專利名稱：具有多種垂直排列電容區(qū)域的電容元件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集成電路的設計，特別是涉及一種將金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域、金屬-氧化層-金屬電容區(qū)域或變容二極管區(qū)域垂直安排在同一布局區(qū)的電容元件。
背景技術：
將被動電子電路元件，例如電容，構裝在一集成電路中，常令人厭煩，且耗費時間和成本。因此，制程、材料和設計的使用，對于制造如此的集成電路元件，于生產技術上是相當重要的。
不論是否是有意的，電容常會自生于電路中，這種電容可能是有用的。主動集成電路元件，例如雙極性晶體管和金氧半晶體管，和一些電阻元件常包括具有電容元件的電性接合面。電性接合面的空乏區(qū)域會自然成為一個小平行板電容。此電容可能備用來作為一個具固定電容值的電容，或是因為當施加于接合面的電壓改變，造成電容值變化而成為一個可變電容。被動集成電路元件，例如多晶硅和金屬線，彼此間或與其他導體間具有一內生電容。
這種設計上的效果可作為集成電路的特征。然而，卻有一困難點存在，因為最終結構所造成的電容值，在每平方微米的范圍中僅具有千萬分之一法拉(femotofarad)。在一集成電路中，要達到可用的電容值大小所需的電容結構遠大于一主動元件，特別是用在一混合信號和/或一設頻電路中。這種不平衡的結構相當不具經濟效益，因為他可能會迫使一位電路設計者為了遷就電容元件，而使得所設計的集成電路元件過大。一位設計者雖然可從各種電容結構中，挑選出一個最適宜的電容結構，但實際上，沒有一種電容結構可于電容表現(xiàn)上和空間效益上提供一合乎經濟效益的平衡。
在一例子中，一電子接面的可變電壓電容可應用于一可電電容元件的結構中。在另一例子中，于集成電路中，一般用于銅多層金屬內連線的雙大馬氏格(dual-damascene)技術，可被使用來構裝一銅填充洞或溝渠的堆疊，由氧化介電層分離的兩個或多個銅填充洞或溝渠，可形成一電容，稱為金屬-氧化層-金屬(MOM)電容。此MOM電容的設計復雜，但其形成相當有效率，因為其所使用的制程步驟已經與一標準的半導體元件制程步驟結合。在再一例子中，由介電層分離的金屬水平平行板，可形成一電容，稱為金屬-絕緣層-金屬(MIM)電容。此MIM電容的水平形式會占據(jù)相對較大的橫向布局空間，但于構裝上是較簡單的。
因為一單一形式的電容于每一單元上未能提供一足夠的電容值，因此于集成電路設計的技藝中，對于提供一額外的元件，使得在一相同的布局區(qū)域中可結合各種形式電容，藉此增加每一單元的電容值，存有一種需求。
由此可見，上述現(xiàn)有的集成電路設計在結構與使用上，顯然仍存在有不便與缺陷，而亟待加以進一步改進。為了解決集成電路存在的問題，相關廠商莫不費盡心思來謀求解決之道，但長久以來一直未見適用的設計被發(fā)展完成，而一般產品又沒有適切的結構能夠解決上述問題，此顯然是相關業(yè)者急欲解決的問題。
有鑒于上述現(xiàn)有的集成電路設計存在的缺陷，本發(fā)明人基于從事此類產品設計制造多年豐富的實務經驗及專業(yè)知識，并配合學理的運用，積極加以研究創(chuàng)新，以期創(chuàng)設一種新型結構的具有多種垂直排列電容區(qū)域的電容元件。經過不斷的研究、設計，并經反復試作樣品及改進后，終于創(chuàng)設出確具實用價值的本發(fā)明。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，提供一種新型結構的電容元件，所要解決的技術問題是使其可于一集成電路的相同布局區(qū)域中，選擇性結合金屬-絕緣層-金屬(MIM)、金屬-氧化層-金屬(MOM)和變容二極管區(qū)域，從而更加適于實用。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一電容元件，其包括一變容二極管區(qū)域形成于一基板上；一金屬-氧化物-金屬(metal-oxide-metal)電容區(qū)域形成于該變容二極管區(qū)域上；以及一金屬-絕緣層-金屬(metal-isolator-metal)電容區(qū)域形成于該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域的頂端，其中該變容二極管區(qū)域、該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和該金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域是垂直排列用以提供一增強的單元電容值。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下技術措施來進一步實現(xiàn)。
前述的電容元件，其中所述的變容二極管區(qū)域包括一金氧半電容、接面電容或雙載子接面晶體管電容。
