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DE102020200421B4 - Integrated circuit arrangement and method for producing an integrated circuit arrangement - Google Patents

Integrated circuit arrangement and method for producing an integrated circuit arrangement Download PDF

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DE102020200421B4
DE102020200421B4 DE102020200421.8A DE102020200421A DE102020200421B4 DE 102020200421 B4 DE102020200421 B4 DE 102020200421B4 DE 102020200421 A DE102020200421 A DE 102020200421A DE 102020200421 B4 DE102020200421 B4 DE 102020200421B4
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integrated circuit
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active electronic
housing
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Max Eickenscheidt
Thomas Stieglitz
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Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsanordnung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltungsanordnung. Die integrierte Schaltungsanordnung (100) umfasst mindestens eine aktive elektronische Komponente (102), mindestens ein passives elektrisches Element (120), ein elektrisch leitfähiges Gehäuse (130), in welchem die aktive elektronische Komponente (102) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei das passive elektrische Element (120) mindestens eine erste Elektrode (114) und eine zweite Elektrode (132) aufweist, wobei die erste Elektrode (114) im Inneren des Gehäuses (130) mit der aktiven elektronischen Komponente (102) verbunden ist, und wobei die zweite Elektrode (132) durch mindestens einen Teil des Gehäuses (130) gebildet ist.

Figure DE102020200421B4_0000
The present invention relates to an integrated circuit arrangement and to a method for producing an integrated circuit arrangement. The integrated circuit arrangement (100) comprises at least one active electronic component (102), at least one passive electrical element (120), an electrically conductive housing (130) in which the active electronic component (102) is at least partially accommodated, the passive electrical element (120) has at least a first electrode (114) and a second electrode (132), wherein the first electrode (114) is connected inside the housing (130) to the active electronic component (102), and wherein the second Electrode (132) is formed by at least part of the housing (130).
Figure DE102020200421B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine integrierte Schaltungsanordnung und auf ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltungsanordnung.The present invention relates to an integrated circuit arrangement and to a method for producing an integrated circuit arrangement.

Moderne anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs) werden meist in CMOS (Complementary metal-oxide-semiconductor) Technologie realisiert, die eine hohe Schaltungs- und Funktionsdichte ermöglicht. Diese kommerziell erhältlichen Prozesse werden immer weiter optimiert, hin zu kleineren Gategrößen, die wiederum zu immer kleineren Halbleiterchips bei gleichbleibender Funktionalität führen. Diese Miniaturisierung stößt aber bei benötigten Kapazitäten an Grenzen, die kaum mit den bestehenden Prozessen oder Materialien gelöst werden können und oft einen unverhältnismäßigen Teil der Chipfläche einnehmen. Diese Einschränkung ist aber nicht konform mit dem Streben nach einem kleiner werdenden CMOS „Die“ (vereinzelter monolithischer Siliziumwürfel). Hohe Kapazitäten können daher nur mit externen Bauteilen oder neuen Technologien realisiert werden.Modern application-specific integrated circuits (ASICs) are mostly implemented in CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) technology, which enables a high circuit and functional density. These commercially available processes are continuously being optimized towards smaller gate sizes, which in turn lead to ever smaller semiconductor chips with the same functionality. However, this miniaturization reaches its limits when the capacities are required, which can hardly be solved with the existing processes or materials and which often take up a disproportionate part of the chip area. However, this restriction does not conform to the striving for a decreasing CMOS “die” (isolated monolithic silicon cube). High capacities can therefore only be achieved with external components or new technologies.

Sehr kleine ASICs (mit Flächen von weniger als 200x200 µm2) sind gerade in der Biomedizintechnik für implantierbare Systeme sehr vorteilhaft, da geringe Volumina von implantierten Bauteilen zu einer höheren Biokompatibilität und Verträglichkeit führen, wie dies beispielsweise aus dem Artikel Y. Pyungwoo et al, „Toward a distributed free-floating wireless implantable neural recording system,“ (eng), pp. 4495-4498, 2016 , bekannt ist.Very small ASICs (with areas of less than 200x200 μm 2 ) are very advantageous, especially in biomedical engineering for implantable systems, since small volumes of implanted components lead to higher biocompatibility and compatibility, as described in the article, for example Y. Pyungwoo et al, "Toward a distributed free-floating wireless implantable neural recording system," (eng), pp. 4495-4498, 2016 , is known.

In diesem speziellen Anwendungsfall wäre es weiterhin sehr vorteilhaft, diese ASICs konform zu verkapseln, insbesondere eine Schutzschicht von wasser- und gasundurchlässigen Materialien direkt auf dem Chip aufzubringen. Hier bieten sich beispielsweise Metalle an, wie dies in den folgenden Artikeln diskutiert wird:

  • J. Jeong et al., „Conformal Hermetic Sealing of Wireless Microelectronic Implantable Chiplets by Multilayered Atomic Layer Deposition (ALD),“ Adv. Fund Mater., vol. 2, p. 1806440, 2018 ;
  • J. M. Maloney, S. A. Lipka, and S. P. Baldwin, „In Vivo Biostability of CVD Silicon Oxide and Silicon Nitride Films,“ Micro- and nanosystems - materials and devices, 2005 ;
  • G. Kotzar et al, „Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices,“ (eng), Biomaterials, vol. 23, no. 13, pp. 2737-2750, 2002 ; und
  • K. Qian, M. o. d. Beeck, G. Bryce, K. Malachowski, and C. van Hoof, „Novel miniaturized packaging for implantable electronic devices,“ pp. 1-3, 2012.
In this special application, it would also be very advantageous to encapsulate these ASICs conformally, in particular to apply a protective layer of water- and gas-impermeable materials directly to the chip. Metals, for example, are ideal here, as discussed in the following articles:
  • J. Jeong et al., "Conformal Hermetic Sealing of Wireless Microelectronic Implantable Chiplets by Multilayered Atomic Layer Deposition (ALD)," Adv. Fund Mater., Vol. 2, p. 1806440, 2018 ;
  • JM Maloney, SA Lipka, and SP Baldwin, "In Vivo Biostability of CVD Silicon Oxide and Silicon Nitride Films," Micro- and nanosystems - materials and devices, 2005 ;
  • G. Kotzar et al, "Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices," (eng), Biomaterials, vol. 23, no.13, pp. 2737-2750, 2002 ; and
  • K. Qian, M. od Beeck, G. Bryce, K. Malachowski, and C. van Hoof, "Novel miniaturized packaging for implantable electronic devices," pp. 1-3, 2012.

Weiterhin ist eine Ansteuerung und Kontaktierung der Chips mit gleichspannungsfreien Signalen wünschenswert, da somit galvanische Korrosion der leitenden Kontakte, die aus der hermetischen Kapsel herausgeführt werden, vermindert oder sogar vermieden werden kann (siehe J. W. Osenbach, „Water-Induced Corrosion of Materials Used for Semiconductor Passivation,“ J. Electrochem. Soc., vol. 140, no. 12, pp. 3667-3675, 1993 ). Gerade für die Spannungsversorgung der Chips ist dann aber eine Gleichrichtung der externen alternierenden Versorgungsspannung erforderlich, die große Kapazitäten benötigt. Ebenso sind Filter für die zu messenden Eingangssignale wünschenswert, die ebenfalls Kapazitäten benötigen.Furthermore, control and contacting of the chips with DC voltage-free signals is desirable, since galvanic corrosion of the conductive contacts that are led out of the hermetic capsule can thus be reduced or even avoided (see Fig JW Osenbach, "Water-Induced Corrosion of Materials Used for Semiconductor Passivation," J. Electrochem. Soc., Vol. 140, no. 12, pp. 3667-3675, 1993 ). For the voltage supply of the chips in particular, rectification of the external alternating supply voltage is necessary, which requires large capacities. Filters for the input signals to be measured, which also require capacities, are also desirable.

Als weiteres Beispiel für aktive implantierbare ASICs sind Blockkondensatoren zu nennen, die keine Leckströme an Ausgängen für Elektroden, die biologisches Gewebe anregen, zulassen (nach der einschlägigen Norm gefordert, BS EN 45502-1:2015-06-30, „Implants for surgery. Active implantable medical devices. General requirements for safety, marking and for information to be provided by the manufacturer‟, Ausgabedatum: 2015-06-30 ).A further example of active implantable ASICs are block capacitors that do not allow any leakage currents at the outputs for electrodes that stimulate biological tissue (required by the relevant standard, BS EN 45502-1: 2015-06-30, "Implants for surgery. Active implantable medical devices. General requirements for safety, marking and for information to be provided by the manufacturer ‟, issue date: 2015-06-30 ).

