專利名稱：組件、芯片及操作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種包括DC-DC轉換器的組件以及操作所述DC-DC 轉換器的方法。
背景技術：
如今集成電路(IC)的功耗很大程度上取決于動態(tài)和待機功耗。 動態(tài)功耗是由數(shù)字電路中的切換事件或者由模擬電路中的偏置電流引 起的，并且與電路的活動模式相關聯(lián)。待機功耗是由在沒有任何電路 切換活動的情況下(即當集成電路空閑時)出現(xiàn)的晶體管泄露引起的。 由于IC的技術標度發(fā)展至較高分辨率伴隨著泄漏電流的增大，因而待
機功耗對總功耗的貢獻變得越來越顯著。為了克服這一影響，向ic
應用各種電源管理技術。
所應用的一種電源管理技術是電源門控。這是通過在電源軌與某 些電壓島的供電管腳之間插入電源開關來實現(xiàn)的，該電壓島將需要相 同供電電壓的塊組合起來。在待機模式下，電源開關將電壓島與電源
軌斷開。這減少了泄漏。例如，針對通過引用合并于此的US6,246，121 中的數(shù)字IC，解釋了電壓島(例如核心島和外圍島)的使用。每一個 電壓島將從諸如DC-DC轉換器或線性調(diào)節(jié)器之類的專用電源塊接收 供電電壓。
然而，考慮到需要傳導較大電流，利用較大晶體管來實現(xiàn)電源開 關。這樣的較大電流是從電源軌(尤其是以較低壓降)汲取的。對于 晶體管而言，它們在待機模式下存在泄漏，因為在電源與地之間存在 路徑。由于電源開關的尺寸，通過這些電源開關的泄漏而引起的功耗 仍然相當大
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠降低功耗的改進的電源系
這個目的是利用具有第一芯片和第二芯片的組件來實現(xiàn)的，其中 第一芯片包括半導體器件，第二芯片包括具有表面和至少一個溝槽電 容器的襯底，所述至少一個溝槽電容器包括第一和第二電極以及中間 電介質(zhì)，該中間電介質(zhì)實質(zhì)上在第一區(qū)域內(nèi)垂直于襯底表面而延伸。
在這個組件中，定義了切換頻率在50-200MHz范圍內(nèi)的DC-DC轉換 器，該轉換器包括電感器，另外還包括第二芯片中的溝槽電容器的網(wǎng) 絡。該溝槽電容器與互連圖案并聯(lián)，該互連圖案被設計為限制在互連 中產(chǎn)生電感器所感應的渦流。
根據(jù)本發(fā)明，通過將具有電感式拓撲結構的DC-DC轉換器引入 組件內(nèi)以降低功耗。這一固定并集成的DC-DC轉換器具有將供電電 壓上變換或下變換至應用電壓的功能。其中，由于若干因素導致了功 耗的下降。首先，應用電壓可以是第一芯片的操作專用的，更具體地 在分別組裝的DC-DC轉換器的情況下。應用電壓也是可以調(diào)節(jié)的。 這種更好指定的應用電壓通常較低，因而導致功耗較低。其次，由于 使用了固定DC-DC轉換器，因而降低了電流，同時還降低了功耗。 另外，DC-DC轉換器在待機模式下形成充分的隔離。
為了能夠?qū)C-DC轉換器集成到組件內(nèi)，需要較高的切換頻率。 這一較高的切換頻率比利用傳統(tǒng)DC-DC轉換器所能達到的最大功率 高。page2傳統(tǒng)DC-DC轉換器的切換頻率受DC-DC轉換器內(nèi)的緩沖 電容器的寄生分量的限制。最大頻率往往在5-10MHz范圍內(nèi)。
由于各個溝槽電容器具有極低的寄生分量，因此根據(jù)本發(fā)明可以 降低切換頻率。溝槽電容器的互連網(wǎng)絡還可以被設計為具有非常低的 寄生分量。但是由于集成，各個分量往往相互影響，從而引起寄生。 可以看出，尤其是電感器能夠通過產(chǎn)生渦流在溝槽電容器的網(wǎng)絡中引 起寄生。此外，溝槽電容器的互連圖案被設計為防止其中產(chǎn)生渦流。
這也設置了給本集成的電感式DC-DC轉換器提供的切換頻率的 范圍。渦流和其他寄生成分遠遠超過200MHz的上限。下限是由無源 元件的尺寸需求給出的。此外，如果集成組件的尺寸過大，則互連變大，從而導致互連較不整齊且較不直，并且由此導致較大的寄生。
在有益實施例中，溝槽電容器的網(wǎng)絡以下列方式相對于電感器而 放置在溝槽電容器和電感器在襯底表面的垂直投射上，溝槽電容器 位于電感器的外緣內(nèi)。本實施例簡化了設計，以將渦流和寄生減小至最小。
如上所述，電容器之間以及電容器與電容器之間的互連的設計應 限制渦流的產(chǎn)生。此外，寄生阻抗應較小。第一設計特征可以是提供 實質(zhì)上為塊狀互連。這樣的互連可以在垂直投射中覆蓋若干溝槽電容 器。因此，它不僅僅在第一溝槽電容器與第二溝槽電容器之間延伸。 正如從隱藏了若干電容器的頂視圖中所看到的，它是與若干溝槽電容 器相連接的互連。這一形狀減小了固有阻抗。
第二設計特征在于該塊狀互連是條狀的。即使使用平行的塊狀互 連來將溝槽電容器并行地互連，對于限制電感器產(chǎn)生的渦流而言，條 狀優(yōu)于方形互連。
