JP2005527973A

JP2005527973A - 集積された格子状のコンデンサ構造物を備えた半導体部品

Info

Publication number: JP2005527973A
Application number: JP2003586936A
Authority: JP
Inventors: ダルト，ニコラダ
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2005-09-15
Also published as: EP1497862A1; CN1647274A; DE10217565A1; WO2003090279A8; US20050161725A1; DE50306040D1; EP1497862B1; WO2003090279A1

Abstract

本発明によれば、半導体基板上に構成された絶縁層が、コンデンサ構造物（Ｋ）を備えている。前記コンデンサ構造物（Ｋ）は、金属格子領域（Ｇ１ａ〜Ｇ１ｃ）と、当該格子領域（Ｇ１ａ〜Ｇ１ｃ）の空隙に配置された導電領域（Ｐ１ａ〜Ｐ１ｃ）とを有する少なくとも第１の構造体（Ｔ１ａ）を備えており、格子領域（Ｇ１ａ〜Ｇ１ｃ）は、第１の接続配線に接続されており、導電領域（Ｐ１ａ〜Ｐ１ｃ）は第２の接続配線に接続されている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、内部にコンデンサ構造物（Kapazitaetsstruktur）が形成された絶縁層が積層された半導体基板を有する半導体部品に関する。

ハイブリッドデジタル−アナログ回路（gemischt digital-analoger Schaltungen）の一部をなすアナログ回路の大部分は、高容量値で、線形性の高い高品質のコンデンサを必要とする。アナログ回路の製造コストを可能な限り削減するためには、コンデンサ構造物の製造にあたって、処理工程数を可能な限り少なくすることが必要である。さらに、アナログ回路および集積回路の躍進的な縮小化に伴って、コンデンサ構造物が必要とする面積の縮小化も要求されている。

従来の公知のコンデンサ構造物はドイツ特許１９８５０９１５号において開示されている。いわゆるサンドイッチ型コンデンサとして形成されるこの構造は、半導体基板上に配設され、誘電層によって互いに分離された２つの導電薄膜を有した構造である。前記導電薄膜のうち、誘電層の上方に配置された上部導電薄膜は、少なくとも１つの導電性エアブリッジ（leitende Luftbruecke）を介して、コンデンサ用の２つの接続導体のうちの少なくとも１つと接続している。コンデンサ内の個々の寄生インダクタンスは、少なくとも、コンデンサを架橋する高抵抗の配線によって互いに接続されていることにより、大幅に補われている。

コンデンサ構造物の別の構成としては、米国特許５、２０８、７２５号に開示されている。このコンデンサ構造物は、半導体基板上に、複数の帯状に構成された第１の配線が互いに平行に設けられており、複数の第２の配線が、誘電層で互いに分離されて該第１の配線の上に同一形状に配置されている。縦および横に隣接する配線が、異なる電位になると、上下に並んだ配線間に、また、一つの面内において隣接する配線間に、それぞれ静電容量が形成される。この構造の根本的欠点は、上下に並んだ金属配線が僅かにずれることによって、縦方向の静電容量成分（容量成分）（Kapazitaetsanteile）が比較的大きく減少し、利用容量の割合が減少してしまうことにある。

別のコンデンサ構造物については、"Capacity Limits and Matching Properties of Lateral Flux Integrated Capacitors" (Aparicio, R und Hajimiri, A.: Capacitiy Limits and Matching Properties of Lateral Flux Integrated Capacitors; IEEE Custom Integrated Circuits Conference, San Diego May 6-9, 2001)に開示されている。垂直方向に配置された棒(Stab)構造が、互いに対称的に配置されている。各々の棒は、交互に並んだ金属領域とヴィア領域（Via-Bereich）とから構成されている。１つの棒上の複数の金属部分は同一の電位となっている。隣接する２本の棒における複数の金属部分は、異なる電位を有している。ヴィア領域は、それぞれ、１つの棒上の隣接する２つの金属領域に接触している。この構造の製造には非常に労力、すなわち、多くのマスク工程が必要となり、コンデンサデンシティーは、棒内の金属領域の最小限面積によって制限される。棒内における金属領域の大きさは、ヴィア領域の大きさよりも、明らかに大きいけれども、これは金属領域製造用のマスクに対して要求される配置面積と、ヴィア領域製造用のマスクに対して要求される配置面積とが異なるためである。このようなコンデンサ構造物においては、以下のような欠点がある。すなわち、基板に対する寄生容量が比較的大きく、かつ、コンデンサ構造物の方向（指向性）−つまり元の方向または１８０度垂直に回転させた方向−に関係なく、基板に対する寄生容量が実質的に同じ大きさになってしまうという欠点がある。