Bekannte integrierte Schaltungsanordnungen haben dabei die folgenden Nachteile:

  • Die mit den bekannten Anordnungen zu erreichenden Kapazitäten sind zu gering oder nur mit der kostenaufwendigen Nutzung großer Flächen des Chips zu realisieren. Standardkapazitäten im CMOS Prozess sind MIM (Metal-Insulator-Metal)-Strukturen mit etwa 1fF/µm2, MOS (Poly-Oxid- Diffusion/Well) mit maximal 1-50 pF Kapazität oder MOM (Metal-Oxide-Metal) Strukturen mit etwa 0,2fF/µm2. Weiterhin gibt es die Gateoxide der Transistoren, die mit <10fF/µm2 groß sind, aber die maximalen nutzbaren Flächen sind zu klein. CPOD Kapazitäten (poly on diffusion) können bis zu 8 fF/µm2 erreichen.
Known integrated circuit arrangements have the following disadvantages:
  • The capacities that can be achieved with the known arrangements are too low or can only be achieved with the costly use of large areas of the chip. Standard capacities in the CMOS process are MIM (Metal-Insulator-Metal) structures with about 1fF / µm 2 , MOS (Poly-Oxide-Diffusion / Well) with a maximum of 1-50 pF capacity or MOM (Metal-Oxide-Metal) structures with about 0.2fF / µm 2 . There are also the gate oxides of the transistors, which are <10fF / µm 2 in size, but the maximum usable areas are too small. CPOD capacities (poly on diffusion) can reach up to 8 fF / µm 2 .

Die Kapazitäten (z. B. Stützkapazitäten) müssen daher extern mit diskreten Bauteilen aufgebaut werden, die angebunden werden müssen. Die Verbindung und diese externen Bauteile müssen in einer biomedizinischen Anwendung gemeinsam verkapselt werden, was einen höheren prozesstechnischen Aufwand darstellt, wie dies beispielsweise in dem Artikel X. Liu et al, „Advances in Scalable Implantable Systems for Neurostimulation Using Networked ASICs,“ IEEE Des. Test, vol. 33, no. 4, pp. 8-23, 2016 , gezeigt ist.The capacities (e.g. support capacities) must therefore be built up externally with discrete components that have to be connected. The connection and these external components must be encapsulated together in a biomedical application, which represents a higher process engineering effort, as is the case, for example, in the article X. Liu et al, "Advances in Scalable Implantable Systems for Neurostimulation Using Networked ASICs," IEEE Des. Test, vol. 33, no. 4, pp. 8-23, 2016 is shown.

Die hermetische Verkapselung und Isolation der Chips muss für biomedizinische Anwendungen grundsätzlich erfolgen, um die Langlebigkeit zu gewährleisten.The hermetic encapsulation and isolation of the chips has to be done for biomedical applications in order to guarantee the longevity.

Die US 2003/0122250 A1 bezieht sich auf ein dünnes Hochfrequenzmodul mit integriertem Schaltungschip mit geringer Bruchanfälligkeit. Das Hochfrequenzmodul der Entgegenhaltung (1) enthält ein isolierendes Substrat mit einer Vielzahl von dünnen Keramikplatten, die in Schichten gestapelt sind, und eine isolierende Schicht, die auf der oberen Oberfläche des isolierenden Substrats ausgebildet ist. In dem Hochfrequenzmodul ist auf der Oberseite der Isolierschicht eine Dünnschichtschaltung ausgebildet, die ein Verdrahtungsmuster und einen elektrischen Teil mit einem Widerstand und/oder einem Kondensator umfasst. Das Verdrahtungsmuster ist aus einem Dünnfilm gebildet. Der elektrische Teil ist mit dem Verdrahtungsmuster verbunden und besteht aus einem dünnen Film. Daher kann der elektrische Teil des erfindungsgemäßen Hochfrequenzmoduls genauer geformt werden als ein elektrischer Teil eines verwandten Hochfrequenzmoduls. Folglich ist es möglich, ein Hochfrequenzmodul mit hoher Leistung bereitzustellen.the US 2003/0122250 A1 refers to a thin high-frequency module with an integrated circuit chip with low susceptibility to breakage. The high frequency module of reference (1) includes an insulating substrate having a plurality of thin ceramic plates stacked in layers and an insulating layer formed on the top surface of the insulating substrate. In the high-frequency module, a thin-film circuit is formed on the upper side of the insulating layer, which circuit comprises a wiring pattern and an electrical part with a resistor and / or a capacitor. The wiring pattern is made of a thin film. The electrical part is connected to the wiring pattern and is made of a thin film. Therefore, the electrical part of the high-frequency module according to the invention can be shaped more precisely than an electrical part of a related high-frequency module. As a result, it is possible to provide a high-frequency module with high performance.

Die US 4 654 694 A offenbart ein Gehäuse für eine elektronische Komponente, das mit einem Kondensator versehen ist. Das elektronische Gehäuse hat einen Kondensator in Form einer Trägerplatte, die ein Bauelement trägt und mit einer Kappe abgedeckt ist. Zusätzlich enthält das Gehäuse einen Kondensator, der so auf die Trägerplatte aufgesetzt ist, dass er sich zwischen dem Bauelement und der Kappe befindet.the U.S. 4,654,694 A discloses a case for an electronic component provided with a capacitor. The electronic housing has a capacitor in the form of a carrier plate which carries a component and is covered with a cap. In addition, the housing contains a capacitor which is placed on the carrier plate in such a way that it is located between the component and the cap.

Es besteht daher ein Bedarf an integrierten Schaltungsanordnungen, welche die Nachteile des Standes der Technik überwinden und die kostengünstig herstellbar, robust und zuverlässig sind.There is therefore a need for integrated circuit arrangements which overcome the disadvantages of the prior art and which can be produced inexpensively, are robust and reliable.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.This object is achieved by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims.

Dabei basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, die hermetische konforme Verkapselung der ASICs und die benötigten Kapazitäten in einem Post-Prozess in Standard-MEMS-Technologie, die auf gesamten Wafern gleichzeitig getätigt werden können, zu kombinieren. Somit werden integrierte Schaltungsanordnungen und insbesondere ASICs mit sehr viel geringeren ASIC-Volumina ermöglicht, wobei die Anforderungen von Normen, Langlebigkeit und Funktionalität erfüllt bleiben. Der generellere Lösungsansatz für die Miniaturisierung der ASICs ist die Verlagerung von großen benötigten Flächen aus dem ASIC heraus in die Verkapselung, die damit eine weitere Funktion erhält. Die Seitenwände und die Rückseite der ASICs eignen sich hierfür besonders. So werden mindestens zwei Metallflächen in einem MEMS Prozess auf z.B. einen CMOS ASIC aufgebracht, die durch mindestens eine Isolatorschicht getrennt sind und somit einen Kondensator ausbilden.The present invention is based on the idea of combining the hermetically compliant encapsulation of the ASICs and the required capacities in a post process using standard MEMS technology, which can be carried out on entire wafers at the same time. This enables integrated circuit arrangements and in particular ASICs with very much smaller ASIC volumes, while the requirements of standards, longevity and functionality remain met. The more general approach to the miniaturization of the ASICs is the relocation of the large required areas out of the ASIC into the encapsulation, which thus has an additional function. The side walls and the back of the ASICs are particularly suitable for this. At least two metal surfaces are applied in a MEMS process to e.g. a CMOS ASIC, which are separated by at least one insulating layer and thus form a capacitor.

So können z.B. sogenannte high-k Oxide im ALD (Atomlagenabscheidungs)-Verfahren als Isolationsschichten dienen und zwischen zwei aufgebauten Metallflächen einen Kondensator auf den ungenutzten Außenflächen der ASICs ausbilden. Die ALD Schichten bilden dabei wegen der geringen Dicke und großen Fläche sehr große Kapazitäten (Metal-Insulator-Metal-Kondensatoren).For example, so-called high-k oxides can serve as insulation layers in the ALD (atomic layer deposition) process and form a capacitor on the unused outer surfaces of the ASICs between two built-up metal surfaces. The ALD layers form very large capacitances (metal-insulator-metal capacitors) because of their small thickness and large area.

