JPS6252952B2

JPS6252952B2 -

Info

Publication number: JPS6252952B2
Application number: JP50168879A
Authority: JP
Inventors: Donarudo Ranbaado Fureizaa; Maikeru Furanshisu Tonpusetsuto
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1979-09-07
Filing date: 1979-09-07
Publication date: 1987-11-07
Also published as: JPS55500734A

Description

請求の範囲１各容量値が比Ｋと互いになるようにされ、小
さい方のキヤパシタンス構造が面積Ａ_Sと周囲Ｐ_S
とをその少なくとも一方が有する２個の離間した
電極１０，１６を含むものである一対のキヤパシ
タンス構造から成る集積回路において；該キヤパシタンス構造対の大きな方のキヤパシ
タンス構造は、Ａ_L＝KA_S及びＡ_Ｓ／Ｐ_Ｓ＝Ａ_Ｌ／Ｐ_Ｌなる面積Ａ_L及び周囲Ｐ_Lとをその少なくとも一方
が有する２個の離間した電極３０，４０から成
り、該小さな方のキヤパシタンス構造の少なくと
も一方の電極はＨ形から成り、該大きな方のキヤパシタンス構造の少なくとも
一方の電極はｍが該比Ｋの整数部分であるとき一
体形成されたｍ個のＨ形から成り、そして該大き
な方のキヤパシタンス構造の該一方の電極は該比
Ｋの非整数部分に対応した一体形成されたＨ形の
一部から更に成ることを特徴とする集積回路。

２請求の範囲第１項に記載された集積回路にお
いて、該小さな方のキヤパシタンス構造の該Ｈ形状電
極の形状は、各ｂの高さ及びＣの幅の２個の同一
のくぼみ領域で規定され、該大きな方のキヤパシ
タンス構造の該一方の電極の形状は、それぞれｈ
の高さ、Ｃの幅でｈ＞ｂなる2m個の同一くぼみ
領域により規定されることを特徴とする集積回
路。

３請求の範囲第２項に記載された集積回路にお
いて、該小さな方のキヤパシタンス構造の該一方の電
極は、多数の270度角を含み、該大きな方のキヤ
パシタンス構造の該一方の電極は、該小さな方の
キヤパシタンス構造の該一方の電極の270度角の
数のＫ倍を含むことを特徴とする集積回路。

４請求の範囲第２項に記載された集積回路にお
いて、該構造のそれぞれは二酸化シリコンの層により
分離された多結晶シリコンで作られた２個の電極
から成ることを特徴とする集積回路。

明細書本発明は容量値が特定の比率をもつように設計
される少くとも一対のキヤパシタンス構造から成
る集積回路に係る。

多数の周知の回路形態は、高比精度キヤパシタ
を必要とする。たとえば、Journal of Solid―
State Circuits、第SC―10巻、第６号、371―379
頁、1975年12月の“全―MOS電荷再分布アナロ
グ―デイジタル変換技術―第１部”と題する論文
には、高速連続近似変換を行うための、二値重み
づけキヤパシタの使用が述べられている。この論
文の373頁に述べられているように、アレイ中の
〔キヤパシタの〕比精度の最適化は、考えられる
最も重要な点である。

加えて、高比精度キヤパシタ形状はいわゆるス
イツチキヤパシタ・フイルタユニツトに必要であ
る。（そのようなユニツトの記述については、“ア
ナログサンプル―データフイルタ”IEEE
Journal of Solid―State Circuits、第SC―７
号、第４号、302―304頁、1972年８月参照）この
形のフイルタにおいては、±１％以下のキヤパシ
タ比精度が、しばしば指定される。

集積回路における調和レシオキヤパシタの製造
には、典型的な場合各種のエツチング工程を含む
一連のプロセスが含まれる。そのようなプロセス
中、最適の指定比率からのずれがしばしば起る。
従つて、たとえばキヤパシタ製作プロセス中のア
ンダーエツチング又はオーバーエツチングは、指
定比率からの許容できないずれを起しうる。

