DE102021105680B3 - Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung und Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine Halbleitervorrichtung (200) wird bereitgestellt. Die Halbleitervorrichtung weist einen Träger (104) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (104B, 104T), einen Schaltkreis (224), der mindestens ein Widerstandselement (202) aufweist, in und/oder auf dem Träger (104), wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen (104B, 104T) des Trägers (104) erstreckt, und einen Strombegrenzungsschaltkreis (222) auf, der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement (202) fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements (202) im Wesentlichen unverändert bleibt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung und ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung.
  • Einer der Hauptbestandteile elektronischer Schaltkreise sind elektrische Widerstände. In integrierten Schaltkreisen werden sie hauptsächlich in analogen Schaltkreisen verwendet, aber auch bei digitalen Schaltkreisen können elektrische Widerstände für spezielle Anwendungen Verwendung finden.
  • Bei integrierten Schaltkreisen bestimmt in vielen Fällen eine Fläche, welche zum Bilden der Widerstände benötigt wird, die Gesamtgröße des (Analog-Teils des) Schaltkreises.
  • Denn bei den meisten integrierten Vorrichtungen werden die Widerstände typischerweise in einer lateralen Richtung gebildet, also flächig ausgebreitet parallel zu Hauptoberflächen eines Trägers, so dass ihre Größe die Größe der Vorrichtung, die eine bestimmte Funktionalität bereitstellen soll, erhöht.
  • Physische Abmessungen von elektrischen Widerständen, welche beispielsweise für CMOS-Technologien bereitstehen, skalieren fast überhaupt nicht mit kleiner werdenden Knoten. Dadurch steigt ein Anteil des Analog-Teils des Schaltkreises an der gesamten Schaltkreisfläche und bestimmt damit zu weiten Teilen den Preis der integrierten Schaltung und die gewählte Schaltungstopologie.
  • Eine Verfügbarkeit von elektrischen Widerständen mit hohen Widerstandswerten und geringer Größe (insbesondere Halbleiterfläche) ist essenziell für viele Analoganwendungen, insbesondere wenn ein niedriger Stromverbrauch erzielt werden soll.
  • Dementsprechend besteht ein Bedarf an elektrischen Widerständen, die einen geringen Flächenbedarf haben, um die Kosten für Halbleitervorrichtungen wie elektronische AnalogSchaltkreise zu reduzieren.
  • Die US 2017 / 0 207 207 A1 offenbart ein Chipgehäuse, das ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete Polymerschicht, eine in der Polymerschicht gebildete erste Durchkontaktierung und ein in der ersten Durchkontaktierung angeordnetes Material aufweist, um eine erste passive Vorrichtung zu bilden. Das Material kann ein dielektrisches Material mit hoher Dielektrizitätskonstante sein, um einen Kondensator zu bilden, oder ein Widerstandsmaterial, um einen Widerstand zu bilden.
  • Die US 2017 / 0 330 915 A1 offenbart einen RRAM-Speicher, der eine Speicherzelle aufweist, die an einem Schnittpunkt zwischen einer ersten leitfähigen Leitung und einer zweiten leitfähigen Leitung angeordnet ist. Die Speicherzelle umfasst eine Selektorstruktur, eine erste Strombegrenzerstruktur und eine Widerstandsstruktur. Die erste Strombegrenzerstruktur ist zwischen der Selektorstruktur und der ersten leitfähigen Leitung angeordnet. Die Widerstandsstruktur ist zwischen der Selektorstruktur und der zweiten Leiterbahn oder zwischen der ersten Strombegrenzerstruktur und der ersten Leiterbahn angeordnet.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die ein Widerstandselement aufweist, welches sich vertikal erstreckt und dementsprechend einen geringen Flächenbedarf aufweist.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen (beispielsweise bei manchen CMOS-Technologien) können bei Strukturierungsprozessen, die gemäß dem Stand der Technik ausgeführt werden, Masken umgestaltet werden, um das Widerstandselement auszubilden, so dass das Widerstandselement ohne einen zusätzlichen Maskenprozess herstellbar ist.
  • Das Widerstandselement kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen als Teil der so genannten Front End Of Line (FEOL)-Bearbeitung (z.B. innerhalb eines (z.B. Halbleiter-)Basismaterials) gebildet sein oder werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Widerstandselement in verschiedenen Ausführungsbeispielen als Teil der so genannten Back End Of Line (BEOL)-Bearbeitung (z.B. unmittelbar vor und/oder zwischen Metallisierungsprozessen) gebildet sein oder werden.
