe Schätzung zum Zweck der Veranschaulichung sein. Die dielektrische (Durchschlags-)Festigkeit Eds kann durch das Material, das zur Bildung der Isolationsschichten 240–246 verwendet wird, bestimmt werden. Um höherer Spannung standzuhalten, kann die dielektrische (Durchschlags-)Festigkeit Eds so hoch wie möglich gewählt werden. Zum Beispiel kann Polyimidmaterial eine hohe (Durchschlags-)Festigkeit Eds haben und kann somit ein guter Kandidat für das Material für die Isolationsschichten 240–246 sein, insbesondere für die erste Isolationsschicht 240. Die erste Isolationsschicht 240 kann angrenzend zu der ersten kapazitiven Platte 222, die zum Empfangen (Aufnehmen) hoher Spannung konfiguriert ist, gebildet sein. Ein anderer Weg zum Standhalten höherer Spannung kann es sein zu wählen, dass die leitfähige Schicht 225 der zweiten kapazitiven Platte 225 so weit wie möglich weg ist. Zum Beispiel kann der weiteste Abstand dc erhalten werden, indem die oberste Metallschicht 251 ausgewählt wird, die erste kapazitive Platte 222 zu bilden, und die leitfähige Schicht 225 mit einer Grabenisolationsschicht 248 ausgewählt wird, die zweite kapazitive Platte 225 zu bilden. Dies mag von der vorher diskutierten Gleichung (1) in Bezug auf den Kapazitätswert variieren. Daher kann es bei der Auswahl der Bildung des Isolationskondensators 220 zu einer Austauschbeziehung kommen bzw. ein Kompromiss erforderlich sein.
  • Ein Isolationskondensator 220 mit dem weitesten Abstand d kann den kleinsten Kapazitätswert haben. Bei Isolationsgeräten 200, die in einem Hochspannungsumfeld eingesetzt werden können, kann das Vorliegen einer hohen Durchschlagspannung eine der wichtigsten Überlegungen sein. Der Abstand d zwischen den ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 kann so ausgewählt werden, dass er möglichst hoch ist. Die Verringerung bei dem Kapazitätswert kann durch die Erhöhung der Kondensatorgröße und/oder durch Anpassen anderer Parameter in dem an den Isolationskondensator 220 gekoppelten Schaltkreis überwunden (aufgewogen) werden. Jegliche negative Auswirkung auf die Effizienz beim Entwerfen (Design) des Isolationsgeräts 200 kann abgeschwächt werden, weil die erste kapazitive Platte 222 eine zweite Verwendung als Bondpad haben kann.
  • Wie vorher in Bezug auf 2A erklärt, kann die erste kapazitive Platte 222 des Isolationskondensators 220 an einen externen Anschluss zum Empfangen eines Signals 262 elektrisch gekoppelt sein. Das Signal 262 kann ein bidirektionales Signal sein. Das Signal 262 kann eine von dem Isolationsgerät 200 wesentlich verschiedene Spannung aufweisen. Aus diesem Grund kann das Isolationsgerät 200 eine Isolationszone 226 aufweisen, die die erste kapazitive Platte 222 des Isolationskondensators 220 umgibt. Die Isolationszone 226 kann einen Zonenumfang 276 aufweisen. Jedoch kann ein Teil(bereich) der Isolationszone 226 angrenzend zu und in direktem Kontakt mit der zweiten kapazitiven Platte 225 sein. Darüber hinaus kann die leitfähige Schicht 225 der zweiten kapazitiven Platte 225 mit anderen Teilen des Isolationsgeräts 200 elektrisch verbunden sein. Zumindest zu diesem Zweck kann ein Teilbereich) der leitfähigen Schicht 225 sich über den Zonenumfang 276 der Isolationszone 226 hinaus erstrecken und mit mindestens einer der Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten 253–254 durch das „Via” 259 außerhalb der Isolationszone 226 elektrisch verbunden sein. Wie in 2A gezeigt, kann die leitfähige Schicht 225 mit der dritten Metallschicht 254 durch das „Via” 259 elektrisch verbunden sein. Die Metallschicht 254 kann eine erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht von der Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten 251–254 sein, die am nächsten, bezogen auf das Halbleitersubstrat 210, positioniert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 2A und 2C können die ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 eine im Wesentlichen kreisförmige oder elliptische Form haben, um eine hohe Dichte des elektrischen Felds im Wesentlichen zu vermeiden. Ebenso kann der Zonenumfang 276 der Isolationszone 226 eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt haben. Manche Entwurfsregeln beim Machen der bei der Herstellung verwendeten Maske mögen keine kreisförmige Gestalt erlauben. Um dies zu überwinden, können die ersten und zweiten kapazitiven Platten 222, 225 in einer siebeneckigen (heptagonalen) Form oder einer anderen polygonalen Form entworfen werden, die im Wesentlichen kreisförmig sein kann und die scharfe Kanten oder Ränder im Wesentlichen vermeiden kann. Unter Bezugnahme auf 2B und 2C kann die erste kapazitive Platte 222 einen Plattenumfang 274 aufweisen. Ebenso kann die zweite kapazitive Platte 225 oder die leitfähige Schicht 225 einen Schichtumfang 272 aufweisen. Wie in 2C gezeigt, kann der Schichtumfang 272 sich nach außen von dem Plattenumfang 274 erstrecken. Ebenso kann der Zonenumfang 276 sich nach außen von dem Schichtumfang 272 erstrecken. Der Zonenumfang 276, der Schichtumfang 272 und der Plattenumfang 274 können koaxial ausgerichtet sein. Wie in 2C gezeigt, kann der Schichtumfang 272 sich um einen Abstand von „m1” von dem Plattenumfang 274 erstrecken, während der Zonenumfang 276 sich um einen Abstand von „m2” von dem Plattenumfang 274 erstrecken kann.
