JP4382876B2 - 集積回路用コンデンサ構造およびその製造方法 - Google Patents
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Description
発明の技術分野
本発明は、集積回路用コンデンサ構造およびその製造方法に関し、特に高電圧で高周波で低リークの適用に適したコンデンサに関する。
発明の背景技術
従来、集積回路用コンデンサ用コンデンサ構造は、平板コンデンサ構造または溝型コンデンサ構造のいずれかからなる。平板コンデンサは、一般に上電極部および下部電極のパターンに形成された第１および第２の導電材よりなる層の間に、薄い誘電体よりなる層が介装されてできている。その構造は、その下側に設けられた絶縁層により基板から分離されている。例えば厚いフィールド酸化層の上面上にコンデンサ構造が形成されていることによって、コンデンサ構造は基板から分離されている。下部電極は一般にポリシリコン等の導電材の層でできている。その導電層はゲート電極やトランジスタのエミッタ構造等の集積回路の他の構成要素を形成している。その上に、第２（上部）電極が第２の導電層、通常別のポリシリコン層によって形成されている。コンデンサの誘電体は一般に薄い二酸化シリコンまたは窒化シリコンの層でできている。最近では、酸化タンタルや強誘電性誘電体を含む他の誘電体材料がコンデンサの誘電体として使用されてきている。しかしながら、強誘電性誘電体を用いる場合には、強誘電性誘電体と電極材料とが反応するのを防ぐために、通常特殊な電極材料とバリア層を必要とする。
溝型コンデンサは、一般に基板に形成された溝領域内に導電層と誘電体層が例えば同心的に配置された垂直な電極を形成していることによって構成される。溝型コンデンサ構造の別の提案が、Ellulらによる米国特許第5,275,974号に説明されており、それは溝領域内に導電性材料および誘電体材料よりなる近似した形状の層を堆積させ、それから化学的機械的な研磨により平坦化して各電極に面同士が接触するようにした方法である。
単位領域当たりのキャパシタンスを増大させるために、種々の他の提案が公知であり、そのような提案として例えば、Koyhamaに付与された米国特許第5,142,639号に開示されたＤＲＡＭ用の金属−絶縁体−金属よりなる積層コンデンサがある。Hoshibaに付与された米国特許第5,189,594号は、平行に連結された複数の小容量コンデンサを形成するくし形電極を有するコンデンサについて説明している。金属−絶縁体−金属の多層コンデンサの例は、Katsumataによる日本国特許出願第6210467号およびSuzukiによる日本国特許出願第59055049号に開示されている。
しかしながら、平板コンデンサまたは溝型コンデンサの何れにおいても、単位領域あたりのキャパシタンスを決定する主要なファクターはコンデンサの誘電体の厚さである。単位領域あたりのキャパシタンスを増大させるため、すなわち高密度集積回路に対して要求されるように占有面積のより小さなコンデンサを形成するためには、誘電体の厚さを薄くする必要がある。しかし、誘電体の厚さが薄くなるほど破壊電圧が低くなるという欠点がある。３．３Ｖおよび５Ｖ駆動の集積回路で使用される、誘電体の厚さが薄い一般的な公知のコンデンサ構造は、例えば〜１６Ｖの破壊電圧を有している。より高電圧、例えば一般に幾つかの遠隔通信への適用に対して使用される１２Ｖの電圧で集積回路を駆動するに際には、破壊電圧が１６Ｖでも十分でない。
しかし、後者の高電圧用途に対して、高キャパシタンスで、かつより高い破壊電圧（〜１００Ｖ）を有する狭小デバイスを得るためには、異なるコンデンサ構造が必要となる。さらに、進歩したバイポーラＣＭＯＳ集積回路の適用、例えば遠隔通信用途に対しては、GHzレンジの高周波に対する応答性もまた重要な問題である。
発明の開示
本発明は、上述した問題を低減または回避し、さらに高電圧、高周波数および低リークコンデンサに好適な特定の用途を有する集積回路用コンデンサ構造を提供することを目的とする。
従って、本発明の一つによれば、複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路に好適なコンデンサ構造が提供され、そのコンデンサ構造は、複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路に好適なコンデンサ構造であり、そのコンデンサ構造は、アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、その上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、を具備し、各電極は、ある境界を有する主要部分と囲繞部分とからなり、その境界は少なくともその主要部分の一端をなし、また前記囲繞部分は上記の少なくとも一端に沿って主要部分から離間されているものである。ここに、「境界」という用語は、主要部分と該主要部分の外界との境界、すなわち、該主要部の周縁を意味する。
従って、コンデンサ電極は、集積回路の相互接続金属化配線を形成する導電層の一部によって形成される。コンデンサの誘電体は、一般に相互接続金属化層を分離する層間絶縁体によって形成される。コンデンサの各電極は、通常の板状をした主要部分と、例えばコンデンサ板の主要部分を形成する導電層と同一の導電層の一部によって形成されてなる、主要部分から離間されたリング状をなす囲繞部分とを含んでいる。主要部分を囲むリングは、主要部分から離れているか、または主要分の境界の一部に沿って主要部分に接触している。その囲繞部分は、絶縁層の平坦化処理中に、コンデンサ電極の主要部分の縁近傍でコンデンサの誘電体の厚さが最小限度に薄くなることを実現するために機能している。例えば、誘電体が薄くなるのは、層間絶縁層を平坦化するためのエッチバックを行う前にスピンオンガラスを用いる時に起こり得る。コンデンサの誘電体が縁で薄くなることを避けることは、破壊電圧、並びにリーク、絶縁破壊、ＴＤＤＢおよびキャパシタンスの変化を含む他の電気的な特性を制御するのに役立つ。この構造は、周知のＣＭＯＳ、バイポーラおよびＢｉＣＭＯＳプロセス技術を用いて容易に製造され得る。
集積回路が多層配線を有する場合、複数の電極を備えた積層コンデンサ構造が提供され得る。必要に応じて、下側にある導電層、例えばゲートポリシリコン層が多層の積層体の下端の電極となる場合には、より多くのレベルの相互接続金属化層のうちの２つがその積層体の他の電極を構成する。相互接続配線は、積層コンデンサ構造の交互の電極の間に、例えばその積層体における交互の電極の平行接続を構成する経路によって形成される。
例えば、周りにリングを有するコンデンサ電極は、通常の積層された平坦な矩形状の電極をなす形状に形成され、その電極と電極の主要部分との重なり部分の面積によりキャパシタンスが決まる。それゆえ、その構造のキャパシタンスは、積層構造における一対の反対の極性をなす電極間に生じるキャパシタンスの合計となる。
都合よく、隣り合う２つの平板電極の間に設けられるコンデンサの誘電体は、比較的厚い層間絶縁層でできている。従って、この構造のコンデンサは、極めて高い破壊電圧を具えており、一般的である１．４μｍの厚さの層間絶縁層に対して破壊電圧は典型的に２００Ｖ以上である。リーク電流は低く、例えば１００Ｖで３０pAよりも少ない。
さらに、相互接続金属化部として用いられる導電性の高い材料がコンデンサ電極を形成するために使用されているので、この構造の高周波応答性は優れている。例えば、６GHzにおいて0.7Ωよりも小さい直列抵抗を有する容量９pFのコンデンサが製造され、周波数係数は１５ppm／MHzよりも小さかった。
好適には、例えばくし形電極構造や格子状電極構造を形成するために、電極の主要部分は複数の相互接続された導電性の指状電極より構成され得る。各電極の指状部分は、隣り合う電極の指状部分に対して垂直に配置されていてもよい。あるいは、一方の電極の指状部分がオフセットされていて、異なる層における指状部分がその下側および上側の指状部分に対して相対的に位置ずれした構造になっていてもよい。積層された指状部分の分極パターンは、垂直方向および水平方向の少なくとも一方において効果的に並列になっている指状部分の積層体を形成するために配置されている。あるいはまた、その指状部分は、半導体基板表面に対して同一分極の指状部分が傾斜されてなる積層体を形成するために、互い違いに配置されている。その結果生じる積層された指状部分の配置は、基板内に延びる一組の垂直のコンデンサ電極を備えたコンデンサ構造と事実上同様であり、単純に平板電極が配置された構造と比較して単位表面積当たりのキャパシタンスが増大することとなる。
ある配置においては、各金属化導電層は、２つの噛み合わされた電極を形成するようにパターン化される。電極間の接続は、所望の分極パターンをなすように、隣合う電極または交互の電極を接続する導電経路を適切に配置することによってなされる。ある特定の都合よい形態においては、各指状電極は隣の指状電極と反対の極性になっている。この配置は、単位領域当たりのキャパシタンスの点で、一般的な平行な平板電極を用いた構造の同一設計領域におけるキャパシタンスの約４０％増という著しい増大をもたらすことがわかった。
指状電極構造を保護リングと結合させたコンデンサ、すなわち各電極が複数の導電性の指状をなす主要部分とリング状をなす囲繞部分とからなるコンデンサが形成され得る。リング状をなす囲繞部分は、上述したように高電圧用途に対して縁で誘電体が薄くなるのを低減するための保護リングとなり得る。保護リングは、特にスピンオンガラスおよびエッチングバックのような方法により平坦化を行うのを助けるという点で有益であり、複数の層間絶縁層を備えた構造を連続して平坦化する際に累積的に縁で薄くなってしまうのを回避する。
都合よく、多層の積層コンデンサ構造を形成するにあたって、コンデンサの下部電極は、下側にあるポリシリコンよりなる導電層、例えばゲート金属化層によって形成され得る。コンデンサの下部電極は上述したようにその上の電極と同様の形状にパターン化され、囲繞部分および複数の導電性の指状電極の少なくとも一方を含んでいる。コンデンサ構造の複数の上側電極は、多層配線技術の幾つかまたは全部の配線層により形成される。
これらの構造は、重大なプロセス上の制約なしに種々の相互接続技術に適用され得るため有益である。すなわち、これらの構造は、公知のプロセスを用いて、現在使用されている全ての相互接続材料、例えばアルミニウム合金やタングステンやドーピングや化合物化されたポリシリコンを用いて作製され得る。また、その構造は、代わりに銅や銅合金やＴｉＮやＷＮやＴｉＷＮや金属シリサイド等の導電性材料を使用する次世代技術に対して提案されている進歩した金属化技術に対しても不都合を生じない。
本発明の他の一つによれば、層間絶縁層により分離された複数の相互接続金属化層を有する集積回路に好適なコンデンサ構造を製造する方法が提供され、その方法は、相互接続金属化層を形成し、その金属化層をパターン化して境界および少なくとも一端を備えた主要部分、および前記主要部分の周りに延びるとともに上記の少なくとも一端から横方向に離間されてなる囲繞部分を形成する工程を含む電極形成工程と、その上に層間絶縁層を設けてコンデンサ誘電体を形成し、前記囲繞部分により平坦化処理中にコンデンサ誘電体が縁で薄くなるのを防ぎながら前記絶縁層を平坦化する工程と、続いてその上に第２のコンデンサ電極を形成する工程とを含むものである。