Der ALD-Prozess ist ein mehrstufiger Abscheidungsprozess, der im Wesentlichen einer Abscheidung mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapour deposition, CVD) ähnelt. Die CVD beruht auf einer Reaktion zweier reaktiver chemischer Vorstufen in der Gasphase, die sich als Produkt auf einem Substrat abscheiden. Im Falle der ALD wird der Prozess in separate Stufen aufgeteilt. Dabei wird im ersten Schritt das Substrat der Gasphase einer reaktiven molekularen Vorstufe ausgesetzt, wobei bis zu eine Monolage der Vorstufe auf der Substratoberfläche chemisorbiert. Am konkreten Beispiel einer Abscheidung von Aluminiumoxid kann beispielsweise Trimethylaluminium (TMA) verwendet werden, welches in Gegenwart von Wasser hochreaktiv ist. Im zweiten Schritt wird der Überschuss an Vorstufenmolekülen durch Pumpen entfernt, um eine ungewollte Reaktion in der Gasphase zu verhindern. Man erhält dadurch eine Benetzung des Substrats mit (im Idealfall) einer Monolage TMA. Dieser Schritt ist im Übrigen der wesentliche Unterschied der ALD verglichen mit der CVD. Im nächsten Schritt wird dieses Substrat der Gasphase der zweiten molekularen Vorstufe ausgesetzt, die sofort mit der Monolage der ersten Vorstufe zum Produkt reagiert. Am Beispiel der Abscheidung von Aluminiumoxid wird als Gegenkomponente zum TMA meist Wasserdampf verwendet. Das überschüssige Wasser und die Reaktionsprodukte (hier Methan) werden wiederum durch Pumpen entfernt und ein Abscheidezyklus ist damit abgeschlossen. Diese Prozedur kann entsprechend den gewünschten Filmdicken wiederholt werden, wobei der abgeschiedene Film Schicht für Schicht wächst. Pro Zyklus können dabei je nach Substrat- und Filmbeschaffenheit Schichten zwischen 0,2 und 1,5 Angström Dicke abgeschieden werden, die in der Regel auch auf Substraten mit sehr komplexen Strukturen konform sind. Dadurch ergeben sich im Gegensatz zu anderen Abscheidemethoden Möglichkeiten, Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen (lithographisch hergestellte Strukturen und kleine Poren) gleichmäßig über ihre Länge und mit präziser Kontrolle der Schichtdicke (im sub-Angström-Bereich) zu beschichten und dadurch die Materialcharakteristik zu verändern.The ALD process is a multi-stage deposition process that is essentially similar to deposition using chemical vapor deposition (CVD). CVD is based on a reaction of two reactive chemical precursors in the gas phase, which are deposited as a product on a substrate. In the case of ALD, the process is divided into separate stages. In the first step, the substrate is exposed to the gas phase of a reactive molecular precursor, with up to a monolayer of the precursor being chemisorbed on the substrate surface. Using the specific example of a deposition of aluminum oxide, trimethylaluminum (TMA), for example, can be used, which is highly reactive in the presence of water. In the second step, the excess of precursor molecules is removed by pumping in order to prevent an unwanted reaction in the gas phase. This results in the substrate being wetted with (ideally) a monolayer of TMA. Incidentally, this step is the main difference between ALD and CVD. In the next step, this substrate is exposed to the gas phase of the second molecular precursor, which immediately reacts with the monolayer of the first precursor to form the product. Using the example of the deposition of aluminum oxide, water vapor is usually used as a counter component to TMA. The excess water and the reaction products (here methane) are again removed by pumps and a separation cycle is thus completed. This procedure can be repeated according to the desired film thicknesses, the deposited film growing layer by layer. Depending on the nature of the substrate and the film, layers between 0.2 and 1.5 Angstroms thick can be deposited per cycle, which are usually also compliant on substrates with very complex structures. In contrast to other deposition methods, this results in the possibility of structures with high aspect ratios (lithographically produced structures and small pores) evenly over their length and with precise control of the layer thickness (in the sub- Angstrom range) and thereby change the material characteristics.

Weiterhin kann die nach außen gerichtete Metallfläche den Chip (bis auf die Kontakte) umschließen und gleichzeitig als konforme hermetische Verkapselung dienen. Um galvanische Korrosion zu verhindern, ist diese Metallfläche als Massekontakt für die Kondensatoren zu verbinden. Alle Abscheidungen (Isolator und Metalle) müssen hierbei kompatibel mit dem ASIC (z.B. CMOS Technologie) sein (siehe z. B. S. Sedky, A. Witvrouw, H. Bender, and K. Baert, „Experimental determination of the maximum post-process annealing temperature for standard CMOS wafers,“ IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 2, pp. 377-385, 2001 ). Daher sind meist Niedertemperaturprozesse (Temperaturen unter 500°C) erstrebenswert, wie der ALD Prozess oder PECVD Prozesse für Isolatoren und Sputtern und Aufdampfen von Metallen.Furthermore, the outwardly directed metal surface can enclose the chip (except for the contacts) and at the same time serve as conformal hermetic encapsulation. In order to prevent galvanic corrosion, this metal surface must be connected as a ground contact for the capacitors. All deposits (insulator and metals) must be compatible with the ASIC (e.g. CMOS technology) (see e.g. S. Sedky, A. Witvrouw, H. Bender, and K. Baert, "Experimental determination of the maximum post-process annealing temperature for standard CMOS wafers," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 48, no. 2, pp. 377-385, 2001 ). Therefore, low-temperature processes (temperatures below 500 ° C) are usually desirable, such as the ALD process or PECVD processes for insulators and sputtering and vapor deposition of metals.

Insbesondere umfasst eine integrierte Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens eine aktive elektronische Komponente, mindestens ein passives elektrisches Element und ein elektrisch leitfähiges Gehäuse, in welchem die aktive elektronische Komponente wenigstens teilweise aufgenommen ist. Das passive elektrische Element weist mindestens eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode auf, die durch eine isolierende oder halbleitende Schicht getrennt sind. Die erste Elektrode im Inneren des Gehäuses ist mit der aktiven elektronischen Komponente verbunden, und die zweite Elektrode wird durch mindestens einen Teil des Gehäuses gebildet. Auf diese Weise können in einem der Herstellung der elektronischen Komponente nachgelagerten Gehäusungsprozess weitere benötigte passive Komponenten wie Kondensatoren, Induktivitäten und/oder Dioden hinzugefügt werden. Diese passiven Komponenten benötigen keinen Bauraum auf der aktiven Fläche der elektronischen Komponente, so dass die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung besonders kompakt ist. Die Einbettung der post-prozessierten passiven Komponenten, insbesondere Kondensatoren, führt zu einer erheblichen Platz- und Kostenersparnis bei handelsüblichen CMOS ASICs als aktive Komponenten. Es sind keine externen (vom Chip unabhängigen) Bauteile nötig. Die Verkapselung der Chips und somit eine Langzeitstabilität ist somit gegeben. Weiterhin können kritische Elemente wie Filter, Gleichrichter- und Blockkapazitäten in den Chip direkt integriert werden, die eine gleichspannungsfreie Versorgung gewährleisten, was zusätzlich Langzeitstabilität in wässrigen Umgebungen ermöglicht. Schließlich werden Blockkapazitäten für die Sicherheit bei elektrischen Stimulationen mit Elektroden integrierbar und es kann eine größere Vielfalt von Signalfiltern genutzt werden, die eventuell große Kapazitäten benötigen.In particular, an integrated circuit arrangement according to the present invention comprises at least one active electronic component, at least one passive electrical element and an electrically conductive housing in which the active electronic component is at least partially accommodated. The passive electrical element has at least a first electrode and a second electrode, which are separated by an insulating or semiconducting layer. The first electrode inside the housing is connected to the active electronic component, and the second electrode is formed by at least a part of the housing. In this way, further required passive components such as capacitors, inductors and / or diodes can be added in a housing process downstream of the production of the electronic component. These passive components do not require any installation space on the active surface of the electronic component, so that the circuit arrangement according to the invention is particularly compact. The embedding of the post-processed passive components, in particular capacitors, leads to considerable space and cost savings in the case of commercially available CMOS ASICs as active components. No external components (independent of the chip) are required. The chips are encapsulated and thus long-term stability is ensured. Furthermore, critical elements such as filters, rectifiers and block capacitors can be integrated directly into the chip, which guarantee a DC voltage-free supply, which also enables long-term stability in aqueous environments. Finally, block capacitances can be integrated for safety in the event of electrical stimulation with electrodes and a greater variety of signal filters can be used, which may require large capacities.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weist die mindestens eine elektronische Komponente einen Grundkörper mit einander gegenüberliegenden Grund- und Deckflächen sowie dazu quer verlaufenden Seitenflächen auf, wobei die mindestens eine erste Elektrode entlang mindestens einer der Seitenflächen angeordnet ist. Auf diese Weise werden die ansonsten nicht genutzten Seitenflächen für die Unterbringung der passiven Bauteile verwendet und der Aufbau der integrierten Schaltungsanordnung wird besonders kompakt und platzsparend.According to an advantageous development of the present invention, the at least one electronic component has a base body with opposing base and top surfaces and side surfaces running transversely thereto, the at least one first electrode being arranged along at least one of the side surfaces. In this way, the otherwise unused side surfaces are used to accommodate the passive components and the structure of the integrated circuit arrangement becomes particularly compact and space-saving.

