CN112768607A - 一种高密度mom电容器结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

一种高密度电容器结构的设计方法，高密度电容器结构是一种新型金属‑氧化物‑金属(MOM)电容结构，本发明可以通过改变转向次数、组数量及重构方式来改变电容容值，具有高可扩展、高电容密度、光刻误差小的特点。应用于需要高密度或高精度集成电容的场合中，比如开关电容电路、采样保持电路、仪表放大器等。

Description

一种高密度MOM电容器结构及其设计方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别是一种可重构的高密度MOM电容器结构及其设计方法。

背景技术

电容器被广泛应用于集成电路中，随着CMOS工艺的不断发展，集成电路市场进一步多元化和专业化，需要可重构的电容器结构得到不同的电容值以满足新的集成电路市场需求。相比与MIM电容器(Metal-Insulator-Metal，金属-介质-金属),MOM(Metal-Oxide-Metal，金属–氧化物-金属)电容器具有良好的电容匹配性和工艺兼容性，被广泛应用于模拟电路和射频电路中。

传统的MOM电容结构的电容值与其极板的面积成正相关，该电容由指状的第一电极与第二电极组成，在集成电路中使用此结构形成高容值电容需要占用很大的芯片面积，随着半导体工艺特征尺寸的减小，为了增加电容器的密度，提高芯片面积使用效率，在公开号为CN 101312124A的中国专利申请中，提供了一种半导体分形电容的制造方法，该电容结构由第一电极和第二电极交叉形成，各个极板的侧面积较大，可产生较大的电容值，具有高容值、高线性、高品质因子的优点。但分形电容版图转角较多，容值受工艺影响较大，半导体分形电容的实际电容值常常偏离设计值。

因此需要提出一种新MOM电容结构，在避免工艺对其容值有较大影响的同时，实现可重构性和高电容密度性。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种可重构的高密度MOM电容器的设计方法。，通过改变转向次数、组数量及重构方式来改变电容容值，具有高可扩展、高电容密度、光刻误差小的特点，该方法设计的电容密度更高，工艺稳定性更好，容值更不容易受工艺影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种高密度MOM电容器结构，其特点在于，由两条线条状金属条构成，两条金属条等间距由内向外呈螺旋状排布，且二者的长度、宽度、旋转方向均相同。

优选的，在两条所述的金属条最外侧端部设有多个呈直线状排列的通孔。

本发明还提供了一种高密度MOM电容器结构的设计方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

1)根据CMOS工艺要求，最小线宽ME1W、最小间距ME1S、最小线末端间距ME2S，确定代表上、下极板的两条线条状金属条，设代表上极板金属条的总长L₁，代表下极板金属条的总长L₂；

2)选取两个固定点，分别作为上极板金属条起始点和下极板金属条起始点(P₂)，且两个固定点横向间隔ME1W+ME1S，设基本结构单位中第一次旋转时上极板金属条的长度L₁₁和下极板金属条的长度L₂₂；

3)分别以上极板金属条起始点和下极板金属条起始点作为起始点，相对向外逐圈旋绕，旋转圈数N，且每次旋转两条金属条的间距满足最小线宽ME1W的设计要求；

4)根据重构方式，形成不同螺旋状的金属条排布，具体如下：

转向次数重构方式：首先选择重构阶数，然后计算第一次旋转时，两个线条状金属条第一次旋转时长度TL₁₁、TL₂₂与基本结构单元中第一次旋转时长度L₁₁、L₂₂的关系，按照相同的方法进行旋绕；

组重构方式：首先选择重构阶数，然后选择基本结构单元或转向次数重构结构进行拼接；

转向次数-组重构方式：首先选择重构阶数，然后选择转向次数重构和组重构进行拼接,或者另外N组转向次数-组重构结构进行拼接；

阵列重构方式：首先选择阵列行数与列数，然后选择结构单元组成阵列；

叉指电容重构方式：首先选择重构中使用的基本单元与叉指电容大小，再选取前述的一种重构方式；

5)对所述的螺旋结构单元进行光刻仿真及电容密度验证，若验证不满意则返回步骤2)，若满意，则交付生产。

所述的步骤5)光刻仿真及电容密度验证，具体如下：

首先，定义高密度电容器结构的电极版图一和参考电容器的电极版图二，二者的电极线宽、线间距和电容总面积相等；

其次，对所述的高密度电容器结构的电极版图一和参考电容器的电极版图二分别进行光刻仿真，得到版图三、版图四，对比其光刻热点的数量；

最后，对版图一至图四进行电容参数提取，对比其电容值的大小以及光刻仿真前后的变化，若光刻仿真发现短路或断路的风险较小，且光刻仿真前后的电容值在所需范围之内，则合格。

