DE102014200869B4 - Integrierter Kondensator und Verfahren zum Herstellen desselben und dessen Verwendung - Google Patents

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Abstract

Integrierter Kondensator mit folgenden Merkmalen:einem Substrat (16, 16') mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem gegenüberliegenden zweiten Hauptoberflächenbereich;einer Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) mit einer dielektrischen Schicht (18; 68), wobei die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) in dem ersten Hauptoberflächenbereich integriert ist; undeiner Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) mit einer Kompensationsschicht (28; 52; 64), die in dem zweiten Hauptoberflächenbereich integriert ist;wobei ein Verhältnis zwischen einer durch die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) bewirkten Oberflächenvergrößerung (38; 42) des zweiten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) zumindest 30 % der durch die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) bewirkten Oberflächenvergrößerung (34; 36) des ersten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) entspricht;wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) keine elektrische Funktion im Sinne eines Kondensators aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen integrierten elektrischen Kondensator mit einer Kondensatorstruktur und einer Kompensationsstruktur und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf beidseitig strukturierte Grabenkondensatoren für leistungselektronische Anwendungen.
  • Bei Herstellungsprozessen integrierter Schaltungen können sich mechanische Spannungen im Halbleitermaterial ergeben, die den Herstellungsprozess an sich stören oder beeinträchtigen können (z. B. aufgrund von Verbiegungen des Wafers) oder auch die elektrischen Eigenschaften der integrierten Schaltung störend beeinflussen können. Häufig besteht ein Zusammenhang z. B. zwischen den Strukturen und Dicken von aufgetragenen Isolationsschichten (z. B. Dielektrika) und den resultierenden mechanischen Spannungen in dem Halbleitermaterial des Substrats (Wafers).
  • Insbesondere stellt sich diese Problematik bei integrierten strukturierten Grabenkondensatoren für leistungselektronische Anwendungen, wodurch die resultierende Betriebsspannung solcher integrierten Kondensatoren für Hochvoltanwendungen eingeschränkt ist, bzw. die erreichbare Schichtdicke und/oder die Gleichmäßigkeit des aufgebrachten Dielektrikums die beschränkenden Größen für erreichbare Hochvolt-Arbeitsbereiche sind.
  • Für eine Erhöhung von Integrationsdichten elektrischer Schaltungen ist eine Vergrößerung der Kondensatoroberfläche z. B. durch Loch- oder Grabenstrukturen unabdingbar.
  • Mechanische Spannungen bei monolithisch integrierten 3D-Kondensatoren mit Graben- oder Lochstrukturen für hohe Betriebsspannungen im Bereich von 600 V und darüber können nach der Herstellung bzw. Aufbringung der dielektrischen Schichten zu hoch sein, d. h. so hoch sein, dass mechanische Schädigungen der dielektrischen Schichten auftreten. Die Aufbringung der dielektrischen Schicht, beispielsweise ein Oxid, erfolgt zum Teil bei Temperaturen von über 1000°C. Nach der thermischen Oxidation und während der Abkühlung des Substrats, beispielsweise ein Halbleitersubstrat wie etwa Silizium, tritt eine thermische Spannung aufgrund unterschiedlicher Temperaturausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und aufgebrachter dielektrischer Schicht, bspw. zwischen Silizium und Siliziumdioxid, auf. Siliziumdioxid (SiO2) weist z. B. einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 5,6 × 10-7 K-1 auf, während Silizium einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von ca. 2,6 × 10-6 K-1 aufweist. In diesem verringert ein Siliziumsubstrat sein Volumen während einer Abkühlung stärker als eine daran angeordnete Siliziumoxidschicht, die die dielektrische Schicht bildet. Dies kann zu Materialspannungen und -verformungen (Verkippungen) in dem Substrat und/oder der dielektrischen Schicht führen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann eine intrinsische Fehlanpassung zwischen der Siliziumdioxidschicht und dem Substrat durch unterschiedliche Gitterstrukturen und Volumenexpansionen zu weiteren Materialspannungen führen. Eine daraus resultierende Verbiegung der Substrate, bspw. Halbleitersubstrate, kann wiederrum dazu führen, dass sie nicht mehr weiterprozessiert werden können oder dass die isolierenden Schichten „aufreißen“ und ihre Isolationswirkung verlieren. In solch einem Fall kann die Durchschlagsspannung des Kondensators (bei der ein Widerstandsabfall in dem Kondensator eintritt und zu einem Spannungsabfall - Kurzschluss - in dem Kondensator führt) unterhalb der Betriebsspannung fallen. Bei einer zunehmenden Dicke der dielektrischen Schichten für zunehmende Betriebsspannungen nehmen gleichzeitig die mechanischen Spannungen zu. Verformungen in einem Siliziumwafer können beispielsweise dazu führen, dass der Wafer von einer Aufnahme und/oder einem Chuck, beispielsweise mit eine Vakuumansaugung zur Fixierung in der Fertigungsanlage, nicht mehr aufgenommen und mithin nicht mehr weiterprozessiert werden kann, etwa weil die Verformung eine Dichtigkeit zur Erzeugung des Vakuums verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann basierend auf der Verbiegung eine auf eine ebene Oberfläche ausgelegte Photolithographie (bspw. Bestrahlung einer Oberseite oder Unterseite des Wafers) verhindert werden, da gekrümmte Wafer nicht korrekt belichtet werden.
  • Deshalb können bislang keine monolithischen Kondensatoren mit Betriebsspannungen über 600 V massenfertigungstauglich realisiert werden. Auch bei monolithischen Kondensatoren für Betriebsspannungen um 600 V treten aufgrund des mechanischen Stresses nach der Abscheidung der Dielektrika immer wieder Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung mit den Verfahren der Halbleitertechnologie auf. Daher werden bei diesen Betriebsspannungen bisher überwiegend Keramik- oder Folienkondensatoren eingesetzt.
  • Monolithisch integrierte Grabenkondensatoren und RC-Snubber (Widerstand-Resistor(R)Kondensator-Capacitor (C)), das heißt 3D-Bedämpfungsbauelemente mit einem Aufbau, wie er in 8 dargestellt ist, weisen eine strukturierte Scheibenvorderseite und eine Scheibenrückseite ohne Strukturen mit mechanischen Aufgaben auf. Diesbezüglich wird bspw. auf die US 7 738 226 B2 verwiesen.
  • Die Halbleitertechnologie und Zuverlässigkeit von Kondensatoren und RC-Bauelementen in einem Spannungsbereich zwischen 200 V und 600 V wurde eingehend in der Literatur beschrieben, vgl. [1, 2, 3].
  • Darüber hinaus wurden bereits Kondensatoren durch monolithische Integration für unterschiedliche Anwendungen und Betriebsspannungen hergestellt, wie es in [4] beschrieben ist.
  • In der US 2011/0001217 A1 ist ein Konzept für einen Kondensator beschrieben, der in ein Halbleitersubstrat integriert ist, wobei zur Integration beide Seiten eines Wafers genutzt werden.
  • In US 2012/0211865 A1 ist ein Konzept für eine Kondensatorstruktur beschrieben, bei der mehrere Materialschichten genutzt werden, um Zugspannungen auszugleichen, die durch die Schichten erzeugt werden.
  • Wünschenswert wären integrierte, massenfertigungstaugliche Kondensatoren, die in integrierten Schaltungen und Hochvoltanwendungen einsetzbar sind und mit höheren Betriebsspannungen, beispielsweise von mehr als 600 V, mehr als 800 V oder mehr als 1.000 V betrieben werden können, so dass in Schaltungen und integrierten Bauelementen auf eine Anordnung von Keramik- oder Folienkondensatoren verzichtet und die entsprechende Schaltung kleinbauender, d. h. mit einer höheren Integrationsdichte ausgeführt werden kann.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, integrierte Kondensatoren, die mit einer höheren Betriebsspannung betrieben werden können, und Verfahren zum Herstellen derselben zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert.
  • Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass durch eine Kompensationsstruktur mit einer Kompensationsschicht an einem Hauptoberflächenbereich, der einem Hauptoberflächenbereich, in welchem eine Kondensatorstruktur mit einer dielektrischen Schicht integriert ist, gegenüberliegend angeordnet ist, Auswirkungen der herstellungsbedingt eingebrachten mechanischen Spannungen, bspw. eine Verformung des Substrats, kompensiert werden können, so dass die Verformung des Substrats reduziert ist und die dielektrische Schicht dadurch dicker und/oder gleichmäßiger als bislang ausgeführt werden kann, ohne während einer Abkühlung mechanische Schäden aufzuweisen. Die dickeren dielektrischen Schichten ermöglichen eine höhere Betriebsspannung des derartigen integrierten Kondensators.
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen integrierten Kondensator mit einem Substrat mit einem ersten Hauptoberflächenbereich, beispielsweise einer Waferoberseite oder -unterseite und einem gegenüberliegenden zweiten Hauptoberflächenbereich, etwa die Waferunterseite oder -oberseite. Eine Kondensatorstruktur, beispielsweise eine Loch- oder Graben-Struktur, mit einer dielektrischen Schicht ist in den ersten Hauptoberflächenbereich integriert. Eine Kompensationsstruktur mit einer Kompensationsschicht ist in den zweiten Hauptoberflächenbereich integriert. Die Kondensatorstruktur und die Kompensationsstruktur sind ausgebildet, um jeweils eine Oberflächenvergrößerung des ersten oder zweiten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats in dem ersten bzw. zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur bzw. Kompensationsstruktur zu bewirken. Die Oberflächenvergrößerung der Kompensationsstruktur beträgt zumindest 30% der durch die Kondensatorstruktur bewirkten Oberflächenvergrößerung. Die Kompensationsstruktur hat keine Kondensatorfunktion. Eine Lochstruktur kann als ein einseitig offener Hohlraum (Vertiefung) oder Aussparung bezeichnet werden.
  • Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass durch die Oberflächenvergrößerung der Kompensationsschicht in der Kompensationsstruktur mechanische Spannungen in das Substrat induziert werden können, die den mechanischen Spannungen, die durch die dielektrische Schicht in der Kondensatorstruktur in das Substrat induziert werden, bzgl. einer Materialverformung entgegenwirken, so dass eine Verformung des Substrats reduziert ist und die dielektrische Schicht weniger oder keine Schäden aufweist und/oder mit einer größeren Schichtdicke ausgeführt sein kann, so dass eine höhere Betriebsspannung ermöglicht wird.
  • Weitere Ausführungsbeispiele schaffen integrierte Kondensatoren, bei denen die Kompensationsstruktur eine Lochstruktur, eine Grabenstruktur, eine Säulenstruktur oder eine Ringstruktur oder eine Kombination zumindest zweier dieser Elemente aufweist.
  • Vorteilhaft an diesen Ausführungsbeispielen ist, dass die Kompensationsstruktur an die Kondensatorstruktur angepasst werden kann, um ein Verhältnis der Oberflächenvergrößerungen des ersten Hauptoberflächenbereichs und des zweiten Hauptoberflächenbereichs sowie eine mechanische Stabilität des Substrats zu beeinflussen, um eine Verformung des Materials weiter zu reduzieren.
  • Vorteilhafte Ausführungsbeispiele schaffen einen integrierten Kondensator, bei dem die Kompensationsstruktur geometrisch bzw. topographisch, beispielsweise bezüglich einer Breite der Gräben, einem Durchmesser der Löcher oder einer Tiefe der Kompensationsstruktur in einem Toleranzbereich gleich ausgebildet ist wie die Kondensatorstruktur und der Kondensatorstruktur so gegenüberliegend angeordnet ist, dass eine neutrale Faser oder Mittellinie des Substrats eine Symmetrielinie bildet, wobei die Kondensatorstruktur und die Kompensationsstruktur bezüglich der Symmetrielinie symmetrisch angeordnet sind. In anderen Worten kann die Kompensationsstruktur eine Projektion der Kondensatorstruktur in den zweiten Hauptoberflächenbereich sein und bspw. in einer lateralen Richtung verschoben sein. Der Toleranzbereich kann einen Abstand der Verschiebung umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann der Toleranzbereich eine von einander verschiedene Tiefe von Kompensations- und Kondensatorstruktur umfassen, oder von einer Toleranz des Herstellungsprozesses beeinflusst sein.
  • Eine symmetrische Anordnung von Kompensations- und Kondensatorstruktur kann zu einer erhöhten Kompensation von Verformungen in dem Substrat führen.
  • Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Verwendung eines integrierten Kondensators in einem Leistungsmodul, wie etwa ein Bedämpfungselement.
  • Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine derartige Verwendung eine Reduktion der Baugrößen des Leistungsmoduls und/oder eine Erhöhung der Betriebsspannung ermöglicht.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsbeispiele sind der Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • 1 einen Ausschnitt einer schematischen Schnittansicht eines integrierten Kondensators mit einer Kondensatorstruktur und einer Kompensationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2a eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines ersten Hauptoberflächenbereichs eines integrierten Kondensators, wie er in der 1 beschrieben ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 2b eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines integrierten Kondensators gemäß Fig. 2a, bei dem die Löcher einer Kompensationsstruktur gegenüber den Löchern der Kondensatorstruktur aus 2a in einem Abstand in einer y-Richtung verschoben sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 3 eine schematische Schnittansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators, bei der an einem zweiten Hauptoberflächenbereich die Funktionalität eines Kondensators implementiert ist gemäß einem Beispiel;
    • 4 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators und einer Kompensationsstruktur mit einer V-förmigen Struktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 5 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators mit einer U-förmigen Kompensationsstruktur gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 6 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators mit einem monolithischen Substrat und einer Kompensationsstruktur, die als Säulenstruktur ausgeführt ist gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
    • 7 eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines integrierten Kondensators, mit einer Kondensatorstruktur und einer Kompensationsstruktur, die als Grabenstrukturen ausgebildet sind gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
    • 8 eine schematische Seitenansicht eines monolithisch integrierten Grabenkondensator oder RC-Snubber mit strukturierter Scheibenvorderseite und einer Scheibenrückseite ohne Kompensationsstruktur gemäß dem Stand der Technik.
  • Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass identische, funktionsgleiche oder gleichwirkende Elemente, Objekte und/oder Strukturen in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen dargestellte Beschreibung dieser Elemente untereinander austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann.
  • 1 zeigt einen Ausschnitt einer schematischen Seitenansicht eines integrierten Kondensators 10 mit einer Kondensatorstruktur 12 und einer Kompensationsstruktur 14. Der Ausschnitt kann bspw. Teil eines Substrats, aus welchem eine Vielzahl von integrierten Kondensatoren 10 ausgebildet werden, sein. Die Kondensatorstruktur 12 ist in einem ersten Hauptoberflächenbereich eines Substrats 16 integriert. Das Substrat 16 ist bspw. ein Halbleitermaterial bzw. ein Halbleitersubstrat wie etwa auf Siliziumbasis oder Silizium, und kann als Wafer ausgebildet sein, aus dem die Vielzahl von Kondensatoren gebildet werden Das Substrat 16 kann bezüglich eines oder mehrerer integrierten Kondensatoren monolithisch, d. h. einstückig, und/oder einkristallin sein.
  • Die Kompensationsstruktur 14 ist in einem zweiten Hauptoberflächenbereich, der dem ersten Hauptoberflächenbereich gegenüberliegend angeordnet ist, des Substrats 16 integriert. Ist das Substrat 16 beispielsweise ein Wafer mit einer Oberseite, einer Unterseite und einer Seitenfläche als Verbindung zwischen der Ober- und der Unterseite, so kann der erste Hauptoberflächenbereich die Ober- oder die Unterseite des Wafers und der zweite Hauptoberflächenbereich die verbleibende der beiden Seiten des Wafers sein.
  • Die Kondensatorstruktur 12 umfasst eine dielektrische Schicht 18, die an dem Substrat 16 angeordnet ist. Die dielektrische Schicht 18 kann beispielsweise Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4) oder ein anderes elektrisch isolierendes Material aufweisen und/oder daraus gebildet sein.
