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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft mikroelektronische Vorrichtungen und insbesondere parallele Elektrodenkopplungsvorrichtungen wie galvanische Isolationskopplungsvorrichtungen.
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Hintergrund
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Mikroelektronische Vorrichtungen wie Kondensatoren und Transformatoren, die für die galvanische Trennung (GI) auf Chipebene verwendet werden, müssen hohen Spannungen standhalten, um die einwandfreie Funktion der Vorrichtung zu gewährleisten. In solchen Kopplungsvorrichtungen tritt die höchste Stärke des elektrischen Feldes an den Kanten der senkrecht gestapelten Elektroden auf. Lokale hohe elektrische Feldstärken können zum Durchschlag führen, wenn eine große Spannung über der Vorrichtung angelegt wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer mikroelektronischen Vorrichtung mit einer oberen Elektrode a101 und einer unteren Elektrode a102, die sich senkrecht unter der oberen Elektrode befindet. Die untere Elektrode a102 befindet sich über einem Siliciumsubstrat a106 und die obere Elektrode a101 ist von einer Passivierungsschicht a107 bedeckt. Dargestellt sind Potentialfeldlinien zwischen den Elektroden a101 und 102. Hohe elektrische Feldstärken treten an den Kanten a1010 und a1020 der Elektroden auf.
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US20150214292 beschreibt eine Isolationsvorrichtung mit einem Substrat, einer Metallplatte, einer leitenden Schicht sowie einer ersten und zweiten Isolationsschicht. Die leitende Schicht ist innerhalb des Substrats ausgebildet und ist mit der Metallplatte gekoppelt, um ein kapazitiv gekoppeltes Signal von der Metallplatte zu empfangen. Die erste und zweite Isolationsschicht sind zwischen der Metallplatte und der leitfähigen Schicht angeordnet.
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Zusammenfassung
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Aspekte der vorliegenden Erfindung stellen mikroelektronische Vorrichtungen bereit, wie in den beigefügten Ansprüchen ausgeführt.
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer parallelen Elektrodenkopplungsvorrichtung;
- 2A zeigt eine schematische Draufsicht einer mikroelektronischen Vorrichtung ohne Kerbe;
- 2B zeigt einen schematischen Querschnitt der mikroelektronischen Vorrichtung;
- 2C zeigt einen anderen schematischen Querschnitt der mikroelektronischen Vorrichtung;
- 3 zeigt einen schematischen Querschnitt einer mikroelektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 4 zeigt eine schematische Draufsicht einer mikroelektronischen Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform;
- 5 zeigt ein schematisches Diagramm eines Teils einer mikroelektronischen Vorrichtung, die die Kerbe umfasst; und
- 6 zeigt ein schematisches Diagramm der Potentialfeldlinien um die Kerbe.
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Ausführliche Beschreibung
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In einer mikroelektronischen Vorrichtung, die zwei parallele Elektroden umfasst, kann das elektrische Feld zwischen den beiden Elektroden durch Dimensionierung der jeweiligen Elektrodenüberlappungen und Schutzfeldplatten ausgeglichen werden. Dennoch können jedoch lokal dort, wo ein Verbindungsdraht die Elektroden kreuzt, hohe Feldstärken auftreten. Der Verbindungsdraht kann an der Kante der überlappenden Elektrode ein erhöhtes elektrisches Feld (Spitze) verursachen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen können diesen negativen Einfluss des Verbindungsdrahts durch eine Kerbe in der Elektrode, die den Verbindungsdraht überlappt, abschwächen.
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Die 2A bis 2C zeigen eine mikroelektronische Vorrichtung a100. Korrespondierende oder äquivalente Merkmale sind zum besseren Verständnis in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen und sollen nicht einschränkend sein. Die Vorrichtung a100 umfasst die Elektroden a101 und a102 und die Feldplatte a103, die mit den Überlappungen d1 und d2 zum Ausgleich des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden richtig dimensioniert ist, jedoch ohne eine Kerbe in der oberen Elektrode a101. Der Verbindungsdraht a1030 verlängert effektiv die Feldplatte a103 seitlich an der Verbindungsstelle, wodurch die elektrische Feldstärke in der korrespondierenden Region der Kante der oberen Elektrode a101 erhöht wird.
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2A zeigt eine schematische Draufsicht der Vorrichtung a100 mit einer oberen Elektrode a101 und einem Verbindungsdraht a1030. Die gestrichelten Linien B und C geben die in den 2B bzw. 2C dargestellten Querschnitte der Vorrichtung a100 an.
