CN111368500A - 金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统，该金属互联层电容预测模型的建立方法包括：利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；采用工艺器件仿真工具分别提取所述金属互联层电容的电压及温度与所述容值的关系数据，加入所述关系式中；以及将所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式建立为仿真模型。该模型建立方法通过采用后仿真工具建立起电容容值与尺寸的关系式，再结合工艺器件仿真工具加入电压和温度的关系数据，从而建立起电容的整体模型，该方法的建模速度大大提升，节省了电路设计周期，而且可以对小尺寸的电容进行分析，模型可靠性好。

Description

金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统。

背景技术

集成电路中三种常见的电容分别为MOM(metal oxid metal，金属-氧化物-金属)电容、MOS(metal oxid semiconductor，金属-氧化物-半导体)电容和MIM(metalinsulator metal，金属-绝缘体-金属)电容。其中，MOS电容的容值随电压变化的波动较大，产生的漏电较多且耐压低；MIM电容在使用过程中需要加入额外的掩模，工艺成本较高。而MOM电容的制作成本低，利用现成的金属互联，充放电速度快，耐压大，漏电低，电容密度高，在不同电压下的容值稳定。因此在电路设计中应用范围较为广泛，所以MOM电容的模型建立也变得十分重要。

在不同耐压的MOM电容应用中，通常会拉开金属的间距，选择不同的金属宽度，或者不同的结构来组成MOM电容结构。对常规的MOM电容建模方法，如果电路设计需要使用工作在不同电压下的MOM电容模型，就需要列出不同的MOM电容结构，然后画出版图进行流片，等待两到三个月的时间之后对晶圆进行在片测试得到MOM数据，最后进行MOM电容模型的提取，建立模型。整个建模过程耗时较长，占用资源多，会减缓电路设计迭代的速度。

另外，在常规的PDK(process design kit，工艺设计工具包)中，通常只提供该工艺最小的金属间距组成的MOM电容模型，会对高电压应用的设计造成局限性。同时，限制于目前的测试条件，尺寸较小的MOM电容暂时无法测得精确数据，小尺寸MOM电容的建模也比较困难。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统，该模型建立方法首先采用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立电容的容值与尺寸的关系，再利用工艺器件仿真工具进行温度和电压与容值的关系的提取，使得建立的模型能适用于不同尺寸的电容的测试，节省了电路设计周期。

根据本发明第一方面，提供一种金属互联层电容预测模型的建立方法，包括：

利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；

采用工艺器件仿真工具分别提取所述金属互联层电容的电压及温度与所述容值的关系数据，加入所述关系式中；以及

将所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式建立为仿真模型。

可选地，所述金属互连层电容为MOM电容。

可选地，所述利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式包括：

搭建多个不同尺寸的所述金属互联层电容的布局；

采用后仿真工具生成表征所述容值数据的后仿网表，所述后仿网表包括与所述多个不同尺寸相对应的多个不同容值；以及

将所述多个不同尺寸与所述多个不同容值进行拟合，生成金属互联层电容的容值与尺寸的关系式。

可选地，所述后仿真工具包括Calibre xRC，提取寄生参量时采用R+C+CC模式，其中，R表示寄生电阻，C表示本征寄生电容，CC表示耦合电容。

可选地，所述工艺器件仿真工具为TCAD软件的Sentaurus模块。可选地，所述金属互联层电容的所述容值与所述尺寸呈正比关系。

可选地，所述金属互联层电容的所述容值与所述尺寸的所述关系式为：MOM_cap＝j*MOM_area+i，其中，MOM_cap表示所述容值，MOM_area表示所述尺寸，j为MOM_area的无量纲系数，i为MOM_cap关系式的截距。

可选地，所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式为：MOM_cap＝(j*MOM_area+i)*MOM_temp*MOM_V，其中，MOM_temp为所述温度与所述容值之间的关系数据，MOM_V为所述电压与所述容值之间的关系数据。

可选地，所述MOM电容包括条状电容和叉指电容。

可选地，所述条状电容的所述尺寸的表达式为：MOM_area＝k*L*finger，其中，k为MOM_area的无量纲系数，L为条状电容中交叠的金属电极的长度，finger为条状电容中交叠的金属电极的数量。

