CN103839916A - Mom电容 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种MOM电容，由多层金属线圈组成，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成，每一层的两条金属子线圈之间形成横向电容结构，即由两条金属子线圈组成电容的两个极板，上下相邻两侧的两条金属子线圈通过通孔连接在一起。本发明MOM电容两个极板都分别由金属线圈组成，由于金属线圈具有较大的寄生电感，从而能够提高MOM电容的等效电容、增加电容密度并减少电路面积。

Description

MOM电容
技术领域
本发明涉及一种半导体集成电路器件，特别是涉及一种金属-氧化物-金属（MOM）电容。
背景技术
电容在射频电路中应用非常广泛，如金属-绝缘层-金属（MiM）电容和MOM电容，但是电容往往也是非常占用面积器件，其电容密度也比较小。随着集成度的需求越来越高，对电容密度的要求也越来越高。
现有MiM电容的电容密度一般为2fF/μm2左右，现有MOM电容结构有为三种结构。
如图1所示，是现有第一种MOM电容的结构示意图；第一种MOM电容为水平条杆结构(Horizontal Barsm，HB)，包括多层金属层，每层金属层都包括有金属条101和102，各层的相邻的金属条101和102之间形成横向结构的电容。上下两个相邻层之间的金属条101和102重叠并形成纵向结构的电容。每一层的金属条101和102可以结构一样。
如图2所示，是现有第二种MOM电容的结构示意图；第二种MOM电容为没有通孔的编织状结构（Woven No Via，WNV），包括多层金属层，每层金属层都包括有金属条103和104，各层的相邻的金属条103和104之间形成横向结构的电容。相邻两层的金属条103和104之间形成交织状结构。每一层的金属条103和104可以结构一样。
如图3所示，是现有第三种MOM电容的结构示意图；现有第三种MOM电容为垂直平行板结构（vertical parallel plates，VPP），包括多层金属，各层金属层的相邻的金属条105通过通孔107连接在一起形成一个垂直平行板，各层金属层的相邻的金属条106通过通孔107连接在一起形成另一个垂直平行板，由两个相邻的金属条105组成的垂直平行板和金属条106组成的垂直平行板之间形成横向结构的电容。每一层的金属条105和106可以结构一样。
现有三种结构的MOM电容结构的金属层数不同时电容密度会有所调整，电容密度的范围为1～3fF/μm2。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种MOM电容，能提高等效电容，增加电容密度，减少电路面积。
为解决上述技术问题，本发明提供的MOM电容包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成。
对于每一层所述金属线圈的两条所述金属子线圈有如下结构：两条所述金属子线圈都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同，第一条金属子线圈和第二条金属子线圈之间由氧化层隔离、所述第一条金属子线圈和所述第二条金属子线圈的各圈金属线段的侧面会交叠并在对应的金属层形成横向的电容；最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口；
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系：
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相反，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层隔离；
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连；上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈之间的金属线会部分交叠，该交叠部分形成纵向电容。
进一步的改进是，所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同，相邻金属线段之间的距离相等。
进一步的改进是，上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈之间的金属线的重叠部分的面积大于不重叠部分的面积。
为解决上述技术问题，本发明提供的MOM电容包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成。
对于每一层所述金属线圈的两条所述金属子线圈有如下结构：两条所述金属子线圈都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同，第一条金属子线圈和第二条金属子线圈之间由氧化层隔离、所述第一条金属子线圈和所述第二条金属子线圈的各圈金属线段的侧面会交叠并在对应的金属层形成横向的电容；最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口。
