TW201935500A

TW201935500A - 金屬上覆金屬之電容器

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Publication number: TW201935500A
Application number: TW108104204A
Authority: TW
Inventors: 宜君符; 曼索爾科瑞馬特; 威傑史瑞尼凡斯
Original assignee: 美商蘋果公司
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-09-01
Also published as: KR102210313B1; TWI681421B; CN113013145A; US20190244894A1; US10707162B2; KR20200087740A; KR102136483B1; CN110120384A; US10937730B2; US10453791B2; CN113013145B; US20200043846A1; US20200286824A1; CN110120384B; KR20190095140A

Abstract

所描述者係具有節距匹配的電容器單位單元的電容器結構。在一實施例中，該等電容器單位單元由指叉的指狀電極形成。該等指狀電極可在一電容器單位單元內的多個金屬層中節距匹配，且該等指狀電極可在一電容器單位單元陣列之中節距匹配。額外地，邊界單位單元可與該等電容器單位單元節距匹配。

Description

金屬上覆金屬之電容器

本文中所述的實施例係關於用於半導體裝置中的電容器。更具體地，本文中所述的實施例係關於類比轉數位轉換器電路內的電容器。

電容器數位轉類比轉換器(digital-to-analog convertor, DAC)是一種在混合信號電路中可用的組件，且相較於其他類型的DAC具有低功率的優點。電容式DAC的優點在於小型面積與其低功率。電容式DAC的最常見用途之一者是在於逐漸近似暫存器(successive approximation register, SAR)類比轉數位轉換器(analog-to-digital converter, ADC)中。在文獻中，高解析度SAR ADC具有大的總電容器，以提高微小的最低有效位元(lowest significant bit, LSB)電容器的匹配準確性，此增加晶片面積，因此減少電容式DAC的益處。

所描述者係具有電容器單位單元的電容器結構。在一實施例中，一種電容器結構包括由複數個邊界單位單元圍繞的一電容器單位單元陣列。各電容器單位單元可包括與第二複數個指狀電極指叉的第一複數個指狀電極，且各邊界單位單元可包括與第二複數個虛置指狀電極指叉的第一複數個虛置指狀電極。在一實施例中，該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極係跨該電容器單位單元陣列節距匹配，且該第一複數個虛置指狀電極與該第二複數個虛置指狀電極係與該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極節距匹配。例如，該第一複數個虛置指狀電極與該第二複數個虛置指狀電極可係由如該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極的尺寸與節距來特徵化。該電容器單位單元陣列可由複數個電容器主單位單元與複數個電容器子單位單元形成，其中各電容器主單位單元與各電容器子單位單元係由大約相等的一通孔密度來特徵化。類似地，該等邊界單位單元可具有相同的大約相等的該通孔密度。

在一實施例中，該電容器結構包括整合至該等電容器單位單元中的端子。在一實施方案中，一電容器結構包括一下部金屬層，其包括一第一指狀電極陣列，該第一指狀電極陣列與一對應的電容器單位單元陣列內的一第二指狀電極陣列指叉，一上部金屬層，其包括一第三指狀電極陣列，該第三指狀電極陣列與該電容器單位單元陣列內的一第四指狀電極陣列指叉，其中該第一指狀電極陣列與該第二指狀電極陣列正交於該第三指狀電極陣列與該第四指狀電極陣列。在一實施例中，該第一指狀電極陣列包括延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第一系列的電容器單位單元之一共同下部軌，其中該第一指狀電極陣列與該第三指狀電極陣列的一對應系列係電連接至該共同下部軌。此外，該第四指狀電極陣列可包括延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第二系列的電容器單位單元之一共同上部軌，其中該第四指狀電極陣列與該第二指狀電極陣列的一對應系列係電連接至該共同上部軌。該共同下部與上部軌可額外延伸通過對應的邊界單元。

在一實施例中，該電容器結構可充分利用下方的一電晶體多晶層以形成電力解耦(de-coupling)電容器。例如，一電容器結構可包括一下部金屬層，其包括一第一指狀電極陣列，該第一指狀電極陣列與一對應的電容器單位單元陣列內的一第二指狀電極陣列指叉，及一上部金屬層，其包括一第三指狀電極陣列，該第三指狀電極陣列與該電容器單位單元陣列內的一第四指狀電極陣列指叉。一多晶矽層可位於該下部金屬層的下方，並包括與一第六指狀電極陣列指叉的一第五指狀電極陣列。在一組態中，該第一指狀電極陣列、該第二指狀電極陣列、該第五指狀電極陣列、與該第六指狀電極陣列正交於該第三指狀電極陣列與該第四指狀電極陣列。在一實施例中，該第五陣列指狀電極耦接至接地，而該第六指狀電極陣列耦接至電力。

實施例描述可用於新興積體電路設計中的金屬氧化物金屬(metal-oxide-metal, MOM)電容器結構，並適應複雜的設計製造規則與多個圖案化複雜度。根據實施例的結構可達到比習知結構更高的電容密度，具有改善的匹配與較低的矽晶粒面積需求。此外，實施例也可實施為次飛法拉(sub-femto farad)小型電容結構，以用於低功率需求。其他可能的應用包括可程式化增益放大器、數位轉類比轉換器、增益級。

