JP5284708B2 - 多層キャパシタ構造及びこれの製造方法（方向に依存しない多層ｂｅｏｌキャパシタ） - Google Patents

Description

本発明は、超小型電子キャパシタ（コンデンサ）に関し、更に具体的にいうならば、後工程（ＢＥＯＬ，Back-end-of -line）処理を使用して形成されるキャパシタに関する。

キャパシタは、電子回路内の多岐にわたる多様な機能を実現するために使用される。これらの回路は、増幅段相互間を結合し、そしてバイパスする共振回路、フィルタ、電圧制御発振器を含む。超小型電子キャパシタは、しばしば後工程（ＢＥＯＬ）処理の一部として製造される。後工程とは、例えばトランジスタ、抵抗及びダイオードのような構成素子を半導体ウエハ上に設けられた配線により相互接続する集積回路製造工程をいう。更に具体的にいうならば、後工程は、ウエハ上に最初の金属層が付着されるときに開始される。後工程で形成されるのは、チップーパッケージ相互間の接続のためのコンタクト、絶縁層、金属レベル及びボンディング箇所等である。

キャパシタの評価のための幾つかの特性は、静電容量密度（capacitive density）、グランドに対する寄生容量、及び一以上の機能パラメータがデバイスの向き（device orientation）によりどの程度影響を受けるか等である。後工程により形成された現在のキャパシタ（ＢＥＯＬキャパシタ）は、幾つかの欠点を有する。標準的なＢＥＯＬで形成される櫛の歯状キャパシタの場合、デバイスは両方向において対称でないために、向きに依存した動作、望ましくない寄生容量及び回路のミスマッチ（不整合）を生じる。非対称的な形状は又、増大した面積を必要とする。更に、現在のＢＥＯＬキャパシタは、最下層のキャパシタのアノードが半導体基板に結合することにより生じる望ましくない大きな寄生容量を有する。

従来技術の欠点は、本発明により解決され、そして、好ましい利点が、高誘電率誘電材料層により互いに分離された複数の導電体坦持層のそれぞれにおいて、ほぼ正方形の形を形成するように配列された複数個の細長い導電体を使用する本発明により実現される。ここで、複数個の細長い導電体のそれぞれは、約９０度の曲がり部を少なくとも１つ有する。複数個の細長い導電体は、アノード端子に接続された第１組の細長い導電体と、カソード端子に接続された第２組の細長い導電体とを含む。複数の導電体坦持層は、最も底にある導電体坦持層を有し、この最も底にある導電体坦持層は、複数の導電体坦持層のうちの残りの導電体坦持層に比べて最も基板に最も近接即ち隣接して配置される。最も底にある導電体坦持層は、カソード端子に接続されている細長い導電体のみを含み、アノード端子に接続されている細長い導電体を含まない。更に具体的にいうと、集積回路が設けられたウエハ即ち基板に接して、誘電材料内に複数個の細長い導電体が設けられている導電体坦持層が設けられ、更にこの上に，高誘電率誘電材料層と上記導電体坦持層がこの順番で交互に積層されており、複数の導電体坦持層相互間は高誘電率誘電材料層により分離されている。複数の導電体坦持層のそれぞれにおいて、正方形領域の辺に対して平行に延び且つ少なくとも１つの９０度の曲がり部をそれぞれが有する複数個の細長い導電体が上記正方形領域内で互いに間隔を空けて且つ互いに平行に配置されている。上記正方形領域内の複数個の細長い導電体相互間に誘電材料が存在する。導電体坦持層の複数個の細長い導電体は、カソード端子に接続される第１組の細長い導電体と、アノード端子に接続される第２組の細長い導電体とをからなる。カソード端子に接続される第１組に属する細長い導電体と、アノード端子に接続される第２組に属する細長い導電体は、正方形領域内で交互に且つ互いに平行に配置される。即ち、カソード端子に接続される細長い導電体相互間にアノード端子に接続される細長い導電体が配置される。１つの導電体坦持層の細長い導電体と、他の導電体坦持層の細長い導電体とは、高誘電率誘電材料層を挟んで対面する。基板に接して設けられる導電体坦持層には、アノードに接続される細長い導電体は設けられておらず、カソードに接続される細長い導電体のみが設けられている。本発明に従う製造方法は、それぞれが誘電材料に複数個の細長い導電体が設けられた複数の導電体坦持層であって、それぞれの導電体坦持層の複数個の細長い導電体のそれぞれが、誘電材料の正方形領域の辺に対して平行に延び且つ少なくとも１つの９０度の曲がり部を有する複数の導電体坦持層相互間に高誘電率誘電材料層を設けた多層キャパシタ構造を基板上に形成するステップと、複数個の細長い導電体は第１組の細長い導電体及び第２組の細長い導電体からなり、第１組の細長い導電体をカソード端子に接続し、第２組の細長い導電体をアノード端子に接続するステップとを含み、複数の導電体坦持層のうち基板に接して設けられている最下部の導電体坦持層にカソード端子に接続される第１組の細長い導電体のみが設けられている。