米国特許５、５８３、３５９号には、集積回路用のコンデンサ構造物が開示されている。ここでは、スタックコンデンサ（Stapelkondensator）の電極を構成する複数の金属板が、誘電層により分離されて互いに上下に配置されている。各金属板の端領域には、空隙が設けられており、この空隙中の金属板の面内には、各金属板から絶縁された金属配線が、帯状に配置されている。金属配線は、その両側でそれぞれヴィア接続部を用いて接触し、これによって、一方では全ての奇数の積層中の板が、他方では全ての偶数の積層中の板が、電気的に接続されている。奇数の板が第１の接続配線に接触し、偶数の板が第２の接続配線に接触すると、隣接する２つの板が異なる電位を有することになり、１つの平面コンデンサ内にて一対の電極を形成している。従って、コンデンサ表面は、実質的に、金属板表面によって構成されている。これに代わる形態としては、スタックコンデンサの電極のうちの１つが、均質の金属板（homogene Metallplatte）であるという形態がある。この均質の金属板は、この金属板から距離をあけて配置され、該金属板と異なる電位をもつ枠部によって囲まれている。このコンデンサ構造物は、半導体基板に対する配置に関わらず、比較的高い寄生容量を有している。コンデンサ構造物を用いた一連の新しい応用では、コンデンサ構造物の少なくとも１つの電極構造が、もう１つの電極構造に比べて、半導体基板への寄生容量が比較的少ないか、または好ましくは存在しないコンデンサ構造物を形成するのが好ましい、または必須である。

以上により、本発明の目的は、寄生容量に対する利用容量の割合を改善した、集積コンデンサ構造物を備えた半導体部品を提供することである。

この目的は、特許請求の範囲の請求項１の特徴を有する半導体部品によって達成されるものである。

半導体部品は、１つまたは複数の絶縁層（Isolationsschichten）および誘電層（dielektrischen Schichten）を含む層システムが積層された半導体基板を有している。この絶縁層には、または、この絶縁層システム内には、コンデンサ構造物が設けられている。

本発明によれば、このコンデンサ構造物は、本質的には完全に第１の平面に形成される第１の構造体を有しており、この第１の構造体は２つの構成要素を有している。そのうち、構造体における１つ目の構成要素としては、密着した複数の金属枠構造（区画）を有している格子領域として形成されたものである。この格子領域は、本質的には基板表面に平行に広がっており、具体的には、金属処理平面内に形成することができる。格子領域は、第１の接続配線と導電接続されている。第１の構造体における２つ目の構成要素としては、格子領域の空隙中に配置された複数の導電領域である。各々の導電領域が、空隙の１つ１つの中に、この空隙の枠領域とは距離をおいて配置されている。導電領域は、第２の接続配線と導電接続されている。

これにより、寄生容量が比較的少ないコンデンサ構造物を実現することが可能になり、さらに、製造が容易になり、つまりマスク工程が少なくなり、必要な場所も少なくすることができる。これにより、利用容量を比較的高くし、寄生容量に対する利用容量の割合が高い、改良された最小のコンデンサ構造物を実現することができる。

有用な形態においては、該導電領域は、金属板または導電性の結節部（Knotenpunkte）として形成され、各結節部は、ヴィア接続部（Via-Verbindung）の端部として、または、各々２つのヴィア接続部の接続部分として形成することができる。このヴィア接続部は、以下のような導電接続部として形成可能である。すなわち、導電接続部とは、コンデンサ構造物の構造体に導電接続するか、コンデンサ構造物の構造体およびコンデンサ構造物の構成には含まれない半導体部品の一部分に導電接続するものである。

