説明

キャパシタ構造体

【課題】面積を増加せずとも、キャパシタの静電容量を増大させることのできるキャパシタ構造体を提供すること。
【解決手段】本発明のキャパシタ構造体は、複数個の開口部を有する第1の電極と、前記開口部の各々の中央に形成される第2の電極と、前記開口部を埋め込んで第2の電極を囲むように形成される誘電膜とを備えることを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体製造技術に関し、特に、半導体素子のキャパシタ構造体、より詳細には、MOM(Metal−Oxide−Metal)構造のキャパシタ構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
一般に、半導体チップに内蔵されるキャパシタには、MIM(Metal−Insulator−Metal)構造とMOM(Metal−Oxide−Metal)構造とがある。MIM構造は、上下部電極と絶縁膜を別途に形成するためにさらなる工程が要求される。これに対して、MOM構造は、バックエンドBEOL(Back End Of Line)工程において形成される内部配線間の寄生静電容量(parasitic capacitance)を用いるため、別途のさらなる工程が必要でないという利点がある。
【0003】
しかし、MOM構造は、前述したように、バックエンドBEOL工程において付随的に得られる寄生静電容量を用いるため、高い単位静電容量を得るためには、MOMキャパシタの面積を増加させる必要がある。このため、半導体チップ内の能動素子が占める面積が増加し、半導体チップの製造原価の側面で不利にならざるをえない。
【0004】
関連する技術としては、例えば、米国特許出願公開第2007/0155112号明細書(特許文献1)や、"Capacity Limits and Matching Properties of Integrated Capacitors”IEEE Journal of Solid−State Circuits,Vol.37,No.3,March 2002(非特許文献1)に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】米国特許出願公開第2007/0155112号明細書
【非特許文献】
【0006】
【非特許文献1】"Capacity Limits and Matching Properties of Integrated Capacitors”IEEE Journal of Solid−State Circuits,Vol.37,No.3,March 2002
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであって、その目的は、半導体チップの面積を増加せずとも、静電容量を増大させることのできるキャパシタ構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
そこで、上記の目的を達成するための本発明によるキャパシタ構造体は、 複数個の開口部を有する第1の電極と、前記開口部の各々の中央に形成される第2の電極と、前記開口部を埋め込んで第2の電極を囲むように形成される誘電膜とを備えることを特徴とする。
【0009】
また、上記の目的を達成するための本発明によるキャパシタ構造体は、複数個の層からなり、各層が1つまたは複数個の開口部を有し、各層が第1のビアを介して垂直方向に接続される第1の電極と、該第1の電極と対応するように複数個の層からなり、各層が第2のビアを介して垂直方向に接続され、前記第1の電極の各々の開口部の間に配置される複数個の第2の電極と、前記第1の電極及び第2の電極の間に、前記開口部を埋め込んで第2の電極を囲むように形成される誘電体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
上記の構成を含む本発明によれば、キャパシタの電極として機能する導電層(金属配線)を格子状を有する板状構造で形成し、前記導電層(金属配線)の間にビアを配置して、前記導電層(金属配線)を垂直方向に接続することにより、キャパシタの単位面積を増加せずとも、静電容量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の実施形態に係るキャパシタ構造体を示した斜視図である。
【図2】図1に示されたキャパシタ構造体の平面図である。
【図3】図2に示されたI−I'切取線に沿って示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明の最も好ましい実施形態を添付した図面を参照して詳細に説明する。
【0013】
図面において、層(膜や領域)等の幅、厚さ、及び間隔は、説明の便宜及び明確性を期するために誇張されたものであり、明細書内にその範囲が記載された場合、その範囲内と理解されるべきである。また、明細書の全体にわたって、層が他の層または基板「上(上部)」に形成されると記載された場合、それは他の層または基板上に直接形成され得るか、またはそれらの間に第3の層が介在することもあり得る。また、「同じ形」と記載された場合に、それは全体的な形が同じであることあるいは実質的に同じ形であることを意味し、厚さ、幅、そして大きさが同じであることを意味するものではない。なお、同じ図面符号で表示された部分は同じ層を示す。
【0014】
図1は、本発明の実施形態に係るキャパシタ構造体を説明するために示した斜視図であり、図2は、平面図であり、図3は、図2のI−I'切取線に沿って示した断面図である。
【0015】
図1〜図3に示すように、本発明の実施形態に係るキャパシタ構造体は、第1の電極及び第2の電極100、102と、該第1の電極及び第2の電極100、102の間に形成される誘電体104とを備える。