第三設計特征在于將條狀互連圖案設計為使得該條狀互連從中 心呈放射狀地延伸出。該中心是根據(jù)電感器的設計選擇的，該中心為 電感器的中心是適當?shù)摹Ｔ谟幸嫘薷闹?，中心實際上是互連圖案的中 心。然后，該互連以這個中心適當?shù)叵嗷ミB接。備選地，該中心在互
連圖案之外或者在其邊緣處。從中心看出去，該互連圖案在例如20-90
度的角度內(nèi)延伸。這一實現(xiàn)尤其在電感器包圍的表面積比溝槽電容器 網(wǎng)絡所包括的表面積大的情況下是優(yōu)選的。
條狀互連可以被規(guī)定為其長度沿著從互連圖案的中心定義的輻 射軸以及其寬度與長度垂直。在優(yōu)選修改中，互連的寬度隨著到所述 中心的距離的增大而增大。優(yōu)選地，第一與第二相鄰條狀互連之間的 距離實質(zhì)上等于互連的總長度。這一修改使得可以用于定義溝槽電容 器的表面積最大化。
此外，可以看出溝槽電容器的分布優(yōu)選地是非均勻的。適當?shù)兀?該溝槽電容器集中于遠離中心的區(qū)域中(例如靠近電感器)。因此，將
溝槽電容器定義在第一和第二同心電容器區(qū)域內(nèi)，其中的第一區(qū)域位 于第二區(qū)域內(nèi)。這里，第二電容器區(qū)域中的電容器密度比第一電容器區(qū)域中的電容器密度大。
溝槽電容器可以被定義在第二芯片的襯底中或者在襯底上。優(yōu)選 地，將這些電容器定義在能夠使得溝槽更深、并且由此使得電容密度 更大的襯底中。備選地，本發(fā)明中所指的溝槽電容器可以采取柱狀，
例如在非預先公開的申請EP 06300422.0 (PH 005852)中所描述的。 并聯(lián)的溝槽電容器的網(wǎng)絡通常具有穿過溝槽電容器的上電極或第二電 極的連接。這些上電極也在襯底上延伸。具體在使用柱狀電容器時， 可能存在穿過底電極或第一電極的、直到難以確定其是否與包括溝槽 或溝道或多個并聯(lián)的、呈溝槽式的電容器在內(nèi)的電容器結構為止的另 一連接。術語"溝槽電容器的網(wǎng)絡"旨在覆蓋所有這些實施例。
可以在一個或更多個導電層中定義互連圖案。有益地將溝槽電容 器的第二電極沉積為摻雜多晶硅層。這個層將填滿溝槽，并且它的熱 膨脹系數(shù)與襯底的相等。從而，防止了由于熱循環(huán)所引起的可靠性問 題。然而，多晶硅的電感率比其他金屬以及傳統(tǒng)上在集成電路的金屬 化結構中使用的合金(例如鋁、鎳、銅和鋁合金)的電感率小。有益 地，除了多晶硅電極和互連之外，提供這樣的金屬化作為互連的一部 分。這種金屬化減小了溝槽電容器之間的互連的阻抗，并且它還減小 了溝槽電容器與電感器之間的互連的阻抗。
電感器可以定義于本組件的不同位置。在第一實施例中，電感器 定義在第二芯片中。適當?shù)?，將電感器定義在如上針對溝槽電容器的 互連圖案的同一金屬化中。這個實施例具有以下優(yōu)點適當?shù)囟x了 電容器與電感器之間的連接，從而使得寄生阻抗和電阻很小。缺點在
于為了滿足應用的需要，電感器的寬度和尺寸可能較大。
在第二實施例中，組件包括封裝，在該封裝中將電感器定義為利
用凸起與第二芯片連接的金屬圖案。這種電感器在WO-A 2003/85729 中己知。因此，可以以任意期望的厚度來提供該金屬圖案，而不會產(chǎn) 生適當?shù)某杀?。然而，很可能需要另一組裝步驟，該組裝步驟需要與 其他組裝步驟兼容。
在第三實施例中，該組件包括多層載體襯底，第一和第二芯片被 組裝到該多層載體襯底，并且將電感器定義在該載體襯底中。例如，該多層載體襯底是用于球柵陣列封裝的類型的膠帶或?qū)訅喊?。例如?br> 在US6， 310， 386中為了另一目的而公開了這里定義的電感器。
適當?shù)?，電感器通過寄生電阻與電感的比率(Rpa/L)來表征。這 個比率確定了電感器的效率。最大容許比率往往取決于半導體器件， 具體取決于作為DC-DC轉換器的一部分的任意晶體管或二極管的質(zhì) 量。適當?shù)?，該比率小?.05Q/nH。有益地，該比率小于或等于 0.02Q/nH。后一個值仍可在將電感器集成在第二芯片中時達到。
有益地，DC-DC轉換器的切換頻率在80MHz以上、150MHz以 下。已經(jīng)利用90-110MHz的切換頻率獲得了較好的結果。因此，以溝 槽電容器的等效串聯(lián)電感表示的寄生優(yōu)選地小于40pH，更優(yōu)選地甚至 小于30pH。這也可以利用溝槽電容器的技術來實現(xiàn)，具體為總電容大 于或等于20nF時。
本領域中已知DC-DC轉換器的若干種拓撲結構，例如buck轉換 器、buck-boost轉換器和cuk轉換器。于是，這些尤其適于較大輸出 電流(5mA以上)。所有這些電感性拓撲結構都具有濾波器，用于實
質(zhì)上在其輸入和輸出端子處獲得直流。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，DC-DC轉換器包括被定義為串聯(lián)陷波
