CN111900251B - Mom电容器及半导体元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种MOM电容器及半导体元件，MOM电容器包括呈菱形分布的四个电容部分，每个电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条，电极条与菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条与菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条的极性相反且之间填充有电介质，关于菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的电极条相互对称且极性相反。通过将MOM电容的结构设计为菱形，使得不论是沿X轴方向还是沿Y轴方向经过MOM电容器上的信号线都同时经过形状相等且对称的正电极条及负电极条，进而使得信号线对MOM电容器的正电极条和负电极条产生的寄生电容相同且差值为0，避免了信号线发生信号跳变对MOM电容器造成干扰。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种MOM电容器及半导体元件。
背景技术
电容器是集成电路(简称IC)中的重要组成单元，广泛运用于存储器、微波、射频、智能卡和滤波等芯片中。随着半导体集成电路制造技术的不断进步，半导体器件的性能也不断提升。集成电路集成度提升过程中对于电容器如何在有限的面积下获得高密度的电容成为一个重要课题。
现有电容器通常包括：结电容器、栅电容器、金属-金属(Intra-metal)电容器等等。其中，在高电容密度的场合，结电容器、栅电容器的线性度及品质因数都较差，且击穿电压低，适用性不强；而金属-金属(Intra-metal)电容器的线性特征要远好于其他类型的电容器，因而具有更好的精度，能更好的满足高电容密度场合的需要。上述金属-金属(Intra-metal)电容器包括了MIM(metal-insulator-metal)电容器和MOM(metal-oxide-metal)电容器。
MOM电容器是通过对同一金属层上的金属进行光刻和刻蚀，得到多个相互平行的导电电极条，即同一层上的金属呈梳状(即COMB结构)排列，多个导电电极条即为梳齿部分，同一层的多个导电电极条之间设置有电介质，位于同一层上导电电极条与电介质组成的组合层称为金属化层。如图1所示，图1为现有技术中MOM电容器的版图结构示意图，所述MOM电容器包括：与电源正电极连接的正电极板10和与电源负电极连接的负电极板20；所述正电极板10上还连接有多条正电极条11，正电极条11成梳齿状排列在正电极板10一侧；所述负电极板20上连接有多条负电极条21，负电极条21成梳齿状排列在负电极板20一侧；所述正电极条11和负电极条21间隔交错排列，且相邻的正电极条11和负电极条21间填充有介电层电容。在同一金属化层上，相邻的正电极条11与负电极条21及其之间的电介质形成了电容结构。MIM电容器主要包括上电极板、下电极板以及夹设于上、下电极板之间的电介质层，在上、下电极板之间形成电容结构。相对于MOM电容器来说，制作MIM电容器的过程中，不可避免的要增加一块掩膜版(如电容器上极板光刻时所用的mask)，同时增加一次光刻和腐蚀过程，这必然导致了工艺成本的增加。并且，占用相同衬底面积条件下，MOM电容器相比于MIM电容器可提供更高的电容密度。
但是，现有MOM电容器结构目前普遍存在的问题是，请继续参照图1，当MOM电容器上有X轴方向或Y轴方向的信号线30通过时，由于经过的正电极条11和负电极条21的形状和大小不同，因此对正电极条11和负电极条21产生的寄生电容不相等。若所述信号线30的信号发生跳变，例如电压跳变，容易对MOM电容器产生干扰，进行影响芯片的性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MOM电容器及半导体元件，能够解决信号线对MOM电容器的不同极板产生不同寄生电容的问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种MOM电容器，包括呈菱形分布的四个电容部分，每个所述电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条，所述电极条与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条的极性相反且之间填充有电介质，关于所述菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的所述电极条相互对称且极性相反。
可选的，，所述电介质为氧化硅、氟硅玻璃及氧化硅-氮化硅-氧化硅中的一种或多种。
可选的，同一电容部分的所有电极条等间距设置。
可选的，同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成一等腰直角三角形。
可选的，四个所述电容部分分别为第一电容部分、第二电容部分、第三电容部分及第四电容部分，所述第一电容部分与所述第二电容部分及所述第四电容部分分别关于所述菱形的两条对角线对称，所述第一电容部分与所述第三电容部分关于所述菱形的中心对称，所述第二电容部分与所述第四电容部分关于所述菱形的中心对称，四个所述电容部分的极性相同的电极条电性连接。