集積回路キヤパシタの作製に用いられるエツチ
ング工程中の変化に起因する比率の誤差は、たと
えば、同一の個別キヤパシタユニツトを並列に相
互接続することにより減少できる。（上に述べた
第１の論文の374頁の第６図を参照のこと。）この
相互接続されたアレイは比較的大きな容量値ユニ
ツトを形成する。一方、調和レシオキヤパシタ対
の比較的小さな容量値ユニツトは、１個又は複数
のそのような同一ユニツトから成る。そのように
して、それらの値が整数レシオ値で関係づけられ
たユニツトの調和対ができる。対をなすキヤパシ
タユニツトは、それぞれ指定された比率にやはり
関連した各周囲と面積を有する。重要なことは、
そのようなユニツト対のあらかじめ規定された容
量比はキヤパシタ製作中でのエツチングの変動に
対し実質的に影響されないということである。

しかし、集積回路中のレシオキヤパシタの前記
の製作法は、いくつかの不利な点がある。第１
に、歩留り従つてそのようなアレイの価格は、相
互接続アレイ中のキヤパシタユニツトに対し、微
細電極窓の独立の対を形成しなければならないと
いう必要性の影響を受ける。高レシオアレイの場
合は、これは明らかに、やつかいな条件となる。
第２に、容量値の比較的大きな比率を特に指定し
た場合、アレイの寄生容量は許容できないほど大
きくかつ予測できない傾向がある。第３に、相互
接続アレイ方式は非整数比を有するキヤパシタユ
ニツトのプロセスを感じない作製法にはならな
い。

上に述べたことから、集積回路中に用いる改善
されたレシオキヤパシタ形状を考案しようという
試みが、続けられてきた。そのような改善された
形状は、もしそれが可能ならば、キヤパシタが重
要な構成要素である回路構成全体の価格と特性を
改善するであろう。

本発明に従うと、一対のキヤパシタ構造を有す
る集積回路において、これらの問題が解決され
る。一対のキヤパシタは比率Ｋ、実効的な面積Ａ
_Sと実効的な周囲Ｐ_Sを有するより小さな容量要素
及び実効的な面積Ａ_Lと実効的な周囲Ｐ_Lを有する
より大きな容量要素を有するように設計される。
こゝで、Ａ_L＝KA_S及びＡ_Ｓ／Ｐ_Ｓ＝Ａ_Ｌ／Ｐ_Ｌである。本発明の原理の具体的な実施例におい
て、これらの関係はレシオキヤパシタを形成する
ために、いわゆるＨ断面形状を用いることにより
満足される。

図面において、第１図は二つのレシオキヤパシタの小さい方の
一電極（かつ他の電板のタブ部分のみ）の上面図
で、本発明の原理を実施した具体的な電極形状の
例を示す図、第２図は二つのレシオキヤパシタの大きい方の
一電極及び他方の電極のタブ部分のみ）の上面図
で、本発明の原理を実施する具体的な電極形状の
例を示す図、第３図は第１図に示された形の電極を含む全キ
ヤパシタの具体的な集積回路としての実施例の断
面側面図、第４図は第２図に示された形の電極を含む全キ
ヤパシタの具体的な集積回路としての実施例の断
面側面図である。

本発明の原理に従うと、レシオキヤパシタが独
特の形状を用いた集積回路型に作られる。本発明
の具体的な一実施例において、一対のレシオキヤ
パシタの各キヤパシタは、二つだけの特定の形態
を有する電極を含む。従つて、キヤパシタ対への
電気的接続をするためには、４個のみの電極窓を
形成する必要がある。更に、比較的小さくかつ予
測できる寄生容量だけで、それにより比較的大き
なキヤパシタ比が実現できる。重要なことは、電
極の形状は作製プロセス中起るエツチングの変化
にもかゝわらず、あらかじめ設計されたキヤパシ
タンス比が高い精度で維持されるようなものであ
ることである。しかも、これは非整数比を指定し
た場合ですら、このとうりである。

