TWI819776B - 金屬氧化物金屬電容結構及其半導體裝置 - Google Patents

Abstract

一種金屬氧化物金屬電容結構以及半導體裝置，金屬氧化物金屬電容結構包括設於外圍的第一電極結構，以及受到第一電極結構圍住的第二電極結構，各電極結構由一或多層金屬線路形成。其中第一電極結構與第二電極結構之間以一間隙隔開，使得第一電極結構與第二電極結構的相鄰金屬線路之間形成耦合電容，並且設於外圍的第一電極結構對內部的第二電極結構形成一屏蔽保護結構。在半導體裝置中，其中多個金屬氧化物金屬電容結構相互電性並聯連接，且並排形成於一基材上，相鄰的金屬氧化物金屬電容結構共用設於外圍的第一電極結構。

Description

金屬氧化物金屬電容結構及其半導體裝置

說明書公開一種電容結構，特別是一種外圍電極結構形成內部電極結構遮蔽的金屬氧化物金屬電容結構及採用此金屬氧化物金屬電容結構的半導體裝置。

隨著製程發展演進，晶片面積逐漸縮小，因為開發出新型架構金屬電容，有助於減少使用面積。舉例來說，射頻（RF）相關應用的積體電路（integrated circuit，IC）中的被動元件如電容，最常用的電容之一即為金屬氧化物金屬（metal-oxide-metal，MOM）電容。

根據金屬氧化物金屬電容的設計，一般是金屬連線形成的指狀（finger）結構，隨著工藝技術的進步，金屬線可以靠的更近，經過通電後，金屬線之間產生耦合效應（coupling effect），據此形成電路需要的電容值。然而，在習知技術中，金屬氧化物金屬電容的正極（PLUS）設計可接不同訊號，負極（MINUS）則設計接相同訊號，但卻會因為不能共用以及間隔規則（spacing rule）的限制而增加面積，且排列上會有諸多限制。

現行金屬氧化物金屬電容設計可以參考圖1至圖3，圖1顯示一對指狀交錯設置並相隔一定距離的金屬氧化物金屬結構，其中有多層設計，經疊層後，圖中顯示的金屬線路的第一端101用於連接電路的正極，可以連接各種訊號源，第二端102用於連接電路的負極，可以是接地端。分別對第一端101與第二端102通電後，連接兩個電極的金屬氧化物金屬結構中相鄰金屬線路之間形成耦合電容。

再如圖2顯示的金屬氧化物金屬結構示意圖，其中顯示兩個如圖1顯示的金屬氧化物金屬結構並排的電容設計，同樣地，個別金屬氧化物金屬結構的兩端（如第一端101, 101’、第二端102, 102’）也分別連接正負極。根據需求，還可形成如圖3所示多個金屬氧化物金屬結構以陣列式排列形成的金屬氧化物金屬電容。

根據上述習知技術以相互安插排列數顆指狀金屬氧化物金屬電容時，相鄰金屬線路之間的電容值容易受到周圍金屬層影響，例如圖3顯示在相鄰的金屬氧化物金屬結構之間（如標示於圖中的區域301與區域302）容易產生寄生電容值（parasitic capacitance）並形成干擾，將會改變整體電容值。

為了解決習知金屬氧化物金屬電容結構因為設計規則受到限制，加上相鄰金屬線路容易產生無法預期的寄生電容形成干擾，揭露書提出一種新型的金屬氧化物金屬電容結構及其半導體裝置，其中半導體裝置可由多組金屬氧化物金屬電容結構排列組成，裝置結構特點之一是使其中多組金屬氧化物金屬電容結構可共用電極端（正極（plus）或負極（minus）），共用電極端連接相同訊號，因為共用電極端還能減少面積，排列上也較為彈性。

根據實施例，金屬氧化物金屬電容結構主要分為設於外圍的第一電極結構，以及受到第一電極結構圍住的第二電極結構，第一電極結構與第二電極結構各由一或多層金屬線路形成。經電路佈局後，於一基材上，第一電極結構與第二電極結構之間以一間隙隔開，以在第一電極結構與第二電極結構的相鄰金屬線路之間形成耦合電容，並且設於外圍的第一電極結構對第二電極結構形成一屏蔽保護結構。