  • Die Implementierung des Widerstandselements als Teil der BEOL-Bearbeitung, beispielsweise eingebracht in elektrisch isolierende Schichten zwischen Metallschichten bzw. Metallkontakten, kann dahingehend vorteilhaft sein, dass das Widerstandselement oberhalb von während der FEOL-Bearbeitung gebildeten Schaltkreiselementen angeordnet sein oder werden kann, so dass es möglich ist, das Widerstandselement vollständig ohne zusätzlichen (Halbleiter-)Flächenverbrauch zu verwirklichen.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann das Widerstandselement als RRAM-Element (Resistive Random Access Memory Element) gebildet sein oder werden.
  • Mittels eines Strombegrenzungsschaltkreises kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen sichergestellt sein, dass das RRAM-Element bei einem Betrieb der Halbleitervorrichtung einen im Wesentlichen konstanten Widerstandswert aufweist.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen
    • 1 eine schematische Querschnittsansicht und Draufsicht von Teilen einer Halbleitervorrichtung mit einem Widerstandselement gemäß einem Stand der Technik;
    • 2 eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung mit einem Widerstandselement gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 3A und 3B jeweils eine schematische Querschnittsansicht und Draufsicht eines Analog-Schaltkreises einer Halbleitervorrichtung mit einem Widerstandselement gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 4A schematische Draufsichten von Teilen von Halbleitervorrichtungen, jeweils mit einem Widerstandselement, gemäß einem Stand der Technik;
    • 4B schematische Draufsichten von Analog-Schaltkreisen von Halbleitervorrichtungen, jeweils mit einem Widerstandselement, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
    • 5A bis 5I jeweils schematische Darstellungen von Analog-Schaltkreisen von Halbleitervorrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
    • 6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer Halbleitervorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • 1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht und Draufsicht von Teilen einer Halbleitervorrichtung 100 mit einem Widerstandselement 102 gemäß einem Stand der Technik, und 4A zeigt schematische Draufsichten von Teilen von Halbleitervorrichtungen 100, jeweils mit einem Widerstandselement 102, gemäß einem Stand der Technik.
  • Die Halbleitervorrichtung 100 weist ferner Leitungen 106 und Anschlüsse 104 auf, welche das Widerstandselement 102 mit den Leitungen 106 elektrisch leitend verbinden.
  • Beim Stand der Technik, z.B. im Zusammenhang mit CMOS-Technologien, wird das Widerstandselement 102 typischerweise als lateraler Schichtwiderstand, z.B. als Teil von während der FEOL-Bearbeitung ohnehin zu bildenden Schichten, beispielsweise von Diffusions- und/oder Polysilizium-Schichten, indem Masken ggf. entsprechend angepasst werden. Bei Verwendung von so genannten High-k-Dielektrika bei der Gateherstellung kann beispielsweise ein dafür erzeugter dünner elektrisch leitender Film (z.B. Hafniumnitrid) für das Widerstandselement 102 genutzt werden.
  • Der elektrische Widerstand ist in dem Fall in der Einheit Ω/□ angegeben. Da das Widerstandselement 102 typischerweise ohnehin so schmal wie sinnvollerweise möglich gebildet wird und die Schichtdicke durch die zu nutzende Schicht vorgegeben ist, bedeutet das, dass eine vom Widerstandselement 102 bedeckte Fläche linear mit dem benötigten Widerstandswert steigt, weil dieser nur über eine Änderung der Länge des Widerstandselements variierbar ist.
  • Soll darüber hinaus eine relativ hohe Genauigkeit des vorgesehenen Widerstandswerts erzielt werden, selbst wenn Fertigungstoleranzen und Änderungen über die Nutzungsdauer hinweg einbezogen werden, kann das bedeuten, dass eine Breite des Widerstandselements 102 vergrößert wird, und die damit einhergehende Widerstandsverringerung wiederum durch eine größere Länge kompensiert wird.
  • Dies ist in 4A veranschaulicht. Dort hat das in der Mitte gezeigte Widerstandselement 102 einen Widerstandswert von R, das oben gezeigte Widerstandselement 102 hat (bei gleicher Breite und ungefähr doppelter Länge) etwa den doppelten Widerstandswert, und das unten gezeigte Widerstandselement 102 hat ungefähr denselben Widerstandswert wie das mittlere (ungefähr doppelte Breite, die kompensiert wird durch die ungefähr doppelte Länge), aber mit höherer Genauigkeit.
