DE69429979T2

DE69429979T2 - Halbleiterintegriertes Schaltungsbauelement

Info

Publication number: DE69429979T2
Application number: DE69429979T
Authority: DE
Inventors: Takao Ito
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-12-28
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: EP0661744A1; DE69429979D1; JPH07201852A; EP0661744B1; KR0169268B1; US5585664A; JP3283984B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung und genauer auf eine integrierte Schaltung (IC), die eine analoge Schaltung und eine digitale Schaltung gemeinsam enthält.
In einer herkömmlichen integrierten Schaltung (IC), die sowohl eine analoge Schaltung als auch eine digitale Schaltung enthält, werden ein digitales Signal mit einer großen Amplitude und ein analoges Signal mit einer kleinen Amplitude auf einer einzigen IC verarbeitet. Somit muß verhindert werden, daß das digitale Signal in das analoge Signal streut. Beispielsweise kann das Streuen eines Signals über ein Substrat dadurch verhindert werden, daß ein Substratpotential sowohl von der analogen als auch von der digitalen Schaltung erfaßt wird oder dass eine Anzahl von Substratkontakten gebildet wird.
In der obengenannten integrierten Schaltung wird die Verdrahtungslänge gemäß einer Verringerung des Verdrahtungsintervalls und einer Verbesserung des Integrationsgrads der IC erhöht; dementsprechend wird zwischen den Verdrahtungen wegen einer Signalstreuung zwischen ihnen ein Übersprechen verursacht. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist, um das Übersprechen zu verhindern, über der Verdrahtung 3, die auf einem Isolationsfilm 2 auf der Hauptoberfläche eines Substrats 1 gebildet ist und als Signalleitung dient, eine Masseleitung (GND-Leitung) 5 gebildet, wobei zwischen der Verdrahtung 3 und der GND- Leitung 5 ein Isolationsfilm 4 liegt. Somit ist die Verdrahtung (Signalleitung) 3 mit der GND-Leitung 5 abgedeckt.
Wenn die Verdrahtung 3 lang oder breit ist, ist aber in der oben beschriebenen herkömmlichen integrierten Schaltung die parasitäre Kapazität zwischen der Verdrahtung 3 und der GND- Leitung 5 erhöht. Da der Widerstand eines analogen Hochfrequenzsignals üblicherweise durch 1/jωC (ω: Kreisfrequenz, C: Kapazität) dargestellt wird, werden die Komponenten des analogen Hochfrequenzsignals mit steigender Kapazität gedämpft. Außerdem ändert sich wahrscheinlich das Potential des Signals wegen eines Lecks eines kleinen Stroms, der zwischen den Verdrahtungen fließt.
Wie oben beschrieben wurde, besitzt die herkömmliche integrierte Schaltung einen Nachteil dahingehend, daß, wenn die Verdrahtungsschicht mit der GN-Leitung abgedeckt ist, um das Auftreten eines Übersprechens zwischen den Drähten zu verhindern, die Komponenten des analogen Hochfrequenzsignals gedämpft werden können oder sich das Potential des Signals ändern kann.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 536 972 A2 offenbart eine integrierte Schaltungseinrichtung mit einer verbesserten Substratkapazität und -isolation. Auf einem Substrat sind ein aus SiO&sub2; hergestellter erster Isolationsfilm, eine erste Metallschicht, ein aus SiO&sub2; hergestellter zweiter Isolationsfilm und eine zweite Metallschicht in der genannten Reihenfolge gebildet. Die zweite Metallschicht ist selektiv geätzt, um eine erste Verdrahtung mit einem Bonding-Pad am Rand der Struktur und mit daran angeschlossenen Spurverläufen zu bilden. Die erste Metallschicht ist ebenfalls selektiv geätzt, so daß sie eine zweite Verdrahtung mit einem Bonding- Pad und Spurverläufen enthält, die jenen entsprechen, die in der zweiten Metallschicht selektiv gebildet sind. Die Spurverläufe sind durch einen Operationsverstärker unterbrochen, den ein hochimpedanter Einheitsverstärkungs- Spannungsverstärker bildet. Der Eingang des Operationsverstärkers ist an einen Spurverlauf der ersten Verdrahtung angeschlossen, während der Ausgang des Operationsverstärkers an einen weiteren Abschnitt des Spurverlaufs und an das Bonding-Pad der zweiten Verdrahtung angeschlossen ist.