JP2012509594A - 集積キャパシタのためのシールド - Google Patents

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Abstract

集積回路(「IC」)のキャパシタ(220)はコアキャパシタ部分(201)を含み、コアキャパシタ部分(201)は、キャパシタの第1のノードに電気的に接続され、かつ第1のノードの一部を形成し、第1の層(M3)に形成された第1の導電性要素(T1,T2,T3,T4)と、キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ第2のノードの一部を形成し、第1の層に形成された第2の導電性要素(B1,B2,B3)とを有する。第1のおよび第2の導電性要素は、第1の導電層において互い違いになっている。第1のノードに電気的に接続され、かつ第1のノードの一部を形成する第3の導電性要素(T)は、第1の層(M3)に隣接した第2の層(M2)に形成される。キャパシタは、少なくとも第1、第2、第3、および第4の層(M3,M2,M4,ポリ)に形成された第4の導電性要素(238,B,B′)を有するシールドキャパシタ部分(203)も含む。シールドキャパシタ部分は、キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ第2のノードの一部を形成し、第1のおよび第3の導電性要素を包囲する。

Description

発明の分野
本発明は、通常「集積キャパシタ」と称される、集積回路(「IC」)に形成されるキャパシタに関する。
背景
ICを製造する方法は、トランジスタなどのさまざまな電気デバイスが半導体基板に形成される処理のフロントエンドシーケンスと、処理のバックエンドシーケンスとを典型的に含み、バックエンドシーケンスは、誘電材料およびパターニングされた導電材料(典型的に金属)の互い違いの層を形成することを一般的に含み、導電性ビアまたは他の技術を用いて金属層を相互接続し、電気デバイスを他の電気デバイスに、かつICの端子に接続する三次元配線構造を形成する。
キャパシタは、さまざまな目的でICシステムにおいて使用される。多くの例では、ICチップにキャパシタを組込む(集積する)ことが望ましい。簡単なアプローチは、介在する誘電体を有する2枚の導電性プレートを形成することである。しかしこれは、得られるキャパシタンスのわりには比較的大面積を消費する。所与の領域のキャパシタンスを増大させるための1つの技術は複数の導電性プレートを使用することであり、各導電性プレートは、誘電体によって近接するプレートから分離されている。さらなる技術は、第1および第2のキャパシタ端子(ノード)に交互に接続される、導電性ライン、導電性フィンガーまたは導電性トレースとも称される導電性ストリップを使用する。導電性ストリップ間のサイドウォールカップリングがキャパシタンスをもたらす。オフセットされているにせよ、縦方向に一致して配置されているにせよ、導電性ストリップの層を追加して、集積キャパシタ構造のキャパシタンスをさらに増大させることができる。
1つのキャパシタは、第1のノードに接続された多数の導電性ストリップを連続した層に有し、それらの導電性ストリップは、集積キャパシタの第2のノードに接続された等しい数の導電性ストリップと互い違いになっている。導電性ストリップは、連続した層に対して半セル分オフセットされ、したがって第1のノードに接続された導電性ストリップは、その上および両側面上に、第2のノードに接続された導電性ストリップを有する。1つの層において等しい数の導電性ストリップを各ノードに設けることは、各ノードの基板へのカップリングを平衡させ、これはある用途では望ましいが、1つのノードにおけるカップリングが少ないことが望ましいスイッチング用途といった他の用途では望ましくない。基板へのカップリングを減少させるために、基板と導電性ストリップの第1の層との間で二酸化ケイ素の厚い層が使用される。これは、標準的なCMOS製造シーケンスで集積することは困難であり得、標準的なプロセスフローに追加的なステップを追加することを必要とする可能性がある。重なり合う平行な導電性ストリップは、追加的な表面積を消費するバスストリップを使用して、それらの端部において接続される。
集積キャパシタの提供への別のアプローチは、ある層の導電性ストリップをキャパシタの互い違いのノードに接続させることであり、重なり合う導電性ストリップは同じノードに接続される。これにより、キャパシタの第1のノードに接続された導電性ストリップおよび相互接続ビアのカーテンが本質的に形成され、隣接する導電性ストリップおよび相互接続ビアのカーテンは第2のノードに接続される。同じノードに接続された重なり合う導電性ストリップは、バスストリップに伴う損失表面積を回避する。しかし、上側のストリップは下側のストリップと同じノードに接続されるため、層間キャパシタンスが減少する。限界寸法が縮小すると、層間キャパシタンスよりもストリップ間キャパシタンスが優勢になるため、この作用はある程度予防される。換言すると、連続した金属層の間の誘電層の分離は、限界寸法が縮小するにつれて、導電性ストリップ間の誘電分離よりも一層増大する。
従来の集積キャパシタは電気的ノイズの影響を受けやすいことが多く、ICの性能に影響を及ぼし得る。キャパシタノードの一方(典型的に下部ノード)が接地または電源電圧に接続されるフィルタキャパシタ用途といったいくつかの用途では、ある程度のノイズは許容できることが多い。しかし、キャパシタが信号経路において(すなわちカップリングキャパシタまたはスイッチドキャパシタとして)使用される場合といった他の用途では、ノイズカップリングが回路の性能を深刻に低下させ得る。キャパシタに結合されたノイズは、特にチップ上のシステムにおいて、極めて低いアナログ電圧がキャパシタを介して結合される場合には、メモリチップといった他の種類のICよりも多くの電気的ノイズを生じさせることが多く、特に問題である。したがって、IC上で使用される低ノイズ用途には、より良好なノイズ耐性をもたらす集積キャパシタが望まれる。
概要
