DE69804182T2

DE69804182T2 - Kondensatoren für integrierte Schaltungen mit gestapelten Streifen

Info

Publication number: DE69804182T2
Application number: DE69804182T
Authority: DE
Inventors: William J. Mcfarland; Ken A. Nishimura; Scott D. Willingham
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1998-07-09
Publication date: 2002-11-28
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: JPH11168182A; US5978206A; DE69804182D1; EP0905792A2; EP0905792B1; EP0905792A3

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft integrierte Schaltkreise und spezieller Kondensatoren zur Verwendung in integrierten Schaltkreisen.

Hintergrund der Erfindung

Analoge integrierte Schaltkreise müssen sich hauptsächlich auf Kondensatoren verlassen, um Reaktanzen vorzusehen, da traditionelle IC-Prozesse die Herstellung von Induktivitäten nicht erlauben. Die Beschränkungen, welche Kondensatoren durch herkömmliche IC-Prozesse auferlegt werden, beschränken die Art der Schaltkreise, die mit diesen Prozessen realisiert werden können.
Traditionelle analoge IC-Prozesse bauen Kondensatoren durch Aufeinanderschichten einer dielektrischen Schicht zwischen Leitern auf (Sandwichstruktur). Eine Polysiliziumschicht, die über dem Siliziumsubstrat aufgebracht wird, kann z.B. als Leiter mit einem dünnen Oxiddielektrikum dienen. Gate-Oxidschichten sind sehr dünn, und diese Art von Struktur hat daher eine sehr spezifische Kapazität. Die Polysiliziumschichten und -anschlüsse, die darauf aufgebracht werden, bilden unglücklicherweise eine MOS-Struktur, die zu einem starken nichtlinearen Kondensator führt, außer wenn eine große Gleich-Vorspannung über dem Kondensator aufrechterhalten wird. Solche Vorspannungen sind mit den niedrigen Versorgungsspannungen, die in modernen Schaltkreisen eingesetzt werden, nicht kompatibel. MOS- Kondensatoren sind ferner polarisiert und können somit nicht in Schaltkreisen, wie geschalteten Kondensator-Schaltkreisen verwendet werden, in denen die Polarität an den Anschlüssen der Kondensatoren umgeschaltet wird.
Kondensatoren können auch mit metallischen Verbindungsschichten hergestellt werden, wobei eine dielektrische Schicht zwischen den Metallschichten vorgesehen ist, um einen Metall- Metall-Kondensator zu bilden. Während solche Kondensatoren die oben in Bezug auf MOS- Kondensatoren erörterten Probleme vermeiden, haben Metall-Metall-Kondensatoren zwei eigene Nachteile. Die Dielektrika zwischen den Schichten sind relativ dick; die Metall- Metall-Kondensatoren haben somit eine relativ niedrige spezifische Kapazität. Zweitens leiden solche Kondensatoren unter Störkapazitäten oder "back-plate"-Kapazitäten zwischen einem oder beiden der Anschlüsse und dem Substrat des IC. In den meisten Prozessen ist die Dicke des Dielektrikums zwischen den Verbindungsschichten ungefähr gleich der Dicke des Dielektrikums zwischen dem Substrat und der unteren Verbindungsschicht. Die Störkapazität ist somit ungefähr gleich der aktiven Kapazität.
IC-Prozesse mit einer dritten Metallverbindungsschicht sind heute üblich. In solchen Prozessen kann eine gestapelte Plattenstruktur verwendet, werden, um eine gegenüber der oben beschriebenen Metall-Metall-Struktur verbesserte Kondensatorstruktur vorzusehen. In diesem Fall hat der Kondensator zwei dielektrische Schichten, die zwischen drei Metallschichten liegen (Sandwichstruktur). Die äußeren Metallschichten sind elektrisch verbunden, um einen Anschluß des Kondensators zu bilden, während die mittlere Schicht den anderen Anschluß bildet. Dies verdoppelt die spezifische Kapazität, während die Störkapazität ungefähr gleich bleibt. Solche Strukturen haben also ein Aktiv-zu-Störkapazitätsverhältnis von ungefähr 2 : 1. Während dies eine Verbesserung gegenüber dem zweischichtigen Kondensatoraufbau darstellt, besteht noch immer Bedarf an einer verbesserten Kondensatorstruktur.
Das U.S. Patent 5,208,725 offenbart einen Kondensator mit kammförmigen, verzahnten Elektroden, die aus einer ersten und einer zweiten leitenden Schicht aufgebaut sind, und Zwischenschicht-Dielektrika, wobei die erste und die zweite leitende Schicht in mehrere elektrisch getrennte Leiter aufgeteilt sind, welche die Elektroden bilden, und wobei jeder zweite der Leiter mit einem ersten Anschluß und die verbleibenden Leiter mit einem zweiten Anschluß verbunden sind.
Ähnliche Strukturen sind gezeigt in dem U.S. Patent 5,583,359; JP 61263251A; JP 7283076A; und JP 7283075 A.
Es ist allgemein die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte integrierte Kondensator-Struktur vorzusehen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kondensator-Struktur vorzusehen, die höhere aktive Kapazitäten hat als mit den Metall-Metall-Verfahren des Standes der Technik erhältlich sind.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kondensator-Struktur vorzusehen, die eine reduzierte Störkapazität an einem ihrer Anschlüsse aufweist.
Diese sowie weitere Aufgaben der Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen.

