CN201311933Y

CN201311933Y - 电容器

Info

Publication number: CN201311933Y
Application number: CNU2008201551209U
Authority: CN
Inventors: 黄威森; 钱蔚宏; 程仁豪; 包自意
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2009-09-16
Anticipated expiration: 2018-11-10

Abstract

一种电容器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括E形结构和连接所述E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述E形结构的中横线构成T形；所述第二电极与第一电极的E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。上述电容器可以构成阵列型电容器或堆叠型电容器。应用所述电容器、阵列型电容器或堆叠型电容器可以获得较大的电容量和节省布局面积。

Description

电容器

技术领域

本实用新型涉及半导体工艺，特别是涉及一种电容器。

背景技术

电容器是由两个彼此绝缘又相隔很近的金属电极构成，其被广泛应用于模拟电路、混合电路等集成电路中。在半导体集成电路中，常见的电容器有金属-绝缘体-金属(MIM，Metal-Insulator-Metal)电容器、金属-氧化物-金属(MOM，Metal-Oxide-Metal)电容器。

随着集成电路微型化，电容器也随之微型化，这样就产生了如何确保足够的电容量的问题，目前在半导体集成电路工艺中，堆叠型(stacked)电容器在节省布局面积的情况下可以增加电容量，例如，申请号为200310109110.3和200710145334.8的中国发明专利申请分别介绍了堆叠型MIM电容器和堆叠型MOM电容器。

图1A是现有的一种电容器的布局结构的平面示意图，所示电容器10包括第一电极11和第二电极12，其中，第一电极11的布局图形为梳状结构和T型结构的组合，第二电极的布局图形为T型结构的组合，第一电极11的梳状结构、T型结构和第二电极12的T型结构相互交错。

通过层间互连的金属层结构可以将图1A所示的电容器10组成堆叠型电容器，以获得更大的电容量。图2A是一种堆叠型电容器的侧面示意图，以由七层金属层M1～M7形成的电容器为例，所示堆叠型电容器包括：金属层M1～M7，层间介质层D1～D6和层间介质层D1～D6中连接上下两层金属层的通孔(Via)V11～V16、V21～V26。其中，每层金属层包括如图1A所示的电容器10，电容器10的第一电极11、第二电极12在图2A中分别以符号1、2表示，各层金属层的电容器10的第一电极1通过填充在通孔V11～V16中的金属电性连接，第二电极2通过填充在通孔V21～V26中的金属电性连接，由此将各层金属层的电容器10并联在一起。

图2B是另一种堆叠型电容器的侧面示意图，同样以由七层金属层M1～M7形成的电容器为例，所示堆叠型电容器包括：金属层M1’～M7’，层间介质层D1’～D6’和层间介质层D1’～D6’中连接上下两层金属层的通孔(Via)V11’～V16’、V21’～V26’。其中，金属层M1’、M3’、M5’、M7’分别包括如图1A所示的电容器10，电容器10的第一电极11、第二电极12在图2A中分别以符号1、2表示；金属层M2’、M4’、M6’分别包括如图1B所示的电容器10’，电容器10’的布局结构为电容器10的布局结构经水平翻转得到的，电容器10’的第一电极11’、第二电极12’在图2B中分别以符号1’、2’表示，也就是说，图1A所示的电容器10和图1B所示的电容器10’交错堆叠。金属层M1’、M3’、M5’、M7’的电容器10的第一电极1通过填充在通孔V11’～V16’中的金属与金属层M2’、M4’、M6’的电容器10’的第二电极2’电性连接，金属层M1’、M3’、M5’、M7’的电容器10的第二电极2通过填充在通孔V21’～V26’中的金属与金属层M2’、M4’、M6’的电容器10’的第一电极1’电性连接，由此将各层金属层的电容器10、10’并联在一起。

对于平行板电容器来说，电容器的电容量与两个电极之间的正对面积、介质的介电常数成正比，与两个电极之间的距离成反比。因此，在相同布局面积的情况下，增大电容器的两个电极之间的正对面积是一种提高单位面积的电容量，从而提高电容器的电容量的有效方法。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是，提供一种电容器，以增大电容器的两个电极之间的正对面积，从而提高电容器的电容量。

为解决上述问题，本实用新型实施方式提供一种电容器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括E形结构和连接所述E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述E形结构的中横线构成T形；所述第二电极与第一电极的E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

为解决上述问题，本实用新型实施方式还提供一种电容器，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括竖线重合的第一E形结构和第二E形结构，以及连接所述第一E形结构、第二E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述第一E形结构、第二E形结构的中横线构成T形；所述第二电极与第一电极的第一E形结构、第二E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