集積回路(「IC」)のキャパシタはコアキャパシタ部分を含み、コアキャパシタ部分は、キャパシタの第1のノードに電気的に接続され、かつ第1のノードの一部を形成し、ICの第1の導電層に形成された第1の複数の導電性要素と、キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ第2のノードの一部を形成し、第1の導電層に形成された第2の複数の導電性要素とを有する。第1の複数の導電性要素は、第1の導電層において第2の複数の導電性要素と互い違いになっている。第1のノードに電気的に接続され、かつ第1のノードの一部を形成する第3の複数の導電性要素は、第1の導電層に隣接した第2の導電層に形成され、第2の複数の導電性要素のいくつかのうちの少なくとも部分は、第3の複数の導電性要素のいくつかのうちの少なくとも部分の上にあり、当該部分に縦方向に結合する。キャパシタは、第4の複数の導電性要素を有するシールドキャパシタ部分も含み、第4の複数の導電性要素は、少なくともICの第1の導電層、ICの第2の導電層、ICの第3の導電層、およびICの第4の導電層に形成される。第1のおよび第2の導電層は、第3の導電層と第4の導電層との間にある。シールドキャパシタ部分は、キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ第2のノードの一部を形成し、第1のおよび第3の複数の導電性要素を包囲する。
図面の簡単な説明
添付の図面は、発明の1以上の局面にかかる例示的な実施の形態を示す。しかし、添付の図面は、示される実施の形態に発明を限定するものと解釈されるべきではなく、説明および理解だけのためのものである。
発明の実施の形態にかかるキャパシタを用いた回路の回路図である。 本発明の実施の形態での使用に好適なシールドされた集積キャパシタの一部分の等角図である。 図2Aにかかる集積キャパシタ220の側面図である。 一実施の形態にかかる接地シールドを有する、図2Aにかかる集積キャパシタの側面図である。 別の実施の形態にかかる代替的な接地シールドを有する、図2Aにかかる集積キャパシタの側面図である。 代替的な実施の形態にかかる下部ノードシールドを有する集積キャパシタの側面図である。 図3Aの接地プレートおよび下にある下部ノードシールドプレートの一部分を示す、M5層およびM4層の部分切取平面図である。 さらに別の代替的な実施の形態にかかる下部ノードシールドを有する集積キャパシタの側面図である。 別の実施の形態にかかるICのシールドされた集積薄膜誘電キャパシタの断面図である。 一実施の形態にかかる集積キャパシタを組込んだFPGAの平面図である。
詳細な説明
図1は、発明の実施の形態にかかるキャパシタ102,104を用いた回路100の回路図である。キャパシタ104の上部ノード108は、増幅器116の高インピーダンス入力114に接続されるか、または高インピーダンス入力114から切断されるように切替可能である。フィードバックキャパシタ102の上部ノード106も増幅器116の高インピーダンス入力114に接続されるが、下部ノード110は増幅器116の出力118に接続される。フィードバックキャパシタ102は、スイッチ119を閉じることによって切替可能に短絡される。カップリングキャパシタ104は、下部ノードシールド120によってシールドされた上部ノード108を有し、下部ノードシールド120は、導電性構造が下部ノードに電気的に接続された状態で上部ノード108を本質的に包囲し、かつ上部ノード108の、回路100の他のノードへの寄生容量カップリングを減少させる。上部ノード108への接続は、下部ノードシールド120の間隙を介してなされる。下部ノードシールドは連続しているものとして示されるが、いくつかの実施の形態では、下部ノードシールドは、金属フィラメント、金属ビア、およびポリシリコンもしくはシリサイドプレート、またはストリップといった、いくつかの導電性要素で構成されて上部ノードの周囲に導電性ケージを形成し、電気的ノイズとICの他のノードへのカップリングとから上部ノードをシールドする。いくつかの実施の形態では、下部ノードシールドは、上部ノードに結合することによって、集積キャパシタの全キャパシタンスに寄与する。なお、キャパシタは二端子デバイスと一般的に見なされ、本明細書に記載される「上部」および「下部」ノードは、キャパシタのこれら2つの端子におおむね対応する。したがって、以下に記載される構造は、一方もしくは他方のノードに(たとえば電気的に)接続している、またはノードの部分もしくは部位を形成していると見なされ得る。ノードは、それに接続された容量性構造から分離されておらず、それらの構造はノードの部分を形成し得る。
フィードバックキャパシタ102の上部ノード110は、下部ノードシールド122と、任意の基準シールド124とによってシールドされている。基準シールド124は、アナログ接地、デジタル接地、またはVDDといった、ICに存在する比較的安定した基準電圧に接続される。基準シールド124は、下部ノードシールド120を本質的に包囲し、2つ以上の電圧基準に実質的に結合することから下部ノードをシールドする(たとえば、下部ノードはVDDまたは接地に結合するが、両方には結合しない)。他の実施の形態では、基準シールドは下部ノードシールドを部分的に包囲する。上記のように、基準シールドは間隙を有し、下部ノードに対して電気的接触をなすことを可能とする。
「上部」ノードおよび「下部」ノードという用語は、ICまたは他の構造に対するノードの物理的な方向性とは必ずしも関係せず、便宜的な用語として使用される。いくつかの回路の用途では、キャパシタの上部ノードは、増幅器または他のデバイスの高インピーダンスもしくは高ゲインポートに接続されるノードを指す。システムオンチップ(「SoC」)では、アナログデジタル変換器(「ADC」)の精度は、上部ノードにおける寄生容量(Ctop)の、下部ノードを除くすべての他のノードに対する比率と、両方のノード間の有用な浮遊信号のキャパシタンスであるキャパシタンス(Csig)とに依存する。Ctopを低く維持するように、接地電流または電圧供給の変動から上部プレートをシールドすることが望ましい。下部ノードを用いて上部ノードを本質的に包囲することで、ファラデーシェルの一部分を上部ノードの周囲に本質的に形成することによって、またいくつかの実施の形態ではICの他の導電性要素から上部ノードを離間することによって、上部ノードを回路中の他のノードと連結しないように絶縁する。当業者によれば、上部ノードへの電気的接続は下部ノードシールドを介してなされ、したがって下部ノードシールドは上部ノードを完全には包囲しないことが理解される。
