JP2009152618A - 半導体ダイにおける、電圧依存性が低減した高密度複合ｍｉｍキャパシタ - Google Patents
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Abstract
【課題】電圧依存性が低減した高密度複合ＭＩＭキャパシタを提供する。
【解決手段】開示された一実施例によれば、複合ＭＩＭキャパシタは、半導体ダイの下部相互接続金属層に位置する下部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２４を含む。複合ＭＩＭキャパシタはさらに、下部層間誘電体内に位置する下部ＭＩＭキャパシタの上部電極１２０を含み、下部層間誘電体は下部相互接続金属層を上部相互接続金属層から隔てている。上部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２２は、上部相互接続金属層に位置している。上部ＭＩＭキャパシタの上部電極１３０は、上部相互接続金属層の上に位置する上部層間誘電体内に位置している。下部ＭＩＭキャパシタの上部電極１２０は上部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２２に接続され、一方、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２４は上部ＭＩＭキャパシタの上部電極１３０に接続される。
【選択図】図１
【解決手段】開示された一実施例によれば、複合ＭＩＭキャパシタは、半導体ダイの下部相互接続金属層に位置する下部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２４を含む。複合ＭＩＭキャパシタはさらに、下部層間誘電体内に位置する下部ＭＩＭキャパシタの上部電極１２０を含み、下部層間誘電体は下部相互接続金属層を上部相互接続金属層から隔てている。上部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２２は、上部相互接続金属層に位置している。上部ＭＩＭキャパシタの上部電極１３０は、上部相互接続金属層の上に位置する上部層間誘電体内に位置している。下部ＭＩＭキャパシタの上部電極１２０は上部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２２に接続され、一方、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極１２４は上部ＭＩＭキャパシタの上部電極１３０に接続される。
【選択図】図１
Description
本発明は一般に半導体作製の分野に属する。より具体的には、本発明は半導体ダイにおけるキャパシタの作製の分野に属する。
高性能の混合信号およびＲＦ回路は、高密度の集積キャパシタを必要とする。金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタは、半導体ダイ上に集積混合信号およびＲＦ回路を作製するのに使用することが考えられ得る。不利なことに、典型的なＭＩＭキャパシタのキャパシタンス密度は低い。また、ＲＦおよび混合信号の用途は高いキャパシタンス値を必要とするため、典型的なＭＩＭキャパシタによって消費されるダイ領域は大きすぎて、ダイコストの増加を製造業者およびユーザにもたらす。
典型的なＭＩＭキャパシタの、ある印加電圧でのキャパシタンス値は、以下の式１によって表わすことができる。
式中、Ｃ0は、キャパシタ電極間の電圧がゼロの場合のキャパシタのキャパシタンス値
であり、Ｖは、キャパシタの２つの電極間の電圧であり、ａは１次電圧係数、ｂは２次電圧係数である。式１に示すように、ある印加電圧でのキャパシタンス値は、その「電圧係数」、すなわちその１次および２次電圧係数に依存する。大きな電圧係数は、キャパシタンスの望ましくない変動をもたらす。従来のＭＩＭキャパシタでは、キャパシタンス密度を高めるために誘電体の厚みを低減させると、不利なことにＭＩＭキャパシタの電圧係数が増加する。このため、従来のＭＩＭキャパシタの、誘電体の厚みを低減させる際の電圧係数の望ましくない増加と、ＭＩＭキャパシタプレートによる著しいダイ領域の消費とは、混合信号およびＲＦの用途においてＭＩＭキャパシタを使用する際の著しい欠点である。
であり、Ｖは、キャパシタの２つの電極間の電圧であり、ａは１次電圧係数、ｂは２次電圧係数である。式１に示すように、ある印加電圧でのキャパシタンス値は、その「電圧係数」、すなわちその１次および２次電圧係数に依存する。大きな電圧係数は、キャパシタンスの望ましくない変動をもたらす。従来のＭＩＭキャパシタでは、キャパシタンス密度を高めるために誘電体の厚みを低減させると、不利なことにＭＩＭキャパシタの電圧係数が増加する。このため、従来のＭＩＭキャパシタの、誘電体の厚みを低減させる際の電圧係数の望ましくない増加と、ＭＩＭキャパシタプレートによる著しいダイ領域の消費とは、混合信号およびＲＦの用途においてＭＩＭキャパシタを使用する際の著しい欠点である。
したがって、ＭＩＭキャパシタのキャパシタンス値がキャパシタ電極に印加された電圧にもそれほど依存しない、混合信号およびＲＦの用途において使用するための高密度ＭＩＭキャパシタに対する要望が存在する。
本発明は、半導体ダイにおける、電圧依存性が低減した高密度複合ＭＩＭキャパシタに向けられている。本発明は、ＭＩＭキャパシタのキャパシタンス値がキャパシタ電極に印加された電圧にもそれほど依存しない、混合信号およびＲＦの用途において使用するための高密度ＭＩＭキャパシタに対する当該技術分野における要望に対処し、その要望を解決する。