若多层金属层，则每层金属层按照相同的方法进行构建，且每层的两个金属条的端部应有呈直线状排列的多个通孔。

本发明具有以下优点：

1.相比于传统的MOM电容，本发明的电容密度更高，相比于分形电容，本发明的工艺稳定性更好，容值更不容易受工艺影响。

2.本发明提供三种可重构方法，提高了电容构建的灵活性。

附图说明

图1为本发明可重构电容器的基本结构单元示意图；

图2为本发明转向次数重构电容结构(二阶)示意图；

图3为本发明使用基本结构单元的组重构电容结构(二阶)示意图；

图4为本发明使用转向次数重构结构的组重构电容结构(二阶)示意图；

图5为本发明转向次数-组重构电容结构(i＝2，g＝2)示意图；

图6为本发明转向次数-组重构电容结构(i₁＝2，g₁＝1；i₂＝2，g₂＝1)示意图；

图7为本发明转向次数-组重构电容结构(i₁＝2，g₁＝1^*；i₂＝2^*，g₂＝1)示意图；

图8为本发明基本结构单元的阵列重构电容结构(m×n阵列)示意图；

图9为本发明叉指电容重构电容结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优势、技术方案和实施方式更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，但不应限制本发明的保护范围。

本发明高密度电容器结构的设计方法，所述的高密度电容器结构是一种金属-氧化物-金属(MOM)电容结构，该方法包括下列步骤：

1)首先确定使用的CMOS工艺最小线宽、最小间距、最小线末端间距(用设计规则要求，使用Cadence Virtuoso的Layout XL工具或任意一种其他的电路版图绘制工具，在满足所述的设计规则的情况下绘制出代表此电容器的上极板、下极板的两条线条状金属条；

2)选择基本结构单元:选择两个线条状金属条旋转的方向(左旋/右旋)，选择第一次旋转时两个线条状金属条的长度(L₁₁/L₂₂)，选择起始旋转点(P₁/P₂)，选择基础结构单元的旋转圈数(N)，每次旋转两个线条状金属条满足最小线宽的设计要求；若使用多层金属，可将每层金属条按照相同的方法进行构建，同时，每层的两个金属条的端部应有呈直线状排列的多个通孔；

3)选择重构方式：

若采用转向次数重构，首先选择重构阶数，计算出第一次旋转时两个线条状金属条的长度TL₁₁、TL₂₂与基本结构单元L₁₁、L₂₂的关系，按照相同的方法进行旋绕；

若采用组重构，首先选择重构阶数，然后选择基本结构单元或转行次数重构结构进行拼接；

若采用转向次数-组重构，首先选择重构阶数，选择转向次数重构和组重构进行拼接,或者另外N组转向次数-组重构结构进行拼接；

若采用阵列重构，首先选择阵列行数与列数，然后选择结构单元组成阵列；

若采用叉指电容重构，首先选择重构中使用的基本单元与叉指电容大小，再选取前述的一种重构方式，形成结构单元；

4)得到高密度螺旋电容器结构，进行后续的光刻仿真及电容密度验证，若验证后不满意则返回步骤2)，验证满意后则交付生产。

所述的光刻仿真及电容密度验证的验证方法如下：

首先，定义高密度电容器结构的电极版图一，定义参考电容器的电极版图二，二者的电极线宽、线间距和电容总面积必须相等；

其次，对所述的高密度电容器结构的电极版图一和参考电容器的电极版图二分别进行光刻仿真，得到版图三、四，对比其光刻热点的数量；

最后，对版图一至图四进行电容参数提取，对比其电容值的大小以及光刻前后的变化。

在进行可重构的高密度电容器结构设计之前，首先，考虑影响电容值的因素，影响MOM电容大小的主要因素为各个电极之间的间距以及各个电极的面积，当两个电极之间的线间距增大时，电容值减小，各个电极的面积与工艺生产中填充的线条状金属层的高度、版图设计中线条状金属层的总长度成正比。其次，考虑工艺对电容值的影响，电容版图中转角越多，光刻失真导致圆角、线端回拉等效应的影响越大，生产出的电容值误差越大。在相同生产工艺的条件下，为了得到高密度电容器，需要在单位面积中增大电容电极的总长度，同时避免产生较多的转角数量。基于以上分析，为了制造出更高电容密度的可重构MOM电容，本发明在电容形状设计过程中综合考虑以上因素对电容的影响，采用螺旋拓扑的基本结构，结合三种可重构方法，达到了更高的电容密度。

本发明中高密度电容器结构设计流程为：首先确定使用的CMOS工艺最小线宽(用ME1W表示)、最小间距(用ME1S表示)、最小线末端间距(用ME2S表示)等设计规则要求，其次确定基本结构单元的设计，然后选择重构方式，最后生成电容版图。

