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Kondensators ru turCapacitor structure
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kondensatorstruktur, bei der in einer ersten elektrisch leitfähigen Schicht, insbesondere in einer elektrisch leitenden Halbleiterschicht, eine Vielzahl von von einer ersten Hauptfläche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht ausgehenden Sacklöchern vorgesehen ist, bei der die Innenwandungen der Sacklöcher jeweils vollständig mit einer dielektrischen Schicht versehen sind, deren Schichtdicke kleiner als der halbe Durchmesser der Sacklöcher ist, und die auch zumindest einen Teil der ersten Hauptfläche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht bedeckt, bei der auf der dielektrischen Schicht eine zweite elektrisch leitfähige Schicht aufgebracht ist, derart daß die dielektrische Schicht die erste und die zweite elektrisch leitfähige Schicht elektrisch voneinander isoliert und bei der die erste und die zweite elektrisch leitfähigeThe invention relates to a capacitor structure in which a plurality of blind holes extending from a first main surface of the first electrically conductive layer are provided in a first electrically conductive layer, in particular in an electrically conductive semiconductor layer, in which the inner walls of the blind holes are also completely included are provided with a dielectric layer, the layer thickness of which is less than half the diameter of the blind holes, and which also covers at least part of the first main surface of the first electrically conductive layer, in which a second electrically conductive layer is applied to the dielectric layer, such that the dielectric layer, the first and second electrically conductive layers are electrically insulated from one another and in which the first and second electrically conductive layers
Schicht mit einem ersten bzw. mit einem zweiten elektrischen Anschlußkontakt versehen sind.Layer are provided with a first or with a second electrical connection contact.
Derartige Kondensatorstrukturen sind beispielsweise aus der Europäischen Patentanmeldung EP 0 528 281 und aus Lehmann et al . , A new capacitor technology based on porous Silicon, Solid State Technology, November 1995, Seiten 99 und 100 bekannt. Hierin ist jeweils eine Kondensatorstruktur der eingangs genannten Art beschrieben, bei der an einer ersten Oberfläche einer n-dotierten, einkristallinen Siliziumschicht mittels elektrochemischem Ätzen eine Vielzahl von Lochöffnungen hergestellt sind. Die Innenwandungen der Lochöffnungen und die erste Oberfläche der Siliziumschicht sind konform mit einer dielektrischen Schicht (z. B. bestehend aus Si02) be- deckt, auf der wiederum eine leitfähge Schicht (z. B. bestehend aus n-dotiertem Polysilizium) angeordnet ist. An einer zweiten Oberfläche der Siliziumschicht und auf der leitfähi-
gen Schicht befindet sich jeweils ein elektrischer Anschlußkontakt, die beispielsweise aus Aluminium bestehen.Such capacitor structures are known, for example, from European patent application EP 0 528 281 and from Lehmann et al. , A new capacitor technology based on porous Silicon, Solid State Technology, November 1995, pages 99 and 100. A capacitor structure of the type mentioned at the outset is described therein, in which a multiplicity of hole openings are produced on a first surface of an n-doped, single-crystalline silicon layer by means of electrochemical etching. The inner walls of the hole openings and the first surface of the silicon layer are covered conformally with a dielectric layer (eg consisting of SiO 2 ), on which in turn a conductive layer (eg consisting of n-doped polysilicon) is arranged . On a second surface of the silicon layer and on the conductive gene layer there is an electrical connection contact, which consist for example of aluminum.
Bei diesen bekannten Kondensatorstrukturen tritt das Problem auf, daß ihre Durchbruchspannung oftmals unerwartet niedrig ist . Insbesondere bei der Herstellung von Bauteilen mit einer derartigen Kondensatorstruktur in großen Stückzahlen kommt es zu unerwartet hohen Schwankungen der Durchbruchspannung.The problem with these known capacitor structures is that their breakdown voltage is often unexpectedly low. Particularly in the production of components with such a capacitor structure in large numbers, there are unexpectedly high fluctuations in the breakdown voltage.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Kondensatorstruktur der eingangs genannten Art zu entwickeln, die insbesondere bei einer Herstellung in großen Stückzahlen eine gleichbleibend hohe Durchbruchspannung aufweist .The object of the present invention is to develop an improved capacitor structure of the type mentioned at the outset, which has a consistently high breakdown voltage, in particular when it is produced in large numbers.