可选地，所述叉指电容的所述尺寸的表达式为：MOM_area＝k*Finger1*Finger2，其中，k为MOM_area的无量纲系数，Finger1为叉指电容中交叠的第一类型叉指极板的数量，Finger2为叉指电容中交叠的第二类型叉指极板的数量。

根据本发明的第二方面，提供一种金属互联层电容预测模型系统，包括：

关系式建立模块，用于利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；

参数配置模块，用于采用工艺器件仿真工具分别提取所述金属互联层电容的电压及温度与所述容值的关系数据，加入所述关系式中；以及

模型生成模块，用于将所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式建立为仿真模型。

可选地，所述后仿真工具包括Calibre xRC，提取寄生参量时采用R+C+CC模式，其中，R表示寄生电阻，C表示本征寄生电容，CC表示耦合电容。

本发明提供的金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统，利用温度和电压对电容容值影响较小，且与电容尺寸关系独立的特点，首先建立电容容值与尺寸的关系式，然后再加入温度和电压对电容容值的影响，大大缩短了建模周期，减少资源的占用。而且电容容值与尺寸成一定的正比例关系，使用后仿真工具可以快速建立起不同尺寸的电容值的关系式，再结合仿真工具，列出电容值与尺寸、温度和电压的关系式，建立尺寸可变的电容模型，模型的适用范围广。且采用后仿真工具建立的该模型还可以用于小尺寸电容的精确分析，模型的可靠性高。

优选地，采用后仿真工具提取不同结构不同尺寸的电容模型，能根据后仿网表快速得到不同尺寸对应的电容容值，且尺寸与容值的关系明显，可以建立起尺寸可变的电容模型，快速分析尺寸变化对容值的影响；而且大大缩短了建模和电路设计迭代的时间，无需等待流片测试的过程，减少资源的占用，与流片后的测试数据相比，采用该方法建立的电容模型的精确度在接受范围内，所以模型的精确度高，可靠性好。

优选地，金属互联层电容为MOM电容，可以使模型兼具MOM电容的充放电速度快，耐压大漏电低，电容密度高等优点，而且该模型不仅适用于两层金属的条状MOM电容和叉指MOM电容，对单层和多层金属MOM电容都适用，能很好地利用MOM电容的优点。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的金属互联层电容预测模型的建立方法的流程图；

图2示出了根据本发明实施例的条状MOM电容的结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的叉指MOM电容的结构示意图；

图4示出了根据本发明实施例的条状MOM电容的电容拟合曲线示意图；

图5示出了根据本发明实施例的叉指MOM电容的电容拟合曲线示意图；

图6示出了根据本发明实施例的金属互联层电容预测模型系统的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上方，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“A直接在B上面”或“A在B上面并与之邻接”的表述方式。

在本申请中，术语“半导体结构”指在制造半导体器件的各个步骤中形成的整个半导体结构的统称，包括已经形成的所有层或区域。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1示出了根据本发明实施例的金属互联层电容预测模型的建立方法的流程图。

目前金属互联层电容模型建立时常用的方法是画出不同结构不同尺寸的电容，然后流片后测试数据，建立模型，该方法耗时过长。为缩短时间还可以直接用TCAD(Technology Computer Aided Design，半导体工艺模拟以及器件模拟工具)软件仿真金属间电容密度，利用该电容密度建立不同尺寸的电容模型。该仿真通常是二维仿真，对于MOM电容的仿真覆盖不全且仿真难度较大。

所以本申请采用一种新的建模方式建立金属互联层电容模型。本实施例中，利用后仿工具提取不同结构不同尺寸的电容容值，建立电容模型，提高了模型精度，缩短了设计时间。

具体地，现有的金属互联层电容模型基本采用子电路结构，该结构简单灵活，通常包含电压系数、温度系数和电容尺寸的系数。而金属互联间距和金属层间介质决定了金属互联层电容密度，温度和电压对金属互联间距和金属层间介质厚度影响较小，因此温度和电压对金属互联层电容影响较小，且与电容尺寸关系独立，因此本实施例的建模方法首先着眼于电容尺寸对金属互联层电容的影响。

如图1所示，在步骤S101中，利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式。

由于温度和电压对电容容值影响较小，所以先建立电容容值与尺寸的关系，采用后仿真工具可以快速得到与不同尺寸的电容对应的不同的电容容值，而且可以加入对寄生电容和耦合电容的考量。