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系：上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相同，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层隔离；上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连；上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连。
进一步的改进是，所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同，相邻金属线段之间的距离相等。
进一步的改进是，两个相邻层的所述金属线圈之间的结构关系中：上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段通过条状通孔相连，所述条状通孔和对应的金属线段平行；上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段通过条状通孔相连，所述条状通孔和对应的金属线段平行。
本发明的MOM电容的两个极板都分别由金属线圈组成，金属线圈能够增加MOM电容的寄生电感，从而能够提高MOM电容的等效电容、增加电容密度并减少电路面积。本发明能够增加等效电容的原理为：从高频阻抗公式可以推出等效电容
Figure BDA00002465260700032
当w2LC＜1时，Ceq＞C，当然条件是频率
Figure BDA00002465260700033
否则就发生谐振了。可知，当C相同时，且频率即小于谐振频率时，寄生电感L越大，等效电容Ceq也越大，所以增加寄生电感能够增加等效电容。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:
图1是现有第一种MOM电容的结构示意图；
图2是现有第二种MOM电容的结构示意图；
图3是现有第三种MOM电容的结构示意图；
图4A是本发明实施例一MOM电容的结构示意图；
图4B是图4A中沿A-A'线的剖面图；
图4C是图4A中沿B-B'线的剖面图；
图5A是本发明实施例二MOM电容的结构示意图；
图5B是图5A中沿C-C'线的剖面图；
图6是本发明实施例一和二以及现有第三种MOM电容的电容和频率曲线的比较图。
具体实施方式
如图4A所示，是本发明实施例一MOM电容的结构示意图；本发明实施例一MOM电容：包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成；图4A中显示了相邻的两层金属线圈，即上层金属线圈1和下层金属线圈2。所述上层金属线圈1由第一条金属子线圈11和第二条金属子线圈12嵌套形成。所述下层金属线圈2由第一条金属子线圈21和第二条金属子线圈22嵌套形成。
所述第一条金属子线圈11和所述第二条金属子线圈12都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同。所述第一条金属子线圈11在外侧端口11a和内侧端口11b之间呈顺时针环绕，所述第二条金属子线圈12在外侧端口12a和内侧端口12b之间呈顺时针环绕。所述第一条金属子线圈11和所述第二条金属子线圈12由氧化层8隔离、所述第一条金属子线圈11和所述第二条金属子线圈12的各圈金属线段的侧面会交叠并在所述上层金属线圈1中形成横向的电容。
所述第一条金属子线圈21和所述第二条金属子线圈22都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同。所述第一条金属子线圈21在外侧端口21a和内侧端口21b之间呈逆时针环绕，所述第二条金属子线圈22在外侧端口22a和内侧端口22b之间呈逆时针环绕。所述第一条金属子线圈21和所述第二条金属子线圈22由氧化层8隔离、所述第一条金属子线圈21和所述第二条金属子线圈22的各圈金属线段的侧面会交叠并在所述下层金属线圈2中形成横向的电容。
最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口。如果图4A中的所述上层金属线圈1为最顶层的所述金属线圈，则所述外侧端口11a为第一电极端口，所述外侧端口12a为第二电极端口，通过所述第一电极端口和所述第二电极端口给所述MOM电容加工作电压。
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系：
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相反，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层8隔离。如图4A中的上层金属线圈1的所述第一条金属子线圈11和所述第二条金属子线圈12都为顺时针环绕，下层金属线圈2所述第一条金属子线圈21和所述第二条金属子线圈22都为逆时针环绕。
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连。如图4A中所示，上层的所述第一条金属子线圈11的内侧端口11b通过通孔3b和下层的所述第二条金属子线圈22的内侧端口22b相连，上层的所述第二条金属子线圈12的内侧端口12b通过通孔3a和下层的所述第一条金属子线圈21的内侧端口21b相连。
