CN117936509A - 电容结构 - Google Patents

Abstract

一种电容结构，所述第一电极结构、所述第一极板、所述中间绝缘层、所述第二极板和所述第二电极结构依次层叠于所述衬底上，也就是说，位于所述中间绝缘层下方的第一极板通过更下方的第一电极结构与外部电路相连，即所述第一极板和所述第一电极结构位于所述中间绝缘层的同一侧，所述第一电极结构和所述第一极板之间的连接面积充裕，能够有效降低连接电阻，有利于品质因数Q值的提高。

Description

电容结构

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种电容结构。

背景技术

电容器广泛应用于模拟电路和混合信号集成电路中。电容器通常由相互电隔离的金属片构成。在集成电路中，金属-氧化物-金属(Metal-Oxide-Metal，MOM)电容器因其大容量的优势，得到了广泛应用。

金属-绝缘体-金属结构(Metal-Insulator-Metal，MIM)的电容器，另一种被广泛应用的电容结构。这种结构由相互隔离的2个金属片构成。

但是这样结构的电容器，电容值和Q值都会出现下降的问题。

发明内容

本发明解决的问题是如何提高电容器的电容值和Q值。

为解决上述问题，本发明提供一种电容结构，包括：

第一电极结构，所述第一电极结构位于衬底上，所述第一电极结构包括：多个位于同层的第一金属段；第一极板，所述第一极板位于所述第一电极结构上，所述第一极板与所述第一电极结构相连；中间绝缘层，所述中间绝缘层位于所述第一极板上，所述中间绝缘层的材料为高K介质材料；第二极板，所述第二极板位于所述中间绝缘层上；第二电极结构，所述第二电极结构位于所述第二极板上，所述第二电极结构包括：多个位于同层的第二金属段，所述第二电极结构与所述第二极板相连。

可选的，所述第一金属段和所述第二金属段中至少1个沿第一方向延伸；多个所述第一金属段和多个所述第二金属段中的至少1个沿第二方向平行排列，其中所述第一方向和所述第二方向相交。

可选的，所述第一金属段和所述第二金属段的至少1个的宽度在100nm至50μm范围内。

可选的，相邻第一金属段之间的距离和相邻第二金属段之间的距离中的至少1个在100nm至50μm范围内。

可选的，所述第一金属段和所述第二金属段的至少1个为长条状。

可选的，还包括：多个第一插塞，所述第一插塞连接第一极板和所述第一金属段。

可选的，相邻第一插塞之间的距离在2nm至1μm范围内。

可选的，平行所述衬底表面的平面内，所述第一插塞的投影面积占总面积的30％以上。

可选的，还包括：多个第二插塞，所述第二插塞连接第二极板和所述第二金属段。

可选的，多个所述第二插塞与多个所述第一插塞一一对应。

可选的，多个所述第二金属段和多个所述第一金属段一一对应。

可选的，在所述衬底表面，所述第一极板的投影的面积和所述第二极板的投影的面积相等。

可选的，在所述衬底表面，所述第一极板的投影和所述第二极板的投影相重合。

可选的，所述第一电极结构还包括：第一连接金属段，所述第一连接金属段与所述多个第一金属段相连；所述第二电极结构还包括：第二连接金属段，所述第二连接金属段与所述多个第二金属段相连。

可选的，所述第一连接金属段和所述第二连接金属段中至少1个沿第二方向延伸。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明技术方案中，所述第一电极结构、所述第一极板、所述中间绝缘层、所述第二极板和所述第二电极结构依次层叠于所述衬底上，也就是说，位于所述中间绝缘层下方的第一极板通过更下方的第一电极结构与外部电路相连，即所述第一极板和所述第一电极结构位于所述中间绝缘层的同一侧，所述第一电极结构和所述第一极板之间的连接面积充裕，能够有效降低连接电阻，有利于品质因数Q值的提高。

附图说明

图1是一种金属-绝缘体-金属的电容结构的俯视结构示意图；

图2是图1所示金属-绝缘体-金属的电容结构中沿b1b2线位置的剖面结构示意图；

图3是本发明电容结构一实施例的俯视结构示意图；

图4是图3所示电容结构实施例中中间位置的俯视结构示意图；

图5是图3所示电容结构实施中沿A1A2线的剖面结构示意图；

图6是图3所示电容结构实施中沿B1B2线的剖面结构示意图；

图7是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下电阻值的测试结果；

图8是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下电容值的测试结果；

图9是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下品质因数Q值的测试结果。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术中金属-绝缘体-金属的电容结构存在电容值和Q值较小的问题。现结合一种金属-绝缘体-金属的电容结构分析其电容值和Q值较小问题的原因：