  • Typische angestrebte Widerstandswerte liegen in einem Bereich von etwa 30 bis etwa 1000 Ω/□ für Polysilizium und bei etwa 10 bis 100 Ω/□ für Diffusionsschichten. Polysilizium wird für das Widerstandselement 102 häufig bevorzugt, weil es eine hohe Stabilität in Bezug auf eine Spannungsabhängigkeit des Widerstandswerts und der parasitären Kapazitäten aufweist.
  • Sofern eine Spannungsabhängigkeit des Widerstandswertes unbedenklich ist, kann auch beispielsweise eine dotierte Wanne (bespielsweise n-dotiert) für die Bildung des Widerstandselements 102 genutzt werden (mit z.B. etwa 1000 bis 5000 Ω/□).
  • Bei sehr preisbewussten Marktanwendungen können die hohen Kosten für Widerstandselemente 102 mit hohen Widerstandwerten dazu führen, dass ein Schaltungsdesign dahingehend optimiert wird, dass hohe Widerstände von vornherein vermieden werden.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Halbleitervorrichtung bereitgestellt, die ein Widerstandselement aufweist, das sich in einer vertikalen Richtung in Bezug auf Hauptoberflächen der Halbleitervorrichtung erstreckt.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Halbleitervorrichtung 200 mit einem Widerstandselement 202 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Querschnittsansicht und Draufsicht von Analog-Schaltkreisen 224 einer Halbleitervorrichtung 200 mit einem Widerstandselement 202 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, 4B zeigt schematische Draufsichten und Querschnittsansichten von Analog-Schaltkreisen 224 von Halbleitervorrichtungen 200, jeweils mit einem Widerstandselement 202, gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, und 5A bis 5I zeigen jeweils schematische Darstellungen von Analog-Schaltkreisen 224 von Halbleitervorrichtungen 200 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • Die Halbleitervorrichtung 200 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen einen Träger 104 mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 104B, 104T aufweisen.
  • Unter einem Träger 104 wird hierin eine (z.B. blockartige) Struktur verstanden, die in und/oder auf mindestens einem Basismaterial 1041 angeordnete Schichten aufweist. Dabei weist das mindestens eine Basismaterial 1041 und/oder mindestens eine der Schichten ein Halbleitermaterial auf. Die Schichten können beispielsweise Metallisierungsschichten, dielektrische Schichten (elektrisch isolierende Schichten) und/oder zusätzliche halbleitende Schichten aufweisen, die vollflächig oder strukturiert aufgebracht sein können.
  • Als die Hauptoberflächen 104B, 104T sind dabei diejenigen größten Flächen des Trägers 104 zu verstehen, die sich nach einem oder mehreren Beschichtungs- und/oder Strukturierungsprozessen ergeben. Bei einem Beschichtungsprozess können beispielsweise elektrisch leitfähige Schichten (z.B. Metallschichten), Isolierschichten und/oder Metallisierungen aufgebracht werden, welche gegebenenfalls strukturiert werden können.
  • Anschließend direkt auf oder über einer solchen äußersten (ggf. strukturierten) Schicht angeordnete Bauteile (z.B. Schaltkreiselemente wie z.B. Kondensatoren, Kontaktelemente wie z.B. Clips, Packagingmaterial, usw.) sind nicht Teil des Trägers 104.
  • Die Halbleitervorrichtung 200 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen einen Analog-Schaltkreis 224 aufweisen, der mindestens ein Widerstandselement 202 aufweisen kann.
  • Der Analog-Schaltkreis 224 kann in und/oder auf dem Träger 104 gebildet sein, wobei das mindestens eine Widerstandselement 202 eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen 104B, 104T des Trägers 104 erstreckt. Anders ausgedrückt kann das Widerstandselement 202 seine größte Ausdehnung in einer Richtung haben, die von einer der Hauptoberflächen 104B bzw. 104T zur anderen Hauptoberfläche 104T bzw. 104B verläuft.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann als Material des Widerstandselements 202 jedes beliebige elektrisch leitfähige Material mit hohem spezifischen Widerstand genutzt werden. Bevorzugt können Materialien genutzt werden, die in Vias anordenbar und/oder mittels Masken strukturierbar sind. Beispielsweise kann ein Via, das mit einem Material gefüllt ist, dessen spezifische elektrische Leitfähigkeit so gering ist, dass es beinahe schon nichtleitend ist, einen elektrischen Widerstand mit einem sehr hohen Widerstandswert bilden.