第１図に示された具体的な上部キヤパシタ電極
１０の例は、その上部及び底部からそれぞれ離さ
れた二つの等しい大きさの部分を有する一般的な
長方形の形態から成る。こゝではこれ以後この具
体的な電極は、大文字のＨに似た形状をしている
が、Ｈ形状を有すると呼び、離れた部分は“くぼ
み”と呼ぶ。

第１図の上部電極１０はまた、図示された上部
電極の右側の部分から突き出た比較的小さな面積
の電極タブ部分１２から成る。以下の説明から明
らかになるように、電極１０への電気的接続は、
導電性材料でタブ部分１２により接触させること
により形成される。

第１図の上部キヤパシタ電極１０の下に、それ
とは離間して配置されて、低い方のキヤパシタ電
極がある。低部電極の電極タブ部分１４のみが、
第１図に示されている。たとえば、もし電極タブ
部分１２及び１４を無視するならば、低部電極の
形状は本質的に上部電極のそれと本質的に同一で
ある。従つて、低部電極はまたＨ断面形状を有す
るとする。

第１図中に示された具体的なユニツトのキヤパ
シタンスは、図示された電極の重量した部分によ
つてのみ、本質的に決められる。言いかえれば、
電極の電極タブ部分１２及び１４は、ユニツトの
容量に重要な影響を与えない。従つて、もし部分
１２及び１４の実際の形状があらかじめ決められ
た理想的な設計からわずかに変化しても、それは
重量なことではない。作製中そのような変化が起
つても、ユニツトの集積回路実施例の容量値に
は、著しい影響を与えない。従つて、これ以後電
極タブ部分の面積及び周囲は、電極の全体の面積
及び周囲の一部分としては含まれない。図面に示
された電極の全体の面積及び周囲を決める際、図
示された各種のタブはそれらの各々の電極から分
離されていると、実効的に仮定してよい。そのよ
うに修正すると、電極はいわゆる実効的な面積と
周囲を有すると、こゝではする。

第１図に示された電極１０の高さはＷ_S、電極
の幅はＬ、それから離れた部分（くぼみ）はそれ
ぞれ高さｂと幅ｃを有する。電極タブ部分１２及
び１４はそれぞれ高さｅ及び幅ｆを有する。本発
明の原理に従つて集積回路の形に作られた具体的
な一実施例においては、Ｗ_S＝40ミクロン（μ
ｍ）、Ｌ＝20μｍ、ｂ＝５μｍ、ｃ＝10μｍ、ａ
＝５μｍ、ｅ＝ｆ＝６μｍである。その具体的な
実施例において、電極１０は単位面積当り約50オ
ームの抵抗率を有する5000オングストロームの厚
さのドープされた多結晶シリコンで作ると有利で
ある。また、電極１０（第３図にもまた示されて
いる）は本質的に同一な低部電極１６（第３図）
から離間している。たとえば、第３図に示されて
いるように、（約1000オングストロームの厚さ）
の二酸化シリコン層が、電極１０及び１６間には
さまれている。本発明の原理に従つて作られたそ
のようなキヤパシタの一例の容量は、0.5ピコフ
アラツドと測定された。

実際上は、本発明に従つて作られるキヤパシタ
ユニツトの両電極は、同一である必要がない。上
に示されたように、各ユニツトの容量は電極の重
なりあつた部分によつてのみ、本質的に決められ
る。従つて、本発明の基本的な視点に従うと、各
ユニツトの一電極のみがこゝで指定した独得の型
のＨ形状をもつ必要がある。各ユニツトの他方の
電極は、たとえばＨ形状電極が重なる単純な長方
形の形状でよい。しかし、一方設計及び作製上の
調和のため、または構造中の寄生容量を減すた
め、各ユニツトの電極は同一又は本質的に同一に
作ると有利なことがしばしばある。実際、上部電
極は先に述べたＨ形状を有し、離間した低部電極
はまたＨ形状を有するが、寸法はわずかに大きい
ユニツトを作るのが容易である。従つて、たとえ
ばすぐ上のパラグラフで指定した寸法を上部電極
が有するそのようなユニツトの具体的な実施例に
おいては、ユニツトの低部電極は、以下の寸法を
有する。Ｗ_S＝44μｍ、Ｌ＝24μｍ、ｂ＝５μ
ｍ、ｃ＝６μｍ、ａ＝ｄ＝９μｍ。この具体例に
おいて、上部電極の寸法は比較的厳密さを必要と
し、ユニツトの容量を本質的に決定する。大さな
方の低部電極の寸法は、厳密である必要はない。
更に、二つのそのような異なる寸法の電極間の配
置は、厳密である必要はなく、必要なことは上部
電極の全体が低部電極の部分と重なるということ
だけである。

