CN100499121C - 具有多种垂直排列电容区域的电容元件 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种电容元件，可于一集成电路的相同布局区域中，选择性结合金属-绝缘层-金属(MIM)、金属-氧化层-金属(MOM)和变容二极管区域，两或多种电容区域形式，被垂直安排于一基板上用以形成一电容元件，此可在不占据额外布局区域的情况下，增加此电容元件每单位的电容值。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路的设计，特别是涉及一种将金属-绝缘层-金属电容区域、金属-氧化层-金属电容区域或变容二极管区域垂直安排在同一布局区的电容元件。
背景技术
将无源电子电路元件，例如电容，构装在一集成电路中，常令人厌烦，且耗费时间和成本。因此，工艺、材料和设计的使用，对于制造如此的集成电路元件，于生产技术上是相当重要的。
不论是否是有意的，电容常会自生于电路中，这种电容可能是有用的。有源集成电路元件，例如双极性晶体管和金属氧化物半导体晶体管，和一些电阻元件常包括具有电容元件的电性结面。电性结面的耗尽区域会自然成为一个小平行板电容。此电容可能备用来作为一个具固定电容值的电容，或是因为当施加于结面的电压改变，造成电容值变化而成为一个可变电容。无源集成电路元件，例如多晶硅和金属线，彼此间或与其他导体间具有一内生电容。
这种设计上的效果可作为集成电路的特征。然而，却有一困难点存在，因为最终结构所造成的电容值，在每平方微米的范围中仅具有千万分之一法拉(femotofarad)。在一集成电路中，要达到可用的电容值大小所需的电容结构远大于一有源元件，特别是用在一混合信号和/或一射频电路中。这种不平衡的结构相当不具经济效益，因为他可能会迫使一位电路设计者为了迁就电容元件，而使得所设计的集成电路元件过大。一位设计者虽然可从各种电容结构中，挑选出一个最适宜的电容结构，但实际上，没有一种电容结构可于电容表现上和空间效益上提供一合乎经济效益的平衡。
在一例子中，一电子接面的可变电压电容可应用于一可电电容元件的结构中。在另一例子中，于集成电路中，一般用于铜多层金属内连线的双大马氏格(dual-damascene)技术，可被使用来构装一铜填充洞或沟渠的堆叠，由氧化介电层分离的两个或多个铜填充洞或沟渠，可形成一电容，称为金属-氧化层-金属(MOM)电容。此MOM电容的设计复杂，但其形成相当有效率，因为其所使用的工艺步骤已经与一标准的半导体元件工艺步骤结合。在再一例子中，由介电层分离的金属水平平行板，可形成一电容，称为金属-绝缘层-金属(MIM)电容。此MIM电容的水平形式会占据相对较大的横向布局空间，但于构装上是较简单的。
因为一单一形式的电容于每一单元上未能提供一足够的电容值，因此于集成电路设计的技艺中，对于提供一额外的元件，使得在一相同的布局区域中可结合各种形式电容，藉此增加每一单元的电容值，存有一种需求。
由此可见，上述现有的集成电路设计在结构与使用上，显然仍存在有不便与缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决集成电路存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，而一般产品又没有适切的结构能够解决上述问题，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的集成电路设计存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种新型结构的具有多种垂直排列电容区域的电容元件。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种新型结构的电容元件，所要解决的技术问题是使其可于一集成电路的相同布局区域中，选择性结合金属-绝缘层-金属(MIM)、金属-氧化层-金属(MOM)和变容二极管区域，从而更加适于实用。