この発明の一実施例によれば、複合ＭＩＭキャパシタは、半導体ダイの下部相互接続金属層に位置する下部ＭＩＭキャパシタの下部電極を含む。複合ＭＩＭキャパシタはさらに
、下部層間誘電体内に位置する下部ＭＩＭキャパシタの上部電極を含み、下部層間誘電体は下部相互接続金属層を上部相互接続金属層から隔てている。上部ＭＩＭキャパシタの下部電極は、上部相互接続金属層に位置している。上部ＭＩＭキャパシタの上部電極は、上部相互接続金属層の上に位置する上部層間誘電体内に位置している。
、下部層間誘電体内に位置する下部ＭＩＭキャパシタの上部電極を含み、下部層間誘電体は下部相互接続金属層を上部相互接続金属層から隔てている。上部ＭＩＭキャパシタの下部電極は、上部相互接続金属層に位置している。上部ＭＩＭキャパシタの上部電極は、上部相互接続金属層の上に位置する上部層間誘電体内に位置している。
下部ＭＩＭキャパシタの上部電極は上部ＭＩＭキャパシタの下部電極に接続され、一方、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極は上部ＭＩＭキャパシタの上部電極に接続され、これにより、電圧依存性が低減されたこの発明の高密度複合ＭＩＭキャパシタの一実施例を形成する。本発明の他の特徴および利点は、以下の詳細な説明および添付図面を検討すれば、当業者にはより容易に明らかとなるであろう。
本発明は、半導体ダイにおける、電圧依存性が低減した高密度複合ＭＩＭキャパシタに向けられている。この発明は特定の実施例に関して説明されるが、ここに添付された特許請求の範囲によって規定されるようなこの発明の原理は、ここに記載するこの発明の具体的に説明された実施例を超えて、明らかに適用可能である。さらに、本発明の説明では、この発明の独創的な局面を不明瞭にしないよう省略された詳細がある。省略された詳細は、当業者の知識の範囲内にある。
本出願の図面およびそれらに伴う詳細な説明は、この発明の単に例示的な実施例に向けられている。簡潔さを維持するため、本発明の原理を用いるこの発明の他の実施例は、本出願では具体的に説明されてはおらず、本図面によって具体的に図示されてはいない。
図１は、本発明の一実施例に従った、下部ＭＩＭキャパシタが上部ＭＩＭキャパシタと並列接続された例示的な複合ＭＩＭキャパシタを含む半導体ダイの一部の断面図を示す。図１に示すように、構造１００は、金属板１２４、金属板１２０、金属板１２２、および金属板１３０を含み、それらは２つのＭＩＭキャパシタ用の電極を形成している。構造１００では、金属板１２４と金属板１２０とが「下部」ＭＩＭキャパシタの２つの電極を形成し、金属板１２２と金属板１３０とが「上部」ＭＩＭキャパシタの２つの電極を形成している。なお、本出願の目的のため、「下部」ＭＩＭキャパシタは、層間誘電体１０８に近いほう（すなわち、図示されていない基板表面に近いほう）のＭＩＭキャパシタとして規定され、一方、「上部」ＭＩＭキャパシタは、層間誘電体１０８から遠いほう（すなわち、図示されていない基板表面から遠いほう）のＭＩＭキャパシタとして規定される。
図１に同様に示すように、金属板１２４は層間誘電体１０８の上に、相互接続金属層１０７に位置しており、それ（すなわち金属板１２４）は、アルミニウム、銅、または他の好適な金属を含み得る。金属板１２４は、当該技術分野において公知の態様で相互接続金属の層を堆積させ、パターニングすることによって形成可能である。一実施例では、金属板１２４は、たとえばアルミニウムのコア部分の上にたとえば窒化チタン、窒化タンタル、チタン、および／またはタンタルの積み重ねられた層を含む「金属積層物」である。さらに、この積層物の最上層は、酸素、窒素または水素化学において調整されてもよい。一例として、金属板１２４は約０．３ミクロン〜約０．９ミクロンの厚みを有し得る。本実
施例では、相互接続金属層１０７は、半導体ダイにおける第２の相互接続金属層であり得る。他の実施例では、相互接続金属層１０７は、半導体ダイにおける第１、第３、第４、またはそれ以上の相互接続金属層であってもよい。金属板１２４は下部ＭＩＭキャパシタの「下部」電極を形成する。なお、本出願の目的のため、「下部」電極は、層間誘電体１０８に近いほう（すなわち、図示されていない基板表面に近いほう）の電極として規定される。
施例では、相互接続金属層１０７は、半導体ダイにおける第２の相互接続金属層であり得る。他の実施例では、相互接続金属層１０７は、半導体ダイにおける第１、第３、第４、またはそれ以上の相互接続金属層であってもよい。金属板１２４は下部ＭＩＭキャパシタの「下部」電極を形成する。なお、本出願の目的のため、「下部」電極は、層間誘電体１０８に近いほう（すなわち、図示されていない基板表面に近いほう）の電極として規定される。
図１にさらに示すように、金属板１２４の上に誘電体セグメント１３２が位置している。ＭＩＭのキャパシタンスを高めるために、誘電体セグメント１３２は、酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミニウムシリケート、または比較的高い誘電率を有する他の誘電体を含み得る。一例として、誘電体セグメント１３２は、約２００．０オングストローム〜約６００．０オングストロームの厚みを有することが可能であり、当該技術分野において公知の態様でHigh-k誘電材料の層を堆積させ、パターニングすることによって形成可能である。