  • 2D veranschaulicht eine veranschaulichende Ansicht des in 2A gezeigten Isolationsgeräts 200 und zeigt die Übertragung des Signals 262, das über das Isolationsgerät 200 bzw. entlang des Isolationsgeräts 200 übertragen wird. Unter Bezugnahme auf 2A und 2D kann ein elektrisches Feld, das einen elektrischen Fluss 224 aufweist, in Übereinstimmung mit dem Signal 262 erzeugt werden. Die zweite kapazitive Platte 225 kann konfiguriert sein, den elektrischen Fluss 224, der im Folgenden als kapazitiv gekoppeltes Signal 224 bezeichnet werden kann, zu empfangen (aufzunehmen). In anderen Worten kann die zweite kapazitive Platte 225 mit der ersten kapazitiven Platte 222 gekoppelt sein, um das kapazitiv gekoppelte Signal 224 zu empfangen, das bezeichnend für das Signal 262 sein kann. Ohne die Vielzahl an innerhalb der Isolationszone 226 positionierten Metallschichten 250 kann eine wesentliche Menge des erzeugten elektrischen Flusses 224 durch die zweite kapazitive Schicht 225 eingefangen werden. Wenn eine von der Vielzahl an Metallschichten 250 innerhalb der Isolationszone 226 vorhanden ist, kann der elektrische Fluss 224 zu einer von der Vielzahl an Metallschichten 250 hin gerichtet sein, anstelle zu der zweiten kapazitiven Platte 225 hin. Da die Vielzahl an Metallschichten 250 eine Struktur mit spitz zulaufendem Ende sein kann, kann das elektrische Feld zu dem spitz zulaufenden Ende hin konzentriert sein, was verursachen kann, dass der Isolationskondensator 220 zusammenbricht (durchschlägt).
  • Die Stärke des elektrischen Flusses 224 kann in Übereinstimmung mit dem Signal 262 variieren. Die zweite kapazitive Platte 225 kann groß genug ausgebildet sein, um den von dem Plattenumfang 274 der ersten kapazitiven Platte 222 erzeugten elektrischen Fluss 224 einzufangen. Unter Bezugnahme auf 2C und 2D kann der Abstand von „m1” eine Grenze sein, um sicherzustellen, dass die zweite kapazitive Platte 225 einen wesentlichen Teil des von dem Plattenumfang 274 der ersten kapazitiven Platte 222 erzeugten elektrischen Flusses 224 einfangen kann. Der Abstand von „m2” kann eine Grenze sein, um einen Zusammenbruch (Durchschlag) des Isolationskondensators 220 zu vermeiden.
  • Die erste kapazitive Platte 222 kann an einen externen Schaltkreis 261 gekoppelt sein. Der Spannungsbereich (voltage range) des externen Schaltkreises 261 kann ein erster Spannungsbereich Vrange1 sein, wie in dem Schaubild auf der linken Seite gezeigt ist. Die zweite kapazitive Platte 225 kann an einen internen Schaltkreis 265 des Isolationsgeräts 200 durch einen internen Knoten 266 gekoppelt sein. Der interne Schaltkreis 265 kann unter Verwendung von Transistoren (nicht gezeigt), die auf dem Halbleitersubstrat 210, angrenzend zu dem Isolationskondensator 220 gebildet sind, gebildet sein. Der Spannungsbereich des internen Schaltkreises 265 kann ein zweiter Spannungsbereich Vrange2 sein, wie in dem Schaubild auf der rechten Seite gezeigt ist.
  • Wie in 2D gezeigt, kann der zweite Spannungsbereich Vrange2 wesentlich verschieden von (unterschiedlich zu) dem ersten Spannungsbereich Vrange1 sein. In dem in 2D gezeigten Beispiel kann der zweite Spannungsbereich Vrange2 ungefähr zwischen –5 V und +5 V sein, während der erste Spannungsbereich Vrange1 ungefähr zwischen –100 V und +100 V sein kann. In einem anderen Beispiel kann der zweite Spannungsbereich Vrange2 ungefähr zwischen 0 V und +5 V sein, während der erste Spannungsbereich Vrange1 ungefähr zwischen 0 V und +95 V sein kann. Der absolute Wert der Spannung des externen Schaltkreises 261 kann höher oder niedriger als der absolute Wert der Spannung des internen Schaltkreises 265 sein. Jedoch kann die absolute Spannung des internen Anschlusses 266, der an die zweite kapazitive Platte 225 gekoppelt ist, entsprechend so unter Vorspannung (bias) gesetzt sein, zum Beispiel unter Verwendung eines zusätzlichen internen Schaltkreises 264, dass es ungefähr keine Vorwärtsspannung bzw. Durchlassspannung (forward bias) oder ungefähr keinen direkten Strompfad zwischen dem Halbleitersubstrat 210 und der leitfähigen Schicht 225 gibt. Man stelle sich ein Beispiel vor, bei dem die leitfähige Schicht 225 unter Verwendung eines n-Wells gebildet sein kann und das Halbleitersubstrat 210 unter Verwendung eines p-Typ Halbleitersubstrats 210 gebildet sein kann. Die p–n Verbindungsstelle zwischen dem n-Well und dem p-Typ Substrat kann so unter Vorspannung sein, dass die absolute Spannung des n-Wells immer höher als die absolute Spannung des p-Typ Halbleitersubstrats 210 ist. In der in 2D gezeigten Ausführungsform kann der interne Schaltkreis 265 ein Verstärkerschaltkreis sein und der zusätzliche interne Schaltkreis 264 kann ein interner Widerstand oder ein Kondensator sein. Der zusätzliche interne Schaltkreis 264 kann eine Rückkopplung (Feedback) zu dem Anschluss 266 als Input zu dem internen Schaltkreis 265 bereitstellen. Diese Rückkopplungskonfiguration kann eine vorspannende Spannung (biasing voltage) zu dem internen Anschluss 266 bereitstellen, so dass die Spannung der leitfähigen Schicht 225 höher als das Halbleitersubstrat 210 gehalten werden kann.
  • 2E veranschaulicht eine alternative Anordnung zur Erhöhung des Kapazitätswerts des in 2A gezeigten Isolationsgeräts 220, indem es eine zusätzliche Metallplatte 223 aufweist. Unter Bezugnahme auf 2D und 2E kann die zweite kapazitive Platte 225 mit der ersten kapazitiven Platte 222 gekoppelt sein, um das kapazitiv gekoppelte Signal 224 zu empfangen, das bezeichnend für das Signal 262 ist. Jedoch im Unterschied zu 2D mag der elektrische Fluss oder das kapazitiv gekoppelte Signal 224 nicht direkt von der ersten kapazitiven Platte 222 erzeugt werden, sondern indirekt durch die zusätzliche Metallplatte 223 erzeugt werden. Die zusätzliche Metallplatte 223 kann unter Verwendung der in 2A gezeigten ersten Metallschicht 251 gebildet sein. Die zusätzliche Metallplatte 223 kann mit der ersten kapazitiven Platte 222 unter Verwendung einer Vielzahl an „Vias” 256 elektrisch verbunden sein. Vergleicht man 2E und 2B ist der Abstand d verringert worden und somit kann der Kapazitätswert vergrößert werden, wie es ungefähr in Gleichung (1) beschrieben ist. Jedoch mag die in 2E gezeigte alternative Anordnung weniger Toleranz gegenüber hohen Spannungswerten aufweisen, wie vorher besprochen.