電路的輸出濾波器。該串聯(lián)陷波電路的電感器和電容器被設計為在 DC-DC轉換器的切換頻率產(chǎn)生陷波。這樣的串聯(lián)陷波電路是引人注目 的，因為它往往具有較小的電壓紋波。這種較小的電壓紋波使得電感 器尺寸能夠減小，因為電壓紋波是DC-DC轉換器的技術要求，而不 是電感器本身的技術要求。
串聯(lián)陷波電路用作DC-DC轉換器的一部分需要這些電感器與電 容器的精確的匹配，或者備選地，需要將切換頻率調(diào)整為串聯(lián)陷波電 路中的陷波的值?，F(xiàn)有技術需要調(diào)整切換頻率，這是人們所不希望的。 由于離散電容器和電感器的值存在大約15%的變化，因而需要這種調(diào) 整。在本發(fā)明中，能夠充分地設計陷波，并且不需要調(diào)整切換頻率。 這由于精確度大于95%或甚至98%或者更高的制造而得以實現(xiàn)。
在關于此的另一擴展中，輸出濾波器包括陷波濾波器的級聯(lián)，該 級聯(lián)是根據(jù)切換頻率及其第二諧波而調(diào)節(jié)的。因此電感器與電容器的適當?shù)钠ヅ涫菑娭菩缘?，因為諧波始終是切換頻率的基頻的整數(shù)倍。 通過將電感器和電容器集成到第二芯片內(nèi)，實現(xiàn)了二者的匹配，并且 具有小于1%的容忍度，在大多數(shù)情況下甚至約等于0.1%。
在另一擴展中，輸出濾波器包括一個或更多個陷波濾波器以及低 通濾波器的級聯(lián)。這種級聯(lián)看起來具有較好的性能。
將有源組件適當?shù)丶稍诘谝恍酒小Ｈ欢?，備選地，它們可以 被定義在第二芯片中。在后一種情況下，優(yōu)選地，將襯底定義到高歐 姆區(qū)域和低歐姆區(qū)域內(nèi)。然后，將有源組件定義在低歐姆區(qū)域中。分 別將溝槽電容器和疊加電感器定義在高歐姆區(qū)域中。這里，已知高歐
姆的電阻率大于每平方0.5kOhm。這種高歐姆襯底對電感器的性能有
利，并且還能夠以低成本制造溝槽電容器。這里，使用半導體襯底在 溝槽中的表面區(qū)域作為第一電極。
為了使得組件盡可能地小，第一芯片至少部分地覆蓋電感器是適 當?shù)?。因此，?yōu)選地在電感器與第一芯片內(nèi)的有源元件之間施加屏蔽。 該屏蔽可以被定義在第一芯片中、第二芯片中、或者封裝內(nèi)的單獨金 屬層中。在該屏蔽存在于第二芯片的情況下，可以使用襯底的第二表 面。因此，這個第二表面不僅屏蔽表面，而且屏蔽第一芯片將被組裝
到其中的表面。更具體，如WO-A 2004/055839 (通過引用合并于此) 中所公開地使用屏蔽。相對于電感器定義這種屏蔽，即屏蔽位于電感
器平面內(nèi)。以下列方式在地屏蔽面中定義屏蔽將屏蔽平行于電感器 平面地定位。該屏蔽包括多個垂直于鏡面定位的導電軌道。屏蔽的優(yōu) 點在于防止了回路電流，并且由此防止了有效自感的減小。
在有益實施例中，將固定DC-DC轉換器用于基于第一和第二供
電電壓進行操作的組件中?？梢栽诘谝恍酒瑑?nèi)使用這些第一和第二供 電電壓。備選地，第一和第二供電電壓與第一芯片和第三芯片一同使 用，第一芯片和第三芯片均包括半導體或類似半導體的設備，但是需
要不同的供電電壓。由于DC-DC轉換器的集成，可以給該組件提供 單個供電電壓作為輸入。這意味著組件到外部板的接口可以減少為單 個管腳或多個連接管腳。這顯然有益于簡化設計。它還能夠提供可以 被當作任意標準設備的封裝組件，而不需要對印刷電路板進行任何進一步的修改。本實施例還可以應用采取開關電容器拓撲結構的DC-DC 轉換器。
在本實施例的最有益修改中，第一芯片和第三芯片包括不同類型
的半導體(類似的)設備。例如，第一芯片是驅(qū)動IC，而第三芯片是 發(fā)光二極管、傳感器、MEMS組件。在驅(qū)動IC的情況下，其被適當 地設計為驅(qū)動第三芯片。
在另一有益修改中，該組件包括一個以上DC-DC轉換器，用以 給組件中的不同電壓島提供不同的供電電壓。例如，在需要不同電壓 的情況下，則這一修改是人們所希望的。因此，單個DC-DC轉換器 的設計可能不適于兩個電壓島。在電壓島之間需要適當隔離的情況下， 這一修改也是人們所希望的。甚至組件可以沒有第三芯片。例如，以 IC作為第一芯片，可能不同電壓，其主要用于數(shù)字核心功能以及主要 用于混合信號外圍功能。這里，不需要兩個DC-DC轉換器是同一類 型，例如一個DC-DC轉換器是允許較大輸出電流的電感式，而第二 DC-DC轉換器是能夠進一步小型化的開關電容器類型的。