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈之间的金属线会部分交叠，交叠部分的面积大于没有交叠部分的面积，即交叠部分的面积超过一半以上，该交叠部分形成纵向电容。如图4B所示，是图4A中沿A-A'线的剖面图；其中上层的所述第一条金属子线圈11和下层的所述第二条金属子线圈22会部分交叠，上层的所述第二条金属子线圈12和下层的所述第二条金属子线圈21会部分交叠。
如图4C所示，是图4A中沿B-B'线的剖面图；其中上层的所述第一条金属子线圈11和下层的所述第二条金属子线圈22会部分交叠，上层的所述第二条金属子线圈12和下层的所述第二条金属子线圈21会部分交叠。且上层的所述第二条金属子线圈12通过通孔3a和下层的所述第一条金属子线圈21b相连。
所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同，所有层的所述金属线圈的相邻金属线段之间的距离相等。所述MOM电容的底部为半导体衬底7如硅衬底，半导体衬底7上形成有氧化层8，用于形成电容的隔离介质。
如图5A所示，是本发明实施例二MOM电容的结构示意图；本发明实施例二MOM电容：包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成；图5A中显示了相邻的两层金属线圈，即上层金属线圈4和下层金属线圈5。所述上层金属线圈4由第一条金属子线圈41和第二条金属子线圈42嵌套形成。所述下层金属线圈5由第一条金属子线圈51和第二条金属子线圈52嵌套形成。
所述第一条金属子线圈41和所述第二条金属子线圈42都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同。所述第一条金属子线圈41在外侧端口41a和内侧端口41b之间呈顺时针环绕，所述第二条金属子线圈42在外侧端口42a和内侧端口42b之间呈顺时针环绕。所述第一条金属子线圈41和所述第二条金属子线圈42由氧化层8隔离、所述第一条金属子线圈41和所述第二条金属子线圈42的各圈金属线段的侧面会交叠并在所述上层金属线圈4中形成横向的电容。
所述第一条金属子线圈51和所述第二条金属子线圈52都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同。所述第一条金属子线圈51在外侧端口51a和内侧端口51b之间呈顺时针环绕，所述第二条金属子线圈52在外侧端口52a和内侧端口52b之间呈顺时针环绕。所述第一条金属子线圈51和所述第二条金属子线圈52由氧化层8隔离、所述第一条金属子线圈51和所述第二条金属子线圈52的各圈金属线段的侧面会交叠并在所述下层金属线圈5中形成横向的电容。
最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口。如果图5A中的所述上层金属线圈4为最顶层的所述金属线圈，则所述外侧端口41a为第一电极端口，所述外侧端口42a为第二电极端口，通过所述第一电极端口和所述第二电极端口给所述MOM电容加工作电压。
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系：
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相同，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层8隔离。如图5A中的上层金属线圈4的两条金属子线圈41和42、以及下层金属线圈5的两条金属子线圈51和52都为顺时针环绕。
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连。上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连。如图5A所示，本发明实施例二中，上层金属线圈4的第一条金属子线圈41和下层金属线圈5的第一条金属子线圈51完全重叠，上层金属线圈4的第一条金属子线圈42和下层金属线圈5的第一条金属子线圈52完全重叠。如图5B所示，是图5A中沿A-A'线的剖面图，第一条金属子线圈41和第一条金属子线圈51完全重叠，且第一条金属子线圈41和第一条金属子线圈51之间通过通孔6相连接；第二条金属子线圈42和第二条金属子线圈52完全重叠，且第二条金属子线圈42和第二条金属子线圈52之间通过通孔6相连接。所述通孔6为条状通孔，该条状通孔并和对应的金属线段平行。
所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同。所有层的所述金属线圈的相邻金属线段之间的距离相等。所述MOM电容的底部为半导体衬底7如硅衬底，半导体衬底7上形成有氧化层8，用于形成电容的隔离介质。
本发明实施例能增加器件的等效电容，原理如下：从高频阻抗公式
Figure BDA00002465260700071
可以推出等效电容当w2LC＜1时，Ceq＞C，当然条件是频率
Figure BDA00002465260700073
否则就发生谐振了。可知，当C相同时，且频率即小于谐振频率时，寄生电感L越大，等效电容Ceq也越大，所以增加寄生电感能够增加等效电容。如图6所示，是本发明实施例一和二以及现有第三种MOM电容的电容和频率曲线的比较图。曲线201为本发明实施例一MOM电容的电容和频率曲线，曲线20二为本发明实施例二MOM电容的电容和频率曲线，曲线203为现有第一种MOM电容的电容和频率曲线。