参考图1和图2，示出了一种金属-绝缘体-金属的电容结构的结构示意图；其中，图1是所述金属-绝缘体-金属的电容结构的俯视结构示意图；图2是图1所示金属-绝缘体-金属的电容结构中沿b1b2线位置的剖面结构示意图。

所述电容结构包括：层叠设置于衬底(图中未示出)上的第一极板11、中间绝缘层12和第二极板13；位于所述第二极板13上的电极金属结构，所述电极金属结构14包括：多个沿第一方向延伸且沿第二方向平行排列的电极金属段14m，其中所述第一方向和所述第二方向相交；包括多个第一插塞15ct的第一插塞组，所述第一插塞15ct连接所述第一极板11和1个所述电极金属段14m；包括多个第二插塞16ct的第二插塞组，所述第二插塞16ct连接所述第二极板13和1个所述电极金属段14m。

其中，所述电容结构包括：2个所述第一插塞组和多个所述第二插塞组；沿所述第二方向，2个所述第一插塞组位于所述多个第二插塞组的两侧。具体的，沿垂直所述电极金属段14m延伸方向的第二方向，所述第一插塞15ct分别位于多个所述第二插塞16ct的两侧。因此，所述第一极板11通过分别位于两侧2个所述第一插塞组和2个所述电极金属段与电压输入端相连。

电压输入端与所述第一极板11电连接的电流通道较长、电阻较大；较长的电流通道、较大的电阻会影响所述电容结构的Q值，难以提高Q值；而且当输入信号频率的增大，较大的电阻也会造成电容值的减小；而且随着输入信号频率的增大，电容值会进一步减小，特别是在2个所述第一插塞组之间距离W较大的时候，电容值减小非常明显。

为解决所述技术问题，本发明提供一种电容结构，包括：

第一电极结构，所述第一电极结构位于衬底上，所述第一电极结构包括：多个位于同层的第一金属段；第一极板，所述第一极板位于所述第一电极结构上，所述第一极板与所述第一电极结构相连；中间绝缘层，所述中间绝缘层位于所述第一极板上，所述中间绝缘层的材料为高K介质材料；第二极板，所述第二极板位于所述中间绝缘层上；第二电极结构，所述第二电极结构位于所述第二极板上，所述第二电极结构包括：多个位于同层的第二金属段，所述第二电极结构与所述第二极板相连。

本发明技术方案，所述第一电极结构、所述第一极板、所述中间绝缘层、所述第二极板和所述第二电极结构依次层叠于所述衬底上，也就是说，位于所述中间绝缘层下方的第一极板通过更下方的第一电极结构与外部电路相连，即所述第一极板和所述第一电极结构位于所述中间绝缘层的同一侧，所述第一电极结构和所述第一极板之间的连接面积充裕，能够有效降低连接电阻，有利于品质因数Q值的提高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图3至图6，示出了本发明电容结构一实施例的结构示意图。其中图3是本发明电容结构实施例的俯视结构示意图；图4是图3所示电容结构实施例中中间位置的俯视结构示意图；图5是图3所示电容结构实施中沿A1A2线的剖面结构示意图；图6是图3所示电容结构实施中沿B1B2线的剖面结构示意图。

所述电容结构包括：第一电极结构110，所述第一电极结构110位于衬底上，所述第一电极结构110包括：多个位于同层的第一金属段111；第一极板120，所述第一极板120位于所述第一电极结构110上，所述第一极板120与所述第一电极结构110相连；中间绝缘层130，所述中间绝缘层130位于所述第一极板120上，所述中间绝缘层130的材料为高K介质材料；第二极板140，所述第二极板140位于所述中间绝缘层130上；第二电极结构150，所述第二电极结构150位于所述第二极板140上，所述第二电极结构150包括：多个位于同层的第二金属段151，所述第二电极结构150与所述第二极板140相连。

所述第一电极结构110、所述第一极板120、所述中间绝缘层130、所述第二极板140和所述第二电极结构150依次层叠于所述衬底上，也就是说，位于所述中间绝缘层130下方的第一极板120通过更下方的第一电极结构110与外部电路相连，即所述第一极板120和所述第一电极结构110位于所述中间绝缘层130的同一侧，所述第一电极结构110和所述第一极板120之间的连接面积充裕，能够有效降低连接电阻，有利于品质因数Q值的提高。