Abriß der Erfindung

Die Erfindung sieht einen Kondensator gemäß Anspruch 1 vor.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht der Leiter in einem Kondensator, der keine Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Kondensator der Fig. 1;
Fig. 3 zeigt eine Schnittdarstellung des Kondensators der Fig. 1;
Fig. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines Ersatzschaltkreises für einen Kondensator, der keine Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt;
Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht der Leiter in einer Ausführungsform eines Kondensators gemäß der Erfindung;
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Leiter eines Kondensators, der keine Ausführungsform gemäß der Erfindung darstellt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Art, auf welche die vorliegende Erfindung ihre Vorteile erzielt, kann mit Bezug auf Fig. 1 leichter verstanden werden, die eine perspektivische Ansicht der Leiter 12 in einem Kondensator 10 zeigt, der mit einem Verfahren mit drei Metallschichten über einem Substrat 11 aufgebaut ist. Die Leiter in der ersten Metallschicht sind bei 14 gezeigt, die in der zweiten Metallschicht sind bei 15 gezeigt, und die in der obersten Metallschicht sind bei 16 gezeigt. Der Raum zwischen dem Substrat 11 und der Metallschicht 14 soll mit einer dielektrischen Schicht 20 gefüllt sein. Die Leiter sind so verbunden, daß alle "A"-Leiter miteinander verbunden sind und alle "B"-Leiter miteinander verbunden sind. Um die Zeichnung zu vereinfachen, wurden die Verbindungen zwischen den "A"-Leitern und den "B"-Leitern weggelassen. Zusätzlich wurden die dielektrischen Schichten 18 und 19, welche den Raum zwischen den Metallschichten füllen, und die Metalleitungen in jeder Schicht in den Zeichnungen ebenfalls weggelassen.
Die Verbindungen zwischen den "A"- und den "B"-Leitern können mit Bezug auf die Fig. 2 und 3 besser verstanden werden. Fig. 2 ist eine Draufsicht eines Kondensators 10, Fig. 3 ist eine Schnittdarstellung des Kondensators 10 entlang der Linie 21-22. Die "A"-Leiter sind gegenüber den "B"-Leitern derart versetzt, daß die Leiter in den verschiedenen Schichten derselben Art mithilfe eines vertikalen Durchgangs miteinander verbunden werden können. Die Durchgänge sind in Fig. 2 gestrichelt gezeichnet. Übliche Durchgänge sind bei 23 und 24 gezeigt. Die "A"-Leiter sind mit einem ersten Anschluß 31 verbunden, der mit Anschluß "A" bezeichnet ist, und die "B"-Leiter sind mit einem zweiten Anschluß 32 verbunden, der mit Anschluß "B" bezeichnet ist.
Die Kapazitäten zwischen den "A"- und "B"-Leitern ergeben sich aus der herkömmlichen parallelen Plattenkapazität zwischen den Leitern in den verschiedenen Ebenen der Metallverbindung und der Randkapazität zwischen Leitern in derselben Metallschicht. Die "A"- und "B"-Leiter sind so angeordnet, daß innerhalb des Kondensatorkörpers jeder "A"-Leiter von "B"-Leitern umgeben ist und umgekehrt. Die relativen Abmessungen der Metalleitungsbreiten und -dicken und der dielektrische Abstand, der mit modernen IC-Prozessen erhalten wird, ergibt große Randfelder, wie z.B. zwischen den Leitern B2 und A3. Diese Randkapazität überkompensiert den Verlust der Parallelplattenkapazität aufgrund der Lücken in dem Metall im Vergleich zu einer flachen Plattenstruktur mit äquivalenter Fläche.
Es ist vorteilhaft, die Störkapazität zwischen den "A"-Leitern und dem Substrat 11 und zwischen den "B"-Leitern und dem Substrat 11 zu minimieren. Herkömmliche Flachplatten- Kondensatoren haben eine Störkapazität von der unteren Metallplatte zum Substrat aufgrund der Parallelplattenkapazität zwischen dem Substrat und der unteren Platte. Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform hat eine geringere Störkapazität aufgrund der Lücken zwischen den Metalleitern, welche die Plattenfläche der unteren Platte des Störkondensators reduzieren. Zusätzlich führt die abwechselnde Verbindung der Metalleitung in der untersten Ebene dazu, daß die Störkapazitäten zwischen den "A"- und "B"-Anschlüssen des Kondensators gleichmäßig aufgeteilt wird. Schließlich ist die Randkapazität, die durch die Ränder der Metalleitungen zu dem Substrat erzeugt wird, durch die wechselnde Leiteranordnung reduziert, weil die "B"-Leiter die "A"-Leiter in der untersten Schicht teilweise abschirmen.
Während das in Fig. 1 gezeigte Beispiel nur drei Reihen aus Metalleitern aufweist, wird man verstehen, daß die Struktur in horizontaler Richtung über dem Substrat erweitert werden kann, indem Metalleiter hinzugefügt werden, um eine Struktur zu bilden, die drei Leiter hoch und eine beliebige Anzahl Leiter breit ist.