好適な実施形態においては、コンデンサ構造物は、第２の構造体を有している。この第２の構造体は、絶縁層内に形成されており、前記の第１の構造体と平行で、かつ距離をあけて、第１の構造体と導電接続できるように配設されている。第２の構造体は、結びついた金属格子領域を有している。

すなわち、１つの電極構造を、もう１つの電極構造よりも、基板に対する寄生容量を最小限にすることによって、そのコンデンサ構造物は、寄生容量に対する利用容量の割合を増加させることができる。

好適な実施形態では、以下の特徴がある。すなわち、第２の構造体は、本質的には第１の構造部分と同じように形成され、両方の構造体が、互いに垂直の方向にずらして（オフセットして）配置されており、第１の構造体の格子領域の交差点は、第２の構造体の導電領域に対して垂直方向において上側に配置されており、第１の構造体の導電領域は、第２の構造部分の格子領域の交差点に対して垂直方向において上側にある。

２つの構造体が、ヴィア接続部によって導電接続されていることが好ましい。なお、互いに垂直に上下に配置された対となった１つの導電領域と１つの交差点とを、１つまたは複数のヴィア接続部によって導電接続することも可能である。コンデンサ構造物の製造に対し、てまたは半導体部品に対して使用される技術によれば、個々の面の間、または個々の構造体の間における、比較的良好で安定した導電接続を設けるために用いることが可能となる。

別の実施形態の有用な特徴は以下のとおりである。第２の構造体が金属格子領域のみを有し、第２の構造体の格子領域の交差点が、第１の構造体の導電領域の垂直方向における下側に配置されるように、第２の構造体が第１の構造体に対してずれて（オフセットして）設置されている。第１の構造体と第２の構造体とは、好ましくは、ヴィア接続部によって導電接続されており、第１の構造体の導電領域と、格子領域の交差点との間で導電接続されていることが好ましい。この形態では、特に寄生容量が小さい。特に、半導体基板に近い第２の構造体が、格子構造のみで形成されていれば、あらゆるコンデンサ構造物における他の電極構造と比較して、半導体基板に対する寄生容量を著しく低減させた電極構造を提供することができる。

別の有用な形態は、コンデンサ構造物の第３の構造体に特徴がある。この第３の構造体は、金属板として構成され、半導体基板表面と第２の構造体との間に配置されている。第３の構造体は、ヴィア接続部を用いて導電領域または第２の構造体の格子領域の交差点と導電接続してもよい。

本発明の半導体部品のこの他の有用な構成については、従属請求項に示される。

以下に本発明の半導体部品のいくつかの実施形態を、図面に基づいてより詳しく説明する。

図１は、本発明の半導体部品の第１実施形態を示す透視図である。図２は、本発明の半導体部品の第２実施形態を示す透視図である。図３は、本発明の半導体部品の第３実施形態を示す透視図である。図４は、本発明の半導体部品の第４実施形態を示す透視図である。図５は、図１〜図３のいずれかの半導体部品を示す平面図である。図６は、半導体部品の別の実施形態を示す平面図である。

なお、図中において、同じ部材または同じ機能を有する部材については、同じ部材図番を付す。

図１に示す本発明の半導体部品は、絶縁層または絶縁層システム（不図示）中に形成されたコンデンサ構造物Ｋを有している。この絶縁層およびコンデンサ構造物Ｋは、半導体基板（不図示）上に配置されている。この実施形態において、コンデンサ構造物Ｋは、第１の構造体Ｔ１ａを有している。第１の構造体Ｔ１ａは、金属格子領域Ｇ１ａと複数の金属板Ｐ１ａとからなる。この格子領域Ｇ１ａの各空隙の中央には、金属板Ｐ１ａが配置されている。金属板Ｐ１ａと格子領域Ｇ１ａとは、金属処理平面（共通平板）Ｍ１中に配置され、格子領域Ｇ１ａは、第１の接続配線（不図示）と導電接続され、コンデンサ構造物Ｋの電極を形成している。金属板Ｐ１ａは、第２の接続配線（不図示）と導電接続されている。これにより、金属処理平面Ｍ１には、コンデンサ構造物における複数の第１の利用容量成分（Anteil）が形成されている。この容量成分Ｃ_１（図５に図示）は、それぞれ、格子領域Ｇ１ａおよび金属板Ｐ１ａの、金属処理平面Ｍ１内にて対向する表面領域間に設けられる。