下面结合附图详细说明本发明技术方案。

所述第一极板120、所述中间绝缘层130和所述第二极板140依次层叠于衬底上，即所述第一极板120和所述第二极板140分别位于所述中间绝缘层130的两侧以构成平板电容结构。

所述第一极板120和所述第二极板140均为金属层，例如氮化钛，所述中间绝缘层130为高K介质层，因此所构成的平板电容结构为金属-绝缘体-金属结构。

本发明一些实施例中，在所述衬底表面，所述第一极板120的投影的面积和所述第二极板140的投影的面积相等，以增大所述第一极板120和所述第二极板140之间相对的面积，增大所述电容结构的电容值。

具体的，如图3和图4所示实施例中，在所述衬底表面，所述第二极板140的投影等于所述第一极板120的投影相重合，也就是说，使所述第一极板110和所述第二极板130在所述衬底表面的投影范围相等，能够有效增大第一极板110和所述第二极板130形成电容结构的面积，能够有效控制面积浪费，提高电容值。

需要说明的是，图4是图3所示电容结构实施例中在所述第一极板120的表面的俯视结构示意图。

所述第一电极结构110用以实现所述第一极板120与外部电路的连接。

所述第一电极结构110位于所述第一极板120的下方，位于所述第一极板120和所述衬底之间；所述第一极板120和所述第一电极结构110位于所述中间绝缘层130的同一侧，所述第一极板120和所述第一电极结构110之间的连接面积充裕，能够有效控制连接电阻，有利于增大所述电容结构的品质因数Q值。

所述第一电极结构110包括：多个位于同层的第一金属段111。所述第一金属段111沿第一方向H延伸；多个所述第一金属段111沿第二方向V平行排列。其中所述第一方向H和所述第二方向V相交。

如图4所示实施例中，所述第一金属段111呈长条状，即所述第一金属段111为沿所述第一方向H延伸的长条状。具体的，所述第一金属段111的宽度在100nm至50μm范围内，即垂直延伸方向(即沿图4中的所述第二方向V)，所述第一金属段111的尺寸在100nm至50μm范围内。

多个所述第一金属段111沿所述第二方向V等间距平行排列，其中所述第一方向H和所述第二方向V相互垂直。具体的，相邻第一金属段111之间的距离在100nm至50μm范围内，即垂直延伸方向(即沿图4中的所述第二方向V)，所述第一金属段111的尺寸在100nm至50μm范围内。

如图4至图6所示，所述电容结构还包括：多个第一插塞111ct，所述第一插塞111ct连接第一极板120和所述第一金属段111。

具体的，所述电容结构还包括：多个第一插塞组110ct，所述第一插塞组110ct包括多个所述第一插塞；多个所述第一插塞组110ct和多个所述第一金属段111一一对应。多个所述第一插塞111ctct组成1个所述第一插塞组110ct。如图4所示，1个所述第一金属段111和所述第一极板120之间具有3个所述第一插塞111ctct，即3个所述第一插塞111ctct组成1个所述第一插塞组110ct。

本发明一些实施例中，相邻第一插塞111ctct之间的距离在2nm至1μm范围内。具体的，平行所述衬底表面的平面内，所述第一插塞111ctct的投影面积占总面积的30％以上。

多个所述第一插塞111ctct之间填充有介质材料以实现电隔离，因此合理设置平行所述衬底表面的平面内所述第一插塞111ctct的密度，合理设置相邻第一插塞111ctct之间的距离，能够有效保证所述第一插塞111ctct以及之间填充的介质材料朝向所述第一极板120的表面的平整度，能够为所述第一极板120的形成提供良好的表面，保证所述第一极板120的平整度。

本发明一些实施例中，所述第一电极结构110还包括：第一连接金属段112，所述第一连接金属段112与所述多个第一金属段相连。所述第一连接金属段112用以实现多个第一金属段111与外部电路的连接。

如图3至图6所示，所述第一连接金属段112沿所述第二方向V延伸；所述第一连接金属段112横跨所述多个第一金属段111，即沿所述第二方向V，所述第一金属段111从一侧最边缘的第一金属段111延伸至另一侧最边缘的第一金属段111。沿所述第一方向H，所述第一连接金属段112位于所述多个第一金属段111的一侧，与多个所述第一金属段111的一端均接触以实现连接。

如图3、图5和图6所示，所述第二电极结构150用以实现所述第二极板140与外部电路的连接。

所述第二电极结构150位于所述第二极板140的上方，位于所述第二极板140远离所述衬底的一侧；所述第二极板140和所述第二电极结构150位于所述中间绝缘层130的同一侧，所述第二极板140和所述第二电极结构150之间的连接面积充裕，连接电阻较小。