为解决上述问题，本实用新型实施方式还提供一种阵列型电容器，包括M*N个上述电容器，所述M*N个电容器排列成M行N列的矩阵，其中，相邻电容器的相邻电极连接在一起。

为解决上述问题，本实用新型实施方式还提供一种层叠型电容器，包括至少两层金属层，其中，各金属层分别包括上述的电容器。

与现有技术相比，上述技术方案改变了电容器的两个电极的布局结构，其中，一个电极以E形为主要结构，另一个电极围绕所述第一电极的E形结构，以此增大了两个电极之间的正对面积。在布局面积确定的情况下，上述技术方案可以得到较高的单位面积的电容量；在电容量确定的情况下，上述技术方案节省布局面积。

附图说明

图1A和1B是现有电容器的布局结构实例的平面示意图；

图2A和2B是堆叠型电容器实例的侧面示意图；

图3A至3C是本实用新型实施方式1的电容器的布局结构实例的平面示意图；

图4A和4B是本实用新型实施方式2的电容器的布局结构实例的平面示意图；

图5是本实用新型实施方式3的阵列型电容器的布局结构实例的平面示意图。

具体实施方式

本实用新型实施方式通过改变电容器的第一电极、第二电极的布局结构，以使两个电极之间的正对面积增大，从而达到提高电容器的电容量的目的。下面结合附图和实施例对本实用新型实施方式进行详细说明。

实施方式1

本实施方式的电容器包括：第一电极和第二电极，其中，所述第一电极包括E形结构和连接所述E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述E形结构的中横线构成T形；所述第二电极与第一电极的E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

图3A是本实施方式的电容器的一个布局结构实例的平面示意图，所示电容器30包括：第一电极31、第二电极32和填充在第一电极31和第二电极32之间的绝缘介质。所示电容器30的第一电极31、第二电极32形成在一层金属层上。

第一电极31包括E形结构31a和直线结构31b。E形结构31a包括竖线、上横线、中横线和下横线。直线结构31b与E形结构31a的中横线连接，并与E形结构31a的中横线构成T形。直线结构31b与E形结构31a的开口相对，直线结构31b包括竖直线311b和连接线312b，其中，连接线312b连接竖直线311b和E形结构31a的中横线，即直线结构31b仅连接E形结构31a的中横线，而不连接E形结构31a的竖线。

第二电极32插在第一电极31的空隙中，并环绕第一电极31的E形结构31a；由此形成与第一电极31的E形结构31a相互交错，并包围所述第一电极31的E形结构31a的结构。

如图3A所示，第一电极31的线宽w1可以等于第二电极32的线宽w2，也可以不等于第二电极32的线宽w2，线宽w1、w2的值应大于或等于设计规则定义的最小线宽。第一电极31和第二电极32之间的距离(即线间距)d在各处都是相等的，其值一般为设计规则定义的最小线距。第一电极31和第二电极32之间的距离(即线间距)在各处也可以是不相等的，但这样会增加计算电容量的复杂度。

第一电极31和第二电极32被绝缘介质隔开，即在第一电极31和第二电极32的间隙填充了绝缘介质，第一电极31、第二电极32和填充在两个电极之间的绝缘介质构成电容器30。电容器30可以是MIM电容器，也可以是MOM电容器，第一电极31、第二电极32可以是铜(Cu)、铝(Al)等导电材料，对于MIM电容器来说，填充在第一电极31和第二电极32之间的绝缘介质可以是氮化硅(SiN)、氧化硅(SiO₂)等绝缘体介质材料；对于MOM电容器来说，填充在第一电极31和第二电极32之间的绝缘介质可以是SiO₂、氧化铝(Al₂O₃)等氧化物介质材料。

电容器30为平行板电容器，其电容量与两个电极之间的正对面积、介质的介电常数成正比，与两个电极之间的距离成反比。图3A所示电容器30的第一电极31以E形结构为主，第二电极32环绕第一电极31的E形结构，因而第一电极31和第二电极32之间的正对面积较大，可以得到较大的电容量。图3A所示电容器30的两个电极的正对面积又称为耦合面积，因此，构成的电容器30为耦合电容。