  • Der integrierte Kondensator 10 umfasst ferner ein Elektrodenmaterial 22, das in die Kondensatorstruktur 12 eingebracht ist. Das Elektrodenmaterial 22 ist elektrisch leitfähig, um eine erste Kondensatorelektrode zu bilden. An dem Elektrodenmaterial 22 ist eine elektrisch leitfähige Schicht 24, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Gold angeordnet. An der elektrisch leitfähigen Schicht ist ein erster Elektrodenanschluss 26a angeordnet. Der erste Elektrodenanschluss 26a kann bspw. als ein Bond-, Löt- oder Klemmkontakt ausgeführt sein und ist ausgebildet, um mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt zu werden. Alternativ kann der erste Elektrodenanschluss 26a auch mit dem Elektrodenmaterial verbunden sein. Vereinfacht ausgedrückt ist die elektrisch leitfähige Schicht 24 (Vorderseitenmetallisierung) an dem Elektrodenmaterial 22 (vordere Elektrode) und dieses an der dielektrischen Schicht 18 (Dielektrikum) angeordnet, wobei die elektrisch Leitfähige Schicht 44 (Rückseitenmetallisierung) stellenweise mit dem Substrat 16 kontaktiert ist. Eine Spannungsdifferenz zwischen dem Substrat 16 und dem Elektrodenmaterial 22 führt zu einer Beeinflussung elektrischer Ladungen und zur Ausbildung eines elektrischen Kondensators. Eine erhöhte Schichtdicke 32 führt zu einer reduzierten Kapazität und zu einer höheren Durchschlagspannung des Kondensators, eine Erhöhung der Kondensatoroberfläche zu einer erhöhten Kapazität des elektrischen Kondensators.
  • Das Substrat 16 weist einen zweiten Elektrodenanschluss 26b auf. Der zweite Elektrodenanschluss 26b kann bspw. als ein Bond-, Löt- oder Klemmkontakt ausgeführt sein und ist ausgebildet, um mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt zu werden und diese elektrische Spannung an das Substrat zu übertragen. Ein Anlegen einer elektrischen Spannung-zwischen dem ersten Elektrodenanschluss 26a und dem zweiten Elektrodenanschluss 26b führt zur Ausbildung eines elektrischen Kondensators zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 24 bzw. dem Elektrodenmaterial 22 und dem Substrat 16 analog zu einem Plattenkondensator, dessen Oberfläche durch die Kondensatorstruktur 12 gegenüber einer ebenen Ausführung, das heißt gegenüber einer Abwesenheit der oder einer ebenen Kondensatorstruktur 12, vergrößert ist. Die dielektrische Schicht 18 ist ausgebildet, um das Elektrodenmaterial 22 von dem Substrat 16 zu trennen, das heißt elektrisch zu isolieren. Die elektrisch leitfähige Schicht 24 kann ganz oder teilweise ein gleiches Material aufweisen, wie das Elektrodenmaterial 22. Das Elektrodenmaterial 22 und die elektrisch leitfähige Schicht 24 können einstückig gebildet sein.
  • Die Kompensationsstruktur 14 umfasst ein Kompensationsmaterial 28. Bei dem Kompensationsmaterial 28 kann es sich um ein beliebiges Material handeln. Wenn die dielektrische Schicht 18 einen geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Substrat 16 aufweist, kann das Kompensationsmaterial 28 einen geringeren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Substrat 16 aufweisen. Alternativ kann das Kompensationsmaterial einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Substrat 16 aufweisen, wenn die dielektrische Schicht 18 einen höheren Temperaturausdehnungskoeffizienten als das Substrat 16 aufweist. Beispielsweise kann das Kompensationsmaterial 28 ein Oxid oder ein Nitrid auf Siliziumbasis oder ein anderes, beispielsweise durch Bedampfung aufgebrachtes Material sein, das sich während der Abkühlung der dielektrischen Schicht 18 und des Substrats 16 bezüglich thermischer Ausdehnung bezogen auf das Substrat 16 ähnlich verhält, wie die dielektrische Schicht 18.
  • Während der Abkühlung werden unter anderem aufgrund der thermischen Ausdehnung und/oder eines Gitterversatzes zwischen der dielektrischen Schicht 18 und dem Substrat 16 mechanische Spannungen (Verspannungen) in dem Substrat 16 induziert. Gleichzeitig werden auf den gleichen Effekten beruhende Spannungen zwischen der Kompensationsschicht 28 und dem Substrat 16 induziert.
  • Verformungen, beispielsweise eine Verkrümmung des Substrats 16, die durch die Materialspannungen zwischen der dielektrischen Schicht 18 und dem Substrat 16 hervorgerufen würden, werden durch Verformungen bzw. Materialspannungen zwischen der Kompensationsschicht 28 und dem Substrat 16 reduziert. Vereinfacht ausgedrückt werden zwei einander entgegengesetzte (bzw. entgegenwirkende) Verformungskräfte in das Substrat 16 induziert, so dass eine Gesamtverformung reduziert ist. Dadurch kann eine Dicke 32 der dielektrischen Schicht 18 vergrößert werden, da bspw. die dielektrische Schicht 18 eine geringere Verformung erfährt, so dass eine Beschädigung der dielektrischen Schicht 18 reduziert oder verhindert ist oder eine gegenüber derzeit verfügbaren integrierten Kondensatoren vergrößerte Dicke 32 aufbringbar ist, bis eine zulässige Verformung oder eine zulässige Materialbelastung des Substrates 16 oder der dielektrischen Schicht 18 erreicht ist. Eine vergrößerte Dicke 32 kann zu einer erhöhten Durchschlagspannung der dielektrischen Schicht 18 und mithin zu einer vergrößerten Betriebsspannung des integrierten Kondensators 10 führen, die zwischen dem ersten elektrischen Anschluss 26a und dem zweiten elektrischen Anschluss 26b anlegbar ist.
  • Die Oberflächenvergrößerung des ersten Hauptflächenbereichs kann durch ein Verhältnis der Substratoberfläche, wie sie durch die Substratoberfläche 34 bestimmt ist, gegenüber einer theoretischen Substratoberfläche, die bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur 12 resultieren würde und durch die gepunktete Linie als Grenzoberfläche 36 angedeutet ist, beschrieben werden. Die Oberflächenvergrößerung in dem ersten Hauptoberflächenbereich führt zu einer Erhöhung der Kapazität des integrierten Kondensators 10. Die Anordnung der dielektrischen Schicht 18 an der vergrößerten Substratoberfläche in dem ersten Hauptoberflächenbereich, also die vergrößerte Oberfläche, die mit der dielektrischen Schicht 18 bedeckt ist, führt zu einer Vergrößerung der durch die Kondensatorstruktur 12 in das Substrat 16 eingebrachten mechanischen Spannungen.
  • Die Kompensationsstruktur 14 bewirkt eine Oberflächenvergrößerung in dem zweiten Hauptoberflächenbereich, die durch ein Verhältnis der Substratoberfläche in dem zweiten Hauptoberflächenbereich, der durch Substratoberfläche 38 definiert ist, gegenüber einer theoretischen Oberfläche des Substrats 16 in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kompensationsstruktur, wie sie durch die gepunktete Linie als Grenzoberfläche 42 angedeutet ist, beschrieben werden kann. Das heißt, dass die Oberflächenvergrößerung des ersten Hauptoberflächenbereichs auf eine Fläche der Kondensatorstruktur bezogen ist, die mit der dielektrischen Schicht bedeckt ist und, dass ferner die Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs auf eine Fläche der Kompensationsstruktur bezogen ist, die mit der Kompensationsschicht bedeckt ist. Die jeweilige Flächenbegrenzung ist der von der dielektrischen Schicht bzw. der Kompensationsschicht bedeckte Bereich.