Erfindungsgemäß hat die aktive elektronische Komponente mindestens einen durch das Gehäuse nach außen geführten elektrischen Anschluss. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die aktive elektronische Komponente mit mindestens einem auf einer Außenseite der integrierten Schaltungsanordnung angeordneten elektrischen Anschluss verbunden ist und der mindestens eine elektrische Anschluss durch ein elektrisch isolierendes Material gegenüber dem übrigen Gehäuse elektrisch isoliert ist. Somit kann für einen Einsatz in wässriger Umgebung maximale Sicherheit und Stabilität gewährleistet werden.According to the invention, the active electronic component has at least one electrical connection that is led to the outside through the housing. In particular, it can be provided that the active electronic component is connected to at least one electrical connection arranged on an outside of the integrated circuit arrangement and the at least one electrical connection is electrically insulated from the rest of the housing by an electrically insulating material. This ensures maximum safety and stability for use in an aqueous environment.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die mindestens eine elektronische Komponente einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, aufweist.The advantages of the present invention come into play in particular when the at least one electronic component has a user-specific integrated circuit, ASIC.

Um einen besonders raumsparenden und effizienten Kondensator zu realisieren, kann das mindestens eine passive Element mindestens eine dielektrische Isolatorschicht mit einer hohen relativen Permittivität („High-k-Dielektrikum“) aufweisen, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist.In order to realize a particularly space-saving and efficient capacitor, the at least one passive element can have at least one dielectric insulator layer with a high relative permittivity (“high-k dielectric”), which is arranged between the first and the second electrode.

Als High-k-Dielektrikum wird in der Halbleitertechnologie ein Material bezeichnet, das eine höhere Dielektrizitätszahl aufweist als herkömmliches Siliziumdioxid (εr=3,9) oder Oxinitrid (εr<6). Die Bezeichnung „High-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Dielektrizitätszahl (relative Permittivität) εr häufig mit k oder κ (kappa) bezeichnet wird.In semiconductor technology, a high-k dielectric is a material that has a higher dielectric constant than conventional silicon dioxide (ε r = 3.9) or oxynitride (ε r <6). The term "high-k" is borrowed from English, where the relative permittivity ε r is often referred to as k or κ (kappa).

Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern, beispielsweise den Stromverbrauch von hochintegrierten Schaltkreisen und Speichern zu verringern oder höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Strukturen verkleinert. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an die physikalischen Grenzen und ist mit höheren Verlustströmen durch quantenmechanische Effekte konfrontiert. So steigt der Tunnelstrom mit der Verringerung der Gatedielektrikumsdicke unter 2 nm stark an. Vor allem für die Speicherherstellung sind große Kapazitäten (zur Speicherung des Zustandes zwischen den Refreshzyklen) mit niedrigen Leckströmen (Verlustleistung) wichtig. Betrachtet man z. B. einen einfachen Plattenkondensator, so berechnet sich die Kapazität C wie folgt: C = ε 0 ε r A d

Figure DE102020200421B4_0001
In order to improve the properties of integrated circuits, for example to reduce the power consumption of highly integrated circuits and memories or to achieve higher switching speeds, the structures are reduced in size. Due to the progressive miniaturization of microelectronic components, the semiconductor industry is increasingly reaching its physical limits and is confronted with higher leakage currents due to quantum mechanical effects. The tunnel current increases with the reduction of the gate dielectric thickness below 2 nm strong. Large capacities (for storing the status between the refresh cycles) with low leakage currents (power loss) are particularly important for memory production. If one considers z. B. a simple plate capacitor, the capacitance C is calculated as follows: C. = ε 0 ε r A. d
Figure DE102020200421B4_0001

Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, ε0 die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und die Materialkonstante εr die relative Permittivität der Isolationsschicht.Here d is the plate spacing, A the area of the capacitor plates, ε 0 the absolute dielectric constant of the vacuum and the material constant ε r the relative permittivity of the insulation layer.

Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres εr) die Dicke der Isolatorschicht in MIS-Strukturen (Durch SiO2 häufig auch MOS genannt) bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wobei Leckströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden.Accordingly, by using high-k materials (larger ε r ), the thickness of the insulator layer in MIS structures ( often also called MOS due to SiO 2 ) can be increased while maintaining the same capacitance, with leakage currents being drastically reduced through the thicker insulator.

Im Gegensatz dazu stehen die Low-k-Dielektrika, die als Isolator zwischen den Leitbahnen eingesetzt werden und durch ihre niedrige Dielektrizitätszahl die entstehenden parasitären Kapazitäten verringern.In contrast, there are the low-k dielectrics, which are used as an insulator between the interconnects and reduce the parasitic capacitances that arise due to their low dielectric constant.

Es werden verschiedene Materialsysteme verwendet, wie amorphe Oxide von Metallen (z. B. Al2O3, Ta2O5) oder Übergangsmetallen (z. B. HfO2, ZrO2). Einen weitergehenden Ansatz stellen kristalline Oxide Seltener Erden (z. B. Pr2O3, Gd2O3 und Y2O3) dar, die gitterangepasstes Wachstum und somit eine perfekte Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator ermöglichen. Weitere Materialien, die verwendet werden können, sind BaTiO3, Si3N4, BaO und La2O3. Die wichtigsten Materialien sind dabei TiO2, ZrO2, HfO2, SiO2, Si3N4 und Al2O3. Natürlich können auch Schichtabfolgen verschiedener dieser Materialien verwendet werden.Various material systems are used, such as amorphous oxides of metals (e.g. Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 ) or transition metals (e.g. HfO 2 , ZrO 2 ). Crystalline oxides of rare earths (e.g. Pr 2 O 3 , Gd 2 O 3 and Y 2 O 3 ) represent a more extensive approach, which enable lattice-adapted growth and thus a perfect interface between semiconductor and insulator. Other materials that can be used are BaTiO 3 , Si 3 N 4 , BaO, and La 2 O 3 . The most important materials are TiO 2 , ZrO 2 , HfO 2 , SiO 2 , Si 3 N 4 and Al 2 O 3 . Of course, layer sequences of various of these materials can also be used.

Um die Kapazität eines solchen Kondensators noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode alternierend dielektrische Isolatorschichten und Metallisierungsschichten angeordnet sind, um einen Vielschichtkondensator auszubilden, wobei die Metallisierungsschichten abwechselnd mit der ersten oder der zweiten Elektrode verbunden sind.In order to increase the capacitance of such a capacitor even further, it can be provided that alternating dielectric insulating layers and metallization layers are arranged between the first and second electrodes in order to form a multilayer capacitor, the metallization layers being alternately connected to the first or the second electrode.

Vielschichtkondensatoren, insbesondere Vielschichtkeramikkondensatoren (Multilayer Ceramic Capacitors, MLCC) sind, wie dies bekannt ist, aus einer Vielzahl von gestapelten Kondensatoren zusammengesetzt, so dass Metallschichten mit Isolatorschichten abwechseln. Die Metallschichten sind wiederum abwechselnd mit der ersten und der zweiten Elektrode zur elektrischen Kontaktierung verbunden. Der Vorteil eines solchen Vielschichtkondensators besteht in der kompakten Bauform bei hoher Kapazität. Weitere Schichten, wie z. B. Schichten zum mechanischen Stressabbau, können in dem Mehrschichtkondensator außerdem vorgesehen sein.As is known, multilayer capacitors, in particular multilayer ceramic capacitors (MLCC), are composed of a large number of stacked capacitors, so that metal layers alternate with insulator layers. The metal layers are in turn connected alternately to the first and the second electrode for electrical contacting. The advantage of such a multilayer capacitor is the compact design with high capacitance. Further layers, such as B. layers for mechanical stress relief, can also be provided in the multilayer capacitor.

Für den Einsatz in wässrigen Medien, insbesondere für implantierbare elektronische Komponenten, ist vorgesehen, dass das Gehäuse die mindestens eine aktive elektronische Komponente hermetisch verkapselt.For use in aqueous media, in particular for implantable electronic components, it is provided that the housing hermetically encapsulates the at least one active electronic component.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein zugehöriges Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltungsanordnung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

  • Bereitstellen mindestens einer aktiven elektronischen Komponente,
  • Aufbringen einer Metallisierungsstruktur zum Erzeugen einer ersten Elektrode,
  • Ausbilden mindestens eines passiven elektrischen Elements an der aktiven elektronischen Komponente, so dass das passive elektrische Element mit der ersten Elektrode verbunden ist,
  • Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials zum elektrischen Isolieren der ersten Elektrode,
  • Anbringen eines elektrisch leitfähigen Gehäuses, in welchem die aktive elektronische Komponente wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei das passive elektrische Element mindestens eine zweite Elektrode aufweist, und wobei die zweite Elektrode durch mindestens einen Teil des Gehäuses gebildet ist.
The present invention also relates to an associated method for producing an integrated circuit arrangement, the method comprising the following steps:
  • Providing at least one active electronic component,
  • Applying a metallization structure to produce a first electrode,
  • Forming at least one passive electrical element on the active electronic component so that the passive electrical element is connected to the first electrode,
  • Applying an electrically insulating material for electrically insulating the first electrode,
  • Attaching an electrically conductive housing in which the active electronic component is at least partially accommodated, the passive electrical element having at least one second electrode, and the second electrode being formed by at least part of the housing.