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 181 600 A1 beschreibt, daß eine Übertragungsleitungsverdrahtung und eine Hilfsleitung parallel gebildet sind. Zwischen einer der Übertragungsleitungen und dem Ende der Hilfsleitung ist eine Wellenformgebungsschaltung vorgesehen, die zwei in Serie geschaltete Inverter enthält. Somit ist das Ausgangsende der Hilfsleitung elektrisch schwebend.
Die europäische Patentanmeldung EO 0 353 426 A2 offenbart, daß zwischen zwei Verdrahtungen, die zum Übertragen eines Signals parallel angeordnet sind, Signalstörungs- Verhinderungsverdrahtungen angeordnet sein können. Die Signalstörungs-Verhinderungsverdrahtung wird auf einem konstanten Potential gehalten.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Schaffung einer integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung, die sowohl eine digitale Schaltung als auch eine hochgenaue analoge Schaltung zusammen auf einer einzigen Einrichtung bereitstellen kann, sowie darin, zu verhindern, daß ein digitales Signal in ein analoges Signal streut, ohne daß die Komponenten eines analogen Hochfrequenzsignals gedämpft werden oder das Potential des Signals geändert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung nach Anspruch 1. Weitere Vorteile, Ausführungen und Verbesserungen der Erfindung sind gemäß den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Obgleich bei der beanspruchten Schaltungsanordnung die Signalleitung, die ein kleines Signal verarbeitet, verlängert ist, kann sie gegenüber irgendeinem Einfluß der anderen Leitungen geschützt werden. Somit kann von den anderen Leitungen erzeugtes Rauschen ebenso wie Übersprechen zwischen der Signalleitung und den anderen Leitungen unterdrückt werden.
Diese Erfindung kann vollständiger verstanden werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, in der:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht einer herkömmlichen integrierten Halbleiterschaltung ist;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht einer integrierten Halbleiterschaltung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 2 gezeigten integrierten Halbleiterschaltung ist; und
Fig. 4 bis 12 Querschnittsansichten sind, die jeweils andere integrierte Halbleiterschaltungen zeigen, wobei die Fig. 6, 9, 10, 11, 12 weitere Ausführungen der vorliegenden Erfindung zeigen, während die Fig. 4, 5, 7, 8 andere Aspekte zeigen, die in den Ausführungen der Erfindung verwendet werden können.
Mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung wird nun eine Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 2 zeigt einen Aufbau einer integrierten Schaltung (IC) gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung, während Fig. 3 eine Ersatzschaltung der IC aus Fig. 2 zeigt.