  • Die Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs beträgt zumindest 30% der Oberflächenvergrößerung in dem ersten Hauptoberflächenbereich. Die Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs kann auch größer sein und beispielsweise von einer angestrebten Schichtdicke 32 der dielektrischen Schicht 18 abhängen. Vereinfacht ausgedrückt kann bei einer angestrebten höheren Schichtdicke 32 der dielektrischen Schicht 18 eine größere Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs zu einer Reduzierung oder Kompensierung von auftretenden Verformungen genutzt werden. Die Kompensationsschicht 28 kann abschnittsweise eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Bspw. ist eine Schichtdicke 41 eines ersten Abschnitts der Kompensationsschicht ungleich einer Schichtdicke 43 eines zweiten Abschnitts. Die Schichtdicken 41 und 43 können auch gleich sein. Alternativ oder zusätzlich können die Schichtdicken 32, 41 und/oder 43 gleich oder verschieden sein.
  • Die dielektrische Schicht 18 und die Kompensationsschicht 28 können aus dem gleichen Material gebildet sein oder die gleichen Materialien umfassen. Beispielsweise können bei einer Prozessierung des Wafers mit dem Substrat 16 die Strukturen der Kondensatorstruktur 12 und der Kompensationsstruktur 14 ausgebildet sein, beispielsweise durch einen Ätzvorgang, das Aufbringen der dielektrischen Schicht 18 und der Kompensationsschicht 28 gleichzeitig, beispielsweise während einem Prozessschritt mittels Bedampfung aufgebracht werden. Alternativ können die dielektrische Schicht 18 und/oder die Kompensationsschicht 28 auch durch Verfahren zur Beschichtung mittels thermischer Oxidation oder etwa durch chemische Dampfphasenabscheidung (engl. chemical vapour deposition - CVD), aufgebracht werden. Eine Beschichtung mittels thermischer Oxidation oder CVD ermöglicht homogene, d. h. gleichmäßige Schichtdicken. Die dielektrische Schicht 18 und die Kompensationsschicht 28 können ferner eine gleiche Schichtdicke aufweisen. Alternativ können die Schichtdicken der dielektrischen Schicht 18 und der Kompensationsschicht 28 voneinander verschieden sein.
  • Der integrierte Kondensator 10 weist ferner eine optionale elektrisch leitfähige Schicht 44 auf. Die elektrisch leitfähige Schicht 44 kann beispielsweise in dem gleichen Prozessierungsschritt an das Substrat 16 angeordnet werden, in welchem auch die elektrisch leitfähige Schicht 24 angeordnet wird, beispielsweise in einem Bedampfungsprozess. Der integrierte Kondensator 10 kann eine laterale Ausdehnung mit einer Vielzahl an Vertiefungen und/oder Erhöhungen durch die Kondensatorstruktur 12 und/oder die Kompensationsstruktur 14 entlang einer x-Richtung, die parallel zum ersten und/oder zweiten Hauptoberflächenbereich verlaufen kann, und/oder anderen Richtungen aufweisen, wie es durch die parallelen Striche an den lateralen Rändern des Substrats angedeutet ist.
  • So können Schichtdicken 32 der dielektrischen Schicht 18 von mehr als 500 nm realisiert werden, beispielsweise wenn die dielektrische Schicht 18 ganz oder teilweise aus Siliziumnitrid gebildet ist.
  • Eine Schichtdicke von 500 nm Siliziumnitrid entspricht einer äquivalenten Schichtdicke (Equivalent Oxide Thickness - EOT) von ca. 280 nm. Die äquivalente Schichtdicke oder gleichwertige Oxidschichtdicke bezeichnet eine Vergleichsgröße eines dielektrischen Materials bezogen auf Siliziumdioxid. Siliziumdioxid weist eine Dielektrizitätszahl εr von 3,9 auf. Siliziumnitrid weist eine Dielektrizitätszahl εr von 7 auf. Gemäß der Formel: 500 n m ⋅ 3,9 7 ≈ 280 n m
    Figure DE102014200869B4_0001
    ergibt sich, dass Siliziumnitrid mit einer Schichtdicke von 500 nm eine gleichwertige Oxidschichtdicke (EOT) von 280 nm aufweist. Ist die dielektrische Schicht 18 beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), das eine Dielektrizitätszahl εr von 9 aufweist, gebildet, so kann eine Schichtdicke von 650 nm zu einer äquivalenten Oxidschichtdicke von 280 nm führen. Alternativ kann die dielektrische Schicht auch eine Schichtdicke von mehr als 1000 nm oder mehr als 1500 nm aufweisen.
  • Das bedeutet, dass das Material der dielektrischen Schicht 18 eine höhere Dielektrizitätszahl aufweisen und in einer größeren Dicke angeordnet werden kann, so dass eine maximale Betriebsspannung, bevor eine die dielektrische Schicht 18 durchschlagende Durchschlagspannung erreicht ist, weiter vergrößert ist. Dies kann beispielsweise durch sogenannte High-k-Dielektrika mit einer großen Dielektrizitätszahl, wie etwa Titanoxid (TiO2), Tantaloxid (Ta2O5) oder Lanthanoxid (La2O3) ermöglicht werden.
  • In anderen Worten kann der mechanische Stress in dem Substrat 16 durch zusätzliche 3D-Strukturen auf der Scheibenrückseite und deren Befüllung mit Schichten ähnlichem Stressverhaltens wie auf der Vorderseite verändert, das heißt verringert oder erhöht werden, so dass eine Verformung des Wafers während der Prozessierung verringert oder sogar kompensiert werden kann. Damit können dickere dielektrische Schichten 12 realisiert werden und die Kondensatoren 10 lassen sich bei höheren Betriebsspannungen betreiben.
  • Dabei können die 3D-Strukturen als Löcher, Gräben, Ringe, V-Strukturen, d.h. sich linear verjüngende Gäben oder Löcher, beispielsweise mittels Kaliumhydroxid(KOH-)Ätzen realisiert und auf der Scheibenrückseite kurzgeschlossen werden. Kurzgeschlossen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die elektrisch leitfähige Schicht 44 mit dem Substrat 16 elektrisch kontaktiert, d. h. kurzgeschlossen ist, so dass sich eine geringe oder vernachlässigbare kapazitive Wirkung bei einem Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der elektrisch leitfähigen Schicht 44 und dem Substrat 16 ergibt. Vereinfacht ausgedrückt weist die Kompensationsstruktur 14 keine elektrische Funktion im Sinne eines Kondensators auf. Alternativ oder zusätzlich kann an der elektrisch leitfähigen Schicht oder an dem Kompensationsmaterial ein weiterer Elektrodenanschluss angeordnet sein. Der weitere Elektrodenanschluss kann mit dem zweiten Elektrodenanschluss 26b zu einem Kurzschluss verbunden sein, um einen Potentialausgleich zwischen dem Substrat 16 und der elektrisch leitfähigen Schicht 44 zu ermöglichen.
  • 2a zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines ersten Hauptoberflächenbereichs eines integrierten Kondensators 10-1, wie er in der 1 beschrieben ist. Der integrierte Kondensator 10-1 weist dabei in der x-Richtung und in einer y-Richtung einer Zeichenebene von 2a vergrößerte Abmessungen auf, wie es durch die gekrümmten Ränder angedeutet ist. Um eine bessere Anschaulichkeit zu ermöglichen, sind lediglich das Substrat 16 sowie die Kondensatorstruktur 12 und die Kompensationsstruktur 14 ohne die in der 1 dargestellten elektrisch leitfähigen Flächen (Schichten), das Elektrodenmaterial, die dielektrische Schicht 18 und die Kompensationsschicht 28 gezeigt. Als durchgezogene Kreise sind die Löcher der als Lochstruktur ausgebildeten Kondensatorstruktur 12-1 dargestellt.
