DE102020200421B4 - Integrated circuit arrangement and method for producing an integrated circuit arrangement - Google Patents
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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. 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).
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
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:
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;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 -
; undG. Kotzar et al, „Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices,“ (eng), Biomaterials, vol. 23, no. 13, pp. 2737-2750, 2002 - 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.
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;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 -
; andG. Kotzar et al, "Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices," (eng), Biomaterials, vol. 23, no.13, pp. 2737-2750, 2002 - 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
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,
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.
- 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
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
Die
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.
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:
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.
- 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.
-
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
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
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die integrierte Schaltungsanordnung
Erfindungsgemäß ist auf jeder der beiden ersten Elektroden
Weiterhin wird die restliche Oberfläche des ASIC
Zur hermetischen Verkapselung des ASIC
Gemäß der vorliegenden Erfindung bildet das Gehäuse
Zum elektrischen Kontaktieren der nicht mit Masse verbundenen Kontakte des ASICs
Weiterhin kann auch vorgesehen sein, einen der Anschlussbereiche
Mit Bezug auf
Die integrierte Schaltungsanordnung
Die aktive elektronische Komponente, beispielsweise ein ASIC
Weiterhin wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine zweite Elektrode
Bei der in
Die Ausführungsform der
Weiterhin wird die äußerste zweite Elektrode
Weiterhin wird die restliche Oberfläche des ASIC
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)
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|---|---|---|---|
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Publications (2)
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| DE102020200421B4 true DE102020200421B4 (en) | 2021-07-29 |
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| DE102020200421.8A Active DE102020200421B4 (en) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | Integrated circuit arrangement and method for producing an integrated circuit arrangement |
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| US4654694A (en) | 1983-07-29 | 1987-03-31 | Compagnie D'informatique Militaire Spatiale Et Aeronautique | Electronic component box supplied with a capacitor |
| US20030122250A1 (en) | 2001-12-21 | 2003-07-03 | Alps Electric Co., Ltd. | Thin high-frequency module having integrated circuit chip with little breakage |
-
2020
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102020200421A1 (en) | 2021-07-15 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication | ||
| R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
| R020 | Patent grant now final |