図１に同様に示すように、金属板１２０は誘電体セグメント１３２の上に位置しており、たとえば窒化チタンまたは窒化タンタルを含み得る。一例として、金属板１２０は、約１０００．０オングストローム〜約３０００．０オングストロームの厚みを有することが可能である。金属板１２０は、当該技術分野において公知の態様で窒化チタンまたは窒化タンタルの層を堆積させ、パターニングすることによって形成可能である。窒化チタンまたは窒化タンタルの層は、たとえば物理気相成長法（ＰＶＤ）または化学気相成長法（ＣＶＤ）を用いて堆積されてもよい。金属板１２０は下部ＭＩＭキャパシタの「上部」電極を形成する。なお、本出願の目的のため、「上部」電極は、層間誘電体１０８から遠いほう（すなわち、図示されていない基板表面から遠いほう）の電極として規定される。また、金属板１２４とは異なり、金属板１２０は相互接続金属層に形成されてはいない。言い換えれば、金属板１２０は、金属板が従来存在していない層間誘電体１１０内に形成される。
図１に示すように、層間誘電体１１０は相互接続金属層１０７の上に位置している。寄生層間キャパシタンスを低減させるために、層間誘電体１１０は、誘電率が低い誘電体、すなわち「Low-k誘電体」、たとえば多孔質シリカ、フッ化アモルファスカーボン、フッ
素重合体、パリレン、ポリアリーレンエーテル、シルセスキオキサン、フッ化二酸化シリコン、またはダイヤモンドライクカーボンなどを含み得る。また、これに代えて、層間誘電体１１０は、当該技術分野において公知であるように、酸化シリコンを含み得る。層間誘電体１１０は、当該技術分野において公知の態様で、たとえばＣＶＤプロセスを利用することによって形成可能である。層間誘電体１１０は、約０．５ミクロン〜約２．０ミクロンの厚みを有することが可能である。
素重合体、パリレン、ポリアリーレンエーテル、シルセスキオキサン、フッ化二酸化シリコン、またはダイヤモンドライクカーボンなどを含み得る。また、これに代えて、層間誘電体１１０は、当該技術分野において公知であるように、酸化シリコンを含み得る。層間誘電体１１０は、当該技術分野において公知の態様で、たとえばＣＶＤプロセスを利用することによって形成可能である。層間誘電体１１０は、約０．５ミクロン〜約２．０ミクロンの厚みを有することが可能である。
図１にさらに示すように、ビア１１４および１１８が層間誘電体１１０内に位置している。特に、ビア１１４は金属板１２０の上に位置し、かつそれと接触しており、一方、ビア１１８は金属板１２４の上に位置し、かつそれと接触している。ビア１１４および１１８は、標準的なビアエッチプロセスにより層間誘電体１１０をエッチングすることによって形成されてもよく、ビアは、タングステンまたは銅などの好適な導電性材料で充填されてもよい。
図１に同様に示すように、金属板１２２および金属セグメント１２８がそれぞれ、ビア１１４およびビア１１８の上の相互接続金属層１１５内に位置している。本実施例では、相互接続金属層１１５は、半導体ダイにおける第３の相互接続金属層であり得る。他の実施例では、相互接続金属層１１５は、半導体ダイにおける第２、第４、第５、またはそれ
以上の相互接続金属層であってもよい。金属板１２２および金属セグメント１２８は、アルミニウム、銅、または他の好適な金属を含み得る。金属板１２２および金属セグメント１２８は、当該技術分野において公知の態様で相互接続金属の層を堆積させ、パターニングすることによって形成されてもよい。一実施例では、金属板１２２は、たとえばアルミニウムのコア部分の上にたとえば窒化チタン、窒化タンタル、チタン、および／またはタンタルの積み重ねられた層を含む「金属積層物」である。さらに、この積層物の最上層は、酸素、窒素または水素化学において調整されてもよい。金属板１２２、すなわち上部ＭＩＭキャパシタの下部電極は、金属板１２０、すなわち下部ＭＩＭキャパシタの上部電極に、ビア１１４によって電気的に結合され、金属セグメント１２８は、金属板１２４、すなわち下部ＭＩＭキャパシタの下部電極に、ビア１１８によって電気的に結合されている。金属板１２４は、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極であるのに加え、以下により詳細に説明するように、複合ＭＩＭキャパシタの１端子としても機能し得る。
以上の相互接続金属層であってもよい。金属板１２２および金属セグメント１２８は、アルミニウム、銅、または他の好適な金属を含み得る。金属板１２２および金属セグメント１２８は、当該技術分野において公知の態様で相互接続金属の層を堆積させ、パターニングすることによって形成されてもよい。一実施例では、金属板１２２は、たとえばアルミニウムのコア部分の上にたとえば窒化チタン、窒化タンタル、チタン、および／またはタンタルの積み重ねられた層を含む「金属積層物」である。さらに、この積層物の最上層は、酸素、窒素または水素化学において調整されてもよい。金属板１２２、すなわち上部ＭＩＭキャパシタの下部電極は、金属板１２０、すなわち下部ＭＩＭキャパシタの上部電極に、ビア１１４によって電気的に結合され、金属セグメント１２８は、金属板１２４、すなわち下部ＭＩＭキャパシタの下部電極に、ビア１１８によって電気的に結合されている。金属板１２４は、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極であるのに加え、以下により詳細に説明するように、複合ＭＩＭキャパシタの１端子としても機能し得る。
図１にさらに示すように、誘電体セグメント１３４が金属板１２２の上に位置しており、それ（すなわち誘電体セグメント１３４）は、組成、厚みおよび形態が誘電体セグメント１３２と実質的に同様であり得る。図１に同様に示すように、金属板１３０は誘電体セグメント１３４の上に位置しており、それ（すなわち金属板１３０）は、組成、厚みおよび形態が金属板１２０と実質的に同様であり得る。金属板１３０は上部ＭＩＭキャパシタの上部電極を形成する。有利には、金属板１３０は、金属板が従来存在していない層間誘電体１１２内に形成される。