いくつかの実施の形態において、上部ノードのいくつかの側面はシールドされないままである。たとえば、他のノードから物理的に離れた上部ノードの端部はシールドされないままでもよい。他の実施の形態では、集積キャパシタは設計セルとして使用され、隣接する集積キャパシタが平行に接続され、より高い総キャパシタンスを得る。いくつかの実施の形態では、隣接する共通接続された集積キャパシタの下部ノードシールドの部分が省略され、より高い実装密度が可能となる。
プログラマブルロジックデバイスといった複雑なICは、配線接続および他の機能に使用される、半導体基板上に形成された誘電材料の層によって分離されるいくつかのパターニングされた金属層を有することが多い。発明のいくつかの実施の形態は、適切な金属層に所望のパターンを形成するマスクと、金属間誘電体(「IMD」)層または層間誘電体(「ILD」)を介するビアとを使用することによって、既存のCMOSプロセスシーケンスに適合可能である。ビアは、コンタクトプラグ、ダマシン法、またはデュアルダマシン法といった、いくつかの既知の技術のうちのいずれかを使用して形成される。同様に、導電性ストリップは、薄膜金属エッチング、薄膜金属リフトオフ、ダマシン法、またはデュアルダマシン法といった、いくつかの既知の技術のうちのいずれかを使用して形成される。いくつかの実施の形態では、導電層の1つはポリシリコンまたはシリサイド層である。さらなる実施の形態では、半導体基板の導電性ウェルがキャパシタプレートまたはシールドの一部分を形成する。
図2Aは、本発明の実施の形態での使用に好適なシールドされた集積キャパシタの一部分200の等角図である。下部プレート導電性マトリックス202は、第1の複数の導電性ストリップ204,206で構成された第1の下部プレート層Bと、通常「ポリ層」と呼ばれる層において1枚のポリシリコンまたはシリサイドで構成された第2の下部プレート層B′とを含み、すべて集積キャパシタの下部ノードに接続される。この実施の形態の下部ノードは、当該キャパシタが特別の回路用途において使用される場合、上部ノードほど電気的ノイズの影響を受けないキャパシタノードである。上部プレート導電性マトリックス212は、第1の下部プレート層Bによって被覆され、第2の下部プレート層B′がその下にあり、上部ノードの周囲に部分的なファラデーシールドを形成する。
第1の下部プレート層は、IC製造の分野の当業者によく知られている設計レイアウトルールゆえに、連続シートではなくストリップで構成される。一般に、各金属層は最小および最大金属線幅と最小分離とを有する。ポリシリコンおよびシリサイド層は、パターニングされた金属層とは異なる設計およびプロセスルールを典型的に有し、ポリ層が使用される場合、下部プレート層をポリの連続シートとして形成することを可能とする。同様に、半導体基板に大きな導電性領域(たとえばNウェルまたはPウェル)が形成され、連続した導電性シートを形成することができる。代替的な実施の形態では、第2の下部プレート層は、基板の導電性ウェルに形成される。導電性ウェルは、比較的薄い誘電層によってポリ層から分離され、Nウェルが金属層またはポリ層ほど全体的に導電性を有さなくても、良好な電気的性能をもたらす。シールドの一部を形成するのに導電性ウェルを用いることは、NウェルまたはPウェルが形成される基板の部分の周囲に囲みを形成することができることからさらに望ましく、NまたはPウェルを漂遊電流からさらに絶縁する。シールドにおける導電性ウェルの使用も、ウェルが金属によって相当に対称的な様式で包囲されることからも望ましく、シールドのウェル部分を通る対称的な電流の流れに繋がる。
上部プレート層Bの導電性ストリップ204,206は、ビア(図示せず、たとえばビア214参照)を介して下側層の横切る(すなわち全体的に直交する)導電性ストリップ(たとえばB4)に電気的に接続されるため、第1の下部プレート層Bの金属層の導電性ストリップ204,206間の相互接続が不要となる。代替的に、導電性交差部材(金属層のストリップ間の交差接続)が第1の下部プレート層に任意に含まれ、層の導電性ストリップを接続し、シールドを向上させる。
同様に、上部プレート層Tは、集積キャパシタの上部ノードに接続された複数の導電性ストリップ216,218で構成される。上部プレート層Tの導電性ストリップは、上部プレート層Tの上の導電性ストリップT1,T2,T3,T4,T5を横切り、上部プレート層の下の導電性ストリップT6,T7,T8,T9,T10を横切り、上部プレート層Tの導電性ストリップは、ビアを介して互いに電気的に接続され、上部プレート層Tの上および下の導電性ストリップを横切る。いくつかの実施の形態では、導電性ストリップ(たとえばT1,B1)は最小幅金属線からなり、通常「導電性フィラメント」または「金属フィラメント」と称され、高い配線密度および高い横方向キャパシタンスをもたらす。プレート層の導電性ストリップ間の横方向キャパシタンスは、集積キャパシタの比キャパシタンスに寄与しない。なぜなら、金属ストリップは同じノードに接続され、プレート層の導電性ストリップは最小金属線幅より広いことが多いためである。
プレート層B,T,B′は互い違いになった導電性ストリップを有しておらず、これらの層の導電性ストリップはすべて、集積キャパシタの上部ノードまたは下部ノードのいずれかに接続される。図2Aにかかるキャパシタの構成は、上部プレートの導電性要素をシールドする下部プレートB,B′をもたらす。なぜなら、それらはICスタックの第1のおよび第2の下部プレート層の間に埋め込まれているためである。上部プレート導電性マトリックスの右側および左側の導電性カーテン(図2B、符号236,238参照)は、第1の下部プレートBと第2の下部プレートB′との間のビアおよび金属層で形成され、第3の方向(たとえば図2Aに例証されるようにZ方向)に沿って延在し、導電性平面(Y軸およびZ軸によって規定される平面)を本質的に形成する。集積キャパシタの下部プレート導電性マトリックスは、集積キャパシタの上部プレート導電性マトリックスを緩く包囲し、したがって上部プレートは、上、下、右側、および左側において下部プレートと結合する。さらなる実施の形態では、X軸およびZ軸によって規定される平面において追加的な導電性カーテンが任意に追加され、これらの平面において上部ノード導電性要素の端部を被覆する(シールドする)。
図2Bは、図2Aにかかる集積キャパシタ220の側面図である。側面図は、図2Aの矢印Aの方向に沿って得られる。集積キャパシタは、コアキャパシタ部分201およびシールドキャパシタ部分203を有する。シールドキャパシタ部分203は基本的に下部ノードシールドであり、金属層M1,M2,M3,M4,M5と、誘電層を通って延在し金属層を接続するビア(たとえばビア226)を有する介在誘電層とを含むICのバックエンドスタック222の第5の金属層M5に形成された第1のシールド層Bを有する。IC処理の技術の当業者にはよく理解されるため、例証を明確にするために、誘電層はハッチングで示されない。