可选的，所述第一电容部分与所述第二电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第三电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接。
可选的，所述第一电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第二电容部分与所述第三电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接。
基于此，本申请还提供了一种半导体元件，包括衬底及位于衬底上的所述的MOM电容器。
基于此，本申请还提供了一种半导体元件，包括衬底及位于衬底上的多个所述的MOM电容器，多个MOM电容器沿竖直方向堆叠于所述衬底上，各个所述MOM电容器上的电极条分布区域相同，相邻所述MOM电容器之间具有隔离层，所述隔离层内设置有导电通道，相邻所述MOM电容器上的极性相同的电极条通过所述导电通道电性连接。
可选的，所述隔离层与所述MOM电容器的电介质的材质相同。
本发明提供了一种MOM电容器及半导体元件，所述MOM电容器包括呈菱形分布的四个电容部分，每个所述电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条，所述电极条与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条的极性相反且之间填充有电介质，关于所述菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的所述电极条相互对称且极性相反。通过将MOM电容的结构设计为菱形，使得不论是沿X轴方向还是沿Y轴方向经过所述MOM电容器上的信号线都同时经过形状相等、数量相同且对称的正电极条及负电极条，进而使得信号线对所述MOM电容器的正电极条和负电极条产生的寄生电容相同且差值为0。当信号线发生信号跳变时，使得MOM电容器的两个电极上电荷的变化相互抵消，从而抵消了信号线对MOM电容器的影响。因此，MOM电容器不会受到干扰，从而避免了对芯片性能的影响。
附图说明
图1为现有技术中MOM电容器的版图结构示意图；
图2为本发明实施例提供的MOM电容器的版图结构示意图；
图3-图4为本发明实施例提供的信号线经过MOM电容器时的示意图；
图5-图6为本发明实施例提供的MOM电容器的连接示意图；
图7为本发明实施例提供的MOM电容器连接的局部示意图；
其中，附图标记为：
10-正电极板；11-正电极条；20-负电极板；21-负电极条；30-信号线；
100-电极条；200-信号线；300-导电通道；400-正电极板；500-负电极板。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图2-图3所示，本实施例提供了一种MOM电容器，包括呈菱形分布的四个电容部分，每个所述电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条100，所述电极条100与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条100与所述菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条100的极性相反且之间填充有电介质，关于所述菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的所述电极条100相互对称且极性相反。
具体的，所述MOM电容器是与其它半导体器件共同集成在同一芯片上的，所述MOM电容器可以是单层结构，也可以是多层结构，本申请对此并不作限制。
请参照图2，建立平面直角坐标系，所述MOM电容器包括呈菱形分布的四个电容部分，四个所述电容部分分别位于第一象限、第二象限、第三象限及第四象限，所述菱形的对角线分别与所述平面直角坐标系的X轴和Y轴重合。由于四个所述电容部分呈菱形分布，使得经过所述MOM电容器上的信号线200不论是沿X轴方向还是沿Y轴方向，都同时经过形状相等、数量相同且对称的正电极条100及负电极条100，进而使得信号线200对所述MOM电容器的正电极条100和负电极条100产生的寄生电容相同，即正电极条100和负电极条100上产生的寄生电容差值为0，使得MOM电容器的两个电极上电荷的变化相互抵消，从而抵消了信号线200对MOM电容器的影响。因此，当信号线200发生信号跳变时，MOM电容器不会受到干扰，从而避免了对芯片性能的影响。例如，请参照图3，信号线200沿X轴方向经过所述MOM电容器时，所述信号线200必然经过两个关于Y轴对称的两个电容部分，由于两个电容部分上的电极条100相互对称且极性相反，可以理解为两个电容部分上长度相等的电极条100相互对称且极性相反，因此所述信号线200必然经过形状相等、数量相同且对称的正电极条100及负电极条100。同样的，如图4，信号线200沿Y轴方向经过所述MOM电容器时，所述信号线200必然经过两个关于X轴对称的两个电容部分。
请继续参照图2，同一电容部分上的电极条100的长度沿靠近所述菱形中心的方向逐渐减小。本实施例中，所述电极条100与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条100与所述菱形的两条对角线构成三角形。本实施例中，所述预设夹角为45度，即同一电容部分的多个电极条100与所述菱形的两条对角线构成一等腰直角三角形。应当理解的是，所述预设夹角为所述电极条100与所述菱形的对角线(X轴或Y轴)形成的较小角，其角度可根据工艺条件进行改变，可以是大于45度小于90度，也可以是小于45度，本申请对此不做任何限制。