  • Der Strukturierungsprozess, bei welchem das Widerstandselement 202 gebildet wird, kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein FEOL und/oder ein BEOL-Strukturierungsprozess sein, der ohnehin ausgeführt wird, und bei welchem beispielsweise die Maske entsprechend angepasst wird. In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann zumindest eine Art von Struktur anderen in der Halbleitervorrichtung 200 gebildeten Strukturen und/oder ein für das Widerstandselement 202 verwendetes Material anderen in der Halbleitervorrichtung 200 genutzten Materialien entsprechen, damit eine Prozesskomplexität nicht oder nur wenig erhöht wird. Beispielsweise kann das oben beschriebene Via zusammen mit anderen Vias gebildet werden und mit dem beinahe nichtleitenden Material gefüllt werden.
  • In 2 ist der gesamte Träger 104 im Querschnitt mit seinen beiden Hauptoberflächen 104B und 104T dargestellt (die in verschiedenen Ausführungsbeispielen strukturiert gebildet sein können statt so planar wie in 2), und das Widerstandselement ist zwischen den beiden Hauptoberflächen 104B, 104T gebildet.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein oberes Ende des Widerstandselements 202 mit einer Leitung 106, 106 1 elektrisch leitend verbunden sein, und ein unteres Ende des Widerstandselements 202 kann mit einer anderen Leitung 106, 106_2 elektrisch leitend verbunden sein. Die Leitung 106_1 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen Teil einer ersten Metallisierungsschicht der Halbleitervorrichtung 200 sein, und die andere Leitung 106 2 kann Teil einer anderen Metallisierungsschicht der Halbleitervorrichtung 200 sein.
  • Das ist beispielhaft auch in 3A und in 4B in der Mitte dargestellt.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein oberes Ende des Widerstandselements 202 mit einer Leitung 106, 106 1 elektrisch leitend verbunden sein, und ein unteres Ende des Widerstandselements 202 kann mit dem Basismaterial 1041 des Trägers 104 elektrisch leitend verbunden sein. In dem Fall kann das Basismaterial 1041 elektrisch leitfähig oder halbleitend sein. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 3B dargestellt.
  • Das Widerstandselement 202 kann lateral umgeben sein von dielektrischem Material. Mit dem dielektrischen Material kann das Widerstandselement 202 lateral in direktem Kontakt sein. Auf einer dem Widerstandselement 202 abgewandten Seite des dielektrischen Materials kann Halbleitermaterial oder elektrisch leitfähiges Material angeordnet sein.
  • Das mindestens eine Widerstandselement kann sich in verschiedenen Ausführungsbeispielen innerhalb des Basismaterials 1041 des Trägers 104 befinden, und/oder innerhalb einer auf dem Basismaterial 1041 angeordneten Schichtenstruktur.
  • Der Analog-Schaltkreis 224 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen mindestens ein zusätzliches Schaltkreiselement 550 aufweisen. Das ist unten im Zusammenhang mit 5A bis 5I ausführlicher erläutert.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen, beispielsweise wenn in der Halbleitervorrichtung 200 ein RRAM-Speicher gebildet ist (oder auch ohne, dass das der Fall ist), kann das Widerstandselement im Wesentlichen wie ein Widerstandselement eines solchen RRAM-Speichers gebildet sein. Das RRAM-Widerstandselement kann aus einem Material gebildet sein, welches unmittelbar nach dem Anordnen einen sehr hohen Widerstand aufweist oder sogar ein Dielektrikum sein kann. Durch mindestens einen Leitungsweg, der nach dem Anlegen einer genügend hohen Spannung gebildet wird, kann das RRAM-Widerstandselement leitend gemacht werden. Das Bilden des Leitungswegs wird auch als Formen oder Formierungsvorgang („forming Operation“) bezeichnet, die dafür nötige Spannung entsprechend als Formierungsspannung und der sich ergebende Strom als Formierungsstrom. Das Bilden des Leitungswegs kann sich aus verschiedenen Mechanismen ergeben, einschließlich Defekten, Metallwanderung und/oder anderen Mechanismen. Geeignete Materialien für die RRAM-Speicherzelle (und entsprechend auch für das Widerstandselement 202) sind beispielsweise Hafniumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid, Nickeloxid, Tantaloxid und/oder Titanoxid.