電容器DAC係小單位電容器的陣列結構。總電容器值由效能需求指定。在大多數應用中，電容器陣列的總大小由可產生以滿足匹配需求的最小單位單元來判定。在一態樣中，根據實施例的電容器結構可製造在小型面積中，諸如各電容器單位單元小於5μm × 5μm，落在面積準則中的最小面積分類中，且減緩浪費空間。根據實施例的電容器結構可包括一或多個電容器（其包含一或多個電容器主單位單元與電容器子單位單元）。共同地，電容器主單位單元與電容器子單位單元可稱為電容器單位單元。

在先進技術中，已觀察到匹配電容器的主要問題之一者係多個圖案化。多個圖案化是使用用於處理不同的指狀物之不同遮罩來製造單一金屬層的程序。該等製造規則係複雜的，其中金屬佈線層以及通孔層的禁止圖案使得小型電容結構的設計複雜。除了金屬佈線層之外，甚至通孔層經多個圖案化的，且這造成在匹配電容器設計中的另一層問題。

根據實施例的電容器單位單元可實現不受多個圖案化引起的問題影響的電容。重覆電容器單位單元，以形成單元矩陣。金屬線與連接通孔的設計方式是其等跨整個矩陣對稱，且在多個圖案化中不對準是對於電容匹配問題的減輕來源。在一實施例中，在相同矩陣電容器結構內的電容器主單位單元與電容器子單位單元是「節距匹配的(pitch-matched)」。例如，雖然相鄰的電容器主單位單元與電容器子單位單元可具有不同的電連接，並且可係設計用於不同的電容，但其等可共享相同的金屬佈線層（指狀電極），具有相同的節距與尺寸。此外，用以將多個金屬層中的指狀電極連接的通孔可具有不同的佈局以實現不同的電連接，同時通孔密度保持實質上相同。例如，電容器主單位單元與電容器子單位單元可具有不同的通孔配置，而通孔密度類似。

在另一態樣中，根據實施例的電容器結構包括整合至電容器單位單元中的端子。此不同於傳統的MOM電容結構，其中電容器的端子通常係以正交方向放置在電容器單位單元結構之外，造成相當大的面積開銷(overhead)。根據實施例的電容器單位單元可據此更彈性地使用並促進以矩陣方式的排列。

在又另一態樣中，根據實施例的一些電容器結構使用來自電晶體層的匹配的多晶（例如多晶矽）層以產生電力解耦電容器。在一些實施例中，「節距匹配」延伸至多晶層，使得重複的電晶體結構與閘極多晶層跨矩陣電容器結構內的電容器主單位單元與電容器子單元係均勻的。

在各種實施例中，參照圖式進行說明。然而，某些實施例可在無這些特定細節之一或多者的情況下實行或可與其他已知的方法及組態結合實行。在下列敘述中，為了提供對實施例的全面瞭解而提出眾多特定細節（例如，特定組態、尺寸、及程序等）。在其他例子中，為了避免不必要地使本實施例失焦，所以並未特別詳細地敘述公知的半導體程序及製造技術。此專利說明書通篇指稱的「一實施例(one embodiment)」係指與該實施例一同描述之具體特徵、結構、組態、或特性係包括在至少一實施例中。因此，此專利說明書通篇於各處出現之詞組「在一實施例中(in one embodiment)」不必然指稱相同實施例。此外，在一或多個實施例中，可以任何合適的方式結合特定特徵、結構、組態、或特性。

如本文所用之「在…上面(above)」、「在…上方(over)」、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「介於…之間(between)」、及「在…上(on)」之用語可指稱一層相對於其他層之一相對位置。一層在另一層「上面」、在另一層「上方」、或在另一層「上」或者一層接合「至」另一層或與另一層「接觸(contact)」可直接與另一層接觸或可具有一或多個中介層。一層介於（多個）層「之間」可直接與該等層接觸或可具有一或多個中介層。

現在參見圖1，提供根據實施例的類比轉數位轉換器(ADC)的方塊圖。ADC 100是SAR ADC的一個實施例，其可包括在系統單晶片(system on chip, SoC)裝置中。ADC 100包括SAR控制單元101、數位轉類比轉換器(DAC)103、與比較器電路105。ADC 100接收待測量的輸入信號110、參考信號112，並且經由系統匯流排114與SoC的其他部分通訊。

SAR控制單元101可對應於經設計以調整與路由信號至DAC 103與比較器105的狀態機或其他合適的處理單元，以判定對應於輸入信號的電壓位準之數位值。在操作中，SAR控制單元101可經由系統匯流排114接收命令，以開始輸入信號110的電壓位準的測量。回應於接收命令，SAR控制單元調整DAC 103中的開關以將輸入信號110耦接至DAC 103內的複數個電容器107的各者的第一端子，並且調整開關以將電容器107之各者的第二端子耦接至接地信號。電容器107的各者將開始充電，且SAR控制單元101允許各種電容器充電至等於輸入信號110的電壓位準之電壓位準，在此點處SAR控制單元101將第一端子與輸入信號110解耦。此程序有時稱為「取樣輸入」。