请继续参照图2，位于同一电容部分的相邻两个电极条100之间填充有电介质，所述电介质为绝缘材料，以将同一电容部分的相邻两个电极条100进行电隔离，从而形成电容结构。本实施例中，所述电介质为氧化硅、氟硅玻璃及氧化硅-氮化硅-氧化硅中的一种或多种。当然还可以是其它的绝缘材料，本申请对此不作限制。电介质的材料的具体选取取决于集成电路对电容值的要求。
可选的，同一电容部分的所有电极条100等间距设置，使得相邻两个电极条100与电介质形成的电容值保持恒定。同时，应保证在设计规则范围内，这样使得同一金属层内，使电极条100的线宽尽可能地小，从而在单位面积里使用最小的金属面积，而又尽可能多地分布更多的电极条100，以增加耦合电容数量。
请继续参照图2，四个所述电容部分分别为第一电容部分、第二电容部分、第三电容部分及第四电容部分，所述第一电容部分与所述第二电容部分及所述第四电容部分分别关于所述菱形的两条对角线对称，所述第一电容部分与所述第三电容部分关于所述菱形的中心对称，所述第二电容部分与所述第四电容部分关于所述菱形的中心对称，四个所述电容部分的极性相同的电极条100电性连接。本实施例中，所述第一电容部分位于所述第一象限内，所述第二部分位于所述第二象限内，所述第三部分位于所述第三象限内，所述第四部分位于所述第四象限内，四个所述电容部分的极性相同的电极条100电性连接，以使四个所述电容部分构成一个整体电容结构，通过两个极性不同的电极引脚即可将MOM电容器连接，从而简化MOM电容器的连接方式，减小MOM电容器的占用面积，从而提高芯片的集成度。
具体的，请参照图5及图7，所述第一电容部分与所述第二电容部分的极性相同的电极条100电性连接，所述第三电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条100电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条100电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条100电性连接。本实施例中，所述第一电容部分的正电极条与所述第二电容部分的正电极条均通过导电通道300电性连接至正电极板400，所述第一电容部分的负电极条与所述第二电容部分的负电极条均通过导电通道300电性连接至负电极板500，所述第三电容部分的正电极条与所述第四电容部分的正电极条均通过导电通道300电性连接至正电极板400，所述第三电容部分的负电极条与所述第四电容部分的负电极条均通过导电通道300电性连接至负电极板500。
或者，请参照图6，所述第一电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条100电性连接，所述第二电容部分与所述第三电容部分的极性相同的电极条100电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条100电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条100电性连接。应理解的是，图5及图6展示了MOM电容器两种连接方式，分别是沿X轴方向的连接和沿Y轴方向的连接，其效果一样，可自行选择。由于两种方式均采用了在菱形之间构建连接线进行连接的方式，有效的利用了MOM电容器的空间，使得MOM电容器的连接更为紧凑。
请参照图7，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条100可通过互连金属线进行电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条100与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条100可通过跳线进行电性连接，即所述第一电容部分和第三电容部分的连接线与所述第二电容和第四电容的连接线不在同一平面，即相互隔离，其目的是为了避免极性相反的电极条100连通，使得MOM电容器丧失功能。
基于此，本申请还提供了一种半导体元件，包括衬底及位于衬底上的多个所述的MOM电容器，多个MOM电容器沿竖直方向堆叠于所述衬底上，各个所述MOM电容器上的电极条分布区域相同，相邻所述MOM电容器之间具有隔离层，所述隔离层内设置有导电通道，相邻所述MOM电容器上的极性相同的电极条通过所述导电通道电性连接。或者，所述半导体元件也可以是只包含衬底及位于衬底上的一个所述的MOM电容器，MOM电容器的数量可根据电容量的需求进行选择。
本实施例中，所述MOM电容器相当于一个金属化层，当在所述衬底上堆叠多个金属化层时，相邻的两个金属化层之间填充有隔离层，用于将两个金属化层隔离，使得相邻两个金属化层之间同样形成了电容，此时半导体元件总的电容值是由多层金属化层上的电容并联后产生的，即将多层金属化层上的电容值相加得到半导体元件的电容值。
本实施例中，所述衬底上可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)，也可以包括混合的半导体材料，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。此外，半导体基底还可以包括其它半导体结构，例如外延层或埋氧层的多层结构。本申请对此不作限制，本实施例中的衬底优选为硅衬底。