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2B zeigt einen Querschnitt eines Teils der Vorrichtung a100 entlang der Linie B von 2A ohne den Verbindungsdraht a1030. Die Vorrichtung a100 umfasst die obere Elektrode a101 und die untere Elektrode a102, die durch das dielektrische Material a104 getrennt sind. Die untere Elektrode a102 ist elektrisch mit einer Feldplatte a103 verbunden, die sich zwischen der unteren Elektrode a102 und dem darunter liegenden Substrat a106 befindet. Die obere Elektrode a101 ist mit einer schützenden Passivierungsschicht a107 bedeckt. Um das elektrische Feld zwischen den Elektroden auszugleichen, erstreckt sich die obere Elektrode a101 in mindestens einer seitlichen Richtung um einen Abstand d1 über die untere Elektrode a102 und um einen Abstand d2 über die Feldplatte a103 hinaus.
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2C zeigt einen Querschnitt durch einen Teil der Vorrichtung a100 entlang der Linie C von einschließlich des Verbindungsdrahts a1030. Der Verbindungsdraht a1030 ist direkt mit der Feldplatte a103 verbunden und über die Feldplatte und Durchkontaktierungen elektrisch mit der Bodenelektrode a102 verbunden. Typischerweise wird der Verbindungsdraht a1030 in der gleichen Metallschicht des Stapels am hinteren Ende wie die Feldplatte a103 durch Abscheidung und Strukturierung der Metallschicht gebildet. Die obere Elektrode a101 überlappt einen Teil des Verbindungsdrahtes a1030, wodurch eine Spitze im elektrischen Feld in einer Region D an der Kante der oberen Elektrode a101 verursacht werden kann.
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Um die Spitze im elektrischen Feld zu entfernen oder zu reduzieren, umfasst eine Ausführungsform die in den 2A bis 2C dargestellte Vorrichtung a100, wobei jedoch die obere Elektrode a101 eine Kerbe umfasst, die einen Teil des Verbindungsdrahts a1030 überlappt.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer mikroelektronischen Vorrichtung a100, die eine parallele Elektrodenkopplungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform ist. Die Vorrichtung a100 umfasst eine erste Elektrode a101 und eine zweite Elektrode a102, die mit der ersten Elektrode a101 gekoppelt ist. Die Elektroden a101 und a102 sind mittig ausgerichtet, wobei die zweite Elektrode a102 senkrecht unter der ersten Elektrode a101 angeordnet und durch ein dielektrisches Material a104 getrennt ist. Die zweite Elektrode a102 ist über Durchkontaktierungen a105 mit einer Feldplatte a103 verbunden. Ein Verbindungsdraht a1030 ist direkt mit der Feldplatte a103 verbunden. Der Verbindungsdraht a1030 befindet sich in der gleichen Ebene wie die Feldplatte a103. Eine Passivierungsschicht a107 bedeckt und schützt die erste Elektrode a101. Periphere Strukturen a200 mit Metallschichten, intermetallischen dielektrischen Schichten und Durchkontaktierungen stellen Verbindungen zu anderen Vorrichtungen (nicht dargestellt) und zum Substrat a106 her. Um das elektrische Feld zwischen den Elektroden a101 und a102 auszugleichen, erstreckt sich die erste Elektrode a101 seitlich über die Feldplatte a103 hinaus, während sich die Feldplatte a103 seitlich über die zweite Elektrode a102 hinaus erstreckt.
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Die Vorrichtung a100 wird als Teil der Metallverschaltung einer integrierten Schaltung im Back-End-of-Line- bzw. BEOL-Prozess hergestellt. Die Metallverschaltung wird in einer Schicht-für-Schicht-Technik hergestellt, so dass einige der unteren Metallschichten (einschließlich der Metallschicht, die die zweite Elektrode a102 umfasst) im Stapel unter dem dielektrischen Material a104 vergraben sind und nicht direkt von außen durch Drahtbonden oder gleichwertige Techniken zugänglich sind. Um diese unteren Metallschichten zu erreichen, müssen die korrespondierenden Bereiche seitlich durch Drähte (z. B. den Verbindungsdraht a1030) und senkrecht durch Durchkontaktierungen (z. B. Durchkontaktierungen a105 zwischen der Elektrode a102 und der Feldplatte a103) verbunden werden. Der Verbindungsdraht a1030 verlängert jedoch effektiv die seitliche Ausdehnung der Feldplatte a103 und würde dadurch die elektrische Feldstärke lokal an der Kante der ersten Elektrode a101, wo sie den Draht a1030 überlappt, erhöhen. Um dieses Problem zumindest teilweise zu lösen, umfasst die erste Elektrode a101 eine Kerbe 2, die senkrecht oberhalb (d. h. überlappend) des Verbindungsdrahts a1030 angeordnet ist.