図１にさらに示すように、層間誘電体１１２は相互接続金属層１１５の上に位置しており、それ（すなわち層間誘電体１１２）は、組成、厚みおよび形態が層間誘電体１１０と実質的に同様である。図１に同様に示すように、ビア１１６およびビア１１９が層間誘電体１１２に位置している。特に、ビア１１６は金属板１３０の上に位置し、かつそれと接触しており、ビア１１９は金属セグメント１２８の上に位置し、かつそれと接触している。ビア１１６および１１９は、組成および形態が、ビア１１４および１１８と実質的に同様である。
図１にさらに示すように、ビア１１６およびビア１１９の上に、金属セグメント１２６が、相互接続金属層１２１に位置している。本実施例では、相互接続金属層１２１は、半導体ダイにおける第４の相互接続金属層であり得る。他の実施例では、相互接続金属層１２１は、半導体ダイにおける第３、第５、第６、またはそれ以上の相互接続金属層であってもよい。金属セグメント１２６は、アルミニウム、銅、または他の好適な金属を含んでいてもよく、当該技術分野において公知の態様で相互接続金属の層を堆積させ、パターニングすることによって形成されてもよい。金属セグメント１２６は、金属板１３０、すなわち上部ＭＩＭキャパシタの上部電極に、ビア１１６によって電気的に接続され、金属セグメント１２８、すなわち複合ＭＩＭキャパシタの１端子に、ビア１１９によって電気的に接続される。このため、金属板１３０、すなわち上部ＭＩＭキャパシタの上部電極は、金属板１２４、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極に、ビア１１６、金属セグメント１２６、ビア１１９、金属セグメント１２８、およびビア１１８を介して電気的に接続される。他の実施例では、１つ以上のＭＩＭキャパシタが相互接続金属層１２１の上に形成され、相互接続金属層１２１の下に形成されたＭＩＭキャパシタに適切に結合されることが可能である。
上述のように、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４は、上部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０に電気的に接続され、下部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１２０は、上部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２２に電気的に接続される。こうして、下部ＭＩＭキャパシタは上部ＭＩＭキャパシタと並列結合されて、複合ＭＩＭキャパシタを形成し、金属板１２０に電気的に接続
された金属板１２２は、複合ＭＩＭキャパシタの第１の端子として機能し得る。同様に、金属板１２４および１３０に電気的に接続された金属セグメント１２８は、複合ＭＩＭキャパシタの第２の端子として機能し得る。また、これに代えて、金属板１２４自体、または、金属板１２４および１３０に電気的に接続された金属セグメント１２６のいずれかが、複合ＭＩＭキャパシタの第２の端子として機能し得る。
された金属板１２２は、複合ＭＩＭキャパシタの第１の端子として機能し得る。同様に、金属板１２４および１３０に電気的に接続された金属セグメント１２８は、複合ＭＩＭキャパシタの第２の端子として機能し得る。また、これに代えて、金属板１２４自体、または、金属板１２４および１３０に電気的に接続された金属セグメント１２６のいずれかが、複合ＭＩＭキャパシタの第２の端子として機能し得る。
こうして、上部および下部ＭＩＭキャパシタの並列の組合せから複合ＭＩＭキャパシタを形成することにより、かつ、上部および下部ＭＩＭキャパシタの双方をダイの表面に対して垂直に構築することにより、本発明は、相互接続金属層間で十分に利用可能な空間を利用することによって有利に増加されたキャパシタンス値を有する複合ＭＩＭキャパシタを達成する。
したがって、上述のように、本発明は、ダイの横方向の空間のみを用いるＭＩＭキャパシタと比較して密度が著しく向上した複合ＭＩＭキャパシタを有利に達成する。本発明はさらに、以下に詳細に述べる、電圧依存性が低減したキャパシタンス値を有する複合ＭＩＭキャパシタを有利に達成する。
図２は、図１の構造１００における例示的な複合ＭＩＭキャパシタに対応する概略図を示す。図２に示すように、図２００は、並列に構成されたＭＩＭキャパシタ２３６とＭＩＭキャパシタ２３８とを含む。ＭＩＭキャパシタ２３６は上部電極２２０と下部電極２２４とを含み、それらは、図１の構造１００の金属板１２０および金属板１２４にそれぞれ類似している。ＭＩＭキャパシタ２３８は上部電極２３０と下部電極２２２とを含み、それらは図１の構造１００の金属板１３０および金属板１２２にそれぞれ類似している。
ＭＩＭキャパシタ２３６の上部電極２２０は、ＭＩＭキャパシタ２３８の下部電極２２２に、ノード２３４で電気的に結合され、複合ＭＩＭキャパシタの第１の端子を形成する。同様に、ＭＩＭキャパシタ２３６の下部電極２２４は、ＭＩＭキャパシタ２３８の上部電極２３０と、ノード２３２で電気的に結合され、複合ＭＩＭキャパシタの第２の端子を形成する。たとえば電圧「Ｖa」がＭＩＭキャパシタ２３６の上部電極２２０に印加され
る場合、電圧「Ｖa」はＭＩＭキャパシタ２３８の下部電極２２２にも印加される。同様
に、電圧「Ｖb」がＭＩＭキャパシタ２３６の下部電極２２４に印加される場合、電圧「
Ｖb」はＭＩＭキャパシタ２３８の上部電極２３０にも印加される。その結果、上述の例
では、ＭＩＭキャパシタ２３６間の電圧は「（Ｖa−Ｖb）」であり、ＭＩＭキャパシタ２３８間の電圧は「（Ｖb−Ｖa）」である。このため、ＭＩＭキャパシタ２３６間および２３８間の電圧は、値は等しいものの、極性は逆である。