进一步地，利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式包括：

步骤S1011中，搭建多个不同尺寸的所述金属互联层电容的布局。

制作出不同尺寸的金属互联层电容的布局或排布，不同的电容的尺寸从小到大覆盖通用电路的应用范围。

在步骤S1012中，采用后仿真工具生成表征容值数据的后仿网表，后仿网表包括与多个不同尺寸相对应的多个不同容值。

利用后仿工具(XRC或PEX)进行电容容值的计算，使用R+C+CC模式进行寄生参量的提取，加入对寄生电容和耦合电容的考量，其中，R表示寄生电阻，C表示本征寄生电容，CC表示耦合电容。后仿真工具包括Calibre xRC，采用该仿真工具可以得到后仿网表，后仿网表中列出了不同尺寸对应的电容。后仿真工具是目前仿真时经常采用的，这里不做详细介绍。

在步骤S1013中，将多个不同尺寸与多个不同容值进行拟合，生成金属互联层电容的容值与尺寸的关系式。

后仿网表中列出了不同尺寸对应的电容。根据不同结构的电容的不同尺寸以及与之相对应的电容容值，可以建立尺寸和容值的关系式。

通常，金属互连层电容的结构改变，例如当其某些尺寸变大时，电容容值也随之变大，即金属互连层电容的容值与尺寸成一定的正比例关系，这意味着金属互联层电容密度是稳定的。利用该特性可以建立电容与尺寸的关系，而本实施例经过仿真后得到的数据也能证明这种正比关系，在下述的图2-图5中会进行详细介绍。

在步骤S102中，采用工艺器件仿真工具分别提取金属互联层电容的电压及温度与容值的关系数据，加入关系式中。

金属互联层电容包含了尺寸效应，即当尺寸变化时电容也随着变化。同时金属互联层电容还包含着电压效应，即电压变化，其电容随之变化；同样的，温度与电容也有相互关系。虽然温度和电压对容值的影响较小，但是为了模型的精度，在本步骤中加入温度和电压对电容容值的影响。

采用工艺器件仿真工具，分别提取金属互联层电容的电压及温度与容值的关系数据，加入步骤S101中得到的关系式中。工艺器件仿真工具例如采用TCAD软件的Sentaurus模块。温度和电压与尺寸关系独立，所以可以利用TCAD的Sentaurus模块搭建电容的基本结构，仿真出电压与温度的关系，补全关系式。这里仅是给出一种可实施方式，不作为对本发明实施例的限定。

在步骤S103中，将容值与尺寸、电压和温度的关系式建立为仿真模型。

将包含有温度系数，电压系数和尺寸系数的电容容值的关系式转化为可以仿真的模型，即完成模型的建立。

进一步地，集成电路常用的几种电容中，MOM(Metal-Oxide-Metal，金属-氧化物-金属)电容是目前广泛应用于芯片制造的一种电容器件。它主要是利用同层金属之间的电容，还可以通过堆叠多层MOM电容来实现较大的电容值。该种电容的好处是其可以用现有的后端金属互连工艺来实现，即可以同时完成MOM电容与金属互连结构，不需要增加额外的光刻层次，因此在高阶制程中的应用非常广泛。本实施例的金属互连层电容也可以采用MOM电容实现。

当金属互连层电容为MOM电容时，MOM电容的容值与尺寸呈正比关系。根据上述步骤S101建立起的MOM电容的容值与尺寸的关系式为式(1)：

MOM_cap ＝ j*MOM_area + i (1)，

其中，MOM_cap表示MOM电容的容值，MOM_area表示电容的尺寸，j为MOM_area的无量纲系数，i为MOM_cap关系式的截距。MOM_area例如是电容面积，通常指金属交叠面积。

理想的MOM_cap关系式是一条过零点的直线，实际中因为寄生电容和耦合电容的存在使得MOM尺寸较小时电容会偏离理想直线，通常截距i绝对值是非常小的值，在图4和图5中会得到验证。

根据上述步骤S103建立的容值与尺寸、电压和温度的关系式为式(2)：

MOM_cap ＝ (j*MOM_area + i)*MOM_temp*MOM_V (2)，

其中，MOM_temp为温度与容值之间的关系数据，MOM_V为电压与容值之间的关系数据。由此即完成了MOM电容模型的建立，该建模过程耗时短，电路设计迭代的时间少，资源的占用也较少；而且加入了对温度，电压和尺寸等不同参数的仿真，模型的准确度高。