コンデンサ構造物Ｋは、第２の構造体Ｔ１ｂを有するが、この第２の構造体は、第１の構造体Ｔ１ａに対応するように形成されている。第２の構造体Ｔ１ｂは、第１の金属処理平面Ｍ１と平行で、かつ距離をおいて設けられた第２の金属処理平面Ｍ２内に形成され、両方の金属処理平面は、絶縁層または絶縁層システムの中に設けられた誘電層によって互いに分離されている。構造体Ｔ１ｂは、格子領域Ｇ１ｂと金属板Ｐ１ｂとを有している。第２の構造体Ｔ１ｂは、ｘｙ面で、第１の構造体Ｔ１ａに対してずらして配置されており、金属板Ｐ１ｂが、第１の構造体Ｔ１ａの格子領域Ｇ１ａの交差点ＫＰの垂直下方向に配置されている。

格子領域Ｇ１ａ内の各交差点ＫＰと、垂直下方向に配置された金属板Ｐ１ｂとは、そして、各金属板Ｐ１ａと、垂直下方向に配置された格子領域Ｇ１ｂの交差点ＫＰとは、ヴィア接続部Ｖを介して導電接続されている。本実施形態においては、１つの交差点ＫＰと１つの金属板とは、１つのヴィア接続部Ｖによって各々導電接続している。しかしながら、１つの交差点ＫＰと１つの金属板との間に、２つ以上のヴィア接続部Ｖが形成されていてもよい。

第１の構造体Ｔ１ａと第２の構造体Ｔ１ｂとの間のヴィア接続部Ｖを介した導電接続は、金属板Ｐ１ｂを第１の接続配線に導電接続し、かつ、格子領域Ｇ１ｂを第２の接続配線と導電接続する。これにより、さらなる利用容量部分が形成される。まず、金属板Ｐ１ｂの対向面領域と、格子領域Ｇ１ｂとの間のｘｙ面上に、別の容量成分Ｃ_１が形成される。そして、容量成分Ｃ_２は、格子領域Ｇ１ａとＧ１ｂとの間の、両方の格子構造の表面領域が図１をｚ方向にみた平面図において交差する箇所に設けられている。このようにして形成される他の全ての容量成分Ｃ_２を代表して、図１では１つのみを例示している。コンデンサ構造物Ｋの利用容量に寄与する他の容量成分Ｃ_３が、ヴィア接続部Ｖの間に形成される。この際、金属板Ｐ１ａと格子領域Ｇ１ｂの交差点ＫＰとの間の導電接続を形成するヴィア接続部Ｖは、第２の接続配線と接続される。このヴィア接続部Ｖは、格子領域Ｇ１ａの交差点ＫＰと金属板Ｐ１ｂとの間の導電接続を形成するヴィア接続部Ｖとは別の電位を有する。同様に作られた他の全ての容量成分Ｃ_３を代表して、図１では１つだけを例示している。

コンデンサ構造物Ｋにおける別の構造体Ｔ１ｃは、金属処理平面Ｍ３に形成される。構造体Ｔ１ｃは、第１の構造体Ｔ１ａと同様に形成され、金属格子領域Ｇ１ｃを有しており、この空隙中に金属板Ｐ１ｃが配置されている。構造体Ｔ１ｃは、構造体Ｔ１ａと本質的には同一形状となるように設けられている。即ち、構造体Ｔ１ｃにおける格子領域Ｇ１ｃ内の交差点ＫＰは、金属板Ｐ１ｂの垂直下方向に配置されており、金属板Ｐ１ｃは、構造体Ｔ１ｂにおける格子領域Ｇ１ｂ内の交差点ＫＰの垂直下方向に配置されている。ヴィア接続部Ｖは、交差点ＫＰと、金属板Ｐ１ｂおよびＰ１ｃとの間に導電接続を形成する。