前述的電容元件，更包括一第一金屬遮蔽層用以將該變容二極管區(qū)域和該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域進行隔離。
前述的電容元件，更包括一第二金屬遮蔽層用以將該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和該金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域進行隔離。
前述的電容元件，其中所述的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域具有一個或多個導體棒狀物部署于一個或多個金屬層。
前述的電容元件，其中具有相同形式帶電荷的導體棒狀物被排列于同一行。
前述的電容元件，其中排列于同一行的導體棒狀物藉由介層洞連接在一起。
前述的電容元件，其中具有不同形式帶電荷的導體棒狀物被排列成棋盤狀。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下技術方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種具有兩種或多種電容區(qū)域形式的電容元件，其中該些電容區(qū)域是垂直排列于一基板上，且該些電容區(qū)域是選自由一變容二極管區(qū)域、一金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和一金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域所組成的群體中。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下技術措施來進一步實現(xiàn)。
前述的電容元件，其中所述的變容二極管區(qū)域包括一金氧半電容、接面電容或雙載子接面晶體管電容。
前述的電容元件，更包括一金屬遮蔽層用以隔離該些區(qū)域。
前述的電容元件，其中所述的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域具有一個或多個導體棒狀物部署于一個或多個金屬層。
前述的電容元件，其中具有相同形式帶電荷的導體棒狀物被排列于同一行。
前述的電容元件，其中排列于同一行的導體棒狀物藉由介層洞連接在一起。
前述的電容元件，其中具有不同形式帶電荷的導體棒狀物被排列成棋盤狀。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還采用以下技術方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種具有兩種或多種電容區(qū)域形式的電容元件，其中該些電容區(qū)域是垂直排列于一基板上取是用于一射頻電路中，該電容元件包括一變容二極管區(qū)域形成于一基板上，其中該變容二極管區(qū)域可提供至少1fF/μm2的單位電容值；以及或是一可提供至少0.15fF/μm2的每一金屬層單位電容值的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域，或是一可提供至少0.5fF/μm2的單位電容值的金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域，形成于該變容二極管區(qū)域之上。
經由上述可知，本發(fā)明是有關于一種電容元件，可于一集成電路的相同布局區(qū)域中，選擇性結合金屬-絕緣層-金屬(MIM)、金屬-氧化層-金屬(MOM)和變容二極管區(qū)域，兩或多種電容區(qū)域形式，被垂直安排于一基板上用以形成一電容元件，此可在不占據(jù)額外布局區(qū)域的情況下，增加此電容元件每單位的電容值。
綜上所述，本發(fā)明特殊結構的電容元件，可于一集成電路的相同布局區(qū)域中，選擇性結合金屬-絕緣層-金屬(MIM)、金屬-氧化層-金屬(MOM)和變容二極管區(qū)域。其具有上述諸多的優(yōu)點及實用價值，并在同類產品中未見有類似的結構設計公開發(fā)表或使用而確屬創(chuàng)新，其不論在產品結構或功能上皆有較大的改進，在技術上有較大的進步，并產生了好用及實用的效果，而具有產業(yè)的廣泛利用價值，誠為一新穎、進步、實用的新設計。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術手段，而可依照說明書的內容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并配合附圖，詳細說明如下。


圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的一電容元件；圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的電容元件，其上具有一可替代的MOM電容區(qū)域；以及圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的電容元件，其上具有另一可替代的MOM電容區(qū)域。