Diese Aufgabe wird durch eine Kondensatorstruktur mit den Merkmalen des Anspruches 1 oder des Anspruches 4 gelöst . Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kondensatorstrukturen sind Gegenstand der Unteransprüche 2, 3 und 5 bis 10.This object is achieved by a capacitor structure with the features of claim 1 or claim 4. Advantageous developments of the capacitor structures according to the invention are the subject of subclaims 2, 3 and 5 to 10.
Erfindungsgemäß ist bei der ersten Lösung des Problems vorgesehen, daß zumindest ein Teil einer Kondensatorrandzone der Kondensatorstruktur in der ein Randbereich der dielektrischen Schicht, ein Randbereich der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht und die Hauptfläche der ersten elektrisch leitfähigen Schicht nebeneinander zu liegen kommen, mit einer isolierenden Schicht abgedeckt ist. Bevorzugt wird die gesamte Kondensatorrandzone mit einer isolierenden Schicht, insbesondere mit einer PE-Nitridschicht , versiegelt.According to the invention, the first solution to the problem provides that at least part of a capacitor edge zone of the capacitor structure in which an edge region of the dielectric layer, an edge region of the second electrically conductive layer and the main surface of the first electrically conductive layer come to lie side by side, with an insulating layer is covered. The entire capacitor edge zone is preferably sealed with an insulating layer, in particular with a PE nitride layer.
Durch die isolierende Schicht wird verhindert, daß an der Kondensatorrandzone, in der die dielektrische Schicht neben den beiden elektrisch leitfähigen Schichten offenliegt und hersteilungsbedingt dünner ist als innerhalb des Kondensatorgebietes und in der die Dicke der dielektrischen Schicht innerhalb weniger Mikrometer außerhalb des Kondensatorgebietes
bis zur Dicke Null abnimmt, Oberflächenkriechströme ionischer Art Metallbrücken zwischen den beiden elektrisch leitfähigen Schichten bilden, die einen Kurzschluß des Kondensators verursachen würden.The insulating layer prevents the capacitor edge zone in which the dielectric layer is exposed next to the two electrically conductive layers and is thinner due to the manufacturing process than within the capacitor region and in which the thickness of the dielectric layer is within a few micrometers outside the capacitor region decreases to zero thickness, ionic surface leakage currents form metal bridges between the two electrically conductive layers, which would cause a short circuit of the capacitor.
Bei einer zweiten Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß der zweite elektrische Anschlußkontakt auf dem Kondensatorgebiet- eine Mehrschichtmetallisierung aufweist, die mindestens eine Metallschicht mit einer hohen Zugfestigkeit aufweist. Dadurch wird die Gefahr gemindert, daß bei der Montage eines Bauelements mit o.g. Kondensatorstruktur durch hohe Schubkräfte auf den Anschlußkontakt, wie sie beispielsweise bei der sog. Nailheadmontage ausgeübt werden, auch hohe Schubkräfte auf die KondensatorStruktur einwirken und dadurch Risse in der dielektrischen Schicht entstehen. Mittels der Metallschicht mit hoher Zugfestigkeit und damit auch hoher Elastizität wird eine gute mechanische Entkopplung der Kondensatorstruktur bewirkt .In a second solution to the problem, it is provided that the second electrical connection contact on the capacitor region has a multilayer metallization which has at least one metal layer with a high tensile strength. This reduces the risk that when installing a component with the above. Capacitor structure due to high shear forces on the connection contact, such as are exerted in the so-called nailhead assembly, also act on high shear forces on the capacitor structure and this causes cracks in the dielectric layer. A good mechanical decoupling of the capacitor structure is achieved by means of the metal layer with high tensile strength and thus also high elasticity.