通常，常见的MOM电容包括条状电容和叉指电容。以下结合图2-图3介绍MOM电容的部分结构。

图2示出了根据本发明实施例的条状MOM电容的结构示意图。

如图2所示，该MOM电容包括相互交叠的两层金属，第一层金属包括指状结构的第一电极20，每个第一电极20包括多个平行的第一指状极板23，多个第一指状极板23的一端连接在一起；第二层金属包括指状结构的第二电极30，每个第二电极30包括多个平行的第二指状极板33，多个第二指状极板33的一端连接在一起。多个第一指状极板23与多个第二指状极板33相互交叠，交叠部分的长度为L，交叠的极板数量记为finger。在利用后仿真工具进行仿真时，得到的尺寸即为L与finger的乘积。

图3示出了根据本发明实施例的叉指MOM电容的结构示意图。

如图3所示，该MOM电容包括相互交叠的两种类型的金属电极，每个第一类型电极200包括多个平行的第一类型叉指极板210，多个第一类型叉指极板210的一端连接在一起；每个第二类型电极300包括多个平行的第二类型叉指极板310，多个第二类型叉指极板310的一端连接在一起。多个第一类型叉指极板210与多个第二类型叉指极板310相互交叠，交叠的第一类型叉指极板210的数量记为Finger1，交叠的第二类型叉指极板310的数量记为Finger2。在利用后仿真工具进行仿真时，得到的尺寸即为Finger1与Finger2的乘积。

图2和图3为两种典型的MOM结构，分别为条状结构和叉指结构。随着条状结构的L和finger变大，或者叉指结构的Finger1和Finger2变大，MOM电容的尺寸和电容容值也随之变大。当MOM电容尺寸变大时，MOM电容与尺寸成一定的正比例关系。图2和图3均只是给出一种MOM电容的示例，不作为对本发明的电容的限定。

以下结合图4和图5介绍对图2和图3实施例的MOM电容的仿真电容曲线。

图4示出了根据本发明实施例的条状MOM电容的电容拟合曲线示意图。

结合图2，对多个不同结构不同尺寸的条状电容进行后仿真参数提取，得到不同的尺寸和电容的关系，将其汇总成电容拟合曲线，如图4所示，横坐标表示电容尺寸，即上述提到的面积，纵坐标表示电容容值，将二者的关系以线性关系表示。条状电容的尺寸的表达式为式(3)：

MOM_area＝k*L*finger(3)，

其中，k为MOM_area的无量纲系数，L为条状电容中交叠的金属电极的长度，finger为条状电容中交叠的金属电极的数量。根据式(1)将MOM_area与MOM_cap的关系表示在坐标图中，即为图4示出的拟合曲线。由图可知，电容容值与尺寸基本呈正比关系。

图5示出了根据本发明实施例的叉指MOM电容的电容拟合曲线示意图。

结合图3，对多个不同结构不同尺寸的叉指电容进行后仿真参数提取，得到不同的尺寸和电容的关系，将其汇总成电容拟合曲线，如图5所示，横坐标表示电容尺寸，即上述提到的面积，纵坐标表示电容容值，将二者的关系以线性关系表示。叉指电容的尺寸的表达式为式(4)：

MOM_area ＝ k*Finger1*Finger2 (4)，

其中，k为MOM_area的无量纲系数，Finger1为叉指电容中交叠的第一类型金属电极的数量，Finger2为叉指电容中交叠的第二类型金属电极的数量。根据式(1)将MOM_area与MOM_cap的关系表示在坐标图中，即为图5示出的拟合曲线。由图可知，电容容值与尺寸基本呈正比关系。

所以，采用本发明实施例的后仿真方法可以得到电容的容值和尺寸的线性关系，而且得到的关系式可以验证电容和尺寸的正比关系。采用该方法建立的电容模型可以适用于不同尺寸的电容的分析，所以模型适用范围广，可靠性高。

图6示出了根据本发明实施例的金属互联层电容预测模型系统的结构示意图。

如图6所示，本实施例的金属互联层电容预测模型系统包括：关系式建立模块601、参数配置模块602和模型生成模块603。其中，关系式建立模块601用于利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；参数配置模块602用于采用SPICE仿真工具分别提取金属互联层电容的电压及温度与容值的关系数据，加入关系式中；模型生成模块603用于将容值与尺寸、电压和温度的关系式建立为仿真模型。