代替的な実施の形態にかかる集積キャパシタは、追加的な金属層を含む。集積キャパシタは任意の基準シールドを含み、この実施の形態では、VDDに接続された基準シールドである。基準シールドは、導電性ウェル(Nウェル)からなり、ICの半導体基板226に形成されたシールドプレート224と、M5金属層に形成された上部シールドプレート225と、導電性カーテン240,242とを含む。
シールドキャパシタ部分203は、コアキャパシタ部分201の周囲に導電性シースを形成し、コアキャパシタ部分201は、インタリーブされた(interleaved)上部および下部ノード導電性フィラメントを有し、上部および下部ノード導電性フィラメントは、M1およびM3金属層において高い比横方向キャパシタンス、ならびにM1およびM3の下部ノード要素とM2の上部ノード要素との間に縦方向キャパシタンスをもたらす。M2は、M1およびM3の両方に隣接する。シールドキャパシタ部分は、M1,M2およびM3の上部ノード導電性要素を結合することによって、追加的なキャパシタンスを追加する。典型的な実施の形態では、インタリーブされたフィラメントの各層は何百ものフィラメントを有することになり、フィラメント間の横方向カップリングは、集積キャパシタの総キャパシタンスの有意な部分である。
第2の下部プレート層B′は、ICのポリ層に形成される。代替的な実施の形態では、第2の下部プレート層は、追加的な金属層を有するバックエンドスタックの、M1またはM2といった金属層においてストリップとして形成される。第2の下部プレート層にポリ層を利用することで、シールドされた集積キャパシタ(任意のVDDシールドなし)を4金属層ICに形成することが可能となる。代替的な実施の形態では、半導体基板に形成された導電性ウェルが第2の下部プレート層として使用され、実施の形態をICの3金属層で製造することを可能とするか、または所与の領域のキャパシタの比キャパシタンスを増大させるための追加的な金属層を可能とする。基板およびポリ層(分離して示されない)の上の誘電層は、通常、層間誘電体(「ILD」)と称され、ポリ層を基板のN+導電性領域230に接続する導電性要素228は、ビアと対比させて、コンタクトと通常称される。ポリとNウェルとの間のゲート誘電層(分離して示されない)は、典型的にILD層よりもはるかに薄い。
図2Bは縮尺通りに描かれていない。一般に、IMDおよびILD層の厚さは、インタリーブされた層M3および層M1におけるインタリーブされた導電性ストリップ(たとえばT1およびB1)間の間隔よりも大きい。例示的な実施の形態では、ILD層は約300nm厚さの酸化シリコンであり、ポリ層とM1層との間の誘電層は約100nm厚さであり、より高い層は約250nmである。ある層の金属トレース間の最小分離は典型的にはるかに小さく、したがって、たとえばT1とB1との間のサイドウォールキャパシタンスは、T1とB1との間の縦方向キャパシタンスよりも大きい。同様に、上部プレート導電性マトリックスの端部(たとえばT1,T4,T5,T8およびTの両端部)と導電性カーテン236,238との間、ならびにエンドビア250,252とカーテンビア254,256(および他方側の対応するビア)との間のサイドウォールキャパシタンスは、M4,M2およびポリ層におけるインタリーブの不足を補う追加的なキャパシタンスをもたらす。ノード技術が小型化し、インタリーブされた層の導電性ストリップ間の最小寸法が減少するにつれて、インタリーブされた金属ストリップとビアとの間のサイドウォールキャパシタンスの、全キャパシタンスへの相対的な寄与度が上昇する。
任意の基準シールドは、第1のシールド層225と、Nウェルに形成されたシールドプレート224とを含み、これらは一連のビア、金属、ポリ、およびコンタクトを介して接続される。ビア、金属、ポリ、ならびにコンタクトは、基本的に基準シールドの右および左の縦方向部分である第1のシールドカーテンと第2のシールドカーテンとを形成する。さらなる実施の形態では、下部プレート導電性マトリックスの第3のおよび第4の導電性カーテンは、下部ノードシールドとコアキャパシタの見たとおりの表面および背面を取囲む。これらの構造は、側面図に例証された導電性カーテンおよびシールドカーテンに鑑みると当業者によって理解され得るため、例証を明確にする目的で図示されない。
基準シールドは、VDDまたは接地といった安定した電圧基準に接続され、2つ以上の電圧ノードへの下部ノードのカップリングを減少させる。たとえば、下部ノードマトリックスは、本質的に上部ノードおよびVDDにのみ結合する。ICの他のノードの、下部ノードへの無視できないカップリングが生じる。同様に、シールドがVDDの代わりに接地に接続されているならば、下部ノードは上部ノードおよび接地にのみ結合することになる。
下部ノードがVDDおよび接地に同時に結合することは、一般的に望ましくない。なぜなら、その場合下部ノードが接地とVDDとの間でブリッジとして作用し得、たとえば2つのノード間で望ましくないスイッチング電流を結合し得るからである。しかしいくつかの実施の形態では、特に、基準シールドへの下部ノードシールドのカップリングが基板の絶縁された部分に接続された導電性要素に限定されている場合、または接地ノードがデジタル接地ノードから適度に十分に絶縁されたアナログ接地ノードである場合は、VDDおよび接地の両方への限定されたカップリングは容認し得る。
間隙または同様の構造(図示せず、図1参照)がシールドに設けられ、下部ノード導電性マトリックスへの回路接続を可能とし、第2の間隙または同様の構造がシールドに設けられ、第3の間隙または同様の構造が下部プレート導電性マトリックスに設けられ、上部ノード導電性マトリックスへの接続を可能とする。前面および背面の導電性カーテンまたはシールドカーテンを省略する実施の形態では、導電性マトリックスへの電気的接続は、たとえば例証シートの平面に直交する方向に生じさせることができる。下部ノードシールドもまた、上部ノードをさらにシールドするために、たとえばスイッチへの上部ノード接続に沿って生じさせることができる。