従って、各電極の主要部分の境界の周りでコンデンサの誘電体の厚さが縁で薄くなることが回避または低減され、コンデンサの破壊特性が改善され得る。
コンデンサの下部電極は、前記相互接続金属化層を形成する工程の前に下側のポリシリコン層で形成され得る。
従ってこの発明は、上述した問題の幾つかを克服または回避するコンデンサ構造を提供する。
【図面の簡単な説明】
以下に、添付図面を参照しながら、本発明の具体例を詳述する、すなわち、
図１は、従来におけるコンデンサ構造を含む集積回路部分の概略縦断面図である、
図２は、本発明の実施の形態１によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図３は、図２のコンデンサ構造の切断線III−IIIを通る垂直面における概略縦断面図である、
図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ図２の矢印IVに沿って見た第１および第２のコンデンサ電極の概略平面図である、
図５は、本発明の実施の形態２によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図６は、図５のコンデンサ構造の切断線VI−VIを通る垂直面における概略縦断面図である、
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ図５の矢印VIIに沿って見た第１および第２のコンデンサ電極構造の概略平面図である、
図８は、本発明の実施の形態３によるコンデンサ構造の、複数の噛み合わされてなる指状体からなる電極を備えた電極の概略斜視図である、
図９は、実施の形態３のコンデンサ構造の電極および金属間の誘電層を示す切断線IX−IXを通る垂直面における図８のコンデンサの概略縦断面図である、
図１０は、同一の極性の指状電極が垂直方向に積層されるように配置された電極を相互接続した実施の形態３のコンデンサ構造の、図８の切断線Ｘ−Ｘを通る面における縦断面図である、
図１１は、図８の矢印XIに沿って見た、実施の形態３のコンデンサ構造の噛み合わされた一対の電極の上面の平面図である、
図１２は、交互の指状電極が反対の極性を有するように相互接続されてなる噛み合わされた電極を備えた、本発明の実施の形態４によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図１３は、連続する層において隣り合う指状電極の極性が交互にかわっているのを示す垂直面における指状電極の縦断面図である、
図１４は、各電極のそれぞれの指状部の極性を示すために、図１２の切断線XIV−XIVを通る、すなわち各層の一指状部を通る垂直面における縦断面図である、
図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１２の構造の矢印XVに沿って見た上部電極およびその下の電極の、それぞれの極性および各電極の相互接続経路を示す概略平面図である、
図１６は、実施の形態４の変形例による、電極の主要部分を囲繞する保護リングを含むコンデンサ電極の平面図である、
図１７は、本発明の実施の形態５によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図１８は、実施の形態５のコンデンサ構造の電極の、図１７の切断線XVIII−XVIIIを通る垂直面における縦断面図である、
図１９は、図１７の矢印XIXに沿って見た上部電極の平面図である、
図２０Ａおよび図２０Ｂは、それぞれ同一の設計領域を有する実施の形態１および４により作製されたコンデンサの特性を示す試験データである、
図２１は、実施の形態４によるコンデンサの、指状電極間の電場の様子を示す指状電極を通る面での概略断面図である、
図２２は、実施の形態６によるコンデンサ構造の指状電極を通る面の概略断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１には、従来の方法により一般的な半導体基板１２上に製造された、第１および第２の電極１６，２４並びにコンデンサ誘電体１８からなる積層コンデンサ構造を含む従来技術の集積回路１０の一部が示されている。この構造を製造するにあたっては、基板１２上に第１絶縁層１４が設けられ、通常ポリシリコンよりなる第１導電層が堆積されパターン化されて下部コンデンサ電極１６が形成される。その下部電極上に絶縁層が堆積されてコンデンサ誘電体１８が形成される。コンデンサ構造の端部周辺の表面トポグラフィを低減させるために、そのコンデンサ誘電体はスピンオンガラスおよびエッチングバックなどの公知のプロセスにより平坦化される。しかしながら、このプロセスは、図１に概略的に示すように、エッチバック中に誘電体１８の領域２２の縁部分を薄くしてしまう傾向がある。その上に第２導電層が堆積されパターン化されて上部コンデンサ電極２４が形成される。全体の上に最上部絶縁層２６が堆積される。高電圧コンデンサにとって、領域２２における誘電体の縁における薄膜化は、破壊電圧に関する品質を著しく下げることになろう。２個以上の電極を備えた積層コンデンサ構造が形成される場合、幾つかの層での縁における薄膜化の累積的な効果により、この構造は著しく平坦化され得る。
図３に示す断面には、多層配線を有し、かつ本発明の実施の形態１により作製されたコンデンサ５０を含む集積回路の要部が示されている。図２は、明瞭化のために図示省略された誘電体層を備えたコンデンサ構造５０の導電性電極の斜視図である。コンデンサ５０は、半導体基板５２上に設けられる通常のフィールド酸化またはトレンチアイソレーション層などの絶縁性のアイソレーション層５４上に形成されている。このコンデンサ構造は下部電極５６を備えており、その下部電極はポリシリコンからなる第１導電層の一部によって形成されている。その上に第１層間絶縁層５８が形成されており、さらに第１レベルの相互接続金属部６０（金属１）を形成する導電層の一部によって第２電極が形成されている。層間絶縁層６２が設けられ、それから第２レベルの金属配線（金属２）となる別の導電性材料よりなる層が堆積されパターン化されて第３電極６４が形成され、別の層間絶縁層６６が堆積され、そして第４電極が最上レベル金属部６８（金属３）から形成されて、この構造が完成する。各コンデンサ電極は、主要部分すなわち符号５６，６０，６４，６８が付された部分を有しており、その主要部分は、主要部分５６（図４Ａ参照）の端縁８２で示される境界および破線８４によって輪郭が示されてなる平坦な矩形状の板からなる。各電極の囲繞部分、すなわち符号５７，６１，６５，６９が付された部分は、各電極の主要部分と同じ金属化層から形成されている。その囲繞部分は同一面をなすリング、すなわち下部電極の主要部分５６の端縁８２から少なくとも端縁８２を形成する境界の一部に沿って離間されてなるリング５７の形状をしている。図４Ａに示すように、その囲繞部分は主要部分５６から破線８４により示されてなる境界に沿って延びている。従って、各電極は、対応する矩形状のリングにより囲まれた、従来の矩形状の電極に似ている。よって、そのリングは、矩形状の電極の３つの端縁に沿ってその電極から離間されており、かつ電極の主要部分の境界を形成する残りの側部と一続きに連結されている。
隣り合う電極間には、組をなす導電経路７０，７２，７４が、それら導電経路を相互接続する、各導電層に設けられた分離部７５とともに形成されており、それら導電経路は、一つおきに電極を同じ極性に接続するジャンパを形成している。従って、このコンデンサ構造は、平行に接続された２つのコンデンサに相当する積層コンデンサとして設計されている。そのキャパシタンスは、それら電極の主要部分同士の重なった部分によって決定される。電極５６およびリング５７を形成する第１導電層は、集積回路の他の箇所に半導体デバイス構造の他の素子を形成する例えばポリシリコン層の一部からなる。第２電極、第３電極、第４電極およびそれらに対応する保護リングは、集積回路の他の部分において従来の導電性の相互接続を形成する多層配線を構成する第１導電層、第２導電層および第３導電層から形成される。図４Ａおよび図４Ｂには、図２の矢印IVに沿って見た個々の電極５６，６０の平面図が示されている。
平坦化処理中に、この構造の縁周辺の絶縁体が多少薄くなることがあるとしても、保護リング５７，６１，６５，６９によりコンデンサ電極の主要部分同士の間、すなわちコンデンサ電極同士の間で均一な厚さの絶縁体が維持されるということが確実になっている。
例えば、実施の形態１によるコンデンサ構造の製造方法において、図２、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、集積回路基板５２が設けられ、アイソレーション層５４上に導電性材料よりなる層が堆積される。その導電層は、パターン化されて、矩形状の主要部分５６および矩形状のリング（図４Ａ参照）の形状をなす囲繞部分５７からなる下部コンデンサ電極を形成する。その下部電極を形成する導電層は、例えばバイポーラＣＭＯＳ集積回路のゲートポリシリコン層の一部であるポリシリコン層でできていていもよい。そのポリシリコン層は、従来のように、堆積中にまたはアンドープのポリシリコン層に対するイオン打込みにより本来の位置でドーピングされていてもよく、その場合にはポリシリコンのドーパントは堆積後のアニールによって活性化されて導電性のポリシリコン層が形成される。例えば下部電極上に厚い層間絶縁層を堆積させることにより下部電極上に平坦化された絶縁層５８が設けられ、それからスピンオンガラス（ＳＯＧ）よりなる平坦化層が設けられる。この工程に続いて、例えば反応性イオンエッチングやその他の公知の方法によりエッチバックが行われ、電極上に所望の厚さの平坦化された絶縁層が残される。
平坦化処理中、保護リングは、電極の主要部分の縁近傍の絶縁体が薄くなるのを防いでいる。保護リングの縁上で絶縁体が幾らか薄くなることが起こるかもしれないが、電極の主要部分同士の間の絶縁体の厚さは実質的に均一な厚さに維持される。コンデンサ電極の主要部分の縁で絶縁体が薄くなることは、保護リングの縁近傍で絶縁体が薄くなることよりも起こり難い。従って、保護リングは実質的に破壊電圧およびリーク電流の制御性を向上させ、キャパシタンスの変化に対する製造上の制御性を改善する。
導電経路７０は、絶縁体５８を貫通して電極５６の主要部分および導電層の接続部７５へ至る。導電経路７０は導線性材料で満たされており、下側にある電極に接触している。
第２導電層は、全体上に堆積された第１レベルの相互接続金属化物の一部によって設けられ、通常の方法によりパターン化されて第１電極の上側に第２コンデンサ電極（図４Ｂ）を形成しており、主要部分６０および第１電極５６（図２）の保護リング５７上に垂直にまっすぐ並んだ保護リング６１を有している。このコンデンサ構造の第２電極６０はパターン化されて、図２および図３に示すように下部電極５６の主要部分に部分的に重なる電極の主要部分６０を形成する。従って、コンデンサ電極の主要部分５６，６０の重なった領域は有効なコンデンサ領域となっている。