  • 3A veranschaulicht erste Anwendungsbeispiele des Isolationsgeräts 200 unter Verwendung einer Wanne (Well) oder eines Substrats. 3A(a) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines p-Wells 325 zur Bildung eines Kondensators gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein n-Typ Substrat sein. 3A(b) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines n-Typ aktiven Bereichs 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein p-Typ Substrat sein. Der n-Typ aktive Bereich kann durch ein n-Well umgeben sein. 3A(c) kann ähnlich zu 3A(b) sein mit einem p-Typ Substrat 310, aber ohne das n-Well. 3A(d) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und einer Polysiliciumschicht 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein n-Typ oder ein p-Typ Substrat sein. Die Polysiliciumschicht 325 kann eine eingebettete Polysiliciumschicht 325 sein, die innerhalb des Halbleitersubstrats 310 gebildet ist. 3A(e) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines p-Typ aktiven Bereichs 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein n-Typ Substrat sein. Der p-Typ aktive Bereich kann durch elf p-Well umgeben sein. 3A(f) kann ähnlich zu 3A(e) sein, aber ohne das p-Well auf dem Halbleitersubstrat 310.
  • 3B veranschaulicht zweite Anwendungsbeispiele des Isolationsgeräts 300 unter Verwendung einer tiefen Wanne (deep well). 3B(a) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines tiefen p-Wells 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein n-Typ Substrat sein. 3B(b) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines n-Typ aktiven Bereichs 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein p-Typ Substrat sein. Der n-Typ aktive Bereich kann durch ein tiefes n-Well umgeben sein. Das in 3B(c) gezeigte Isolationsgerät 300 kann im Wesentlichen ähnlich zu dem in 3B(b) gezeigten Isolationsgerät 300 sein, aber mit einer zusätzlichen Grabenisolationsschicht (STI) oder Feldoxidschicht (field oxide layer, FOX), die innerhalb des tiefen n-Wells des Halbleitersubstrats 310 gebildet ist. In 3B(d) kann das Isolationsgerät 300 unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines tiefen n-Wells 325 zur Bildung eines Kondensators 320 auf einem p-Typ Substrat 310 gebildet sein. 3B(e) zeigt ein Isolationsgerät 300, das unter Verwendung einer Metallschicht 322 und eines p-Typ aktiven Bereichs 325 zur Bildung eines Kondensators 320 gebildet ist. Das Halbleitersubstrat 310 kann ein n-Typ Substrat sein. Der p-Typ aktive Bereich kann durch ein tiefes p-Well umgeben sein. Das in 3B(f) gezeigte Isolationsgerät 300 kann im Wesentlichen ähnlich zu dem in 3B(e) gezeigten Isolationsgerät 300 sein, aber mit einer zusätzlichen Grabenisolationsschicht (STI) oder Feldoxidschicht (FOX), die innerhalb des tiefen p-Wells des Halbleitersubstrats 310 gebildet ist.
  • 4A veranschaulicht eine Querschnittsansicht eines Isolationsgeräts 400, das einen aktiven Bereich 436 aufweist. Das Isolationsgerät 400 kann ein Halbleitersubstrat 410, eine Vielzahl an Isolationsschichten 440–446 und eine Vielzahl an Metallschichten 450 umfassen. 4B veranschaulicht eine Draufsicht des in 4A gezeigten Isolationsgeräts 400. 4C veranschaulicht ein Messergebnis des Isolationsgeräts 400 unter Hochspannung. Unter Bezugnahme auf 4A–4B kann das Isolationsgerät 400 einen Isolationskondensator 420 umfassen, der unter Verwendung einer Metallplatte 422 und einer leitfähigen Schicht 425 gebildet wird. Die Metallplatte 422 kann eine oberste Metallschicht von der Vielzahl an Metallschichten 450 sein. Die Vielzahl an Isolationsschichten 440–446 können zwischen der Metallplatte 422 und der leitfähigen Schicht 425 liegen. Eine Grabenisolationsschicht 448 kann innerhalb der leitfähigen Schicht 425 eingebettet sein. Die Grabenisolationsschicht 448 kann eine flache (untiefe) Grabenisolationsschicht oder eine tiefe Grabenisolationsschicht oder eine Feldoxidschicht sein. Das Isolationsgerät 400 kann ferner eine Isolationszone 426 umfassen, die die Metallplatte 422 umgibt. Die Isolationszone 426 kann ein an die leitfähige Schicht 425 angrenzender Bereich sein, der frei von dem leitfähigen Material, wie zum Beispiel der Vielzahl an Metallschichten 450, ist. Die Isolationszone 426 kann im Wesentlichen isolierendes Material umfassen. Die Isolationszone 426 kann einen äußeren Umfang oder Zonenumfang 476 aufweisen, wie in 4B gezeigt.
  • Das Isolationsgerät 400 kann im Wesentlichen ähnlich zu dem Isolationsgerät 200 sein, aber es kann sich zumindest dadurch unterscheiden, dass die leitfähige Schicht 425 einen aktiven Bereich 436 umfassen kann. Der aktive Bereich 436 kann um die Grabenisolationsschicht 448 herum gebildet sein. Der aktive Bereich 436 kann ein hochdotierter Bereich sein, der mindestens teilweise innerhalb der leitfähigen Schicht 425 gebildet sein kann. Der aktive Bereich 436 kann eine ähnliche Polarität, bezogen auf die leitfähige Schicht 425 aufweisen. Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 425 ein n-Well sein und somit kann der aktive Bereich 436 ein n-aktiver Bereich sein. Der aktive Bereich 436 kann konfiguriert sein, den Widerstand innerhalb der leitfähigen Schicht 425 zu verringern. Optional, wie in 4B gezeigt, kann der aktive Bereich 436 eine geschlossene Ringform aufweisen.
