CN104201170A - 一种立体包裹式金属-氧化层-金属电容 - Google Patents

Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种立体包裹式金属-氧化层-金属电容。其内层极板由多层金属工艺作为第一金属层堆叠组成，外层极板也由多层金属工艺作为第二、三金属层堆叠组成。该结构的第一金属层被第二、三金属层以一种三维立体式的方式包裹覆盖，由两者之间的空隙由氧化层填充，形成该电容的有效电介质。该电容在有效缩小晶片面积的同时，能够达到满足千分之一的无源器件匹配精度要求，大小可以控制在1f法拉第以上。

Description

一种立体包裹式金属-氧化层-金属电容

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种能够应用于高速模数转换器/数模转换器的金属-氧化层-金属电容。

背景技术

集成电路随着摩尔定律不断发展，现代CMOS已经进入几十纳米如65纳米、40纳米以及更先进的工艺制造技术。通信技术对于高速的需求，以及便携式设备对低功耗的需求使得集成电路设计走向高速与低功耗相融合的方案。模数/数模转换器作为链接集成电路中模拟与数字的桥梁，人们对于其兼容高速与低功耗性能的要求日益迫切。在这种挑战下，传统的各种模数/数模转换器的应用场合以及也发生了重要变化，人们利用先进的工艺制造技术的同时，并在原有传统结构上的创新来弥补其对于高性能的要求。

近些年来，逐次逼近型模数转换器由于其天然适应先进制造工艺的优势，在现如今的模数转换器大家庭中的地位愈加重要。该模数转换器很好的满足了低功耗的要求，其能效能够控制在100fJ/conversion–step，甚至10fJ的量级，同时在先进制造工艺的支撑下，其转换速度也提升至100MS/s量级。这种结构很好的适应了人们对于高速和低功耗的需要。而电容阵列结构作为传统逐次逼近型模数转换器的主要组成部分，其速度和功耗将直接影响到整个模数转换器。对于该模数转换器，若电容阵列的电容值越小，其在速度和功耗方面的优势将会越明显。

而传统的电容有两种形式，一种是金属-绝缘层-金属电容(MIM)，另一种是金属-氧化层-金属电容(MOM)。MIM电容采用具有特殊材料的绝缘层作为电解质，电容密度高，且占据了较大的芯片面积，该结构不能达到很低的电容值。而传统MOM电容采用插值状三维结构，增加了电路布线时的寄生，提高版图难度，从而引入不确定的寄生电容因素。因此本发明专利的驱动力在于设计一种既能达到小容值（1fF量级），又能兼顾其相对匹配精度、面积使用效率和走线简易程度的电容结构，对于高速低功耗模数/数模转换器的实现至关重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能效高、布局简单的立体包裹式金属-氧化物-金属电容，能克服传统MIM电容结构所带来的电容值过大而不具有高能效的困扰，并克服传统MOM电容结构所带来的布局布线困扰以及这种困扰带来的不必要寄生电容的影响。该电容是能应用于一定精度AD/DA的1fF量级的电容。该电容能够保证及相对增大有效电容值，并能广泛使用于AD/DA的电路连接关系中。

本发明所提供的立体包裹式金属-氧化物-金属电容主要包括第一金属层101、第二金属层102和第三金属层103，其中：

所述第一金属层101，由多层金属组成，为立体的T形结构，作为电容的内层极板；

所述第二金属层102和第三金属层103，分别由多层金属组成。第二金属层102作为侧壁，第三金属层103作为顶盖设置于两个第二金属层102上方，通过通孔相互连接，形成一个中空的方形立体结构，作为该电容的外层极板；

所述第一金属层101的T形结构端头部镶嵌于第二金属层102和第三金属层103形成的中空的立方体结构之中，即电容的外层极板完全将内层极板包裹；

所述第二金属层102和第三金属层103连接成一体，其同第一金属层101之间设置有氧化层隔断104。如图1和图4所示。

本发明中，第一金属层被第二、三金属层以一种三维立体式的方式包裹覆盖，两者之间的空隙由氧化层隔断填充，形成该电容的有效电介质。该三维立体包裹式的电容在有效缩小晶片面积的同时，能够达到满足千分之一的无源器件匹配精度要求，大小可以控制在1f法拉第以上。