る場合、電圧「Ｖa」はＭＩＭキャパシタ２３８の下部電極２２２にも印加される。同様
に、電圧「Ｖb」がＭＩＭキャパシタ２３６の下部電極２２４に印加される場合、電圧「
Ｖb」はＭＩＭキャパシタ２３８の上部電極２３０にも印加される。その結果、上述の例
では、ＭＩＭキャパシタ２３６間の電圧は「（Ｖa−Ｖb）」であり、ＭＩＭキャパシタ２３８間の電圧は「（Ｖb−Ｖa）」である。このため、ＭＩＭキャパシタ２３６間および２３８間の電圧は、値は等しいものの、極性は逆である。
上述のように、図２のＭＩＭキャパシタ２３６といったＭＩＭキャパシタのキャパシタンス値は、以下の式により求められる。
式中、「Ｃ0」は、キャパシタ電極間の電圧がゼロの場合のキャパシタのキャパシタン
ス値であり、「Ｖ」は、キャパシタ電極間に印加される電圧であり、「ａ」は１次係数、「ｂ」は２次係数、「Ｃ（Ｖ）」は、電圧「Ｖ」がキャパシタ電極間に印加される場合のキャパシタのキャパシタンス値である。
ス値であり、「Ｖ」は、キャパシタ電極間に印加される電圧であり、「ａ」は１次係数、「ｂ」は２次係数、「Ｃ（Ｖ）」は、電圧「Ｖ」がキャパシタ電極間に印加される場合のキャパシタのキャパシタンス値である。
図２のＭＩＭキャパシタ２３６および２３８といった２つのキャパシタを上述のような並列構成で結合することにより、各キャパシタ間の電圧は、値が等しく、極性が逆になる
。このため、ＭＩＭキャパシタ２３６および２３８といった２つのキャパシタの、電圧「Ｖ」での総キャパシタンスは、以下の式により求められる。
。このため、ＭＩＭキャパシタ２３６および２３８といった２つのキャパシタの、電圧「Ｖ」での総キャパシタンスは、以下の式により求められる。
上の式の意味を簡略化するには、それ（すなわち式（２））は、Ｃ1およびＣ2が実質的に等しいキャパシタンス値を有するようにＣ1およびＣ2を作製するのに利用される材料とそのような材料の厚みとが選択されると仮定することによって、簡略化され得る。その場合、式（２）は、以下の式を形成するよう簡略化されてもよい。
こうして、Ｃ1およびＣ2が実質的に等しいキャパシタンス値を有するようにＣ1および
Ｃ2を作製することにより、式（２）の１次係数項「Ｃ1ａＶ−Ｃ2ａＶ」は実質的に削除
可能である。その結果、本発明は、電圧に対する依存性が著しく低減した総キャパシタンス値を有する複合ＭＩＭキャパシタ、すなわち、Ｃ2と並列結合されたＣ1を有利に達成する。
Ｃ2を作製することにより、式（２）の１次係数項「Ｃ1ａＶ−Ｃ2ａＶ」は実質的に削除
可能である。その結果、本発明は、電圧に対する依存性が著しく低減した総キャパシタンス値を有する複合ＭＩＭキャパシタ、すなわち、Ｃ2と並列結合されたＣ1を有利に達成する。
実質的に等しいキャパシタンス値を有する３つ以上のＭＩＭキャパシタが並列結合された、この発明の他の実施例では、並列結合されたＭＩＭキャパシタの総キャパシタンスの電圧依存性の低減量は、並列結合されたＭＩＭキャパシタの個数が偶数か奇数かによって決まる。各ＭＩＭキャパシタが実質的に等しいキャパシタンス値を有するように偶数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタが作製されている、偶数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタを含む一実施例では、印加電圧「Ｖ」での、並列結合されたＭＩＭキャパシタの総キャパシタンス値は、以下の式により求められる。
式中、「ｎ」は、並列結合されたＭＩＭキャパシタの個数を表わす偶数である。
各ＭＩＭキャパシタが実質的に等しいキャパシタンス値を有するように奇数個のＭＩＭキャパシタが作製されている、奇数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタを含むこの発明の一実施例では、印加電圧「Ｖ」での、並列結合されたＭＩＭキャパシタの総キャパシタンス値は、以下の式により求められる。
各ＭＩＭキャパシタが実質的に等しいキャパシタンス値を有するように奇数個のＭＩＭキャパシタが作製されている、奇数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタを含むこの発明の一実施例では、印加電圧「Ｖ」での、並列結合されたＭＩＭキャパシタの総キャパシタンス値は、以下の式により求められる。
式中、ｍは、並列結合されたＭＩＭキャパシタの個数を表わす奇数である。こうして、式（４）および式（５）によって示すように、本発明は、偶数個のＭＩＭキャパシタを並
列に結合することにより、または奇数個のＭＩＭキャパシタを並列に結合することにより、キャパシタンスの電圧依存性の著しい低減を達成する複合ＭＩＭキャパシタを達成する。しかしながら、電圧依存性の低減は、偶数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタを利用する実施例において、より大きい。
列に結合することにより、または奇数個のＭＩＭキャパシタを並列に結合することにより、キャパシタンスの電圧依存性の著しい低減を達成する複合ＭＩＭキャパシタを達成する。しかしながら、電圧依存性の低減は、偶数個の並列結合されたＭＩＭキャパシタを利用する実施例において、より大きい。
図３は、本発明の一実施例に従った、図１の構造１００における複合ＭＩＭキャパシタを作製するプロセスのステップを説明するフローチャート３００を示す。当業者には明らかな詳細および特徴のうち、フローチャート３００から省略されているものがある。たとえば、当該技術分野において公知であるように、ステップは１つ以上のサブステップから成っていてもよく、もしくは、特殊な装置または材料を伴ってもよい。フローチャート３００に示すステップ３０２〜３１８は、本発明の一実施例を説明するのに十分であり、この発明の他の実施例は、フローチャート３００に示すものとは異なるステップを利用してもよい。なお、フローチャート３００に示す処理ステップはウェハ上で行なわれ、それは、ステップ３０２の前に、第１の層間誘電体層、たとえば図１に示す層間誘電体１０８を含んでいる。