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4 zeigt eine schematische Draufsicht einer mikroelektronischen Vorrichtung a100 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung a100 umfasst eine erste Elektrode a101, eine zweite Elektrode a102 und eine Feldplatte a103. Ein Verbindungsdraht a1030 ist direkt mit der Feldplatte a103 verbunden. Die erste Elektrode a101 umfasst eine Kerbe 2, die senkrecht über dem Verbindungsdraht a1030 in einer Region E angeordnet ist. Die Kerbe 2 hat eine derartige Tiefe, dass sich die Kerbe sowohl über einen Teil der Feldplatte a103 als auch über einen Teil der zweiten Elektrode a102 erstreckt. In anderen Ausführungsformen kann sich die Kerbe 2 nur über einen Teil der Feldplatte a103 und nicht über die untere Elektrode a102 erstrecken. Die erste und zweite Elektrode a101 und a102 haben rechtwinklige Formen mit abgerundeten Ecken. Die Form der ersten Elektrode a101 ist größer als die Form der zweiten Elektrode a102, so dass die erste Elektrode a101 die gesamte zweite Elektrode a102 bis auf die Region E unterhalb der Kerbe 2 überlappt. In ähnlicher Weise überlappt die erste Elektrode a101 die gesamte Feldplatte a103 außer in der Region E unterhalb der Kerbe. Außer in der Region E, in dem die Kerbe 2 angeordnet ist, erstreckt sich die erste Elektrode a101 in allen seitlichen Richtungen über die zweite Elektrode a102 und die Feldplatte a103 hinaus, wodurch die elektrische Feldstärke an der Kante der ersten und zweiten Elektrode a101 und a102 reduziert wird.
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5 zeigt eine schematische Draufsicht der Region E einer mikroelektronischen Vorrichtung, in der die Kerbe 2 angeordnet ist. Die Kerbe 2 hat eine Breite d100 (typischerweise weniger als 15 µm), eine Tiefe d101 (typischerweise im Bereich von 5 µm bis 20 µm) und einen (konvexen) Radius R1 (typischerweise im Bereich von 5 µm bis 20 µm). In dieser Ausführungsform umfasst die Kerbe 2 außerdem einen konkaven Radius R2, der sich aus der Breite d100 ableiten lässt. Die Rundung mit Radius R2 ist eine Möglichkeit für den inneren Abschluss der Kerbe. Der innere Abschluss ist durch die Kerbe 2 vor hohen elektrischen Feldern geschützt und die tatsächliche Form des inneren Abschlusses ist weniger wichtig und kann variiert werden.
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6 zeigt ein schematisches Diagramm, wie die Kerbe 2 die lokale Verteilung des elektrischen Potenzials beeinflusst. Die Potenziallinien werden aus der Kerbe 2 herausgedrückt. Der Abstand zwischen den Potentiallinien wird dadurch durch die Kerbe deutlich vergrößert. Folglich wird das elektrische Feld in dieser Region verringert. Aufgrund der großen Entspannungswirkung der Kerbe 2 auf die Verteilung der Potentiallinien kann der Verbindungsdraht a1030 daher unter Umständen keine schädliche lokale Erhöhung des elektrischen Feldes in dieser Region bewirken.
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Im Allgemeinen stellen die hierin beschriebenen Ausführungsformen eine mikroelektronische Vorrichtung (z. B. einen GI-Transformator oder Kondensator) bereit, umfassend eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode, die senkrecht unterhalb der ersten Elektrode angeordnet und durch ein dielektrisches Material (z.B. Siliciumoxid oder Siliciumnitrid) getrennt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner einen Verbindungsdraht, der elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, wobei die erste Elektrode eine Kerbe umfasst, die senkrecht über dem Verbindungsdraht angeordnet ist. Im Allgemeinen kann die Vorrichtung eine Vielzahl von Verbindungsdrähten mit jeweiligen überlappenden Kerben in der ersten Elektrode umfassen. In Vorrichtungen, die für hohe Ströme ausgelegt sind, können mehrere Verbindungsdrähte bevorzugt werden. Die Elektroden und der Verbindungsdraht sind typischerweise aus Metall wie Aluminium oder Kupfer hergestellt, um die erforderliche Leitfähigkeit zu bereitzustellen.
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Die mikroelektronische Vorrichtung ist typischerweise eine CMOS-Vorrichtung, wobei die Elektroden und der Verbindungsdraht im Back-End-of-Line- bzw. BEOL-Prozess des CMOS-Prozesses gebildet werden. Der CMOS-Prozess kann die maximale Trennung zwischen den Elektroden und damit die Höhe des dielektrischen Materials zwischen ihnen begrenzen. Dies wiederum begrenzt die maximale Durchschlagspannung der Vorrichtung. In den vorliegenden Ausführungsformen kann die Durchschlagspannung durch Verwendung einer Elektrode erhöht werden, die eine Kerbe umfasst, die sich senkrecht über dem Verbindungsdraht befindet. Die erste Elektrode kann derart konfiguriert sein, dass sie mit einer höheren Spannung arbeitet als die zweite Elektrode.