所述第二电极结构150包括：多个位于同层的第二金属段151。所述第二金属段151沿所述第一方向H延伸；多个所述第二金属段151沿所述第二方向V平行排列。

如图3所示实施例中，所述第二金属段151呈长条状，即所述第二金属段151为沿所述第一方向H延伸的长条状。具体的，所述第二金属段151的宽度在100nm至50μm范围内，即垂直延伸方向(即沿图3中的所述第二方向V)，所述第二金属段151的尺寸在100nm至50μm范围内。

多个所述第二金属段151沿所述第二方向V等间距平行排列，其中所述第一方向H和所述第二方向V相互垂直。具体的，相邻第二金属段151之间的距离在100nm至50μm范围内，即垂直延伸方向(即沿图4中的所述第二方向V)，所述第二金属段151的尺寸在100nm至50μm范围内。

本发明一些实施例中，多个所述第二金属段151和多个所述第一金属段111一一对应，也就是说，所述第二金属段151和所述第一金属段111数量相等，而且在所述衬底的表面上，一个所述第二金属段151的投影和一个所述第一金属段111的投影相重合。

如图3、图5和图6所示，所述电容结构还包括：多个第二插塞151ct，所述第二插塞151ct连接第二极板140和所述第二金属段151。

具体的，所述电容结构还包括：多个第二插塞组150ct，所述第二插塞组150ct包括多个所述第二插塞151ct；多个所述第二插塞组150ct和多个所述第二金属段151一一对应。多个所述第二插塞151ct组成1个所述第二插塞组150ct。如图4所示，1个所述第二金属段151和所述第二极板140之间具有3个所述第二插塞151ct，即3个所述第二插塞151ct组成1个所述第二插塞组150ct。

本发明一些实施例中，多个所述第二插塞151ct与多个所述第一插塞111ct一一对应，也就是说，在所述衬底表面，一个所述第二插塞151ct的投影和一个所述第一插塞111ct的投影相重合。

所以，相邻所述第二插塞151ct之间的距离与相邻第一插塞111ct之间的距离相等，均为2nm至1μm范围内；平行所述衬底表面的平面内，所述第二插塞151ct的密度与所述第一插塞111ct的密度相等，即平行所述衬底表面的平面内，所述第二插塞151ct的投影面积占总面积的30％以上。

本发明一些实施例中，所述第二电极结构150还包括：第二连接金属段152，所述第二连接金属段152与所述多个第一金属段相连。所述第二连接金属段152用以实现多个第二金属段151与外部电路的连接。

如图3至图6所示，所述第二连接金属段152沿所述第二方向V延伸；所述第二连接金属段152横跨所述多个第二金属段151，即沿所述第二方向V，所述第二金属段151从一侧最边缘的第二金属段151延伸至另一侧最边缘的第二金属段151。沿所述第一方向H，所述第二连接金属段152位于所述多个第二金属段151的一侧，与多个所述第二金属段151的一端均接触以实现连接。

需要说明的是，如图3和图6所示，垂直所述衬底表面的方向上，所述第一连接金属段112朝背向所述衬底的一侧延伸，穿过所述第一极板120、所述中间绝缘层130和所述第二极板140，直至与所述第二电极结构150的多个第二金属段152同层，以实现与外部电路的连接。

参考图7至图9，示出了图3至图6所示本发明电容结构实施例的性能测试结果。其中图7是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下电阻值的测试结果；图8是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下电容值的测试结果；图9是图3至图6所示本发明电容结构实施例在不同频率下品质因数Q值的测试结果。

需要说明的是，所述电容结构实施例如图3至图6所示。其中，所述第一极板和第二极板的宽度W(如图4中所示)为20微米；所述电极金属段141的长度L(如图4中所示)为5微米，所述电极金属段141的宽度d(如图4中所示)为1.5微米，相邻电极金属段141之间的间隔sp(如图4中所示)为1.5微米。

此外，图7至图9还分别示出了另一种如图1和图2所示的电容结构在不同频率下性能参数的检测结果。而且图1和图2所示的电容结构与图3至图6所示电容结构实施例具有相同数量、相同尺寸、相同间隔的极板和金属电极段。

如图7所示，横轴表示输入信号频率，单位为10⁹Hz；纵轴表示电阻值；其中数据线201表示本发明电容结构实施例的电阻值随输入信号频率的变化情况，数据线101表示如图1和图2所示的电容结构的电阻值随输入信号频率的变化情况。

