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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Realisierung bzw. Implementierung
eines Kondensators in einer mehrlagigen integrierten Schaltung.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere näherhin die gemischten
integrierten Schaltungen, welche einen digitalen und einen analogen
Teil enthalten.
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In
einer gemischten integrierten Schaltung in CMOS-Technologie sind
die MOS-Transistoren im allgemeinen in unterschiedlichen Blöcken verteilt,
je nachdem, ob sie zu den analogen oder digitalen Teilen der Schaltung
gehören.
Die analogen und digitalen Blöcke
werden im allgemeinen getrennt voneinander gespeist, d. h. mittels
verschiedener Zuleitungen und Kontakte der integrierten Schaltung.
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In
einer HOMOS-Technologie mit mehreren Metallschichten wird ein Kondensator
im allgemeinen zwischen der unteren Metallisierungsebene und der unmittelbar
oberen Ebene realisiert. Zur Verringerung des Oberflächenbedarfs
des Kondensators realisiert man gewöhnlich einen Kondensator als
Verbund von zwei symmetrischen Kapazitäten zu beiden Seiten eines
Teils bzw. Bereichs einer unteren Metallschicht.
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1 zeigt
in sehr schematischer Weise ein herkömmliches Ausführungsbeispiel
eines Kondensators in HOMOS-Technologie mit mehreren Metallschichten. Über einem
Substrat 1 vom P-Typ, in welchem die MOS-Transistoren ausgebildet
sind, ist die aufeinanderfolgende Abscheidung und Ätzung einer Schicht 2 aus
polykristallinem Silizium und mehrerer Metallschichten 3, 4 vorgesehen.
Gegebenenfalls kann eine zweite polykristalline Siliziumschicht
vorgesehen werden. Jede Schicht ist jeweils von den beiden Nachbarschichten
durch eine dielektrische Schicht, im allgemeinen aus Siliziumoxid,
getrennt.
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Im
Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnet ,Metallisierungsebene
bzw. -niveau' unterschiedslos
eine polykristalline Siliziumschicht oder eine Metallschicht.
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In 1 wird
der Kondensator von zwei intermetallischen Kapazitäten C1,
C2 zwischen den Schichten 3, 4 bzw. 2, 3 gebildet.
Ein erster Anschluss 6 des Kondensators wird von einem
Kontaktkissen bzw. -bereich zur Zwischenschicht 3 gebildet. Ein
zweiter Anschluss 7 des Kondensators wird durch einen mit
den Schichten 2 und 4 verbundenen Kontakt gebildet,
derart dass die Kapazitäten
C1 und C2 parallel zueinander liegen. Oberhalb der Ebene bzw. dem
Niveau 4 sind im allgemeinen andere Ebenen bzw. Niveaus
vorgesehen, beispielsweise wenigstens eine Metallschicht 5,
die zur Ausbildung der Verbindungsleiterbahnen der verschiedenen
Bauteile mit einem positiven Speisepotential Vdd dient. Das Substrat 1 befindet
sich auf einem Potential Vss, im allgemeinen Masse.
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Zwischen
der Schicht 2 und dem Substrat 1 sowie zwischen
der Verbindungsleiterbahn des Anschlusses 6 zur Schicht 3 und
dem Substrat 1 sind parasitäre oder Streukapazitäten Cp bzw.
C'p vorhanden. Desgleichen
treten, falls das Ätzmuster
der Schicht 5 (oder jeder anderen oberen Metallisierungsebene)
dazu führt, dass
diese Schicht in vertikaler Ausrichtung mit dem realisierten Kondensator liegt,
(nicht dargestellte) parasitäre
bzw. Streukapazitäten
zwischen der Schicht 4 und der Schicht 5 sowie zwischen
der Verbindung des Anschlusses 6 zur Schicht 3 und
der Schicht 5 auf.
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2 zeigt
das elektrische Ersatzschaltbild des so realisierten Kondensators
C zwischen den Anschlüssen 6 und 7.
Aus Gründen
der Klarheit und Übersichtlichkeit
ist nur parasitären
bzw. Streukapazitäten
Cp, C'p auf Seiten
des Substrats 1 Rechnung getragen.