フローチャート３００のステップ３０２で、第１の相互接続金属層が、第１の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１０８の上に堆積される。第１の相互接続金属層、すなわち、たとえば相互接続金属層１０７は、半導体ダイの相互接続金属層２にあり得る。比較的High-kの誘電材料、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミニウムシリケートなどを含む下部ＭＩＭキャパシタ誘電体層が、第１の相互接続金属層の上に堆積される。ステップ３０４で、たとえば窒化チタンまたは窒化タンタルを含む下部ＭＩＭキャパシタ金属が、下部ＭＩＭキャパシタ誘電体層の上に堆積され、パターニングされて、下部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１２０を形成する。下部ＭＩＭキャパシタ誘電体層もパターニングされて、誘電体セグメント１３２を形成する。
ステップ３０６で、第１の相互接続金属層がパターニングされて、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４を形成する。ステップ３０８で、第２の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１０が、下部ＭＩＭキャパシタの上部および下部電極、すなわち金属板１２０および１２４それぞれの上に堆積される。第２の層間誘電体層は、多孔質シリカ、フッ化アモルファスカーボン、フッ素重合体、パリレン、ポリアリーレンエーテル、シルセスキオキサン、フッ化二酸化シリコン、ダイヤモンドライクカーボン、または他の適切なLow-k誘電材料を含み得る。また、これに代えて、層間誘電体１１０は、当該
技術分野において公知であるように、酸化シリコンを含み得る。ビア１１４が、第２の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１０に、下部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１２０の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１８が、第２の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１０に、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１４およびビア１１８は、標準的なビアエッチプロセスにより第２の層間誘電体層をエッチングすることによって形成されてもよく、たとえばタングステンまたは銅などの導電性材料で充填され得る。
技術分野において公知であるように、酸化シリコンを含み得る。ビア１１４が、第２の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１０に、下部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１２０の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１８が、第２の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１０に、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１４およびビア１１８は、標準的なビアエッチプロセスにより第２の層間誘電体層をエッチングすることによって形成されてもよく、たとえばタングステンまたは銅などの導電性材料で充填され得る。
ステップ３１０で、第２の相互接続金属層、すなわち相互接続金属層１１５が、第２の層間誘電体層の上に堆積され、上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層が、第２の相互接続金属層の上に堆積される。第２の相互接続金属層は、たとえばアルミニウムを含んでいてもよく、上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層は、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、ハフニウムアルミニウムシリケート、または他の比較的High-kの誘電材料を含み得る。第２の相互接続金属層は、たとえば、半導体ダイの
相互接続金属層３にあり得る。ステップ３１２で、たとえば窒化チタンまたは窒化タンタルを含む上部ＭＩＭキャパシタ金属層が、上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層の上に堆積され、パターニングされて、上部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０を形成する。上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層もパターニングされて、誘電体セグメント１３４を形成する。