こゝで、詳細に説明するための具体的な例を示
すために、それぞれが調整された（電極タブを除
き）同一の電極を有する理想化されたユニツトを
仮定する。実際、ユニツトの電極が同一でない場
合には、以下に述べる関係が指定された実効的な
周囲及び面積は、各ユニツトの厳密なＨ形状電極
のみのそれである。

第１図に示された電極を含むキヤパシタユニツ
トの具体的全体の断面側面図が、第３図に示され
ている。第１図に示された線３―３における断面
図である。

第３図に示されたキヤパシタユニツトは、各電
極タブ部分１２及び１４を含む先に述べた電極１
０及び１６を含む。図示されたユニツトは更に、
二酸化シリコンの層２０をその上に有するシリコ
ン基板１８を含む。具体的な一実施例において、
基板１８の最上部と低部電極１６の最下部の間の
層２０の厚さは、約9000オングストロームであつ
た。その実施例において、電極１０及び１６のそ
れぞれの厚さは約5000オングストロームで、電極
１０及び１６の重なりあつた部分間の二酸化シリ
コン領域２２の厚さは約1000オングストローム
で、先に述べた例における値と同じである。上部
電極１０の最上部に、約8000オングストロームの
厚さの二酸化シリコンの層２４が配置されてい
る。

電極１０及び１６への各電気的接続もまた第３
図に示されている。これらの接続は、たとえば当
業者には周知の各種の標準的方法のいずれかによ
り二酸化シリコン中に形成された小面積の電極窓
中に被着された導電体領域２６及び２８から成
る。これらの窓は電極タブ部分１２及び１４とそ
れぞれ位置を合わせて、作られている。従つて、
たとえばアルミニウムのような導電体材料が、二
酸化シリコン領域２４の最上表面上に被着された
時、アルミニウムの部分は窓の中まで延び、電極
１０及び１６の各タブ部分への電気的接続をす
る。次に、ユニツトの最上表面全体上に被着され
たアルミニウム層は、個々の離間した導電体を形
成するため、標準的な方法でパターン形成され
る。このようにして、これらの導電体はこゝで示
されたキヤパシタユニツトを、全体の回路アレイ
中に含まれる他の成分へ接続するために使われ
る。

本発明の原理に従い作成される具体的な大容量
値キヤパシタユニツトの一部が、第２図に示され
ている。電極タブ部分３２を含む上部電極３０全
体と、このユニツトの低部電極の電極タブ部分３
４のみが、第２図に表されている。二つの電極は
正確に重なるように位置合わせされると、仮定さ
れる。第１図に関連して上に述べた同じ理由によ
り、再びタブ部分は電極の面積及び周囲を考える
時は、実効的に無視してよい。

本発明の利点は、比較的大きな非整数キヤパシ
タレシオを扱う時、特に明らかである。従つて、
たとえば、15：１±0.5％のキヤパシタンスレシ
オを有する有利な調和したユニツトを作り、試験
も成功した。しかし、図面を不必要に複雑にしな
いために、比較的小さな比率のキヤパシタユニツ
ト対が、こゝでの図には描かれている。従つて、
第２図及び第４図に表された具体的なユニツトの
例は、第１図及び第３図に表されたユニツトのそ
れの3.1倍の容量値を有すると、仮定される。