电容器的基本结构单元：以图1所示的结构为例，本发明的基本电容结构单元由所述的两个总长度为L₁、L₂组成，选取两个固定点P₁、P₂，两点横向间隔设置为ME1W+ME1S，将P₁、P₂作为线条状金属层L₁、L₂的一端中点，并将L₁、L₂以P₁、P₂为起点向外逐圈旋绕，经过三次九十度左旋后形成电容器的基本结构单元。线条状金属层L₁、L₂(L₁＝L₂)从起点到第一次左旋所需的线条状金属层长度分别为L₁₁、L₂₂(L₁₁＝L₂₂)；从第一次左旋(不计拐角处)到第二次左旋(计入拐角处)所需的线条状金属层长度均为2*(ME1W+ME1S)；从第二次左旋(不计拐角处)到第三次左旋(计入拐角处)所需的线条状金属层长度分别为L₁₁+2*ME1W+ME1S、L₂₂+2*ME1W+ME1S；从第三次左旋(不计拐角处)到线末端所需的线条状金属层长度分别为3*ME1W+3*ME1S、3*ME1W+3*ME1S。本发明的基本电容结构单元的电极金属线条长度L₁及电容面积S为：

L₁＝2*L₁₁+7*ME1W+6*ME1S

S＝(L₁₁+4*ME1W+2*ME1S)*(4*ME1W+3*ME1S)

L₁₁、L₂₂为可变化长度。

除了上述的结构外，基本结构还可以通过两个线条状金属层L₁、L₂通过相同的方式右旋得到，两个线条状金属层的左/右旋转次数可为N次(N＝1,2,…)。每次左/右旋保证两个线条状金属层之间的间距等于规定的最小间距。若使用多层金属，可将每层金属按照相同的方法进行构建，同时，每层两个金属条的端部应有呈直线状排列的多个通孔。

在第一个示例中，所述两个线条状金属条由内部的固定点开始向外逐圈旋绕，经过三次九十度左旋后形成电容器的基本结构单元。位于主体区域的两个线条状金属条分别形成两个电极，且所述第一电极结构和所述第二电极结构之间有绝缘层。所述第一电极结构和所述第二电极结构为螺旋平面结构。

基于以上基本结构单元，本发明提出以下螺旋电容器的可重构方法。

第一种方法为转向次数重构。把两个线条状金属层进行2N+1次九十度左旋，将此螺旋电容结构称为N阶转向次数重构。以图2所示的结构为例，将L₁、L₂以P₁、P₂为起点向外逐圈旋绕，线条状金属层L₁、L₂(L₁＝L₂)从起点到第一次左旋所需的线条状金属层长度分别为TL₁₁、TL₂₂(TL₁₁＝TL₂₂)；把构成基本结构单元的两个线条状金属层进行2N+1次九十度左旋，将此螺旋电容结构称为N阶转向次数重构。为了使转向次数重构产生的电容结构总宽度与基本结构单元的总宽度相同，TL₁₁需满足

TL₁₁+(2N+1)*(ME1W+ME1S)＝L₁₁+3*(ME1W+ME1S)

TL₁₁＝L₁₁-(2N-2)*(ME1W+ME1S)

TL₁₁需满足所用工艺的设计规则规定的最短金属长度要求。

除了上述举例的结构外，当基本结构单元为两个线条状金属条左/右旋M次组成的结构时，转向次数重构中TL₁₁需满足

TL₁₁+(2N+1)*(ME1W+ME1S)＝L₁₁+M*(ME1W+ME1S)

TL₁₁＝L₁₁-(2N+1-M)*(ME1W+ME1S)

在第二个示例中，构成二阶转向次数重构的电容结构的线条状金属层的间距、线宽与基本结构单元相同，线条总长度大于基本结构单元的线条总长度，电容的总宽度与基本结构单元的总宽度相同。

第二种方法为组重构：N个结构单元同向水平拼接，相邻结构单元电容版图的相同的两极始终互相连接在一起。将此螺旋电容结构称为N阶组重构。组重构可将基本结构单元或转向次数重构得到的结构单元进行单类拼接。

将N个相同的结构单元同向水平拼接，基本结构单元为编号1-N，为了将相邻基本结构单元电容版图的相同的两极连接在一起，需要将2-N号结构单元的线条状金属层L₁、L₂分别增加ME1S的长度。将此螺旋电容结构称为N阶组重构。组重构得到的电容的总宽度与基本结构单元的总宽度相同，组重构可将基本结构单元或转向次数重构得到的结构单元进行单类拼接。图3为使用基本结构单元的组重构电容结构示意图，图4为使用转向次数重构结构的组重构电容结构示意图。

