CN101410942B - 对称mim电容器设计 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了半导体芯片电容电路和方法，其包括接近于衬底来安装的至少两个电容器，其中，每个电容器具有横向下导电极板，其接近于衬底而安装至足以具有大于顶部极板非本征电容的非本征电容。下极板的一半和上极板的一半连接到第一端口，上极板和下极板的剩余的一半连接到第二端口，第一和第二端口具有与下极板的大约相等的非本征电容。一方面，所述衬底包括限定衬底占地区的线程前端电容器，并且所述至少两个电容器是布置在所述占地区上的后端前金属-绝缘体-金属电容器。另一方面，所述至少两个电容器是排列为大体上平行于所述衬底的矩形阵列的至少四个电容器。

Description

对称MIM电容器设计
技术领域
本发明总体上涉及电容器，更具体地，涉及用于具有对称极性特性的电容器结构的方法和系统。
背景技术
芯片上电容器是在硅半导体上制造的集成电路的关键部件。这些电容器用于各种目的：说明性的示例包括旁路和电容匹配以及耦合和去耦。硅半导体芯片上的电容器结构的设计和实现可以依赖于一个或多个对称结构的、目标电路质量和低寄生电阻性能特性。
更具体地，电容器结构可以分类为在两个区域中的一个中形成：(生产)线程前端(FEOL)，或线程后端(BEOL)。在集成电路制造线程中，FEOL传统上指的是直接改变半导体衬底或与之的直接接触的早期工艺阶段；例如掺杂剂扩散和注入、栅极薄膜的溅射、氧化、以及与这些相关的图案化步骤。相比之下，BEOL是用于互连和通孔(平面互连之间的垂直互连)的金属化和用于电隔离的相关不导电沉积和生长(例如聚合物、玻璃、氧化物、氮化物、以及氧氮化物)、电介质(例如电容)、扩散阻挡层、以及机械钝化(特别是为了防止电迁移和应力迁移造成的互连的失效)。FEOL和BEOL在转义意义上指的是在相应阶段中制造的IC的层级。BEOL是金属化层(例如四至十个之间)和相关的绝缘层，FEOL是其下面的所有部分——主要是晶体管。
已知的是对于在FEOL中的芯片衬底上形成的半导体芯片电容器元件使用金属氧化物硅(MOS)电容器或MOSCAP。但是，MOSCAP电容器在集成电路(IC)中通常需要大的芯片区域占地区(footprint)。因此，设计要求通常导致用于MOSCAP电容器结构相对于它们的电路电容特性需要大的半导体芯片占地区或有效面积(real estate)，导致高生产成本和对于其它电路结构来说降低的半导体芯片区域可用性。此外，已知半导体电路闲置模式(idle mode)期间的电流漏泄导致增加的功率消耗。硅半导体芯片电容器结构因此而通常需要大的MOSCAP电容器结构以避免电流漏泄问题。
由于IC的生产成本通常与所需的有效面积成比例，所以希望的是通过缩小MOSCAP结构所需的占地区来降低IC芯片成本。由此，用于缩小FEOL MOSCAP占地区的一种可能技术是在与FEOLMOSCAP电路联通的BEOL中形成附加电容器结构，优选地在引起相对较小的FEOL MOSCAP占地区的同时增大整个FEOL/BEOL电容器结构的电容。
BEOL中一般利用的两类电容器是相对于芯片衬底114在图1中示意地示出的金属-绝缘体-金属电容器(MIMCAP)100，和图2中示意地示出的垂直原生电容器(Vertical Native Capacitor)(VNCAP)200。(为图示的简单起见，省略了FEOL结构。)MIMCAP100包括第一极板110和第二极板112，每个极板分别具有连接器或端口116、118，有介电材料120放置在极板110、112之间以便使该电容性结构完整。VNCAP200也包括第一极板210和第二极板212，每个极板分别具有连接器或端口216、218，有介电材料220放置在极板210、212之间以便使该电容性结构完整。重要的是衬底占地区130上方的MIMCAP100极板110、112的横向布置引起各个极板110、112的不对称的寄生电容，而大体上平行的VNCAP200极板210、212的垂直布置分别使平行的极板占地区230、232突出，引起对称的寄生极板210、212电容特性。