  • Eine Kondensatorstruktur 12-1 ist als Lochstruktur ausgebildet. Die Löcher der Kondensatorstruktur 12-1 weisen einen Durchmesser D1 auf. Eine (von dem ersten Hauptoberflächenbereich verdeckte und gestrichelt dargestellte) Kompensationsstruktur 14-1 umfasst eine Lochstruktur mit Löchern, die einen Durchmesser D2 aufweisen. Der Durchmesser D2 ist größer als der Durchmesser D1. Die von der Kompensationsstruktur 14-1 bewirkte Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs ist mithin größer als 100% gegenüber der durch die Kondensatorstruktur 12-1 bewirkten Oberflächenvergrößerung des ersten Hauptoberflächenbereichs, wenn die Löcher der Kondensatorstruktur 12-1 und der Kompensationsstruktur 14-1 vollständig mit der dielektrischen Schicht bzw. der Kompensationsschicht bedeckt sind. Die Kompensationsstruktur 14-1 und die Kondensatorstruktur 12-1 bzw. deren jeweilige Löcher sind in x-Richtung mit einem Abstand x1 bzw. x2 und in der y-Richtung mit einem Abstand y1 bzw. y2 angeordnet. Die Kompensationsstruktur 14-1 ist gegenüber der Kondensatorstruktur 12-1 versetzt angeordnet, so dass entlang einer Linie 45 ein Loch der Kompensationsstruktur 14-1 zwischen zwei Löchern der Kondensatorstruktur 12-1 angeordnet ist und ein Loch der Kompensationsstruktur 14-1 einen Abstand Δx zu einem Loch der Kondensatorstruktur 12 aufweist.
  • Ferner weisen die Löcher der Kondensatorstruktur 12-1 in y-Richtung einen Abstand von y1 und die Löcher der Kompensationsstruktur 14-1 einen Abstand von y2 entlang der y-Richtung auf. Die Abstände y1 und y2 können identisch sein. Ein Abstand zwischen den Zeilen entlang einer Spalte entspricht dabei einem Abstand Δy.
  • In anderen Worten ähnelt die Kompensationsstruktur 14-1 der Kondensatorstruktur 12-1, wobei die Löcher der Kompensationsstruktur 14-1 einen größeren Durchmesser aufweisen als die Löcher der Kondensatorstruktur 12-1. Ferner ist die Kompensationsstruktur 14-1 gegenüber der Kondensatorstruktur 12-1 um den Abstand Δx in x-Richtung versetzt angeordnet.
  • Vorteilhaft an einer gegenüber der Kondensatorstruktur 12-1 versetzten Kompensationsstruktur 14-1 ist, dass eine Dicke bzw. eine Materialstärke des Substrats 16 zwischen der Kondensatorstruktur 12-1 und der Kompensationsstruktur 14-1 in einer Dickenrichtung, die senkrecht zur x-Richtung und senkrecht zur y-Richtung im Raum angeordnet ist, verglichen mit einer gegenüberliegenden Anordnung von Kondensatorstruktur 12-1 und Kompensationsstruktur 14-1 vergrößert sein kann. Dies kann eine mechanische Stabilität des integrierten Kondensators 10-1 vergrößern.
  • Alternativ können die Durchmesser D1 und D2 einen gleichen Wert aufweisen oder der Durchmesser D1 kann größer sein, als der Durchmesser D2. Die Kondensatorstruktur 12-1 und/oder die Kompensationsstruktur 14-1 können alternativ oder zusätzlich auch weitere oder andere Strukturkomponenten, wie etwa Graben- oder Säulenstrukturen aufweisen. Die Kondensatorstruktur 12-1 und/oder die Kompensationsstruktur 14-1 können uneinheitlich ausgebildet sein, d. h., die Löcher einer Struktur 12-1 oder 14-1 können bspw. einen uneinheitlichen Durchmesser D1 und/oder D2 aufweisen, Gräben einer Struktur 12-1 oder 14-1 können bspw. eine uneinheitliche Breite und/oder Tiefe aufweisen. Ferner kann die Kompensationsstruktur 14-1 in x-Richtung und/oder y-Richtung deckungsgleich zur Kondensatorstruktur 12-1 angeordnet sein.
  • Obwohl in 2a die Kondensatorstruktur 12-1 und die Kompensationsstruktur 14-1 gleichartig als Lochstruktur mit einer gleichen Anzahl von Löchern dargestellt sind, können die Kondensatorstruktur 12-1 und die Kompensationsstruktur 14-1 verschiedene Formen und/oder eine voneinander verschiedene Anzahl jeweiliger Strukturelemente aufweisen.
  • 2b zeigt eine schematische Aufsicht auf einen Ausschnitt eines integrierten Kondensators 10-2 gemäß Fig. 2a, bei dem die Löcher einer Kompensationsstruktur 14-2 gegenüber den Löchern der Kondensatorstruktur 12-1 in einem Abstand Δy' verschoben sind, der gegenüber dem Abstand Δy der 2a verkleinert ist. In anderen Worten sind die Löcher der Kompensationsstruktur 14-2 in x-Richtung und in y-Richtung versetzt angeordnet.
  • 3 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators 30, bei der an dem zweiten Hauptoberflächenbereich die Funktionalität eines Kondensators implementiert ist.
  • Die Löcher der Kondensatorstruktur 12 weisen den Durchmesser D1 und eine Tiefe z1 in einer Tiefenrichtung z auf und sind mit einem Abstand x1 zueinander angeordnet. Eine Kompensationsstruktur 46 weist eine Lochstruktur auf, deren Löcher den Durchmesser D2 und eine Tiefe z2 in der Tiefenrichtung z und den Abstand x2 zueinander aufweisen. Die Tiefen z1 und z2 weisen eine einander zugewandte Richtung in Richtung der jeweils anderen Struktur, Kondensatorstruktur 12 oder Kompensationsstruktur 46 auf. Der Durchmesser D1 entspricht dabei dem Durchmesser D2. In anderen Worten können die Kondensatorstruktur 12 und die Kompensationsstruktur 46 bezüglich der Tiefen z1 und z2 sowie der Abstände x1 und x2 symmetrisch zu einer Symmetrielinie 47, die mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Hauptoberflächenbereich angeordnet ist, ausgebildet sein.
  • Die Kompensationsstruktur 46 weist ferner ein Kompensationsmaterial 48 auf, das elektrisch leitfähig und ausgebildet ist, um eine an der elektrisch leitfähigen Schicht 44, die die Kompensationsstruktur 46 und das Kompensationsmaterial 48 bedeckt, eine über einen dritten Elektrodenanschluss 26c angelegte elektrische Spannung zu leiten. Die Kompensationsschicht 52 ist zumindest teilweise mit dem Kompensationsmaterial kontaktiert. Die Kompensationsschicht 52 ist ausgebildet, um das Kompensationsmaterial 48 von dem Substrat 16 zu trennen und ist ein elektrisch isolierendes Material. Beispielsweise kann die Kompensationsschicht 52 gleiche Materialen aufweisen oder aus den gleichen Materialien gebildet sein, wie die dielektrische Schicht 18. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss 26b und dem dritten Elektrodenanschluss 26c kann so ein elektrischer Kondensator nutzbar sein. Der integrierte Kondensator 30 kann somit als eine Serienschaltung zweier Kondensatoren in der Tiefenrichtung z (vertikale Richtung) zwischen dem ersten Elektrodenanschluss 26a und dem dritten Elektrodenanschluss 26c genutzt werden, wobei die Serienschaltung einen Mittenabgriff in Form des zweiten Elektrodenanschlusses 26b aufweist. In anderen Worten kann ein erster Kondensator zwischen dem ersten Elektrodenanschluss 26a und dem zweiten Elektrodenanschluss 26b, ein zweiter Kondensator zwischen dem zweiten Elektrodenanschluss 26b und dem dritten Elektrodenanschluss 26c nutzbar sein. Dies kann auch als vertikaler Aufbau zweier Kondensatoren bezeichnet werden. Eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren in Form einer beidseitigen Kondensatorstruktur kann zu einer weiteren Erhöhung der Spannungsfestigkeit der gesamten Struktur führen. Alternativ kann der dritte Elektrodenanschluss an dem Kompensationsmaterial 48 angeordnet sein.