  • Die Metallplatte 422 und die leitfähige Schicht 425 können eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt haben. Die Metallplatte 422 kann einen Durchmesser von D1 haben, gemessen auf einem äußeren Umfang, der im Folgenden auch als ein Plattenumfang 474 bezeichnet wird. Ein nach außen freiliegender Teil(bereich) der Metallplatte 422 kann einen Durchmesser von D3 haben. Die leitfähige Schicht 425 kann einen Durchmesser von D2 haben, der sich zwischen einem äußeren Umfang, der im Folgenden auch als Schichtumfang 472 bezeichnet wird, erstreckt. Darüber hinaus kann die Isolationszone 426 einen Durchmesser D6 haben, der sich zwischen einem äußeren Umfang, der im Folgenden auch als Zonenumfang 476 bezeichnet wird, erstreckt. Jedoch kann sich ein Teilbereich) der leitfähigen Schicht 425 über den Schichtumfang 472 hinaus erstrecken. Wie in 4A und 4B gezeigt, kann sich ein Teil(bereich) des aktiven Bereichs 436 und der leitfähigen Schicht 425 über die Isolationszone 426 hinaus erstrecken und an eine erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 454 durch ein „Via” 459 elektrisch gekoppelt sein. Die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 454 kann eine von der Vielzahl an Metallschichten 450 sein, die am nächsten, bezogen auf das Substrat 410, positioniert ist. Die Grabenisolationsschicht 448 kann im Wesentlichen kreisförmig sein mit einem Durchmesser von D5. Ebenso kann der aktive Bereich 436 eine im Wesentlichen kreisförmige Gestalt mit einem Durchmesser von D4 definieren. Eine ungefähre Relation zwischen den Durchmessern D1–D5 kann im Wesentlichen unter Verwendung der folgenden Gleichung (3) beschrieben werden: D6 > D2 > D4 > D5 ≥ D1 > D3 Gleichung (3)
  • Die Größe oder der Durchmesser der Grabenisolationsschicht 448 kann ungefähr gleich groß wie oder größer als die Metallplatte 422 sein, so dass das durch die Metallplatte 422 emittierte kapazitiv gekoppelte Signal durch einen wesentlichen Teil(bereich) der innerhalb der Substratoberfläche 411 eingebetteten leitfähigen Schicht 425 aufgenommen (empfangen) werden kann. Somit kann der Durchmesser D5 der Grabenisolationsschicht 448 ungefähr gleich groß wie oder größer als der Durchmesser D1 der Metallplatte 422 sein. Die Metallplatte 422 kann konfiguriert sein, einen Drahtanschluss (wire bond) aufzunehmen und somit kann der Durchmesser D1 der Metallplatte 422 mehr als ungefähr 10 μm betragen. Die Größe der Metallplatte 422 kann auf Basis des benötigten Kapazitätswerts abgeschätzt werden, wie unter Verwendung der Gleichung (1) ungefähr beschrieben.
  • Der aktive Bereich 436 kann konfiguriert sein, elektrische Ladungen von der leitfähigen Schicht 425 zu extrahieren. Jedoch, da der aktive Bereich 436 auf der Substratoberfläche 411 gebildet sein kann, kann der aktive Bereich 436 angrenzend zu der Grabenisolationsschicht 448 positioniert sein. Der Durchmesser D4 des aktiven Bereichs 436 kann größer als der Durchmesser D5 der Grabenisolationsschicht 448 sein. Optional kann der aktive Bereich 436 mindestens einen halben Mikrometer weg von der Grabenisolationsschicht 448 sein und somit kann der Durchmesser D4 des aktiven Bereichs 436 um mindestens einen Mikrometer größer als der Durchmesser D5 der Grabenisolationsschicht 448 sein.
  • Die leitfähige Schicht 425 kann mindestens ungefähr einen halben Mikrometer weg von dem aktiven Bereich 436 sein und somit kann der Durchmesser D2 der leitfähigen Schicht 425 mindestens ungefähr einen Mikrometer größer als der Durchmesser D4 des aktiven Bereichs 436 sein. Um jedoch einen wesentlichen elektrischen Fluss, der von dem Plattenumfang 474 erzeugt wird, einzufangen, kann der Durchmesser D2 der leitfähigen Schicht 425 mindestens ungefähr zehn Mikrometer mehr betragen, bezogen auf den Durchmesser D1 der Metallplatte 422. In anderen Worten kann der Schichtumfang 472 der leitfähigen Schicht 425 sich um mindestens ungefähr fünf Mikrometer nach außen erstrecken, bezogen auf den Plattenumfang 474. Im Allgemeinen kann der Schichtumfang 472 der leitfähigen Schicht 425 sich über den Plattenumfang 474 der Metallplatte 422 hinaus um eine Grenze m1 erstrecken. In der in 4A gezeigten Ausführungsform kann die Grenze m1 ungefähr gleich groß oder größer als fünf Mikrometer sein.
  • Die Metallplatte 422 und das Substrat 410 können durch (um) d9 voneinander beabstandet sein. Der Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 kann ungefähr zwischen vier Mikrometer und zwölf Mikrometer betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 ungefähr zwischen vier Mikrometer und zwanzig Mikrometer betragen. Die Grenze m1 oder der Abstand zwischen dem Plattenumfang 474 und dem Schichtumfang 472 kann im Wesentlichen mit dem Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 korrelieren. Zum Beispiel in der in 4A gezeigten Ausführungsform kann die Grenze m1 oder der Abstand zwischen dem Plattenumfang 474 und dem Schichtumfang 472 ungefähr mehr als die Hälfte des Abstands d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 betragen. In einer weiteren Ausführungsform kann die Grenze m1 oder der Abstand zwischen dem Plattenumfang 474 und dem Schichtumfang 472 ungefähr mehr als der Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 betragen. In einer noch weiteren Ausführungsform kann die Grenze m1 oder der Abstand zwischen dem Plattenumfang 474 und dem Schichtumfang 472 ungefähr mehr als das Doppelte des Abstands d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 betragen. Die Auswahl von d9 und dessen Beziehung (Verhältnis) zu der Grenze m1 kann zu einer höheren Toleranz gegenüber einem Zusammenbruch (Durchschlag) des Isolationskondensators 420 und zu einem Kapazitätswert des Isolationskondensators beitragen.