MIMCAP100和VNCAP200的每一个提供明显不同的电路行为，并且在某些BEOL应用中，一个或多个MIMCAP100与一个或多个VNCAP200的组合可能是优选的。但是，MIMCAP100极板110、112的不对称寄生电容产生端口端子116、118的极性。一方面，使用端口116作为输入端口和端口118作为输出端口的电路引起不同的等效电路行为。另一方面，极性差异可以使MIMCAP100成为单向器件。而且不正确的极性使用可以导致电路性能降低。由于必须花费额外的设计时间来区别输入和输出极性，因此解决此类极性问题导致电路设计无效率。
在很多情况中，单个芯片衬底上需要多个MIMCAP电容器，每个均具有相同的本征电容值。在其中电容器接近衬底的结构中，对于内电路设计，不能充分地控制最接近衬底的底部极板之间的可变非本征电容，因为可能无法精确地预测非本征电容的值。因此，在其中将最接近衬底的所有极板连接在一起并将距离衬底最远的所有极板连接在一起的传统现有技术实践中，在另外单独地等效的电容器中有效地产生发散的电容值。
对于并入MIMCAP100和VNCAP220两者的高密度芯片上BEOL电容器结构出现了附加的问题，因为必须提供VNCAP200与MIMCAP100部件之间的并联以适应端口端子116、118的不同极性，并且形成这样的并联呈现出对合成的复合MIMCAP100/VNCAP200BEOL结构的结构性限制，该结构性限制减小了可能的芯片实际面积效率。这还存在提供由多个VNCAP和MIMCAP产生的对称BEOL电容器结构方面的其它困难。
需要的是用于能够实现BEOL应用中横向MIMCAP电容器的有效合并的系统和方法。因此，希望的是开发一种技术以便向衬底上多个MIMCAP电容器中的每一个提供相对于衬底的对称。
发明内容
一方面，提供了安装在半导体芯片上的电容电路组件，和用于制造该电容电路组件的方法，其包括接近于衬底来安装的至少两个电容器，其中，每个电容器具有横向下导电极板，其安装得接近衬底至足以具有大于上极板非本征电容的非本征电容。下极板的一半和上极板的一半连接到第一端口，上极板和下极板的剩余的一半连接到第二端口，第一和第二端口具有与下极板的大约相等的非本征电容。
另一方面，所述至少两个电容器包括金属-绝缘体-金属电容器，并且电容电路组件位于线程后端半导体电容器电路中。
另一方面，所述衬底进一步包括限定衬底占地区的线程前端电容器，并且所述至少两个电容器电连接到线程前端电容器并布置在线程前端电容器占地区内的衬底之上。
另一方面，所述至少两个电容器是至少四个电容器。再一方面，所述至少四个电容器排列为大体上平行于衬底的矩形阵列。
另一方面，垂直原生电容器电连接到至少两个电容器并布置在线程前端电容器占地区内的衬底之上。
另一方面，第一和第二极板由相同的材料形成。再一方面，所述极板是金属或多晶硅，和/或所述介电材料具有大于约4(er>4)的磁导率值。
附图说明
图1和2是用于在衬底上安装电容器的两种技术的示意性立体图；
图3示出相对于衬底的MIM电容器的示意性立体图；
图4示出两个MIM电容器相对于衬底的传统现有技术连接的示意性立体图；
图5示出根据本发明的两个MIM电容器相对于衬底的连接的示意性立体图；
图6示出四个MIM电容器相对于衬底的传统现有技术连接的示意性立体图；
图7示出根据本发明的四个MIM电容器相对于衬底的连接的示意性立体图；
图8是VNCAP元件的立体图；
图9示出根据本发明的两个MIM电容器与VNCAP的连接的示意性立体图；
图10示出四个MIM电容器相对于衬底的传统现有技术连接的示意性立体图；以及
图11示出根据本发明的相对于衬底的对称电容器结构的顶视平面图。
具体实施方式
图3示出适合于本发明使用的单个不对称BEOL MIMCAP300的示例，其具有相对于衬底314横向布置并分别具有连接器或端口316、318的顶部极板310和底部极板320。放置在极板310、320之间的介电材料315使相对于FEOL衬底314横向极板布置的电容性结构完整。(为图示的简单起见，省略了其它FEOL结构)
衬底314按照惯例由作为电介质的硅形成。优选地，介电材料315具有大于约4(er>4)的磁导率值。应理解的是根据需要和工艺，极板310、320可以由按照惯例由诸如多晶硅或铜或其它导电材料的相同材料形成，也可以被能够用于电容器的不同材料形成。
两个导电电容性极板310、320安装得接近衬底314至足以具有非本征或寄生电容，其分别用非本征电容值324、322以图表形式来表示。底部极板320与底部极板占地区340内限定的衬底314之间的非本征电容值322大于极板310与顶部极板占地区350内限定的衬底314之间的非本征电容值324，这个差引起如上所述的端口316、318极性不同。