建模时采用的后仿真工具包括Calibre xRC，提取寄生参量时采用R+C+CC模式，其中，R表示寄生电阻，C表示本征寄生电容，CC表示耦合电容。

需要说明的是，本发明中以两层金属的条状MOM电容和叉指MOM电容举例，但该建模方法对单层和多层金属MOM电容同样适用。

综上，本发明提供的金属互联层电容预测模型的建立方法及模型系统，利用温度和电压对电容容值影响较小，且与电容尺寸关系独立的特点，首先建立电容容值与尺寸的关系式，然后再加入温度和电压对电容容值的影响，大大缩短了建模周期，减少资源的占用。而且电容容值与尺寸成一定的正比例关系，使用后仿真工具可以快速建立起不同尺寸的电容值的关系式，再结合仿真工具，列出电容值与尺寸、温度和电压的关系式，建立尺寸可变的电容模型，模型的适用范围广。且采用后仿真工具建立的该模型还可以用于小尺寸电容的精确分析，模型的可靠性高。

优选地，采用后仿真工具提取不同结构不同尺寸的电容模型，能根据后仿网表快速得到不同尺寸对应的电容容值，且尺寸与容值的关系明显，可以建立起尺寸可变的电容模型，快速分析尺寸变化对容值的影响；而且大大缩短了建模和电路设计迭代的时间，无需等待流片测试的过程，减少资源的占用，与流片后的测试数据相比，采用该方法建立的电容模型的精确度在接受范围内，所以模型的精确度高，可靠性好。

优选地，金属互联层电容为MOM电容，可以使模型兼具MOM电容的充放电速度快，耐压大漏电低，电容密度高等优点，而且该模型不仅适用于两层金属的条状MOM电容和叉指MOM电容，对单层和多层金属MOM电容都适用，能很好地利用MOM电容的优点。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (10)

1.一种金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，包括：

利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；

采用工艺器件仿真工具分别提取所述金属互联层电容的电压及温度与所述容值的关系数据，加入所述关系式中；以及

将所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式建立为仿真模型。

2.根据权利要求1所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述金属互连层电容为MOM电容。

3.根据权利要求1所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式包括：

搭建多个不同尺寸的所述金属互联层电容的布局；

采用后仿真工具生成表征所述容值数据的后仿网表，所述后仿网表包括与所述多个不同尺寸相对应的多个不同容值；以及

将所述多个不同尺寸与所述多个不同容值进行拟合，生成金属互联层电容的容值与尺寸的关系式。

4.根据权利要求1所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述后仿真工具包括Calibre xRC，提取寄生参量时采用R+C+CC模式，其中，R表示寄生电阻，C表示本征寄生电容，CC表示耦合电容。

5.根据权利要求2所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述金属互联层电容的所述容值与所述尺寸呈正比关系。

6.根据权利要求5所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述金属互联层电容的所述容值与所述尺寸的所述关系式为：MOM_cap＝j*MOM_area+i，其中，MOM_cap表示所述容值，MOM_area表示所述尺寸，j为MOM_area的无量纲系数，i为MOM_cap关系式的截距。

7.根据权利要求6所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式为：MOM_cap＝(j*MOM_area+i)*MOM_temp*MOM_V，其中，MOM_temp为所述温度与所述容值之间的关系数据，MOM_V为所述电压与所述容值之间的关系数据。

8.根据权利要求6所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述MOM电容包括条状电容和叉指电容。

9.根据权利要求8所述的金属互联层电容预测模型的建立方法，其特征在于，所述条状电容的所述尺寸的表达式为：MOM_area＝k*L*finger，其中，k为MOM_area的无量纲系数，L为条状电容中交叠的金属电极的长度，finger为条状电容中交叠的金属电极的数量。

10.一种金属互联层电容预测模型系统，其特征在于，包括：

关系式建立模块，用于利用后仿真工具提取不同尺寸的金属互联层电容的容值数据，建立金属互联层电容的容值与尺寸的关系式；

参数配置模块，用于采用工艺器件仿真工具分别提取所述金属互联层电容的电压及温度与所述容值的关系数据，加入所述关系式中；以及

模型生成模块，用于将所述容值与所述尺寸、所述电压和所述温度的关系式建立为仿真模型。

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