  • Nach dem Formen/Formieren kann die RRAM-Speicherzelle durch eine geeignet angelegte Spannung zurückgesetzt werden, d. h. unterbrochen werden, was zu einem hohen Widerstand führt, oder gesetzt werden, d.h. wieder gebildet werden, was zu einem niedrigen Widerstand führt.
  • Bei dem Widerstandselement 202 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann einer der vier möglichen Zustände einer RRAM-Speicherzelle nach dem Anordnen des Widerstandselementmaterials eingestellt werden. Entweder der unformierte Zustand (der einen Widerstandswert von mehreren MΩ aufweisen kann), oder, durch Bereitstellen einer geeigneten Spannung bzw. eines geeigneten Stroms, einer der drei Zustände formiert (niedriger Widerstand), zurückgesetzt (hoher Widerstand) und gesetzt (niedrigerer Widerstand als im zurückgesetzten Zustand, aber höher als im formierten Zustand; der Widerstand kann beispielsweise in einem Bereich um 20 kΩ aufweisen). Anschließend kann die Halbleitervorrichtung 200 so eingerichtet werden, dass ein nachfolgendes Umschalten des Widerstandswerts des Widerstandselements 202 verhindert wird.
  • In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Halbleitervorrichtung 200 einen Strombegrenzungsschaltkreis 222 aufweisen, der eingerichtet sein kann, einen infolge einer an Spannungsversorgungsanschlüssen 226 bereitgestellten Spannung durch das Widerstandselement 202 fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements 202 im Wesentlichen unverändert bleibt. Dementsprechend kann der Strom so begrenzt sein, dass ein Schalten vom unformierten in den formierten Zustand und/oder ein Umschalten zwischen dem formierten Zustand, dem zurückgesetzten Zustand und dem gesetzten Zustand verhindert wird.
  • Eine Nutzung des unformierten Widerstandselements 202 kann dahingehend vorteilhaft sein, dass der Strombegrenzungsschaltkreis 222 sofort mit dem Analog-Schaltkreis 224 zusammen gebildet und verbunden werden kann, weil kein hoher Strom (und dementsprechend auch kein entsprechender Schaltkreis) benötigt wird, um das Widerstandselement 202 zu formieren. Ferner können sehr hohe Widerstandswerte erzielt werden.
  • Dementsprechend ist in verschiedenen Ausführungsbeispielen das Widerstandselement 202 nicht als RRAM-Speicherzelle nutzbar.
  • Ein Spannungsbegrenzungsschaltkreis kann anstelle des Strombegrenzungsschaltkreises 222 mit im Wesentlichen derselben Wirkung bereitgestellt sein.
  • Der Strombegrenzungsschaltkreis 222 (bzw. der Spannungsbegrenzungsschaltkreis) kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen auf und/oder im Träger 200 gebildet sein, oder außerhalb des Trägers 200 gebildet sein.
  • In 3A und 3B, 4B und 5A bis 5I sind der Übersichtlichkeit halber der Strombegrenzungsschaltkreis 222 und der Träger 104 weggelassen, sondern es ist jeweils nur der Analog-Schaltkreis 224 bzw. Teile davon dargestellt.
  • Das wie eine RRAM-Speicherzelle gebildete Widerstandselement 202 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen eine kleine laterale Ausdehnung aufweisen (beispielsweise ungefähr doppelt so groß wie ein Kontakt), und kann somit einen hohen Widerstandswert aufweisen. Um fein abgestufte Widerstandswerte über eine breite Spanne von Widerstandswerten hinweg kostengünstig zu ermöglichen, können mehrere der Widerstandselemente 202 parallel und/oder in Reihe geschaltet sein. In verschiedenen Ausführungsbeispielen können ein oder mehrere Widerstandselemente 202 dem Analog-Schaltkreis 224 hinzugefügt (hinzugeschaltet) oder von diesem entfernt werden (mittels eines Schalters getrennt).
  • Parallel geschaltete Widerstandselemente 202 können dahingehend vorteilhaft sein, dass Schwankungen bzw. Toleranzen beim Widerstandswert, die beispielsweise durch Prozessschwankungen bedingt sein können, ausgeglichen werden können, und/oder um trotz eines hohen Widerstands jedes einzelnen Widerstandselements 202 eine signifikante Stromstärke zu ermöglichen.