DAC 103係實施為電容式DAC，即使用電容器陣列，而不是諸如電阻式DAC中使用的電阻器陣列。DAC 103可從SAR控制單元101接收一系列數位信號，且回應地，輸出對應的電壓位準。DAC 103包括電容器107與能夠使電容器107之各者的第一端子獨立地耦接至輸入信號110或參考信號112之複數個開關。電容器107可係設計使得第一電容器具有第一電容值，且各額外電容器具有等於先前電容器的電容的一半之電容值。例如，若第一電容器具有電容「C」，則第二電容器將具有1/2 C的電容，第三電容將具有1/4 C的電容，然後1/8 C，以此類推。

一旦輸入信號110已取樣，則SAR控制單元101將第一電容器的第一端子耦接至參考信號112，然後將該複數個電容器的各者的第二端子耦接至比較器電路105的第一輸入。比較器的輸出對應於與輸入信號110的電壓位準對應的值的最高有效位元(most significant bit, MSB)。SAR控制電路101將電容器的第二端子從比較器電路105解耦，且然後將第二電容器的第一端子耦接至參考信號112，且然後再次將各電容器的第二端子耦接至比較器電路105的第一輸入。比較器的經更新輸出對應於與輸入信號110的電壓位準對應的值的第二MSB。此程序重複，直到與輸入信號110的電壓位準對應的值的所有位元已經判定。在各種實施例中，結果可儲存在SAR控制單元101內的暫存器中，或者可輸出至系統匯流排114上。

DAC 103所需的電容器總數取決於ADC 100的解析度，即代表輸入信號110的電壓（即，結果）之值的位元的數目。各位元需要至少一電容器。在一些實施例中，可能需要額外的電容器用於取樣輸入信號110，用於穩定或調整參考信號112，用於一般的雜訊降低等。ADC 100的準確性取決於結果的各位元之各電容器的相對電容值。如上述，若對應於MSB之第一電容器的電容是「C」，則對應於第二MSB之第二電容器的電容需要是用於最佳可能準確性的1/2 C。第二電容器的電容越偏離1/2 C，則第二MSB的測量將越不準確。相同的原理適用於該複數個電容器的剩餘電容器。因此，DAC 103的設計可包括可經調整至電容的精細解析度之電容器設計。

總電容器值由效能需求指定。然而，電容器陣列的總尺寸由可產生以滿足匹配需求的最小單位單元來判定。在一些實施例中，當與其他DAC設計（諸如例如電阻式階梯DAC）相比，電容式DAC（諸如DAC 103）可係由相對小型面積與低功率來特徵化。

應注意，圖1的ADC 100僅是用於示範所揭示的概念之一實例。一些功能性組件與一些操作細節已經省略，以聚焦於所揭示的標的。在其他實施例中，可包括額外的功能性單元，且操作可偏離上文的描述。

現在參見圖2，根據實施例，提供用於電容器主單位單元的透視圖圖示。電容器主單位單元200可係用於SoC中的電容式DAC中的一結構（諸如例如DAC 103），以藉由鏈接至其他單元電容器單元來產生各種電容的電容器。主單位單元200係採用在SoC製造期間形成的複數個金屬層的三維結構。一般來說，半導體製造程序中的金屬層可以各層在製造期間沉積的順序來稱起（從第一金屬層(M1)及其上者）。圖2中提供的例示性實例提供形成在M1至第四金屬層(M4)中的指狀電極，但此可理解為例示性的，且實施例不限於四個金屬層。

根據實施例，電容器主單位單元200的結構從電晶體裝置至頂部金屬層（例如，M4）可係節距匹配的。額外地，可提供頂部金屬接地結構以保護電容器免於外部干擾，該外部干擾可由於鄰近單元附近的虛置形狀的加入而產生。指叉的指狀物生成緊密的耦接，且允許產生均質的陣列。

如所示，電容器主單位單元200可包括第一金屬層M1，該第一金屬層包括與指狀電極220B陣列指叉的指狀電極220A陣列。第二金屬層M2形成在M1之上，該第二金屬層包括與指狀電極230B陣列指叉的指狀電極230A陣列。同樣地，金屬層M3、M4可具有分別與指狀電極240B、250B陣列指叉的指狀電極240A、250A陣列。通孔225、235、245可用以電連接金屬層M1至M4中的指狀電極。如所示，金屬層內的指叉的指狀電極可係金屬線，並且彼此平行。指狀電極與通孔周圍的空間係由介電質材料（未繪示出形象）填充。例示性介電質材料包括氧化物（諸如氧化矽），以及其他傳統的層間介電質材料，包括低介電常數（低k）材料。由於跨指叉的與堆疊的指狀電極之電場的影響，在電容器主單位單元200中產生電容。電容的量可藉由指狀電極的尺寸與（多個）介電質材料的性質來判定。

在所示的實施例中，在不同金屬層中的指狀電極220A、230A、240A、250A係藉由通孔電連接，而指狀電極220B、230B、240B、250B係藉由通孔電連接。這些各別的指狀電極也可係電性隔離的。例如，指狀電極220A至250A可連接至到SAR控制101的數位邏輯位元節點106，而指狀電極220B至250B連接至到比較器105輸入的浮動節點108。根據實施例，相鄰金屬層中的指狀電極可彼此正交。例如，指狀電極220A、220B、240A、240B正交於指狀電極230A、230B、250A、250B。在一實施例中，內部的指狀電極（例如，220B、230B、240B、250B）係電耦接至敏感節點或臨界端子，諸如到比較器106輸入的浮動節點108。因此，可存在奇數的內部指狀電極，以保持臨界端子上的雜散電容為低。在這種組態中，外部指狀電極（例如，220A、230A、240A、250A）可係電耦接至較不敏感的節點，諸如到SAR控制101的數位邏輯位元節點106。因此，可存在偶數個外部指狀電極。