相互接続金属層３にあり得る。ステップ３１２で、たとえば窒化チタンまたは窒化タンタルを含む上部ＭＩＭキャパシタ金属層が、上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層の上に堆積され、パターニングされて、上部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０を形成する。上部ＭＩＭキャパシタ誘電体層もパターニングされて、誘電体セグメント１３４を形成する。
ステップ３１４で、第２の相互接続金属層がパターニングされて、金属セグメント１２８と、上部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２２とを形成する。上部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２２は、下部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１２０に、ビア１１４によって電気的に接続される。金属セグメント１２８は、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４に、ビア１１８によって電気的に接続される。
ステップ３１６で、第３の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１２が、金属板１３０、金属板１２２、および金属セグメント１２８の上に堆積される。第３の層間誘電体層は、多孔質シリカ、フッ化アモルファスカーボン、フッ素重合体、パリレン、ポリアリーレンエーテル、シルセスキオキサン、フッ化二酸化シリコン、ダイヤモンドライクカーボン、または他のLow-k誘電材料を含み得る。次にビア１１６が第３の層間誘電体層に、上部
ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０の上に、かつそれと接触して形成され、ビア１１９が第３の層間誘電体層に、金属セグメント１２８の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１６およびビア１１９は、標準的なビアエッチプロセスにより第３の層間誘電体層をエッチングすることによって形成されてもよく、たとえばタングステンまたは銅などの導電性材料で充填され得る。
ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０の上に、かつそれと接触して形成され、ビア１１９が第３の層間誘電体層に、金属セグメント１２８の上に、かつそれと接触して形成される。ビア１１６およびビア１１９は、標準的なビアエッチプロセスにより第３の層間誘電体層をエッチングすることによって形成されてもよく、たとえばタングステンまたは銅などの導電性材料で充填され得る。
ステップ３１８で、第３の相互接続金属層、すなわち相互接続金属層１２１が、第３の層間誘電体層、すなわち層間誘電体１１２の上に堆積され、パターニングされて、金属セグメント１２６を形成する。第３の相互接続金属層は、たとえば、半導体ダイの相互接続金属層４にあり得る。金属セグメント１２６は、ビア１１６およびビア１１９の上に、かつそれらと接触して形成される。このため、金属セグメント１２６は、上部ＭＩＭキャパシタの上部電極、すなわち金属板１３０を、下部ＭＩＭキャパシタの下部電極、すなわち金属板１２４に、ビア１１６、ビア１１９、金属セグメント１２８、およびビア１１８を介して電気的に接続する。フローチャート３００で説明した例示的なプロセスの結果、下部ＭＩＭキャパシタが上部ＭＩＭキャパシタと並列結合されてダイの表面に垂直に位置することにより、複合ＭＩＭキャパシタが形成される。
こうして、上述のように、本発明は、ダイの横方向の空間のみを用いるＭＩＭキャパシタと比較して、密度が著しく向上した複合ＭＩＭキャパシタを有利に達成する。本発明はさらに、上述のように電圧依存性が低減したキャパシタンス値を有する複合ＭＩＭキャパシタを達成する。この発明の例示的な実施例の上述の説明より、本発明の概念をその範囲から逸脱することなく実現するためにさまざまな手法が使用可能であることは明らかである。たとえば、金属板１２０と金属板１３０とは同じ「底面積」または寸法を有していてもよく、それにより、金属板１２０および金属板１３０の双方を作製するのに共通のマスクが使用されるようになり、マスク作製コストが低減する。さらに、或る実施例を特に参照してこの発明を説明してきたが、当業者であれば、この発明の精神および範囲を逸脱することなく形式および詳細において変更が行なわれ得ることを認識するであろう。そのため、説明された実施例はすべての局面において限定的ではなく例示的であると考えられるべきである。また、この発明はここに説明された特定の実施例に限定されず、この発明の範囲から逸脱することなく、多くの再構成、変更、および代替が可能であることも理解されるべきである。
以上、半導体ダイにおける、電圧依存性が低減した高密度複合ＭＩＭキャパシタを説明した。
Claims (22)
- 半導体ダイにおける複合キャパシタであって、
下部キャパシタの下部電極を含み、前記下部キャパシタの前記下部電極は前記半導体ダイにおける下部相互接続金属層に位置しており、前記複合キャパシタはさらに、
前記下部キャパシタの上部電極を含み、前記上部電極は下部層間誘電体層内に位置しており、前記下部層間誘電体層は前記下部相互接続金属層を上部相互接続金属層から隔てており、前記複合キャパシタはさらに、
上部キャパシタの下部電極を含み、前記上部キャパシタの前記下部電極は前記半導体ダイにおける前記上部相互接続金属層に位置しており、前記複合キャパシタはさらに、
前記上部キャパシタの上部電極を含み、前記上部電極は上部層間誘電体層内に位置しており、前記上部層間誘電体層は前記上部相互接続金属層の上に位置しており、