100電容元件 102P型半導體基板104變容二極管區(qū)域 106絕緣結構108MOS閘極 110MOS閘極介電層112N+區(qū)域 114電性接面116、120、156、160和168介電層118和158金屬遮蔽層 122MOM電容區(qū)域124、126、128、130、132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152、154、304、308、312和316水平棒狀物162MIM電容區(qū)域 164和166金屬板200和300可替代的MOM電容區(qū)域306、310和314介層洞具體實施方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效，以下結合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的具有多種垂直排列電容區(qū)域的電容元件其具體實施方式
、結構、特征及其功效，詳細說明如后。
在下述的段落中，將提供一詳細的描述，來解釋于一集成電路的相同布局區(qū)域中，可選擇性結合金屬-絕緣層-金屬(MIM)、金屬-氧化層-金屬(MOM)和變容二極管區(qū)域以形成一電容元件。要了解到的是，在一混合信號和/或一設頻電路中，可進一步結合不同的電容區(qū)域。
在集成電路中，會使用到一些電容結構。在每平方微米中，具有一特征電容值。一典型的MIM電容，在每平方微米提供約0.5千萬分之一法拉(femotofarad/μ2)。一典型的MOM電容，于每一層的每平方微米提供約0.15千萬分之一法拉(femotofarad/μ2)。一可變電容，或一變容二極管，在每平方微米提供約1至6千萬分之一法拉(femotofarad/μ2)。不同的電容結構，可結合使用于一混合信號和/或一設頻電路中。本發(fā)明提供一電容元件，將兩種或多種形式電容，例如，MIM電容、MOM電容或變容二極管垂直排列于相同的布局區(qū)域中。在與傳統(tǒng)的MIM電容、MOM電容或變容二極管比較下，可再不占據(jù)布局區(qū)域的情況下，增加每單位的電容值。
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的一電容元件。此電容元件100至少包括三電容區(qū)域，所有的電容區(qū)域被建構于集成電路的相同布局區(qū)域中。值得注意的是，于此實施例中，即使此電容元件100包括三電容區(qū)域，然根據(jù)此實施例僅有兩個可用以增加每一單元的電容值。例如，此電容區(qū)域的結合可為MOM和變容二極管區(qū)域、MIM和MOM電容區(qū)域，或變容二極管和MIM電容區(qū)域。
一P型半導體基板102為一具有至少一變容二極管的變容二極管區(qū)域104的主體。一主動區(qū)域由一絕緣結構106所包圍，此絕緣結構例如為一淺溝渠隔離(shallow trench isolation，STI)或區(qū)域氧化的硅。一MOS閘極108沉積于MOS閘極介電層110之上。此閘極108可由多晶硅或金屬來形成，此金屬可為，但不以此為限，鎢(W)、鋁(Al)、鋁化銅(AlCu)、銅(Cu)、鈦(Ti)、硅化鈦(TiSi2)、鈷(Co)、硅化鈷(CoSi2)、鎳(Ni)、硅化鎳(NiSi)、氮化鈦(TiN)、鎢化鈦(TiW)或氮化坦(TaN)。此閘極介電層110可由下述材料形成，但并不以此為限，可為氮化硅(Si3N4)、氧化氮、氫氟氧化物、氧化鋁(Al2O5)、氧化坦(Ta2O5)或金屬氧化物。
兩N+區(qū)域112，擴散的源極和汲極區(qū)域，沉積于此基板102中，位于MOS閘極108之下，和絕緣結構106中。位于N+區(qū)域112和P型基板102中的電性接面114，具有與MOS閘極108有關的電容值。當電性接面114的偏壓，和與MOS閘極108的偏壓改變，位于與MOS閘極108下的空麻區(qū)域寬度和面積亦會改變，如此會進一步改變變容二極管區(qū)域104的電容值。值得注意的是，上述的MOS電容僅為變容二極管區(qū)域104中一變容二極管的例子，其他形式的變容二極管，例如，一接面電容或雙載體接面晶體管電容，亦可作為變容二極管區(qū)域104中的變容二極管。
上述的變容二極管區(qū)域104是一介電層116，可由下述材料形成，但并不以此為限，可為氧化物、氮氧化硅、氮化硅、氧化鉭、鋁、氧化鉿、由PECVD法所沉積的氧化物或TEOS(tetraethylorthosilicate)。于介電層116上方具有一金屬遮蔽層118，其作為一掩蔽物來隔離其上的任何電容結構，避免遭受變容二極管區(qū)域104的電容值和其下方任何其他半導體結構所影響。金屬遮蔽層118可由下述材料形成，但并不以此為限，可為多晶、多晶硅化金屬、鋁化銅(AlCu)、鋁、銅、銀或金。于金屬遮蔽層118的上方為一介電層120，形成此介電層120的材料與形成介電層116的材料相同。