優選地，所述第一電極結構的多層金屬線路共同接地，而第二電極結構的多層金屬線路分別連接相同或不同的訊號源。

優選地，第一電極結構與第二電極結構中的多層金屬線路之間以導通結構相互電性連接，並且各導通結構亦為電容值輸出端子。

進一步地，在上述第一電極結構與第二電極結構中的多層金屬線路的最外層可設有遮蔽層，遮蔽層為在一基材上形成的一整個表面的金屬材料所形成，其中還設有一導通結構。

在電路設計上，受到第一電極結構圍住的第二電極結構為I字型結構、方形結構、十字形結構、魚骨形結構或由多個十字形結構組合形成的結構，並且，第一電極結構根據第二電極結構的多個轉折結構對應設計相互穿插的突出結構。如此，第二電極結構可以通過一或多層金屬線路形成多個轉折結構，以與第一電極結構建立多處耦合電容。

根據揭露書提出應用了一或多個金屬氧化物金屬電容結構形成的半導體裝置，其中，同樣地，金屬氧化物金屬電容結構的第一電極結構的多層金屬線路共同接地，而第二電極結構的多層金屬線路分別連接相同或不同的訊號源。

為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。

以下是通過特定的具體實施例來說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。

應當可以理解的是，雖然本文中可能會使用到“第一”、“第二”、“第三”等術語來描述各種元件或者訊號，但這些元件或者訊號不應受這些術語的限制。這些術語主要是用以區分一元件與另一元件，或者一訊號與另一訊號。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。

揭露書公開一種金屬氧化物金屬（metal-oxide-metal，MOM）電容結構及其半導體裝置，所述金屬氧化物金屬電容結構一般以成對指狀設計，成對的指狀結構可區分為第一指狀結構與第二指狀結構，第一指狀結構與第二指狀結構相互交錯設置，使得在相鄰的金屬線路之間可以形成多方向的耦合電容，實現所述金屬氧化物金屬電容結構。在此一提的是，所述指狀結構為多層結構疊合形成的整體外觀，而事實上不是每層都是製作為指狀結構。

圖4顯示金屬氧化物金屬電容結構的實施例之一範例圖。不同於習知相互穿插形成指狀金屬氧化物金屬電容結構，此圖例顯示為不同電極的金屬層結構在空間上以內外互補設計的方式形成的金屬氧化物金屬電容結構，其中主要結構包括設於外圍的第一電極結構401，以及設於內部的第二電極結構402，其中第一電極結構401與第二電極結構402都可由一或多層金屬線路形成。根據此電容結構的電路設計，第一電極結構401與第二電極結構402之間根據實施例需求以一間隙隔開，以能在第一電極結構401與第二電極結構402的相鄰金屬線路之間形成耦合電容。另一方面，內部的第二電極結構402受到第一電極結構401圍住，第一電極結構401在一實施例中連結一共用電位，如接地，可使得設於外圍的第一電極結構401對第二電極結構402形成一屏蔽保護結構，讓所形成的金屬氧化物金屬電容不易受到周遭電容金屬層影響電容值，因此電容值較為準確。

進一步地，在以多層金屬線路形成的第一電極結構401與第二電極結構402的實施例中，第一電極結構401與第二電極結構402中的多層金屬線路之間以導通結構相互電性連接，如第一電極結構401設有導通其中各層金屬線路的第一導通結構403，以及第二電極結構402設有導通其中各層金屬線路的第二導通結構404。上述各金屬線路層由縱橫交錯的金屬線路形成於一基材製作得出，不同金屬線路層之間的導通結構可為各種形式的導電結構，例如以導孔（via）貫穿基材再注入金屬材料可形成導通結構，或是連接各層之間的其他形式的導體。並且各導通結構亦可為金屬氧化物金屬電容結構導出電容值的輸出端子。

在一實施例中，第一電極結構401與第二電極結構402相互電性絕緣，並可分別通過第一導通結構403與第二導通結構404連結特定訊號源的接地端與訊號端，以能在相互鄰近的金屬線路之間形成電容。

根據揭露書提出的半導體裝置實施例，其中採用一或多個金屬氧化物金屬電容結構形成的電容器，可參考圖5所示並聯型式的金屬氧化物金屬電容結構，其中顯示多個金屬氧化物金屬電容結構相互電性並聯連接，且並排形成於一基材上，相鄰的金屬氧化物金屬電容結構共用設於外圍的第一電極結構，如圖示包括由第一電極結構401與第二電極結構402形成其中第一個金屬氧化物金屬電容結構；同理，第一電極結構401’與第二電極結構402’也形成第二個金屬氧化物金屬電容結構；第一電極結構401’’與第二電極結構402’’形成第三個金屬氧化物金屬電容結構，加上第一電極結構401’’’與第二電極結構402’’’形成第四個金屬氧化物金屬電容結構。