それから別の絶縁層６２、すなわち通常の層間絶縁層が設けられる。別の組の導電経路７２が形成され、その経路が導電性材料で満たされ、それによって図２、図４Ａおよび図４Ｂに示すように電極間に相互接続が形成される。電極を積層している状態が図３に概略的に示されている。すなわち、コンデンサの第３電極６４が第２レベルの金属化層の一部によって形成され、その上に、介在する層間絶縁層６６がコンデンサ誘電体を形成し、それから最上レベルの金属化層がコンデンサ構造の最上部（第４）の電極６８を形成している。別の組の導電経路７４は、その下側にあるコンデンサ電極との相互接続をなしている。
その結果生じる平行電極の配置は、導電性電極の主要部分が全ての層において十分に重なり、何れの２つの隣り合う層も反対の極性になるように電気的に相互接続されるようになっている。この構造では、コンデンサの電極を電気的に平行接続していることになるため、全キャパシタンスは隣り合う電極によるキャパシタンスの合計となる。
好ましくは、各電極について電極から保護リングまでの間隔が同じに維持されているとよい。その間隔は、平坦化処理の方法および電極の縁でのどの程度の薄膜化が許容されるかに依存している。一例として、各電極として１μｍ厚の金属層を用い、その電極の縁から〜３μｍ離れた所に保護リングが配置された。典型的に１〜２μｍ厚の金属化層を備えた構造において、電極板の縁から３〜５μｍ以内に保護リングを配置してスピンオンガラスの手段を用いたところ、近接して離間された金属の形状は極めて良好に平坦化されていた。
電極として使用される導電性材料の選択に関しては、ポリシリコン、アルミニウムを含む従来の公知の金属および合金、ＴｉＮやＴｉＷのような金属化合物など、公知の導電層が用いられ得る。そのシート抵抗は十分に低く、動作電圧の全範囲にわたってコンデンサ応答の直線性を実現するようになっていなければならない。
ポリシリコン層によって下部電極が形成されている場合、例えばドーピングレベルがあまり高くないならば、その電極全体をシリサイド化することが、シート抵抗を低減するために有益であるかもしれない。適切で一般的なシリサイド化プロセスが使用され得る。
この構造においてコンデンサ誘電体を構成する層間絶縁層（以下、ＩＬＤとする）は典型的にＰＳＧ（燐化ケイ素ガラス）またはＢＰＳＧ（硼末・リンケイ酸ガラス）である。ＢＰＳＧは、通常化学気相成長により堆積され、それから通常のプロセスによってアニールされる。ＩＬＤはＩＬＤリフロー（ILD reflow）によって、さらなる平坦化処理とともに、またはさらなる平坦化処理を行わずに、平坦化される。あるいは、平坦化処理は、スピンオンガラス（ＳＯＧ）に基づくプロセスおよび化学機械研磨（ＣＭＰ）の内の少なくとも一方によりなされ得る。あるいは、全体にわたって厚い層間絶縁層を堆積した後、反応性イオンエッチングまたは好ましくは化学機械研磨によってエッチバックされて平坦化される。
図５〜図７には本発明の実施の形態２によるコンデンサ構造が示されている。図５にはコンデンサ電極を形成する導電層の斜視図が示されており、また図６にはコンデンサ電極を通る縦断面図が示されている。第１電極は主要部分１５６と囲繞部分１５７とからなり、その囲繞部分１５７は主要部分１５６の周縁１８０に沿って主要部分から離間されてなるリングの形状をなしている。従って、囲繞部分１５７は、図７Ａに示すように第１電極の主要部分１５６から分離されてなるリングを形成している。第２および第４電極の構造は実施の形態１のコンデンサの電極構造と同じである。すなわち、第２電極は、主要部分１６０（図７Ａ参照）と、主要部分１６０から主要部分の３つの縁１８２に沿って離間されてなり、かつ残りの境界１８４に沿って主要部分と一続きにつながってなる囲繞部分１６１とからなる。平面図において、第３電極は、図７Ａに示す第１電極と同じ構造（すなわち、分離されたリングを有している）をしており、第４電極は図７Ｂに示す第２電極と同じ構造をしている。電極間の相互接続は、図６に示すように、連続した導電層間で組をなす導電経路１７０，１７２，１７４によりなされている。
組をなす導電経路は、第１および第３の電極を形成する導電層の分離部１７５を介して相互接続されており、第１電極と第３電極との間を接続している。第２電極と第４電極との間の相互接続は、リング１５７，１６５を介して相互接続を形成している導電経路によってなされている。
従って、それら電極は導電経路１７０，１７２，１７４を介して相互接続されている。下部電極のポリシリコンリングは、ポリシリコンよりなるコンデンサ電極にまったく電気的に接続されておらず、従って２つの隣り合うレベルでの電極は短絡していない。図に示すように、各レベルに関する電極およびリングの積重ねは、全てのリングが各レベルを接続する経路となる貫通孔によって電気的に短絡するようになっている。従って、図６に示すように、一つおきの導電電極がまたリングに短絡されている。
図８〜図１１には、本発明の実施の形態３によるコンデンサ構造２００が示されている。図８に示すように、このコンデンサ構造２００は、実施の形態１の積層構造と同様の積層構造を有している。しかしながら、各導電層は、電極が対をなすようにパターン化されている。各電極は、複数の細長く延びる要素、すなわち指状電極を形成する主要部分を備えており、指状電極のそれぞれは一端で相互接続されてくし形電極を形成している。図８の矢印XIに沿って見た電極表面の平面図である図１１に示すように、２つの電極２１０，２２０において、例えば符号２１１，２２１で示される指状電極は、噛み合わされた状態で配置されている。４つの同様な電極層が、ポリシリコン層からなる第１導電層、並びに第１、第２および第３の相互接続金属化レベルからそれぞれ形成されている。その４つの相互接続金属化物からなる導電層のそれぞれは、下部電極対２１０，２２０と同じ状態をなして電極２１２，２２２、電極２１４，２２４および電極２１６，２２６の対をなしており、介在する層間絶縁層によって互いに分離されている。また、各電極の個々の指状電極の間にも絶縁体が介在している。電極２１０，２１２，２１４，２１６は組になっていて、複数の積み重ねられた導電経路２４０によって相互接続されており、従ってすべて同じ極性になっている。それに対応して、電極２２０，２２２，２２４，２２６は導電経路２３０によって相互接続されており、反対の極性の電極からなるもう１つの組をなしている。図８では、図の明瞭化のため層間絶縁層は省略されている。図９には、１組の指状電極に沿ってそのコンデンサ構造を切断してなる断面図が示されており、電極を形成する導電層がどのようにして連続した金属化層によって形成され、また層間絶縁層２５０，２５２，２５４および最上の絶縁層２５６によって分離されているかが概略的に示されている。
相反する極性の２組の電極群は、図１０のコンデンサ構造を通る断面に示すように、結果として各層において指状電極が相反する極性の指状電極と隣り合って配置されてなる指状電極の極性パターンが生じるように配置されている。同じ極性の指状電極は垂直方向に積み重ねられている。この構造は、コンデンサ電極を電気的に平行接続していることになる。全キャパシタンスは全ての隣り合う電極によるキャパシタンスの合計となる。従って、この配置は事実上、それぞれが同じ極性の指状電極を積み重ねてなる複数の垂直なコンデンサ電極を交互に反対の極性に電気的に接続した構造に相当する。
それぞれの個別の素子の有効領域、すなわち電極の各指状部は小さい。しかしながら、この構造は事実上、垂直方向に多数の平行な電極を設けているとともに、水平方向に積層された電極を有しているのと同じようにキャパシタンスを得るために使用され得る。将来の技術において金属間の間隔が狭くなれば、そのような垂直な電極間の絶縁体の有効な厚さが低減され、その結果、電極間のキャパシタンスが増大するであろう。
実施の形態３の構造は、事実上各電極が複数の直線状をなす平行な指状電極に分割されていることを除いて、実施の形態１の平行電極構造と同様である。水平方向に隣り合う２つの指状電極は、いずれも相反する極性に接続されている。各層の極性パターンは、各層で異なっているかまたは各層で同じになっていてもよい。交互に替わる極性のようすが同じであるようなパターンが各層に適用される場合には、実施の形態２におけるように、結果として、事実上４つの層のそれぞれにおいて垂直方向に積層された列からなる垂直な電極を備えた平行電極構造になる。垂直電極は交互に相反する極性を有している。
以下に説明するように、他のコンデンサ電極形態を提供するための導電経路の代わりの相互接続形態によって、他の極性構造が提供され得る。
それゆえ、本発明の他の実施の形態によるコンデンサ構造は、同様の構造の電極の組、例えば平坦で平行な噛み合わされた指状電極よりなる組によって構成されるが、垂直面において個々の指状電極の極性パターンを異ならせるために異なる相互接続構造を用いる。
すなわち、図１２〜図１５には、本発明の実施の形態４によるコンデンサ構造３００が示されている。このコンデンサは、明瞭化のため導電層のみを図示して絶縁層を省略した図１２の斜視図および、上述したように図１３の断面に示されている。図１４は、図１２の切断線XIV−XIVに沿って電極を横切る断面における構造を示している。図１５Ａおよび図１５Ｂには個々の電極の平面図が示されている。
この実施の形態４のコンデンサ３００は、実施の形態３の電極と同様に４つの導電層のそれぞれによって形成された、噛み合わされてなる電極対３１０，３２０、電極対３１２，３２２、電極対３１４，３２４および電極対３１６，３２６を備えている。しかしながら、交互の層の構造はその形態および指状電極間の相互接続の点で異なっており、そのため、各電極の個々の指状電極、例えば符号３１１で示された指状電極を垂直に横切る断面図である図１４に示すように、各電極の指状電極は交互に反対の極性に相互接続されているとともに、また隣り合う層の指状電極も反対の極性の指状電極に隣り合っている。この構造では、同じ極性の指状電極の積み重ねは段状になっており、従って例えば図１４の軸線３５０に沿って実際に基板表面に対して傾斜している。
全体の形態は、図１４に示すように、隣り合う２つの指状電極はいずれも水平方向または垂直方向に相反する極性に接続されることとなる。この形態は単位表面積当たりのキャパシタンスを増加させ得る。指状電極間のギャップが小さくなればなるほど、キャパシタンスは高くなる。それにもかかわらず、そのギャップサイズが小さくなるので、絶縁破壊電圧は妥協される。
実施の形態４の変形例であるコンデンサ構造においては、上述した実施の形態４と同様に、各金属化層はコンデンサ電極対３５２，３５６を形成している。加えて、図１６に示すように、各電極対は、各電極の主要部分を囲繞する保護リング３６０を備えている。そのリングは、実施の形態１のコンデンサの特徴である保護リングと同様に、製造中に絶縁体が縁において薄くなるのを低減し、それによって破壊電圧を制御するのを助けている。