  • Alternativ kann in einer erfindungsgemäßen Variante kann der zweite Elektrodenanschluss 26b mit dem dritten Elektrodenanschluss 26c zu einem Kurzschluss oder über einen ohm'schen Widerstand verbunden werden. Ein Kurzschluss zwischen dem zweiten und dem dritten Elektrodenanschluss 26b und 26c ermöglicht eine Deaktivierung eines möglichen Kondensators, so dass eine selektive Nutzung der Kompensationsstruktur 52 für eine mechanische Optimierung des integrierten Kondensators 30 ermöglicht wird. Der Kurzschluss kann alternativ oder zusätzlich auch als eine lokale elektrische Überbrückung der Kompensationsschicht in dem zweiten Hauptoberflächenbereich ausgeführt sein, etwa durch direkten Kontakt oder ein elektrisch leitfähiges Material. Die kann zu einem Kurzschluss eines ggf. parasitären Kondensators in der Kompensationsstruktur führen.
  • Das Kompensationsmaterial 48 kann dabei gleiche Materialien aufweisen oder aus den gleichen Materialien gebildet sein, wie das Kondensatormaterial 22. Die Kompensationsstruktur 46 gleicht der Kondensatorstruktur 12 bezüglich der Lochdurchmesser D1 und D2 sowie der Lochabstände x1 und x2. Die Kompensationsstruktur 46 ist gegenüber der Kondensatorstruktur 12 um einen Abstand Δx versetzt in der x-Richtung angeordnet. In anderen Worten ist die Kompensationsstruktur 46 topografisch gleich zu der Kondensatorstruktur 12 und versetzt angeordnet.
  • Vorteilhaft an diesem Ausführungsbeispiel ist, dass eine Funktions- oder Bauteildichte des integrierten Kondensators 30 weiter erhöht werden kann. In einem ersten Schritt kann ein integrierten Kondensator, wie er beispielsweise in der 1 gezeigt ist, anstelle eines Keramik- oder Folienkondensators eingesetzt werden. In einem zweiten Schritt können zwei integrierte Kondensatoren in einem Bauteil, das heißt in einem integrierten Kondensator, wie er in der 3 gezeigt ist, realisiert werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung benötigter Bauräume. Eine verringerte Bauteilgröße kann zu einer erhöhten Bauteilzuverlässigkeit führen, da der integrierte Kondensator eine geringere Angriffsfläche für mechanische Verformungen und/oder Beschädigungen bietet.
  • Eine integrierte Realisierung mehrerer Kondensatoren kann zu einer reduzierten Anzahl von Bond- und/oder Lötverbindungen führen, die eine erhöhte Zuverlässigkeit der Schaltung durch eine verringerte Anzahl möglicher Fehlerstellen in den Bond-/ und/oder Lötverbindungen sowie zu einer vereinfachten Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) führen, die eine günstigere und zuverlässigere Schaltungsrealisierung ermöglichen.
  • In anderen Worten sind die Kondensatorstruktur 12 und die Kompensationsstruktur 46 aneinander gegenüberliegend an dem Substrat 16 angeordnet und innerhalb eines Toleranzbereichs gleich ausgebildet. Der Toleranzbereich kann dem Abstand Δx entsprechen. Alternativ oder zusätzlich kann der Toleranzbereich voneinander verschiedene Tiefen z1 und z2, voneinander verschiedene Durchmesser D1 und D2, voneinander verschiedene Abstände x1 und x2, alternativ oder zusätzlich voneinander verschiedene Abstände in y-Richtung, oder eine voneinander verschiedene Geometrie der Kompensationsstruktur bezogen auf die Kondensatorstruktur 12 umfassen.
  • In andere Worten kann die Kompensationsstruktur eine elektrische Funktion, d. h. eine kapazitive Wirkung aufweisen und der Erhöhung der Kapazität, das heißt der Integrationsdichte oder der Betriebsspannung dienen.
  • Die 3D-Strukturen auf der Scheibenrückseite können, müssen aber nicht, zu den 3D-Strukturen auf der Vorderseite identisch sein. Die Schichten auf der Scheibenrückseite, das heißt die Kompensationsschicht, können, müssen aber nicht, zu den Schichten auf der Vorderseite, das heißt der dielektrischen Schicht, identisch sein.
  • Weist die dielektrische Schicht 12 und/oder die Kompensationsschicht 52 sowie das Elektrodenmaterial 22 und/oder das Kompensationsmaterial 48 eine Unterbrechung entlang der x-Richtung auf, können in einer lateralen Richtung entlang der x-Richtung auch zwei oder mehrere Kondensatoren in einem integrierten Kondensator, d. h. in einem Bauelement realisiert werden, was als ein lateraler Aufbau zweier oder mehrerer Kondensatoren nebeneinander bezeichnet werden kann. Bei einem solchen lateralen Aufbau kann das Substrat 16 mehrstückig gebildet sein, und Teilstücke bspw. elektrisch voneinander isoliert sein.
  • In anderen Worten zeigt 3 einen monolithisch integrierten Grabenkondensator oder RC-Snubber, also ein Bedämpfungselement wie etwa einen Tiefpass, mit beidseitiger Scheibenprozessierung zur Stressreduktion für dicke dielektrische Schichten mit elektrischer, das heißt kapazitiver Funktion der Rückseitenstrukturen. Der integrierte Kondensator 30 kann auch als ein beidseitig strukturierter monolithischer Grabenkondensator für leistungselektronische Anwendungen bezeichnet werden.
  • 4 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators 40 mit dem monolithischen, d. h. einstückigen Substrat 16' und einer Kondensatorstruktur 12, wie sie in der 1 erläutert ist. Eine Kompensationsstruktur 54 weist eine in der Seitenansicht V-förmige Struktur auf, wie sie beispielsweise durch langgezogene V-förmige Gräben oder pyramidenförmige Lochstrukturen gebildet sein können. In den Gräben oder Löchern der Kompensationsstruktur 54 ist das Kompensationsmaterial 48 angeordnet. Die Kondensatorstruktur 12 und die Kompensationsstruktur 54 sind in das Substrat 16' integriert. Das Substrat 16' weist eine Dotierung auf, so dass das Substrat 16' sowohl elektrisch leitend ist, als auch einen Widerstandswert R in Abhängigkeit einer Materialmenge und einem Materialquerschnitt zwischen zwei Punkten, wie etwa zwischen den Elektrodenanschlüssen 26a und 26b pro Strecke zwischen den zwei Punkten aufweist. In anderen Worten weist der integrierte Kondensator 40 neben der Kapazität zwischen der Kondensatorstruktur 12 und dem elektrisch leitfähigen Material 24 einen elektrischen Widerstand auf, der von der Dotierung in dem Substrat 16' zumindest teilweise bestimmt ist. Ferner kann basierend auf der Dotierung des Substrats 16' ein Widerstandswert R2 zwischen dem dritten Elektrodenanschluss 26c und dem zweiten Elektrodenanschluss 26b eingestellt werden, so dass der integrierte Kondensator 40 als Reihenschaltung eines Widerstandes R oder R2 und eines Kondensators und ggf. als RC-Snubber einsetzbar ist. Ein Dotierungswert zwischen bspw. 5*1014 cm-3 (5*10exp(14) *cm^-3) und 5*1015 cm-3 (5*10exp(15) *cm^-3) ermöglicht etwa bei einem Siliziumsubstrat 16' mit einer Dicke von etwa 500 µm je nach Dotierungstyp und Kondensatorfläche einen Widerstand zwischen etwa 0,5 bis 50 Ohm. Der spezifische Widerstand kann dann etwa 0,25 bis 25 Ohm*cm betragen.
  • Alternativ kann die Dotierung des Substrats 16' auch derart erfolgen, dass das Substrat 16' eine hohe Leitfähigkeit und mithin niedrige Widerstandswerte R und R2 aufweist. Für geringe Widerstandswerte, etwa wenn der integrierte Kondensator 40 als „reiner“ Kondensator eingesetzt wird, kann die Dotierung in einer Größenordnung von etwa 1*1019 cm-3 (1*10exp(19)*cm-^3) liegen, so dass der spezifische Widerstand in der Größenordnung von 10 mOhm*cm liegt.