现在参照图4，在两个端口端子之间的传统并联电路结构400中示出了一对MIMCAP408、409，其中，端口1410连接到分别位于连接器402、403处的底部极板432、434；并且端口2420连接到分别位于连接器405、406处的顶部极板442、444。底部极板432、434分别形成寄生非本征电容器452、454，有FEOL衬底放置在下方(为图示的简明起见未示出，但如上文关于图1和3所述的)。如图4(b)的示意表示所示，并联电路结构400是不对称的，因为寄生非本征电容器452、454两者均相应地连接到端口1410，并且没有寄生非本征电容器连接到端口2420。
一方面，提供了对称的多MIMCAP电容器设计，其消除各个不对称MIMCAP的相对于FEOL芯片衬底横向定位的顶部和底部极板之间的其非本征/寄生电容差。例如，图5示出两个端口端子之间的新型交叉耦合并联电路结构500中的一对MIMCAP408、409，其中，端口1410连接到连接器512处的MIMCAP408底部极板432和连接器513处的MIMCAP409顶部极板444；并且端口2420连接到连接器515处的MIMCAP408顶部极板442和连接器516处的MIMCAP409底部极板434。再次地，底部极板432、434分别形成等效的寄生非本征电容器452、454，有FEOL衬底布置在下方(为图示的简明起见未示出，但如上文关于图1、3和4所述的)。如图5(b)的示意表示所示，交叉耦合并联电路结构500是对称的，因为寄生非本征电容器452相应地连接到端口1410，并且寄生非本征电容器454连接到端口2620。
另一方面，可以以交叉耦合并联电路结构布置超过两个的MIMCAP以便提供对称的BEOL MIM结构；重要的是在两个电路端口之间均匀地分配穿过衬底附近而产生的寄生非本征电容器以便防止端口极性化。例如，图6示出另一个传统多电容器MIM结构600，其中，在第一端口630与第二端口632之间以并联电路结构布置四个MIMCAP624，其中，所有上部极板610通过连接器630连接在一起，更接近于芯片衬底614的所有底部极板612通过连接器632连接在一起(应理解的是衬底614可以是一个连续的衬底元件，并且该衬底以离散的矩形截面614示出以便使图示简单明了。)这样，没有对每个MIMCAP624的非本征电容的改变和端子630与632之间的极性结果作出规定。
另一方面，图7示出根据本发明的具有四个MIM电容器624的替换电路结构相对于衬底614的示意性立体图。更具体地，上部极板610的一半通过第一端口连接器736而连接到底部极板612的一半，并且顶部极板610的另一半通过第二端口连接器738而连接到底部极板612的另一半。这获得了相对于衬底614的对称电容器电路700的设计，由此，如上文中关于图5同样地讨论的，将寄生电容均匀地分配到第一端口736和第二端口738中的每一个。这样，本发明使得能够实现具有多个MIMCAP624的复合对称BEOL电路700，其提供了具有类似的总体占地区的不对称MIMCAP BEOL电路(诸如图3的MIMCAP300)上改善的品质因数性能。
另一方面，本发明还具有在并入其它类型电容器的多个MIMCAP结构中的应用。例如，理想的是在BEOL芯片应用中并入VNCAP。图8提供了VNCAP800的立体图，其示出在某些BEOL电容器应用中希望的平行金属板和复合电容结构。VNCAP800由三组逐渐增大的金属层限定。第一底部组860的四个金属层(M1至M4)每个均被绝缘(或介电)材料层(V1至V3)隔开，总体上第一金属层M1与FEOL电路结构电路连接，说明性地包括MOSCAP结构(未示出)。第二中间组的较大金属层862(M5和M6，分别为第五和第六金属层)安装在第一组的层860上并被介电材料层V4相互隔开。最后，第三最大顶部组864的金属层(M7和M8、分别为第七和第八金属层)安装在第二金属层组862的顶部并被介电材料层V7相互隔开。
另一方面，三个VNCAP金属层级860、862和864中的每一个进一步包括平行的符号为“-”和符号为“+”的金属板。更具体地，VNCAP第一层级860金属层M1至M4每一个进一步包括多个符号为“+”的金属板820，其与多个符号为“-”的金属板822的关系为交替的水平平行关系。VNCAP第二中间层级862金属层M5和M6每一个进一步包括多个符号为“+”的金属板830，其与多个符号为“-”金属板832的关系为交替的水平平行关系。而且，VNCAP第三顶层级864金属层M7和M8均进一步包括多个符号为“+”的金属板840，其与多个符号为“-”金属板842的关系为交替的水平平行关系。