Dabei kann die mindestens eine elektronische Komponente einen Grundkörper mit einander gegenüberliegenden Grund- und Deckflächen sowie dazu quer verlaufenden Seitenflächen aufweisen, wobei die mindestens eine erste Elektrode entlang mindestens einer der Seitenflächen angeordnet wird.In this case, the at least one electronic component can have a base body with opposing base and top surfaces and side surfaces running transversely thereto, the at least one first electrode being arranged along at least one of the side surfaces.

Für den Einsatz in wässrigen Medien kann vorgesehen sein, dass die aktive elektronische Komponente mindestens einen durch das Gehäuse nach außen geführten elektrischen Anschluss hat und der mindestens eine elektrische Anschluss durch das elektrisch isolierende Material gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist. Eine besonders hohe Sicherheit und Langzeitstabilität erreich man, wenn das Gehäuse Platin, Titan und/oder Gold aufweist, und/oder das elektrisch isolierende Material SiO2 und/oder Si3N4 aufweist.For use in aqueous media it can be provided that the active electronic component has at least one electrical connection that is led to the outside through the housing and that the at least one electrical connection is electrically insulated from the housing by the electrically insulating material. A particularly high level of safety and long-term stability can be achieved if the housing has platinum, titanium and / or gold and / or the electrically insulating material has SiO 2 and / or Si 3 N 4 .

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung kommen insbesondere dann zum Tragen, wenn die mindestens eine elektronische Komponente einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, aufweist.The advantages of the present invention come into play in particular when the at least one electronic component has a user-specific integrated circuit, ASIC, has.

Um einen besonders raumsparenden und effizienten Kondensator zu realisieren, kann das mindestens eine passive Element mindestens eine dielektrische Isolatorschicht mit einer hohen relativen Permittivität aufweisen, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet ist. Um die Kapazität eines solchen Kondensators noch weiter zu erhöhen, kann vorgesehen sein, dass zwischen der ersten und der zweiten Elektrode alternierend dielektrische Isolatorschichten und Metallisierungsschichten angeordnet sind, um einen Vielschichtkondensator auszubilden, wobei die Metallisierungsschichten abwechselnd mit der ersten oder der zweiten Elektrode verbunden sind. Die dielektrische Isolatorschicht kann in vorteilhafter Weise in einem Atomlagenabscheidungsverfahren, ALD, auf die Metallisierungsschicht aufgebracht werden. Beispielsweise kann die dielektrische Isolatorschicht High-k-Materialien wie z. B. Al2O3, Ta2O5, TiO2, HfO2, Pr2O3, Gd2O3, Y2O3, BaTiO3, SiO2, Si3N4, BaO, La2O3, und/oder ZrO2 aufweisen.In order to realize a particularly space-saving and efficient capacitor, the at least one passive element can have at least one dielectric insulator layer with a high relative permittivity, which is arranged between the first and the second electrode. In order to increase the capacitance of such a capacitor even further, it can be provided that alternating dielectric insulating layers and metallization layers are arranged between the first and second electrodes in order to form a multilayer capacitor, the metallization layers being alternately connected to the first or the second electrode. The dielectric insulator layer can advantageously be applied to the metallization layer in an atomic layer deposition process, ALD. For example, the dielectric isolator layer can be high-k materials such as e.g. B. Al 2 O 3 , Ta 2 O 5 , TiO 2 , HfO 2 , Pr 2 O 3 , Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , BaTiO 3 , SiO 2 , Si 3 N 4 , BaO, La 2 O 3 , and / or ZrO 2 .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in dem Schritt des Anbringens des elektrisch leitfähigen Gehäuses die mindestens eine aktive elektronische Komponente hermetisch verkapselt.According to an advantageous embodiment of the present invention, the at least one active electronic component is hermetically encapsulated in the step of attaching the electrically conductive housing.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei werden gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen und gleichen Bauteilbezeichnungen versehen. Weiterhin können auch einige Merkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Schnittdarstellung einer integrierten Schaltungsanordnung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine schematische Schnittdarstellung einer integrierten Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Schnittdarstellung einer integrierten Schaltungsanordnung gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung.
For a better understanding of the present invention, it is explained in more detail using the exemplary embodiments shown in the following figures. The same parts are provided with the same reference numerals and the same component names. Furthermore, some features or combinations of features from the different embodiments shown and described can represent in themselves independent, inventive or inventive solutions. Show it:
  • 1 a schematic sectional illustration of an integrated circuit arrangement according to a first aspect of the present invention;
  • 2 a schematic sectional illustration of an integrated circuit arrangement according to a further aspect of the present invention;
  • 3 a schematic sectional illustration of an integrated circuit arrangement according to a further aspect of the present invention.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Figuren, und dabei insbesondere zunächst mit Bezug auf die schematischen Schnittdarstellungen der 1, näher erläutert. Es wird angemerkt, dass in sämtlichen Figuren die Größenverhältnisse und insbesondere die Schichtdickenverhältnisse nicht unbedingt maßstabsgetreu wiedergegeben sind. Weiterhin ist in den Figuren die dreidimensionale Struktur der integrierten Schaltungsanordnungen nicht gezeigt. Üblicherweise haben die integrierten Schaltungsanordnungen in der Draufsicht eine rechteckige Umrissform. Selbstverständlich können aber auch runde, ovale oder polygonale Formen gewählt werden.The present invention is explained below with reference to the figures, and in particular initially with reference to the schematic sectional views of FIG 1 , explained in more detail. It is noted that in all of the figures the size ratios and in particular the layer thickness ratios are not necessarily shown true to scale. Furthermore, the three-dimensional structure of the integrated circuit arrangements is not shown in the figures. The integrated circuit arrangements usually have a rectangular outline shape in plan view. Of course, round, oval or polygonal shapes can also be selected.

1 zeigt in Form einer schematischen Schnittdarstellung eine integrierte Schaltungsanordnung 100 gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform. Die integrierte Schaltungsanordnung 100 weist als aktive elektronische Komponente 102 eine anwenderspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) auf. Der ASIC 102 hat einen Grundkörper 104 mit einer Deckfläche 106 und einer Grundfläche 108. Weiterhin sind Seitenflächen 110 unter einem Winkel unterschiedlich von 90° angeordnet, so dass der Querschnitt des Grundkörpers 104 trapezförmig ist. Selbstverständlich kann der ASIC 102 auch quaderförmig sein, wobei die Seitenflächen im rechten Winkel zu den Grund- und Deckflächen stehen. 1 shows an integrated circuit arrangement in the form of a schematic sectional illustration 100 according to a first advantageous embodiment. The integrated circuit arrangement 100 exhibits as active electronic component 102 an application specific integrated circuit (ASIC). The ASIC 102 has a basic body 104 with a top surface 106 and a base 108 . There are also side faces 110 arranged at an angle different from 90 °, so that the cross section of the base body 104 is trapezoidal. Of course, the ASIC 102 also be cuboid, with the side surfaces at right angles to the base and top surfaces.

Für die Erstellung elektrische Anschlüsse, die nach außen geführt werden sollen, und zum Ausbilden der ersten Elektrode diverser passiver elektrischer Elemente ist auf der Oberfläche des Grundkörpers 104 eine erste, innenliegende Metallisierungslage 112 angeordnet.For the creation of electrical connections that are to be led to the outside, and for the formation of the first electrode, various passive electrical elements are on the surface of the base body 104 a first, internal metallization layer 112 arranged.

Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die integrierte Schaltungsanordnung 102 integrierte Kondensatoren auf. Ein erster Kondensator 120 ist an einer der Seitenflächen 110 angeordnet und hat eine erste Elektrode 114, die durch die strukturierte erste Metallisierungslage 112 ausgebildet ist. Ein weiterer Kondensator 116 ist an der Grundfläche 108 des ASIC 102 ausgebildet. Seine erste Elektrode 118 ist ebenfalls durch Strukturieren der ersten Metallisierungslage 112 erzeugt. Eine Rückseitenkontaktierung der ersten Elektrode kann auch mittels einer Silizium-Durchkontaktierung (TSV, through-silicon via) realisiert werden (nicht in der Figur eingezeichnet).According to the present invention, the integrated circuit arrangement 102 integrated capacitors. A first capacitor 120 is on one of the side faces 110 arranged and has a first electrode 114 through the structured first metallization layer 112 is trained. Another capacitor 116 is at the base 108 of the ASIC 102 educated. His first electrode 118 is also by structuring the first metallization layer 112 generated. Rear-side contacting of the first electrode can also be implemented by means of a through-silicon via (TSV) (not shown in the figure).