附图说明

图1是本发明的结构剖面图。

图2是本发明的实例剖面图。

图3是本发明的结构俯视图和仰视图。

图4是本发明的三维立体剖面图。

图中标号：101为第一金属层，102为第二金属层，103为第三金属层，104为氧化层。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明，以下将结合附图及一定实例，对该电容结构的具体实施方式、结构及功能等，做出详细说明。

第一金属层101中依次设置由具体工艺实现的第三层金属M3、第四层金属M4A、第五层金属M5A和第六层金属M6A；每一层金属通过通孔连接。

第二金属层102中依次设置由具体工艺实现的第四层金属M4B、第五层金属M5B和第六层金属M6B；每一层金属通过通孔连接。

第三金属层103中设置由具体工艺实现的第七层金属M7。

第四层金属M4A与第四层金属M4B分割独立；第五层金属M5A与第五层金属M5B分割独立；第六层金属M6A与第六层金属M6B分割独立。

第四层金属M4B、第五层金属M5B和第六层金属M6B均为一方形环状体。

氧化层O1为隔断第四层及第五层层间金属的绝缘介质层。

氧化层O2为隔断第五层与第六层金属间的绝缘介质层。

氧化层O3为隔断第六层层间金属的绝缘介质层。

氧化层O4为隔断第六层与第七层金属间的绝缘介质层。

第三层金属M3作为该电容的某一极板引线，直接与第四层金属M4A、第五层金属M5A、第六层金属M6A由通孔相连接，并组成一个整体，成为一个柱状的第一金属层101。即第三层金属M3、第四层金属M4A、第五层金属M5A、第六层金属M6A由通孔连接成一整体，并构成该电容的某一极板。第四层金属M4B、第五层金属M5B、第六层金属M6B通过通孔垂直连接成一具有镂空底部的方形环状体，这一整体构成了该电容结构的第二金属层102。另外，第七层金属M7作为一个顶部的封闭金属层，构成了第三金属层103，覆盖了整个电容的顶部，通过通孔与第六层金属M6B相连接。第二金属层与第三金属层一同构成了电容的另一个极板。如图2所示。

第二金属层的环状结构与第一金属层的柱状结构由氧化层O1、氧化层O2、氧化层O3相隔断。第三金属层与第一金属层由氧化层O4隔断。这些氧化层形成了本电容的电介质填充，由于氧化层的介电常数较小，本电容的电容值也较小，从而能够到达1fF量级，又由于其包裹式结构，能够减少外界寄生电容对第一电容层（即该电容的有效电容）的影响，使得该结构的电容对寄生电容有很强的不敏感性。如图2所示。

图3是根据上述电容结构描述，给出的一种可能的俯视图及仰视图实例。从顶部看只有第七层金属M7以及连接到第六层金属M6B的通孔；从底部看，第四层金属M4B和第五层金属M5B同属于外层极板，第三层金属M3属于内层极板。而图4是根据上述电容结构描述，给出的一种可能的俯视图及仰视图实例的三维立体剖面图，这些可以促进对本发明转里的电容结构的进一步理解。

值得注意的是，以上通过具体实例是根据对本发明结构的精神进行的举例说明，本发明所涉及的电容结构，不局限于由M3-M6组成的第一金属层、由M4-M6组成的第二金属层和由M7构成的第三金属层，也不局限于图3描述的正方形状、正多边形状环状结构。在不脱离本发明精神的情况下，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 (1)

1. 一种立体包裹式金属-氧化物-金属电容，其特征在于主要包括第一金属层（101）、第二金属层（102）和第三金属层（103），其中：

所述第一金属层（101），由多层金属组成，为立体的T形结构，作为电容的内层极板；

所述第二金属层（102）和第三金属层（103），分别由多层金属组成；第二金属层（102）作为侧壁，第三金属层（103）作为顶盖设置于两个第二金属层（102）上方，通过通孔相互连接，形成一个中空的方形立体结构，作为该电容的外层极板；

所述第一金属层（101）的T形结构端头部镶嵌于第二金属层（102）和第三金属层（103）形成的中空的立方体结构之中，即电容的外层极板完全将内层极板包裹；

所述第二金属层（102）和第三金属层（103）连接成一体，其同第一金属层（101）之间设置有氧化层隔断（104）。