これにより、格子領域Ｇ１ｃは、第１の接続配線と導電接続され、金属板Ｐ１ｃは第２の接続配線と導電接続される。

前述したように、容量成分Ｃ_１は、金属板Ｐ１ｃと格子領域Ｇ１ｃとの間のｘｙ面に形成されている。容量成分Ｃ_２は、構造体Ｔ１ｂと構造体Ｔ１ｃとの間に、構造体Ｔ１ａと構造体Ｔ１ｂとの間に対応して同様に形成されている。同じく、容量成分Ｃ_３は、異なる電位がかけられたヴィア接続部Ｖ間に作られる。

この構造により、コンデンサ構造物Ｋと半導体基板との間の寄生容量は、本質的に低減できる。

別の実施形態を図２に示す。コンデンサ構造物Ｋは、本質的に図１に示したものと同様である。相違点は、第３の構造体Ｔ１ｃが、格子領域Ｇ１ｃのみから構成されていることである。ここから、利用容量は、金属処理平面Ｍ３内の容量成分Ｃ_１、または、構造体Ｔ１ｂおよび構造体Ｔ１ｃの間における異なる電位であるヴィア接続部間に形成された容量成分とが省かれる。しかしながら、金属板Ｐ１ｃを省くことによって、寄生容量は本質的に減少する。

別の実施形態を図３に示す。コンデンサ構造物Ｋは、本質的に図１で示したものと同様である。相違点は、構造体Ｔ１ｃが、一体の金属板ＭＰとして設けられており、この金属板ＭＰが、構造体Ｔ１ｂの金属板Ｐ１ｂに、ヴィア接続部Ｖによって接続され、したがって第１の接続配線と導電接続されている。

本発明の半導体部品の別のコンデンサ構造物Ｋを図４に示す。このコンデンサ構造物Ｋは図１のコンデンサ構造物に相当する。この実施形態においては、金属板Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ、およびＰ１ｃが、ヴィア接続部Ｖの間に形成された導電性の結節部ＫＮａ〜ＫＮｃに代えられている。コンデンサ構造物Ｋが、例えば、構造体Ｔ１ｃ（すなわち、格子領域Ｇ１ｃおよび結節部ＫＮｃ）と、構成体Ｔ１ｂ（すなわち、格子領域Ｇ１ｂおよび結節部ＫＮｂ）とからのみ構成される場合には、結節部ＫＮｂ・ＫＮｃは、それぞれヴィア接続部Ｖの終了点として構成される。

コンデンサ構造物Ｋを、構造体Ｔ１ｂと構造体Ｔ１ｃ（第１の構造部分と同様の構成）とから構成し、かつ、結節部ＫＮｂからｚ方向に正の方向で上に伸ばしたヴィア接続部Ｖを、コンデンサ構造物Ｋの構成には属さない半導体部品の一部分に接触させることも可能である。

コンデンサ構造物Ｋの利用容量に寄与する容量成分Ｃ_１、Ｃ_２、およびＣ_３（不図示）は、図１のコンデンサ構造物中のＣ_１、Ｃ_２、およびＣ_３と本質的に同様に形成される。

図５は、例えば構造体Ｔ１ａなどの構造体の平面図である。格子領域Ｇ１ａは、四角状に構成された空隙を有し、この中の中心に四角状の金属板Ｐ１ａが配置されている。容量成分Ｃ_１は、それぞれの対置する表面領域の間に設けられている。

図６は、構造体の別の平面図である。この例では、例えばＧ１ａなどの格子領域が、円状の空隙を有するよう形成されており、それぞれ例えばＰ１ａなどの円形金属板が配置されている。

すべての実施形態において、半導体基板に最も近いのは、構造体Ｔ１ｃである。

実施形態では、Ｍ１〜Ｍ３の３つの金属処理平面について図示して説明した。しかしながら、１つのみ、２つまたは３つ以上の金属処理平面を形成し、その中に各金属面中に同じ構造部分またはそれぞれ異なる構造部分を形成することも可能である。