VNCAP可以在比用其它电容器结构可以实践的更小的占地区上的BEOL应用中提供优越的电容容量。另一方面，三个尺寸渐扩的VNCAP800底部860、中间862和顶部864各金属层每个分别限定了具有离散电容值Q1(C1)、Q2(C2)和Q3(C3)的电容器区域。这样，如对于本领域的技术人员来说显而易见的，VNCAP800还通过使能够实现小占地区内的多个离散Q元件来提供整个FEOL/BEOL电路结构中对于改善Q品质因数性能的BEOL应用中的附加优点。
因此，在本发明的另一方面，图9示出根据本发明的对称的多个电容器BEOL电路结构900的示意性立体图。更具体地，第一和第二MIM电容器920、924与图8的VNCAP800进行交叉耦合并联电路连接。(为简明起见，从图9中所示的视图中省略了VNCAP800中间金属层862)。端口1端子901因此与第一MIMCAP920上部极板902处于电路连接909，与第二MIMCAP924底部极板904处于电路连接922，并且通过端子802与正“+”VNCAP800电容器极板连接(如上文中关于图8所述的)。端口2端子902与第二MIMCAP924上部极板903处于电路连接907，与第一MIMCAP920底部极板901处于电路连接902，并且通过端子801与负“-”VNCAP800电容器极板连接。
虽然相对于指定电容器分组内的特定数目的金属层以及全部的金属层总数描述了本VNCAP示例，但应理解的是此处所述的本发明不限于具体的示范性实施方案。将轻易地显而易见的是可以在此处的教导内在VNCAP内实践更多或更少个金属层，并且本领域的技术人员可以轻易地用不同金属层数目和组合形成替换实施方案。
另一方面，还可以用其它多个MIMCAP结构实践本发明。图10示出传统的矩形阵列多电容器MIM结构1000的示意性立体图，其中，在第一端口1002与第二端口1004之间以并联电路结构布置了具有上部极板1010、下部极板1012及其之间的介电层1020的四个MIMCAP1030。这类阵列可以提供包括在BEOL应用中提供相对于其它单MIMCAP或多MIMCAP阵列的改善的Q因数值在内的诸优点。但是，如上所述，所述四个MIMCAP1030每个均在其底部极板1012处具有比在其上部极板1010处更大的相对于衬底1014的寄生电容值。在此传统电路结构中，所有上部极板1010连接到第一端口1002，并且更接近芯片衬底1014的所有底部极板1012连接到第二端口1004。(再次地，应理解的是衬底1014可以是一个连续的衬底元件，并且该衬底以离散的矩形截面1014示出以便使图示简单明了。)这样，如上所述，没有对每个MIMCAP1030每一个的非本征电容的改变和端子1002与1004之间的极性结果作出规定。修正极性、或者在电路设计中将极性考虑在内相对于在端口1002、1004之间不存在极性的结构构成许多缺点。
因此，另一方面，图11提供根据本发明的对称的矩形阵列多电容器MIM结构的顶视平面图。四个MIMCAP1030布置在第一端口1132与第二端口1138之间的并联电路结构中，其中，上部极板1010的一半通过端口连接器110和端口电路布线1112而连接到相邻MIMCAP1030中的底部极板1012的一半，并且顶部极板1010的另一半通过连接器110和端口电路布线1112而连接到相邻MIMCAP1030中的底部极板1012的另一半。这导致相对于衬底1014的对称的电容器电路1100设计，由此，如上所述，将寄生电容均匀地分配到第一端口1136和第二端口1138的每一个。
虽然本文中已描述了本发明的优选实施方案，但可以进行设计上的修改，此类修改对于电容器领域的技术人员以及其它领域的技术人员来说将是显而易见的。例如，应理解的是本发明不限于到目前为止所述的MIMCAP和VNCAP的具体数据和布置，并且本发明可以对包括多于四个的MIM电容的电路结构起作用。

Claims (17)

1.一种安装在半导体芯片上的电容电路组件，其包括
芯片衬底；
接近于衬底安装的至少两个电容器；
其中，每个电容器具有被介电材料隔开的第一和第二导电极板；
其中，每个第二导电极板安装得平面地接近所述衬底至足以具有大于每个第一导电极板的非本征电容的与所述衬底之间的第二极板非本征电容；