  • 5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators 50 mit einer U-förmigen Kompensationsstruktur 56. Die Kompensationsstruktur 56 kann bspw. als Lochstruktur oder als Grabenstruktur mit gewölbten d. h. runden, ovalen oder elliptischen Enden, d. h. Übergängen an das Substrat 16 ausgebildet sein. Die Oberflächenvergrößerung durch die Kompensationsstruktur in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bezieht sich auf die Oberflächenabschnitte, an denen die Kompensationsschicht 28 angeordnet ist.
  • 6 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts eines integrierten Kondensators 60 mit dem monolithischen Substrat 16 und einer Kompensationsstruktur 58, die die Kompensationsschicht 28 aufweist, an der das Kompensationsmaterial 48 angeordnet ist. Die Kompensationsstruktur ist als Säulenstruktur ausgeführt. In anderen Worten bleibt ein wenig Material, die Säulenstrukturen, etwa bei einem Ätzprozess zur Ausformung der Kompensationsstruktur aus dem Substrat 16, stehen. Der erste Elektrodenanschluss 26a ist mit dem Elektrodenmaterial kontaktiert.
  • Das bedeutet, dass das Substrat 16 über säulenartige Strukturen mit einem Durchmesser D3 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 44 kontaktiert ist. Bereiche mit dem Kompensationsmaterial 48 können in einer Aufsicht als ein oder mehrere zusammenhängende Bereiche ausgeführt sein, in denen Säulenstrukturen des Substrats 16 bspw. in Form einer Insel angeordnet sind, so dass die „Inseln“ des Substrats 16 mit dem Durchmesser D3 mit der elektrisch leitfähigen Schicht 55 kontaktierbar sind. Alternativ kann die dielektrische Schicht das Substrat 16 auch vollständig von der elektrisch leitfähigen Schicht 44 beabstanden, so dass mittels der Kompensationsstruktur 58 ein elektrischer Kondensator nutzbar sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Kompensationsstruktur als Ringstruktur ausgebildet sein, so dass bspw. innerhalb der „Inseln“ eine Lochstruktur mit einem oder mehreren Löchern angeordnet ist.
  • 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines integrierten Kondensators 70, mit einer Kondensatorstruktur 12-2 und einer Kompensationsstruktur 62. Die Kondensatorstruktur 12-2 und die Kompensationsstruktur 62 sind als Grabenstrukturen ausgebildet, wobei die Kompensationsstruktur 62 sowohl U-förmige als auch V-förmige Gräben aufweist. Die Kompensationsstruktur 62 weist eine Kompensationsschicht 64 mit einer Dicke, d. h. Schichtstärke 66 auf. Die Kondensatorstruktur 12-2 weist eine dielektrische Schicht 68 mit einer Dicke, d. h. Schichtstärke 72 auf, wobei sich die Schichtstärken 66 und 72 unterscheiden. Der Anschaulichkeit halber ist in 7 auf eine Darstellung eines Elektrodenmaterials und elektrisch leitfähiger Schichten verzichtet.
  • In anderen Worten zeigen 1, 2a-b, 4, 5, 6 und 7 monolithisch integrierte Loch- bzw. Grabenkondensatoren oder RC-Snubber mit beidseitiger Scheibenprozessierung zur Stressreduktion für dicke dielektrische Schichten ohne elektrische bzw. kapazitive Funktion der Rückseitenstrukturen.
  • Die beschriebenen integrierten Kondensatoren 10, 30, 40, 50, 60 oder 70 können beispielsweise zur Absorption von elektrischer Energie aus einem Energiespeicher, beispielsweise zur Implementierung eines Spulen(L)-Kondensator(C)-Schwingkreises zur Schaltentlastung, das heißt zur Aufnahme von auftretenden Schaltspitzen in einem Leistungsschalter, zur Spannungsbegrenzung und/oder zur Schwingungsdämpfung in einem elektrischen Netzwerk einsetzbar sein, wenn der entsprechende Kondensator verwendet wird, um das elektrische Netzwerk zu beschalten. Alternativ oder zusätzlich können die integrierten Kondensatoren verwendet werden, um elektrische Energie aus einer Quelle, wie etwa als ein Zwischenkreiskondensator bei einem Spannungswandler zur Spannungsstabilisierung oder zur Spannungsversorgung eingesetzt werden, etwa einem Wechselstrom(Alternating Current - AC)-Gleichstrom(Direct Current - DC), einem AC-AC, einem DC-DC- oder einem DC-AC-Wandler aufzunehmen. In anderen Worten können derartige Leistungsmodule beispielsweise in Wechselrichtern zur Stromeinspeisung, in Antriebsumrichtern zur Antriebssteuerung, in Gleichspannungswandlern zur Stromübertragung oder in Schaltnetzteilen eingesetzt werden.
  • Ferner können durch die monolithische Integration solcher Kondensatoren auch Vorteile beim Aufbau und der Fertigung von Leistungselektronischen Modulen, z.B. für Antriebsumrichter und Spannungswandler ermöglicht werden, da die Leistungshalbleiterbauelemente ebenfalls als Siliziumchips realisiert werden können und somit dieselbe Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungshalbleiterbauelemente und Kondensatoren genutzt werden kann.
  • Alternativ oder zusätzlich ist ebenfalls eine Verwendung eines oder mehrerer der integrierten Kondensatoren als Koppelkondensator oder in einem Leistungsmodul zusammen mit den Leistungsschaltern auf einem Transfersubstrat vorstellbar, in dem der integrierte Kondensator auf dem Transfersubstrat mit den Leistungsschaltern montiert wird. Alternativ oder zusätzlich ist es ebenfalls vorstellbar, einen oder mehrere integrierte Kondensatoren auf einem LEAD-Frame zusammen mit einem oder mehreren Leistungshalbleiterbauelementen zu implementieren und in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen. In andere Worten kann der integrierte Kondensator mit einem Leistungsschalter in einem Gehäuse („Package“) angeordnet sein. Alternativ kann zumindest ein integrierter Kondensator mit einem Halbleiterbauelement in einem gemeinsamen Gehäuse oder in einem Gehäuse eines gehäusten Halbleiterbauelementes angeordnet sein. Bei einer Verwendung in einem Leistungsmodul oder in Kombination mit dem Halbleiterbauelement kann der oder die integrierte Kondensatoren bspw. als Koppelkondensator oder als Bedämpfungselement (RC-Snubber) einsetzbar sein.
  • Ferner ermöglicht eine Implementierung zweier Kondensatoren auf bzw. in dem ersten Hauptoberflächenbereich und auf bzw. in dem zweiten Hauptoberflächenbereich eine Reduzierung von Herstellungsschritten während der Waferprozessierung oder das Nutzen lediglich eines Prozessschrittes für eine Prozessierung des ersten und des zweiten Hauptoberflächenbereichs. Eine Anwendung gleicher Prozessschritte, etwa zum Ätzen der Kompensationsstrukturen, zum Aufbringen der Kompensationsschicht, gegebenenfalls dem Einbringen des Kompensationsmaterials sowie einer Beschichtung mit dem elektrisch leitfähigen Material an dem zweiten Hauptoberflächenbereich kann gleichzeitig mit einer jeweiligen Prozessierung des ersten Hauptoberflächenbereichs erfolgen. Dies kann dazu führen, dass gegenüber derzeitigen integrierten Kondensatoren auf eine Entfernung des Dielektrikums und/oder des Polysiliziums auf der Rückseite, das heißt an dem zweiten Hauptoberflächenbereich verzichtet und so eine Anzahl von Prozessschritten reduziert werden kann. Eine reduzierte Anzahl von Fertigungs- oder Prozessschritten kann zu einer Reduzierung der Herstellungs- und/oder Stückkosten führen.
  • 8 zeigt eine schematische Seitenansicht eines monolithisch integrierten Grabenkondensator oder RC-Snubber mit strukturierter Scheibenvorderseite und einer Scheibenrückseite ohne Strukturen, d. h. ohne Kompensationsstruktur. Bei einer Oberflächenvergrößerung durch die Kondensatorstruktur 12 oder einer Schichtdicke der dielektrischen Schicht 18 kann während der Waferprozessierung eine Verformung in dem prozessierten Wafer auftreten, die eine weitere Bearbeitung des Wafers verhindert oder die einen Bruch der dielektrischen Schicht 18 induziert.
  • Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein -Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Claims (18)

  1. Integrierter Kondensator mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (16, 16') mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem gegenüberliegenden zweiten Hauptoberflächenbereich; einer Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) mit einer dielektrischen Schicht (18; 68), wobei die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) in dem ersten Hauptoberflächenbereich integriert ist; und einer Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) mit einer Kompensationsschicht (28; 52; 64), die in dem zweiten Hauptoberflächenbereich integriert ist; wobei ein Verhältnis zwischen einer durch die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) bewirkten Oberflächenvergrößerung (38; 42) des zweiten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) zumindest 30 % der durch die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) bewirkten Oberflächenvergrößerung (34; 36) des ersten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) entspricht; wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) keine elektrische Funktion im Sinne eines Kondensators aufweist.
  2. Integrierter Kondensator gemäß Anspruch 1, wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) ausgebildet ist, um basierend auf einer Materialspannung zwischen der Kompensationsschicht (28; 52; 64) und dem Substrat (16; 16') Materialspannung zwischen der dielektrischen Schicht (18; 68) und dem Substrat (16; 16') in dem Substrat (16; 16') zumindest teilweise zu kompensieren, so dass eine durch die Materialspannung zwischen der dielektrischen Schicht (18; 68) und dem Substrat (16; 16') induzierte Verformung des Substrates (16; 16') reduziert ist.
  3. Integrierter Kondensator gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Oberflächenvergrößerung (34; 36) des ersten Hauptoberflächenbereichs auf die theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei der Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) und auf eine Fläche der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) bezogen ist, die mit der dielektrischen Schicht (18; 68) bedeckt ist und bei der die Oberflächenvergrößerung (38; 42) des zweiten Hauptoberflächenbereichs auf die theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei der Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) und auf eine Fläche der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) bezogen ist, die mit der Kompensationsschicht (28; 52; 64) bedeckt ist.
  4. Integrierter Kondensator mit folgenden Merkmalen: einem Substrat (16; 16') mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem gegenüberliegenden zweiten Hauptoberflächenbereich; einer Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) mit einer dielektrischen Schicht (18; 68), wobei die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) in dem ersten Hauptoberflächenbereich integriert ist; und einer Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) mit einer Kompensationsschicht (28; 52; 64), wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) in dem zweiten Hauptoberflächenbereich integriert ist; wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) ausgebildet ist, um basierend auf einer Materialspannung zwischen der Kompensationsschicht (28; 52; 64) und dem Substrat (16; 16') eine Materialspannung zwischen der dielektrischen Schicht (18; 68) und dem Substrat (16; 16') in dem Substrat (16; 16') zumindest teilweise zu kompensieren, so dass eine durch die Materialspannung zwischen der dielektrischen Schicht (18; 68) und dem Substrat (16; 16') induzierte Verformung des Substrates (16; 16') reduziert ist; wobei die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) keine elektrische Funktion im Sinne eines Kondensators aufweist; wobei ein Verhältnis zwischen einer durch die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) bewirkten Oberflächenvergrößerung (38; 42) des zweiten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) zumindest 30 % der durch die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) bewirkten Oberflächenvergrößerung (34; 36) des ersten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) entspricht.
  5. Integrierter Kondensator gemäß Anspruch 4, bei dem die Oberflächenvergrößerung (34; 36) des ersten Hauptoberflächenbereichs auf die theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei der Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) und auf eine Fläche der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) bezogen ist, die mit der dielektrischen Schicht (18; 68) bedeckt ist und bei der die Oberflächenvergrößerung (38; 42) des zweiten Hauptoberflächenbereichs auf die theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei der Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) und auf eine Fläche der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) bezogen ist, die mit der Kompensationsschicht (28; 52; 64) bedeckt ist.
  6. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die dielektrische Schicht (18; 68) Siliziumnitrid umfasst und eine Dicke von mehr als 500 nm aufweist, oder bei dem die dielektrische Schicht (18; 68) eine bezogen auf Siliziumdioxid äquivalente Schichtdicke (Equivalent Oxide Thickness - EOT) von mehr als 280 nm aufweist.
  7. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) ein Kompensationsmaterial (48) aufweist, das mittels der Kompensationsschicht (28; 52; 64) von dem Substrat (16; 16') getrennt ist.
  8. Integrierter Kondensator gemäß einem der Ansprüche 7, bei dem das Kompensationsmaterial (48) und ein Elektrodenmaterial (22) in der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) gleiche Materialen aufweisen, oder bei dem die dielektrische Schicht (18; 68) und die Kompensationsschicht (28; 52; 64) gleiche Materialien aufweisen.
  9. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem ein erster Elektrodenanschluss (26a) an der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) und ein zweiter Elektrodenanschluss (26b) an dem Substrat (16; 16') angeordnet ist.
  10. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) mit dem Substrat kurzgeschlossen ist.
  11. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) eine Lochstruktur mit einer Mehrzahl von Löchern, eine Grabenstruktur mit einer Mehrzahl von Gräben, eine Säulenstruktur mit einer Mehrzahl von Säulen oder eine Ringstruktur aufweist.
  12. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) eine Lochstruktur mit einer Mehrzahl von Löchern, eine Grabenstruktur mit einer Mehrzahl von Gräben, eine Säulenstruktur mit einer Mehrzahl von Säulen oder eine Ringstruktur aufweist.
  13. Integrierter Kondensator gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem die Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) in dem ersten Hauptoberflächenbereich und die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) in dem zweiten Hauptoberflächenbereich einander gegenüberliegend an dem Substrat (16; 16') angeordnet sind und innerhalb eines Toleranzbereichs gleich ausgebildet sind.
  14. Verwendung des Kondensators gemäß einem der vorangehenden Ansprüche in einem Leistungsmodul oder in einem gehäusten Halbleiterbauelement.
  15. Verwendung des Kondensators gemäß Anspruch 14, wobei dieser innerhalb des Leistungsmoduls oder des gehäusten Halbleiterbauelementes als ein Bedämpfungselement oder ein Koppelkondensator ausgebildet ist.
  16. Verwendung des Kondensators gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei das Leistungsmodul oder das gehäuste Halbleiterbauelement mit dem integrierten Kondensator mit einer Energiequelle verbunden ist, um eine elektrische Energie aus dem Netzwerk zu absorbieren.
  17. Verwendung des Kondensators gemäß einem der Ansprüche 1-13, mit einem Halbleiterbauelement in einem gemeinsamen Gehäuse.
  18. Verfahren zum Herstellen eines integrierten Kondensators mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Substrats mit einem ersten Hauptoberflächenbereich und einem gegenüberliegenden zweiten Hauptoberflächenbereich; Bilden einer Kondensatorstruktur mit einer dielektrischen Schicht in dem ersten Hauptoberflächenbereich; und Bilden einer Kompensationsstruktur mit einer Kompensationsschicht in dem zweiten Hauptoberflächenbereich, so dass die Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) keine elektrische Funktion im Sinne eines Kondensators aufweist; wobei ein Verhältnis zwischen einer durch die Kompensationsstruktur bewirkten Oberflächenvergrößerung des zweiten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem zweiten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kompensationsstruktur (14; 14-1; 14-2; 46; 54; 56; 58; 62) zumindest 30 % der durch die Kondensatorstruktur bewirkten Oberflächenvergrößerung des ersten Hauptoberflächenbereichs bezogen auf eine theoretische Oberfläche des Substrats (16, 16') in dem ersten Hauptoberflächenbereich bei einer Abwesenheit der Kondensatorstruktur (12; 12-1; 12-2) entspricht; oder wobei die Kompensationsstruktur ausgebildet ist, um basierend auf einer Materialspannung zwischen der Kompensationsschicht und dem Substrat Materialspannung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Substrat in dem Substrat zumindest teilweise zu kompensieren, so dass eine durch die mechanische Spannung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Substrat induzierte Verformung des Substrates reduziert ist.
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