在甚至另一修改中，集成DC-DC轉換器是可配置的。利用這種 方式，可以使用一個DC-DC轉換器進行上變換和下變換。另外，輸 入電壓與輸出電壓之間的比率是可調(diào)節(jié)的。盡管傳統(tǒng)的比率在0.5-2 或0.25-4的范圍內(nèi)，由于集成，可以達到更大的比率。例如，更大的 比率是0.1-10或2-10?？蛇_到的比率越大，則所需要的電容器的數(shù)目 越大。利用分立電容器越來越難以達到ESL需求，但是可以利用集成 的溝槽電容器網(wǎng)絡來實現(xiàn)ESL需求。具有可配置性的尤其優(yōu)選的版本 利用了具有第二電介質(zhì)和第三電極的溝槽電容器，其中電極中的至少 之一 (具體為中間電極)是可切換的。該切換使得能夠調(diào)整電容器的 電容密度。這個概念在預先公開的申請EP05110488.3 (PH001923)得 以描述，申請EP05110488.3 (PH001923)通過引用合并于此。
本發(fā)明還涉及具有溝槽電容器網(wǎng)絡的第二芯片的實施例，該溝槽 電容器網(wǎng)絡具有被設計為限制其中的渦流的互連圖案。其中，這種渦 流可能由作為DC-DC轉換器的一部分的鄰近電感器另外產(chǎn)生，溝槽 電容器網(wǎng)絡也是DC-DC轉換器的一部分?？紤]到對于切換頻率為50-200MHz的DC-DC轉換器的需求，本 芯片的設計是非常適當且必需的。然而，該設計還有利地用于針對所 要集成的其他特定功能的濾波器。
上述或下列描述中所提到的所有其他設計特征可以有益地用于 第二芯片中
-可以應用具有第二電介質(zhì)和第三電極的層疊電容器，以在不增 大ESL的情況下增大電容密度。還可以進一步優(yōu)化電容器的形狀。
-可以應用穿過襯底(通常為半導體襯底)的通孔來適當?shù)亟拥亍?可以另外定義用于信號傳輸?shù)母綦x通孔。
-可以在第一區(qū)域中增大襯底電阻率，在第一區(qū)域中將溝槽電容 器設計為0.5kOhm或者甚至更大。在溝槽電容器的第一 (底)電極被 定義為半導體襯底中的表面層的情況下，尤其希望如此。
-將電感器適當?shù)丶稍谛酒小＿@允許充分的設計，以使得由 于生產(chǎn)和組件加工中的容錯而導致的元件中的擴展最小。
-至少利用金屬化定義互連圖案，以減小這里的內(nèi)電阻。
-互連圖案包括塊狀互連(適當?shù)貫闂l狀)，塊狀互連優(yōu)選地從 與電感器中心重疊的中心呈放射狀地延伸出。
-針對具有另一芯片的倒裝芯片，適當?shù)囟x鍵合點。
本發(fā)明還涉及對組件的使用，其中利用50-200MHz范圍內(nèi)的切換 頻率對DC-DC轉換器進行切換。這里，有源元件被驅(qū)動為以切換頻 率進行切換。該驅(qū)動是通過控制IC進行的。DC-DC轉換器通過凸起 連接適當?shù)剡B接至這種控制IC。這種凸起連接具有低ESL，這通常不 是利用引線鍵合連接的情況。


將參考附圖進一步闡明根據(jù)本發(fā)明的組件、芯片和方法的這些和 其他方面，附圖純粹用于圖解，并且不是按比例繪制的，其中不同附
圖中的相同附圖標記表示相同或相似元件，在附圖中
圖1示出了電感式轉換器的圖2示出了在其中將輸出電壓(Vripple)上的紋波示出為針對現(xiàn)有技術和針對本發(fā)明的DC-DC轉換器的切換頻率的函數(shù)的圖3示出了具有串聯(lián)陷波輸出濾波器的電感性轉換器的圖4示出了溝槽電容器的橫斷面視圖5示出了芯片的橫斷面視圖6示出了芯片的第一實施例的頂視圖7示出了芯片的第二實施例的頂視圖8示出了根據(jù)第一實施例的組件；
圖9示出了根據(jù)第二實施例的組件，以及
圖IO示出了根據(jù)第三實施例的組件。
具體實施例方式
圖1示出了本領域技術人員已知的電感性轉換器的框圖。該轉換
器包括輸入61，具有輸入電壓Vin;以及輸出62，具有輸出電壓V。ut。 輸入電壓與輸出電壓之間的比率Vin/ V。ut取決于應用和實現(xiàn)。轉換器 的輸出62通向負載50。這返回至輸出線路60，輸出線路60通常接地。 DC-DC轉換器包括多個開關161和162以及輸出濾波器140。該輸出 濾波器包括電感器114和電容器102， 二者處于本質(zhì)上已知的低通濾 波器拓撲結構中。轉換器的操作基于可以通過將轉換器切換到以輸 入電壓的第一狀態(tài)來加載電容器102。然后，負載可以使用電容器102 的電流以及輸入電壓，以操作于輸出電壓V。ut。然后，將轉換器切換 至第二狀態(tài)。轉換器的切換頻率是用于切換開關161和162的頻率。 該切換頻率還定義了電流倒向以及電容器102的加載和卸載的頻率。 本領域技術人員將理解，所示出的拓撲結果是較為簡單的。實際上可 以在更復雜的電路中應用更多開關，以改進切換行為。
定義DC-DC轉換器的寄生效應的度量是紋波電壓Vripple。這表示 期望輸出電壓V福附近的變化。變化越大，則負載獲得比其擊穿電壓 高的電壓、或者獲得過小或過大將導致意想不到的、且不希望的載荷 效應或切換效應的電壓的風險越高。因此，指定DC-DC轉換器具有
特定紋波電壓Vrippk。在紋波電壓Vrip^高于指定值的頻率范圍內(nèi)，