  • Im Allgemeinen kann der Schichtumfang 472 der leitfähigen Schicht 425 sich über den Zonenumfang 476 der Isolationszone 426 hinaus um eine Grenze m2, gemessen von dem Plattenumfang 474 der Metallplatte 422, erstrecken. In der in 4A gezeigten Ausführungsform kann die Grenze m2 gleich groß oder größer als zwanzig Mikrometer sein. Messergebnisse mit im Wesentlichen ähnlichem Isolationsgerät 400 mit unterschiedlichen Werten der Grenze m2 sind in 4C gezeigt. Unter Bezugnahme auf 4C kann das Isolationsgerät 400 unterhalb ungefähr 2,5 kV zusammenbrechen, wenn die Grenze m2 ungefähr sechzehn Mikrometer betragen kann. Jedoch wenn die Grenze m2 ungefähr dreißig Mikrometer beträgt, kann die Zusammenbruchsspannung bzw. Durchschlagsspannung des Isolationsgeräts 400 mehr als ungefähr 3,5 kV betragen.
  • Der Abstand zwischen dem „Via” 459 und dem Plattenumfang 474 der Metallplatte 422 kann mehr als die Grenze m2 betragen, was mehr als zwanzig Mikrometer in der in 4A gezeigten Ausführungsform betragen kann. Der Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 in der in 4A gezeigten Ausführungsform kann weniger als sieben Mikrometer betragen. Obwohl der Abstand d9 zwischen der Metallplatte 422 und dem Substrat 410 kürzer verglichen mit dem Abstand zwischen dem „Via” 459 und dem Plattenumfang 474 sein kann, kann ein Zusammenbruch (Durchschlag) des Isolationsgeräts 400 in der Nähe des „Vias” 459 auftreten anstatt zwischen der Metallplatte 422 und der leitfähigen Schicht 425. Dies kann darin begründet sein, dass das „Via” 459 und die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 454 spitz zulaufende Kanten oder Ränder oder Strukturen, die den elektrischen Fluss von der Metalplatte 422 anziehen, aufweisen können.
  • 5 veranschaulicht eine Draufsicht eines Isolationsgeräts 500. Das Isolationsgerät 500 kann eine Metallplatte 522 und eine leitfähige Schicht 525 aufweisen. Die leitfähige Schicht 525 kann einen aktiven Bereich 536 umfassen. Das Isolationsgerät 500 kann im Wesentlichen ähnlich zu dem in 4A gezeigten Isolationsgerät 400 sein, aber unterscheidet sich zumindest dadurch, dass die Form des Isolationsgeräts 500 im Wesentlichen siebeneckig (heptagonal) sein kann.
  • 6 veranschaulicht eine veranschaulichende Ansicht eines Isolationssystems 600. Das Isolationssystem 600 kann einen ersten Schaltkreis 665, der im Wesentlichen in einem ersten Chip (die) 601 integriert ist, und einen zweiten Schaltkreis 661, der im Wesentlichen in einem zweiten Chip 602 integriert ist, umfassen. Jeder von dem ersten und dem zweiten Chip 601, 602 kann jeweils eine Vielzahl an Metallschichten (nicht gezeigt), eine leitfähige Schicht 625 und ein Substrat 610 umfassen, wie in verschiedenen vorherigen Ausführungsformen veranschaulicht. Der erste Chip 601 kann mit dem zweiten Chip 602 elektrisch gekoppelt sein. Zum Beispiel, wie in 6 gezeigt, kann der zweite Chip 602 in einer Flip-Chip Anordnung angeordnet und mit dem ersten Chip 601 durch eine Lötperle 660 elektrisch gekoppelt sein. Optional kann der zweite Chip 602 mit dem ersten Chip 601 durch einen Drahtanschluss (wire bond) elektrisch gekoppelt sein.
  • Der erste Chip 601 kann einen Isolationskondensator 620 umfassen. Der Isolationskondensator 620 kann eine erste kapazitive Platte 622 und eine zweite kapazitive Platte 625 umfassen. Die erste kapazitive Platte 622 und die zweite kapazitive Platte 625 können mindestens zwei Schichten von Isolationsschichten 640 eingefügt haben, die konfiguriert sind, die erste kapazitive Platte 622 und die zweite kapazitive Platte 625 elektrisch zu isolieren. In einer weiteren Ausführungsform können mehr als zwei Schichten von den Isolationsschichten 640 zwischen der ersten kapazitiven Platte 622 und der zweiten kapazitiven Platte 625 eingefügt sein. Die erste kapazitive Platte 622 kann eine oberste Metallschicht von der Vielzahl an Metallschichten sein, die mit dem zweiten Schaltkreis 661 durch die Lötperle 660 elektrisch gekoppelt ist (sind). Alternativ kann die erste kapazitive Platte 622 eine zusätzliche Metallschicht (nicht gezeigt) sein, die mit der obersten Metallschicht elektrisch gekoppelt ist. Die zweite kapazitive Platte 625 kann eine leitfähige Schicht 625 umfassen, die wesentlich leitfähiger als das Substrat 610 des ersten Chips 601 sein kann. Zum Beispiel kann die zweite kapazitive Platte 625 ein n-Well, p-Well, n-aktive, p-aktive oder Polysilicium Schicht sein, die innerhalb des Substrats 610 eingebettet ist. Optional kann die zweite kapazitive Platte 625 eine erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht oder eine Polysiliciumschicht sein, die weniger als ein Mikrometer weg von dem Substrat 610 positioniert ist.
  • Die zweite kapazitive Platte 625 kann sich der ersten kapazitiven Platte 622 nähernd auf gegenüberliegenden Seiten der mindestens zwei Isolationsschichten 640 angeordnet sein, um ein kapazitiv gekoppeltes Signal 624 von der ersten kapazitiven Platte 622 zu empfangen. Das kapazitiv gekoppelte Signal 624 kann in Antwort auf ein von dem zweiten Schaltkreis 661 erzeugtes Signal 662 sein. In einer weiteren Ausführungsform kann das Signal 662 ein bidirektionales Signal sein, das in der Lage ist, von dem ersten Schaltkreis 665 auf den zweiten Schaltkreis 661 oder von dem zweiten Schaltkreis 661 auf den ersten Schaltkreis 665 übertragen zu werden. Das kapazitiv gekoppelte Signal 624 kann einen von der ersten kapazitiven Platte 622 emittierten elektrischen Fluss umfassen. Die erste kapazitive Platte 622 kann einen äußeren Umfang 674 haben und die zweite kapazitive Platte ist verhältnismäßig größer als die erste kapazitive Platte, um eine wesentliche Menge des von dem äußeren Umfang 674 der ersten kapazitiven Platte 622 emittierten elektrischen Flusses 624 einzufangen. Wie in vorherigen Ausführungsformen erklärt, kann sich der äußere Umfang 674 der ersten kapazitiven Platte 622 um mindestens ungefähr fünf Mikrometer über den äußeren Umfang 674 der ersten kapazitiven Platte 622 hinaus erstrecken.