Bei Verwendung einer zweiten elektrisch leitenden Schicht aus Silizium kann als Mehrschichtmetallisierung beispielsweise eine Schichtenfolge aus einer Ti-, einer Pt- und einer Au- Schicht verwendet sein. Die Titanschicht dient hierbei als Haftschicht zum Silizium, die Au-Schicht als Kontaktvermitt- 1er z. B. zu einem Bonddraht und die Pt-Schicht als Trennschicht zwischen Ti- und Au-Schicht. Die Ti- und die Pt- Schicht haben eine sehr hohe Zugfestigkeit, was eine gute mechanische Entkopplung der Kondensatorstruktur bewirkt . An Stelle der Au-Schicht kann auch eine AI-Schicht und an Stelle der Pt-Schicht kann eine W-Schicht verwendet sein.If a second electrically conductive layer made of silicon is used, a layer sequence comprising a Ti, a Pt and an Au layer can be used as the multilayer metallization. The titanium layer serves as an adhesive layer to the silicon, the Au layer as a contact agent z. B. to a bond wire and the Pt layer as a separating layer between the Ti and Au layers. The Ti and Pt layers have a very high tensile strength, which results in good mechanical decoupling of the capacitor structure. An Al layer can also be used instead of the Au layer and a W layer can be used instead of the Pt layer.
Eine weitere dahingehende Verbesserung ist die Verwendung einer Flip-Chip-Klebekontaktierung für den zweiten elektrischen Anschlußkontakt, die z. B. im Vergleich zu einer Nailhead- Kontaktierung, bei der Thermokompression zum Einsatz kommt, eine deutlich geringere spezifische Flächenpressung liefert.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur ergeben sich aus dem im folgenden in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Es zeigen:Another improvement in this regard is the use of a flip-chip adhesive contact for the second electrical connection contact, which, for. B. compared to a nailhead contact, in which thermocompression is used, provides a significantly lower specific surface pressure. Further advantageous developments and advantages of the capacitor structure according to the invention result from the exemplary embodiment described below in connection with FIGS. 1 to 3. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch das Ausführungsbeispiel,FIG. 1 shows a schematic illustration of a section through the exemplary embodiment,
Figur 2 eine vergrößerte schematische Darstellung der in Figur 1 durch den Kreis K hervorgehobenen Kondensatorrandzone undFigure 2 is an enlarged schematic representation of the capacitor edge zone highlighted in Figure 1 by the circle K and
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Ausschnittes einer erfindungsgemäßen Mehrschichtmetallisierung.Figure 3 is a schematic representation of a section of a multilayer metallization according to the invention.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kondensatorstruktur 17 weist als erste elektrisch leitende Schicht 1 eine n-dotierte einkristalline Siliziumschicht auf. Diese ist mit einer Vielzahl von von einer ersten Hauptfläche 2 der Siliziumschicht 1 ausgehenden Sacköffnungen 3 versehen. Die Sacköffnungen 3 weisen einen Durchmesser von z. B. 3 μm und eine Tiefe von z. B. 200 μm auf und sind beispielsweise mittels elektrochemischem Ätzen hergestellt. Dieses Ätzverfahren sowie das weitere Verfahren zur Herstellung der im folgenden erläuterten Kondensatorstruktur sind in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 528 281, die diesbezüglich und hinsichtlich des Aufbaus der Kondensatorstruktur sowie der verschiedenen verwendeten Materialien für die einzelnen Bestandteile der Kondensatorstruktur zum Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung gehört, eingehend beschrieben und wird von daher an dieser Stelle nicht näher er- läutert.The exemplary embodiment of the capacitor structure 17 according to the invention shown schematically in FIG. 1 has an n-doped single-crystalline silicon layer as the first electrically conductive layer 1. This is provided with a plurality of blind openings 3 starting from a first main surface 2 of the silicon layer 1. The blind openings 3 have a diameter of z. B. 3 microns and a depth of z. B. 200 microns and are made for example by means of electrochemical etching. This etching method and the further method for producing the capacitor structure explained below are described in detail in European Patent Application EP 0 528 281, which in this regard and with regard to the structure of the capacitor structure and the various materials used for the individual components of the capacitor structure is part of the disclosure content of this application and is therefore not explained in more detail here.
Die Innenwandungen 4 der Sacköffnungen 3 und ein Teil der ersten Hauptfläche 2 der Siliziumschicht 1 sind konform mit einer dielektrischen Schicht 5 bedeckt, auf der sich wiederum eine zweite elektrisch leitende Schicht 6 befindet.