図１７、図１８および図１９には、本発明の実施の形態５によるコンデンサ構造４００が示されている。このコンデンサ構造４００は、それぞれが複数の指状電極４１１を有する電極対４１０，４２０、電極対４１２，４２２、電極対４１４，４２４および電極対４１６，４２６を形成する４つの導電性の金属化層を備えている。各導電層の電極対は、電極の指状部が噛み合わされて配置されており、図１９に概略的に示すように、連続した電極が横方向にオフセットしているように導電層が積層されていることを除いて、実施の形態３の電極と同様な形態になるように相互接続されている。従って、隣り合う電極における個々の指状電極４１１は、図１８に示す断面のように平行に並んでいるとともに横方向にオフセットされている。この配置では、図１８に破線４５０で示すように指状電極の積層体は事実上垂直方向に傾斜している。指状電極の積層体は、例えば軸線４５０のように事実上基板表面に対して傾斜している電極に等しく、実施の形態２の構造に対して、相対的に電極領域および単位表面積当たりのキャパシタンスが増大されている。図１９は、電極が積層されている様子を概略的に示している図１７の矢印XIXに沿って見た上面図である。保護リングは、破線４６０により概略的に示されており、他の実施の形態において説明されたのと同様に各電極対の周りに設けられている。
電極間の相互接続および信号の応用モードに依存して、異なる電極形態が生じ得る。
図２０Ａおよび図２０Ｂは、２組のコンデンサの測定結果を比較する試験結果を示しており、一方の組は実施の形態１の矩形状平行電極構造のコンデンサであり、他方の組は実施の形態４によるコンデンサである。どちらのコンデンサも同一の設計領域に形成されており、一方が途中で切れていない一様な板状電極でできており、他方は噛み合わされた指状構造の電極でできていた。これらのデータは、キャパシタンスは噛み合わされた電極構造に対してより高くなるという重要なことを示している。実施の形態４によるコンデンサ電極の噛み合わされた指状構造では、従来の平行電極構造よりも、同じ設計領域に対して４０％増のキャパシタンスが得られた。
図２１には、実施の形態４と同様の構造に対する指状電極間の電場のようすが概略的に示されている。電極が噛み合わされていることにより、同じ体積において少なくとも４０％増以上の電荷蓄積が可能となる。このキャパシタンスの増大は、キャパシタンスの設定値を変えない場合にはおよそ３０％の設計領域の縮小をもたらす。
さらには、これらのコンデンサは１００Ｖを超える大きさの破壊電圧を具えている。電極が噛み合わされてなる容量３pFのコンデンサのリーク電流は、１３Ｖにおいて平均２５pFであり、実施の形態１の構造よりも４倍高い係数であった。
つぎの例は、平行形態の高電圧バックエンドコンデンサ（back end capacitor）が、金属−絶縁体−金属コンデンサが平行に接続されればされるほど全キャパシタンスの変化が小さくなるという本来の利点を有する理由を説明するために設けられている。
簡素化された状態において、全ての絶縁層が同一の平均厚さと分散を有している場合、キャパシタンスの標準誘導比率（the percentage standard derivation）は、絶縁層の標準誘導比率の１／√Ｎとなる。ここで、Ｎは平行接続された金属−絶縁体−金属コンデンサの数であり、標準誘導比率はその標準誘導比率を√Ｎで除した値である。
厚さがｄ1、ｄ2およびｄ3の３つの絶縁層からなる面積Ａのバックエンドコンデンサの全キャパシタンスをＣとする。比誘電率をε、自由空間の誘電率をε0とするとき、
キャパシタンスの分散は、
である。
両辺をＣ2で割って、
であるので、
例１：あるプロセスにおいて、ＢＰＳＧの厚さは９５３７ű５９３Å（６．２３％）であり、金属間の絶縁体の厚さは１２９５５ű７６２．３Å（５．８８％）である。これらの数値を先の式に代入すると、全キャパシタンスの変化は３．５３％になる。
全ての絶縁体が同じ平均厚さおよび分散を有する特殊なケースにおいて、ｄi＝ｄj＝ｄk＝ｄ、σdi＝σdj＝σdk＝σo、
全キャパシタンスの標準誘導比率は各絶縁層の標準誘導比率の１／√３である。
例２：絶縁体の厚さの変化が１３０００ű７６０Å（５．９％）である場合には、絶縁層を３層含むバックエンドコンデンサに対して、キャパシタンスの変化は、絶縁体の標準誘導比率の１／√３の標準誘導比率、すなわち、７６０／１３０００を√３で除した３．４％である。６組からの３０００チップにおいて、２．７％の標準偏差が確認された。
実施の形態６によるコンデンサ構造において、その構造は、４層の噛み合わされた指状電極（図２２）からなり、同一極性の指状電極が段状に積層されるような相互接続を有している点で実施の形態５の構造に似ている。上述した実施の形態の構造では、各層において指状電極のサイズは均一であり、また各金属化層における指状電極間の間隔も均一である。他方、図２２に示す構造では、金属化層により決まる間隔と線幅を有している。多層配線を有する集積回路において一般的であるように、金属配線の線幅、および金属と金属の間の間隔についての最小設計ルールは、各金属レベルに応じたものとなっており、最上層金属で最も小さく、第１金属化層へと下がっていくほど増加している。それゆえ、図２２に示す構造は、これらの設計ルールを反映した寸法と間隔の指状電極、例えば符号５１０，５１２，５１４，５１６で示された指状電極を有している。各層において指状電極の間隔が不均一であるため、指状電極が相互接続されることにより、表面に対していろいろな方向に向けられた積層体が形成される。
別の製造方法において、平坦化処理として化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いることによって、保護リング構造が不用であることがわかった。リングによりデバイス構造の領域が増加するので、リングを省略することができるならば、コンデンサ領域が著しく縮小されるので有益である。
実施の形態の構造に対して多くの変更および変形が可能であるのは明らかである。特に、実施の形態による電極構造は保護リングの有無にかかわらず製造可能であり、また保護リングは各電極から分離されていてもよいし一続きに連結されていてもよい。他の例では、保護リングは同一または異なる極性をなす２つの部分で構成される。各電極板または指状電極に対して異なる極性の形態が可能である。
さらに、上述したコンデンサ電極構造が直線状の指状電極からなり、かつ各指状電極が一端で相互接続されているのに対して、複数の長く延びる要素すなわち指状物を有する代わりのコンデンサ電極の配列が形成され、他の形態で相互接続されていてもよいのは明らかである。
進歩した集積回路に対する金属化技術においては、層間絶縁層としてより誘電率の低い絶縁体（例えばポリイミド）を用いることにより、従来の絶縁体、すなわち二酸化シリコンや窒素酸化物（oxynitride）や窒化物を用いるのと比較してコンデンサ間の寄生容量を低減することが提案されている。これらの材料を本発明によるコンデンサ構造に適用するにあたって、そのコンデンサでは従来の絶縁体と比較して寄生容量が低減されるため電極領域を増大させる必要がある。層間絶縁層としてより誘電率の低い絶縁体を用いる場合、電極板を噛み合わせることは、領域を低減する要求の点で有益であり、また多層配線を備えた、すなわちＴＬＭやＱＬＭは上述したように単位領域あたりのキャパシタンスをより高くするのに利用され得る。
多層配線技術においては、金属化層と層間絶縁層の部分的な組合わせが、本発明によるコンデンサ構造を構築するのに使用され得る。上述した実施の形態は４層のコンデンサ電極を有しているとしたが、各層を囲繞する保護リングの有無にかかわらず、例えば噛み合わされた電極を有するコンデンサ構造を製造するために、如何なる金属層対を用いてもよい。下部電極として都合よくポリシリコン層を用いているが、上述した４層電極を有するコンデンサ構造を４層の金属化層を用いて製造してもよい。
従って、以上本発明の特定の例を挙げて詳細に説明したが、これらの具体例の多くの変形や改良が、以下の請求の範囲により限定される本発明の範囲に含まれるのはいうまでもない。
本発明は、集積回路用コンデンサ構造およびその製造方法に関し、特に高電圧で高周波で低リークの適用に適したコンデンサに関する。
発明の背景技術
従来、集積回路用コンデンサ用コンデンサ構造は、平板コンデンサ構造または溝型コンデンサ構造のいずれかからなる。平板コンデンサは、一般に上電極部および下部電極のパターンに形成された第１および第２の導電材よりなる層の間に、薄い誘電体よりなる層が介装されてできている。その構造は、その下側に設けられた絶縁層により基板から分離されている。例えば厚いフィールド酸化層の上面上にコンデンサ構造が形成されていることによって、コンデンサ構造は基板から分離されている。下部電極は一般にポリシリコン等の導電材の層でできている。その導電層はゲート電極やトランジスタのエミッタ構造等の集積回路の他の構成要素を形成している。その上に、第２（上部）電極が第２の導電層、通常別のポリシリコン層によって形成されている。コンデンサの誘電体は一般に薄い二酸化シリコンまたは窒化シリコンの層でできている。最近では、酸化タンタルや強誘電性誘電体を含む他の誘電体材料がコンデンサの誘電体として使用されてきている。しかしながら、強誘電性誘電体を用いる場合には、強誘電性誘電体と電極材料とが反応するのを防ぐために、通常特殊な電極材料とバリア層を必要とする。
溝型コンデンサは、一般に基板に形成された溝領域内に導電層と誘電体層が例えば同心的に配置された垂直な電極を形成していることによって構成される。溝型コンデンサ構造の別の提案が、Ellulらによる米国特許第5,275,974号に説明されており、それは溝領域内に導電性材料および誘電体材料よりなる近似した形状の層を堆積させ、それから化学的機械的な研磨により平坦化して各電極に面同士が接触するようにした方法である。
単位領域当たりのキャパシタンスを増大させるために、種々の他の提案が公知であり、そのような提案として例えば、Koyhamaに付与された米国特許第5,142,639号に開示されたＤＲＡＭ用の金属−絶縁体−金属よりなる積層コンデンサがある。Hoshibaに付与された米国特許第5,189,594号は、平行に連結された複数の小容量コンデンサを形成するくし形電極を有するコンデンサについて説明している。金属−絶縁体−金属の多層コンデンサの例は、Katsumataによる日本国特許出願第6210467号およびSuzukiによる日本国特許出願第59055049号に開示されている。
しかしながら、平板コンデンサまたは溝型コンデンサの何れにおいても、単位領域あたりのキャパシタンスを決定する主要なファクターはコンデンサの誘電体の厚さである。単位領域あたりのキャパシタンスを増大させるため、すなわち高密度集積回路に対して要求されるように占有面積のより小さなコンデンサを形成するためには、誘電体の厚さを薄くする必要がある。しかし、誘電体の厚さが薄くなるほど破壊電圧が低くなるという欠点がある。３．３Ｖおよび５Ｖ駆動の集積回路で使用される、誘電体の厚さが薄い一般的な公知のコンデンサ構造は、例えば〜１６Ｖの破壊電圧を有している。より高電圧、例えば一般に幾つかの遠隔通信への適用に対して使用される１２Ｖの電圧で集積回路を駆動するに際には、破壊電圧が１６Ｖでも十分でない。
しかし、後者の高電圧用途に対して、高キャパシタンスで、かつより高い破壊電圧（〜１００Ｖ）を有する狭小デバイスを得るためには、異なるコンデンサ構造が必要となる。さらに、進歩したバイポーラＣＭＯＳ集積回路の適用、例えば遠隔通信用途に対しては、GHzレンジの高周波に対する応答性もまた重要な問題である。
発明の開示
本発明は、上述した問題を低減または回避し、さらに高電圧、高周波数および低リークコンデンサに好適な特定の用途を有する集積回路用コンデンサ構造を提供することを目的とする。
