Passive Bauelemente Komponenten in 3D-Halbleiter-Technologie

Bild 1: Querschnitt durch einen in PICS-Technologie hergestellten 3D-Silizium-Kondensator.

Der NXP-„Spin Off“ IPDiA arbeitet an der dreidimensionalen Integration passiver Bauelemente. Eine Schlüsselrolle spielen dabei „PICS“, also „Passive Integrated Connective Substrates“. Mit dieser Technologie können Trench-Kondensatoren, MIMKondensatoren, Widerstände, Induktivitäten mit hohen Gütefaktoren, PIN-Dioden und Z-Dioden zusammen mit aktiven Bauelementen auf dem Silizium- Wafer realisiert werden.

IPDiA fertigt seine Integrierten Passiven Bauelemente (IPD) in PICS-Technologie in der dritten Generation. Darin bilden die dreidimensionalen Silizium- Kondensatoren mit Speicherkapazitäten von 25 nF/mm2, 80 nF/mm2 und 250 nF/mm2 einen wichtigen Schwerpunkt. Sie werden in Millionenstückzahlen geliefert und insbesondere in der Konsum-Elektronik verwendet. Neben ihrer hohen spezifischen Kapazität bieten die 3DSilizium- Kondensatoren wegen ihrer niedrigen parasitären Verluste (ESR, ESL) sehr gute HF-Eigenschaften und stabile Kennwerte über den gesamten Temperatur- und Nennspannungsbereich. Eingebaut in IC-Chipgehäusen, sind sie sehr robust gegenüber mechanischen Belastungen und weisen keine Bruchgefahr (Cracks) auf. Besonders hervorzuheben sind die niedrigen Leckströme, daher sind 3D-Silizium- Kondensatoren besonders für batteriebetriebene Geräte geeignet. Wegen der sehr geringen Einbauhöhe – zwischen 100 μm und 400 μm – können mit den 3D-Silizium-Kondensatoren die Elektronik-Baugruppen noch stärker miniaturisiert werden, wegen ihrer außergewöhnlichen Zuverlässigkeit können diese Kondensatoren auch in medizinischen Geräten verwendet werden.

Die hochkapazitiven 3D-Silizium- Kondensatoren nutzen die dritte Dimension im Siliziumsubstrat, um die Oberfläche der Elektroden zu erhöhen, ohne dass die benötigte Substratoberfläche größer wird. Bild 1 zeigt den Querschnitt durch solch einen 3D-Silizium-Kondensator der ersten Generation. In das Silizium-Substrat werden durch die Methode der reaktiven Ionen-Ätzung – dem so genannten Bosch-Prozess – in das Silizium-Substrat regelmäßig verteilte Poren „trocken“ eingeätzt. Auf die Oberfläche dieser Poren wird mit leitfähigem n+- dotiertem Silizium eine Schicht aufgetragen, die als untere Elektrode (lower electrode) des Kondensators dient. Darauf kommt eine dünne isolierende Oxid- Nitrit-Oxid-Schicht (ONO), die das Dielektrikum des Kondensators bildet. Anschließend wird die zweite Elektrode aus n+- Poly-Silizium auf dem Dielektrikum hergestellt, die dann mit einer durchgehenden metallisierten Schicht (metal top electrode) verbunden wird, die dann mit Bond-Drähten kontaktiert werden kann.

Die Kapazitätswerte entscheiden

Die in der PICSTechnologie realisierten 3D-Silizium- Kondensatoren verfügen über außergewöhnlich stabile elektrische Eigenschaften hinsichtlich Temperatur-, Spannungs- und Alterungsverhalten. Die parasitären Verluste (ESR) und Effekte (ESL) sind sehr niedrig. Mit ihrer ungemein hohen Zuverlässigkeit bilden sie eine gute Alternative zu den herkömmlichen und diskreten Keramik-Vielschicht- Chip-Kondensatoren (MLCC) oder SMD- Tantal-Elektrolyt-Kondensatoren, und dies bei deutlich kleineren Abmessungen.

Bild 2 zeigt die Temperaturabhängigkeit der Kapazität der 3D-Silizium- Kondensatoren (<0,002 %) im Bereich von –50 bis +200 °C im Vergleich mit MLCCs und mit SMD-Tantal-Elektrolyt- Kondensatoren. Die Spannungsabhängigkeit der Kapazität bei den Silizium- Kondensatoren ist mit <0,1 %/V mit den C0G-MLCCs der Klasse 1 vergleichbar und damit deutlich besser als die der X7R- oder Y5VMLCC-Chip- Kondensatoren der Klasse 2. Was die Stabilität der elektrischen Parameter und die Speicherdichte betrifft, muss bei den 3D-Silizium-Kondensatoren kein Kompromiss mehr zwischen Klasse-1- und Klasse-2-MLCCChip- oder SM-Tantal-Elektrolyt- Kondensatoren gemacht werden: Die mit der PICS-Technologie hergestellten 3D-Silizium- Kondensatoren bieten stabile Kennwerte bei hohen Kapazitäten.

Leckströme und HF-Verhalten

Beim Aufbau energiesparender Schaltungen müssen auch die Leckströme der Kondensatoren berücksichtigt werden. Die 3DSilizium- Kondensatoren weisen einen Leckstrom von <30 nA/μF bei maximaler Temperatur- und Betriebsspannung auf. Dieser Wert reduziert sich bei tieferen Temperaturen um etwa 12 pA/K (Bild 3). Zudem fallen parasitäre Effekte bei den 3D-Silizium-Kondensatoren weit weniger ins Gewicht als bei Standard- Kondensatoren: Sowohl die parasitäre Induktivität (ESL – equivalent series inductance) als auch der Reihen-Verlustwiderstand (ESR – equivalent series resistance) sind bei gleichem Kapazitätswert kleiner als bei diskreten Kondensatoren. Bei einem 33-pF-3DSilizium- Kondensator der Baugröße 0402 liegt der typische gemessene ESL-Wert unterhalb von 250 pH. Der typische ESR-Wert lag bei diesem Kondensator mit <40 mΩ ebenfalls unter dem vergleichbarer diskreter Kondensatoren. Diese guten Eigenschaften haben zudem einen direkten Einfluss auf den Gütefaktor, der mit <400 recht hoch ist.

Eine von vielen Anwendungen für die 3D-Silizium-Kondensatoren ist die Entkopplung von Stromversorgungen. Um zu zeigen, welche Verbesserung durch den niedrigeren ESL möglich ist, wurde die Einfügungsdämpfung eines 100-nF-X7R-MLCC-Chip-Kondensators mit der eines 100-nF-3-D-Silizium- Kondensators verglichen. Bild 4 zeigt, dass durch die niedrigere Induktivität eine Verbesserung um 15 dB im Dämpfungsverhalten erzielbar ist. Aufgrund der langjährigen Erfahrungen mit Silizium-Bauelementen und den gesammelten Zuverlässigkeitsergebnissen aus vielen Lebensdauerprüfungen kann abgeschätzt werden, dass die Ausfallrate der 3D-Silizium-Kondensatoren bei 37 °C um den Faktor 10 besser und bei 85 °C um den Faktor 1000 besser ist als bei vergleichbaren Standard-MLCC-Chips. Dieser Wert zeigt die sehr hohe Zuverlässigkeit der 3D-Silizium-Kondensatoren, die besonders bei medizinischen Geräten erforderlich ist.