Die Verbesserung kann durch Vergleichen der Kapazität eines herkömmlichen gestapelten Plattenkondensators, der aus drei Metallplatten vom 100 mm · 100 mm aufgebaut ist, mit einem Kondensator, in dem jede der Platten in Leiter aufgeteilt ist, um 42 Metalleitungen mit einer Länge von 100 mm zu bilden, erkannt werden. Das Ersatzschaltbild beider Kondensatoren ist in Fig. 4 gezeigt. Die Kapazität zwischen den "A"- und "B"-Anschlüssen des Kondensators ist mit CAS bezeichnet. Die Störkapazität zwischen dem "A"-Anschluß und dem Substrat ist mit CA bezeichnet. Die Störkapazität zwischen dem "B"-Anschluß und dem Substrat ist mit CB bezeichnet. Für den herkömmlichen Kondensator ergibt sich CAB zu 750 fF, im Vergleich zu 1220 fF. Ein solcher Kondensator ergibt also eine höherer spezifische Kapazität als die herkömmliche Struktur. Der Kondensator hat auch eine geringere Störkapazität. Bei dem herkömmlichen Kondensator waren CA und CB 280 fF bzw. 5 fF. Für den vorliegenden Kondensator waren diese Werte beide 120 fF. Der vorliegende Kondensator hat also auch eine geringere Störkapazität.
In einigen Fällen ist das Auftreten einer Störkapazität an einem der Anschlüsse eines Kondensators nicht hinnehmbar. Für diese Fälle kann die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform modifiziert werden, indem die Metalleitungen in der untersten Schicht, die dem fraglichen Anschluß entspricht, entfernt werden. Z.B. könnten alle "B"-Leiter in der Schicht 14 entfernt werden, wie in Fig. 5 gezeigt, die eine perspektivische Darstellung eines Kondensators 50 gemäß der Erfindung ist. Während dies zu einem Verlust von aktiver Kapazität führt, ist praktisch die gesamte Kapazität zwischen dem Anschluß "B" und dem Substrat eliminiert. In dem oben erörterten Beispiel führte das Entfernen aller "B"-Leiter zu einem Abfall von CAB von 1220 fF auf 907 fF, mit CA = 197 fF und CB = 7,5 JE. Man sollte beachten, daß selbst bei dieser Verringerung der aktiven Kapazität die Erfindung ein erheblich größere aktive Kapazität und eine erheblich geringere Störkapazität schafft als bei dem herkömmlichen Kondensator mit gestapelten Platten.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung verwendeten eine rechteckige Anordnung aus Metallstreifen, wobei die Streifen parallel zueinander waren. Es können jedoch auch Ausführungsformen aufgebaut werden, bei denen die Streifen nicht parallel sind.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Kondensators 100, der keine Ausführungsform der Erfindung darstellt, der über einem Substrat 111 in einem Prozeß mit drei Metallschichten aufgebaut wurde. Die in der ersten Metallschicht aufgebauten Streifen sind bei 101 gezeigt; ein üblicher Streifen ist bei 114 gezeigt. Die in der zweiten Metallschicht ausgebauten Streifen sind bei 102 gezeigt; ein typischer Streifen ist bei 113 gezeigt. Die in der dritten Metallschicht aufgebauten Streifen sind schließlich bei 103 gezeigt; ein typischer Streifen ist bei 112 gezeigt. Man wird erkennen, daß die in der zweiten Schicht aufgebauten Streifen im rechten Winkel zu denen in der ersten und in der dritten Metallschicht verlaufen. Die Streifen sind so verbunden, daß alle "A"-Leiter miteinander verbunden sind und alle "B"-Leiter miteinander verbunden sind. Die Streifen jeder Schicht sind so angeordnet, daß sich "A"-Leiter und "B"- Leiter abwechseln.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen verwendeten drei Leiterschichten, weil die heute verfügbaren Herstellungsprozesse Metallverbindungen aus drei Schichten vorsehen. Der Fachmann wird jedoch aus der obigen Erörterung verstehen, daß die minimale Anzahl der Schichten zwei ist und daß zusätzliche Schichten verwendet werden können, wenn die Verarbeitung des integrierten Schaltkreises mehr Metallverbindungsschichten erlaubt.
Während die oben beschriebenen Ausführungsformen Metallstreifen in jeder Metallschicht verwendeten, wird der Fachmann aus der obigen Erörterung verstehen, daß andere Formen gewählt werden können. Streifen werden bevorzugt, weil Streifen mit herkömmlichen lithographischen Techniken leicht strukturiert werden können. Eine erhöhte Kapazität aus dem Randfeld zwischen benachbarten Leitern in jeder Schicht kann jedoch durch Verwenden komplexerer Formen, die eine größere Oberfläche zwischen benachbarten Leitern ergeben, erhalten werden.
Zahlreiche Modifikationen der Erfindung ergeben sich dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung ist somit allein durch den Bereich der folgenden Ansprüche begrenzt.