図2Cは、一実施の形態にかかる接地シールド256(破線で表わす)を有する集積キャパシタ250の側面図である。集積キャパシタ250は、金属層(たとえばM1,M3)内に導電性要素(たとえばフィラメント)を含むコアキャパシタ部分252を含み、当該導電性要素は、キャパシタおよびシールドキャパシタ部分(下部ノードシールド)254の対向するノードに交互に接続される。たとえばT1,T2,T3およびT4は、M3においてB1,B2およびB3と互い違いになっており、T5,T6,T7およびT8は、M1においてB5,B6およびB7と互い違いになっている。コアキャパシタ部分252において互い違いになっている導電性要素は有意な横方向キャパシタンスをもたらし、製造寸法が縮小され、導電性要素が互いに近接するにつれて、この横方向キャパシタンスは向上する。同様の横方向キャパシタンスが、上部ノード要素T1,T4,T5,T8およびTの両端部と、基準シールドを形成する対応する下部ノード要素との間で得られる。シールドキャパシタ部分254はコアキャパシタ252を包囲し、ICの他のノードへの上部ノードのカップリングを減少させる導電性ケージを形成する。
集積キャパシタ250は、本質的にシリコンの単位面積当たりCSIGである良好な比キャパシタンスを、コアキャパシタ部分252と、コアキャパシタ部分252およびシールドキャパシタ部分254における上部ノード要素間のカップリングとの両方から生成する。
集積キャパシタは、下部ノードシールド254を部分的に包囲する任意の接地シールド256を含み、基本的にファラデーカップを形成する。接地シールドはICで生じる電気的ノイズを減少させ、電気的ノイズは、さもなければ集積キャパシタ250の下部ノードまたは上部ノードに結合し得る。特定の実施の形態では、基準シールドプレート257がM5層に形成され、接地シールド256をICの1以上の接地端子に接続するための低抵抗接地経路をもたらす。特定の実施の形態において、接地シールド256は、デジタル接地ではなくICのアナログ接地に接続され、デジタル接地上に存在し得る高スイッチング電流および電気的ノイズを回避する。ICのデジタル接地ノード上の高スイッチング電流は、回路のブロック全体がオンおよびオフに切替られることが多いFPGAについては特に問題である。
DDシールドカップ258(破線で表わす)は、半導体基板226のNウェルに形成されたシールドプレート260を含む。VDDバイアスは、導電性カーテン262,264を介して、または代替的に導電性ピラーを通って、NウェルVDDシールドに至らされる。VDDシールドカップ258を設けることで、集積キャパシタの上部ノードおよび下部ノードを電気的ノイズからさらにシールドする。いくつかのICでは、M5層は単に、VDDインターコネクトがM5において許容されない接地シールドであり得る。
図2Dは、別の実施の形態にかかる接地シールドを有する集積キャパシタ270の図である。キャパシタ270は、図2Aから図2Cを参照して上記したように、コアキャパシタ部分252と、シールドキャパシタ部分254を形成する下部ノードシールドとを含む。シールドキャパシタ部分254はコアキャパシタ部分252を包囲し、ケーブルの外側導電性シースが内部配線を電気的ノイズから絶縁するのと同様に、コアキャパシタ部分を電気的ノイズから絶縁する。さらなる実施の形態では、下部ノードシールドは、この図には示されないキャパシタコアの端部(すなわち図面の平面内にある端部)の上を延在する。特定の実施の形態では、接地シールドは、デジタル接地ではなくアナログ接地に接続される。特定の実施の形態では、Nウェル282が形成されており、かつ接地シールドの導電性カーテン274,276がP+領域278,280によって接続される基板226の部分が、任意に囲み(図示せず)に形成され、その囲みは、基板のシールドで囲まれた部分を、基板の他の部分の漂遊電流から絶縁する。接地シールドおよびVDDシールドは、二重ガードリングシールドと同様のシールド構造を形成し、電気的にノイズの多い環境において集積キャパシタの上部ノードをシールドするのに特に望ましい。代替的な実施の形態では、VDDシールドは省略される。
図3Aは、代替的な実施の形態にかかる集積キャパシタ300の側面図である。コアキャパシタ部分304は、キャパシタの対向するノードに交互に接続された導電性要素(たとえばフィラメント)を金属層(たとえばM1,M2,M3)内に含む。たとえばT1,T2,T3およびT4は、M3においてB1,B2およびB3と互い違いになっており、T5,T6およびT7は、M2においてB4,B5,B6およびB7と互い違いになっており、T8,T9,T10,T11は、M1においてB8,B9およびB10と互い違いになっている。上部ノード要素T1,T4,T8およびT11は、下部ノードシールド要素とも横方向に結合する。同様に、B4はT1およびT8と縦方向に結合し、比キャパシタンスを増大させる縦方向キャパシタンスをもたらす。
コアキャパシタ部分304において互い違いになっている導電性要素は横方向キャパシタンスをもたらし、製造寸法が縮小され、導電性要素が互いに近接するにつれて、この横方向キャパシタンスは向上する。金属層の各端部要素が、集積キャパシタの対向するノードに電気的に接続された導電性フィラメントと横方向に結合することが一般的に望ましいであろうが、実際のデバイスでは、各金属層には何百もの平行な導電性フィラメントがあり得、極性が反対ではないわずかな行の端部は、比較的わずかしか有害な作用を有し得ない。
接地シールド306は接地シールド導電性カーテン308,310を含み、その接地シールド導電性カーテンは、集積キャパシタのコアキャパシタ部分304とシールドキャパシタ部分302とを本質的に包囲する。接地シールド導電性カーテン308,310は、ポリ要素312,314と、基板226のP+領域320,322へのコンタクト316,318とを含む。例示的な用途では、M5層の接地プレート256は、ICのアナログ接地端子に接続される。基板は比較的高抵抗である。しかし、下部ノードプレートB′は、他のノードへのカップリングから依然としてよくシールドされる。なぜなら、特に基板の当該部分が囲みに形成され、かつ接地シールドが接地シールドの外周の周囲で基板と典型的に接触する場合、B′下のシリコンは比較的電気的に静かであるからである。