根據實施例，電容器主單位單元200係內部「節距匹配」。即，指狀電極的配置在不同的金屬層中可具有相同的尺寸與節距。例如，金屬層M1與M3可具有相同的指狀電極配置。金屬層M2與M4可同樣地具有相同的指狀電極配置。此外，指狀電極的尺寸及/或節距在所有金屬層M1至M4中可相同。此外，通孔密度與佈局在某些金屬層之間可相同。額外地，儘管具有不同的配置，通孔密度在相鄰的介電層中（例如M1至M2之間，相較於M20M3）可相同。

在一實施例中，將來自電晶體裝置層（例如，來自電晶體閘極多晶）的多晶（例如多晶矽）層210圖案化以形成指狀電極，該等指狀電極與單位單元200中的上覆金屬層中的指狀電極節距匹配。可將多晶層210圖案化以形成指狀電極210A、210B，以產生電力解耦電容器。例如，指狀電極210A、210B可分別連接至電力（例如Vdd）與接地（或反之亦然），以產生電容器。替代地，指狀電極210A、210B二者均可連接至接地。此外，節距匹配的指狀電極210A、210B可形成在金屬電容器結構底下的均勻電晶體陣列之上，以提供額外的均勻性。

現在看電容器主單位單元200的頂部側，可在堆疊的指狀電極上方形成接地條270、280的圖案。接地條270、280可形成在多個金屬層中。在繪示的實施例中，頂部金屬層（例如M5）包括在耦接條260的相對側上的接地條270。例如，耦接條260可用以耦接至M4中的一或多個指狀電極（例如250A）。因此，M5可包括一或多個耦接條260與接地條270兩者。額外的金屬層M6可形成在M5上方，且可經圖案化以包括接地條280的配置，該等接地條以導通或通孔而電耦接至接地條270。接地條280可正交於接地條270與耦接條260。

根據實施例，指狀電極的端子可整合至電容器主單位單元200中，並且延伸通過一系列的電容器單位單元。這種組態可減小面積開銷，且促進以矩陣方式排列。例如，可將端子整合至耦接條260中，或作為指狀電極的部分。在一實施例中，端子係整合至指狀電極(220B、230B、240B、250B)陣列中，作為共同軌241。在一實施例中，共同軌241係電耦接至節點106。共同軌241可係整合至包括指狀電極的金屬層M1至M4之任一者中。在所示的實例中，將一或多個共同軌241整合至M3中，作為指狀電極240B的部分。同樣地，端子可係整合為指狀電極(220A、230A、240A、250A)的部分，作為包括指狀電極的金屬層M1至M4之任一者中的共同軌231。在一實施例中，共同軌231係電耦接至節點108。在所示的實例中，將一或多個共同軌231整合至M2中，作為指狀電極230A的部分，但此具體的金屬層是例示性的，並且實施例不受此限。共同軌231、241也可作用為周圍的指狀電極，並且與周圍的指狀電極共享相同的尺寸（例如寬度、厚度）。然而，共同軌231、241可比指狀電極長，使得其等可延伸至相鄰的單位單元或邊界單元。在一實施例中，將耦接條260利用作為用於指狀電極(220B、230B、240B、250B)的端子/共同軌。

圖2的電容器主單位單元200可排列在SAR ADC的DAC 103區段中，其中所開發的單位單元電容考慮陣列對稱要求。在一實施例中，一電容器主單位單元200表示第2最低有效位元(LSB)。電容器107可包括電容器主單位單元200陣列、以及子單位單元陣列、及其組合，以達到電容器107的特定電容。例如，電容器子單位單元可以節距匹配的結構產生，其中指狀電極的尺寸與節距保持相同（例如，節距匹配），具有不同的電連接與通孔連接。這可藉由添加第三端子來達到，該第三端子用於與指狀電極的子集電連接。例如，第三端子可來自例示性實施例說明的多晶層或M4/M5層。因此，各單位單元可具有三個電容器(A-B、A-GND、B-GND)，其中A與B係電容器的端子，且GND表示第三端子或接地。根據實施例，通孔的重新配置可以節距匹配的方式進行。

現在參見圖3，根據實施例，提供用於電容器子單位單元300的透視圖圖示。電容器子單位單元300可係類似於用於SoC中的電容式DAC（諸如例如DAC 103）中的單位單元200之三維結構。在所示的具體實施例中，電容器子單位單元300係半單位單元，但實施例不限於此。例如，可根據實施例使用四分之一單位單元或其他子單位。在一實施例中，圖2的電容器子單位單元200表示第2 LSB，而圖3的電容器主單位單元300表示第1 LSB。預期其他變化。在例示性半單位單元結構中，兩個不同的電容器形成單一電容器子單位單元結構。此造成電容確切地分成精確的半電容之電容（且藉由適當地連接端子的一者）從單元實現。