Erfindungsgemäß ist auf jeder der beiden ersten Elektroden 114, 118 ein Dielektrikum mit hoher relativer Permittivität (High-k-Dielektrikum) 122, 124 abgeschieden. Diese dielektrische Isolatorschicht kann beispielsweise Al2O3r=9), Y2O3r=15), La2O3r=30), Ta2O5r=26), TiO2r=80), HfO2r=25) und/oder ZrO2r=25) aufweisen.According to the invention is on each of the first two electrodes 114 , 118 a dielectric with high relative permittivity (high-k dielectric) 122, 124 is deposited. This dielectric insulating layer can, for example, Al 2 O 3r = 9), Y 2 O 3r = 15), La 2 O 3r = 30), Ta 2 O 5r = 26), TiO 2r = 80), HfO 2r = 25) and / or ZrO 2r = 25).

Weiterhin wird die restliche Oberfläche des ASIC 102 mit einem elektrisch isolierenden Material 126 beschichtet. Dabei werden Öffnungen für Durchkontaktierungen 128 zu der ersten Metallisierungslage 112 vorgesehen. Das elektrisch isolierende Material 126 kann jede geeignete organische oder anorganische Substanz umfassen. Beispielsweise werden anorganische Materialien wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder auch das für die Kondensatoren verwendete Dielektrikum eingesetzt.Furthermore, the remaining surface of the ASIC 102 with an electrically insulating material 126 coated. There are openings for vias 128 to the first metallization layer 112 intended. The electrically insulating material 126 may include any suitable organic or inorganic substance. For example, inorganic materials such as silicon dioxide or silicon nitride or the dielectric used for the capacitors are used.

Zur hermetischen Verkapselung des ASIC 102 umfasst die integrierte Schaltungsanordnung 100 ein Gehäuse 130, das erfindungsgemäß aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist. In vorteilhafter Weise besteht das Gehäuse 130 aus Metall. Besonders geeignet für die Herstellung des hermetisch abschließenden Gehäuses 130 sind inerte Metalle wie Platin, Titan oder Gold.For hermetically encapsulating the ASIC 102 comprises the integrated circuit arrangement 100 a housing 130 , which is made according to the invention from an electrically conductive material. The housing is advantageously made 130 made of metal. Particularly suitable for the manufacture of the hermetically sealed housing 130 are inert metals such as platinum, titanium or gold.

Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das Gehäuse 130 die zweiten Elektroden 132, 134 der beiden Kondensatoren 120 bzw. 116. Diese zweiten Elektroden 132, 134 liegen im Betrieb der integrierten Schaltungsanordnung auf Masse.According to the present invention, the housing forms 130 the second electrodes 132 , 134 of the two capacitors 120 or. 116 . These second electrodes 132 , 134 are grounded during operation of the integrated circuit arrangement.

Zum elektrischen Kontaktieren der nicht mit Masse verbundenen Kontakte des ASICs 102 und der ersten Elektroden 114, 118 sind elektrische Anschlüsse 136 so nach außen gelegt, dass sie durch das elektrisch isolierende Material 126 von dem übrigen Gehäuse 130 isoliert sind und beispielsweise Kontaktpads ausbilden. In der schematischen Darstellung der 1 ist nur ein einziger Anschlussbereich 136 gezeigt. Selbstverständlich sind üblicherweise mehr als ein nicht mit Masse verbundener Anschluss 136 vorgesehen.For making electrical contact with the contacts of the ASIC that are not connected to ground 102 and the first electrodes 114 , 118 are electrical connections 136 placed on the outside so that it passes through the electrically insulating material 126 from the rest of the housing 130 are isolated and form, for example, contact pads. In the schematic representation of the 1 is only a single connection area 136 shown. It goes without saying that there are usually more than one connection not connected to ground 136 intended.

Weiterhin kann auch vorgesehen sein, einen der Anschlussbereiche 136 und nicht das Gehäuse 130 im Betrieb auf Massepotential zu legen. Für implantierte integrierte Schaltungsanordnungen ist es aber vorteilhaft, wenn das leitfähige Gehäuse im Betrieb auf Massepotential liegt.Furthermore, one of the connection areas can also be provided 136 and not the case 130 to be connected to ground potential during operation. For implanted integrated circuit arrangements, however, it is advantageous if the conductive housing is at ground potential during operation.

Mit Bezug auf 2 wird nunmehr eine integrierte Schaltungsanordnungen 200 gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform im Detail erläutert.Regarding 2 is now an integrated circuit 200 explained in detail according to a further advantageous embodiment.

Die integrierte Schaltungsanordnung 200 weist eine aktive elektronische Komponente, beispielsweise einen ASIC 202, und ein elektrisch leitfähiges Gehäuse 230 auf, das den ASIC 202 hermetisch umschließt. In vorteilhafter Weise besteht das Gehäuse 230 aus Metall. Besonders geeignet für die Herstellung des hermetisch abschließenden Gehäuses 230 sind inerte Metalle wie Platin, Titan oder Gold.The integrated circuit arrangement 200 has an active electronic component, such as an ASIC 202 , and an electrically conductive housing 230 on that the ASIC 202 hermetically encloses. The housing is advantageously made 230 made of metal. Particularly suitable for the manufacture of the hermetically sealed housing 230 are inert metals such as platinum, titanium or gold.

Die aktive elektronische Komponente, beispielsweise ein ASIC 202, hat eine Grundfläche 208 und eine Deckfläche 206. Verglichen zu der Anordnung aus 1 sind die Seitenflächen 210 wesentlich kleiner als die Grund- und Deckflächen 208, 206. Daher wird die Deckfläche 206 teilweise zum Anbringen eines Kondensators 220 genutzt. Eine erste Elektrode 214 ist hierfür auf der Deckfläche 206 ausgebildet und mit einem High-k-Dielektrikum 222 beschichtet. Wie bezüglich 1 erwähnt, kann die dielektrische Isolatorschicht beispielsweise Al2O3r=9), Y2O3r=15), La2O3r=30), Ta2O5r=26), TiO2r=80), HfO2r=25) und/oder ZrO2r=25) aufweisen.The active electronic component, for example an ASIC 202 , has a base 208 and a top surface 206 . Compared to the arrangement out 1 are the side faces 210 much smaller than the base and top areas 208 , 206 . Hence the top surface 206 partly for attaching a capacitor 220 used. A first electrode 214 is for this on the top surface 206 formed and with a high-k dielectric 222 coated. How regarding 1 mentioned, the dielectric insulating layer can, for example, Al 2 O 3r = 9), Y 2 O 3r = 15), La 2 O 3r = 30), Ta 2 O 5r = 26) , TiO 2r = 80), HfO 2r = 25) and / or ZrO 2r = 25).

Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine zweite Elektrode 232, die auf dem High-k-Dielektrikum 222 abgeschieden ist, um einen Plattenkondensator auszubilden, nur in dem Bereich des Anschlusses 236 von dem Gehäuse 230 gebildet, während der Bereich der Elektrode, der mit dem High-k-Dielektrikum 222 in Kontakt ist, von einem elektrisch isolierenden Material 226 bedeckt ist.Furthermore, according to the present embodiment, a second electrode 232 that are on the high-k dielectric 222 is deposited to form a plate capacitor, only in the area of the terminal 236 from the housing 230 formed while the area of the electrode that shared the high-k dielectric 222 is in contact, of an electrically insulating material 226 is covered.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform kann im Betrieb entweder der Anschluss 236 der zweiten Elektrode 232 oder die erste Elektrode 214 auf Masse gelegt werden. Im Fall, dass die erste Elektrode auf Massepotential gelegt wird, kann außerdem vorgesehen sein, dass die erste Elektrode mit dem übrigen Gehäuse 230 elektrisch verbunden ist (nicht sichtbar in 2). Das elektrisch isolierende Material 226 trennt den Anschlussbereich 236 und die gesamte zweite Elektrode 232 elektrisch von dem restlichen Gehäuse 230. Das elektrisch isolierende Material 126 kann jede geeignete organische oder anorganische Substanz umfassen. Beispielsweise werden anorganische Materialien wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder auch das für den Kondensator verwendete Dielektrikum eingesetzt.At the in 2 The embodiment shown can either be the connection during operation 236 the second electrode 232 or the first electrode 214 be put on ground. In the event that the first electrode is connected to ground potential, it can also be provided that the first electrode is connected to the rest of the housing 230 is electrically connected (not visible in 2 ). The electrically insulating material 226 separates the connection area 236 and the entire second electrode 232 electrically from the rest of the housing 230 . The electrically insulating material 126 may include any suitable organic or inorganic substance. For example, inorganic materials such as silicon dioxide or silicon nitride or the dielectric used for the capacitor are used.