接地ノードプレート256は、金属層であることから、接地に対して比較的低抵抗を有する。特別のIC用途では、M5層は、ICのアナログ部分に接地シールド層として使用され、他の金属層のようにところどころ薄いトレースではなく、多くの接地接続点を有する広い接地ストリップ(図3B参照)で構成される。いくつかのIC用途では、アナログ接地シールド層の完全性を維持することが特に望ましい。しかしアナログ接地シールド層においてVDDシールドプレートを含む実施の形態は、クリーンな(すなわち、比較的電気的に静かな)電源にVDDシールドが接続されることから、多くのICにおいて有用であり、VDDシールドは、接地平面の効果と同様に、下のアナログ回路からの電気的ノイズがICの残りの部分に影響を及ぼすことを阻止する。かかる実施の形態のVDDシールドプレートと接地平面との間の小さいマージンは、望ましくない電気的ノイズ放出が生じるための比較的わずかな領域しかもたらさない。
図3Bは、図3Aの接地プレート256および下にある下部ノードシールドプレートBの一部分を示す、M5層およびM4層の部分切取平面図である。接地プレート256は、上側下部ノードシールドプレートBの導電性フィラメント356,358,360,366の上にある広いストリップ350,352,354からなる。接地プレートストリップ350,352,354の間の間隙362,364は、導体が間隙の下となるように導電性フィラメント360,366の上に規定され、集積キャパシタの上部ノードのシールドを向上させる。しかしこの詳細は、すべての実施の形態において必須ではない。
図4Aは、さらに別の代替的な実施の形態にかかる下部ノードシールドキャパシタ部分402を有する集積キャパシタ400の側面図である。下部ノードシールドキャパシタ部分402は、集積キャパシタ400の上部ノードに電気的に接続された一連の導電性カーテンTC1,TC2,TC3,TC4を有するコアキャパシタ部分404を覆い、その導電性カーテンTC1,TC2,TC3,TC4は、集積キャパシタの下部ノードに電気的に接続された一連の導電性カーテンBC1,BC2,BC3,BC4,BC5とインタリーブされる。導電性カーテンは基本的に、導電性ビアによって接続され、例証の平面へおよび例証の平面から垂直に延在する導電性シートを本質的に形成する連続した金属層に形成された導電性フィラメントである。電気接続上部ノード導電性マトリックスは、下部ノードシールドの間隙を介して、または金属層のうちの1つの端部からタップ(導電性トレース)を引出すことによって作製される。下部ノード導電性カーテンBC1,BC2,BC3,BC4,BC5は、上側下部ノードプレートBおよび下側下部ノードプレートB′を介して電気的に接続されるが、代替的に、一方または他方を介して接続され得る。導電性カーテンBC1およびBC5は、上側下部ノードプレートBを、ICのポリ層に形成された下側下部ノードプレートB′と接続し、集積キャパシタのシールドキャパシタ部分404の一部を形成し、かつコアキャパシタ部分402の隣接する上部ノード導電性カーテンTC1,TC4に横方向キャパシタンスをもたらす。接地シールドカップ406は、M5層に形成された接地シールドプレート256で形成され、接地シールドプレート256から基板226に延在する導電性カーテンG,Gを有する。さらなる実施の形態では、導電性カーテンは、ポリ層を通って基板406に延在する(たとえば図3A参照)。
図4Bは、別の実施の形態にかかるICのシールドされた集積薄膜誘電キャパシタ420の断面図である。薄膜誘電キャパシタは、基板424の導電性ウェル422をキャパシタの第1のプレート425(「基板プレート」)として使用する。薄膜誘電キャパシタの第2のプレート(「ゲート層プレート」)426は、通常、ICのゲート層であるポリシリコン、シリサイドまたは金属層に形成される。ゲート層プレート426は、通常ICのゲート酸化物層またはゲート誘電層を形成する薄膜誘電層428によって基板プレート425から分離される。特定のFPGAといったいくつかのICは、通常、薄膜酸化物、中間厚み酸化物、または厚膜酸化物と称される2つ以上の許容できるゲート誘電層厚さを有する。最も薄いゲート誘電層は最も高い比キャパシタンスをもたらすが、中間厚み酸化物または厚膜酸化物といったより厚いゲート誘電体は、所与の動作電圧において優れた信頼性および歩留まりをもたらす。薄膜誘電キャパシタの最大動作電圧は典型的に、同じ誘電ゲート層を有するFETの最大ゲート電圧未満である。低誘電材料が一般的に望ましいILD層およびIMD層(例証を明確にするため図示せず)とは異なり、ゲート誘電材料は、好ましくは比較的高い誘電定数を有してICのMOSFETのゲートとチャネルとの間に良好なカップリングをもたらし、薄膜誘電キャパシタ420の比キャパシタンスを高める。
キャパシタシールド部分は、特定の用途では集積キャパシタ420の上部ノードであるゲート層プレート426の周囲に形成される。したがってそのシールドは、下部ノードシールドキャパシタ部分である。シールドは、基板プレート425、コンタクト432,434、およびICの金属層または第2のポリ層に形成された上側下部ノードシールドプレート436を含む。コンタクトは、上部プレート436の外周の周囲で全体的に離間され、ゲート層プレート426の周囲にファラデーケージを本質的に形成する。代替的な実施の形態では、上側プレートは、コンタクトを用いることなく、直接基板の上に重ねられた第2のポリ層に形成される。
基板プレート425は、コアキャパシタ部分(すなわち基板プレート、ゲート誘電層およびゲート層プレートによって形成されたコアキャパシタ)およびシールドキャパシタ部分の両方の要素である。基板プレートは代替的に、Pウェルに、またはウェルのない純粋な基板に形成される。上側下部ノードシールドプレート436は間隙438を含み、その間隙438を介して上部ノード(ゲート層プレート426)への電気的接触がなされ、基板への電気的接触は、上側下部ノードシールドプレート436およびコンタクト432,434を介してなすことができる。したがって、集積キャパシタ420の上部ノードが電気的ノイズからシールドされる。
ゲート層プレートはポリ層に形成されることから、導体の連続シートであり得、上位の金属層でのように、ストライプまたはフィラメントで形成される必要はない。同様に、基板プレートは連続シートであり得る。上側下部ノードシールドプレートは、層内で相互接続された一連の最大幅金属線で典型的に形成され、連続シートとほぼ同じである。上側下部ノードシールドプレートは、集積キャパシタの比キャパシタンスに実質的に寄与する一方で、電気的ノイズから上部ノードをシールドする。約250nm厚さの厚膜酸化物を用いてICに製造された実施の形態にかかる薄膜誘電キャパシタについて推定される比キャパシタンスは、約7fF/μmである。