从图7中可以看到，本发明电容结构实施例的电阻值更小。与图1和图2所示的电容结构相比，本发明电容结构实施例电阻值的减小了95.8％。

如图8所示，横轴表示输入信号频率，单位为10⁹Hz；纵轴表示电容值；其中数据线202表示本发明电容结构实施例的电容值随输入信号频率的变化情况，数据线102表示如图1和图2所示的电容结构的电容值随输入信号频率的变化情况。

从图8中可以看到，本发明电容结构实施例具有更大的电容值。而且随着输入信号频率的增大，本发明电容结构实施例电容值的变化缓慢，电容值更稳定。

如图9所示，横轴表示输入信号频率，单位为10⁹Hz；纵轴表示品质因数Q值；其中数据线203表示本发明电容结构实施例的品质因数Q值随输入信号频率的变化情况，数据线103表示如图1和图2所示的电容结构的品质因数Q值随输入信号频率的变化情况。

从图9中可以看到，本发明电容结构实施例具有更大的品质因数Q值。与图1和图2所示的电容结构相比，在输入信号频率为2GHz时，本发明电容结构实施例品质因数Q值的增大了2335％。

综上，所述第一电极结构、所述第一极板、所述中间绝缘层、所述第二极板和所述第二电极结构依次层叠于所述衬底上，也就是说，位于所述中间绝缘层下方的第一极板通过更下方的第一电极结构与外部电路相连，即所述第一极板和所述第一电极结构位于所述中间绝缘层的同一侧，所述第一电极结构和所述第一极板之间的连接面积充裕，能够有效降低连接电阻，有利于品质因数Q值的提高。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (15)

1.一种电容结构，其特征在于，包括：

第一电极结构，所述第一电极结构位于衬底上，所述第一电极结构包括：多个位于同层的第一金属段；

第一极板，所述第一极板位于所述第一电极结构上，所述第一极板与所述第一电极结构相连；

中间绝缘层，所述中间绝缘层位于所述第一极板上，所述中间绝缘层的材料为高K介质材料；

第二极板，所述第二极板位于所述中间绝缘层上；

第二电极结构，所述第二电极结构位于所述第二极板上，所述第二电极结构包括：多个位于同层的第二金属段，所述第二电极结构与所述第二极板相连。

2.如权利要求1所述的电容结构，其特征在于，所述第一金属段和所述第二金属段中至少1个沿第一方向延伸；多个所述第一金属段和多个所述第二金属段中的至少1个沿第二方向平行排列，其中所述第一方向和所述第二方向相交。

3.如权利要求2所述的电容结构，其特征在于，所述第一金属段和所述第二金属段的至少1个的宽度在100nm至50μm范围内。

4.如权利要求2所述的电容结构，其特征在于，相邻第一金属段之间的距离和相邻第二金属段之间的距离中的至少1个在100nm至50μm范围内。

5.如权利要求1所述的电容结构，其特征在于，所述第一金属段和所述第二金属段的至少1个为长条状。

6.如权利要求1所述的电容结构，其特征在于，还包括：多个第一插塞，所述第一插塞连接第一极板和所述第一金属段。

7.如权利要求6所述的电容结构，其特征在于，相邻第一插塞之间的距离在2nm至1μm范围内。

8.如权利要求6所述的电容结构，其特征在于，平行所述衬底表面的平面内，所述第一插塞的投影面积占总面积的30％以上。

9.如权利要求6所述的电容结构，其特征在于，还包括：多个第二插塞，所述第二插塞连接第二极板和所述第二金属段。

10.如权利要求9所述的电容结构，其特征在于，多个所述第二插塞与多个所述第一插塞一一对应。

11.如权利要求1或10所述的电容结构，其特征在于，多个所述第二金属段和多个所述第一金属段一一对应。

12.如权利要求1所述的电容结构，其特征在于，在所述衬底表面，所述第一极板的投影的面积和所述第二极板的投影的面积相等。

13.如权利要求12所述的电容结构，其特征在于，在所述衬底表面，所述第一极板的投影和所述第二极板的投影相重合。

14.如权利要求1所述的电容结构，其特征在于，所述第一电极结构还包括：第一连接金属段，所述第一连接金属段与所述多个第一金属段相连；

所述第二电极结构还包括：第二连接金属段，所述第二连接金属段与所述多个第二金属段相连。

15.如权利要求14所述的电容结构，其特征在于，所述第一连接金属段和所述第二连接金属段中至少1个沿第二方向延伸。