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一电容元件，其包括：一变容二极管区域形成于一基板上；一金属-氧化物-金属(metal-oxide-metal)电容区域形成于该变容二极管区域上；以及一金属-绝缘层-金属(metal-isolator-metal)电容区域形成于该金属-氧化物-金属电容区域的顶端，其中该变容二极管区域、该金属-氧化物-金属电容区域和该金属-绝缘层-金属电容区域是垂直排列用以提供一增强的单元电容值。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的电容元件，其中所述的变容二极管区域包括一金属氧化物半导体电容、结电容或双载子结晶体管电容。
前述的电容元件，更包括一第一金属遮蔽层用以将该变容二极管区域和该金属-氧化物-金属电容区域进行隔离。
前述的电容元件，更包括一第二金属遮蔽层用以将该金属-氧化物-金属电容区域和该金属-绝缘层-金属电容区域进行隔离。
前述的电容元件，其中所述的金属-氧化物-金属电容区域具有一个或多个导体棒状物部署于一个或多个金属层。
前述的电容元件，其中具有相同形式带电荷的导体棒状物被排列于同一行。
前述的电容元件，其中排列于同一行的导体棒状物通过介层洞连接在一起。
前述的电容元件，其中具有不同形式带电荷的导体棒状物被排列成棋盘状。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有两种或多种电容区域形式的电容元件，其中该些电容区域是垂直排列于一基板上，且该些电容区域是选自由一变容二极管区域、一金属-氧化物-金属电容区域和一金属-绝缘层-金属电容区域所组成的群体中。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术措施来进一步实现。
前述的电容元件，其中所述的变容二极管区域包括一金属氧化物半导体电容、结电容或双载子结晶体管电容。
前述的电容元件，更包括一金属遮蔽层用以隔离该些区域。
前述的电容元件，其中所述的金属-氧化物-金属电容区域具有一个或多个导体棒状物部署于一个或多个金属层。
前述的电容元件，其中具有相同形式带电荷的导体棒状物被排列于同一行。
前述的电容元件，其中排列于同一行的导体棒状物通过介层洞连接在一起。
前述的电容元件，其中具有不同形式带电荷的导体棒状物被排列成棋盘状。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种具有两种或多种电容区域形式的电容元件，其中该些电容区域是垂直排列于一基板上取是用于一射频电路中，该电容元件包括：一变容二极管区域形成于一基板上，其中该变容二极管区域可提供至少1fF/μm2的单位电容值；以及或是一可提供至少0.15fF/μm2的每一金属层单位电容值的金属-氧化物-金属电容区域，或是一可提供至少0.5fF/μm2的单位电容值的金属-绝缘层-金属电容区域，形成于该变容二极管区域之上。
经由上述可知，本发明是有关于一种电容元件，可于一集成电路的相同布局区域中，选择性结合金属-绝缘层-金属(MIM)、金属-氧化层-金属(MOM)和变容二极管区域，两或多种电容区域形式，被垂直安排于一基板上用以形成一电容元件，此可在不占据额外布局区域的情况下，增加此电容元件每单位的电容值。
综上所述，本发明特殊结构的电容元件，可于一集成电路的相同布局区域中，选择性结合金属-绝缘层-金属(MIM)、金属-氧化层-金属(MOM)和变容二极管区域。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品中未见有类似的结构设计公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1所示为根据本发明一较佳实施例的一电容元件；
图2所示为根据本发明一较佳实施例的电容元件，其上具有一可替代的MOM电容区域；以及
图3所示为根据本发明一较佳实施例的电容元件，其上具有另一可替代的MOM电容区域。
100：电容元件 102：P型半导体基板
104：变容二极管区域 106：绝缘结构