Die dielektrische Schicht 5 besteht beispielsweise aus anodi- sches Si02, thermisches Si02, Si3N4 oder Ti02, kann aber ebenso aus einer Schichtenfolge aus Siliziumoxid-Siliziumnitrid- Siliziumoxid (sogenanntes ONO) bestehen.The inner walls 4 of the bag openings 3 and part of the first main surface 2 of the silicon layer 1 are covered in conformity with a dielectric layer 5, on which in turn there is a second electrically conductive layer 6. The dielectric layer 5 consists for example of anodic Si0 2 , thermal Si0 2 , Si 3 N 4 or Ti0 2 , but can also consist of a layer sequence of silicon oxide-silicon nitride-silicon oxide (so-called ONO).
Ein Teil der ersten Hauptfläche 2 der Siliziumschicht 1 mit den Sacklöchern 3, der sich neben der Kondensatorstruktur 17- befindet, ist nicht mit der dielektrischen Schicht 4 und der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 6 versehen. Hierauf befindet sich ein erster elektrischer Anschlußkontakt 11, der als elektrischer Anschluß für die Siliziumschicht 1 dient und beispielsweise aus Aluminium besteht. Die Siliziumschicht 1 kann aber ebenso alternativ oder zusätzlich auf ihrer der ersten Hauptfläche 2 gegenüberliegenden Hauptfläche oder ir- gendwoanders einen ersten elektrischen Anschlußkontakt aufweisen.A part of the first main surface 2 of the silicon layer 1 with the blind holes 3, which is located next to the capacitor structure 17-, is not provided with the dielectric layer 4 and the second electrically conductive layer 6. There is a first electrical connection contact 11 thereon, which serves as an electrical connection for the silicon layer 1 and consists, for example, of aluminum. As an alternative or in addition, however, the silicon layer 1 can also have a first electrical connection contact on its main surface opposite the first main surface 2 or anywhere else.
Auf der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 6, die z. B. aus n-dotiertem Polysilizium besteht, befindet sich ein zwei- ter elektrischer Anschlußkontakt 12, der wiederum aus Aluminium oder aus einer Mehrschichtmetallisierung 16 (Figur 3) , die beispeilsweise eine Au- oder AI-Schicht 13 als Kontaktvermittler z. B. für einen Bonddraht, eine Pt- oder W-Schicht 14 als Trennschicht und eine Ti-Schicht 15 als Haftschicht zum Silizium aufweist, gefertigt ist. Die Vorteile einer derartigen Mehrschichtmetallisierung 16 sind bereits weiter oben beschrieben.On the second electrically conductive layer 6, the z. B. consists of n-doped polysilicon, there is a second electrical connection contact 12, which in turn is made of aluminum or from a multilayer metallization 16 (FIG. 3), which, for example, has an Au or Al layer 13 as a contact mediator. B. for a bond wire, a Pt or W layer 14 as a separating layer and a Ti layer 15 as an adhesive layer to silicon is made. The advantages of such a multilayer metallization 16 have already been described above.
Auf der Kondensatorrandzone 9 der Kondensatorstruktur, in der ein Randbereich 8 der dielektrischen Schicht 4, ein Randbereich 10 der zweiten elektrisch leitfähigen Schicht 6 und die Hauptfläche 2 der ersten elektrisch leitfähigen Schicht 1 nebeneinander zu liegen kommen, ist eine isolierenden Schicht 7 aufgebracht. Sie besteht bevorzugt aus PE-Nitrid (Silizumnitrid) . Ihre vorteilhafte Wirkung ist ebenfalls weiter oben bereits beschrieben.
Die oben beschriebene Kondensatorstruktur kann beispielsweise in Form eines separaten Kondensatorbauteils mit einem ober- flächenmontierbaren Gehäuse hergestellt und weiterverarbeitet werden. Ebenso kann aber auch die Kondensatorstruktur auf einfache Weise mit anderen Schaltungselementen auf einem einzigen Chip integriert werden.
An insulating layer 7 is applied to the capacitor edge zone 9 of the capacitor structure, in which an edge region 8 of the dielectric layer 4, an edge region 10 of the second electrically conductive layer 6 and the main surface 2 of the first electrically conductive layer 1 come to lie next to one another. It preferably consists of PE nitride (silicon nitride). Their advantageous effect has also been described above. The capacitor structure described above can be manufactured and further processed, for example, in the form of a separate capacitor component with a surface-mountable housing. However, the capacitor structure can also be easily integrated with other circuit elements on a single chip.