如圖3所示，電容器子單位單元300係與電容器主單位單元200節距匹配。在所示的實施例中，至指狀電極220B、230B、240B、250B的配置與電連接保持相同，而指狀電極220A、230A、240A、250A的第一部分保持連接至共同軌241，且現在將指狀電極220A、230A、240A（現在的220C、230C、240C）的第二部分電連接至接地。在一實施例中，此係藉由將指狀電極220A、230A、240A（現在的220C、230C、240C）的第二部分連接至接地條270、280、及/或指狀電極210B（接地）來達到。替代地，這可使用第二共同軌231G來達到。

在所示的具體實施例中，連接至敏感節點（例如節點108）的指狀電極220B、230B、240B、250B的數目保持相同。因此，只有至指狀電極220A、230A、240A的連接與通孔配置被改變。在所示的例示性實施例中，指狀電極250A保持完全連接至共同軌231。在其他實施例中，指狀電極250A的第二部分也可電連接至接地。此外，在圖3所示的實施例中，指狀電極210A、210B以與圖2中相同的方式進行節距匹配與電耦接，而形成解耦電容器結構。類似地，節距匹配的指狀電極210A、210B可形成在金屬電容器結構底下的均勻電晶體陣列之上，以提供額外的均勻性。因此，電晶體陣列跨電容器主單位單元200與電容器子單位單元300係均勻且節距匹配的。

現在參見圖4至圖5，分別提供根據實施例的電容器結構的透視圖與示意性俯視圖圖示。如所示，電容器結構400包括電容器單位單元200及/或300的2維陣列或矩陣。電容器107可由來自一或多個列或行的電容器單位單元200、300產生。在所示的實施例中，顯示三個電容器107a至107n，但這是例示性的。該電容器單位單元矩陣可係額外由節距匹配的邊界單位單元510的圖案（例如邊界）圍繞。可特別設計較深著色處所繪示顯示的邊界單位單元，以保持對稱。其等可係完全相同的電容器單位單元的大小，以確保電容器單位單元在其兩側上看到相同的電容與結構。這確保雜散電容均勻，導致更均勻的微分非線性(differential non-linearity, DNL)分布。額外地，電晶體的相同陣列可位於邊界單位單元的底下，如同電容器單位單元。

在一實施例中，不同系列（例如行）中的共同軌231未連接至相同的端子互連件420，而共同軌241連接至共同的端子互連件410。因此，不同的端子互連件420可耦接至不同的信號。邊界單位單元510可實質上相同，並且節距匹配，其中電容器單位單元200、300具有一些差異。最重要的是，指狀物220A至250A與220B至250B對應於鑽具單位單元510中的「虛置」手指，並且可連接至接地。額外地，共同軌231、241可延伸通過邊界單位單元。在這種結構中，共同軌231、241延伸通過邊界單位單元510，並且可不藉由邊界單位單元510內的通孔連接至相鄰的金屬層。然而，相同的共同軌231、241以在電容器單位單元200、300的對應的系列中的通孔連接至相鄰的金屬層。除了所示的該些者，替代的配置亦係可行的。例如，共同軌231、241可形成於多個金屬層中，並且可藉由邊界單位單元510或電容器單位單元200、300內的通孔連接。

如前述，邊界單位單元510可保持對稱與佈線密度。這對通孔密度也是如此。據此，雖然一些通孔配置不同，通孔密度在邊界單位單元510、電容器主單位單元200、與電容器子單位單元300的一或多個變型之間可相同。因此，邊界單位單元510保持節距匹配的結構，具有細微的重新組態構形以保持圖案均勻，例如關於金屬與通孔，以及額外的多晶層與下方的電晶體。

在一實施例中，一種電容器結構400包括由複數個邊界單位單元510圍繞的電容器單位單元200、300陣列。電容器單位單元陣列可係電容器主單位單元200以及一更多類型的電容器子單位單元300（例如設計用於不同的電容）之配置。各電容器單位單元200、300包括與第二複數個指狀電極（例如230B）指叉的第一複數個指狀電極（例如230A）。各邊界單位單元510亦包括與第二複數個「虛置」指狀電極指叉的第一複數個「虛置」指狀電極。根據實施例，該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極（例如230A、230B）跨該電容器單位單元200、300陣列係節距匹配，且該等「虛置」指狀電極係與該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極（例如230A、230B）節距匹配。例如，該第一複數個虛置指狀電極與該第二複數個虛置指狀電極可係由與該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極相同的尺寸與節距來特徵化。雖然虛置指狀電極節距匹配，但其等係不同地連接。例如，第一複數個虛置指狀電極與第二複數個虛置指狀電極二者均可連接至接地。

如相關於圖2至圖3所述，電容器單位單元200、300與邊界單元可形成於多個金屬層中。例如，各電容器單位單元200、300進一步包括與第四複數個指狀電極240B指叉的第三複數個指狀電極240A，第一複數個指狀電極與第二複數個指狀電極230A、230B的各者係在一下部金屬層（例如M2）內，且第三複數個指狀電極與第四複數個指狀電極240A、240B的各者係在一上部金屬層（例如M3）內，其中第三複數個指狀電極與第四複數個指狀電極240A、240B正交於第一複數個指狀電極與第二複數個指狀電極230A、230B。應當理解，在此分別選擇M2與M3作為下部金屬層與上部金屬層僅是出於例示性的目的，且實施例不限於這些具體的金屬層。