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Ein
Problem, das sich bei dem Betrieb der Schaltung stellt, ist, dass
die Ladung des Kondensators C von die Kapazitäten Cp, C'p durchsetzendem Rauschen gestört bzw.
beeinträchtigt
werden kann. Dieses Problem ist besonders kritisch in den gemischten
Schaltungen infolge des Kommutationsrauschens des digitalen Teils
der Schaltung, das die Masse störend
beeinträchtigt
und durch das Substrat 1 bis in den vertikal darüber befindlichen
Kondensator gelangt.
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Die
Größe dieses
Problems hängt
von dem für
den Kondensator gewünschten
Signal/Rausch-Verhältnis
ab und damit von der Höhe des
Ladungspegels dieses Kondensators. Je kleiner der Ladungspegel ist,
den der Kondensator speichern soll, um so größer ist der Einfluss des Kommutationsrauschens.
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Ein
Anwendungsbeispiel, auf welches sich die vorliegende Erfindung bezieht,
ist das Gebiet der Analog-Digital-Wandler unter Verwendung von sogenannten
,Auto-Zeroing'-Komparatoren,
welche einen Speicherkondensator beim Sampeln benötigen.
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In
einem derartigen Wandler ist das kleinste quantifizierbare Element
eine Funktion des Betrags der Bezugsspannung und der Zahl der Bits,
des Konverters. Beispielsweise liegt für eine Bezugsspannung in der
Größenordnung
von 1,5 V das kleinste quantifizierbare Element im Falle eines 8-Bit-Wandlers
in der Größenordnung
von 6 bis 7 mV. Nun ist das durch die parasitären oder Streukapazitäten eingeführte Rauschen
im wesentlichen unabhängig
von der Speisespannung und damit von der Bezugsspannung. Somit verändert eine
Verringerung des Betrags des kleinsten quantifizierbaren Elements
das Signal/Rausch-Verhältnis, während die
Miniaturisierung der integrierten Schaltungen zu einer Verringerung der
Speisespannungen führt,
um den Leistungsverbrauch zu verringern.
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Man
erkennt, dass das gleiche Problem sich für jeden intermetallischen Speicherkondensator stellt,
dessen Ladungspegel nicht vernachlässigbar klein gegenüber dem
Kommutationsrauschen ist.
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Die
vorliegende Erfindung bezweckt, die intermetallischen Speicherkondensatoren
unabhängig vom
Kommutationsrauschen zu machen, das die Stromversorgung und -speisung
der integrierten Schaltung störend
beeinträchtigen
kann.
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Insbesondere
soll durch die vorliegende Erfindung ein neues Verfahren zur Realisierung
bzw. Implementierung eines intermetallischen Kondensators in einer
mehrlagigen integrierten Schaltung geschaffen werden.
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Ein
charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin,
dass man zu beiden Seiten von äußeren, endseitigen
Metallisierungsebenen bzw. -niveaus eines inter metallischen Kondensators
und vor den äußeren Metallisierungsebenen
der Schaltung zwei vorspannbare Teile bzw. Bereiche von Schichten
stehen lässt.
So liegt gemäß der vorliegenden
Erfindung wenigstens ein Teil einer vorspannbaren Schicht zwischen
dem Substrat und einem Bereich einer ersten äußeren Metallisierungsebene
des Kondensators vor. Am anderen Ende der Schichtfolge ist wenigstens
ein Bereich einer vorspannbaren Schicht zwischen dem Teil der zweiten äußeren Metallisierungsebene
des Kondensators und einer Metallschicht, in welcher im allgemeinen die
Speise-Leiterbahnen der Schaltung ausgebildet sind, vorhanden.
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Ein
anderes charakteristisches Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht
darin, dass diese beiden Teile von vorspannbaren Schichten mit der
Masse der integrierten Schaltung verbunden sind. Somit werden durch
die vorliegende Erfindung innerhalb der Dicke der Schaltung zwei
kalte Bereiche zu beiden Seiten des intermetallischen Kondensators
zwischengeschaltet.