图3B是本实施方式的电容器的另一个布局结构实例的平面示意图，所示电容器30’包括：第一电极31’、第二电极32’和填充在第一电极31’和第二电极32’之间的绝缘介质。参照图3A和3B，图3B所示电容器30’的布局结构是图3A所示电容器30的布局结构经第一方向翻转得到的，所述第一方向与第一电极31的E形结构31a的竖线方向垂直，图示中即为水平方向。电容器30’的第一电极31’的结构与电容器30的第一电极31的结构相同，电容器30’的第二电极32’的结构与电容器30的第二电极32的结构相同，在此不再重复说明。

图3C是本实施方式的电容器的再一个布局结构实例的平面示意图，所示电容器30”包括：第一电极31”、第二电极32”和填充在第一电极31”和第二电极32”之间的绝缘介质。

第一电极31”包括E形结构31a”和直线结构31b”。E形结构31a”包括竖线、上横线、中横线和下横线。直线结构31b”与E形结构31a”的中横线构成T形，与图3A所示第一电极31不同的是：第一电极31”的直线结构31b”连接E形结构31a”的中横线和竖线，而第一电极31的直线结构31b仅连接E形结构31a的中横线，而不连接E形结构31a的竖线。具体来说，直线结构31b”包括竖直线311b”和连接线312b”，其中，连接线312b”连接竖直线311b”和E形结构31a”的竖线及中横线。

第二电极32”与第一电极31”的E形结构31a”相互交错，并包围第一电极31”的E形结构31a”。由于第一电极31”的结构与图3A所示第一电极31的结构不同，因此，第二电极32”的结构不同于图3A所示第二电极32的结构。

图3C所示电容器30”的布局结构也可以经第一方向翻转得到与之对称的布局结构，所述第一方向与第一电极的E形结构的竖线方向垂直，即图示中的水平方向。

实施方式2

本实施方式的电容器包括：第一电极和第二电极，其中，所述第一电极包括竖线重合的第一E形结构和第二E形结构，以及连接所述第一E形结构、第二E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述第一E形结构、第二E形结构的中横线构成T形；所述第二电极与第一电极的第一E形结构、第二E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

本实施方式与实施方式1的区别在于：本实施方式的第一电极包括两个E形结构，实施方式1的第一电极包括一个E形结构。

图4A是本实施方式的电容器的一个布局结构实例的平面示意图，所示电容器40包括：第一电极41、第二电极42和填充在第一电极41和第二电极42之间的绝缘介质。所示电容器40的第一电极41、第二电极42形成在一层金属层上。

第一电极41包括第一E形结构41a、第二E形结构41b和直线结构41c。第一E形结构41a包括竖线、上横线、中横线和下横线，第二E形结构41b也包括竖线、上横线、中横线和下横线；第一E形结构41a的竖线与第二E形结构41b的竖线重合，由此将第一E形结构41a的上横线和第二E形结构41b的上横线连接成一直线，将第一E形结构41a的中横线和第二E形结构41b的中横线连接成一直线，以及将第一E形结构41a的下横线和第二E形结构41b的下横线连接成一直线。直线结构41c连接第一E形结构41a、第二E形结构41b的中横线，并与第一E形结构41a、第二E形结构41b的中横线构成T形。

第二电极42插在第一电极41的空隙中，并环绕第一电极41的第一E形结构41a、第二E形结构41b；由此形成与第一电极41的第一E形结构41a、第二E形结构41b相互交错，并包围第一电极41的第一E形结构41a、第二E形结构41b的结构。由于第一电极41的结构与图3A所示第一电极31的结构不同，因此，第二电极42的结构不同于图3A所示第二电极32的结构。

图4A所示电容器40的布局结构也可以经第一方向翻转得到与之对称的布局结构，即如图4B所示的电容器40’，所述第一方向与第一电极41的E形结构的竖线方向垂直，即图示中的水平方向。电容器40’的第一电极41’的结构与电容器40的第一电极41的结构相同，电容器40’的第二电极42’的结构与电容器40的第一电极42的结构相同。

实施方式3

本实施方式的阵列型电容器，包括M*N个实施方式1或2所述的电容器，所述M*N个电容器排列成M行N列的矩阵，其中，相邻电容器的相邻电极连接在一起。M、N为自然数。

将实施方式1或2所述的电容器排列成矩阵阵列，并按一定方式连接在一起，可以得到具有更大电容量的阵列型电容器。以图3A所示电容器30构成的阵列型电容器为例，请参考图5，所示阵列型电容器包括36个(M＝6，N＝6)图3A所示的电容器30，相邻电容器的相邻电极连接在一起，例如，第一行第一列的电容器的第一电极与第一行第二列的电容器的第二电极相邻，因此这两个电极连接在一起(部分重合)；第一行第一列的电容器的第一电极与第二行第一列的电容器的第一电极相邻，因此这两个电极连接在一起；第一行第一列的电容器的第二电极与第二行第一列的电容器的第二电极相邻，因此这两个电极连接在一起(部分重合)。对于图5所示的阵列型电容器来说，同一列电容器的相同电极连接在一起，前一列电容器的第一电极和后一列电容器的第二电极连接在一起。图5所示阵列型电容器的两个电极分别为第一列电容器的第二电极和最后一列电容器的第一电极。