如上所述，各個金屬氧化物金屬電容結構中設於外圍的第一電極結構401, 401’, 401’’, 401’’’共用電氣訊號，形成相鄰第一電極結構之間縱向的共用結構501，以及橫向的共用結構502，並且第一電極結構401, 401’, 401’’, 401’’’可以是接地端，對各自的第二電極結構402, 402’, 402’’, 402’’’來說形成內部電極結構的屏蔽結構。另一方面，對整體金屬氧化物金屬電容結構而言，因為共用第一電極結構，整體上可以減少面積，電路設計上具有面積效率，排列上較為彈性。

在一實施例中，依照需求，可重複圖4或圖5結構，形成的半導體裝置可參考圖6所示陣列形式排列金屬氧化物金屬電容結構形成的半導體裝置實施例，其中顯示多個金屬氧化物金屬電容結構相互電性並聯連接，且並排形成於一基材上，相鄰的金屬氧化物金屬電容結構共用設於外圍的第一電極結構。如此，將可提供更大的電容值，在此需求下，各部位的第一電極結構的多層金屬線路共同接地，而第二電極結構的多層金屬線路可分別連接相同或不同的訊號源。通過揭露書提出可共用電極結構的設計，能提供更大的面積效率，還能形成更有意義的屏蔽效應。

根據半導體裝置的實施例，半導體裝置可以根據實際需求採用一或多個金屬氧化物金屬電容結構，作為特定電路系統中的電容器，其中各金屬氧化物金屬電容結構主要如上述實施例描述包括有設於外圍的第一電極結構，以及受到第一電極結構圍住的第二電極結構。特別的是，各金屬氧化物金屬電容結構可由多層結構形成，各層之間可以用絕緣結構相互電性絕緣，相鄰金屬層之間也將形成電容。

以下以圖7至圖13所示的範例圖分層（layer by layer）描述揭露書所提出的金屬氧化物金屬電容結構實施例圖。

首先，圖7顯示金屬氧化物金屬電容結構中遮蔽層70的實施例圖，遮蔽層70為在一基材上形成的一整個表面的金屬材料所形成，遮蔽層70用於阻隔相鄰金屬層之間訊號線以及外部電路的影響，成為如圖14顯示的金屬氧化物金屬電容結構實施例中最外層的第一金屬層與第五金屬層。圖中顯示的實施範例在遮蔽層70中的特定部位設計一個中空的導通結構701，導通結構701的形狀與大小依照實際需求設計，用途是提供金屬氧化物金屬電容結構中遮蔽層70以內以及以外電路相互電性連接的中空結構。

圖8顯示金屬氧化物金屬電容結構中第二金屬層80實施例圖，圖中顯示的第二金屬層80由一基材上形成的多條縱橫交錯的金屬線路所組成，第二金屬層80為金屬氧化物金屬電容結構中產生電容的金屬層之一。

圖9則是顯示金屬氧化物金屬電容結構中在一基材上形成的多條縱橫交錯的金屬線路組成的第三金屬層90的實施例圖，而圖10顯示為第四金屬層100的實施例圖，皆同樣為電容結構中產生電容的金屬層之一。

在此一提的是上述形成金屬氧化物金屬電容結構中第二金屬層80、第三金屬層90以及第四金屬層100等多層金屬層具有相同外觀結構，此例顯示為魚骨形結構。

圖11接著顯示金屬氧化物金屬電容結構中第一電容結構110實施例示意圖，由上述遮蔽層70、第二金屬層80以及兩者之間設置的導通結構111與112所組成。第一電容結構110中顯示在各層縱橫交錯的金屬線路中設有導通結構111與112，用以在各層之間以導孔（via）建立電連接關係。此例顯示的導通結構111與112用於電性導通遮蔽層70與第二金屬層80，對照圖7顯示的遮蔽層70中的導通結構701的結構設計，導通結構111與112形成在導通結構701的對應位置中。如此，導通結構111與112可使多層金屬線路之間相互電性連接之外，還可為電容值輸出端子，立體結構示意圖可參考圖14。

接著圖12顯示金屬氧化物金屬電容結構中第二電容結構120的實施例圖，第二電容結構120通過導通結構電性導通第二金屬層80與第三金屬層90，第二電容結構120包括如圖示中設於環繞於外部的多個第一導通結構121以及設於內部的多個第二導通結構122，第一導通結構121與第二導通結構122可以多個導孔（via）形式建立第二金屬層80與第三金屬層90之間的電連接關係，並且可為此第二電容結構120的電容值輸出端子，立體結構示意圖同樣地可參考圖14。