108：MOS栅极 110：MOS栅极介电层
112：N+区域 114：电性接面
116、120、156、160和168：介电层
118和158：金属遮蔽层 122：MOM电容区域
124、126、128、130、132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152、154、304、308、312和316：水平棒状物
162：MIM电容区域 164和166：金属板
200和300：可替代的MOM电容区域
306、310和314：介层洞
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的具有多种垂直排列电容区域的电容元件其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
在下述的段落中，将提供一详细的描述，来解释于一集成电路的相同布局区域中，可选择性结合金属-绝缘层-金属(MIM)、金属-氧化层-金属(MOM)和变容二极管区域以形成一电容元件。要了解到的是，在一混合信号和/或一射频电路中，可进一步结合不同的电容区域。
在集成电路中，会使用到一些电容结构。在每平方微米中，具有一特征电容值。一典型的MIM电容，在每平方微米提供约0.5千万分之一法拉(femotofarad/μ2)。一典型的MOM电容，于每一层的每平方微米提供约0.15千万分之一法拉(femotofarad/μ2)。一可变电容，或一变容二极管，在每平方微米提供约1至6千万分之一法拉(femotofarad/μ2)。不同的电容结构，可结合使用于一混合信号和/或一射频电路中。本发明提供一电容元件，将两种或多种形式电容，例如，MIM电容、MOM电容或变容二极管垂直排列于相同的布局区域中。在与传统的MIM电容、MOM电容或变容二极管比较下，可再不占据布局区域的情况下，增加每单位的电容值。
图1所示为根据本发明一较佳实施例的一电容元件。此电容元件100至少包括三电容区域，所有的电容区域被建构于集成电路的相同布局区域中。值得注意的是，于此实施例中，即使此电容元件100包括三电容区域，然根据此实施例仅有两个可用以增加每一单元的电容值。例如，此电容区域的结合可为MOM和变容二极管区域、MIM和MOM电容区域，或变容二极管和MIM电容区域。
一P型半导体基板102为一具有至少一变容二极管的变容二极管区域104的主体。一有源区域由一绝缘结构106所包围，此绝缘结构例如为一浅沟渠隔离(shallow trench isolation，STI)或区域氧化的硅。一MOS栅极108沉积于MOS栅极介电层110之上。此栅极108可由多晶硅或金属来形成，此金属可为，但不以此为限，钨(W)、铝(Al)、铝化铜(AlCu)、铜(Cu)、钛(Ti)、硅化钛(TiSi2)、钴(Co)、硅化钴(CoSi2)、镍(Ni)、硅化镍(NiSi)、氮化钛(TiN)、钨化钛(TiW)或氮化坦(TaN)。此栅极介电层110可由下述材料形成，但并不以此为限，可为氮化硅(Si3N4)、氧化氮、氢氟氧化物、氧化铝(Al2O5)、氧化坦(Ta2O5)或金属氧化物。
两N+区域112，扩散的源极和漏极区域，沉积于此基板102中，位于MOS栅极108之下，和绝缘结构106中。位于N+区域112和P型基板102中的电性接面114，具有与MOS栅极108有关的电容值。当电性接面114的偏压，和与MOS栅极108的偏压改变，位于与MOS栅极108下的空麻区域宽度和面积亦会改变，如此会进一步改变变容二极管区域104的电容值。值得注意的是，上述的MOS电容仅为变容二极管区域104中一变容二极管的例子，其他形式的变容二极管，例如，一结电容或双载体结晶体管电容，亦可作为变容二极管区域104中的变容二极管。