3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer integrierten Schaltungsanordnung 300 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die integrierte Schaltungsanordnung 300 weist als aktive elektronische Komponente 302 eine anwenderspezifische integrierte Schaltung (application specific integrated circuit, ASIC) auf. Der ASIC 302 hat einen Grundkörper 304 mit einer Deckfläche 306 und einer Grundfläche 308. Weiterhin sind Seitenflächen 310 unter einem Winkel unterschiedlich von 90° angeordnet, so dass der Querschnitt des Grundkörpers 304 trapezförmig ist. 3 shows a further advantageous embodiment of an integrated circuit arrangement 300 according to the present invention. The integrated circuit arrangement 300 exhibits as active electronic component 302 an application specific integrated circuit (ASIC). The ASIC 302 has a basic body 304 with a top surface 306 and a base 308 . There are also side faces 310 arranged at an angle different from 90 °, so that the cross section of the base body 304 is trapezoidal.

Die Ausführungsform der 3 entspricht der Ausführungsform der 1 darin, dass ein Kondensator 320 an einer Seitenfläche 310 des ASIC 302 angeordnet ist. Im Unterschied zu den bisher beschriebenen Anordnungen ist der Kondensator 320 als Vielschichtkondensator ausgebildet, bei dem drei Schichten Dielektrikum 322 abwechselnd mit ersten und zweiten Elektroden 312, 332 aufeinandergeschichtet sind. Jeweils zwei erste Elektroden 312 und jeweils zwei zweite Elektroden 332 sind elektrisch miteinander verbunden, wie dies für einen Vielschichtkondensator bekannt ist. Im Ergebnis kann die Kapazität des Kondensators 320 signifikant gegenüber der einfachen Plattenkondensatoranordnung erhöht werden. Das Dielektrikum 322 ist in vorteilhafter Weise durch ein Dielektrikum mit hoher relativer Permittivität (High-k-Dielektrikum) gebildet. Diese dielektrische Isolatorschicht kann beispielsweise Al2O3r=9), Y2O3r=15), La2O3r=30), Ta2O5r=26), TiO2r=80), HfO2r=25) und/oder ZrO2r=25) aufweisen.The embodiment of the 3 corresponds to the embodiment of 1 in that a capacitor 320 on one side surface 310 of the ASIC 302 is arranged. In contrast to the arrangements described so far, the capacitor 320 designed as a multilayer capacitor with three layers of dielectric 322 alternating with first and second electrodes 312 , 332 are stacked on top of each other. Two first electrodes each 312 and two second electrodes each 332 are electrically connected to one another, as is known for a multilayer capacitor. As a result, the capacitance of the capacitor 320 can be significantly increased compared to the simple plate capacitor arrangement. The dielectric 322 is advantageously formed by a dielectric with high relative permittivity (high-k dielectric). This dielectric insulating layer can, for example, Al 2 O 3r = 9), Y 2 O 3r = 15), La 2 O 3r = 30), Ta 2 O 5r = 26), TiO 2r = 80), HfO 2r = 25) and / or ZrO 2r = 25).

Weiterhin wird die äußerste zweite Elektrode 332 durch das Gehäuse 330 gebildet, welches den ASIC 302 hermetisch umschließt. Im Betrieb wird diese Elektrode zweckmäßigerweise auf Massepotential gelegt. Das Gehäuse 330 ist erfindungsgemäß aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist. In vorteilhafter Weise besteht das Gehäuse 330 aus Metall. Besonders geeignet für die Herstellung des hermetisch abschließenden Gehäuses 330 sind inerte Metalle wie Platin, Titan oder Gold.Furthermore, the outermost second electrode 332 through the housing 330 formed which the ASIC 302 hermetically encloses. During operation, this electrode is expediently connected to ground potential. The case 330 is made according to the invention from an electrically conductive material. The housing is advantageously made 330 made of metal. Particularly suitable for the manufacture of the hermetically sealed housing 330 are inert metals such as platinum, titanium or gold.

Weiterhin wird die restliche Oberfläche des ASIC 302 mit einem elektrisch isolierenden Material 326 beschichtet. Dabei werden Öffnungen für Durchkontaktierungen 328 zu der ersten Metallisierungslage (in der Figur ist die elektrische Verbindung nicht sichtbar) vorgesehen. Das elektrisch isolierende Material 326 kann jede geeignete organische oder anorganische Substanz umfassen. Beispielsweise werden anorganische Materialien wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid oder auch das für die Kondensatoren verwendete Dielektrikum eingesetzt.Furthermore, the remaining surface of the ASIC 302 with an electrically insulating material 326 coated. There are openings for vias 328 to the first metallization layer (the electrical connection is not visible in the figure). The electrically insulating material 326 may include any suitable organic or inorganic substance. For example, inorganic materials such as silicon dioxide or silicon nitride or the dielectric used for the capacitors are used.

Zusammenfassend schlägt die vorliegende Erfindung eine hermetische Verkapselung eines ASICs mit einer Metallfläche vor, die gleichzeitig als eine Elektrode für eine post-prozessierte Kapazität mit einem high-k-Material dient. Die zweite Elektrode ist direkt auf dem ASIC oder dem zwischengelagerten Isolator aufgebracht. Der Kondensator kann auf allen ungenutzten Flächen des ASICs aufgebracht werden, insbesondere den Seitenwänden und der Rückseite. Zur weiteren Steigerung der Kapazität kann ein Vielschichtkondensator durch alternierende Anordnung von Isolatoren und den beiden Elektrodenflächen erzeugt werden.In summary, the present invention proposes a hermetic encapsulation of an ASIC with a metal surface, which at the same time serves as an electrode for a post-processed capacitance with a high-k material. The second electrode is applied directly to the ASIC or the insulator that is placed in between. The capacitor can be applied to all unused areas of the ASIC, in particular the side walls and the rear. To further increase the capacitance, a multilayer capacitor can be produced by alternating the arrangement of insulators and the two electrode surfaces.

Es ergibt sich durch die vorliegende Erfindung der Vorteil, dass ein Anwender große Kondensatoren auf schon investierter Fläche realisieren und damit z. B. Stützkondensatoren, Filter oder Blockkondensatoren realisieren kann, die ansonsten diskret außerhalb des Siliziumchips aufgebaut werden müssen. So können z. B. Kapazitäten zur Gleichrichtung von Eingangssignalen auf sehr kleinen ASICs realisiert werden und somit eine gleichspannungsfreie Versorgung ermöglicht werden. Dies ist insbesondere für implantierbare ASICs (oder allgemein in wässriger Umgebung zu nutzende ASICs) sehr hilfreich, da somit galvanische Korrosion der aktiven Bauteile verhindert wird. Zusätzlich kann für Chips in wässriger Umgebung eine Elektrode, insbesondere Masse, den Chip hermetisch verschließen und damit die Lebensdauer erhöhen.The present invention has the advantage that a user can realize large capacitors on an area already invested and thus z. B. support capacitors, filters or block capacitors that otherwise have to be built discretely outside of the silicon chip. So z. B. Capacities for rectifying input signals can be implemented on very small ASICs, thus enabling a DC voltage-free supply. This is very helpful in particular for implantable ASICs (or ASICs to be used in general in an aqueous environment), since it prevents galvanic corrosion of the active components. In addition, for chips in an aqueous environment, an electrode, in particular mass, can hermetically seal the chip and thus increase the service life.

Damit ist eine Skalierung der ASICs zu immer kleineren Einheiten möglich, was für implantierbare Systeme ein wichtiges Ziel ist.This enables the ASICs to be scaled to smaller and smaller units, which is an important goal for implantable systems.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100, 200, 300100, 200, 300
Integrierte SchaltungsanordnungIntegrated circuit arrangement
102, 202, 302102, 202, 302
Aktive elektronische Komponente; ASICActive electronic component; ASIC
104, 204, 304104, 204, 304
GrundkörperBase body
106, 206, 306106, 206, 306
DeckflächeDeck area
108, 208, 308108, 208, 308
GrundflächeFloor space
110, 210, 310110, 210, 310
SeitenflächeSide face
112, 212, 312112, 212, 312
Erste MetallisierungslageFirst metallization layer
114, 214, 314114, 214, 314
Erste Elektrode des ersten KondensatorsFirst electrode of the first capacitor
116116
Zweiter KondensatorSecond capacitor
118118
Erste Elektrode des zweiten KondensatorsFirst electrode of the second capacitor
120, 220, 320120, 220, 320
Erster KondensatorFirst capacitor
122, 222, 322122, 222, 322
High-k-DielektrikumHigh-k dielectric
124124
High-k-DielektrikumHigh-k dielectric
126, 226, 326126, 226, 326
Elektrisch isolierendes MaterialElectrically insulating material
128, 228, 328128, 228, 328
DurchkontaktierungVia
130, 230, 330130, 230, 330
Gehäusecasing
132, 232, 332132, 232, 332
Zweite Elektrode des ersten KondensatorsSecond electrode of the first capacitor
134134
Zweite Elektrode des zweiten KondensatorsSecond electrode of the second capacitor
136, 236, 336136, 236, 336
Anschlussconnection