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Die Kerbe umfasst vorzugsweise eine konkave Form mit einer Breite, einer Tiefe und einem Radius, wobei die Breite bis zu 15 µm betragen kann, die Tiefe im Bereich von 5 µm bis 20 µm liegen kann und der Radius im Bereich von 5 µm bis 20 µm liegen kann.
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Die erste und zweite Elektrode können mittig ausgerichtet sein. Die erste Elektrode kann eine erste Form haben (z. B. im Wesentlichen kreisförmig oder rechtwinklig) und die zweite Elektrode kann eine zweite, kleinere Form haben (z. B. kreisförmig oder rechtwinklig), so dass die erste Elektrode mindestens die gesamte zweite Elektrode bis auf eine Region der zweiten Elektrode, die sich unterhalb der Kerbe befindet, überlappt. Dadurch, dass die erste (obere) Elektrode sich seitlich über die zweite (untere) Elektrode hinaus erstreckt, kann die elektrische Feldstärke an den Kanten der Elektroden weiter reduziert werden. In dem Fall, in dem die Elektroden zum Beispiel im Wesentlichen kreisförmig sind, können die Elektroden konzentrisch und vertikal versetzt angeordnet sein. Die erste (obere) Elektrode kann sich über die zweite Elektrode an allen Seiten (außer an der Stelle der Kerbe) hinaus seitlich erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich die erste Elektrode in allen seitlichen Richtungen (x, -x, y und -y) um den gleichen Abstand über die zweite Elektrode hinaus.
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Vorzugsweise umfasst die mikroelektronische Vorrichtung eine Feldplatte, die sich senkrecht unterhalb der zweiten Elektrode befindet und elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden ist, wobei die Feldplatte sich seitlich über die zweite Elektrode hinaus erstreckt. Für eine optimale Leistung sollte sich die Feldplatte nicht seitlich über die erste Elektrode hinaus erstrecken (außer an der Stelle der Kerbe). Vorzugsweise erstreckt sich die erste Elektrode in allen seitlichen Richtungen (x, -x, y und -y) um den gleichen Abstand über die Feldplatte hinaus. Die Feldplatte kann die elektrische Feldstärke an der Kante der Elektroden weiter reduzieren. Der Verbindungsdraht kann direkt mit der Feldplatte verbunden sein und in einer Ebene mit ihr liegen. Die Feldplatte und der Verbindungsdraht können im gleichen Prozessschritt durch Abscheiden und Strukturieren einer Metallschicht gebildet werden.
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Die mikroelektronische Vorrichtung kann eine Kontaktfläche umfassen, die senkrecht unter der zweiten Elektrode angeordnet ist, und der Verbindungsdraht kann direkt mit der Kontaktfläche verbunden sein und sich in derselben Ebene wie diese befinden. Die Kontaktfläche kann durch Durchkontaktierungen direkt mit der Feldplatte (falls vorhanden) oder mit der zweiten Elektrode verbunden sein.
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Die mikroelektronische Vorrichtung kann ein Transformator sein, wobei die erste und zweite Elektrode jeweilige Transformatorspulen umfassen. Alternativ kann die mikroelektronische Vorrichtung ein Parallelplattenkondensator sein, wobei die erste und zweite Elektrode jeweilige Kondensatorplatten sind.
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Durchgängig beziehen sich in der Beschreibung und in den Ansprüchen Positionsbezeichnungen wie „oben“, „unten“ und „seitlich“ auf standardmäßige Querschnittsperspektiven, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Diese Begriffe werden der Einfachheit halber verwendet und sind nicht dazu gedacht, die Erfindung auf Vorrichtungen in dieser bestimmten Ausrichtung zu beschränken.
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Während spezifische Ausführungsformen der Erfindung vorstehend beschrieben wurden, wird anerkannt werden, dass die Erfindung auch anders als beschrieben praktiziert werden kann. Die vorstehenden Beschreibungen sind zur Veranschaulichung gedacht und nicht als Einschränkung. Einem Fachmann im Fachgebiet wird klar sein, dass Modifikationen an der beschriebenen Erfindung vorgenommen werden können, ohne vom Schutzumfang der nachstehend aufgeführten Ansprüche abzuweichen.
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Jedes in der vorliegenden Beschreibung offenbarte oder dargestellte Merkmal kann in die Erfindung einbezogen werden, sei es allein oder in geeigneter Kombination mit jedem anderen hier offenbarten oder dargestellten Merkmal.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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