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Näherhin betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Realisierung bzw. Implementierung eines
intermetallischen Kondensators in einer mehrlagigen integrierten
Schaltung, welche ausgehend von einem Substrat vom P-Typ wenigstens
fünf Metallisierungsebenen
bzw. -niveaus aufweist, wobei das Ver-fahren umfasst:
- – beidseits
von äußeren Metallisierungsebenen des
Kondensators wird wenigstens ein Teil einer von dem Substrat und
von der letzten Metallisierungsebene (27) verschiedenen
vorspannbaren Ebene (22, 26) stehengelassen; sowie
- – die
beiden vorspannbaren Bereiche bzw. Teile werden wenigstens in vertikaler
Ausrichtung mit dem Kondensator auf das Potential des Substrats vorgespannt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Kondensator zwischen drei Metallisierungsebenen
bzw. -niveaus ausgebildet, wobei ein erster Anschluss des Kondensators durch
einen Kontakt zur Zwischenebene und ein zweiter Anschluss durch
einen den äußeren Ebenen des
Kondensators gemeinsamen Kontakt gebildet wird.
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Die
vorliegende Erfindung sieht auch einen intermetallischen Kondensator
in Realisierung bzw. Implementierung in einer mehrlagigen integrierten Schaltung
vor, welche ausgehend von einem Substrat vom P-Typ wenigstens fünf Metallisierungsebenen
bzw. -niveaus aufweist, wobei die beiden, äußere bzw. Endteile des Kondensators
definierenden Ebenen von dem Substrat bzw. von einer letzten Metallisierungsebene
durch einen Teil bzw. Bereich einer vorspannbaren Ebene getrennt
sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist jeweils jeder vorspannbare Bereich
bzw. Teil mit dem Substratpotential verbunden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist bei Anwendung auf die Realisierung
eines intermetallischen Kondensators in einer gemischten integrierten
Schaltung vorgesehen, dass die vorspannbaren Teile bzw. Bereiche
direkt mit der analogen Masse der integrierten Schaltung verbunden
sind.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der Kondensator
in einer in HCMOS-Technologie ausgebildeten Schaltung, welche eine
polykristalline Siliziumschicht und drei Metallschichten enthält, zwischen
der ersten, zweiten und dritten Metallschicht realisiert ist.
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Diese
sowie weitere Gegenstände,
Ziele, Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden, nicht-einschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele
der Erfindung im einzelnen auseinandergesetzt, in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungsfiguren; in diesen dienen
die bereits beschriebenen 1 und 2 zur
Darlegung des Standes der Technik und der Problemstellung, sowie
zeigt
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3 in
sehr schematischer Weise eine Ausführungsform eines intermetallischen
Kondensators gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Aus
Gründen
der Klarheit und Übersichtlichkeit
sind in den Zeichnungsfiguren nur die zum Verständnis der Erfindung erforderlichen
Elemente dargestellt und im folgenden beschrieben.
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3 zeigt
eine Ausführungsform
eines intermetallischen Kondensators gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die
in 3 dargestellte Ausführungsform ist in einer Technologie
realisiert, welche sechs Metallisierungsebenen bzw. -niveaus umfasst,
d. h. ausgehend von einem Substrat 21 eine polykristalline
Siliziumschicht 22 und fünf Metallschichten 23, 24, 25, 26 und 27.
In einer derartigen Technologie wird ein intermetallischer Kondensator
gemäß der Erfindung zwischen
der ersten, zweiten und dritten Metallschicht 23, 24 und 25 ausgebildet.
Wie zuvor sind zur Minimierung des Oberflächenbedarfs des Kondensators
Kapazitäten
C1 und C2 in Parallelschaltung verbunden, wobei ein erster Anschluss 6 des
Kon densators durch einen Kontakt zur Schicht 24 gebildet
wird und ein zweiter Anschluss 7 des Kondensators durch einen
den Schichten 23 und 25 gemeinsamen Kontakt.
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Die
obere Metallschicht 27 ist beispielsweise die Schicht,
in welcher die positiven Speise-Leiterbahnen der Bauteile der integrierten
Schaltung realisiert sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird der Teil der Metallisierungsebene (hier die polykristalline Siliziumschicht 22),
der zwischen dem Substrat 21 und der Schicht 23 in
vertikaler Ausrichtung mit dem intermetallischen Kondensator liegt,
auf das Potential Vss vorgespannt, d. h. auf Masse. Ebenso ist die vierte
Metallschicht 26, wenigstens in dem Bereich, der vertikal
mit dem Kondensator ausgerichtet ist, auf das Potential Vss vorgespannt.