９０度の曲がり部を有する細長い導電体を使用する多層キャパシタは、細長い導電体上に導電性接続タブを設ける必要性をなくすることにより、静電容量密度を増大する。基板に最も近接即ち隣接するキャパシタの導電体坦持層は、基板への電界結合そしてこの電界結合により生じる寄生容量を排除若しくは減少するために、カソード端子に接続されている細長い導電体のみを含み、アノード端子２７に接続されている細長い導電体を含まない。

図を詳細に参照すると、図１は、図３のように導電性坦持層及び高誘電率誘電材料層の積層体である、向きに依存しない多層ＢＥＯＬキャパシタの１つの例の平面図である。複数の導電体坦持層のそれぞれにおいて、複数個の細長い導電体１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１及び２２は、ほぼ正方形の形を形成するように配列される。図１は、１つの導電体坦持層を示し、図３は他の導電体坦持層の例を示し、そしてこれについては後述する。例として、複数の導電体坦持層のそれぞれは、低誘電率誘電材料に例えば低抵抗導電性材料の複数個の細長い導電体が形成されている構造を有し、そして、導電体坦持層相互間は、例えば高誘電率誘電材料層により分離されている。高誘電率誘電材料の例は、五二酸化タンタル（tantalum pentoxide）及びシリコン窒化物であり、一方、低誘電率誘電材料の例は、フッ素化ガラス（fluorinated glass）、エーロゲル（aerogel）、ポリアリルエーテル系材料であるザ・ダウ・ケミカル社製のＳｉＬＫ（Ｒ）若しくはハイドロジェンシルセスキオキサン（ＨＳＱ、hydrogen silsesquioxane）である。導電性材料は、アルミニウム、銅、金属含有合金若しくは他の種々な材料である。銅の場合には、ダマシンＢＥＯＬプロセスを利用することができる。

複数個の細長い導電体１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１及び２２のそれぞれは、約９０度の曲がり部を少なくとも１つ有する。複数個の細長い導電体は、カソード端子２５に接続されている第１組の細長い導電体１２，１４，１６，１８，２０及び２２と、アノード端子２７に接続されている第２組の細長い導電体１３，１５，１７，１９及び２１を含む。細長い導電体１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０，２１及び２２は、第１導電体坦持層の細長い導電体を第２導電体坦持層の細長い導電体に接続するための１以上の貫通バイア２４を有する。又、貫通バイア２４は、細長い導電体相互間を接続する。複数の導電体坦持層は、最も底にある導電体坦持層を有し、この最も底にある導電体坦持層は、複数の導電体坦持層のうちの残りの層に比べて最も基板の近くにある。最も底にある層は、カソード端子２５に接続されている細長い導電体のみを含み、アノード端子２７に接続されている細長い導電体を含まない。

図２は、図３のように導電性坦持層及び高誘電率誘電材料層の積層体である、向きに依存しない多層ＢＥＯＬキャパシタの他の例の平面図である。複数の導電体坦持層のそれぞれにおいて、複数個の細長い導電体１１２，１１３，１１４，１１５，１１６及び１１７は、ほぼ正方形の形を形成するように配列される。図２は、１つの導電体坦持層を示し、図３は更に他の導電体坦持層及び高誘電率誘電材料層を積層した例を示し、そしてこれについては後述する。図１に関して説明したように、複数の導電体坦持層のそれぞれは、低誘電率絶縁層に例えば低抵抗導電性材料の複数個の細長い導電体を形成した構造を有し、そして、導電体坦持層相互間は、例えば高誘電率誘電材料層により分離されている。

複数個の細長い導電体１１２，１１３，１１４，１１５，１１６及び１１７（図２）のそれぞれは、ほぼ９０度の曲がり部を少なくとも１つ有する。例えば、図２の構造は、それぞれが約９０度の曲がり部を４つ有する細長い導電体１１２，１１３，１１４，１１５，１１６及び１１７を有し、これらの細長い導電体は、同心的な正方形の形を形成する。複数個の細長い導電体は、アノード端子１２７接続されている第１組の細長い導電体１１２，１１４及び１１６と、カソード端子１２５に接続されている第２組の細長い導電体１１３，１１５及び１１７を含む。細長い導電体１１２，１１３，１１４，１１５，１１６及び１１７は、第１導電体坦持層の細長い導電体を第２導電体坦持層の細長い導電体に接続するための１以上の貫通バイア１２４を有する。貫通バイア１２４は、細長い導電体相互間を接続する。複数の導電体坦持層は、最も底にある導電体坦持層を有し、この最も底の導電体坦持層は、複数の導電体坦持層のうちの残りの導電体坦持層に比べて最も基板の近くにある。最も底の導電体坦持層は、カソード端子１２５に接続されている細長い導電体のみを有し、アノード端子１２７に接続されている細長い導電体を有しない。