従って、本発明の一つによれば、複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路に好適なコンデンサ構造が提供され、そのコンデンサ構造は、複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路に好適なコンデンサ構造であり、そのコンデンサ構造は、アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、その上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、を具備し、各電極は、ある境界を有する主要部分と囲繞部分とからなり、その境界は少なくともその主要部分の一端をなし、また前記囲繞部分は上記の少なくとも一端に沿って主要部分から離間されているものである。ここに、「境界」という用語は、主要部分と該主要部分の外界との境界、すなわち、該主要部の周縁を意味する。
従って、コンデンサ電極は、集積回路の相互接続金属化配線を形成する導電層の一部によって形成される。コンデンサの誘電体は、一般に相互接続金属化層を分離する層間絶縁体によって形成される。コンデンサの各電極は、通常の板状をした主要部分と、例えばコンデンサ板の主要部分を形成する導電層と同一の導電層の一部によって形成されてなる、主要部分から離間されたリング状をなす囲繞部分とを含んでいる。主要部分を囲むリングは、主要部分から離れているか、または主要分の境界の一部に沿って主要部分に接触している。その囲繞部分は、絶縁層の平坦化処理中に、コンデンサ電極の主要部分の縁近傍でコンデンサの誘電体の厚さが最小限度に薄くなることを実現するために機能している。例えば、誘電体が薄くなるのは、層間絶縁層を平坦化するためのエッチバックを行う前にスピンオンガラスを用いる時に起こり得る。コンデンサの誘電体が縁で薄くなることを避けることは、破壊電圧、並びにリーク、絶縁破壊、ＴＤＤＢおよびキャパシタンスの変化を含む他の電気的な特性を制御するのに役立つ。この構造は、周知のＣＭＯＳ、バイポーラおよびＢｉＣＭＯＳプロセス技術を用いて容易に製造され得る。
集積回路が多層配線を有する場合、複数の電極を備えた積層コンデンサ構造が提供され得る。必要に応じて、下側にある導電層、例えばゲートポリシリコン層が多層の積層体の下端の電極となる場合には、より多くのレベルの相互接続金属化層のうちの２つがその積層体の他の電極を構成する。相互接続配線は、積層コンデンサ構造の交互の電極の間に、例えばその積層体における交互の電極の平行接続を構成する経路によって形成される。
例えば、周りにリングを有するコンデンサ電極は、通常の積層された平坦な矩形状の電極をなす形状に形成され、その電極と電極の主要部分との重なり部分の面積によりキャパシタンスが決まる。それゆえ、その構造のキャパシタンスは、積層構造における一対の反対の極性をなす電極間に生じるキャパシタンスの合計となる。
都合よく、隣り合う２つの平板電極の間に設けられるコンデンサの誘電体は、比較的厚い層間絶縁層でできている。従って、この構造のコンデンサは、極めて高い破壊電圧を具えており、一般的である１．４μｍの厚さの層間絶縁層に対して破壊電圧は典型的に２００Ｖ以上である。リーク電流は低く、例えば１００Ｖで３０pAよりも少ない。
さらに、相互接続金属化部として用いられる導電性の高い材料がコンデンサ電極を形成するために使用されているので、この構造の高周波応答性は優れている。例えば、６GHzにおいて0.7Ωよりも小さい直列抵抗を有する容量９pFのコンデンサが製造され、周波数係数は１５ppm／MHzよりも小さかった。
好適には、例えばくし形電極構造や格子状電極構造を形成するために、電極の主要部分は複数の相互接続された導電性の指状電極より構成され得る。各電極の指状部分は、隣り合う電極の指状部分に対して垂直に配置されていてもよい。あるいは、一方の電極の指状部分がオフセットされていて、異なる層における指状部分がその下側および上側の指状部分に対して相対的に位置ずれした構造になっていてもよい。積層された指状部分の分極パターンは、垂直方向および水平方向の少なくとも一方において効果的に並列になっている指状部分の積層体を形成するために配置されている。あるいはまた、その指状部分は、半導体基板表面に対して同一分極の指状部分が傾斜されてなる積層体を形成するために、互い違いに配置されている。その結果生じる積層された指状部分の配置は、基板内に延びる一組の垂直のコンデンサ電極を備えたコンデンサ構造と事実上同様であり、単純に平板電極が配置された構造と比較して単位表面積当たりのキャパシタンスが増大することとなる。
ある配置においては、各金属化導電層は、２つの噛み合わされた電極を形成するようにパターン化される。電極間の接続は、所望の分極パターンをなすように、隣合う電極または交互の電極を接続する導電経路を適切に配置することによってなされる。ある特定の都合よい形態においては、各指状電極は隣の指状電極と反対の極性になっている。この配置は、単位領域当たりのキャパシタンスの点で、一般的な平行な平板電極を用いた構造の同一設計領域におけるキャパシタンスの約４０％増という著しい増大をもたらすことがわかった。
指状電極構造を保護リングと結合させたコンデンサ、すなわち各電極が複数の導電性の指状をなす主要部分とリング状をなす囲繞部分とからなるコンデンサが形成され得る。リング状をなす囲繞部分は、上述したように高電圧用途に対して縁で誘電体が薄くなるのを低減するための保護リングとなり得る。保護リングは、特にスピンオンガラスおよびエッチングバックのような方法により平坦化を行うのを助けるという点で有益であり、複数の層間絶縁層を備えた構造を連続して平坦化する際に累積的に縁で薄くなってしまうのを回避する。
都合よく、多層の積層コンデンサ構造を形成するにあたって、コンデンサの下部電極は、下側にあるポリシリコンよりなる導電層、例えばゲート金属化層によって形成され得る。コンデンサの下部電極は上述したようにその上の電極と同様の形状にパターン化され、囲繞部分および複数の導電性の指状電極の少なくとも一方を含んでいる。コンデンサ構造の複数の上側電極は、多層配線技術の幾つかまたは全部の配線層により形成される。
これらの構造は、重大なプロセス上の制約なしに種々の相互接続技術に適用され得るため有益である。すなわち、これらの構造は、公知のプロセスを用いて、現在使用されている全ての相互接続材料、例えばアルミニウム合金やタングステンやドーピングや化合物化されたポリシリコンを用いて作製され得る。また、その構造は、代わりに銅や銅合金やＴｉＮやＷＮやＴｉＷＮや金属シリサイド等の導電性材料を使用する次世代技術に対して提案されている進歩した金属化技術に対しても不都合を生じない。
本発明の他の一つによれば、層間絶縁層により分離された複数の相互接続金属化層を有する集積回路に好適なコンデンサ構造を製造する方法が提供され、その方法は、相互接続金属化層を形成し、その金属化層をパターン化して境界および少なくとも一端を備えた主要部分、および前記主要部分の周りに延びるとともに上記の少なくとも一端から横方向に離間されてなる囲繞部分を形成する工程を含む電極形成工程と、その上に層間絶縁層を設けてコンデンサ誘電体を形成し、前記囲繞部分により平坦化処理中にコンデンサ誘電体が縁で薄くなるのを防ぎながら前記絶縁層を平坦化する工程と、続いてその上に第２のコンデンサ電極を形成する工程とを含むものである。
従って、各電極の主要部分の境界の周りでコンデンサの誘電体の厚さが縁で薄くなることが回避または低減され、コンデンサの破壊特性が改善され得る。
コンデンサの下部電極は、前記相互接続金属化層を形成する工程の前に下側のポリシリコン層で形成され得る。
従ってこの発明は、上述した問題の幾つかを克服または回避するコンデンサ構造を提供する。
【図面の簡単な説明】
以下に、添付図面を参照しながら、本発明の具体例を詳述する、すなわち、
図１は、従来におけるコンデンサ構造を含む集積回路部分の概略縦断面図である、
図２は、本発明の実施の形態１によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図３は、図２のコンデンサ構造の切断線III−IIIを通る垂直面における概略縦断面図である、
図４Ａおよび図４Ｂは、それぞれ図２の矢印IVに沿って見た第１および第２のコンデンサ電極の概略平面図である、
図５は、本発明の実施の形態２によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図６は、図５のコンデンサ構造の切断線VI−VIを通る垂直面における概略縦断面図である、
図７Ａおよび図７Ｂは、それぞれ図５の矢印VIIに沿って見た第１および第２のコンデンサ電極構造の概略平面図である、
図８は、本発明の実施の形態３によるコンデンサ構造の、複数の噛み合わされてなる指状体からなる電極を備えた電極の概略斜視図である、
図９は、実施の形態３のコンデンサ構造の電極および金属間の誘電層を示す切断線IX−IXを通る垂直面における図８のコンデンサの概略縦断面図である、
図１０は、同一の極性の指状電極が垂直方向に積層されるように配置された電極を相互接続した実施の形態３のコンデンサ構造の、図８の切断線Ｘ−Ｘを通る面における縦断面図である、
図１１は、図８の矢印XIに沿って見た、実施の形態３のコンデンサ構造の噛み合わされた一対の電極の上面の平面図である、
図１２は、交互の指状電極が反対の極性を有するように相互接続されてなる噛み合わされた電極を備えた、本発明の実施の形態４によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図１３は、連続する層において隣り合う指状電極の極性が交互にかわっているのを示す垂直面における指状電極の縦断面図である、
図１４は、各電極のそれぞれの指状部の極性を示すために、図１２の切断線XIV−XIVを通る、すなわち各層の一指状部を通る垂直面における縦断面図である、
図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１２の構造の矢印XVに沿って見た上部電極およびその下の電極の、それぞれの極性および各電極の相互接続経路を示す概略平面図である、
図１６は、実施の形態４の変形例による、電極の主要部分を囲繞する保護リングを含むコンデンサ電極の平面図である、
図１７は、本発明の実施の形態５によるコンデンサ構造の電極の概略斜視図である、
図１８は、実施の形態５のコンデンサ構造の電極の、図１７の切断線XVIII−XVIIIを通る垂直面における縦断面図である、
図１９は、図１７の矢印XIXに沿って見た上部電極の平面図である、
図２０Ａおよび図２０Ｂは、それぞれ同一の設計領域を有する実施の形態１および４により作製されたコンデンサの特性を示す試験データである、
図２１は、実施の形態４によるコンデンサの、指状電極間の電場の様子を示す指状電極を通る面での概略断面図である、