電容器單位單元200、300陣列可包括複數個電容器主單位單元200與複數個電容器子單位單元300，其等兩者可由下部金屬層（例如，M2）與上部金屬層（例如，M3）之間的大約相等的通孔密度來特徵化。此外，各邊界單位單元510可包括M2與M3之間的通孔，其亦由大約相等的通孔密度來特徵化。

根據實施例的電容器結構400可額外地包括整合至電容器單位單元200、300中的端子。例如，第一指狀電極230A陣列可包括共同的下部軌（例如，位於M2中的共同軌231，但共同軌可位於任何金屬層中），其延伸通過電容器單位單元陣列內的第一系列的電容器單位單元。以此方式，第一指狀電極230A陣列與第三指狀電極240A陣列電連接至共同的下部軌231與端子互連件420。共同的下部軌231可用形成二進位DAC的方式連接至彼此與相同的端子互連件420。替代地，用於不同系列的電容器的共同的下部軌231可用形成分段DAC的方式連接對應的隔離的端子互連件420。

同樣地，第四指狀電極240B陣列可包括共同的上部軌（例如，位於M3中的241），其延伸通過電容器單位單元陣列內的第二系列的電容器單位單元。第四指狀電極240B陣列與第二指狀電極230B陣列的對應系列電連接至共同的上部軌（例如241）。在一實施例中，該複數個共同的上部軌241連接至端子互連件410。在一實施例中，共同的下部軌231延伸通過第一邊界單位單元510，而共同的上部軌241延伸通過第二邊界單位單元510。

根據實施例的電容器結構400可額外使用來自電晶體層的匹配的多晶（例如多晶矽）層以產生電力解耦電容器。例如，下部金屬層（例如，M2以及M1）下方的多晶層210可包括與第六複數個指狀電極210B指叉的第五複數個指狀電極210A，其中第一複數個指狀電極、第二複數個指狀電極、第五複數個指狀電極、與第六複數個指狀電極(230A、230B、210A、210B)正交於第三複數個指狀電極與第四複數個指狀電極(240A、240B)。第五複數個指狀電極與第六複數個指狀電極(210A、210B)可係可選地與第一複數個指狀電極與第二複數個指狀電極(230A、230B)節距匹配，但經圖案化的多晶層可具有不同的節距與尺寸。

現在參見圖6，顯示用於操作類比轉數位轉換器(ADC)的實施例之方法的流程圖。方法600可係用以操作SAR ADC，諸如例如圖1中的ADC 100。ADC 100可進一步包括電容器陣列，諸如例如圖6中的電容器陣列400。共同參見圖1與圖6，方法可開始於方塊601。

ADC 100接收輸入信號（方塊602）。輸入信號對應於將測量電壓位準的信號。輸入信號可具有緩慢變化的（相對於ADC 100的轉換速度）電壓位準。例如，外殼中的溫度感測器的輸出可每秒改變一些毫伏特。在其他實施例中，該輸入信號的電壓位準可更迅速地變化，諸如例如麥克風的輸出，其可在小於一微秒中上升或下降一伏特。在一些實施例中，具體地，為了測量快速轉變的輸入信號，ADC 100可對輸入信號進行取樣達預定的時間時期，以擷取特定時間點時的電壓位準。

ADC 100將輸入信號連接至電容器陣列400中的複數個電容器107（107a至107n）的第一端子（方塊602）。DAC可包括複數個切換電路（例如，類比多工器、傳輸閘等），以將輸入信號或其他參考信號耦接至該複數個電容器的各者。在一些實施例中，複數個電容器107可包括電容器陣列400中的所有電容器，而在其他實施例中，陣列400中的電容器的適當子集可包括在該複數個電容器中。SAR控制邏輯101調整切換電路，以將輸入信號耦接至該複數個電容器中的各者的第一端子。第一端子可對應於耦接至電容器107a至107n之電容器單位單元200、300的共同軌231的端子互連件420。

SAR控制邏輯101調整切換電路，以將端子互連件410耦接至接地參考電壓，而端子互連件420耦接至輸入信號（方塊606）。此調整允許電容器107a至107n充電至輸入信號的目前電壓位準。將電容器充電至輸入信號的電壓位準可稱為「取樣」輸入信號。應注意，若跨電容器107a至107n的電壓位準開始高於輸入信號的電壓位準，則電容器107a至107n將放電而不是充電，以到達輸入信號的電壓位準。

該方法的進一步動作可取決於跨該複數個電容器的各電容器的電壓位準（方塊608）。在一些實施例中，SAR控制邏輯可保持端子互連件420耦接至輸入信號以及端子互連件410耦接至接地參考達足夠長的預定時間量，以確保跨電容器107a至107n的電壓位準等於輸入信號的電壓位準。在其他實施例中，比較器105可用以判定電容器107a至107n已充電至輸入信號的電壓位準。在任一實施例中，若跨電容器107a至107n的電壓位準不等於輸入信號的電壓位準，則該方法可保持在方塊608中。否則，該方法可移動至方塊610。