Claims

1. Kondensator (50), der über einem Substrat (11) aufgebaut ist, wobei der Kondensator (50) folgende Merkmale aufweist:

eine erste leitende Schicht (14), die von dem Substrat (11) durch eine erste dielektrische Schicht (20) getrennt ist; und

eine zweite leitende Schicht (15), die von der ersten leitenden Schicht durch eine zweite dielektrische Schicht (19) getrennt ist;

wobei die erste und die zweite leitende Schicht (14, 15) jeweils in einer geordneten Anordnung in mehrere seitlich voneinander getrennte Leiter (12) aufgeteilt ist, wobei jeder zweite der Leiter in der zweiten leitenden Schicht mit einem ersten Anschluß verbunden ist und die restlichen Leiter in der zweiten Schicht mit einem zweiten Anschluß verbunden sind und wobei alle Leiter in der ersten leitenden Schicht mit dem ersten Anschluß verbunden und derart angeordnet sind, daß kein mit dem zweiten Anschluß verbundener Leiter zwischen den Leitern der ersten leitenden Schicht (14) liegt:

2. Kondensator (50) nach Anspruch 1, wobei die Leiter rechteckige Metallstreifen aufweisen.

3. Kondensator (50) nach Anspruch 2, wobei die Metallstreifen in der ersten Metallschicht (14) parallel zu den Metallstreifen in der zweiten Metallschicht (15) sind.

4. Kondensator (50) nach Anspruch 2, wobei die Metallstreifen in der ersten Metallschicht senkrecht zu den Metallstreifen in der zweiten Metallschicht sind.