図２２は、実施の形態６によるコンデンサ構造の指状電極を通る面の概略断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１には、従来の方法により一般的な半導体基板１２上に製造された、第１および第２の電極１６，２４並びにコンデンサ誘電体１８からなる積層コンデンサ構造を含む従来技術の集積回路１０の一部が示されている。この構造を製造するにあたっては、基板１２上に第１絶縁層１４が設けられ、通常ポリシリコンよりなる第１導電層が堆積されパターン化されて下部コンデンサ電極１６が形成される。その下部電極上に絶縁層が堆積されてコンデンサ誘電体１８が形成される。コンデンサ構造の端部周辺の表面トポグラフィを低減させるために、そのコンデンサ誘電体はスピンオンガラスおよびエッチングバックなどの公知のプロセスにより平坦化される。しかしながら、このプロセスは、図１に概略的に示すように、エッチバック中に誘電体１８の領域２２の縁部分を薄くしてしまう傾向がある。その上に第２導電層が堆積されパターン化されて上部コンデンサ電極２４が形成される。全体の上に最上部絶縁層２６が堆積される。高電圧コンデンサにとって、領域２２における誘電体の縁における薄膜化は、破壊電圧に関する品質を著しく下げることになろう。２個以上の電極を備えた積層コンデンサ構造が形成される場合、幾つかの層での縁における薄膜化の累積的な効果により、この構造は著しく平坦化され得る。
図３に示す断面には、多層配線を有し、かつ本発明の実施の形態１により作製されたコンデンサ５０を含む集積回路の要部が示されている。図２は、明瞭化のために図示省略された誘電体層を備えたコンデンサ構造５０の導電性電極の斜視図である。コンデンサ５０は、半導体基板５２上に設けられる通常のフィールド酸化またはトレンチアイソレーション層などの絶縁性のアイソレーション層５４上に形成されている。このコンデンサ構造は下部電極５６を備えており、その下部電極はポリシリコンからなる第１導電層の一部によって形成されている。その上に第１層間絶縁層５８が形成されており、さらに第１レベルの相互接続金属部６０（金属１）を形成する導電層の一部によって第２電極が形成されている。層間絶縁層６２が設けられ、それから第２レベルの金属配線（金属２）となる別の導電性材料よりなる層が堆積されパターン化されて第３電極６４が形成され、別の層間絶縁層６６が堆積され、そして第４電極が最上レベル金属部６８（金属３）から形成されて、この構造が完成する。各コンデンサ電極は、主要部分すなわち符号５６，６０，６４，６８が付された部分を有しており、その主要部分は、主要部分５６（図４Ａ参照）の端縁８２で示される境界および破線８４によって輪郭が示されてなる平坦な矩形状の板からなる。各電極の囲繞部分、すなわち符号５７，６１，６５，６９が付された部分は、各電極の主要部分と同じ金属化層から形成されている。その囲繞部分は同一面をなすリング、すなわち下部電極の主要部分５６の端縁８２から少なくとも端縁８２を形成する境界の一部に沿って離間されてなるリング５７の形状をしている。図４Ａに示すように、その囲繞部分は主要部分５６から破線８４により示されてなる境界に沿って延びている。従って、各電極は、対応する矩形状のリングにより囲まれた、従来の矩形状の電極に似ている。よって、そのリングは、矩形状の電極の３つの端縁に沿ってその電極から離間されており、かつ電極の主要部分の境界を形成する残りの側部と一続きに連結されている。
隣り合う電極間には、組をなす導電経路７０，７２，７４が、それら導電経路を相互接続する、各導電層に設けられた分離部７５とともに形成されており、それら導電経路は、一つおきに電極を同じ極性に接続するジャンパを形成している。従って、このコンデンサ構造は、平行に接続された２つのコンデンサに相当する積層コンデンサとして設計されている。そのキャパシタンスは、それら電極の主要部分同士の重なった部分によって決定される。電極５６およびリング５７を形成する第１導電層は、集積回路の他の箇所に半導体デバイス構造の他の素子を形成する例えばポリシリコン層の一部からなる。第２電極、第３電極、第４電極およびそれらに対応する保護リングは、集積回路の他の部分において従来の導電性の相互接続を形成する多層配線を構成する第１導電層、第２導電層および第３導電層から形成される。図４Ａおよび図４Ｂには、図２の矢印IVに沿って見た個々の電極５６，６０の平面図が示されている。
平坦化処理中に、この構造の縁周辺の絶縁体が多少薄くなることがあるとしても、保護リング５７，６１，６５，６９によりコンデンサ電極の主要部分同士の間、すなわちコンデンサ電極同士の間で均一な厚さの絶縁体が維持されるということが確実になっている。
例えば、実施の形態１によるコンデンサ構造の製造方法において、図２、図３、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、集積回路基板５２が設けられ、アイソレーション層５４上に導電性材料よりなる層が堆積される。その導電層は、パターン化されて、矩形状の主要部分５６および矩形状のリング（図４Ａ参照）の形状をなす囲繞部分５７からなる下部コンデンサ電極を形成する。その下部電極を形成する導電層は、例えばバイポーラＣＭＯＳ集積回路のゲートポリシリコン層の一部であるポリシリコン層でできていていもよい。そのポリシリコン層は、従来のように、堆積中にまたはアンドープのポリシリコン層に対するイオン打込みにより本来の位置でドーピングされていてもよく、その場合にはポリシリコンのドーパントは堆積後のアニールによって活性化されて導電性のポリシリコン層が形成される。例えば下部電極上に厚い層間絶縁層を堆積させることにより下部電極上に平坦化された絶縁層５８が設けられ、それからスピンオンガラス（ＳＯＧ）よりなる平坦化層が設けられる。この工程に続いて、例えば反応性イオンエッチングやその他の公知の方法によりエッチバックが行われ、電極上に所望の厚さの平坦化された絶縁層が残される。
平坦化処理中、保護リングは、電極の主要部分の縁近傍の絶縁体が薄くなるのを防いでいる。保護リングの縁上で絶縁体が幾らか薄くなることが起こるかもしれないが、電極の主要部分同士の間の絶縁体の厚さは実質的に均一な厚さに維持される。コンデンサ電極の主要部分の縁で絶縁体が薄くなることは、保護リングの縁近傍で絶縁体が薄くなることよりも起こり難い。従って、保護リングは実質的に破壊電圧およびリーク電流の制御性を向上させ、キャパシタンスの変化に対する製造上の制御性を改善する。
導電経路７０は、絶縁体５８を貫通して電極５６の主要部分および導電層の接続部７５へ至る。導電経路７０は導線性材料で満たされており、下側にある電極に接触している。
第２導電層は、全体上に堆積された第１レベルの相互接続金属化物の一部によって設けられ、通常の方法によりパターン化されて第１電極の上側に第２コンデンサ電極（図４Ｂ）を形成しており、主要部分６０および第１電極５６（図２）の保護リング５７上に垂直にまっすぐ並んだ保護リング６１を有している。このコンデンサ構造の第２電極６０はパターン化されて、図２および図３に示すように下部電極５６の主要部分に部分的に重なる電極の主要部分６０を形成する。従って、コンデンサ電極の主要部分５６，６０の重なった領域は有効なコンデンサ領域となっている。
それから別の絶縁層６２、すなわち通常の層間絶縁層が設けられる。別の組の導電経路７２が形成され、その経路が導電性材料で満たされ、それによって図２、図４Ａおよび図４Ｂに示すように電極間に相互接続が形成される。電極を積層している状態が図３に概略的に示されている。すなわち、コンデンサの第３電極６４が第２レベルの金属化層の一部によって形成され、その上に、介在する層間絶縁層６６がコンデンサ誘電体を形成し、それから最上レベルの金属化層がコンデンサ構造の最上部（第４）の電極６８を形成している。別の組の導電経路７４は、その下側にあるコンデンサ電極との相互接続をなしている。
その結果生じる平行電極の配置は、導電性電極の主要部分が全ての層において十分に重なり、何れの２つの隣り合う層も反対の極性になるように電気的に相互接続されるようになっている。この構造では、コンデンサの電極を電気的に平行接続していることになるため、全キャパシタンスは隣り合う電極によるキャパシタンスの合計となる。
好ましくは、各電極について電極から保護リングまでの間隔が同じに維持されているとよい。その間隔は、平坦化処理の方法および電極の縁でのどの程度の薄膜化が許容されるかに依存している。一例として、各電極として１μｍ厚の金属層を用い、その電極の縁から〜３μｍ離れた所に保護リングが配置された。典型的に１〜２μｍ厚の金属化層を備えた構造において、電極板の縁から３〜５μｍ以内に保護リングを配置してスピンオンガラスの手段を用いたところ、近接して離間された金属の形状は極めて良好に平坦化されていた。
電極として使用される導電性材料の選択に関しては、ポリシリコン、アルミニウムを含む従来の公知の金属および合金、ＴｉＮやＴｉＷのような金属化合物など、公知の導電層が用いられ得る。そのシート抵抗は十分に低く、動作電圧の全範囲にわたってコンデンサ応答の直線性を実現するようになっていなければならない。
ポリシリコン層によって下部電極が形成されている場合、例えばドーピングレベルがあまり高くないならば、その電極全体をシリサイド化することが、シート抵抗を低減するために有益であるかもしれない。適切で一般的なシリサイド化プロセスが使用され得る。
この構造においてコンデンサ誘電体を構成する層間絶縁層（以下、ＩＬＤとする）は典型的にＰＳＧ（燐化ケイ素ガラス）またはＢＰＳＧ（硼末・リンケイ酸ガラス）である。ＢＰＳＧは、通常化学気相成長により堆積され、それから通常のプロセスによってアニールされる。ＩＬＤはＩＬＤリフロー（ILD reflow）によって、さらなる平坦化処理とともに、またはさらなる平坦化処理を行わずに、平坦化される。あるいは、平坦化処理は、スピンオンガラス（ＳＯＧ）に基づくプロセスおよび化学機械研磨（ＣＭＰ）の内の少なくとも一方によりなされ得る。あるいは、全体にわたって厚い層間絶縁層を堆積した後、反応性イオンエッチングまたは好ましくは化学機械研磨によってエッチバックされて平坦化される。
図５〜図７には本発明の実施の形態２によるコンデンサ構造が示されている。図５にはコンデンサ電極を形成する導電層の斜視図が示されており、また図６にはコンデンサ電極を通る縦断面図が示されている。第１電極は主要部分１５６と囲繞部分１５７とからなり、その囲繞部分１５７は主要部分１５６の周縁１８０に沿って主要部分から離間されてなるリングの形状をなしている。従って、囲繞部分１５７は、図７Ａに示すように第１電極の主要部分１５６から分離されてなるリングを形成している。第２および第４電極の構造は実施の形態１のコンデンサの電極構造と同じである。すなわち、第２電極は、主要部分１６０（図７Ａ参照）と、主要部分１６０から主要部分の３つの縁１８２に沿って離間されてなり、かつ残りの境界１８４に沿って主要部分と一続きにつながってなる囲繞部分１６１とからなる。平面図において、第３電極は、図７Ａに示す第１電極と同じ構造（すなわち、分離されたリングを有している）をしており、第４電極は図７Ｂに示す第２電極と同じ構造をしている。電極間の相互接続は、図６に示すように、連続した導電層間で組をなす導電経路１７０，１７２，１７４によりなされている。
組をなす導電経路は、第１および第３の電極を形成する導電層の分離部１７５を介して相互接続されており、第１電極と第３電極との間を接続している。第２電極と第４電極との間の相互接続は、リング１５７，１６５を介して相互接続を形成している導電経路によってなされている。