  • In 4B ist in der oberen und der unteren Darstellung beispielhaft gezeigt, wie eine Reihenschaltung von zwei oder mehr Widerstandselementen 202 gebildet sein bzw. werden kann. Dafür kann ein erstes der Widerstandselemente 202 an einem Ende (beispielsweise dem oberen Ende) mit der ersten Leitung 106 1 elektrisch leitend verbunden sein, und ein zweites der Widerstandselemente 202 kann an demselben Ende (beispielsweise ebenfalls dem oberen Ende) mit der zweiten Leitung 106 2 elektrisch leitend verbunden sein. Die beiden anderen Enden können miteinander mittels eines Verbindungsabschnitts 440 verbunden sein. Der Verbindungsabschnitt kann beispielsweise Teil einer Metallisierungsschicht sein, beispielsweise einer anderen Metallisierungsschicht als die erste Leitung 106_1 und die zweite Leitung 106_2, welche in diesem Ausführungsbeispiel Teil derselben Metallisierungsschicht sein können.
  • Für eine Parallelschaltung von zwei oder mehr Widerstandselementen 202 kann die erste Leitung 106 1 mit den oberen Enden der zwei oder mehr Widerstandselemente 202 elektrisch leitend verbunden sein, und die zweite Leitung kann mit denselben zwei oder mehr Widerstandselementen 202 an ihren unteren Enden elektrisch leitend verbunden sein. In einer Draufsicht können die parallel geschalteten Widerstandselemente 202 nebeneinander oder hintereinander angeordnet sein, um mit der ersten Leitung 106 1 bzw. der zweiten Leitung 106 2 verbunden zu werden.
  • In 4B sind, ähnlich wie bei dem Stand-der-Technik-Beispiel aus 4A, in der Mitte ein Widerstandselement 202 mit einem Widerstand R, oben eine Verwirklichung eines ungefähr doppelt so hohen Widerstands (als Reihenschaltung von zwei Widerstandselementen 202) und unten eine Verwirklichung eines genauso hohen Widerstands wie in der Mitte, aber mit höherer Genauigkeit hinsichtlich des Widerstandswerts (indem eine Kombination aus Parallel- und Reihenschaltung von insgesamt vier Widerstandselementen 202 genutzt wird, so dass, anschaulich gesehen, ein Mittelwert der Widerstandswerte dieser vier Widerstandselemente 202 genutzt wird, so dass Toleranzen ausgeglichen werden im Vergleich zum Einzelelement, das in der mittleren Analog-Schaltung genutzt wird).
  • Die Leitungen 106, die als Kontaktschichten für das mindestens eine Widerstandselement 202 gebildet sein können, können beispielsweise die dritte und die vierte Metallschicht aufweisen, oder eine andere Kombination der Metallschichten der Halbleitervorrichtung 200.
  • Bei einem Bilden des Widerstandselements 202 als Teil der BEOL-Bearbeitung kann das Widerstandselement 202 oberhalb von während der FEOL-Fertigung gebildeten Schaltkreiselementen (die zumindest teilweise die zusätzlichen Schaltkreiselemente 550 aufweisen können) gebildet sein bzw. werden, so dass das Widerstandselement 202 ohne oder fast ohne zusätzlichen Platzbedarf gebildet werden kann.
  • Das mindestens eine Widerstandselement 202 kann als Teil des Analog-Schaltkreises 224 genutzt werden, um eine Funktion bereitzustellen.
  • Der Analog-Schaltkreis 224 kann beispielsweise einen Filter bilden (siehe 5A), einen Biasspannungserzeuger (5B), einen Spannungsteiler (5C), einen Spannung-Strom-Wandler (5D), einen Strom-Spannungs-Wandler (5E), eine Referenz-Spannungsquelle (5F links, beispielsweise für einen Referenz-Signalanschluss BGP), eine Referenz-Stromquelle (5F rechts), eine Last (5G), einen Inverter (5H), einen Strombegrenzer (51), einen nichtinvertierenden Verstärker, einen Summierverstärker, einen Subtrahierverstärker, einen Integrierer und/oder einen Differentiator.
  • Die dafür genutzten zusätzlichen Schaltkreiselemente 550 sind in 5A bis 5I anhand ihrer Schaltkreiszeichen kenntlich und können, abgesehen von der Gestaltung des mindestens einen Widerstandselements 202, im Wesentlichen wie im Stand der Technik bekannt gebildet sein oder werden.