図３は、図１の軸Ａ−Ａ‘に沿って得られたキャパシタの断面図である。第１導電体坦持層２０１は、細長い導電体１６，１９，１４，１５，１２，１３，１８，１５，２０，１９及び２２を含む。細長い導電体１２，１４，１６，１８，２０及び２２は、カソード端子２５（図１）に接続され、一方、細長い導電体１３，１５，１７，１９及び２１は（図３）は、アノード端子２７（図１）に接続される。第１導電体坦持層２０１の下は誘電材料層２０６である。誘電材料層２０６の下は、第２導電体坦持層２０２である。第２導電体坦持層２０２は、図１に１つの層構造として示されている第１導電体坦持層２０１の細長い導電体１６，１９，１４，１５，１２，１３，１８，１５，２０，１９及び２２とほぼ同じ１組の細長い導電体を有する。

第２導電体坦持層２０２（図３）の下は誘電材料層２０８である。誘電材料層２０８の下は、第３導電体坦持層２０３である。第３導電体坦持層２０３は、図１に１つの層構造として示されている第１導電体坦持層２０１の細長い導電体１６，１９，１４，１５，１２，１３，１８，１５，２０，１９及び２２とほぼ同じ１組の細長い導電体を有する。第３導電体坦持層２０３（図３）の下は誘電材料層２１０である。誘電材料層２１０の下は第４導電体坦持層である。

第４導電体坦持層２０４は、第１導電体坦持層２０１，第２導電体坦持層２０２及び第３導電体坦持層２０３のそれぞれに比べて基板２１２に最も接近している。第４導電体坦持層２０４は、第１導電体坦持層２０１のカソード端子２５に接続されている細長い導電体１６，１４，１２，１８，２０及び２２（図１）とほぼ同じである、カソードに接続された１組の細長い導電体を含む。しかしながら、第４導電体坦持層（図３）は、アノード端子２７（図１）に接続された細長い導電体を含まない。この特徴は、アノード素子が基板２１２（図３）に結合することにより生じる寄生容量を減少若しくは排除するために設けられている。

基板２１２に最も近い最も下側の導電体坦持層（即ち第４導電体坦持層）においてアノードに接続される細長い導電体を設けないことにより生じる電界εが、図３に示されている。これらの電界εは、基板２１２（図３）に入り込む代わりにカソード端子２５（図１）に接続された細長い導電体において終端していることが図３から明らかである。従来のＢＥＯＬキャパシタ設計では、これらの電界の殆どが基板２１２に侵入し、これにより望ましくない寄生容量を生じた。このように、従来の設計において電界は、キャパシタのボディから出て基板に入り込むので、キャパシタの電気的特性がキャパシタの物理的向きに依存するという問題を生じた。これに対して、図３に示したキャパシタの設計概念は、キャパシタから出て基板に入り込む電界を殆どなくすることにより、キャパシタの電気的特性をキャパシタの物理的向きに関係なくほぼ一定に維持することができる。

第１導電体坦持層２０１，第２導電体坦持層２０２，第３導電体坦持層２０３及び第４導電体坦持層のそれぞれの誘電材料は、例えばフッ素化ガラス（fluorinated glass）、エーロゲル（aerogel）、ポリアリルエーテル系材料であるザ・ダウ・ケミカル社製のＳｉＬＫ（Ｒ）、ハイドロジェンシルセスキオキサン（ＨＳＱ、hydrogen silsesquioxane）若しくはこれらの組み合わせのような低誘電率絶縁層で形成することができる。細長い導電体１６，１９，１４，１５，１２，１３，１８，１５，２０，１９及び２２は、例えば、アルミニウム、銅若しくは他の種々な材料のような低抵抗導電性材料で形成することができる。銅の場合には、ダマシンＢＥＯＬプロセスが利用され得る。第１導電体坦持層２０１及び第２導電体坦持層２０２相互間を分離する誘電材料層２０６，第２導電体坦持層２０２及び第３導電体坦持層２０３相互間を分離する誘電材料層２０８並びに第３導電体坦持層２０３及び第４導電体坦持層２０４相互間を分離する誘電材料層２１０は、五二酸化タンタル（tantalum pentoxide）、シリコン窒化物若しくは他の種々な高誘電率誘電材料のような高誘電率誘電材料で形成される。