該複數個電容器的一電容器可經選擇並充電至參考信號的電壓位準（方塊610）。該複數個電容器的各電容器可對應於由ADC 100判定的數位結果的一位元。例如，若ADC 100包括十二位元的結果暫存器，則該複數個電容器包括至少十二個電容器，一者用於該結果的各位元（也可包括額外的電容器以用於信號調節或其他目的）。對應於數位結果的最高有效位元(MSB)之電容器具有十二個電容器的最大電容值。對應於次一最高有效位元的各後續電容器的電容值是先前電容器的電容的一半。DAC 103中的陣列400中的電容器的各者的值對於ADC 100的準確性來說至關重要。陣列400中的電容器可對來自周圍電路的寄生電容以及來自由於IC上的溫度變化或物理壓力的機械應力敏感。電容的任何失配可造成ADC效能中的非線性問題，導致較不準確的結果。電容器陣列400中的電容器子單位單元300的使用可有助於達到陣列400中的電容器之間的高度電容匹配，導致ADC 100的精確效能，即使存在機械與溫度誘發的應力。為了判定數位結果，選擇各電容器（一次一個），從MSB電容器開始，且將選定電容器的端子互連件420耦接至第一參考電壓信號。

該方法的進一步動作可再次取決於跨該複數個電容器的各電容器的電壓位準（方塊612）。在選定的電容器已耦接至參考電壓之後，將該複數個電容器（包括選定的電容器）的端子互連件410耦接至比較器105，並且將端子互連件410處的電壓位準與第二參考電壓位準進行比較。對應於選定的電容器的位元的值由比較器105的輸出判定。

若比較器105的輸出係邏輯低，則對應於選定的電容器的位元的值係「0」（方塊614）。來自比較器105的邏輯低可對應於端子互連件410處小於第二參考電壓的電壓。

若比較器105的輸出係邏輯高，則對應於選定的電容器的位元的值係「1」（方塊616）。來自比較器105的邏輯高可對應於端子互連件410處大於第二參考電壓的電壓。

該方法的進一步動作可取決於選定的電容器的數量（方塊618）。若對應於數位結果的位元之所有電容器未經選擇並耦接至第二參考電壓，則該方法可返回至方塊610以選擇下一個電容器。否則，方法600可在方塊620中完成並結束。

應注意，關於互補金屬氧化物半導體場效電晶體（或互補MOSFET，或者簡稱CMOS）電路設計，「邏輯1 (logic 1)」、「高(high)」、「高狀態(high state)」、或「高位準(high level)」係指足夠大以導通n通道MOSFET與關斷p通道MOSFET的一電壓，而「邏輯0 (logic 0)」、「低(low)」、「低狀態(low state)」、或「低位準(low level)」係指足夠小以反其道而行的一電壓。在其他實施例中，不同技術可導致不同的電壓位準用於「低」及「高」。

也應注意，方法600係用於操作SAR ADC的實施例的實例方法。SAR ADC的許多實施例係已知的，且用於操作其他實施例的方法可與方法600中揭示的操作不同。可執行不同數目的操作，且所示為連續發生的一些操作可並行實行。

在使用實施例的各種態樣的過程中，所屬技術領域中具有通常知識者將明白上述實施例的組合或變化對於形成金屬上覆金屬(metal-on-metal)之電容器結構而言係可行的。雖然已經以結構特徵及/或方法動作之特定語言敘述實施例，應了解附加的申請專利範圍不必受限於所述的特定特徵或行為。替代地，所揭示之特定的特徵或動作應理解為可用於說明之申請專利範圍的實施例。

100‧‧‧類比轉數位轉換器(ADC)

101‧‧‧SAR控制單元/SAR控制電路/SAR控制/SAR控制邏輯

103‧‧‧數位轉類比轉換器(DAC)

105‧‧‧比較器電路/比較器

106‧‧‧數位邏輯位元節點/節點/比較器

107, 107a, 107b, 107n‧‧‧電容器

108‧‧‧浮動節點/節點

110‧‧‧輸入信號

112‧‧‧參考信號

114‧‧‧系統匯流排

200‧‧‧電容器主單位單元/主單位單元/單位單元/子單位單元/電容器單位單元

210‧‧‧多晶層

210A, 210B, 220A, 220B, 220C, 230A, 230B, 230C, 240A, 240B, 240C, 250A, 250B‧‧‧指狀電極