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, enthält die IC ein Halbleitersubstrat 11, auf dem beispielsweise eine digitale Schaltung und eine analoge Schaltung gebildet sind, die beide nicht gezeigt sind, einen auf der Hauptoberfläche des Substrats 11 gebildeten Isolationsfilm 12, eine auf dem Film 12 gebildete Signalleitung 13 der ersten Verdrahtung, beiderseits der Signalleitung 13 gebildete Schutzleitungen 14 der zweiten Verdrahtungen, außerhalb der Leitungen 14 gebildete Masseleitungen 15 der dritten Verdrahtungen, eine wenigstens über der Signalleitung 13 mit einem Zwischenschicht-Isolationsfilm 16 dazwischen vorgesehene Schutzleitung 17 der vierten Verdrahtung, eine über der Leitung 17 mit einem Zwischenschicht-Isolationsfilm 18 dazwischen gebildete Masseleitung 19 der fünften Verdrahtung und einen auf der Leitung 29 gebildeten Oberflächenschutzfilm 20. Um die Schutzwirkung zu verbessern, erstreckt sich die vierte Verdrahtung 17 vorzugsweise über die zweiten Verdrahtungen 14 sowie über die erste Verdrahtung 13, so daß sie die zweiten Verdrahtungen wie in Fig. 2 gezeigt abdeckt.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist an die Signalleitung 13 und an die Schutzleitungen 14 und 17 eine Vorspannschaltung 21 angeschlossen, die das Potential jeder der Leitungen 14 und 17 gleich dem der Leitung 13 einstellt. Die Vorspannschaltung 21, die einen Spannungsfolgerverstärker enthält, verbessert eine Impedanz zwischen der Signalleitung 13 und den Schutzleitungen 14 und 17 und führt den Schutzleitungen 14 und 17 bei einer niedrigen Impedanz das gleiche Potential, wie es die Signalleitung 13 besitzt, zu.
Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Schutzleitungen 14 und 17 an einen Eingangsanschluß und an einen Ausgangsanschluß des Verstärkers 21 angeschlossen, während die Signalleitung 13 an seinen anderen Eingangsanschluß angeschlossen ist. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind in Fig. 2 und in ihren nachfolgenden Figuren der Querschnittsansichten die Verbindungsleitungen der Schutzleitungen 14 und 17 zu der Vorspannschaltung 21 schematisch gezeigt, während die Verbindungsleitung zwischen der Signalleitung 13 und der Vorspannschaltung 21 nicht gezeigt ist.
Es wird nun ein Verfahren zur Herstellung der obenbeschriebenen integrierten Schaltung in Fig. 2 beschrieben.
Zunächst werden auf einem Halbleitersubstrat 11 eine analoge Schaltung und eine digitale Schaltung (die beide nicht gezeigt sind) gebildet. Daraufhin wird durch einen normalen Prozeß, z. B. durch ein CVD-Verfahren, ein Isolationsfilm 12 gebildet. In dem Isolationsfilm 12 wird durch den PEP (Photogravurprozeß) ein (nicht gezeigter) Kontakt gebildet und durch Zerstäuben Aluminium abgeschieden. Danach wird das Aluminium strukturiert, um die Signalleitung 13, die Schutzleitungen 14 und die Masseleitungen 15 zu bilden. Die Schutzleitungen 14 werden beiderseits der Signalleitung 13 angeordnet, so daß sie zu der Leitung 13 parallel sind, während die Masseleitungen 15 außerhalb und parallel zu den Schutzleitungen 14 gebildet werden. Die Signalleitung 13 und die Schutzleitungen 14 werden an die Vorspannschaltung 21 angeschlossen, während die Masseleitungen 15 an ihre jeweiligen Massen angeschlossen werden.
Durch das CVD wird ein Zwischenschicht-Isolationsfilm 16 gebildet, während durch den PEP ein (nicht gezeigtes) Durchgangsloch gebildet wird, wobei im Ergebnis dessen die Schutzleitung 17 in der gleichen Weise wie die Schutzleitungen 14 auf dem Zwischenschicht-Isolationsfilm 16 gebildet wird. Die an die Vorspannschaltung 21 angeschlossene Schutzleitung 17 wird über der Signalleitung 13 vorgesehen und deckt sie ab, wobei die Schutzleitung 17 mit anderen Worten in der Weise gebildet wird, daß sie die Signalleitung 13 abdeckt, obwohl zwischen den Leitungen 13 und 17 der Zwischenschicht-Isolationsfilm 16 liegt. Zur Verbesserung der Schutzwirkung erstreckt sich die Schutzleitung 17 vorzugsweise über die Schutzleitung 14 sowie über die Signalleitung 13, so daß sie die Schutzleitungen 14 abdeckt.