第三种方法为转向次数-组重构：将转向次数重构的阶数记为i，将组重构的阶数记为g，由于转向次数重构与组重构两种方式产生的电容结构的宽度相等，可以将两种方式产生的电容结构进行水平拼接，将此螺旋电容结构称为i＝n₁，g＝n₂转向次数-组重构。二者拼接时，转向次数重构水平在左或在右被视为同一种转向次数-组重构方式。转向次数-组重构结构还可以与另外N组转向次数-组重构结构进行拼接，此螺旋电容结构称为i₁＝n₁，g₁＝n₂；i₂＝n₃，g₂＝n₄…i_N＝n_(2N+1)，g₂＝n_(2N+2)转向次数-组重构。若其中存在右旋结构，则在阶数后面加*标明。图5为转向次数-组重构电容结构(i＝2，g＝2)，图6为转向次数-组重构电容结构(i₁＝2，g₁＝1；i₂＝2，g₂＝1)，图7为转向次数-组重构电容结构，其中有两个右旋结构(i₁＝2，g₁＝1^*；i₂＝2^*，g₂＝1)。

阵列重构：将m行n列的宽度、长度相同的一种或多种结构单元排列成阵列，并连接两个线条状金属层，将此电容结构称为m×n阵列重构。阵列中的结构单元可以是不同的重构方式得到的电容结构单元。图8为基本结构单元的阵列重构电容结构(m×n阵列)。

叉指电容重构：将宽度相同的结构单元与叉指电容拼接在一起，并连接两个线条状金属层，将此电容结构称为叉指电容重构。可以将叉指电容与基本结构单元按前述的任一种重构方式重构得到新的电容结构单元。图9为基本结构单元与叉指电容形成的叉指电容重构电容结构。

实验表明，相比于传统的MOM电容，本发明的电容密度更高，相比于分形电容，本发明的工艺稳定性更好，容值更不容易受工艺影响。本发明提供三种可重构方法，提高了电容构建的灵活性。本发明可以通过改变转向次数、组数量及重构方式来改变电容容值，具有高可扩展、高电容密度、光刻误差小的特点。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高密度MOM电容器结构，其特征在于，由两条线条状金属条构成，两条金属条等间距由内向外呈螺旋状排布，且二者的长度、宽度、旋转方向均相同。

2.根据权利要求1所述的高密度MOM电容器结构，其特征在于，在两条所述的金属条最外侧端部设有多个呈直线状排列的通孔。

3.一种高密度MOM电容器结构的设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)根据CMOS工艺要求，最小线宽ME1W、最小间距ME1S、最小线末端间距ME2S，确定代表上、下极板的两条线条状金属条，设代表上极板金属条的总长L₁，代表下极板金属条的总长L₂；

2)选取两个固定点，分别作为上极板金属条起始点(P₁)和下极板金属条起始点(P₂)，且两个固定点横向间隔ME1W+ME1S，设基本结构单位中第一次旋转时上极板金属条的长度L₁₁和下极板金属条的长度L₂₂；

3)分别以上极板金属条起始点(P₁)和下极板金属条起始点(P₂)作为起始点，相对向外逐圈旋绕，旋转圈数N，且每次旋转两条金属条的间距满足最小线宽ME1W的设计要求；

4)根据重构方式，形成不同螺旋状的金属条排布，具体如下：

转向次数重构方式：首先选择重构阶数，然后计算第一次旋转时，两个线条状金属条第一次旋转时长度TL₁₁、TL₂₂与基本结构单元中第一次旋转时长度L₁₁、L₂₂的关系，按照相同的方法进行旋绕；

组重构方式：首先选择重构阶数，然后选择基本结构单元或转行次数重构结构进行拼接；

转向次数-组重构方式：首先选择重构阶数，然后选择转向次数重构和组重构进行拼接,或者另外N组转向次数-组重构结构进行拼接；

阵列重构方式：首先选择阵列行数与列数，然后选择结构单元组成阵列；

叉指电容重构方式：首先选择重构中使用的基本单元与叉指电容大小，再选取前述的一种重构方式；

5)对所述的螺旋结构单元进行光刻仿真及电容密度验证，若验证不满意则返回步骤2)，若满意，则交付生产。

4.根据权利要求1所述的高密度电容器结构的设计方法，其特征在于，步骤5)光刻仿真及电容密度验证，具体如下：

首先，定义高密度电容器结构的电极版图一和参考电容器的电极版图二，二者的电极线宽、线间距和电容总面积相等；

其次，对所述的高密度电容器结构的电极版图一和参考电容器的电极版图二分别进行光刻仿真，得到版图三、版图四，对比其光刻热点的数量；

最后，对版图一至图四进行电容参数提取，对比其电容值的大小以及光刻前后的变化，若光刻仿真发现短路或断路的风险小，且光刻仿真前后的电容值在所需范围之内，则合格。

5.根据权利要求2所述的高密度电容器结构的设计方法，其特征在于，若多层金属层，则每层金属层按照相同的方法进行构建，且每层的两个金属条的端部应有呈直线状排列的多个通孔。

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