所述第一极板的一半和所述第二极板的一半通过第一端口电路而连接到第一端口，其中，第一端口具有来自于所述第二极板的一半的第一端口复合非本征电容；以及
所述第一极板的剩余的一半和所述第二极板的剩余的一半通过第二端口电路而连接到第二端口，其中，第二端口具有来自于所述第二极板的剩余的一半的第二端口复合非本征电容，第二端口复合非本征电容等于第一端口复合非本征电容；
其中，所述衬底进一步包括具有第一和第二端子的线程前端电容器，所述线程前端电容器限定衬底占地区；
其中，所述第一端口电连接到线程前端电容器结构第一端子，并且第二端口电连接到线程前端电容器结构第二端子；并且
其中，所述至少两个电容器布置在线程前端电容器占地区内的衬底上。
2.权利要求1的结构，其中，所述至少两个电容器是金属-绝缘体-金属电容器，并且所述电容电路组件位于线程后端半导体电容器电路中。
3.权利要求1的结构，其中，所述至少两个电容器是至少四个电容器。
4.权利要求3的结构，其中，所述至少四个电容器排列为平行于衬底的矩形阵列。
5.权利要求1的结构，其进一步包括布置在线程前端电容器占地区内的衬底上并具有第一和第二端子的垂直原生电容器，其中，第一端口电连接到垂直原生电容器第一端子，并且第二端口电连接到垂直原生电容器第二端子。
6.权利要求1的结构，其中，第一和第二极板中的每一个由相同的材料形成。
7.权利要求6的结构，其中，所述极板是金属或多晶硅。
8.权利要求6的结构，其中，所述介电材料具有大于4的磁导率值。
9.一种用于形成半导体芯片电容电路的方法，其包括步骤：
形成线程前端衬底结构；
接近于衬底来安装至少两个电容器，其中，每个电容器具有被介电材料隔开的第一和第二导电极板，并且其中，每个第二导电极板安装得平面地接近所述衬底至足以具有大于每个第一导电极板的非本征电容的与所述衬底之间的第二极板非本征电容；
通过第一端口电路将所述第一极板的一半和所述第二极板的一半连接到第一端口，其中，第一端口具有来自于所述第二极板的一半的第一端口复合非本征电容；
通过第二端口电路将所述第一极板的剩余的一半和所述第二极板的剩余的一半连接到第二端口，其中，第二端口具有来自于所述第二极板的剩余的一半的第二端口复合非本征电容，第二端口复合非本征电容等于第一端口复合非本征电容；
在衬底中提供具有第一和第二端子的线程前端电容器；
线程前端电容器限定衬底占地区；
将第一端口电连接到线程前端电容器结构第一端子；
将第二端口电连接到线程前端电容器结构第二端子；以及
将所述至少两个电容器布置在线程前端电容器占地区内的衬底上。
10.权利要求9方法，其中所述至少两个电容器是金属-绝缘体-金属电容器，其进一步包括将所述至少两个电容器置于线程后端半导体电容器电路中的步骤。
11.权利要求9的方法，其中，所述至少两个电容器是至少四个电容器。
12.权利要求11的方法，其进一步包括将所述至少四个电容器布置为平行于衬底的矩形阵列的步骤。
13.权利要求9的方法，其进一步包括步骤：
将垂直原生电容器布置在线程前端电容器占地区内的衬底上，该垂直原生电容器具有第一和第二端子；
将第一端口电连接到垂直原生电容器第一端子；以及
将第二端口电连接到垂直原生电容器第二端子；以及
14.权利要求9的方法，其中，第一和第二极板中的每一个由相同的材料形成。
15.权利要求14的方法，其中，所述极板是金属或多晶硅。
16.权利要求14的方法，其中，所述介电材料具有大于4的磁导率值。
17.一种半导体电路结构，其包括：
芯片衬底，其包括具有第一和第二端子的线程前端金属氧化硅电容器，该金属氧化硅电容器限定线程前端电容器占地区；
至少两个线程后端金属-绝缘体-金属电容器，其电连接到线程前端电容器结构并安装得接近于衬底并在所述线程前端电容器占地区上方，其中金属-绝缘体-金属底部导电极板安装得平面地接近所述衬底至足以具有大于金属-绝缘体-金属顶部导电极板非本征电容的与所述衬底之间的底部极板非本征电容；
所述顶部极板的一半和所述底部极板的一半通过第一端口电路而连接到第一端口，其中，第一端口具有来自于所述底部极板的一半的第一端口复合非本征电容；以及
所述顶部极板的剩余的一半和所述底部极板的剩余的一半通过第二端口电路而连接到第二端口，其中，第二端口具有来自于所述底部极板的剩余的一半的第二端口复合非本征电容，第二端口复合非本征电容等于第一端口复合非本征电容。
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