レシオキヤパシタユニツトを作成する際、ユニ
ツトは一般的に調和した構造を示すように設計す
ると有利である。従つて、たとえば、第２図に一
部が示されているようなより大きなユニツトの作
製は、構成部分のそれぞれが、第１図に部分的に
示されたより小さなユニツトの対応する特性と、
幅及び一般的な形状が適応するように、ユニツト
を設計することにより、容易になる。このように
して、本発明の原理の視点に従うと、第２図に表
された各電極は、たとえば各幅がＬである３個の
主Ｈ形部分から成る。更に、そのような電極のそ
れぞれは、幅dfを有する余分の部分を含む。重畳
部分によつて決る容量は、指定された比の非整数
部分から成る。従つて、上で仮定した具体的な例
の場合、離間した部分は、第１図に一部が示され
たユニツトのそれの0.1倍の容量を示すように設
計されている。第２図の３個の主部分のそれぞれ
は、第１図の構成のそれと同じ容量を示すように
設計される。そのため、全体として、第１図及び
第２図のユニツトは、3.1：１の容量比が関連し
ている。こゝで、指定された比は文字Ｋで表され
ている。

第２図に示した電極を含むキヤパシタユニツト
全体が第４図に示されている。第４図のキヤパシ
タユニツトは、寸法自体は大きくなつているが、
前述した第３図に示したユニツトと凡そ同じもの
にするのが好ましい。

エツチングの変化に比較的影響されない示され
た容量比を作るため、図示されたキヤパシタ構造
では、いくつかの設計上の原則が具体化されなけ
ればならない。第１に、相対的に大きなユニツト
の各電極の実効的な面積Ａ_Lは、小さな方のユニ
ツトの各電極の実効的面積Ａ_SのＫ倍（すなわ
ち、Ａ_L＝KA_S）でなければならない。第２に、
電極の実効的な周囲及び面積は、次の関係になけ
ればならない。

Ａ_Ｓ／Ｐ_Ｓ＝Ａ_Ｌ／Ｐ_Ｌこゝで、Ｐ_Sは小さい方のユニツトの各電極の
実効的な周囲、Ｐ_Lは大きい方のユニツトの各電
極の実効的な周囲である。

加えて、集積回路状にレシオキヤパシタユニツ
トを作製する間に起る角が丸まる効果が知られて
いる。これらの効果は、典型的な場合、いわゆる
90度及び270度角の場合で異なる。（第２図におい
て、参照数字３６は典型的な90度角、数字３８は
典型的な270度角を示す。）理想的には、より大き
なキヤパシタンスユニツト中の各型の角の数は、
より小さな方のキヤパシタンスユニツト中に含ま
れる対応する数のｍ倍にする。こゝで、ｍはレシ
オＫの整数部分である。

第１図及び第２図から明らかなように、大きな
方の電極３０に含まれる270度角の数は、小さな
方の電極１０中のそのような角の数の、正確に３
倍である。しかし、大きな方の電極３０中の90度
角は、小さな方の電極１０中のそのような角の数
のわずか２倍である。これは理想ではなく、示さ
れた90度角の間の関係は、Ｋが増すにつれｍによ
り近づく。

図に示された具体的なキヤパシタユニツトの例
においては、（電極３０のような）大きな方の電
極のそれぞれから離れたくぼみは、やはりそれぞ
れｃの幅であると有利である。しかし、本発明の
原理に従うと、そのようなくぼみの各々は高さｈ
である。先に指定した面積及び周囲の関係を確実
に満足するように、以下で述べる系統的な手順に
従い、寸法ｈを選択する。