Ähnlich wird durch die CVD ein Zwischenschicht-Isolationsfilm 18 abgeschieden und durch den PEP oder dergleichen ein (nicht gezeigtes) Durchgangsloch gebildet. Danach wird auf dem Zwischenschicht-Isolationsfilm 18 eine Masseleitung 19 gebildet und an die GND angeschlossen. Die Masseleitung 19 wird in der Weise gebildet, daß sie die Schutzleitung 17 abdeckt. Genauer wird die Masseleitung 19 in der Weise über der Schutzleitung 17 gebildet, daß sie die Leitung 17 in Dickenrichtung des Substrats 11 abdeckt, obwohl zwischen der Schutzleitung 17 und der Masseleitung 19 der Zwischenschicht- Isolationsfilm liegt. Danach wird durch Zerstäuben oder dergleichen ein Oberflächenschutzfilm 20 zum Schutz der Oberfläche der resultierenden Struktur abgeschieden und ein (nicht gezeigtes) Pad gebildet, womit die integrierte Schaltung fertiggestellt ist.
In der wie in Fig. 2 gezeigten vorstehenden integrierten Schaltung ist die Signalleitung 13, die ein kleines Signal verarbeitet, von den Niederimpedanz-Schutzleitungen 14 und 17, die das gleiche Potential wie die Leitung 13 besitzen, und von den Masseleitungen 15 und 19, die an die GND angeschlossen sind, umgeben. Somit kann verhindert werden, daß zwischen der Signalleitung 13 und den Schutzleitungen 14 und 17 kein Übersprechen verursacht wird.
Da die Zwischenverbindung zwischen den Schutzleitungen 14 und 17 und den (nicht gezeigten) anderen Leitungen durch die Masseleitungen 15 und 19 geschützt ist, ist es schwer, ein Übersprechen zwischen ihnen zu verursachen. Da außerdem die Schutzleitungen 14 und 17 niederimpedant sind, werden sie durch die parasitäre Kapazität oder das Leck eines kleinen Stroms nicht stark beeinflußt, wobei im Ergebnis dessen verhindert werden kann, daß der starke Einfluß auf die Signalleitung 13 ausgeübt wird.
Folglich überwindet die wie in Fig. 2 gezeigte integrierte Schaltung der vorliegenden Erfindung die Probleme der herkömmlichen Schaltung, in der die parasitäre Kapazität zwischen den Signal- und Masseleitungen erhöht wird, die Komponenten eines hochfrequenten analogen Signals gedämpft werden und das Potential des Signals mit dem Leck eines kleinen Stroms zwischen den Verdrahtungen geändert wird.
Da in der obengenannten Ausführung die Signalleitung, die ein kleines Signal verarbeitet, von den niederimpedanten Schutzleitungen mit dem gleichen Potential wie die Signalleitung umgeben ist, kann verhindert werden, daß die parasitäre Kapazität zwischen der Signalleitung und den Masseleitungen steigt, während das von den anderen Verdrahtungen erzeugte Rauschen sowie das Übersprechen zwischen der Signalleitung und den anderen Verdrahtungen unterdrückt werden kann. Folglich kann die Signalleitung unabhängig von ihrer Länge oder Fläche geschützt werden, wobei selbst dann, wenn sowohl eine digitale Schaltung als auch eine hochgenaue analoge Schaltung auf einer einzigen Einrichtung integriert sind, die Leistung der Einrichtung selbst ausreichend erhalten werden kann.
In der obenstehenden Ausführung der Erfindung enthält jede Verdrahtung Aluminium. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, wobei die erste und die zweite Verdrahtung statt dessen Polysilicium, Polyzid oder dergleichen enthalten können.