圖13顯示金屬氧化物金屬電容結構中第三電容結構130的實施例圖，此例的第三電容結構130包括有環繞於外部金屬結構中的多個第三導通結構131以及內部魚骨狀金屬結構的多個第四導通結構132。同樣地，第三導通結構131與第四導通結構132作為內外層之間導通結構，可以多個導孔（via）形式電性導通第三金屬層90與第四金屬層100，並可為電容值輸出端子，立體結構示意圖亦可參考圖14。

圖14顯示組合上述實施例圖各層結構形成的多層金屬氧化物金屬電容結構的實施例圖。在此一提的是，所示金屬氧化物金屬電容結構的層疊結構係根據實際需求而定，其中的金屬層的層數、電路設計、遮蔽層設計，以及其中導通結構的設計可依照實際需求改變，並不限於所示的範例，並未限制在本實施例。

圖示為金屬氧化物金屬電容結構垂直結構，主要結構包括上述圖7至圖13所示金屬結構，示意圖忽略上述實施例顯示的導通結構。此圖例由下往上順序為由遮蔽層70形成的第一金屬層、第二金屬層80、第三金屬層90、第四金屬層100，以及由另一遮蔽層70’形成的第五金屬層，各層緊密相鄰，並可以上述實施例所描述導通結構根據需求將不同層相互電性連接，各層疊層順序也不限於此圖式所示。

此例顯示相鄰金屬層的第一電極結構與第二電極結構具有多層金屬線路，最外層則設有以遮蔽金屬面實現的遮蔽層70與70’，用以遮蔽半導體裝置中金屬氧化物金屬電容結構以外的其他電路的干擾。並且，在此多層結構中，除了各層金屬氧化物金屬電容結構中的第一電極結構與所包圍的第二電極結構之間可以通過多個轉折結構建立多處耦合電容，並且垂直方向的多層之間也將形成耦合電容。

進一步地，可參考圖15至圖17所示實施例，設於外圍的第一電極結構可根據第二電極結構的多個轉折結構對應設計相互穿插的突出結構，形成多處相鄰金屬線路的結構，因此可以有效建立多處耦合電容。

根據半導體裝置實施例，其中各金屬氧化物金屬電容結構中的第二電極結構可為一I字型結構、一方形結構、一十字形結構、一魚骨形結構或由多個十字形結構組合形成的結構。

根據圖15所示實施例示意圖，其中顯示為魚骨形內部金屬結構150，包括由一或多層金屬線路形成的外部金屬結構151，外部金屬結構151有多處突出結構，以與魚骨形的內部金屬結構152相互穿插，能在多處轉折處的相鄰金屬線路之間形成電容。

圖16顯示的實施例示意圖為一種方框形內部金屬結構160，包括有以一或多層金屬線路形成的框形外部金屬結構161以及內部I字型的內部金屬結構162。

圖17的實施例示意圖為一種十字形內部金屬結構170，包括有外部金屬結構171，以及十字形的內部金屬結構172，彼此同樣也是以突出結構相互穿插設置，同樣能在多處轉折處形成電容。

綜上所述，根據上述實施例所描述的金屬氧化物金屬（MOM）電容結構以及以一或多個金屬氧化物金屬電容結構組成的半導體裝置，其中個別的金屬氧化物金屬電容結構中具有共用的外圍電極結構，以及受到外圍電極結構圍住的內部電極結構，而外圍電極結構可以使內部電極結構不受到影響，也不易受到周遭電容金屬層影響電容值，因此電容值較為準確，又因為有共用電極結構，因此可以獲得額外面積效率，更者，金屬氧化物金屬電容結構中不同電極之間的正負極可以依照設計需求交換其端點位置。