一MOM電容區(qū)域122形成于此金屬遮蔽層118和介電層120的上方。展示于圖1的矩形為一由介電層加以隔離的水平棒狀物124、126、128和130的真實剖面視圖，這些水平棒狀物是垂直于頁面并與基板102平行。其他的由介電層加以隔離的水平棒狀物132、134、136、138、140、142、144、146、148、150、152和154亦具相同的結構。每一水平棒狀物，在一傳統(tǒng)的多層金屬架構中，是藉由金屬填充溝渠來加以形成。這些水平棒狀物可由下述材料形成，但并不以此為限，其可為鎢(W)、鋁(Al)、鋁化銅(AlCu)、銅(Cu)、鈦(Ti)、硅化鈦(TiSi2)、鈷(Co)、硅化鈷(CoSi2)、鎳(Ni)、硅化鎳(NiSi)、氮化鈦(TiN)、鎢化鈦(TiW)或氮化坦(TaN)。
應了解的是，即使此MOM電容區(qū)域包括有16個以4×4形式排列的水平棒狀物，但亦可應用其他的排列形式。這些彼此隔離的棒狀物，在一陣列中可靠得足夠近，藉以提供可用的電容值。在一例子中，這些棒狀物之具即可提供一明顯的電容值。將這些水平棒狀物排列成一垂直行的優(yōu)點為，除了可達到要求電容值，同時亦可降低占據(jù)的橫向面積。因此，這些水平棒狀物所排列的每一行可形成一多孔或板形的垂直電容板。位于兩板狀電容板間的介電層可作為電容元件的介電層，例如，水平棒狀物124、126、128和130形成一帶負電荷的第一垂直電容元件板，而水平棒狀物132、134、136和138形成一帶正電荷的第二垂直電容元件板。
位于MOM電容元件區(qū)域122之上是一介電層156，其是由與介電層120或116相同的材料所形成。于介電層156上方具有一金屬遮蔽層118，其作為一掩蔽物來隔離其上的任何電容結構，避免遭受MOM電容元件區(qū)域122的電容值和其下方任何其他半導體結構所影響。此金屬遮蔽層158可由下述材料形成，但并不以此為限，其可為銅、鋁化銅(AlCu)、銀或金。于金屬遮蔽層158的上方為一介電層160，形成此介電層120的材料與形成介電層120、116或156的材料相同。
一MIM電容區(qū)域162形成于金屬遮蔽層158和介電層160的上方。此MIM電容區(qū)域162具有一個或多個MIM電容，而此MIM電容區(qū)域162是由一由介電層168隔離的圖案化水平金屬板164和166所形成。此金屬板164和166可由下述材料形成，但并不以此為限，其可為鎢(W)、鋁(Al)、鋁化銅(AlCu)、銅(Cu)、鈦(Ti)、硅化鈦(TiSi2)、鈷(Co)、硅化鈷(CoSi2)、鎳(Ni)、硅化鎳(NiSi)、氮化鈦(TiN)、鎢化鈦(TiW)或氮化坦(TaN)。金屬板166、金屬板164和兩金屬板間的介電層168共同形成一平行板電容，進一步可被視為一MIM電容。
由上述電容形式所組成的結合于每單位表面面積可提供一較大的電容值，因此，比僅具有一電容形式所形成者可達到較低的成本。且對一設計者而言，各種電容形式的結合可具有較大的設計彈性。值得注意的是，垂直疊合的電容區(qū)域可依順序排列，而非僅限于上述描述的情形，例如，MOM電容區(qū)域122和MIM電容區(qū)域162可彼此調換位置，此仍屬于本發(fā)明的范疇中。
圖2所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的電容元件，其上具有一可替代的MOM電容區(qū)域200。除了不同的充電情況外，此可替代的MOM電容區(qū)域200類似于圖1所示的MOM電容區(qū)域122。特別地是，在此可替代的MOM電容區(qū)域200中，一棋盤圖形的正電荷和負電荷安排被形成于個別的棒狀物上。換言之，任兩相鄰的藉由氧化物分離的水平棒狀物具有相反的電荷，當與MOM電容區(qū)域122進行比較，可替代的MOM電容區(qū)域20所達到的總電容值是相當不同的。
圖3所示為根據(jù)本發(fā)明一較佳實施例的電容元件，其上具有另一可替代的MOM電容區(qū)域300。除了利用以導電金屬填充的介層洞，來將每一行以氧化物分離的水平棒狀物進行連接外，此MOM電容區(qū)域300類似于圖1所示的MOM電容區(qū)域122。例如，一水平棒狀物304與另一水平棒狀物308是藉由介層洞306加以連接，而水平棒狀物308與另一水平棒狀物312則藉由另一介層洞310加以連接，而水平棒狀物312與另一水平棒狀物316則藉由介層洞314加以連接。應了解的是，因為利用一個或多個介層洞進行垂直連接的水平棒狀物應有相同的充電結果，因此于MOM電容區(qū)域300中的水平棒狀物充電圖案會相似于MOM電容區(qū)域122中的水平棒狀物充電圖案。除此之外，應了解的是，因為介層洞通常是被部署成多樣形式，因此可具有較密集的垂直電容板，進而增加電容值。除此之外，應了解的是，因為每一垂直電容板的表面區(qū)域加入有介層洞，因此可更進一步增加電容值。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案的范圍內。