  • Der erste Schaltkreis 665 kann konfiguriert sein, ungefähr innerhalb eines ersten Spannungsbereichs Vrange1, wie in dem Schaubild auf der rechten Seite gezeigt ist, zu arbeiten, während der zweite Schaltkreis 661 konfiguriert sein kann, ungefähr innerhalb eines zweiten Spannungsbereichs Vrange2, wie in dem Schaubild auf der linken Seite gezeigt ist, zu arbeiten. Der zweite Spannungsbereich Vrange2 kann wesentlich verschieden von dem ersten Spannungsbereich Vrange1 sein. Zum Beispiel, wie in 6 gezeigt, kann der zweite Spannungsbereich Vrange2 wesentlich größer als der erste Spannungsbereich Vrange1 sein. Der in 6 gezeigte Isolationskondensator 620 kann unter Verwendung verschiedener Kondensatoren, wie sie in 1, 2A–2E, 3A–3B, 4A–4B und 5 gezeigt sind, eingesetzt werden. Alternativ kann der Isolationskondensator 620 aus anderen Strukturen sein, wie sie in 7A und 8A gezeigt sind, wo die zweite leitfähige Platte 625 oberhalb des Substrats 610 gebildet sein kann.
  • 7A veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht eines Isolationsgeräts 700. 7B veranschaulicht eine Draufsicht des in 7A gezeigten Isolationsgeräts 700. Unter Bezugnahme auf 7A und 7B kann das Isolationsgerät 700 einen Isolationskondensator 720 umfassen. Das Isolationsgerät 700 kann ein Substrat 710, eine Vielzahl an Metallschichten 750 und eine Polysiliciumschicht 725 umfassen. Die Vielzahl an Metallschichten 750 kann eine oberste Metallschicht 751 und eine erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 754 umfassen. Die oberste Metallschicht 751 kann eine Metallschicht sein, die am weitesten weg, bezogen auf das Substrat 710, positioniert ist, während die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 754 eine Metallschicht sein kann, die am nächsten, bezogen auf das Substrat 710, positioniert ist.
  • Der Isolationskondensator 720 kann eine erste kapazitive Platte 722, die unter Verwendung von einer von der Vielzahl an Metallschichten 750 gebildet ist, und eine zweite kapazitive Platte 725, die unter Verwendung der Polysiliciumschicht 725 gebildet ist, umfassen. Die ersten und zweiten kapazitive Platten 722, 725 können zwei oder mehr Schichten von Isolationsschichten 740 eingefügt haben. Die Polysiliciumschicht 725 kann mit der ersten, am tiefsten vergrabenen Metallschicht 754 durch ein „Via” 759 elektrisch gekoppelt sein. Die ersten und zweiten kapazitive Platten 722, 725 können sich einander nähernd auf gegenüberliegenden Seiten der Vielzahl an Isolationsschichten 740 angeordnet sein, so dass ein kapazitiv gekoppeltes Signal 724 durch die zweite kapazitive Platte 725 empfangen werden kann. Die zweite kapazitive Platte 725 kann wesentlich größer als die erste kapazitive Platte 722 sein, so dass ein wesentlicher Teil des von einem äußeren Umfang 774 emittierten kapazitiv gekoppelten Signals 724 empfangen werden kann.
  • Das Isolationsgerät 700 kann eine Isolationszone 726 umfassen, die angrenzend zu der zweiten kapazitiven Platte 725 ist. Die Isolationszone 726 kann ein Bereich sein, der frei von leitfähigem Material, wie zum Beispiel der Vielzahl an Metallschichten 750, ist. Die zweite kapazitive Platte 725 kann weniger als ein Mikrometer weg von dem Substrat 710 gebildet sein. Da die zweite kapazitive Platte 725 von dem Substrat 710 beabstandet sein kann, kann die Isolationszone 726 auch von dem Substrat 710 beabstandet sein. Die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 754 und das „Via” 759 können mindestens ungefähr zwanzig Mikrometer weg von dem äußeren Umfang 774 der ersten kapazitiven Platte 722 sein.
  • 8A veranschaulicht eine Schnittquerschnittsansicht eines Isolationsgeräts 800. 8B veranschaulicht eine Draufsicht des in 8A gezeigten Isolationsgeräts 800. Unter Bezugnahme auf 8A und 8B kann das Isolationsgerät 800 einen Isolationskondensator 820 umfassen. Das Isolationsgerät 800 kann ein Substrat 810 und eine Vielzahl an Metallschichten 850 umfassen. Die Vielzahl an Metallschichten 850 kann eine oberste Metallschicht 851, eine erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 854 und eine zusätzliche Metallschicht 853, die am nächsten zu der ersten, am tiefsten vergrabenen Metallschicht 854 positioniert ist, umfassen. Die oberste Metallschicht 851 kann eine Metallschicht sein, die am weitesten weg, bezogen auf das Substrat 810, positioniert ist, während die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 854 eine Metallschicht sein kann, die am nächsten, bezogen auf das Substrat 810, positioniert ist. Die zusätzliche Metallschicht 853 kann die zweitnächste Metallschicht, bezogen auf das Substrat 810, sein.