In der obengenannten Ausführung dient die erste Verdrahtung als Signalleitung, während die Schutzleitungen über der Signalleitung und beiderseits der Signalleitung gebildet sind. Einige Aspekte der wie in Fig. 2 gezeigten Ausführung sind mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 getrennt gezeigt und diskutiert. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt ist, können aber eine Schutzleitung oder Schutzleitungen prinzipiell entweder beiderseits oder über der Signalleitung gebildet sein. Die integrierte Schaltung der vorliegenden Erfindung enthält wenigstens die erste Verdrahtung 13 der Signalleitung und die Schutzleitungen 14 und die Schutzleitung 17.
Fig. 6 zeigt die Grundausführung der Erfindung, während die Fig. 7 und Fig. 8 einige Aspekte der Erfindung erläutern, die mit der Ausführung in Fig. 6 genutzt werden können, und die Fig. 9, 10, 11, 12 weitere auf der Ausführung in Fig. 6 beruhende Ausführungen zeigen.
Fig. 6 zeigt eine integrierte Schaltung, die die beiden Schutzleitungen 14 und 17 enthält. Fig. 7 zeigt eine integrierte Schaltung, die die Schutzleitungen 14 und die Masseleitungen 15 außerhalb der Leitungen 14 enthält. Fig. 8 zeigt eine integrierte Schaltung mit einer Schutzleitung 17 und einer Masseleitung 19 über der Leitung 17. Fig. 9 zeigt eine integrierte Schaltung, die sowohl die Schutzleitungen 14 und 17 als auch die Masseleitungen 15 außerhalb der Leitungen 14 enthält. Fig. 10 zeigt eine integrierte Schaltung, die die Schutzleitungen 14 und 17 und die Masseleitungen 15 und 19 enthält.
Die integrierte Schaltung der Ausführungen in Fig. 2 und Fig. 10 besitzt eine Dreischicht-Verdrahtungsstruktur, wobei die Signalleitung die unterste Schicht der Struktur ist. Wie in den Fig. 11 und 12 gezeigt ist, kann die Anzahl der Verdrahtungsschichten andererseits vier oder mehr sein, wobei unter der Signalleitung und neben der Signalleitung eine Schutzleitung gebildet sein kann. Außerdem kann eine Masseleitung für die Schutzleitung gebildet sein. In Fig. 11 ist eine Schutzleitung 27 unter einer Signalleitung 13 gebildet, wobei zwischen ihnen ein Isolationsfilm 26 liegt. Die Schutzleitung 27 ist in der Weise gebildet, daß sie die Signalleitung 13 abdeckt und sich vorzugsweise so erstreckt, daß sie die Schutzleitungen 14 abdeckt. In Fig. 12 ist eine Masseleitung 29 unter einer Schutzleitung 27 vorgesehen, wobei zwischen ihnen ein Isolationsfilm 28 liegt. Die Schutzwirkung der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Schaltungen ist stärker als die Schutzwirkung der in Fig. 2 gezeigten Schaltung verbessert.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen liegen die Signalleitung und die Schutzleitungen zwischen den Masseleitungen. Wie in den Fig. 4, 5 und 6 gezeigt ist, brauchen die Masseleitungen aber nicht immer vorgesehen zu sein.
In den Aspekten der in den Fig. 4, 5, 7 und 9 gezeigten Ausführungen und der Ausführung in Fig. 6 wird der Isolationsfilm 18 als Oberflächenschutzfilm verwendet. In den Aspekten der in den Fig. 4 und 7 gezeigten Ausführungen braucht der Isolationsfilm 18, wenn der Isolationsfilm 16 als Oberflächenschutzfilm verwendet wird, nicht notwendig gebildet zu sein.
Es braucht nicht gesagt zu werden, daß verschiedene Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang des Gegenstands der wie in den Ansprüchen und gemäß Artikel 69 des EPC-Protokolls definierten vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Gemäß der obenbeschriebenen integrierten Halbleiterschaltungseinrichtung der vorliegenden Erfindung können eine digitale Schaltung und eine hochgenaue analoge Schaltung zusammen auf einer einzigen Einrichtung gebildet sein, wobei verhindert werden kann, daß ein digitales Signal in ein analoges Signal streut, ohne daß die Komponenten eines hochfrequenten analogen Signals gedämpft werden oder das Potential des Signals geändert wird.