DC-DC轉換器不可用。傳統(tǒng)的DC-DC轉換器通常具有5或10MHz的最大切換頻率。這 種傳統(tǒng)轉換器通常具有開關電容器拓撲結構或電感性拓撲結構。二者 都取決于用作緩沖電容器的電容器。實際上，每一個電容器通過某些 非零等效串聯(lián)電感(下文中也稱為ESL)來表征。ESL是針對可用寄 生分量的度量。在特定頻率處，ESL過大的話將使得電容器無法作為 緩沖電容器。特定頻率約為自諧振頻率的80%。
為了實現(xiàn)較高的切換頻率，需要減小ESL (在較小程度上為等效 串聯(lián)電阻ESR)。根據(jù)本發(fā)明，這通過使用溝槽電容器來實現(xiàn)，溝槽 電容器根據(jù)特定互連圖案而相互連接。將該互連圖案設計為限制渦流。 盡管溝槽電容器自身具有較低的ESL，由于渦流的產(chǎn)生，ESL可能嚴重 增大。
圖2示出了在其中紋波電壓Vr—e被示出為切換頻率f的函數(shù)的 圖。該圖以虛線示出了針對現(xiàn)有電感性轉換器的值，以實線示出了根 據(jù)本發(fā)明的電感性轉換器。該圖清楚地示出了本發(fā)明的轉換器中的最 大頻率大于現(xiàn)有轉換器的最大頻率。發(fā)明者認為，在沒有約束的情況 下，本發(fā)明的轉換器中的特定頻率的紋波的增大是由于互連圖案中的 渦流的增大而引起的。這種電流不僅隨著頻率的增大而增大，而且產(chǎn) 生渦流所需要的表面積也隨著頻率的增大而增大。
圖3示出了第二電感性DC-DC轉換器的框圖。這里，除了低通 濾波器以外，輸出濾波器140還包括串聯(lián)陷波濾波器141。串聯(lián)陷波 濾波器141包括與電感器214和寄生電阻215并聯(lián)的電容器202。陷 波濾波器141被設計為使得在選定切換頻率產(chǎn)生陷波。這是通過適當 的濾波器設計實現(xiàn)的。提供串聯(lián)陷波濾波器141是有益的，因為它能 夠在不增大紋波電壓的情況下減小電感。此外，可以看出，可以將可 用電感器214和114的電感相加。這還具有以下優(yōu)點可以用數(shù)個電 感器代替具有相對大尺寸的單個電感器，所述數(shù)個電感器中的每一個 電感器都具有較小的尺寸。適當?shù)?，輸出濾波器中的所有電感器是溝 槽電感器，以用于限制ESL。這對于串聯(lián)陷波濾波器尤其如此，因為 該串聯(lián)陷波濾波器操作于切換頻率的基頻，而另一濾波器操作于切換 頻率的諧波。考慮到諧波的雙頻率，另一濾波器的尺寸也盡可能地小。圖4示出了第二芯片100的一部分的示意橫斷面視圖。芯片100 在半導體材料的襯底104中包括MIMIM電感器102。在本示例中， 該半導體材料是硅，并且其電阻率大于每平方0.5kOhm。圖4是僅示 出了單個溝槽電容器的簡化圖。具體地，忽略了用于布線的金屬層的 其他細節(jié)。本示例示出了具有第一、第二和第三電極110、 114和118 的電容器。電容器102還具有第一電介質(zhì)112和第二電介質(zhì)116，其 中每一個都存在于兩個電極之間。
溝槽電容器102是在襯底104的孔隙(pore)中形成的，襯底104 具有第一表面101和對立的第二表面103。典型地，該孔隙具有大約 為1.5//m的直徑以及10到30，之間的深度。30戸的深度是在沉積 孔隙填充之前使用干法蝕刻技術來產(chǎn)生孔隙時達到。當使用千法蝕刻 技術時，可以獲得至少200，的深度。從圖中可以看出，電介質(zhì)112 實質(zhì)上在第一區(qū)域(例如孔隙108)內(nèi)垂直于襯底104的表面101而 延伸。
孔隙106的孔隙填充是由交替的層序列108形成的，包括高度n 摻雜(n++)層110、第一電介質(zhì)層112、導電多晶硅層114、第二電介 質(zhì)層116以及第二導電多晶硅層118，第二導電多晶硅層118用于填 充孔隙的中心。第一電介質(zhì)層112是標稱30nm厚的電介質(zhì)層堆疊， 由熱氧化物、低壓化學汽相沉積(LPCVD)產(chǎn)生的氮化硅層、以及由 LPCVD利用四乙基原硅酸鹽(TEOS)沉積的厚度為5nm的第二氧化 層組成。多晶硅層1M優(yōu)選地是由LPCVD根據(jù)SiH4和稀釋的PH3 沉積的n型原位摻雜多晶硅層。
除了第二電介質(zhì)層116中的兩種氧化物熔覆層是LPCVD所沉積 的TEOS層之外，層116和118重復具有ONO層堆疊和多晶硅的序 列。
原始孔隙106和交替層序列108中的各個層的總體形狀類似于直 立的"U"。由于通過避免電極中的陡沿而達到的擊穿電壓，U型是 優(yōu)選的。因此，優(yōu)選地具有電極110、 114和118的非常平滑的表面。 利用層結構108的選定設計，可以達到較高的擊穿電壓。因此，電子 設備IOO被配置為處理數(shù)十伏范圍內(nèi)的電壓。根據(jù)上述層結構，顯而易見的是電介質(zhì)層112和116提供了導電 層110、 114和118 (這里也稱為電極層)之間的電絕緣。