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Die
Verbindung der polykristallinen Siliziumschicht 22 mit
Masse hat den Effekt, dass sie die Ausbreitung von Umschaltrauschen,
welches das Substrat 21 bis zum Kondensator durchsetzt,
verhindert.
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Die
Verbindung der vierten Metallschicht 26 mit Masse hat den
Effekt, den Kondensator gegenüber
der auf Vdd vorgespannten Schicht 27 zu schützen, d.
h. gegenüber
positiven Umschaltspitzen.
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Vorzugsweise
werden die Vorspannungen der Schichten 22 und 26 durch
die Masse des analogen Teils der integrierten Schaltung bewirkt,
der insgesamt weniger durch das Umschaltrauschen beeinträchtigt wird
als die Masse des digitalen Teils.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass der intermetallische
Kondensator zwischen zwei von dem Substrat und der oberen Metallisierungsschicht,
in welchen die Speisezuleitungen realisiert sind, verschiedenen
Ebenen eingeschlossen ist. Indem man diese beiden Ebenen auf Massepotential vorspannt,
findet sich der Kondensator zwischen zwei kalten Bereichen eingeschlossen,
was ihn gegenüber
parasitären
oder Streukapazitäten
zwischen dem Substrat 21 und der ersten Metallisierungsebene
sowie zwischen der letzten Metallisierungsebene 27 und
der vorletzten Metallisierungsebene 26 isoliert.
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Tatsächlich werden,
da die Schicht 22 direkt durch ein Kontaktkissen mit Masse
verbunden ist, die Ladungen abgeführt und es gibt keine Kopplung
zwischen der Schicht 22 und der Schicht 23. Außerdem wird
die parasitäre
oder Streukapazität
(C'p, 1) zwischen
der Verbindungsleitung der Schicht 24 mit dem Anschluss 6 und
dem Substrat 21 unterdrückt.
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Auf
Seiten der positiven Speise- bzw. Versorgungszufuhr führt die
direkte Verbindung der Schicht 26 mit Masse mittels eines
Kontaktkissens dazu, dass diese Verbindung eine deutlich geringere
Impedanz darstellt als die indirekte Verbindung vermittels der parasitären oder
Streukapazität
zwischen den Schichten 26 und 27. Obzwar daher
die parasitären Kapazitäten von
gleicher Größenordnung
sind, ist die durch die Schicht 26 eingeführte Masse
nicht rauschbehaftet. Als konkretes Beispiel ist die Größenordnung
einer parasitären
intermetallischen Kapazität von
20 bis 100 femptoFarad, und die Impedanz der Verbindungsleitungen
zur Masse liegt in der Größenordnung
von einigen Ohm. Somit ist für
eine Arbeitsfrequenz eines Analog-Digital-Wandlers, die im allgemeinen
in der Größenordnung
von einigen 10 MHz liegt, die Impedanz der Verbindungsleitungen
zu Masse vollständig
vernachlässigbar
gegenüber
der der parasitären
oder Streukapazität.
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Man
erkennt, dass die vorliegende Erfindung sich auch zur Anwendung
bei der Realisierung eines intermetallischen Kondensators in einer
Technologie eignet, welche eine polykristalline Siliziumschicht und
vier Metallschichten umfasst. In diesem Fall wird der Kondensator
jedoch nur zwischen zwei Metallisierungsebenen realisiert, derart
dass dieser Kondensator zwischen zwei mit Masse verbundenen Ebenen
eingeschlossen wird, die von dem Substrat und von der letzten, die
positive Speisezufuhr erhaltenden Metallschicht verschieden sind.
Ebenso eignet sich die Erfindung zur Anwendung bei einer Schaltung,
welche mehr als fünf
Metallschichten enthält.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Modifikationen
zugänglich,
welche sich für
den Fachmann ergeben. Insbesondere wurde in der vorstehenden Beschreibung
auf Kondensatoren zur Anwendung in Analog-Digital-Wandlern Bezug
genommen, jedoch ist die Erfindung von Interesse für jede Anwendung, bei
welcher ein Kondensator für
eine Ladungsübertragung
verwendet wird und bei welcher man das Signal/Rausch-Verhältnis zu
verbessern wünscht.