在同一金属层上，如果有足够的布局面积，可以采用本实施方式的阵列型电容器，在获得大电容量的电容器的同时还可以简化工艺步骤。

实施方式4

本实施方式的堆叠型电容器，包括至少两层金属层，其中，各金属层包括实施方式1或2所述的电容器。通过层间互连的金属层结构可以将实施方式1或2所述的电容器组成堆叠型电容器，以获得更大的电容量。

图2A是堆叠型电容器的一个实例的侧面示意图，所述堆叠型电容器包括至少两层金属层，本例中为七层，所示堆叠型电容器包括：金属层M1～M7，层间介质层D1～D6和层间介质层D1～D6中连接上下两层金属层的通孔(Via)V11～V16、V21～V26。其中，每层金属层可以包括如图3A所示的电容器30，电容器30的第一电极31、第二电极32在图2A中分别以符号1、2表示，各层金属层的电容器30的第一电极1通过填充在通孔V11～V16中的金属电性连接，第二电极2通过填充在通孔V21～V26中的金属电性连接，由此将各层金属层的电容器30并联在一起，图2A所示阵列型电容器的两个电极分别为第一电极1和第二电极2。

在其它实施例中，图2A所示的各层金属层所包括的电容器可以是图3C所示电容器30”经水平翻转得到的，或者，也可以是图4B所示的电容器40’。

图2B是堆叠型电容器的另一个实例的侧面示意图，所示堆叠型电容器包括：金属层M1’～M7’，层间介质层D1’～D6’和层间介质层D1’～D6’中连接上下两层金属层的通孔(Via)V11’～V16’、V21’～V26’。其中，金属层M1’、M3’、M5’、M7’分别包括如图3A所示的电容器30，电容器30的第一电极31、第二电极32在图2A中分别以符号1、2表示；金属层M2’、M4’、M6’分别包括如图3B所示的电容器30’，电容器30’的布局结构为电容器30的布局结构经水平翻转得到的，电容器30’的第一电极31’、第二电极32’在图2B中分别以符号1’、2’表示，也就是说，图3A所示的电容器30和图3B所示的电容器30’交错堆叠。金属层M1’、M3’、M5’、M7’的电容器30的第一电极1通过填充在通孔V11’～V16’中的金属与金属层M2’、M4’、M6’的电容器30’的第二电极2’电性连接，金属层M1’、M3’、M5’、M7’的电容器30的第二电极2通过填充在通孔V21’～V26’中的金属与金属层M2’、M4’、M6’的电容器30’的第一电极1’电性连接，由此将各层金属层的电容器30、30’并联在一起，图2B所示堆叠型电容器的两个电极分别为第一电极1(或者第二电极2’)和第二电极2(或者第一电极1’)。

在其它实施例中，金属层M1’～M7’所包括的电容器也可以是其它可能的结构，例如：金属层M1’、M3’、M5’、M7’分别包括如图3A所示的电容器30，金属层M2’、M4’、M6’分别包括如图3C所示的电容器30”，即图3A所示的电容器30和图3C所示的电容器30”交错堆叠；或者，金属层M1’、M3’、M5’、M7’分别包括图4B所示的电容器40’，金属层M2’、M4’、M6’分别包括如图4A所示的电容器40，即图4B所示的电容器40’和图4A所示的电容器40交错堆叠。

金属层的金属材料可以是Cu、Al等，金属层的厚度一般为几千埃(Angstrom)。层间介质层的介质材料可以是SiO₂、SiN等，层间介质层的厚度范围一般为几千到几万埃。

图2A和2B所示堆叠型电容器的上下两层金属层的电极通过填充在通孔中的金属连接在一起，由此得到的堆叠型电容器的电容量为各金属层的电容器的电容量的总和。在其它实施例中，上下两层金属层的电极可以按照实际电容量的需要，选择连接或不连接，这样，金属层之间形成的耦合电容(coupling capacitance)、面积电容(area capacitance)、周边电容(peripherycapacitance)都可以被应用。