  • Die zusätzlichen Schaltkreiselemente 550 können beispielsweise Kondensatoren, Dioden, Transistoren, Operationsverstärker und Ähnliches aufweisen.
  • 6 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bilden einer Halbleitervorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
  • Das Verfahren weist ein Bereitstellen eines Trägers mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (bei 610), ein Bilden eines Analog-Schaltkreises, der mindestens ein Widerstandselement aufweist, in und/oder auf dem Träger, wobei das mindestens eine Widerstandselement eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen des Trägers erstreckt (bei 620) und ein Bereitstellen eines Strombegrenzungsschaltkreises, der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements im Wesentlichen unverändert bleibt (bei 630) auf.
  • Im Folgenden werden zusammenfassend einige Ausführungsbeispiele angegeben.
  • Ausführungsbeispiel 1 ist eine Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung weist einen Träger mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, einen Analog-Schaltkreis, der mindestens ein Widerstandselement aufweist, in und/oder auf dem Träger, wobei das mindestens eine Widerstandselement eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen des Trägers erstreckt, und einen Strombegrenzungsschaltkreis auf, der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements im Wesentlichen unverändert bleibt.
  • Ausführungsbeispiel 2 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 1, wobei das mindestens eine Widerstandselement als RRAM-Element gebildet ist.
  • Ausführungsbeispiel 3 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 2, wobei das RRAM-Element sich in einem unformierten Zustand, in einem zurückgesetzten Hochwiderstandszustand oder in einem formierten Niedrigwiderstandszustand befindet.
  • Ausführungsbeispiel 4 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 3, wobei das mindestens eine Widerstandselement zwei oder mehr parallel geschaltete oder schaltbare Widerstandselemente aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 5 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 4, wobei das mindestens eine Widerstandselement zwei oder mehr in Reihe geschaltete oder schaltbare Widerstandselemente aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 6 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 5, wobei der Widerstand des Widerstandselements in einem Bereich zwischen 1 kΩ und 100 MΩ liegt, optional zwischen 1 MΩ und 100 MΩ.
  • Ausführungsbeispiel 7 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 6, wobei der Analog-Schaltkreis mindestens ein zusätzliches Schaltkreiselement aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 8 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß Ausführungsbeispiel 7, wobei das mindestens eine zusätzliche Schaltkreiselement mindestens eines aus einer Gruppe von Schaltkreiselementen aufweist, die Gruppe einen Kondensator, eine Diode, einen Transistor und einen Operationsverstärker aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 9 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 8, wobei der Analog-Schaltkreis gebildet ist als einer aus einer Gruppe von Analog-Schaltkreisen, wobei die Gruppe einen Filter, einen Spannungsteiler, einen Biasspannungserzeuger, einen Spannung-Strom-Wandler, einen Strom-Spannungs-Wandler, eine Referenz-Spannungsquelle, eine Referenz-Stromquelle, eine Last, einen Inverter, einen Strombegrenzer, einen nichtinvertierenden Verstärker, einen Summierverstärker, einen Subtrahierverstärker, einen Integrierer und einen Differentiator aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 10 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 9, wobei das mindestens eine Widerstandselement in einer Frontend-Isolierschicht gebildet ist.
  • Ausführungsbeispiel 11 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 9, wobei das mindestens eine Widerstandselement in einer Backend-Isolierschicht gebildet ist.
  • Ausführungsbeispiel 12 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 11, wobei der Schaltkreis ein Analog-Schaltkreis ist.
  • Ausführungsbeispiel 13 ist eine Halbleitervorrichtung gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 12, wobei ein Hauptstromfluss entlang der vertikalen Längsachse verläuft.
  • Ausführungsbeispiel 14 ist ein Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung, wobei das Verfahren ein Bereitstellen eines Trägers mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen, ein Bilden eines Analog-Schaltkreises, der mindestens ein Widerstandselement aufweist, in und/oder auf dem Träger, wobei das mindestens eine Widerstandselement eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen des Trägers erstreckt und ein Bereitstellen eines Strombegrenzungsschaltkreises, der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements im Wesentlichen unverändert bleibt, aufweist.
  • Ausführungsbeispiel 15 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 14, wobei das Bilden des Widerstandselements als Teil der Frontend-Prozessierung erfolgt.
  • Ausführungsbeispiel 16 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 14, wobei das Bilden des Widerstandselements als Teil der Backend-Prozessierung erfolgt.