上述的变容二极管区域104是一介电层116，可由下述材料形成，但并不以此为限，可为氧化物、氮氧化硅、氮化硅、氧化钽、铝、氧化铪、由PECVD法所沉积的氧化物或TEOS(tetraethylorthosilicate)。于介电层116上方具有一金属遮蔽层118，其作为一掩蔽物来隔离其上的任何电容结构，避免遭受变容二极管区域104的电容值和其下方任何其他半导体结构所影响。金属遮蔽层118可由下述材料形成，但并不以此为限，可为多晶、多晶硅化金属、铝化铜(AlCu)、铝、铜、银或金。于金属遮蔽层118的上方为一介电层120，形成此介电层120的材料与形成介电层116的材料相同。
一MOM电容区域122形成于此金属遮蔽层118和介电层120的上方。展示于图1的矩形为一由介电层加以隔离的水平棒状物124、126、128和130的真实剖面视图，这些水平棒状物是垂直于页面并与基板102平行。其他的由介电层加以隔离的水平棒状物132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152和154亦具相同的结构。每一水平棒状物，在一传统的多层金属架构中，是通过金属填充沟渠来加以形成。这些水平棒状物可由下述材料形成，但并不以此为限，其可为钨(W)、铝(Al)、铝化铜(AlCu)、铜(Cu)、钛(Ti)、硅化钛(TiSi2)、钴(Co)、硅化钴(CoSi2)、镍(Ni)、硅化镍(NiSi)、氮化钛(TiN)、钨化钛(TiW)或氮化坦(TaN)。
应了解的是，即使此MOM电容区域包括有16个以4×4形式排列的水平棒状物，但亦可应用其他的排列形式。这些彼此隔离的棒状物，在一阵列中可靠得足够近，藉以提供可用的电容值。在一例子中，这些棒状物之具即可提供一明显的电容值。将这些水平棒状物排列成一垂直行的优点为，除了可达到要求电容值，同时亦可降低占据的横向面积。因此，这些水平棒状物所排列的每一行可形成一多孔或板形的垂直电容板。位于两板状电容板间的介电层可作为电容元件的介电层，例如，水平棒状物124、126、128和130形成一带负电荷的第一垂直电容元件板，而水平棒状物132、134、136和138形成一带正电荷的第二垂直电容元件板。
位于MOM电容元件区域122之上是一介电层156，其是由与介电层120或116相同的材料所形成。于介电层156上方具有一金属遮蔽层118，其作为一掩蔽物来隔离其上的任何电容结构，避免遭受MOM电容元件区域122的电容值和其下方任何其他半导体结构所影响。此金属遮蔽层158可由下述材料形成，但并不以此为限，其可为铜、铝化铜(AlCu)、银或金。于金属遮蔽层158的上方为一介电层160，形成此介电层120的材料与形成介电层120、116或156的材料相同。
一MIM电容区域162形成于金属遮蔽层158和介电层160的上方。此MIM电容区域162具有一个或多个MIM电容，而此MIM电容区域162是由一由介电层168隔离的图案化水平金属板164和166所形成。此金属板164和166可由下述材料形成，但并不以此为限，其可为钨(W)、铝(Al)、铝化铜(AlCu)、铜(Cu)、钛(Ti)、硅化钛(TiSi2)、钴(Co)、硅化钴(CoSi2)、镍(Ni)、硅化镍(NiSi)、氮化钛(TiN)、钨化钛(TiW)或氮化坦(TaN)。金属板166、金属板164和两金属板间的介电层168共同形成一平行板电容，进一步可被视为一MIM电容。
由上述电容形式所组成的结合于每单位表面面积可提供一较大的电容值，因此，比仅具有一电容形式所形成者可达到较低的成本。且对一设计者而言，各种电容形式的结合可具有较大的设计弹性。值得注意的是，垂直叠合的电容区域可依顺序排列，而非仅限于上述描述的情形，例如，MOM电容区域122和MIM电容区域162可彼此调换位置，此仍属于本发明的范畴中。
图2所示为根据本发明一较佳实施例的电容元件，其上具有一可替代的MOM电容区域200。除了不同的充电情况外，此可替代的MOM电容区域200类似于图1所示的MOM电容区域122。特别地是，在此可替代的MOM电容区域200中，一棋盘图形的正电荷和负电荷安排被形成于个别的棒状物上。换言之，任两相邻的通过氧化物分离的水平棒状物具有相反的电荷，当与MOM电容区域122进行比较，可替代的MOM电容区域20所达到的总电容值是相当不同的。