以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。

101,101’:第一端

102,102’:第二端

301,302:區域

401,401’,401’’,401’’’:第一電極結構

402,402’,402’’,402’’’:第二電極結構

403:第一導通結構

404:第二導通結構

501,502:共用結構

70,70’:遮蔽層

701:導通結構

80:第二金屬層

90:第三金屬層

100:第四金屬層

110:第一電容結構

111,112:導通結構

120:第二電容結構

121:第一導通結構

122:第二導通結構

130:第三電容結構

131:第三導通結構

132:第四導通結構

150:魚骨形內部金屬結構

151:外部金屬結構

152:內部金屬結構

160:方框形內部金屬結構

161:外部金屬結構

162:內部金屬結構

170:十字形內部金屬結構

171:外部金屬結構

172:內部金屬結構

圖1顯示習知金屬氧化物金屬電容的元件佈局設計圖之一；

圖2顯示習知金屬氧化物金屬電容的元件佈局設計圖之二；

圖3顯示習知金屬氧化物金屬電容的元件佈局設計圖之三；

圖4顯示金屬氧化物金屬電容結構的實施例之一範例圖；

圖5顯示兩組金屬氧化物金屬電容結構形成的半導體裝置的實施例圖；

圖6顯示陣列形式排列金屬氧化物金屬電容結構形成的半導體裝置的實施例圖；

圖7顯示金屬氧化物金屬電容結構中遮蔽層（第一金屬層、第五金屬層）的實施例圖；

圖8顯示金屬氧化物金屬電容結構中第二金屬層實施例圖；

圖9顯示金屬氧化物金屬電容結構中第三金屬層實施例圖；

圖10顯示金屬氧化物金屬電容結構中第四金屬層的實施例圖；

圖11顯示金屬氧化物金屬電容結構中第一電容結構的實施例圖；

圖12顯示金屬氧化物金屬電容結構中第二電容結構的實施例圖；

圖13顯示金屬氧化物金屬電容結構中第三電容結構的實施例圖；

圖14顯示多層金屬氧化物金屬電容結構的實施例圖；

圖15顯示金屬氧化物金屬電容結構的實施例之二示意圖；

圖16顯示金屬氧化物金屬電容結構的實施例之三示意圖；以及

圖17顯示金屬氧化物金屬電容結構的實施例之四示意圖。

401:第一電極

402:第二電極

403:第一導通結構

404:第二導通結構

Claims (8)

1. 一種金屬氧化物金屬電容結構，包括：設於外圍的一第一電極結構，由一或多層金屬線路形成；以及受到該第一電極結構圍住的一第二電極結構，該第二電極結構由一或多層金屬線路形成；其中該第一電極結構與該第二電極結構之間以一間隙隔開，受到該第一電極結構圍住的該第二電極結構通過該一或多層金屬線路形成多個轉折結構，且該第一電極結構根據該第二電極結構的該多個轉折結構對應設計相互穿插的突出結構，使該第一電極結構與該第二電極結構的相鄰金屬線路之間形成多處耦合電容，並且設於外圍的該第一電極結構對該第二電極結構形成一屏蔽保護結構。
2. 如請求項1所述的金屬氧化物金屬電容結構，其中該第一電極結構的多層金屬線路共同接地，而該第二電極結構的多層金屬線路分別連接相同或不同的訊號源。
3. 如請求項2所述的金屬氧化物金屬電容結構，其中該第一電極結構與該第二電極結構中的多層金屬線路之間以導通結構相互電性連接，並且各導通結構亦為電容值輸出端子。
4. 如請求項3所述的金屬氧化物金屬電容結構，其中該第一電極結構與該第二電極結構中的多層金屬線路的最外層設有一遮蔽層，該遮蔽層為在一基材上形成的一整個表面的金屬材料所形成，其中還設有一導通結構。
5. 如請求項1所述的金屬氧化物金屬電容結構，其中該第二電極結構為一I字型結構、一方形結構、一十字形結構、一魚骨形結構或由多個該十字形結構組合形成的結構。
6. 一種半導體裝置，包括： 一或多個金屬氧化物金屬電容結構，其中各金屬氧化物金屬電容結構包括：設於外圍的一第一電極結構，由一或多層金屬線路形成；以及受到該第一電極結構圍住的一第二電極結構，該第二電極結構由一或多層金屬線路形成；其中該第一電極結構與該第二電極結構之間以一間隙隔開，受到該第一電極結構圍住的該第二電極結構通過該一或多層金屬線路形成多個轉折結構，且該第一電極結構根據該第二電極結構的該多個轉折結構對應設計相互穿插的突出結構，使該第一電極結構與該第二電極結構的相鄰金屬線路之間形成多處耦合電容，並且設於外圍的該第一電極結構對該第二電極結構形成一屏蔽保護結構。
7. 如請求項6所述的半導體裝置，其中該金屬氧化物金屬電容結構的該第一電極結構的多層金屬線路共同接地，而該第二電極結構的多層金屬線路分別連接相同或不同的訊號源。
8. 如請求項7所述的半導體裝置，其中該第一電極結構與該第二電極結構中的多層金屬線路之間以導通結構相互電性連接，並且各導通結構亦為電容值輸出端子。