  • Der Isolationskondensator 820 kann eine erste kapazitive Platte 822, die unter Verwendung von einer von der Vielzahl an Metallschichten 850 gebildet ist, und eine zweite kapazitive Platte 825, die unter Verwendung der ersten, am tiefsten vergrabenen Metallschicht 854 gebildet ist, umfassen. Die ersten und zweiten kapazitive Platten 822, 825 können zwei oder mehr Schichten von Isolationsschichten 840 eingefügt haben. Die ersten und zweiten kapazitive Platten 822, 825 können sich einander nähernd auf gegenüberliegenden Seiten der Vielzahl an Isolationsschichten 840 angeordnet sein, so dass ein kapazitiv gekoppeltes Signal 824 durch die zweite kapazitive Platte 825 empfangen werden kann. Die zweite kapazitive Platte 825 kann wesentlich größer als die erste kapazitive Platte 822 sein, so dass ein wesentlicher Teil des von einem äußeren Umfang 874 emittierten kapazitiv gekoppelten Signals 824 empfangen werden kann.
  • Das Isolationsgerät 800 kann eine Isolationszone 826 umfassen, die angrenzend zu der zweiten kapazitiven Platte 825 ist. Die Isolationszone 826 kann ein Bereich sein, der frei von leitfähigem Material, wie zum Beispiel der Vielzahl an Metallschichten 850, ist. Die zweite kapazitive Platte 825 kann weniger als ein Mikrometer weg von dem Substrat 810 gebildet sein. Da die zweite kapazitive Platte 825 von dem Substrat 810 beabstandet sein kann, kann die Isolationszone 826 von dem Substrat 810 beabstandet sein. Die erste, am tiefsten vergrabene Metallschicht 854 und das „Via” 859 können mindestens ungefähr zwanzig Mikrometer weg von dem äußeren Umfang 874 der ersten kapazitiven Platte 822 sein. Die zweite kapazitive Platte 825 kann mit der zusätzlichen Metallschicht 853 durch ein „Via” 858 außerhalb der Isolationszone 826 elektrisch gekoppelt sein.
  • 9 veranschaulicht ein Flussdiagramm, das ein Verfahren 900 zum Herstellen eines Isolationskondensators zeigt. In Schritt 910 kann ein Halbleitersubstrat bereitgestellt werden. Als nächstes kann in Schritt 920 ein Teil(bereich) des Substrats leitfähiger gemacht werden, bezogen auf das Halbleitersubstrat, zur Bildung einer leitfähigen Schicht. In dem nächsten, optionalen Schritt 930 kann eine Grabenisolationsschicht, angrenzend zu der leitfähigen Schicht, gebildet werden. In Schritt 940 kann ein „Via” auf der leitfähigen Schicht mindestens fünfundzwanzig Mikrometer weg von der Grabenisolationsschicht gebildet werden. In Schritt 950 kann eine erste Isolationsschicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet werden, während in Schritt 960 eine zweite Isolationsschicht auf dem Halbleitersubstrat gebildet werden kann. In Schritt 970 kann eine Metallplatte, angrenzend zu der leitfähigen Schicht gebildet werden, wobei die ersten und zweiten Isolationsschichten dazwischen liegen, zur Bildung eines Isolationskondensators.
  • Verschiedene Aspekte, Ausführungsformen oder Umsetzungen können, entweder einzeln und/oder in Kombination, aber müssen nicht, zu einem oder mehreren der folgenden Vorteile führen. Zum Beispiel kann die spezifische Dimension in verschiedenen Ausführungsformen zu einer höheren Durchschlagsspannung beitragen. Ebenso kann die in verschiedenen Ausführungsformen besprochene spezifische Gestalt und Anordnung auch zu einer höheren Durchschlagsspannung und/oder Raumeffizienz beitragen.
  • Auch wenn verschiedene Aspekte in jeder Ausführungsform vorgestellt wurden, können alle oder ein Teil der verschiedenen Aspekte, die in jeder Ausführungsform veranschaulicht wurden, kombiniert werden. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich zu den oben Dargestellten in Erwägung gezogen werden. Zum Beispiel, kann die oben besprochene „Platte” flach (eben) oder auch nicht flach (uneben) sein und es kann auch sein, dass sie nicht aus einem metallischen Material gemacht ist, sofern nicht anderes festgelegt ist. Auch wenn spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht wurden, soll die Erfindung nicht auf diese spezifischen Formen oder Anordnungen von Teilen, wie sie beschrieben und veranschaulicht wurden, beschränkt sein. Zum Beispiel können die oben besprochenen Gleichungen zur Schätzung erster Ordnung zum Zweck der Veranschaulichung sein. In der Realität kann das tatsächliche Ergebnis von den veranschaulichten Gleichungen abweichen. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sollten als Beispiele der vorliegenden Erfindung und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend angesehen werden. Zusätzlich zu den obenstehenden Ausführungsformen der Erfindung wird eine Durchsicht der detaillierten Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen zeigen, dass es weitere Ausführungsformen der Erfindung gibt. Dementsprechend werden vielen Kombinationen, Permutationen, Variationen und Modifikationen der obenstehenden Ausführungsformen der Erfindung, die nicht hierin explizit aufgeführt sind, trotzdem innerhalb des Umfangs der Erfindung fallen. Es ist zu verstehen, dass die Veranschaulichung und Beschreibung nicht eng auszulegen sind.

Claims (20)

  1. Isolationsgerät zum Isolieren eines Signals, wobei das Isolationsgerät Folgendes umfasst: ein Substrat; eine Vielzahl an Metallschichten, die angrenzend zu dem Substrat gebildet sind und die mindestens eine oberste Metallschicht aufweisen, die von der Vielzahl an Metallschichten am weitesten von dem Substrat weg gebildet ist; eine Metallplatte der obersten Metallschicht, die zum Empfangen des Signals konfiguriert ist; eine erste Isolationsschicht, die angrenzend zu der Metallplatte ist; eine zweite Isolationsschicht, wobei die erste Isolationsschicht zwischen der zweiten Isolationsschicht und der Metallplatte liegt; und eine leitfähige Schicht, die innerhalb des Substrats gebildet ist, so dass die ersten und zweiten Isolationsschichten zwischen der leitfähigen Schicht und der Metallplatte liegen, so dass die leitfähige Schicht von der Metallplatte elektrisch isoliert ist, wobei die leitfähige Schicht konfiguriert ist, ein kapazitiv gekoppeltes Signal von der Metallplatte zu empfangen, das bezeichnend für das Signal ist.
  2. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl an Metallschichten ferner eine erste Metallschicht umfassen, die am nächsten zu der obersten Metallschicht gebildet ist, und wobei die erste Isolationsschicht zwischen der obersten Metallschicht und der ersten Metallschicht liegt.