Claims (16)

Integrierte Schaltungsanordnung (100) umfassend: mindestens eine aktive elektronische Komponente (102), mindestens ein passives elektrisches Element (120), ein elektrisch leitfähiges Gehäuse (130), in welchem die aktive elektronische Komponente (102) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei das passive elektrische Element (120) mindestens eine erste Elektrode (114) und eine zweite Elektrode (132) aufweist, wobei die erste Elektrode (114) im Inneren des Gehäuses (130) mit der aktiven elektronischen Komponente (102) verbunden ist, und wobei die zweite Elektrode (132) durch mindestens einen Teil des Gehäuses (130) gebildet ist, und wobei die aktive elektronische Komponente (102) mit mindestens einem auf einer Außenseite der integrierten Schaltungsanordnung (100) angeordneten elektrischen Anschluss (136) verbunden ist und der mindestens eine elektrische Anschluss (136) durch ein elektrisch isolierendes Material (126) gegenüber dem übrigen Gehäuse elektrisch isoliert ist.Integrated circuit arrangement (100) comprising: at least one active electronic component (102), at least one passive electrical element (120), an electrically conductive housing (130) in which the active electronic component (102) is at least partially accommodated, the passive electrical element (120) at least a first electrode (114) and a second Electrode (132), wherein the first electrode (114) inside the housing (130) is connected to the active electronic component (102), and wherein the second electrode (132) is formed by at least part of the housing (130) and wherein the active electronic component (102) is connected to at least one electrical connection (136) arranged on an outside of the integrated circuit arrangement (100) and the at least one electrical connection (136) is connected to the rest by an electrically insulating material (126) Housing is electrically isolated. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine passive elektrische Element (120) einen Kondensator, eine Induktivität und/oder eine Diode aufweist.Integrated circuit arrangement according to Claim 1 , wherein the at least one passive electrical element (120) has a capacitor, an inductance and / or a diode. Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mindestens eine aktive elektronische Komponente (102) einen Grundkörper (104) mit einander gegenüberliegenden Grund- und Deckflächen (108, 106) sowie dazu quer verlaufenden Seitenflächen (110) aufweist, und wobei die mindestens eine erste Elektrode (114) entlang mindestens einer der Seitenflächen (110) angeordnet ist.Integrated circuit arrangement according to Claim 1 or 2 , wherein the at least one active electronic component (102) has a base body (104) with opposing base and top surfaces (108, 106) and side surfaces (110) running transversely thereto, and wherein the at least one first electrode (114) along at least one of the side surfaces (110) is arranged. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine aktive elektronische Komponente (102) einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, aufweist.Integrated circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the at least one active electronic component (102) has a user-specific integrated circuit, ASIC. integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mindestens eine passive Element (120) mindestens eine dielektrische Isolatorschicht (122) mit einer hohen relativen Permittivität aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (114, 132) angeordnet ist.Integrated circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the at least one passive element (120) has at least one dielectric insulator layer (122) with a high relative permittivity, which is arranged between the first and the second electrode (114, 132). Integrierte Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (314, 332) alternierend dielektrische Isolatorschichten (322) und Metallisierungsschichten angeordnet sind, um einen Vielschichtkondensator auszubilden, und wobei die Metallisierungsschichten abwechselnd mit der ersten oder der zweiten Elektrode verbunden sind.Integrated circuit arrangement according to Claim 5 wherein dielectric insulator layers (322) and metallization layers are arranged alternately between the first and second electrodes (314, 332) in order to form a multilayer capacitor, and wherein the metallization layers are alternately connected to the first or the second electrode. Integrierte Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (130) die mindestens eine aktive elektronische Komponente hermetisch verkapselt.Integrated circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein the housing (130) hermetically encapsulates the at least one active electronic component. Verfahren zum Herstellen einer integrierten Schaltungsanordnung (100), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen mindestens einer aktiven elektronischen Komponente (102), Aufbringen einer Metallisierungsstruktur (112) zum Erzeugen einer ersten Elektrode (114), Ausbilden mindestens eines passiven elektrischen Elements (120) an der aktiven elektronischen Komponente (102), so dass das passive elektrische Element (120) mit der ersten Elektrode (114) verbunden ist, Aufbringen eines elektrisch isolierenden Materials (126) zum elektrischen Isolieren der ersten Elektrode (114), Anbringen eines elektrisch leitfähigen Gehäuses (130), in welchem die aktive elektronische Komponente (102) wenigstens teilweise aufgenommen ist, wobei das passive elektrische Element (120) mindestens eine zweite Elektrode (132) aufweist, und wobei die zweite Elektrode (132) durch mindestens einen Teil des Gehäuses gebildet ist.A method for producing an integrated circuit arrangement (100), the method comprising the following steps: Providing at least one active electronic component (102), Applying a metallization structure (112) to produce a first electrode (114), Forming at least one passive electrical element (120) on the active electronic component (102) so that the passive electrical element (120) is connected to the first electrode (114), Applying an electrically insulating material (126) for electrically insulating the first electrode (114), Attaching an electrically conductive housing (130) in which the active electronic component (102) is at least partially accommodated, the passive electrical element (120) having at least one second electrode (132), and the second electrode (132) being at least part of the housing is formed. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die mindestens eine aktive elektronische Komponente (102) einen Grundkörper (104) mit einander gegenüberliegenden Grund- und Deckflächen (108, 106) sowie dazu quer verlaufenden Seitenflächen (110) aufweist, und wobei die mindestens eine erste Elektrode (114) entlang mindestens einer der Seitenflächen (110) angeordnet wird.Procedure according to Claim 8 , wherein the at least one active electronic component (102) has a base body (104) with opposing base and top surfaces (108, 106) and side surfaces (110) running transversely thereto, and wherein the at least one first electrode (114) along at least one of the side surfaces (110) is arranged. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die aktive elektronische Komponente (102) mindestens einen durch das Gehäuse (130) nach außen geführten elektrischen Anschluss (136) hat und der mindestens eine elektrische Anschluss (136) durch das elektrisch isolierende Material (126) gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert ist.Procedure according to Claim 8 or 9 wherein the active electronic component (102) has at least one electrical connection (136) led to the outside through the housing (130) and the at least one electrical connection (136) is electrically insulated from the housing by the electrically insulating material (126). Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Gehäuse Platin, Titan und/oder Gold aufweist, und/oder wobei das elektrisch isolierende Material SiO2 und/oder Si3N4 aufweist.Procedure according to Claim 10 , wherein the housing comprises platinum, titanium and / or gold, and / or wherein the electrically insulating material comprises SiO 2 and / or Si 3 N 4 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die mindestens eine aktive elektronische Komponente (102) einen anwenderspezifischen integrierten Schaltkreis, ASIC, aufweist.Method according to one of the Claims 8 until 11 wherein the at least one active electronic component (102) has a user-specific integrated circuit, ASIC. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das mindestens eine passive Element (120) mindestens eine dielektrische Isolatorschicht (122) mit einer hohen relativen Permittivität aufweist, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (114, 132) angeordnet ist.Method according to one of the Claims 8 until 12th wherein the at least one passive element (120) has at least one dielectric insulator layer (122) with a high relative permittivity, which is arranged between the first and the second electrode (114, 132). Verfahren nach Anspruch 13, wobei zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (114, 132) alternierend Isolatorschichten und Metallisierungsschichten angeordnet werden, um einen Vielschichtkondensator auszubilden, und wobei die Metallisierungsschichten abwechselnd mit der ersten oder der zweiten Elektrode verbunden werden.Procedure according to Claim 13 wherein insulator layers and metallization layers are alternately arranged between the first and second electrodes (114, 132) in order to form a multilayer capacitor, and the metallization layers are alternately connected to the first or the second electrode. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die dielektrische Isolatorschicht (122) in einem Atomlagenabscheidungsverfahren, ALD, auf die Metallisierungsschicht aufgebracht wird.Procedure according to Claim 13 or 14th wherein the dielectric isolator layer (122) is applied to the metallization layer in an atomic layer deposition, ALD, process. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, wobei in dem Schritt des Anbringens des elektrisch leitfähigen Gehäuses die mindestens eine aktive elektronische Komponente (102) hermetisch verkapselt wird.Method according to one of the Claims 8 until 15th wherein in the step of attaching the electrically conductive housing the at least one active electronic component (102) is hermetically encapsulated.
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