其中现有第三种MOM电容的金属层包括1～5叠层，面积为W×L=59μm×65μm，金属宽度为5μm，金属长度为50μm，间距为1μm，单层并联指数为5。从曲线203可以看出，其低频电容值为9.97pF，电容密度为2.6fF/μm2，电容在15GHz前随着频率略微有所提升，15GHz后由于与衬底的寄生电容及衬底效应，其电容随频率减小。
测试时，本发明实施例一的MOM电容的面积与上述现有第三种MOM电容的基本保持一致，面积为W×L=59μm×65μm，金属线圈宽度为5μm，金属线圈之间的距离为1μm。从仿真结果看，即比较曲线201和203可知，与现有第三种MOM电容相比，本发明实施例一的MOM电容在高频下，电容值提高了，且频率越高，电容越大，直到频率达到谐振频率点。
为了减少寄生电阻，可以采用本发明实施例二MOM电容结构，但是其寄生电感L相对要小一些，由曲线202可知，本发明实施例二MOM电容的电容随频率变化相对要小一些。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种MOM电容，其特征在于：包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成； 
对于每一层所述金属线圈的两条所述金属子线圈有如下结构： 
两条所述金属子线圈都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数也相同，第一条金属子线圈和第二条金属子线圈之间由氧化层隔离、所述第一条金属子线圈和所述第二条金属子线圈的各圈金属线段的侧面会交叠并在对应的金属层形成横向的电容； 
最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口； 
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系： 
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相反，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层隔离； 
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈的内侧端口和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的内侧端口通过通孔相连；上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈之间的金属线会部分交叠，该交叠部分形成纵向电容。 
2.如权利要求1所述的MOM电容，其特征在于：所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同。 
3.如权利要求1所述的MOM电容，其特征在于：所有层的所述金属线圈的相邻金属线段之间的距离相等。 
4.如权利要求1所述的MOM电容，其特征在于：上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈之间的金属线的重叠部分的面积大于不重叠部分的面积。 
5.一种MOM电容，其特征在于：包括多层金属线圈，每一层金属线圈都是由两条金属子线圈嵌套形成； 
对于每一层所述金属线圈的两条所述金属子线圈有如下结构： 
两条所述金属子线圈都分别由一条金属线环绕而成、环绕方向相同、环绕的圈数 也相同，第一条金属子线圈和第二条金属子线圈之间由氧化层隔离、所述第一条金属子线圈和所述第二条金属子线圈的各圈金属线段的侧面会交叠并在对应的金属层形成横向的电容； 
最顶层的所述金属线圈包括两个电极端口，第一电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第一条金属子线圈的外侧端口，第二电极端口位于最顶层的所述金属线圈的所述第二条金属子线圈的外侧端口； 
两个相邻层的所述金属线圈之间具有如下结构关系： 
上层所述金属线圈和相邻的下层所述金属线圈的金属线的环绕方向相同，两个相邻层的所述金属线圈之间用氧化层隔离； 
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连； 
上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段在纵向上完全重叠，上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段通过通孔相连。 
6.如权利要求5所述的MOM电容，其特征在于：所有层的所述金属线圈的金属线的宽度相同。 
7.如权利要求5所述的MOM电容，其特征在于：所有层的所述金属线圈的相邻金属线段之间的距离相等。 
8.如权利要求5所述的MOM电容，其特征在于：两个相邻层的所述金属线圈之间的结构关系中： 
上层所述金属线圈的第一条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第一条金属子线圈的各圈金属线段通过条状通孔相连，所述条状通孔和对应的金属线段平行； 
上层所述金属线圈的第二条金属子线圈和相邻的下层所述金属线圈的第二条金属子线圈的各圈金属线段通过条状通孔相连，所述条状通孔和对应的金属线段平行。 
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