權利要求
1.一電容元件，其特征在于其包括一變容二極管區(qū)域形成于一基板上；一金屬-氧化物-金屬(metal-oxide-metal)電容區(qū)域形成于該變容二極管區(qū)域上；以及一金屬-絕緣層-金屬(metal-isolator-metal)電容區(qū)域形成于該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域的頂端，其中該變容二極管區(qū)域、該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和該金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域是垂直排列用以提供一增強的單元電容值。
2.根據(jù)權利要求1所述的電容元件，其特征在于其中所述的變容二極管區(qū)域包括一金氧半電容、接面電容或雙載子接面晶體管電容。
3.根據(jù)權利要求1所述的電容元件，其特征在于更包括一第一金屬遮蔽層用以將該變容二極管區(qū)域和該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域進行隔離。
4.根據(jù)權利要求1所述的電容元件，其特征在于更包括一第二金屬遮蔽層用以將該金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和該金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域進行隔離。
5.根據(jù)權利要求1所述的電容元件，其特征在于其中所述的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域具有一個或多個導體棒狀物部署于一個或多個金屬層。
6.根據(jù)權利要求5所述的電容元件，其特征在于其中具有相同形式帶電荷的導體棒狀物被排列于同一行。
7.根據(jù)權利要求6所述的電容元件，其特征在于其中排列于同一行的導體棒狀物藉由介層洞連接在一起。
8.根據(jù)權利要求5所述的電容元件，其特征在于其中具有不同形式帶電荷的導體棒狀物被排列成棋盤狀。
9.一種具有兩種或多種電容區(qū)域形式的電容元件，其特征在于，其中該些電容區(qū)域是垂直排列于一基板上，且該些電容區(qū)域是選自由一變容二極管區(qū)域、一金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域和一金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域所組成的群體中。
10.根據(jù)權利要求9所述的電容元件，其特征在于其中所述的變容二極管區(qū)域包括一金氧半電容、接面電容或雙載子接面晶體管電容。
11.根據(jù)權利要求9所述的電容元件，其特征在于更包括一金屬遮蔽層用以隔離該些區(qū)域。
12.根據(jù)權利要求9所述的電容元件，其特征在于其中所述的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域具有一個或多個導體棒狀物部署于一個或多個金屬層。
13.根據(jù)權利要求12所述的電容元件，其特征在于其中具有相同形式帶電荷的導體棒狀物被排列于同一行。
14.根據(jù)權利要求13所述的電容元件，其特征在于其中排列于同一行的導體棒狀物藉由介層洞連接在一起。
15.根據(jù)權利要求12所述的電容元件，其特征在于其中具有不同形式帶電荷的導體棒狀物被排列成棋盤狀。
16.一種具有兩種或多種電容區(qū)域形式的電容元件，其特征在于，其中該些電容區(qū)域是垂直排列于一基板上取是用于一射頻電路中，該電容元件包括一變容二極管區(qū)域形成于一基板上，其中該變容二極管區(qū)域可提供至少1fF/μm2的單位電容值；以及或是一可提供至少0.15fF/μm2的每一金屬層單位電容值的金屬-氧化物-金屬電容區(qū)域，或是一可提供至少0.5fF/μm2的單位電容值的金屬-絕緣層-金屬電容區(qū)域，形成于該變容二極管區(qū)域之上。
全文摘要
本發(fā)明是有關于一種電容元件，可于一集成電路的相同布局區(qū)域中，選擇性結合金屬－絕緣層－金屬(MIM)、金屬－氧化層－金屬(MOM)和變容二極管區(qū)域，兩或多種電容區(qū)域形式，被垂直安排于一基板上用以形成一電容元件，此可在不占據(jù)額外布局區(qū)域的情況下，增加此電容元件每單位的電容值。
文檔編號H01L27/02GK1819194SQ200510087360
公開日2006年8月16日 申請日期2005年7月28日 優(yōu)先權日2005年2月11日
發(fā)明者陳岳猷, 張家龍, 趙治平, 陳俊宏 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司