前記下部キャパシタの前記上部電極は前記上部キャパシタの前記下部電極に接続され、
前記下部キャパシタの前記下部電極は前記上部キャパシタの前記上部電極に接続され、それにより、前記複合キャパシタは、前記下部キャパシタと前記上部キャパシタとの並列の組合せである、複合キャパシタ。 - 前記下部キャパシタの前記上部電極は、前記上部キャパシタの前記下部電極に、少なくとも１つのビアによって接続される、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 前記下部キャパシタの前記下部電極は、前記上部キャパシタの前記上部電極に、少なくとも１つのビアによって接続される、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 前記下部キャパシタの前記下部電極と前記上部電極との間に位置するHigh-k誘電体をさらに含む、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 前記High-k誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、およびハフニウムアルミニウムシリケートからなる群から選択される、請求項４に記載の複合キャパシタ。
- 前記上部キャパシタの前記下部電極と前記上部電極との間に位置するHigh-k誘電体をさらに含む、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 前記High-k誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、およびハフニウムアルミニウムシリケートからなる群から選択される、請求項６に記載の複合キャパシタ。
- 前記下部および上部層間誘電体層はLow-k誘電体を含む、請求項１に記載の複合キャパ
シタ。 - 前記Low-k誘電体は、多孔質シリカ、フッ化アモルファスカーボン、フッ素重合体、パ
リレン、ポリアリーレンエーテル、シルセスキオキサン、フッ化二酸化シリコン、およびダイヤモンドライクカーボンからなる群から選択される、請求項８に記載の複合キャパシタ。 - 前記上部相互接続金属層に位置する第１の金属セグメントをさらに含み、前記第１の金属セグメントは、前記下部キャパシタの前記下部電極に、および前記上部キャパシタの前記上部電極に接続される、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 前記第１の金属セグメントは、前記下部キャパシタの前記下部電極に、少なくとも１つのビアによって接続される、請求項１０に記載の複合キャパシタ。
- 前記第１の金属セグメントは、前記上部キャパシタの前記上部電極に、複数のビアと第２の金属セグメントとによって接続され、前記第２の金属セグメントは前記上部層間誘電体層の上に位置している、請求項１０に記載の複合キャパシタ。
- 前記下部キャパシタの前記上部電極と前記上部キャパシタの前記上部電極とは、窒化チタンおよび窒化タンタルからなる群から選択される金属を含む、請求項１に記載の複合キャパシタ。
- 半導体ダイに複合キャパシタを作製するための方法であって、
下部相互接続金属層を堆積させるステップと、
前記下部相互接続金属層の上に下部キャパシタの上部電極を形成するステップと、
前記下部相互接続金属層をパターニングして前記下部キャパシタの下部電極を形成するステップと、
上部相互接続金属層を堆積させるステップと、
前記上部相互接続金属層の上に上部キャパシタの上部電極を形成するステップと、
前記上部相互接続金属層をパターニングして前記上部キャパシタの下部電極を形成するステップとを含む、方法。 - 前記下部キャパシタの前記上部電極を、前記上部キャパシタの前記下部電極に、少なくとも１つのビアによって接続するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記下部キャパシタの前記下部電極を、前記上部キャパシタの前記上部電極に、少なくとも１つのビアによって接続するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記下部キャパシタの前記下部電極と前記上部電極との間にHigh-k誘電体を形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記High-k誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、およびハフニウムアルミニウムシリケートからなる群から選択される、請求項１７に記載の方法。
- 前記上部キャパシタの前記下部電極と前記上部電極との間にHigh-k誘電体を形成するステップをさらに含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記High-k誘電体は、酸化シリコン、窒化シリコン、五酸化タンタル、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、酸化ジルコニウム、ジルコニウムアルミニウムシリケート、ハフニウムシリケート、およびハフニウムアルミニウムシリケートからなる群から選択される、請求項１９に記載の方法。
- 前記下部キャパシタの前記上部電極と前記上部キャパシタの前記上部電極とは、窒化チタンおよび窒化タンタルからなる群から選択される金属を含む、請求項１４に記載の方法。
- 前記下部キャパシタの前記上部電極と前記上部キャパシタの前記上部電極とは、共通のマスクを利用して作製される、請求項１４に記載の方法。
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