本発明の半導体部品の第１実施形態を示す透視図である。本発明の半導体部品の第２実施形態を示す透視図である。本発明の半導体部品の第３実施形態を示す透視図である。本発明の半導体部品の第４実施形態を示す透視図である。図１〜図３のいずれかの半導体部品を示す平面図である。半導体部品の別の実施形態を示す平面図である。

Claims

半導体基板と、この半導体基板上に形成された絶縁層と、この絶縁層内に形成されたコンデンサ構造物（Ｋ）とを備えた半導体部品であって、
前記のコンデンサ構造物（Ｋ）は、密着性の金属格子領域（Ｇ１ａ）を有する第１の構造体（Ｔ１ａ）を備えており、この金属格子領域が、主に、前記の半導体基板の表面に平行な平板（Ｍ１）内に広がっているとともに、第１の接続配線に導電接続されており、
前記の第１の構造体（Ｔ１ａ）には、導電領域（Ｐ１ａ；ＫＮ）が設けられており、この導電領域（Ｐ１ａ；ＫＮ）が、前記の金属格子領域（Ｇ１ａ）の空隙部分に、この部分にある平板（Ｍ１）の端部から離れて配置されるとともに、第２の接続配線に導電接続されていることを特徴とする半導体部品。
前記の導電領域は、ヴィア接続部の間の金属板（Ｐ１ａ〜Ｐ１ｃ）または結節部（ＫＮ）であることを特徴とする請求項１に記載の半導体部品。
前記コンデンサ構造物（Ｋ）は、第１の構造体（Ｔ１ａ）と平行で、かつ間隔をあけて構成された、密着性の金属格子領域（Ｇ１ｂ）を有する第２の構造体（Ｔ１ｂ）を有しており、
第１の構造体（Ｔ１ａ）と第２の構造体（Ｔ１ｂ）とは、導電接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体部品。
第２の構造体（Ｔ１ｂ）は、第１の構造体（Ｔ１ａ）と同じ構成であるとともに、
第２の構造体（Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ｂ）内の交差点（ＫＰ）に対して、第１の構造体（Ｔ１ａ）の導電領域（Ｐ１ａ）が対向配置するように、かつ
第２の構造体（Ｔ１ｂ）の導電領域（Ｐ１ｂ）に対して、第１の構造体（Ｔ１ａ）の格子領域（Ｇ１ａ）内の交差点（ＫＰ）が対向配置するように、
両構造体（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）が、互いにずれて配置されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体部品。
第１の構造体（Ｔ１ａ）の格子領域（Ｇ１ａ）内の交差点（ＫＰ）は、当該第１の構造体（Ｔ１ａ）に対して対向配置した第２の構造体（Ｔ１ｂ）の導電領域（Ｐ１ｂ）と、少なくとも１つのヴィア接続部（Ｖ）によって導電接続されており、
第１の構造体（Ｔ１ａ）の導電領域（Ｐ１ａ）は、当該第１の構造体（Ｔ１ａ）に対して対向配置した第２の構造体（Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ｂ）内の交差点（ＫＰ）と、少なくとも１つのヴィア接続部（Ｖ）によって導電接続されていることを特徴とする請求項３または４に記載の半導体部品。
第２の構造体（Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ｂ）は、第１の構造体（Ｔ１ａ）に対してずれて配置されており、
第１の構造体（Ｔ１ａ）の導電領域（Ｐ１ａ）は、第２の構造体（Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ｂ）内の交差点（ＫＰ）に対向配置されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体部品。
第１の構造体（Ｔ１ａ）の導電領域（Ｐ１ａ）と、第２の構造体（Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ｂ）内の交差点（ＫＰ）とは、それぞれ１つまたは複数のヴィア接続部（Ｖ）によって導電接続されていることを特徴とする請求項６に記載の半導体部品。
金属板（ＭＰ）の形状を有する他の構造体が、１つのヴィア接続部（Ｖ）または複数のヴィア接続部（Ｖ）それぞれによって、両構造体（Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ）の格子領域（Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ）内の交差点（ＫＰ）または導電領域（Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ）と、導電接続されていることを特徴とする請求項３乃至７のいずれか１項に記載の半導体部品。
格子領域（Ｇ１ａ〜Ｇ１ｃ）は、少なくとも２つの矩形または円形の空隙部分を有していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の半導体部品。