襯底104典型地包含填充孔隙的陣列，該填充孔隙類似于層110 到118的層序列所提供的孔隙106和孔隙填充108。相鄰孔隙之間的 間距優(yōu)選地在1.5-3/zm的范圍內(nèi)。
在襯底104的頂側120，該層序列延續(xù)為與頂層120的表面平行 的水平層堆疊，以便為電極提供觸點結構。在本示例中，僅給多晶硅 層114和118分別提供觸點122和124。層間電介質(zhì)層126提供了電 絕緣。例如，觸點122和124是通過厚度為1/卵的鋁層的電極槍蒸發(fā) 沉積以及光刻步驟之后的濕法蝕刻而制成的。
在30分鐘的1000° C的爐內(nèi)退火步驟之后，多晶硅層114和118 的導電性是lmQkm。當然，這個退火步驟必須在多晶硅沉積之后執(zhí) 行，至少必須在金屬沉積之前執(zhí)行。
因此，圖4中的溝槽電容器102構成了具有懸浮襯底電極的 MIMIM電容器結構，該懸浮襯底電極由11++電極層10構成。
可以應用其他材料或者其組合作為電介質(zhì)材料，來代替氧化物、 氮化物和氧化物的層疊。這種材料可以是氧化物、氮化物等的任何單 層，可以是諸如氧化鉭、二氧化鉿之類的任何具有較高電介質(zhì)常數(shù)的 材料。這些層可以適當?shù)剡M行(低溫)化學氣相沉積。利用這項技術， 給包括未覆蓋掩模的整個表面提供期望的材料。 一個備選方案是利用 濕法化學沉積技術，包括溶膠-凝膠工藝。優(yōu)選地將諸如熱氧化層之類 的氧化層施加到襯底上，以改進附著力。另一備選方案利用大約15nm 的單氮化層來代替厚度為30nm的堆疊。這將電容密度從30nF/mm2 增大至90 nF/mm2，但將擊穿電壓從25V減小至7V。
圖5示出了芯片100的實施例，芯片100具有從第一表面101延 伸至第二表面103的垂直互連。本實施例包括暴露于第一表面101處 的溝槽電容器102的網(wǎng)絡。本實施例還示出了垂直互連30。在本實施 例中，垂直互連30和溝槽電容器102都具有多個溝槽21、 311、 312 和313。盡管未示出，溝槽電容器102的網(wǎng)絡適于包括許多單獨的溝 槽21，可以關于互相不同的距離來定義這些溝槽。垂直互連30包括第一部分31和尺寸較大的第二部分32。從進一 步的討論中可以清楚地知道，第一部分31是通過對第一表面101進行 各向異性蝕刻而制成的，以及第二部分32是通過對第二表面103進行 蝕刻(具體為濕法化學蝕刻)而制成的。芯片ioo包括第一和第二表 面101和103以及溝槽21、 31和32中的兩個層。這里未示出構成垂 直溝槽電容器102的底電極的第一導電表面。這里示出的是幾乎存在 于整個平面的電介質(zhì)材料層112。在電介質(zhì)材料層112的頂部，存在 導電材料層。這個層(未示出)填充了溝槽。例如，這個層是多晶硅， 但是備選地可以是諸如銅、溶膠-凝膠沉淀銀、鋁之類的其他材料。在 這種情況下，在第一表面101處，溝槽電容器102具有對AlCu的進 一步金屬化。層112和113可以用作互連層，并且可以在特定位置處 由絕緣層隔開?；ミB的第二部分32的表面覆蓋有層14，在這種情況 下為電鍍銅的層。銅在襯底104的第二表面處延伸，并且形成了布線 圖案。層14將填充互連30的第二部分。
根據(jù)本發(fā)明，芯片IOO還配備有電感器114。電感器114包括第 一線圈114A和第二線圈114B。電感器114被適當?shù)囟x在絕緣層上， 該絕緣層在本示例中為電介質(zhì)材料層112，其還用于溝槽電容器內(nèi)。
電感器在鄰近的電軌道中產(chǎn)生渦流。為了限制溝槽電容器102中 的渦流，網(wǎng)絡102配備有互連113A、 113B的優(yōu)化圖案。將關于圖6 和圖7詳細示出該圖案。
圖6示出了電感器114和互連113的圖案的組合的頂視圖。如這 里所示，互連113的圖案包括并行延伸的多個互連113A-113D，其中 每一個互連的帶寬受限。因此，每一個互連實質(zhì)上是條狀的。溝槽電 容器102的網(wǎng)絡被定義在互連113之下。在將電感器114和互連 113A-113D集成在第二芯片100的單個金屬化層中的情況下，互連 1BA-113D在第二導電層中與電感器交叉。多晶硅層適于這種交叉。 這同樣適于電感器114的輸入115。圖6中還示出了電感器的輸出116 以及互連線117。該互連線連接互連113A-U3D，并構成了溝槽電容 器102的網(wǎng)絡。溝槽電容器102的輸出沒有在這里示出，其直接接地。 盡管多晶硅層可以在整個表面上延伸，然而根據(jù)互連113的圖案對其進行了適當?shù)膱D案化。
圖7示出了電感器114和互連113的圖案的第二實施例的頂視圖。 如將參考下圖進一步說明的，電感器114和互連113的圖案不需要被
定義在單個金屬化層中，或者甚至不需要被定義在同一個芯片內(nèi)。具
體地，電感器114可以位于別處。