本発明を特定な実施例を参照して説明したが、説明した特定な実施例は、説明の都合上選択されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、他の種々な変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

向きに依存しない多層ＢＥＯＬキャパシタの１つの例を示す図である。 向きに依存しない多層ＢＥＯＬキャパシタの他の例を示す図である。 図１の軸Ａ−Ａ‘に沿ったキャパシタの断面を示す図である。

符号の説明

１２−２２ 細長い導電体
２４ 貫通バイア
２５ カソード端子
２７ アノード端子
１１２−１１７ 細長い導電体
１２４ 貫通バイア
１２５ カソード端子
１２７ アノード端子
２０１−２０４ 導電体坦持層
２０６，２０８，２１０ 誘電材料層
２１２ 基板

Claims (16)

1. 基板上に設けられ、且つそれぞれが誘電材料に複数個の細長い導電体が設けられている複数の導電体坦持層であって、それぞれの導電体坦持層の前記複数個の細長い導電体のそれぞれが、前記誘電材料の正方形領域の辺に対して平行に延び且つ少なくとも１つの９０度の曲がり部を有し、前記複数個の細長い導電体は、カソード端子に接続される第１組の細長い導電体及びアノード端子に接続される第２組の細長い導電体を含む前記複数の導電体坦持層と、
   該複数の導電体坦持層相互間に設けられた高誘電率誘電材料層とを備え、
   前記複数の導電体坦持層のうち前記基板に接して設けられている最下部の導電体坦持層に前記カソード端子に接続される第１組の細長い導電体のみが設けられている多層キャパシタ構造。
2. 前記導電体坦持層の前記誘電材料は、低誘電率誘電材料である、請求項１に記載の多層キャパシタ構造。
3. 前記細長い導電体は、１以上の金属若しくは金属含有合金からなる低抵抗導電性材料を使用して形成される、請求項１に記載の多層キャパシタ構造。
4. 前記複数の導電体坦持層相互間は、前記高誘電率誘電材料層により分離されている、請求項１に記載の多層キャパシタ構造。
5. 前記高誘電率誘電材料層は、五二酸化タンタル及び窒化シリコンの少なくとも１つである、請求項４に記載の多層キャパシタ構造。
6. 前記低誘電率誘電材料は、フッ素化ガラス、エーロゲル、ポリアリルエーテル系材料及びハイドロジェンシルセスキオキサンからなる群から選択される、請求項２に記載の多層キャパシタ構造。
7. 前記低抵抗導電性材料は、アルミニウム及び銅の少なくとも１つである、請求項３に記載の多層キャパシタ構造。
8. 前記低抵抗導電性材料の前記細長い導電体は、ダマシン後工程により設けられる、請求項７に記載の多層キャパシタ構造。
9. それぞれが誘電材料に複数個の細長い導電体が設けられている複数個の細長い導電体を有する複数の導電体坦持層であって、それぞれの導電体坦持層の前記複数個の細長い導電体のそれぞれが、前記誘電材料層の正方形領域の辺に対して平行に延び且つ少なくとも１つの９０度の曲がり部を有する前記複数の導電体坦持層相互間に高誘電率誘電材料層を設けた多層キャパシタ構造を基板上に形成するステップと、
   前記複数個の細長い導電体は第１組の細長い導電体及び第２組の細長い導電体からなり、前記第１組の細長い導電体をカソード端子に接続し、前記第２組の細長い導電体をアノード端子に接続するステップとを含み、
   前記複数の導電体坦持層のうち前記基板に接して設けられている最下部の導電体坦持層に前記カソード端子に接続される第１組の細長い導電体のみが設けられている、多層キャパシタ構造の製造方法。
10. 前記導電体坦持層の前記誘電材料は、低誘電率誘電材料である、請求項９に記載の製造方法。
11. 前記細長い導電体は、１以上の金属若しくは金属含有合金からなる低抵抗導電性材料を使用して形成される、請求項９に記載の製造方法。
12. 前記複数の導電体坦持層相互間は、前記高誘電率誘電材料層により分離されている、請求項９に記載の製造方法。
13. 前記高誘電率誘電材料層は、五二酸化タンタル及び窒化シリコンの少なくとも１つである、請求項１２に記載の製造方法。
14. 前記低誘電率誘電材料は、フッ素化ガラス、エーロゲル、ポリアリルエーテル系材料及びハイドロジェンシルセスキオキサンからなる群から選択される、請求項１０に記載の製造方法。
15. 前記低抵抗導電性材料は、アルミニウム及び銅の少なくとも１つである、請求項１１に記載の製造方法。
16. 前記低抵抗導電性材料の前記細長い導電体は、ダマシン後工程により形成される、請求項１５に記載の製造方法。

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