  3. Isolationsgerät nach Anspruch 2, wobei die Vielzahl an Metallschichten ferner eine zweite Metallschicht umfassen und wobei die zweite Isolationsschicht zwischen der zweiten Metallschicht und der ersten Metallschicht gebildet ist.
  4. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Schicht mindestens eines von einer n-Wanne (n-Well) und einer p-Wanne (p-Well) umfasst, die innerhalb des Substrats mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit, bezogen auf das Substrat, gebildet sind.
  5. Isolationsgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Grabenisolationsschicht, die zwischen der leitfähigen Schicht und der zweiten Isolationsschicht liegt.
  6. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die Metallplatte von der Vielzahl an Metallschichten im Wesentlichen elektrisch isoliert ist.
  7. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die erste Isolationsschicht ein Polyimidmaterial umfasst.
  8. Isolationsgerät nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Isolationszone, die im Wesentlichen frei von der Vielzahl an Metallschichten ist und die die Metallplatte umgibt, wobei sich die Isolationszone im Wesentlichen senkrecht, bezogen auf die Metallplatte, an die leitfähige Schicht angrenzend erstreckt.
  9. Isolationsgerät nach Anspruch 8, wobei die Metallplatte einen Plattenumfang aufweist und die Isolationszone einen Zonenumfang aufweist, der sich um mindestsens ungefähr zwanzig Mikrometer nach außen von dem Plattenumfang erstreckt.
  10. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die Metallplatte von der leitfähigen Schicht durch einen Abstand von ungefähr zwischen vier Mikrometer und zwanzig Mikrometer beabstandet ist.
  11. Isolationsgerät nach Anspruch 1, wobei die leitfähige Schicht einen Schichtumfang aufweist und die Metallplatte einen Plattenumfang aufweist und wobei der Schichtumfang der leitfähigen Schicht sich um mindestsens ungefähr fünf Mikrometer nach außen von dem Plattenumfang erstreckt.
  12. Isolationsgerät nach Anspruch 11, wobei die Metallplatte von der leitfähigen Schicht durch einen ersten Abstand, der in einer zu dem Substrat im Wesentlichen senkrechten Richtung gemessen wird, beabstandet ist und wobei der Schichtumfang der leitfähigen Schicht sich um mindestsens ungefähr die Hälfte des ersten Abstands nach außen von dem Plattenumfang erstreckt.
  13. Isolationsgerät, umfassend: ein Halbleitersubstrat; eine leitfähige Schicht des Halbleitersubstrat, die wesentlich leitfähiger, bezogen auf das Halbleitersubstrat, ist; eine oberste Metallschicht, die angrenzend zu dem Halbleitersubstrat gebildet ist; eine Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten, die zwischen der obersten Metallschicht und dem Halbleitersubstrat liegen; einen Isolationskondensator; eine erste kapazitive Platte des Isolationskondensators, die mit einem Teil der obersten Metallschicht elektrisch gekoppelt ist; eine zweite kapazitive Platte des Isolationskondensators, die einen wesentlichen Teil der leitfähigen Schicht umfasst; wobei die zweite kapazitive Platte mit mindestens einer von der Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten, die von der ersten kapazitiven Platte elektrisch isoliert ist, elektrisch gekoppelt ist, wobei die zweite kapazitive Platte verhältnismäßig größer als die erste kapazitive Platte ist.
  14. Isolationsgerät nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Isolationszone, die die erste kapazitive Platte umgibt, wobei mindestens ein Teil der Isolationszone über bzw. oberhalb der zweiten kapazitiven Platte gebildet ist.
  15. Isolationsgerät nach Anspruch 14, ferner umfassend: eine vergrabene bzw. verdeckte Metallschicht von der Vielzahl an zusätzlichen Metallschichten, die am nächsten, bezogen auf das Halbleitersubstrat, positioniert ist; und mindestens ein Via, das die vergrabene Metallschicht und die leitfähige Schicht außerhalb der Isolationszone elektrisch verbindet.
  16. Isolationsgerät nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Grabenisolationsschicht, wobei die Grabenisolationsschicht verhältnismäßig größer als die erste kapazitive Platte ist und die zweite kapazitive Platte größer als die Grabenisolationsschicht ist.
  17. Isolationsgerät nach Anspruch 13, ferner umfassend mindestens erste und zweite Isolationsschichten, die zwischen der ersten kapazitiven Platte und der zweiten kapazitiven Platte liegen, wobei die erste Isolationsschicht eine erste Permittivität aufweist und die zweite Isolationsschicht eine zweite Permittivität aufweist, die von der ersten Permittivität wesentlich verschieden ist.
  18. Isolationsgerät nach Anspruch 17, wobei die erste Permittivität wesentlich größer als die zweite Permittivität ist.
  19. Isolationssystem, umfassend: einen ersten Chip, wobei der erste Chip mindestens eine oberste Metallschicht und ein Substrat aufweist; einen ersten Schaltkreis, der im Wesentlichen innerhalb des ersten Chips integriert ist; einen zweiten Chip; einen zweiten Schaltkreis, der im Wesentlichen innerhalb des zweiten Chips integriert ist; einen Isolationskondensator des ersten Chips; eine erste kapazitive Platte des Isolationskondensators, die mit dem zweiten Schaltkreis durch die mindestens eine oberste Metallschicht elektrisch gekoppelt ist; eine zweite kapazitive Platte des Isolationskondensators, die wesentlich leitfähiger als das Substrat des ersten Chips ist, wobei die zweite kapazitive Platte mit dem ersten Schaltkreis elektrisch gekoppelt ist; und mindestens zwei Isolationsschichten, die die ersten und zweiten kapazitiven Platten im Wesentlichen elektrisch isolieren, wobei die erste kapazitive Platte einen äußeren Umfang hat und die zweite kapazitive Platte verhältnismäßig größer als die erste kapazitive Platte ist, um einen elektrischen Fluss, der von dem äußeren Umfang emittiert wird, im Wesentlichen einzufangen.
  20. Isolationsgerät nach Anspruch 19, wobei: der erste Schaltkreis zum Betrieb innerhalb eines ersten Spannungsbereichs konfiguriert ist; der zweite Schaltkreis zum Betrieb innerhalb eines zweiten Spannungsbereichs konfiguriert ist; und der zweite Spannungsbereich und der erste Spannungsbereich wesentlich verschieden sein können.
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