なお、記載された層の種類および数は例にすぎず、いくつかの実施の形態では他の好適な層を使用してもよく、いずれかの数の層を使用してもよい。たとえば、使用される層は、製造プロセスにおいて利用可能な層の種類および数に依存してもよく、当業者には他の配置が明らかであろう。一般に、いずれかの好適な層および任意の数の層を本発明の実施の形態にしたがって使用してもよい。
図5は、一実施の形態にかかる集積キャパシタを組込んだFPGA500半導体装置の平面図である。FPGA500は、RAMおよびロジックなどにおける機能ブロックのいくつかにCMOS部分を含み、CMOS製造プロセスを用いて製造される。発明の1以上の実施の形態にかかる1以上の集積キャパシタ555は、多くの機能ブロック内、またはFPGA500の物理的なセクションもしくはセグメント内において、クロック回路505、マルチギガビットトランシーバ501、または他の機能ブロックといったFPGAのいくつかの機能ブロックのいずれかに組込まれる。集積キャパシタ555は、キャパシタの一方または両方の端子がスイッチングされる用途において特に望ましく、上部プレートシールドを含む実施の形態は、上部プレートがFPGA500中の回路の高インピーダンスまたは高ゲインノードに接続されるかまたはスイッチングされる用途においてさらに望ましい。キャパシタは一般的に、多様な集積回路および多様な用途に有用である。たとえば、1以上のキャパシタは、アナログデジタル変換器において、または(たとえばMGTにおける)ACシグナリングのためのデカップリングもしくはフィルタリングキャパシタなどとして、スイッチドキャパシタネットワークに有用であり得る。一般に、本明細書に記載されるキャパシタ構造は、キャパシタンスを必要とするいずれかの用途に有用であり得る。
FPGAアーキテクチャは、マルチギガビットトランシーバ(MGT501)と、コンフィギュラブルロジックブロック(CLB502)と、ランダムアクセスメモリブロック(BRAM503)と、入力/出力ブロック(IOB504)と、コンフィギュレーションおよびクロックロジック(コンフィギュレーション/クロック505)と、デジタル信号処理ブロック(DSP506)と、特殊入力/出力ブロック(I/O507)(たとえばコンフィギュレーションポートおよびクロックポート)と、デジタルクロックマネージャ、アナログデジタル変換器、システム監視ロジックなどといった、その他のプログラマブルロジック508とを含む、多数の異なるプログラマブルタイルを含む。いくつかのFPGAはまた、専用のプロセッサブロック(PROC510)を含む。
いくつかのFPGAにおいて、各プログラマブルタイルは、プログラマブルインターコネクト要素(INT511)を含み、そのプログラマブルインターコネクト要素は、各隣り合うタイル中の対応するインターコネクト要素への、およびそのインターコネクト要素からの標準化された接続を有する。したがって、集められたプログラマブルインターコネクト要素は、図示されたFPGAに対するプログラマブルインターコネクト構造を実現する。プログラマブルインターコネクト要素(INT511)はまた、図5の上部に含まれる例によって示されるように、同じタイル内のプログラマブルロジック要素への、およびそのプログラマブルロジック要素からの接続を含む。
たとえば、CLB502は、単一のプログラマブルインターコネクト要素(INT511)を加えたユーザロジックを実現するためにプログラムされることが可能なコンフィギュラブルロジック要素(CLE512)を含みうる。BRAM503は、1以上のプログラマブルインターコネクト要素に加えてBRAMロジック要素(BRL513)を含みうる。典型的には、タイルに含まれるインターコネクト要素の数はタイルの高さに依存する。図示された実施の形態においては、BRAMタイルは4つのCLBと同じ高さを有するが、他の数(たとえば5)もまた使用することができる。DSPタイル506は、適切な数のプログラマブルインターコネクト要素に加えてDSPロジック要素(DSPL514)を含むことができる。IOB504はたとえば、プログラマブルインターコネクト要素(INT511)の1つのインスタンスに加えて入力/出力ロジック要素(IOL515)の2つのインスタンスを含むことができる。当業者にとっては明らかであるように、たとえばI/Oロジック要素515に接続される実際のI/Oパッドはさまざまな例示されたロジックブロック上に積層された金属を用いて製造され、典型的に、入力/出力ロジック要素515の領域に限定されない。図示された実施の形態において、ダイの中心近くのコラムナ(Columnar)領域(図5に網掛けで示す)は、コンフィギュレーション、クロックおよび他の制御ロジックのために用いられる。
図5に例証されたアーキテクチャを利用するいくつかのFPGAは、FPGAの大部分を構築する規則的なコラムナ構造を分断させる追加的なロジックブロックを含む。追加的なロジックブロックは、プログラマブルブロックおよび/または専用ロジックであり得る。たとえば、図5に示されたプロセッサブロックPROC510は、CLBおよびBRAMの複数の列に及ぶ。
なお、図5は、単に例示的なFPGAアーキテクチャを示すことを意図している。1列中のロジックブロックの数、列の相対的な幅、列の数および順序、列に含まれるロジックブロックの種類、ロジックブロックの相対的なサイズ、図5の上部に含まれる相互接続/ロジック構成は、純粋に例示的なものである。たとえば、実際のFPGAにおいては、ユーザロジックの効率的な実現を容易にするために、CLBが現れるところではどこでも、2以上の隣り合うCLBの列が典型的に含まれる。
上記は本発明の1以上の局面にかかる例示的な実施の形態について記載しているが、本発明の1以上の局面にかかる他のおよびさらなる実施の形態が、添付の請求項によって決定されるその範囲およびその等価物から逸脱することなく考案され得る。ステップを列挙する請求項は、当該ステップのいずれの順序も暗示しない。商標はそれぞれの所有者の所有権である。

Claims (15)

  1. 集積回路(「IC」)のキャパシタであって、