レシオキヤパシタ対の大きな方のキヤパシタン
スユニツトを、実効的には、単に第１図型の形状
の同一数に合わせることにより形成するならば、
先に指定した面積の関係は、それにより満される
であろう。しかし、もちろん指定された周囲につ
いての関係は、それによつて満されないであろ
う。従つて、本発明の原理の具体的な一視点に従
うと、合わせた形状の各々の中心から領域を離
し、多数形状ユニツトの脚につけ加えられる。そ
のようにして、二つのキヤパシタユニツトの指定
された面積の比は維持され、一方同時に、大きな
方のキヤパシタンスユニツトの周囲は、指定され
た周囲比を正確に実現するために、選択的に増大
される。小さな方のキヤパシタンスユニツト例の
基本的なＨ形状に対して、大きな方のユニツトは
複数の修正Ｈ形状から成るように見える。

図に示された型のレシオ対の二つのキヤパシタ
ユニツト間の先に指定した所望の周囲関係は、以
下のように表される。

n²〔8b²（2m＋１）〕＋ｎ〔8b²（ｍ−Ｋ）＋4bW_S（2m−Ｋ＋２）＋4bL（ｍ−Ｋ）〕＋〔2W_SL（ｍ−Ｋ）＋4bW_S（ｍ−Ｋ）＋2W_S ²（１−Ｋ）＋2Af〕＝０ (1) こゝで、ｎ＝大きな方のキヤパシタの各くぼみ
領域から離れた追加された高さｂのくぼみの数、Ｗ_S＝小さな方のキヤパシタの高さＬ＝小さな方のキヤパシタの幅ｂ＝小さな方のキヤパシタ中のくぼみの高さｍ＝大きな方のキヤパシタ中の完全なＨ部分の
数Ｋ＝全キヤパシタンスレシオ Af＝大きな方のキヤパシタの部分の面積上の第(1)式は、以下のように書き直せる。

An²＋Bn＋Ｃ＝０ (2) こゝで、Ａ＝8b²（2m＋１）Ｂ＝8b²（ｍ−Ｋ）＋4bW_S（2m−Ｋ＋２）＋4bL（ｍ−Ｋ）Ｃ＝2W_SL（ｍ−Ｋ）＋4bW_S（ｍ−Ｋ）＋2W_S ²（１−Ｋ）＋2Af 従つて、図に示された具体的な形のキヤパシタ対の例を
仮定する。この場合、Ｗ_S＝40.02μｍ、Ｌ＝20μ
ｍ、ｂ＝5.0μｍ、Ｃ＝10μｍ、ｍ＝３、Ｋ＝
3.1、Af＝70.04μm²．すると、Ａ＝1400.0、Ｂ＝
3861.7、Ｃ＝−6826.0n＝1.224.従つて、Ｗ_L＝Ｗ_S
＋2nb、ｈ＝2nb＋ｂ及びＷ_c＝Ｗ_S−２（ｎ−
１）ｂであるから、Ｗ_L＝52.26μｍ、ｈ＝17.24
μｍ、Ｗ_c＝17.78μｍ及びdf＝1.34μm. 上に述べた具体的な値の例では、図示された小
さな方のキヤパシタの電極面積Ａ_Sは700.35μm²
である。図示された大きな方のキヤパシタの電極
面積Ａ_Lは、2171.09μm²でＡ_Sの正確に3.1倍であ
る。小さな方のキヤパシタの電極の周囲Ｐ_Sは
140.035μｍ、大きな方のキヤパシタの電極の周
囲Ｐ_Lは434.109μｍである。従つて、Ａ_Ｓ／Ｐ_Ｓ＝Ａ_Ｌ／Ｐ_Ｌの関係が図示された構造において、実際に実現され
ていることは明らかである。

最後に、上に述べた構成は本発明の原理の例に
すぎないことを理解すべきである。これらの原理
に従うと、本発明の精神及び視点を離れることな
く、当業者には多くの修正及び変形が考えられる
であろう。たとえば、Ｈ形状を含むキヤパシタの
構成を特に強調してこゝでは述べてきたが、上で
指定した面積及び周囲の関係を満す別の形状も可
能なことは明らかである。そのような例の各々の
場合、レシオ対の大きな方のキヤパシタンスの構
成は、二つだけの連続した離間した電極から成
る。