  • Ausführungsbeispiel 17 ist ein Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 14 bis 16, wobei das mindestens eine Widerstandselement als RRAM-Element gebildet ist.
  • Ausführungsbeispiel 18 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 17, wobei das RRAM-Element sich in einem unformierten Zustand befindet.
  • Ausführungsbeispiel 19 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 17, welches ferner ein Formieren des RRAM-Elements in einen Hochwiderstandszustand oder in einen Niedrigwiderstandszustand aufweist, wobei das Bereitstellen des Strombegrenzungsschaltkreises nach dem Formieren des RRAM-Elements erfolgt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung des Verfahrens und umgekehrt.

Claims (18)

  1. Halbleitervorrichtung (200), aufweisend: einen Träger (104) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (104B, 104T); einen Schaltkreis (224), der mindestens ein Widerstandselement (202) aufweist, in und/oder auf dem Träger (104), wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen (104B, 104T) des Trägers (104) erstreckt; und einen Strombegrenzungsschaltkreis (222), der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement (202) fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements (202) im Wesentlichen unverändert bleibt.
  2. Halbleitervorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) als RRAM-Element gebildet ist.
  3. Halbleitervorrichtung (200) gemäß Anspruch 2, wobei das RRAM-Element sich in einem unformierten Zustand, in einem formierten Hochwiderstandszustand oder in einem formierten Niedrigwiderstandszustand befindet.
  4. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) zwei oder mehr parallel geschaltete oder schaltbare Widerstandselemente (202) aufweist.
  5. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) zwei oder mehr in Reihe geschaltete oder schaltbare Widerstandselemente (202) aufweist.
  6. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Widerstand des Widerstandselements (202) in einem Bereich zwischen 1 kΩ und 100 MΩ liegt.
  7. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schaltkreis (224) mindestens ein zusätzliches Schaltkreiselement (550) aufweist.
  8. Halbleitervorrichtung (200) gemäß Anspruch 7, wobei das mindestens eine zusätzliche Schaltkreiselement mindestens eines aus einer Gruppe von Schaltkreiselementen aufweist, die Gruppe aufweisend: einen Kondensator; eine Diode; einen Transistor; und einen Operationsverstärker.
  9. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Schaltkreis (224) gebildet ist als einer aus einer Gruppe von Analog-Schaltkreisen (224), die Gruppe aufweisend: einen Filter; einen Spannungsteiler; einen Biasspannungserzeuger; einen Spannung-Strom-Wandler; einen Strom-Spannungs-Wandler; eine Referenz-Spannungsquelle; eine Referenz-Stromquelle; eine Last; einen Inverter; einen Strombegrenzer; einen nichtinvertierenden Verstärker; einen Summierverstärker; einen Subtrahierverstärker; einen Integrierer; und einen Differentiator.
  10. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) in einer Frontend-Isolierschicht gebildet ist.
  11. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das mindestens eine Widerstandselement (202) in einer Backend-Isolierschicht gebildet ist.
  12. Halbleitervorrichtung (200) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schaltkreis ein Analog-Schaltkreis ist.
  13. Verfahren zum Bilden einer Halbleitervorrichtung, das Verfahren aufweisend: Bereitstellen eines Trägers mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (610); Bilden eines Schaltkreises, der mindestens ein Widerstandselement aufweist, in und/oder auf dem Träger, wobei das mindestens eine Widerstandselement eine Längsachse aufweist, die sich vertikal zwischen den Hauptoberflächen des Trägers erstreckt (620); und Bereitstellen eines Strombegrenzungsschaltkreises, der eingerichtet ist, einen durch das Widerstandselement fließenden Strom auf einen Wert zu begrenzen, bei dem sichergestellt ist, dass ein elektrischer Widerstand des Widerstandselements im Wesentlichen unverändert bleibt (630) .
  14. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Bilden des Widerstandselements als Teil der Frontend-Prozessierung erfolgt.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei das Bilden des Widerstandselements als Teil der Backend-Prozessierung erfolgt.
  16. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei das mindestens eine Widerstandselement als RRAM-Element gebildet ist.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das RRAM-Element sich in einem unformierten Zustand befindet.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 16, ferner aufweisend: Formieren des RRAM-Elements in einen Hochwiderstandszustand oder in einen Niedrigwiderstandszustand; wobei das Bereitstellen des Strombegrenzungsschaltkreises nach dem Formieren des RRAM-Elements erfolgt.
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