TW525220B - Multilayer pillar array capacitor structure for deep sub-micron CMOS - Google Patents

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525220 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明背景 本發明有關金屬氧化物半導體（MOS)之電容器結構，尤其 ，有關深次微米互補金屬氧化物半導體（CMOS)之多層柱狀 陣列電容器結構。 深次微米互補金屬氧化物半導體之傳統電容器結構，通 常係使用兩個平坦、平行的電極板以一層薄薄的介電層隔 開的方式建造。該等電極板以導電材料層形成，如金屬或 是多晶矽。該電容器結構通常以一墊於其下之介電層與基 板隔絕。爲了在該等結構中達到高電容密度，使用了額外 的電極板。圖1示範一傳統式深次微米互補金屬氧化物半導 體中之多層平行電極板電容器結構10。該電容器結構10包 括一垂直堆疊的電導線12，其間以介電層13隔開。該等電 導線I2與介電層Π架構於一半導體基板11之上。該等電導 線12形成該電容器10的電極板或是電極。該等電極板12以 一交替的方式連接在一起，使得所有的"A"電極板屬於一第 一極性，而所有的ΠΒ’’電極板爲一第二極性、與第一極性相 反0 與平行電極板電容器結構相關之一主要之限制爲，當互 補金屬氧化物半導體處理中的幾何形狀按比例縮小時，在 該等電極板間的最小距離並不改變。因此，在比例縮小時 ，並沒有眞正實現電容密度的增益。 具高電容密度的其他不同電容器結構，如雙多晶矽電容 器及閘極氧化物電容器，爲此技藝所熟知。然而，雙多晶 矽電容器不合乎深次微米互補金屬氧化物半導體處理之用 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210Χ 297公釐） 裝 訂

525220 A7 B7 五、發明説明t ) 。而閘極氧化物電容器通常不使用於深次微米互補金屬氧 化物半導體處理中，因爲其具有大閘極區域，導致合格率 •與可靠度的問題，閘極氧化物電容器產生之電容隨電壓變 化，並可能經歷高電壓，有將該閘極氧化物分解 (breakdown)的危險0 動態隨機存取記憶體（DRAMs)之渠溝電容器結構具有高 電容密度。該等電容器的形成方式，係以基板上蝕刻一渠 溝，並以導電及介電之物質來填充該渠溝，以形成一垂直 電容結構。然而，渠溝電容器因爲加入了蝕刻與渠溝填充 之處理，因此製造成本筇貴。 叉指式電容器·結構使用於微波之應用中。該等電容器具 有置放密集、叉指狀之導線結構，於其間產生條紋式 (fringing)及跨越式（cross-over)之電容以達成電容。然而， 由叉指式電容器所產生之跨越式電容，係僅限爲一單一導 體位準。 因此，有必要有一改良之深次微米互補金屬氧化物半導 體電容器結構，具有隨半導體處理幾何縮小而增加之高電 容密度。 發明概述 本發明有關一種電容器結構，特別是有關於使用在深次 微米互補金屬氧化物半導體中，所包含的一種形成該電容 器極板之電導柱狀陣列。每一個柱的形成，係爲從至少兩 個不同之導體位準的電導線段，藉由一電導通道電連接方 式完成。介電材料佈置於該等兩導體位準與該陣列之導電 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 525220 A7 B7 五、發明説明（s ) 柱之間。該等柱以交替的方式與相反電極電連接，使得該 等導電柱呈電叉指狀。 本發明之好處、特質及另外不同的特徵，可以由以下所 附圖式之具體實施例詳細説明更加闡明。 _ 圖式簡單説明 圖1爲一深次微米互補金屬氧化物半導體之傳統式平行電 極板電容器結構的侧視圖； 圖2爲根據本發明之具體實施例之一多層柱狀陣歹(MLPA) 電容器結構之透視圖； 圖3爲圖2之多層柱狀陣列電容器結構之的侧視圖； 圖4爲圖2之多層柱狀陣列電容器結構從線4-4觀視的剖面 圖； 圖5爲圖2之多層柱狀陣列電容器結構之一導體位準的上 視圖，示範該導線段； 圖6爲根據一第二具體實施例之多層柱狀陣列電容器結構 的透視圖； 圖7爲圖6之多層柱狀陣列電容器結構的一側視圖； 圖8爲圖7之多層柱狀陣列電容器結構從線8-8觀視的剖面 圖；及 圖9爲根據本發明第二具體實施例之多層柱狀陣列電容器 結構結合一傳統式平行電極板電容器結構之一側視圖。 具體實施例詳細説明 使用本發明觀念做爲説明之目的圖式並沒有按眞實比例。 集合圖2-4 —起來説明根據本發明第一具體實施例之深次 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂

525220 A7 B7 五、發明説明（4 ) 微米互補金屬氧化物半導體中之一多層柱狀陣列電容器結 構20。該多層柱狀陣列電容器結構20包括一電導體壓縮密 集、兩方向之平行陣列、夹在上與下電導平行線中陣列之 垂直柱22、水平線23、24間。該等垂直柱22及該等水平線 _ 23、24係操作爲多層柱狀陣列電容器結構20之電極。該等 垂直柱22在彼此間產生”跨越”型的電容Ce，而與該等水平 線23、24產生”平行板”型的電容CP。該等垂直柱22與水平 板23、24在一多導體位準處理（做示範之用，在圖中只有五 個電導體位準L1-L5)中，架設於一半導體材料基板21之上 。該第一導體位準L 1定義該電導體水平線24之底平行陣列 ，而該第五導體位準L5定義該電導體水平線23之頂平行陣 列。該底陣列之線24具有以ABABA樣式交替的極性，而頂 陣列之線23具有以BABAB樣式交替的極性。每一個第二、 第三、第四導體位準L2_L4定義一電導水平線段25、26、27 的平行陣列。一第一介電層28填充在基板21與該第一導體 位準L 1間的空間；一第二介電層29填充該第一導體位準L 1 與該第二導體位準L2間的空間；一第三介電層30填充該等 第二與第三導體位準L2，L3間，以及該第二導體層L2的該 等線段25間的空間；一第四介電層3 1填充該等第三與第四 導體位準L3，L4間，以及該第三導體層L3的該等線段26間 的空間；一第五介電層32填充該等第四與第五導體位準L4 ，L5間，以及該第四導體層L4的該等線段27間的空間。 圖3示範地最清楚，該等導線23、24及導線25-27在列R1-R5的垂直方向彼此對準。在每一垂直列的該等導線2 5 - 2 7都 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 525220 A7 B7 五、發明説明（s ) 以電導通道33、35電内連，該等通道33、35垂直延伸穿過 該等第三與第四介電層30、31。該等導線段25-27與通道33 、3 5之垂直列111-115形成該等垂直柱22。 如圖5所示，該等柱22在X與Y方向都呈電叉指狀，以將其 間之跨越電容Cc最大化。其完成的方式，係以圖2-4中將以 字母"A”代表之該等柱22連接至在該等第一與第五導體位準 LI、L5之頂與底”A"線23、24 (電容器20之電極A)，以一第 一組的電導通道37延伸穿過該第二與第五介電層29、32。 以字母"B"代表之該等柱22，連接至在該等第一與第五導體 位準LI、L5之頂與底"B”線23、24 (電容器20之電極B)，以 一第二組的電導通道38也延伸穿過該第二與第五介電層29 、32 ° 由該多層柱狀陣列電容器20所產生的總電容等於： CT〇tai = ΣΟο + ZCv + ZCp 其中Cc代表侧邊鄰接線段間的跨越電容，Cv代表侧邊鄰接 通道間的跨越電容，而Cp代表垂直鄰接線段與線間的平行 板電容。因此，本發明之該多層柱狀陣列電容器20廣泛地 利用在該等導線段25-27與通道33、35間所產生的跨越電容。. 在目前之深次微米互補金屬氧化物半導體技術的工藝水 平中，常使用的導線間隔約爲0.5微米，或是低一些。因此 ，在該多層柱狀陣列電容器2 0的垂直柱2 2間的最小距離通 常等於或是小於0.5微米。該電容器20之柱22間的次微米間 隔，如與傳統式的平行板電容器相較之下，可達到增加其 電容密度。 -8 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐） 裝 訂

525220 A7 B7 五、發明説明（6 ) 以將類似圖1中所示之傳統多層平行板電容器，以5位準 的方式來架設，並具有16微米X 16微米的大小（不包括在電 容器周圍之通道），將之與一類似圖2-4中以5導體位準的方 式來架設，並具有16微米X 16微米的大小（使用最小的通道） 之多層柱狀陣列電容器比較，其抽出（extracted)之電容値的 比較可以看出其在電容密度與電容上的改良。該等電容器 以一 0.25微米互補金屬氧化物半導體處理製造。該平行板 電容器40抽出之平行板電容與電容密度分別爲46.6 fF及 0.1 8 fF/微米2，與該多層柱狀陣列電容器的該跨越加平行板 - · * —^ 電容及電容密度（通道之電容Cv不能被抽出）分別爲144 fF與 0.5 6 fF/微米2。西爲該通道之電容Cv不能被抽出，因此該 多層柱狀陣列電容器的實際電容値較抽出的値爲大。 隨著半導體處理技術之幾何繼續不斷地縮小並按比例縮 小（scale down)，本發明之多層柱狀陣列電容器的電容密度 則會增加。此乃因爲該等導線23、24及線段25-27的最小寬 度Μvv、在連接該等線段之該等通道3 3、3 5間的最小距離Md 、以及在本發明之多層柱狀陣列電容器垂直柱22間的最小 距離會便利地降低的緣故。該等電容器密度增加在傳統多 層平行板電容器中是不可能的，因爲該導體與介電位準的 高度或是厚度並沒有按比例降低之故。因此，傳統式平行 板電容器在該等板間的距離會維持約在1微米。 集合圖6-8來示範一根據本發明一第二具體實施例之多層 柱狀陣列電容器結構40，其中相類似的元素以相同的數字 來表示。在此具體實施例中，垂直柱22與前一具體實施例 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂

525220 A7 B7 五、發明説明（7 ) 中所敘述的一樣，被夾在不同極性之頂與底電導性水平板 43、44間。在本發明第二具體實施例中之柱22也在X與Y方 向具電叉指狀，以最大化其間之跨越電容Cc。此在第二具 體實施例中所完成的方式爲，電連接以字母"A”所代表之柱 22至該在該第一導體位準L1之底板44 (電容器40之電極A) ，以一第一組電導性通道47延伸穿過該第二介電層29。以 字母"B”所代表之柱22電連接至該在該第五導體位準L5之底 板43 (電容器20之電極B)，以一第二組電導性通道48延伸穿 過該第五介電層32。 該第二具體實施例之多層柱狀陣列電容器結構40，與一 傳統式之多層平·行板電容器來相較時，也提供改良之電容 密度與電容，雖然此改良的程度不及該第一具體實施例的 多層柱狀陣列電容器顯著，因爲其並未在L 1與L5中使用跨 越電容。一與圖6 - 8中所示範之多層柱狀陣列電容器類似的 架構，係以一 0.25微米互補金屬氧化物半導體處理，有5個 導體位準並具有16微米XI 6微米的大小（使用最小尺寸之通 道），其電容及電容密度（該通道的電容Cv不能被抽出）分別 爲 126 fF及.49 fF/微米2。 如在圖9中所示，在當有額外之導體位準可用時，本發明 第二具體實施例可以結合一傳統式之平行板電容器50。該 平行板電容器50係以一在一第六導體位準L6之第三水平板 5 1，及佈置於該第五與第六導體位準L5、L6間之一第六介 電層52形成。 根據所使用來製作通道之製造技術之不同，在一些具體 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 525220 A7 B7 五、發明説明（8 ) 實施例中之該多層柱狀陣列電容器結構之柱狀陣列可能無 法延伸至該五導體層L5，如圖式中所示，而且可能只能延 伸至，舉例來説，第四導體位準L4而已。此可能發生於在 當連接第一、第二、第三及第四導體位準L1-L4間之該等通 _ 道的最小尺寸小於連接第四、第五導體位準L4、L5間之該 等通道的最小尺寸。在該等具體實施例中，該第五導體位 準L5可以包括一類似使用於圖9中之第六位準L6的水平板。 在第五導體位準L5中之水平板可以被電中止（terminated)， 使得其產生一平行板型電容，並與該多層柱狀陣列電容器 結構之最上層導體位準（該第四導體位準L4)合作，增加該 整個電容為結構之總電客。 本發明之多層柱狀陣列電容器通常以矽製作，使用傳統 式之深次微米互補金屬氧化物半導體處理。本發明之該多 層柱狀陣列電容器結構也可以用鍺砷、或是任何其他合適 之半導體系統，使用傳統式之深次微米互補金屬氧化物半 導體處理來製作。使用傳統式之深次微米互補金屬氧化物 半導體處理在矽中的製作，通常牽涉到成長或是沉積一第 一層二氧化矽於該矽半導體基板一選擇之部分上，以形成 該第一介電層。該二氧化矽層之厚度約在一微米的範圍左 右。一第一層之金屬，如銘，或是高度導電之多晶石夕，被 沉積於該二氧化矽的第一介電層上。該金屬層然後被定義 入該第一具體實施例之導線中，使用熟知之屏蔽及乾蝕刻 技術，以形成該第一導體位準。當製造該第二具體實施例 之多層柱狀陣列電容器結構時，此步驟形成一板，而不是 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 525220 A7 B7 五、發明説明（9 ) 導線。如以上所説明，其該等導線（及線段）之寬度與間隔設 定爲該處理之最小尺寸，以加強該結構之電容，即，在該 等線間之線與間隔要越窄越妤。 然後，一第二層之二氧化矽成長或是沉積於該導線或是 _ 板上，以形成該第二介電層。該二氧化矽之第二介電層的 厚度約在一微米左右。有複數個孔向下延伸至該第一導體 位準，被定義在該二氧化矽之第二介電層中，然後以金屬 或是多晶矽使用傳統式的通道製造技術來填充，以於該第 二介電層中形成該垂直延伸之通道。一第二金屬層，如铭 或是多晶矽，沉積於該二氧化矽之第二介電層之上，並然 後被定義入該策二導體位準之導線段中。該剩餘之介電層 、通道、導體位準、及導線與導線段等，都用以上所述之 方式來製造。 此項技藝中之人士將了解，可以用特別之介電材料來代 替該二氧化矽（矽系統）或是氮化矽（鍺坤系統），以形成該等 介電層。例如一鐵電陶瓷：，如PLZT (lanthanum-modified lead zirconate tantalate)可以用來形成該等介電層。該等 PLZT的使用大大地力口強電容，因爲PLZT具有一介電常數約 爲4,700，而相較之下，二氧化矽的介電常數只有3.9。 熟知此項技藝之人士將進一步了解，本發明之多層柱狀 陣列電容器結構可以在許多應用中都有幫助，例如無線電 頻率（RF)、類比及數位應用等。無線電頻率（RF)電路應用 使用了用以匹配的電容器。每單位面積之電容越大，該面 積就可以越小而成本越低。在類比電路應用中，不好的雜 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 525220 A7 B7 五、發明説明（1C) ) 訊時常可以使用大型電容器（κτ/c)來將之降低。在數位電 路應用中，大型之退輕（decoupling)電容時常非常重要，而 且可以輕易使用本發明之電容器結構。本發明之電容器結 構同時輕易地將之編寫程式至一標準的p-細胞中，做佈局 < 產生之用。 雖然本發明已以參考以上該等具體實施例的方式來説明 ，然可以加以修正與變化而不脱離本發明之精神。因此， 該等修正案與變化等都應在本發明申請專利的範疇之内。 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐）