    コアキャパシタ部分を備え、前記コアキャパシタ部分は、前記キャパシタの第1のノードに電気的に接続され、かつ前記第1のノードの第1の部分を形成し、前記ICの第1の導電層に形成された第1の複数の導電性要素と、前記キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ前記第2のノードの第1の部分を形成し、前記第1の導電層に形成された第2の複数の導電性要素とを有し、前記第1の複数の導電性要素は、前記第1の導電層において前記第2の複数の導電性要素と互い違いになっており、前記コアキャパシタ部分はさらに、前記第1のノードに電気的に接続され、かつ前記第1のノードの第2の部分を形成し、前記第1の導電層に隣接した第2の導電層に形成された第3の複数の導電性要素を有し、前記第2の複数の導電性要素のいくつかのうちの少なくとも部分は、前記第3の複数の導電性要素のいくつかのうちの少なくとも部分の上にあり、当該部分に縦方向に結合し、さらに、
    第4の複数の導電性要素を有するシールドキャパシタ部分を備え、前記第4の複数の導電性要素は、少なくとも前記ICの前記第1の導電層、前記ICの前記第2の導電層、前記ICの第3の導電層、および前記ICの第4の導電層に形成され、前記第1の導電層および前記第2の導電層は各々、前記第3の導電層と前記第4の導電層との間にあり、前記シールドキャパシタ部分は、前記キャパシタの第2のノードに電気的に接続され、かつ前記第2のノードの第2の部分を形成し、前記第1の複数の導電性要素と前記第3の複数の導電性要素とを包囲する、キャパシタ。
  2. 前記第3の導電層は前記ICの金属層であり、前記第4の導電層は前記ICのポリ層であり、前記シールドキャパシタ部分は、前記金属層において複数の金属ストライプで形成された第1のノードシールドプレートと、前記ポリ層に形成された第2のノードシールドプレートとを含む、請求項1に記載のキャパシタ。
  3. 前記シールドキャパシタ部分は、前記第3の導電層に形成された第1のノードシールドプレートと、前記第4の導電層に形成された第2のノードシールドプレートとを含み、前記第1のノードシールドプレートから前記第2のノードシールドプレートに延在する第1の導電性カーテンと、前記第1のノードシールドプレートから前記第2のノードシールドプレートに延在する第2の導電性カーテンとをさらに備える、請求項1に記載のキャパシタ。
  4. 前記ICの基準ノードに電気的に接続された基準シールドをさらに備え、前記シールドキャパシタ部分は、前記基準シールドと前記コアキャパシタ部分との間に配置される、請求項1から3のうちいずれか1項に記載のキャパシタ。
  5. 前記基準シールドは、前記ICの基板の基板部分と、前記基板部分から延在する第1の導電性カーテンと、前記基板部分から延在する第2の導電性カーテンとを含む、請求項4に記載のキャパシタ。
  6. 前記基板部分は、前記ICの前記基板のNウェルを含む、請求項5に記載のキャパシタ。
  7. 前記ICの金属層において前記第1の導電性カーテンから前記第2の導電性カーテンに延在する基準シールドプレートをさらに備える、請求項5または6に記載のキャパシタ。
  8. 前記第1の複数の導電性要素は、第1の方向に沿って延在する第1の複数の導電性ストリップを含み、前記第2の複数の導電性要素は、前記第1の方向に沿って延在する第2の複数の導電性ストリップを含み、前記第3の複数の導電性要素は、前記第1の方向に直交する第2の方向に沿って延在する第3の複数の導電性ストリップを含む、請求項1から7のうちいずれか1項に記載のキャパシタ。
  9. 前記第1の複数の導電性ストリップは、前記第2の複数の導電性ストリップと互い違いになっており、前記第3の複数の導電性ストリップは前記第2の導電層において互いに隣接し、前記第1の導電層の前記第1の複数の導電性ストリップのうち第1の導電性ストリップを、前記第2の導電層の前記第3の複数の導電性ストリップのうち第2の導電性ストリップに電気的に接続するための第1のビアをさらに備える、請求項8に記載のキャパシタ。
  10. 前記シールドキャパシタ部分は、前記第3の導電層に形成された第1のノードシールドプレートを含み、前記第1のノードシールドプレートは、前記第2の方向に沿って延在する第4の複数の導電性ストリップを含み、前記第4の複数の導電性ストリップは、前記第3の導電層において互いに隣接し、前記第1の導電層の前記第2の複数の導電性ストリップのうち第3の導電性ストリップを、前記第3の導電層の前記第4の複数の導電性ストリップのうち第4の導電性ストリップに電気的に接続する第2のビアをさらに備える、請求項8または9に記載のキャパシタ。
  11. 前記第3の複数の導電性ストリップのうち第5の導電性ストリップを、前記第1の複数の導電性ストリップのうち第6の導電性ストリップに電気的に接続する第3のビアをさらに備える、請求項8から10のうちいずれか1項に記載のキャパシタ、
  12. 前記ICの第5の導電層に形成された第5の複数の導電性要素をさらに備え、前記第5の複数の導電性要素は、前記第4の導電層と前記第2の導電層との間に配置され、前記第1のノードに電気的に接続され、かつ前記第1のノードの第3の部分を形成し、前記第4の複数の導電性要素は、前記第1の方向に沿って延在し、さらに、
    前記第2のノードに電気的に接続され、かつ前記第2のノードの第3の部分を形成し、前記第5の導電層に形成された第6の複数の導電性要素を備え、前記第6の複数の導電性要素は、前記第1の方向に沿って延在し、前記第5の導電層の前記第5の複数の導電性要素と互い違いになっている、請求項1から11のうちいずれか1項に記載のキャパシタ。
  13. 前記第5の複数の導電性要素は第5の複数の導電性ストリップを含み、前記第6の複数の導電性要素は第6の複数の導電性ストリップを含み、前記第3の複数の導電性ストリップのうち第7の導電性ストリップを、前記第5の複数の導電性ストリップのうち第8の導電性ストリップに電気的に接続する第4のビアをさらに備える、請求項12に記載のキャパシタ。
  14. 前記シールドキャパシタ部分は、前記第4の導電層に形成された第2のノードシールドプレートを含み、前記第2のノードシールドを、前記第6の複数の導電性ストリップのうち第9の導電性ストリップに電気的に接続する第5のビアをさらに備える、請求項12または13に記載のキャパシタ。
  15. 前記第1の複数の導電性要素は、第1の方向に沿って延在する第1の複数の導電性ストリップを含み、前記第2の複数の導電性要素は、前記第1の方向に沿って延在する第2の複数の導電性ストリップを含み、前記第3の複数の導電性要素は、前記第1の方向に沿って延在する第3の複数の導電性ストリップを含む、請求項1から7のうちいずれか1項に記載のキャパシタ。
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