従って、それら電極は導電経路１７０，１７２，１７４を介して相互接続されている。下部電極のポリシリコンリングは、ポリシリコンよりなるコンデンサ電極にまったく電気的に接続されておらず、従って２つの隣り合うレベルでの電極は短絡していない。図に示すように、各レベルに関する電極およびリングの積重ねは、全てのリングが各レベルを接続する経路となる貫通孔によって電気的に短絡するようになっている。従って、図６に示すように、一つおきの導電電極がまたリングに短絡されている。
図８〜図１１には、本発明の実施の形態３によるコンデンサ構造２００が示されている。図８に示すように、このコンデンサ構造２００は、実施の形態１の積層構造と同様の積層構造を有している。しかしながら、各導電層は、電極が対をなすようにパターン化されている。各電極は、複数の細長く延びる要素、すなわち指状電極を形成する主要部分を備えており、指状電極のそれぞれは一端で相互接続されてくし形電極を形成している。図８の矢印XIに沿って見た電極表面の平面図である図１１に示すように、２つの電極２１０，２２０において、例えば符号２１１，２２１で示される指状電極は、噛み合わされた状態で配置されている。４つの同様な電極層が、ポリシリコン層からなる第１導電層、並びに第１、第２および第３の相互接続金属化レベルからそれぞれ形成されている。その４つの相互接続金属化物からなる導電層のそれぞれは、下部電極対２１０，２２０と同じ状態をなして電極２１２，２２２、電極２１４，２２４および電極２１６，２２６の対をなしており、介在する層間絶縁層によって互いに分離されている。また、各電極の個々の指状電極の間にも絶縁体が介在している。電極２１０，２１２，２１４，２１６は組になっていて、複数の積み重ねられた導電経路２４０によって相互接続されており、従ってすべて同じ極性になっている。それに対応して、電極２２０，２２２，２２４，２２６は導電経路２３０によって相互接続されており、反対の極性の電極からなるもう１つの組をなしている。図８では、図の明瞭化のため層間絶縁層は省略されている。図９には、１組の指状電極に沿ってそのコンデンサ構造を切断してなる断面図が示されており、電極を形成する導電層がどのようにして連続した金属化層によって形成され、また層間絶縁層２５０，２５２，２５４および最上の絶縁層２５６によって分離されているかが概略的に示されている。
相反する極性の２組の電極群は、図１０のコンデンサ構造を通る断面に示すように、結果として各層において指状電極が相反する極性の指状電極と隣り合って配置されてなる指状電極の極性パターンが生じるように配置されている。同じ極性の指状電極は垂直方向に積み重ねられている。この構造は、コンデンサ電極を電気的に平行接続していることになる。全キャパシタンスは全ての隣り合う電極によるキャパシタンスの合計となる。従って、この配置は事実上、それぞれが同じ極性の指状電極を積み重ねてなる複数の垂直なコンデンサ電極を交互に反対の極性に電気的に接続した構造に相当する。
それぞれの個別の素子の有効領域、すなわち電極の各指状部は小さい。しかしながら、この構造は事実上、垂直方向に多数の平行な電極を設けているとともに、水平方向に積層された電極を有しているのと同じようにキャパシタンスを得るために使用され得る。将来の技術において金属間の間隔が狭くなれば、そのような垂直な電極間の絶縁体の有効な厚さが低減され、その結果、電極間のキャパシタンスが増大するであろう。
実施の形態３の構造は、事実上各電極が複数の直線状をなす平行な指状電極に分割されていることを除いて、実施の形態１の平行電極構造と同様である。水平方向に隣り合う２つの指状電極は、いずれも相反する極性に接続されている。各層の極性パターンは、各層で異なっているかまたは各層で同じになっていてもよい。交互に替わる極性のようすが同じであるようなパターンが各層に適用される場合には、実施の形態２におけるように、結果として、事実上４つの層のそれぞれにおいて垂直方向に積層された列からなる垂直な電極を備えた平行電極構造になる。垂直電極は交互に相反する極性を有している。
以下に説明するように、他のコンデンサ電極形態を提供するための導電経路の代わりの相互接続形態によって、他の極性構造が提供され得る。
それゆえ、本発明の他の実施の形態によるコンデンサ構造は、同様の構造の電極の組、例えば平坦で平行な噛み合わされた指状電極よりなる組によって構成されるが、垂直面において個々の指状電極の極性パターンを異ならせるために異なる相互接続構造を用いる。
すなわち、図１２〜図１５には、本発明の実施の形態４によるコンデンサ構造３００が示されている。このコンデンサは、明瞭化のため導電層のみを図示して絶縁層を省略した図１２の斜視図および、上述したように図１３の断面に示されている。図１４は、図１２の切断線XIV−XIVに沿って電極を横切る断面における構造を示している。図１５Ａおよび図１５Ｂには個々の電極の平面図が示されている。
この実施の形態４のコンデンサ３００は、実施の形態３の電極と同様に４つの導電層のそれぞれによって形成された、噛み合わされてなる電極対３１０，３２０、電極対３１２，３２２、電極対３１４，３２４および電極対３１６，３２６を備えている。しかしながら、交互の層の構造はその形態および指状電極間の相互接続の点で異なっており、そのため、各電極の個々の指状電極、例えば符号３１１で示された指状電極を垂直に横切る断面図である図１４に示すように、各電極の指状電極は交互に反対の極性に相互接続されているとともに、また隣り合う層の指状電極も反対の極性の指状電極に隣り合っている。この構造では、同じ極性の指状電極の積み重ねは段状になっており、従って例えば図１４の軸線３５０に沿って実際に基板表面に対して傾斜している。
全体の形態は、図１４に示すように、隣り合う２つの指状電極はいずれも水平方向または垂直方向に相反する極性に接続されることとなる。この形態は単位表面積当たりのキャパシタンスを増加させ得る。指状電極間のギャップが小さくなればなるほど、キャパシタンスは高くなる。それにもかかわらず、そのギャップサイズが小さくなるので、絶縁破壊電圧は妥協される。
実施の形態４の変形例であるコンデンサ構造においては、上述した実施の形態４と同様に、各金属化層はコンデンサ電極対３５２，３５６を形成している。加えて、図１６に示すように、各電極対は、各電極の主要部分を囲繞する保護リング３６０を備えている。そのリングは、実施の形態１のコンデンサの特徴である保護リングと同様に、製造中に絶縁体が縁において薄くなるのを低減し、それによって破壊電圧を制御するのを助けている。
図１７、図１８および図１９には、本発明の実施の形態５によるコンデンサ構造４００が示されている。このコンデンサ構造４００は、それぞれが複数の指状電極４１１を有する電極対４１０，４２０、電極対４１２，４２２、電極対４１４，４２４および電極対４１６，４２６を形成する４つの導電性の金属化層を備えている。各導電層の電極対は、電極の指状部が噛み合わされて配置されており、図１９に概略的に示すように、連続した電極が横方向にオフセットしているように導電層が積層されていることを除いて、実施の形態３の電極と同様な形態になるように相互接続されている。従って、隣り合う電極における個々の指状電極４１１は、図１８に示す断面のように平行に並んでいるとともに横方向にオフセットされている。この配置では、図１８に破線４５０で示すように指状電極の積層体は事実上垂直方向に傾斜している。指状電極の積層体は、例えば軸線４５０のように事実上基板表面に対して傾斜している電極に等しく、実施の形態２の構造に対して、相対的に電極領域および単位表面積当たりのキャパシタンスが増大されている。図１９は、電極が積層されている様子を概略的に示している図１７の矢印XIXに沿って見た上面図である。保護リングは、破線４６０により概略的に示されており、他の実施の形態において説明されたのと同様に各電極対の周りに設けられている。
電極間の相互接続および信号の応用モードに依存して、異なる電極形態が生じ得る。
図２０Ａおよび図２０Ｂは、２組のコンデンサの測定結果を比較する試験結果を示しており、一方の組は実施の形態１の矩形状平行電極構造のコンデンサであり、他方の組は実施の形態４によるコンデンサである。どちらのコンデンサも同一の設計領域に形成されており、一方が途中で切れていない一様な板状電極でできており、他方は噛み合わされた指状構造の電極でできていた。これらのデータは、キャパシタンスは噛み合わされた電極構造に対してより高くなるという重要なことを示している。実施の形態４によるコンデンサ電極の噛み合わされた指状構造では、従来の平行電極構造よりも、同じ設計領域に対して４０％増のキャパシタンスが得られた。
図２１には、実施の形態４と同様の構造に対する指状電極間の電場のようすが概略的に示されている。電極が噛み合わされていることにより、同じ体積において少なくとも４０％増以上の電荷蓄積が可能となる。このキャパシタンスの増大は、キャパシタンスの設定値を変えない場合にはおよそ３０％の設計領域の縮小をもたらす。
さらには、これらのコンデンサは１００Ｖを超える大きさの破壊電圧を具えている。電極が噛み合わされてなる容量３pFのコンデンサのリーク電流は、１３Ｖにおいて平均２５pFであり、実施の形態１の構造よりも４倍高い係数であった。
つぎの例は、平行形態の高電圧バックエンドコンデンサ（back end capacitor）が、金属−絶縁体−金属コンデンサが平行に接続されればされるほど全キャパシタンスの変化が小さくなるという本来の利点を有する理由を説明するために設けられている。
簡素化された状態において、全ての絶縁層が同一の平均厚さと分散を有している場合、キャパシタンスの標準誘導比率（the percentage standard derivation）は、絶縁層の標準誘導比率の１／√Ｎとなる。ここで、Ｎは平行接続された金属−絶縁体−金属コンデンサの数であり、標準誘導比率はその標準誘導比率を√Ｎで除した値である。
厚さがｄ1、ｄ2およびｄ3の３つの絶縁層からなる面積Ａのバックエンドコンデンサの全キャパシタンスをＣとする。比誘電率をε、自由空間の誘電率をε0とするとき、
両辺をＣ2で割って、
全ての絶縁体が同じ平均厚さおよび分散を有する特殊なケースにおいて、ｄi＝ｄj＝ｄk＝ｄ、σdi＝σdj＝σdk＝σo、
例２：絶縁体の厚さの変化が１３０００ű７６０Å（５．９％）である場合には、絶縁層を３層含むバックエンドコンデンサに対して、キャパシタンスの変化は、絶縁体の標準誘導比率の１／√３の標準誘導比率、すなわち、７６０／１３０００を√３で除した３．４％である。６組からの３０００チップにおいて、２．７％の標準偏差が確認された。
実施の形態６によるコンデンサ構造において、その構造は、４層の噛み合わされた指状電極（図２２）からなり、同一極性の指状電極が段状に積層されるような相互接続を有している点で実施の形態５の構造に似ている。上述した実施の形態の構造では、各層において指状電極のサイズは均一であり、また各金属化層における指状電極間の間隔も均一である。他方、図２２に示す構造では、金属化層により決まる間隔と線幅を有している。多層配線を有する集積回路において一般的であるように、金属配線の線幅、および金属と金属の間の間隔についての最小設計ルールは、各金属レベルに応じたものとなっており、最上層金属で最も小さく、第１金属化層へと下がっていくほど増加している。それゆえ、図２２に示す構造は、これらの設計ルールを反映した寸法と間隔の指状電極、例えば符号５１０，５１２，５１４，５１６で示された指状電極を有している。各層において指状電極の間隔が不均一であるため、指状電極が相互接続されることにより、表面に対していろいろな方向に向けられた積層体が形成される。