图3所示为根据本发明一较佳实施例的电容元件，其上具有另一可替代的MOM电容区域300。除了利用以导电金属填充的介层洞，来将每一行以氧化物分离的水平棒状物进行连接外，此MOM电容区域300类似于图1所示的MOM电容区域122。例如，一水平棒状物304与另一水平棒状物308是通过介层洞306加以连接，而水平棒状物308与另一水平棒状物312则通过另一介层洞310加以连接，而水平棒状物312与另一水平棒状物316则通过介层洞314加以连接。应了解的是，因为利用一个或多个介层洞进行垂直连接的水平棒状物应有相同的充电结果，因此于MOM电容区域300中的水平棒状物充电图案会相似于MOM电容区域122中的水平棒状物充电图案。除此之外，应了解的是，因为介层洞通常是被部署成多样形式，因此可具有较密集的垂直电容板，进而增加电容值。除此之外，应了解的是，因为每一垂直电容板的表面区域加入有介层洞，因此可更进一步增加电容值。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (16)
1、一电容元件，其特征在于其包括：
一变容二极管区域形成于一基板上；
一金属-氧化物-金属(metal-oxide-metal)电容区域形成于该变容二极管区域上；以及
一金属-绝缘层-金属(metal-isolator-metal)电容区域形成于该金属-氧化物-金属电容区域的顶端，其中该变容二极管区域、该金属-氧化物-金属电容区域和该金属-绝缘层-金属电容区域是以对准且垂直排列用以提供一增强的单元电容值。
2、根据权利要求1所述的电容元件，其特征在于其中所述的变容二极管区域包括一金属氧化物半导体电容、结电容或双载子结晶体管电容。
3、根据权利要求1所述的电容元件，其特征在于更包括一第一金属遮蔽层用以将该变容二极管区域和该金属-氧化物-金属电容区域进行隔离。
4、根据权利要求1所述的电容元件，其特征在于更包括一第二金属遮蔽层用以将该金属-氧化物-金属电容区域和该金属-绝缘层-金属电容区域进行隔离。
5、根据权利要求1所述的电容元件，其特征在于其中所述的金属-氧化物-金属电容区域具有一个或多个导体棒状物部署于一个或多个金属层。
6、根据权利要求5所述的电容元件，其特征在于其中具有相同形式带电荷的导体棒状物被排列于同一行。
7、根据权利要求6所述的电容元件，其特征在于其中排列于同一行的导体棒状物通过介层洞连接在一起。
8、根据权利要求5所述的电容元件，其特征在于其中具有不同形式带电荷的导体棒状物被排列成棋盘状。
9、一种具有两种或多种电容区域形式的电容元件，其特征在于，其中该些电容区域是以对准且垂直排列于一基板上用以提供一增强的单元电容值，且该些电容区域是选自由一变容二极管区域、一金属-氧化物-金属电容区域和一金属-绝缘层-金属电容区域所组成的群体中。
10、根据权利要求9所述的电容元件，其特征在于其中所述的变容二极管区域包括一金属氧化物半导体电容、结电容或双载子结晶体管电容。
11、根据权利要求9所述的电容元件，其特征在于更包括一金属遮蔽层用以隔离该些区域。
12、根据权利要求9所述的电容元件，其特征在于其中所述的金属-氧化物-金属电容区域具有一个或多个导体棒状物部署于一个或多个金属层。
13、根据权利要求12所述的电容元件，其特征在于其中具有相同形式带电荷的导体棒状物被排列于同一行。
14、根据权利要求13所述的电容元件，其特征在于其中排列于同一行的导体棒状物通过介层洞连接在一起。
15、根据权利要求12所述的电容元件，其特征在于其中具有不同形式带电荷的导体棒状物被排列成棋盘状。
16、一种具有两种或多种电容区域形式的电容元件，其特征在于，其中该些电容区域是垂直排列于一基板上且是用于一射频电路中，该电容元件包括：
一变容二极管区域形成于一基板上，其中该变容二极管区域可提供至少1fF/μm2的单位电容值；以及
或是一可提供至少0.15fF/μm2的每一金属层单位电容值的金属-氧化物-金属电容区域，或是一可提供至少0.5fF/μm2的单位电容值的金属-绝缘层-金属电容区域，形成于该变容二极管区域之上。
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