Claims (1)

1. A B c D 525220 六、申請專利範圍 1. 一種電容器（20，40)，包含： •一電導性柱（22) P車列，每一個柱（22)包括從至少兩個不 同導體位準之電導線段（25、26)，以一電導通道（3 3)電連 接；及 介電材料（3 0)，佈置於該等兩個導體位準與該陣列之 柱（22)間，該通道（33)延伸穿過該介電材料（30); 其中該等柱（22)以交替的方式連接至電極性相反的電 極上，使得該等柱（22)呈電叉指狀，並做爲電容器電極 板。 -2.如申請專利範圍-第1項之電容器（20)，進一步包含： 一第三導體位準，包括一佈置於該柱（22)陣列上之電 導線（23)的第一陣列，該第三導體位準之該等線（23)將交 替之該等柱（22)連接至相反電極性之電極；及 一第四導體位準，包括一佈置於該柱（22)陣列下之電 導線（24)的第二陣列，該第四導體位準之該等線（24)將剩 餘之該等柱（22)連接至相反電極性之電極。 3. 如申請專利範圍第2項之電容器（20)，其中該第三導體位 準之該等線（23)具有交替之極性，而且該第四導體位準 之該等線（24)具有交替之極性，該第三導體位準之該等 線（23)與在該第四導體位準之對應線等的極性相反。 4. 如申請專利範圍第1項之電容器（40)，進一步包含： 一第三導體位準，具有一佈置於該柱（22)陣列上之一 電導板（43)，該第三導體位準之板（43)將交替之該等柱 (22)連接至該等電極之一；及 -14- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 525220 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 A8 B8 C8 D8、申請專利範圍 一第四導體位準，具有一佈置於該柱（22)陣列下之一 電導板（44)，該第四導體位準之板（44)將剩餘之該等柱 (22)連接至另一電極。 5. 如申請專利範圍第4項之電容器（40)，進一步包含至少一 第五導體位準，該第五導體位準具有一電導板（51)鄰接 並平行於該等第三與第四導體位準之一的板（43、44)， 該第五導體位準之板的電極性係與該等第三與第四導體 位準之一板（43、44)的極性相反/ 6. 如申請專利範圍第1項之電容器（20，40)，其中該柱陣列 (22)在兩方向延_伸。 7. 如申請專利範圍第1項之電容器（20，40)，其中該電容器 (20，40)架設於一基板（21)上。 8. 如申請專利範圍第7項之電容器（20，40)，其中該基板 (21)以一半導體材料所製。 9·如申請專利範圍第1項之電容器（20，40)，其中該電容器 (20，40)包含一次微米金屬氧化物半導體結構。 10·如申請專利範圍第1項之電容器（20，40)，其中該電容器 (20，40)包含一次微米互補金屬氧化物半導體結構。 11.如申請專利範圍第1項之電容器（20，40)，其中該等導線 段（25，26)係以一金屬材料或是導電性半導體材料所製。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -15- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）