根據(jù)本實施例，互連113的圖案是關于中心143定義的。各個互 連113從中心143呈放射狀地延伸出去。中心143還將所有互連連接 在一起。中心143是關于電感器114定義的。利用這種方式，互連垂 直于任意渦流而延伸。渦流是由流經(jīng)中心143周圍的電感器114的主 電流引起的。
可以關于每一個單獨的互連113A-H來定義長度L和寬度W。這 里，選擇長度方向與從中心呈放射狀的延伸平行。寬度方向確定為與 長度垂直。在優(yōu)選實施例中，互連113A-H的寬度W隨著到網(wǎng)絡102 的中心143的距離而增大。這樣做的優(yōu)點在于相鄰互連113A和113B 之間的距離保持恒定。另一優(yōu)點在于可以最有效地利用可用的表面積， 這是因為非互連的面積盡可能地小。
圖8-10示出了本發(fā)明的組件200的若干實施例。組件200通常包 括具有溝槽電容器102的網(wǎng)絡的第二芯片100、第一芯片150、以及諸 如封裝、載體襯底之類的可選的另一組件元件。該組件還包括組件領 域中的技術人員已知的、用于彼此互連和與印刷電路板互連所需要的 任意元件。
圖8示出了組件200的示意橫斷面視圖，其中組件200包括具有 熱沉210和接觸點211、 212的引線框架。第一芯片150和第二芯片 100是以雙倒裝片配置裝配到引線框架中的第一芯片(通常為集成 電路)通過粘合劑221附著于熱沉210。其后，給第二芯片100提供 直徑不同的焊料凸起，第二芯片100附著于第一芯片150和接觸點 211、 212。在本實施例中，第二芯片100包括具有互連113A、 113B 的溝槽電容器102的網(wǎng)絡以及電感器114?；ミB113和電感器114被 適當?shù)囟x在用于定義接觸點和/或凸起下金屬化198、 199的同一個 層中。組件200還配備有電介質(zhì)封裝220，具體為環(huán)氧模材料。第一芯片150與第二芯片IOO之間的空間可以利用底層填料來填充。適于 在第一芯片150中實現(xiàn)屏蔽。
圖9示出了組件200的第二實施例的示意橫斷面視圖。除第一芯 片150和第二芯片100之外，組件200還包括載體襯底250。例如， 這種載體襯底是基于多層襯底的FR-4或者備選地是金屬化聚酰亞胺 膠帶。這種載體襯底是球柵陣列(BGA)封裝領域中的技術人員已知 的。本示例示出了具有內(nèi)部金屬層的多層襯底，在內(nèi)部金屬層中定義 了電感器114。不需要將DC-DC轉換器的電感器集成在多層襯底中， 但是在成本前景方面是有益的。溝槽電容器102仍配備有優(yōu)化的互連 113。這里，第一芯片150和第二芯片IOO被組裝到具有凸起的載體襯 底250上，但是備選地可以使用引線鍵合，尤其是針對第一芯片150。 然而，由于引線鍵合具有可能限制切換頻率的ESL，因而這被認為是 不利的。這在第一芯片150中(代替在第二芯片100中)定義DC-DC
轉換器的情況下尤其如此。
圖10示出了組件200的第三實施例的示意橫斷面視圖。這里， 第二芯片IOO用作組件的載體襯底，并且配備有垂直互連30。所產(chǎn)生 的組件200的尺寸可能較小。在本實施例中，電感器114被定義在封 裝220內(nèi)，并且通過凸起231耦合至第二芯片100。應理解的是，電 感器114的實施例還可以結合圖9所示的載體襯底250 —起使用。圖 10中的層疊的管芯組件還可以與圖9所示的載體襯底組合在一起。
權利要求
1. 一種具有第一芯片和第二芯片的組件，所述第一芯片包括半導體器件，所述第二芯片包括具有表面和溝槽電容器的網(wǎng)絡的襯底，所述溝槽電容器包括第一電極和第二電極以及中間電介質(zhì)，所述中間電介質(zhì)實質(zhì)上在第一區(qū)域內(nèi)垂直于所述襯底的表面而延伸，在所述組件中，定義了切換頻率在50-200MHz范圍內(nèi)的DC-DC轉換器，所述轉換器具有輸出濾波器，所述輸出濾波器具有電感器和第二芯片中的所述溝槽電容器的網(wǎng)絡，所述溝槽電容器與互連圖案并聯(lián)，所述互連圖案被設計為限制在互連中產(chǎn)生電感器所感應的渦流。
2. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中，所述多個溝槽電感器以下 列方式相對于電感器而放置在所述溝槽電容器和電感器在襯底表面 的垂直投影上，所述溝槽電容器位于電感器的外緣內(nèi)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的組件，其中，所述圖案包括多個從中心 呈放射狀延伸出的條狀互連。
4. 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的組件，其中，所述電感器被 定義在第二芯片中。
5. 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的組件，還包括封裝，其中所述電感器被定義為利用凸起連接至所述第二芯片的金屬圖案。