表1示出了上述各电容器的单位面积的电容量的比较，其中，各电容器的电容量是用Synopsys公司的Star-rcxt仿真软件在相同工艺条件下测得的结果，所述工艺条件包括金属层的厚度和电阻率、介质层的材料(介电常数)和厚度等。表1中，电容器C1为图3A所示的电容器30，其形成在一层金属层上；电容器C2为图5所示的阵列型电容器，其形成在一层金属层上；电容器C3为图3A所示的电容器30堆叠形成的图2A所示的堆叠型电容器；电容器C4为图3A所示的电容器30与图3B所示的电容器30’交错堆叠形成的图2B所示的堆叠型电容器；电容器C5为图3A所示的电容器30和图3C所示的电容器30”交错堆叠形成的图2B所示的堆叠型电容器；电容器C6为图4B所示的电容器40’和图4A所示的电容器40交错堆叠形成的图2B所示的堆叠型电容器；电容器C7(现有技术)为图1A所示的电容器10与图1B所示的电容器10’交错堆叠形成的图2B所示的堆叠型电容器。

表1

	布局面积(μm^2)	电容量(fF)	单位面积的电容量(fF/μm^2)
	布局面积(μm^2)	电容量(fF)	单位面积的电容量(fF/μm^2)	电容器C1	6.76	0.815	0.121
电容器C2	213.16	28.3	0.133	电容器C1	6.76	0.815	0.121
电容器C2	213.16	28.3	0.133	电容器C3	6.76	4.78	0.707
电容器C4	6.76	7.09	1.049	电容器C3	6.76	4.78	0.707
电容器C4	6.76	7.09	1.049	电容器C5	6.76	7.37	1.090
电容器C6	6.76	7.30	1.080	电容器C5	6.76	7.37	1.090
电容器C6	6.76	7.30	1.080	电容器C7	6.76	7.29	1.078

从表1中可以看到，在相同布局面积的情况下，电容器C5、C6的电容量大于电容器C7的电容量，即电容器C5、C6的单位面积的电容量大于电容器C7的单位面积的电容量。也就是说，如果要得到相同的电容量，电容器C5、C6所需的布局面积会小于电容器C7所需的布局面积。

综上所述，上述技术方案通过改变电容器的第一电极、第二电极的布局结构来增大两个电极之间的正对面积，其中，第一电极以E形为主要结构，第二电极围绕所述第一电极的E形结构。应用上述技术方案的电容器，在布局面积确定的情况下，可以得到较高的单位面积的电容量；或者，在电容量确定的情况下，可以节省布局面积。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本实用新型的保护范围应当以本实用新型权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种电容器，包括第一电极和第二电极，其特征在于，

所述第一电极包括E形结构和连接所述E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述E形结构的中横线构成T形；

所述第二电极与第一电极的E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

2.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述直线结构包括竖直线和连接所述竖直线和E形结构的中横线的连接线。

3.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述直线结构包括竖直线和连接所述竖直线和E形结构的中横线、竖线的连接线。

4.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述第一电极与第二电极的线间距相等。

5.如权利要求1所述的电容器，其特征在于，所述电容器为金属-绝缘体-金属电容器或金属-氧化物-金属电容器。

6.一种电容器，包括第一电极和第二电极，其特征在于，

所述第一电极包括竖线重合的第一E形结构和第二E形结构，以及连接所述第一E形结构、第二E形结构的中横线的直线结构，所述直线结构与所述第一E形结构、第二E形结构的中横线构成T形；

所述第二电极与第一电极的第一E形结构、第二E形结构相互交错，并包围所述第一电极的E形结构。

7.如权利要求6所述的电容器，其特征在于，所述第一电极与第二电极的线间距相等。

8.如权利要求6所述的电容器，其特征在于，所述电容器为金属-绝缘体-金属电容器或金属-氧化物-金属电容器。

9.一种阵列型电容器，其特征在于，包括M*N个如权利要求1或6所述的电容器，所述M*N个电容器排列成M行N列的矩阵，其中，相邻电容器的相邻电极连接在一起。

10.如权利要求9所述的阵列型电容器，其特征在于，所述阵列型电容器为金属-绝缘体-金属电容器或金属-氧化物-金属电容器。

11.一种堆叠型电容器，其特征在于，包括至少两层金属层，其中，各金属层分别包括如权利要求1或6所述的电容器。

12.如权利要求11所述的堆叠型电容器，其特征在于，所述上下两层金属层的电极连接在一起。

13.如权利要求11所述的堆叠型电容器，其特征在于，所述堆叠型电容器为金属-绝缘体-金属电容器或金属-氧化物-金属电容器。