Claims

1. Integrierte Halbleiterschaltungseinrichtung, umfassend:

a) ein Halbleitersubstrat (11);

b) eine erste Verdrahtungsschicht mit einer Signalleitung (13), die in einem zweiten Isolationsfilm (16) vorgesehen ist, der auf einem ersten Isolationsfilm (12) gebildet ist, der auf einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats (11) angeordnet ist;

c) eine zweite Verdrahtungsschicht (14, 17, 27), die in dem zweiten Isolationsfilm (16) benachbart zu der Signalleitung (13) getrennt davon durch Teile des zweiten Isolationsfilms (16) gebildet ist; und

d1) eine Vorspannschaltung (21), die von einem Spannungsfolgerverstärker (21) gebildet ist, zum Einstellen eines Potentials der zweiten Verdrahtungsschicht (14, 17, 27) gleich zu demjenigen der benachbarten Signalleitung (13); wobei

d2) die Vorspannschaltung (21) ein Spannungsfolgerverstärker (21) ist, der einen Eingangsanschluss aufweist, der mit einem Ausgangsanschluss davon verbunden ist, das Potential der Signalleitung (13) an einem anderen Eingangsanschluss bei einer hohen Impedanz empfängt und ein Signal des gleichen Potentials, aber bei eine niedrigen Impedanz an die zweite Verdrahtungsschicht (14, 17, 27) zuführt; wobei

e1) die zweite Verdrahtungsschicht (14, 17, 27) eine erste und eine zweite Schutzleitung (14) umfasst, die auf gegenüberliegenden Seiten der Signalleitung (13) angeordnet sind, im wesentlichen parallel zu der Signalleitung (13); und

e2) die zweite Verdrahtungsschicht (14, 17, 27, Fig. 6) ferner eine dritte Schutzleitung (17) umfasst, die in einem dritten Isolationsfilm (18) gebildet ist, der auf der dem zweiten Isolationsfilm (16) angeordnet ist, wobei die dritten Schutzleitungen (17) sich über die Signalleitung (13) und die ersten und zweiten Schutzleitungen (14) erstrecken und davon durch Teile des zweiten Isolationsfilms (16) getrennt sind.

2. Integrierte Halbleitereinrichtung (Fig. 11, 12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdrahtungsschicht (14, 17, 27) ferner eine vierte Schutzleitung (27) umfasst, die in einem vierten Isolationsfilm (26) gebildet ist, der zwischen den ersten und zweiten Isolationsfilmen (12, 16) angeordnet ist, wobei die vierte Schutzleitung (27) sich über die Signalleitung (13) und die ersten und zweiten Schutzleitungen (14) erstreckt und davon durch Teile des vierten Isolationsfilms (26) getrennt ist.

3. Integrierte Halbleitereinrichtung (Fig. 7, 9) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dritte Verdrahtungsschicht (15, 19, 29), die eine erste und eine zweite Masseleitung (15) umfasst, die jeweils auf einer Seite der ersten und zweiten Schutzleitungen (14) angeordnet sind, die nicht auf die Signalleitung (13) in der zweiten Isolationsschicht (16) hin gerichtet ist, und davon durch Teile des zweiten Isolationsfilms (16) getrennt sind.

4. Integrierte Halbleitereinrichtung (Fig. 2, 10) nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Masseleitung (19) in einem fünften Isolationsfilm (20) vorgesehen ist, der auf dem dritten Isolationsfilm (18) angeordnet ist, getrennt von der dritten Schutzleitung (17) durch Teile des dritten Isolationsfilms (18) und diesen in der Dickenrichtung abdeckend.

5. Integrierte Halbleitereinrichtung (Fig. 12) nach Anspruch 4 und 2, gekennzeichnet durch eine vierte Masseleitung (29), die in einer sechsten Isolationsschicht (28) gebildet ist, die zwischen den ersten und vierten Isolationsfilmen (12, 26) getrennt von der vierten Schutzleitung (27) durch Teile des sechsten Isolationsfilms (28) und diesen in der Dickenrichtung abdeckend angeordnet ist.