所述隔离层与所述MOM电容器的电介质的材质相同。本实施例中，所述隔离层的材质为氧化硅。
具体的，形成MOM电容器的过程具体为：
在所述衬底表面上形成一金属层；
采用光刻工艺，在所述金属层表面上形成具有电介质区图形的光刻胶层；
以具有电介质区图形的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺，去除未被光刻胶层覆盖的金属层材料，以在所述金属层表面内形成电介质区；
采用间隙填充工艺在所述电介质区填充电介质即可形成单层的MOM电容器结构。
如果要形成多层的MOM电容器结构，还可在采用间隙填充工艺在所述电介质区填充电介质之后继续以下步骤：
采用化学气相淀积工艺在所述金属化层表面上淀积形成隔离层
采用化学机械研磨工艺研磨所述隔离层表面，使所述隔离层表面平坦。
采用光刻工艺，在所述隔离层表面上形成具有所述导电通道图形的光刻胶层；
以具有所述导电通道图形的光刻胶层为掩膜，采用干法刻蚀或湿法腐蚀工艺去除未被光刻胶层覆盖的隔离层材料，在所述隔离层表面内形成导电通道图形；
在所述隔离层表面内的导电通道图形内填充金属，形成所述导电通道。
然后重复上述步骤，直至形成多层的MOM电容器结构。
综上，本发明提供了一种MOM电容器及半导体元件，所述MOM电容器包括呈菱形分布的四个电容部分，每个所述电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条，所述电极条与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条的极性相反且之间填充有电介质，关于所述菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的所述电极条相互对称且极性相反。通过将MOM电容的结构设计为菱形，使得不论是沿X轴方向还是沿Y轴方向经过所述MOM电容器上的信号线都同时经过形状相等、数量相同且对称的正电极条及负电极条，进而使得信号线对所述MOM电容器的正电极条和负电极条产生的寄生电容相同且差值为0。当信号线发生信号跳变时，使得MOM电容器的两个电极上电荷的变化相互抵消，从而抵消了信号线对MOM电容器的影响。因此，MOM电容器不会受到干扰，从而避免了对芯片性能的影响。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种MOM电容器，其特征在于，包括呈菱形分布的四个电容部分，每个所述电容部分包括交替设置且相互平行的多个电极条，所述电极条与所述菱形的对角线具有一预设夹角以使同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成三角形，位于同一电容部分的相邻两个电极条的极性相反且之间填充有电介质，关于所述菱形的任一对角线对称的两个电容部分上的所述电极条相互对称且极性相反；
其中，四个所述电容部分分别为第一电容部分、第二电容部分、第三电容部分及第四电容部分，所述第一电容部分与所述第二电容部分及所述第四电容部分分别关于所述菱形的两条对角线对称，所述第一电容部分与所述第三电容部分关于所述菱形的中心对称，所述第二电容部分与所述第四电容部分关于所述菱形的中心对称，四个所述电容部分的极性相同的电极条电性连接。
2.如权利要求1所述的MOM电容器，其特征在于，所述电介质为氧化硅、氟硅玻璃及氧化硅-氮化硅-氧化硅中的一种或多种。
3.如权利要求1所述的MOM电容器，其特征在于，同一电容部分的所有电极条等间距设置。
4.如权利要求1所述的MOM电容器，其特征在于，同一电容部分的多个电极条与所述菱形的两条对角线构成一等腰直角三角形。
5.如权利要求1所述的MOM电容器，其特征在于，所述第一电容部分与所述第二电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第三电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接。
6.如权利要求1所述的MOM电容器，其特征在于，所述第一电容部分与所述第四电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第二电容部分与所述第三电容部分的极性相同的电极条电性连接，所述第一电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第三电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接，所述第二电容部分靠近所述菱形中心的电极条与所述第四电容部分靠近所述菱形中心的电极条电性连接。
7.一种半导体元件，其特征在于，包括衬底及位于衬底上的如权利要求1-6中任一项所述的MOM电容器。
8.一种半导体元件，其特征在于，包括衬底及位于衬底上的多个如权利要求1-6中任一项所述的MOM电容器，多个MOM电容器沿竖直方向堆叠于所述衬底上，各个所述MOM电容器上的电极条分布区域相同，相邻所述MOM电容器之间具有隔离层，所述隔离层内设置有导电通道，相邻所述MOM电容器上的极性相同的电极条通过所述导电通道电性连接。
9.如权利要求8所述的半导体元件，其特征在于，所述隔离层与所述MOM电容器的电介质的材质相同。
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