別の製造方法において、平坦化処理として化学機械研磨（ＣＭＰ）を用いることによって、保護リング構造が不用であることがわかった。リングによりデバイス構造の領域が増加するので、リングを省略することができるならば、コンデンサ領域が著しく縮小されるので有益である。
実施の形態の構造に対して多くの変更および変形が可能であるのは明らかである。特に、実施の形態による電極構造は保護リングの有無にかかわらず製造可能であり、また保護リングは各電極から分離されていてもよいし一続きに連結されていてもよい。他の例では、保護リングは同一または異なる極性をなす２つの部分で構成される。各電極板または指状電極に対して異なる極性の形態が可能である。
さらに、上述したコンデンサ電極構造が直線状の指状電極からなり、かつ各指状電極が一端で相互接続されているのに対して、複数の長く延びる要素すなわち指状物を有する代わりのコンデンサ電極の配列が形成され、他の形態で相互接続されていてもよいのは明らかである。
進歩した集積回路に対する金属化技術においては、層間絶縁層としてより誘電率の低い絶縁体（例えばポリイミド）を用いることにより、従来の絶縁体、すなわち二酸化シリコンや窒素酸化物（oxynitride）や窒化物を用いるのと比較してコンデンサ間の寄生容量を低減することが提案されている。これらの材料を本発明によるコンデンサ構造に適用するにあたって、そのコンデンサでは従来の絶縁体と比較して寄生容量が低減されるため電極領域を増大させる必要がある。層間絶縁層としてより誘電率の低い絶縁体を用いる場合、電極板を噛み合わせることは、領域を低減する要求の点で有益であり、また多層配線を備えた、すなわちＴＬＭやＱＬＭは上述したように単位領域あたりのキャパシタンスをより高くするのに利用され得る。
多層配線技術においては、金属化層と層間絶縁層の部分的な組合わせが、本発明によるコンデンサ構造を構築するのに使用され得る。上述した実施の形態は４層のコンデンサ電極を有しているとしたが、各層を囲繞する保護リングの有無にかかわらず、例えば噛み合わされた電極を有するコンデンサ構造を製造するために、如何なる金属層対を用いてもよい。下部電極として都合よくポリシリコン層を用いているが、上述した４層電極を有するコンデンサ構造を４層の金属化層を用いて製造してもよい。
従って、以上本発明の特定の例を挙げて詳細に説明したが、これらの具体例の多くの変形や改良が、以下の請求の範囲により限定される本発明の範囲に含まれるのはいうまでもない。
Claims (19)
- 複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、
前記第１電極上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、
前記第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、
を具備し、
各電極は、主要部分と囲繞部分を有し、前記囲繞部分は前記主要部分の周縁に沿って延び、かつ、前記囲繞部分は前記主要部分の周縁の少なくとも一部において前記主要部分から離間されていることを特徴とするコンデンサ構造。 - 複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、
前記第１電極上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、
前記第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、
を具備し、
各電極は、主要部分と囲繞部分を有し、前記囲繞部分は前記主要部分を囲繞するリングを形成し、前記主要部分の周縁の少なくとも一部から離間されていることを特徴とするコンデンサ構造。 - 複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、
前記第１電極上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、
前記第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、
を具備し、
各電極は、主要部分と囲繞部分を有し、前記囲繞部分は、前記主要部分の周縁全体において前記主要部分から離間されており、前記電極の前記主要部分と面一であるとともに前記主要部分を囲繞するリングを形成していることを特徴とするコンデンサ構造。 - 異なる層の電極間の相互接続により、前記第１電極おいて前記主要部分が一極性になるとともに、当該第１電極の前記囲繞部分よりなる前記リングが反対の極性となっていることを特徴とする請求項２に記載のコンデンサ構造。
- 前記主要部分および前記リングから離間された追加の電極部分であって、当該追加の電極部分が位置する層を挟む２つの層の電極間の導電経路に介在する追加の電極部分をさらに備え、前記リングは前記追加の電極部分を囲繞することを特徴とする請求項２に記載のコンデンサ構造。
- 複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、
前記第１電極上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、
前記第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、
を具備し、
前記電極は積層されて平行な電極積層体をなしており、また各電極は、矩形状の平板の主要部分から離間された環状形状をなす面一な囲繞部分を有し、前記囲繞部分は前記主要部分の少なくとも一部において前記主要部分から離間されていることを特徴とするコンデンサ構造。 - ４つ以上の電極からなる積層体を具備し
同一極性のコンデンサ電極の組をなすために、前記積層体の電極を１つおきに相互接続する導電経路と、
一の極性の電極の組に設けられ前記導電経路によって互いに接続された第１の電気接点と、前記一の極性と反対の極性の電極の組に設けられ前記導電経路によって互いに接続された第２の電気接点と、
を具備し、
それによって、積層された電極構造の全体のキャパシタンスが、反対の極性の交互の電極間のキャパシタンスの合計になっていることを特徴とする請求項２に記載のコンデンサ構造。 - 前記電極の積層体は、
前記集積回路の前記導電性の金属化層のうち下側にある導電性の金属化層により形成されるコンデンサの下側電極と、
上側にある相互に接続された前記金属化層のうちの少なくとも２つによって形成される上側電極と、
を具備することを特徴とする請求項７に記載のコンデンサ構造。 - 前記下側にある導電層はポリシリコンでできていることを特徴とする請求項８に記載のコンデンサ構造。
- 各電極の前記主要部分は、複数の相互に組合わされた指状電極を、その間に広がる絶縁体とともに具備していることを特徴とする請求項２に記載のコンデンサ構造。
- 一つの金属化層における指状電極は、隣り合う金属化層の指状電極に垂直方向に整列していることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 前記複数の指状電極は、平行に整列しているとともに、各指状電極の一方の終端で相互に組み合わされてくし形電極を形成していることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 各層における指状電極は、隣り合う層における指状電極に平行に整列しているとともに、前記隣り合う層における指状電極に対して垂直に積層されていることを特徴とする請求項１２に記載のコンデンサ構造。
- 交互に並ぶ層における指状電極は隣り合う層の指状電極に対して横方向にオフセットされており、それによって前記指状電極の積層体は前記集積回路の一つの表面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 交互に並ぶ層における指状電極は隣り合う層の指状電極に対して横方向にオフセットされており、前記指状電極は幅および各指状電極の間の間隔を含む寸法を有し、各層における前記幅および間隔はそれぞれの金属化層のレベルに適合した最小設計ルールの寸法に一致しており、それによって金属化層の第１レベルは金属化層の最上レベルよりも離間した間隔になっていることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 指状電極は幅および各指状電極の間の間隔を含む寸法を具えており、その幅および間隔は各層に対して均一であることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 各層の指状電極は、各層に配置された反対の極性の２組を並んで形成するために相互に組み合わされており、それによって各層において、一指状電極が反対の極性の別の指状電極と隣り合っており、また隣り合う層において同一極性の指状電極が隣り合う層における指状電極に対してオフセットされており、従って同一極性の指状電極の積層体が集積回路の表面に対して傾斜してなる積層体を形成していることを特徴とする請求項１０に記載のコンデンサ構造。
- 複数の導電性の金属化層および層間絶縁層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
アイソレーション層上に形成された導電性の金属化物よりなる第１層の一部によって形成された第１電極と、
前記第１電極上に堆積された第１層間絶縁体の一部によって形成されたコンデンサの誘電体と、
前記第１電極の上方の導電性の金属化物よりなる第２層の一部によって形成された第２電極と、
を具備し、
各電極は、主要部分と囲繞部分を有し、前記囲繞部分は、前記主要部分を囲繞するリングを形成し、前記リングは前記主要部分の周縁の一部に沿って前記主要部と一続きであり、かつ、前記主要部分の周縁の他の部分に沿って前記主要部分から離間されていることを特徴とするコンデンサ構造。 - 層間絶縁層により分離された複数の導電性の金属化層からなる多層配線を有する集積回路用コンデンサ構造であって、
電極の積層体を備え、各電極は一層の導電性金属化層の一部分により形成され、各電極は周縁を有する主要部分と囲繞部分を備え、前記主要部分は複数の相互に組み合わされた導電性指状体を形成し、前記囲繞部分は前記主要部分を囲繞するとともに前記周縁の少なくとも一部分に沿って前記主要部分から離間しているリングを形成し、
前記電極は層間絶縁層の個々の層の一部分により形成されたコンデンサ絶縁層により分離され、
前記導電性指状体は、配列方向に沿って交互に異なる極性を有する交互電極を構成し、前記交互電極は導電性経路により相互接続されて同じ極性のコンデンサ電極の組を形成し、
それぞれ反対の極性の電極に設けられ、前記導電性経路によってそれぞれ互いに接続された第１および第２の電気接点を備え、
それによって、電極積層構造の積層された電極構造の全体のキャパシタンスが、反対の極性の交互の電極間のキャパシタンスの合計になっていることを特徴とするコンデンサ構造。
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