6. 根據(jù)權利要求1-3中任一項所述的組件，還包括多層載體襯底， 所述第一芯片和第二芯片被組裝到所述多層載體襯底，所述電感器被 定義在所述多層載體襯底中。
7. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中，根據(jù)期望圖案、利用任意 互連來連接電容器的溝槽電容器的網(wǎng)絡具有小于40pH的ESL。
8. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中，所述電感器和溝槽電容器 的網(wǎng)絡是串聯(lián)陷波電路的一部分，并且被設計為在DC-DC轉換器的 切換頻率產(chǎn)生陷波。
9. 根據(jù)權利要求8所述的組件，其中，所述輸出濾波器包括所述 串聯(lián)陷波濾波器的級聯(lián)，所述串聯(lián)陷波濾波器被調(diào)節(jié)至切換頻率，并 且被調(diào)節(jié)至所述切換頻率的第二諧波。
10. 根據(jù)權利要求1所述的組件，還包括第三芯片，通過所述DC-DC轉換器或者通過第二集成DC-DC轉換器給所述第三芯片提供 供電電壓，其中，所述第三芯片的供電電壓與DC-DC轉換器提供給 第一芯片的供電電壓不同。
11. 根據(jù)權利要求IO所述的組件，其中，所述組件具有到針對單 個供電電壓的外部板的供電電壓接口。
12. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中，所述半導體器件是具有有 源元件的集成電路。
13. 根據(jù)權利要求1所述的組件，其中，所述半導體器件包括發(fā)光 二極管。
14. 一種芯片，包括具有主表面和溝槽電容器的網(wǎng)絡的襯底，所述 溝槽電容器包括第一電極和第二電極以及中間電介質(zhì)，所述中間電介 質(zhì)實質(zhì)上在溝槽電容器的第一部分內(nèi)垂直于襯底表面而延伸，所述芯片包括濾波器的第一部分，所述濾波器至少包括電感器和 溝槽電容器的網(wǎng)絡，其中，所述溝槽電容器與互連圖案并聯(lián)，所述互 連圖案被設計為限制在互連中產(chǎn)生電感器所感應的渦流。
15. 根據(jù)權利要求14所述的芯片，其中，所述濾波器是以 50-200MHz范圍內(nèi)的切換頻率進行操作的DC-DC轉換器的輸出濾波 器。
16. 根據(jù)權利要求14或15所述的芯片，還包括電感器。
17. 根據(jù)權利要求14或16所述的芯片，其中，所述多個溝槽電容 器以下列方式相對于所述電感器而放置在所述溝槽電容器和電感器 在襯底表面的垂直投影上，所述溝槽電容器位于所述電感器的外緣內(nèi)。
18. 根據(jù)權利要求17所述的芯片，其中，所述互連圖案包括多個 從中心呈放射狀延伸出的條狀互連，所述中心被定義在從電感器的中 心延伸出的磁場線上。
19. 根據(jù)權利要求14所述的芯片，其中，所述襯底是半導體襯底，所述溝槽電容器被定義在所述襯底的第一區(qū)域中，以及所述第一區(qū)域 的襯底電阻率大于每平方0.5kOhm。
20. 根據(jù)權利要求15或19所述的芯片，其中，所述襯底具有另一區(qū)域，在所述另一區(qū)域中定義了作為所述DC-DC轉換器的一部分的有源電路。
21. 根據(jù)權利要求14所述的芯片，其中，所述溝槽電容器包括第 二電介質(zhì)、與另一電介質(zhì)平行延伸的第三電極、以及其他電極。
22. 根據(jù)權利要求14或19所述的芯片，還包括從襯底的表面延伸 至相對表面的垂直互連。
23. 根據(jù)權利要求15所述的芯片，其中，所述輸出濾波器包括串 聯(lián)陷波電路，所述串聯(lián)陷波電路的電感器和溝槽電容器的網(wǎng)絡被設計 為在轉換器的切換頻率產(chǎn)生陷波。
24. —種方法，通過以50-200MHz范圍內(nèi)的頻率切換DC-DC轉換 器來操作根據(jù)權利要求1所述的組件或者根據(jù)權利要求15所述的芯 片。
全文摘要
芯片(100)包括溝槽電容器(102)的網(wǎng)絡和電感器(114)，其中溝槽電容器(102)與互連(113A，B，…)圖案并聯(lián)，該互連(113A，B，…)圖案被設計為限制在互連(113A，B，…)中產(chǎn)生電感器(114)所感應的渦流。這使得能夠使用芯片(100)作為DC-DC轉換器的一部分，該DC-DC轉換器被集成在具有第一芯片和第二芯片(100)(即本芯片)的組件中?？梢詫⒃摷傻腄C-DC轉換器中的電感器定義在組件內(nèi)的其他位置。
文檔編號H01L23/522GK101443907SQ200780017416
公開日2009年5月27日 申請日期2007年5月14日 優(yōu)先權日2006年5月15日
發(fā)明者弗雷迪·羅澤博姆, 德克·瑞夫曼, 約翰·H·克洛特威克 申請人:Nxp股份有限公司