225, 235, 245‧‧‧通孔

231, 231G‧‧‧共同軌/下部軌

241‧‧‧共同軌/上部軌

260‧‧‧耦接條

270, 280‧‧‧接地條

300‧‧‧電容器子單位單元/電容器主單位單元/電容器單位單元

400‧‧‧電容器結構/電容器陣列/陣列

410‧‧‧端子互連件

420‧‧‧端子互連件

510‧‧‧邊界單位單元/單位單元

600‧‧‧方法

601, 602, 604, 606, 608, 610, 612, 614, 616, 618, 620‧‧‧方塊

M1, M2, M3, M4, M5, M6‧‧‧金屬層

［圖1］係根據實施例的類比轉數位轉換器(ADC)的方塊圖。

［圖2］係根據實施例的電容器主單位單元的透視圖圖示。

［圖3］係根據實施例的電容器子單位單元的透視圖圖示。

［圖4］係根據實施例的電容器結構的透視圖。

［圖5］係根據實施例的電容器結構的示意俯視圖圖示。

［圖6］係根據實施例用於操作類比轉數位轉換器的方法的流程圖。

Claims

一種電容器結構，其包含：一電容器單位單元陣列，其由複數個邊界單位單元圍繞；各電容器單位單元包含與第二複數個指狀電極指叉的第一複數個指狀電極；各邊界單位單元包含與第二複數個虛置指狀電極指叉的第一複數個虛置指狀電極；及其中該第一複數個指狀電極與該第二複數個指狀電極係跨該電容器單位單元陣列節距匹配，且該第一複數個虛置指狀電極及該第二複數個虛置指狀電極係與該第一複數個指狀電極及該第二複數個指狀電極節距匹配。
如請求項1之電容器結構，其中該第一複數個虛置指狀電極及該第二複數個虛置指狀電極之特徵在於具有與該第一複數個指狀電極及該第二複數個指狀電極相同的尺寸及節距。
如請求項2之電容器結構，其中該第一複數個虛置指狀電極及該第二複數個虛置指狀電極電性接地。
如請求項2之電容器結構，其中各電容器單位單元進一步包含與第四複數個指狀電極指叉的第三複數個指狀電極，該第一複數個指狀電極及該第二複數個指狀電極的各者係在一下部金屬層內，且該第三複數個指狀電極及該第四複數個指狀電極的各者係在一上部金屬層內，其中該第三複數個指狀電極及該第四複數個指狀電極正交於該第一複數個指狀電極及該第二複數個指狀電極。
如請求項4之電容器結構，其中該電容器單位單元陣列包含複數個電容器主單位單元及複數個電容器子單位單元，各電容器主單位單元及各電容器子單位單元之特徵在於該下部金屬層與該上部金屬層之間大約相等的一通孔密度。
如請求項5之電容器結構，其中各邊界單位單元包含該下金屬層與該上部金屬層之間的通孔，該等邊界單位單元通孔之特徵在於大約相等的該通孔密度
如請求項4之電容器結構，其中該第一指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第一系列的電容器單位單元之一共同下部軌，其中該第一指狀電極陣列及該第三指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同下部軌。
如請求項7之電容器結構，其中該第四指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第二系列的電容器單位單元之一共同上部軌，且該第四指狀電極陣列及該第二指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同上部軌。
如請求項7之電容器結構，其中該共同下部軌延伸通過一第一邊界單位單元，且該共同上部軌延伸通過一第二邊界單位單元。
如請求項4之電容器結構，其進一步包含在該下部金屬層下方的一多晶矽層，該多晶矽層包括與第六複數個指狀電極指叉的第五複數個指狀電極，其中該第一複數個指狀電極、該第二複數個指狀電極、該第五複數個指狀電極、及該第六複數個指狀電極正交於該第三複數個指狀電極及該第四複數個指狀電極。
一種電容器結構，其包含：一下部金屬層，其包括一第一指狀電極陣列，該第一指狀電極陣列與對應的一電容器單位單元陣列內的一第二指狀電極陣列指叉；一上部金屬層，其包括一第三指狀電極陣列，該第三指狀電極陣列與該電容器單位單元陣列內的一第四指狀電極陣列指叉，其中該第一指狀電極陣列及該第二指狀電極陣列正交於該第三指狀電極陣列及該第四指狀電極陣列；其中該第一指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第一系列的電容器單位單元之一共同下部軌，其中該第一指狀電極陣列及該第三指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同下部軌；且其中該第四指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第二系列的電容器單位單元之一共同上部軌，且該第四指狀電極陣列及該第二指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同上部軌。
如請求項11之電容器結構，其中該第二系列的電容器單位單元正交於該第一系列的電容器單位呼叫。
如請求項11之電容器結構，其中該電容器單位單元陣列由複數個邊界單位單元圍繞。
如請求項13之電容器結構，其中該共同下部軌延伸通過一第一邊界單位單元。
如請求項14之電容器結構，其中該共同上部軌延伸通過一第二邊界單位單元。
如請求項15之電容器結構，其中各邊界單位單元包含與第一指狀電極陣列、第二指狀電極陣列、第三指狀電極陣列、及第四指狀電極陣列節距匹配之金屬線下部金屬層及上部金屬層的一配置。
一種電容器結構，其包含：一下部金屬層，其包括一第一指狀電極陣列，該第一指狀電極陣列與對應的一電容器單位單元陣列內的一第二指狀電極陣列指叉；一上部金屬層，其包括一第三指狀電極陣列，該第三指狀電極陣列與該電容器單位單元陣列內的一第四指狀電極陣列指叉；及一多晶矽層，其在該下部金屬層的下方，該多晶矽層包括與一第六指狀電極陣列指叉的一第五指狀電極陣列；其中該第一指狀電極陣列、該第二指狀電極陣列、該第五指狀電極陣列、及該第六指狀電極陣列正交於該第三指狀電極陣列及該第四指狀電極陣列。
如請求項17之電容器結構，其中第五指狀電極陣列耦接至接地，且該第六指狀電極陣列耦接至電力。
如請求項17之電容器結構，其中該第一指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第一系列的電容器單位單元之一共同下部軌，其中該第一指狀電極陣列及該第三指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同下部軌。
如請求項19之電容器結構，其中該第四指狀電極陣列包含延伸通過該電容器單位單元陣列內的一第二系列的電容器單位單元之一共同上部軌，且該第四指狀電極陣列及該第二指狀電極陣列的一對應系列電連接至該共同上部軌。