【0016】
第1の電極100は、複数個の導電層ML1〜ML4からなる。ここでは、4層からなる場合を図示したが、これは一例であって、導電層の個数に制限はない。
【0017】
第1の電極100の導電層ML1〜ML4は、少なくとも1つ以上の開口部を有する。すなわち、1つまたは複数個の開口部を有する。第1の電極100の導電層ML1〜ML4は、内部が格子状を有する板状構造で形成される。第1の電極100の導電層ML1〜ML4は互いに同じ形で形成される。望ましくは、同じ大きさ、厚さ、及び幅で形成される。第1の電極100の導電層ML1〜ML4は同じ幅で形成されることができ、部位別に異なる大きさや幅で形成されることもできる。例えば、格子状を有する板状構造の場合、縁部と、その内側に形成された柱部とからなり、縁部の幅が柱部の幅より大きく形成されることができる。望ましくは、縁の幅は0.1μm〜1μmで形成される。
【0018】
第1の電極100の導電層ML1〜ML4の開口部は、垂直方向に相互整列(アライン)されている。
【0019】
開口部は、多角形(例えば、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形等)、円形、半円形、および楕円形のうちいずれか1つの構造で形成される。望ましくは、正方形で形成される。これらは平面視での形状ともいえる。
【0020】
第1のビアV1〜V3は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4の間に交互に配置される。すなわち、第1のビアV1〜V3を介して第1の電極100の導電層ML1〜ML4が垂直方向に接続され、第1の電極100内で第1のビアV1〜V3と第1の電極100の導電層ML1〜ML4とが交互に配置される。これにより、第1の電極100は、全体的に第1の電極100の導電層ML1〜ML4の開口部が相互に連通してシリンダ構造をなすことになる。
【0021】
第1のビアV1〜V3は、対応する第1の電極100の導電層ML1〜ML4の間に配置され、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同じ形で形成される。例えば、第1のビアV1〜V3は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同様に、格子状を有する板状構造で形成されることができる。このとき、第1のビアV1〜V3は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同じ形で実現されるが、大きさ、厚さ、及び幅においては異なって形成されることもできる。すなわち、第1のビアV1〜V3は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同一幅、または狭い幅で形成されることができる。また、 第1のビアV1〜V3は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4よりも厚く形成されることができる。なお、第1のビアV1〜V3は、互いに異なる幅や厚さで形成されることができる。しかし、全体的な形は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同じ形で実現される。
【0022】
第2の電極102は、第1の電極100と対応するよう複数個の導電層ML1’〜ML4’からなる。また、第2の電極102は、第1の電極100と特定距離Lの分だけ離隔して形成される。望ましくは、第2の電極102は、第1の電極100と0.1μm〜1μm離隔して形成される。また、第2の電極102は、第1の電極100の開口部毎に少なくとも1つずつ配置される。第1の電極100の開口部毎に1つずつ配置された第2の電極102は、別途の金属配線によって相互接続される。このとき、前記金属配線の構造に制限はなく、バー状(棒状)(bar type)または板状構造(flat type)で形成されることができ、第1の電極100とは別途の絶縁膜によって電気的に分離される。
【0023】
第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’は、第1の電極の導電層ML1〜ML4と同じ幅で形成される。望ましくは、第1の電極及び第2の電極100、102の導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’は0.1μm〜1μmの幅W1、W2で形成される。第2のビアV1’〜V3’は、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’の間に交互に配置される。すなわち、第2のビアV1’〜V3’を介して第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’が垂直方向に接続される。また、第2のビアV1’〜V3’が、対応する第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’の間に配置され、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’と同じ形で形成される。これにより、第2の電極102は、その導電層ML1’〜ML4’が垂直方向に接続されたバー状構造を有するように形成される。第2の電極102は、第1の電極100の開口部のように、多角形または円形で形成することができる。
【0024】
第2のビアV1’〜V3’は前述したように、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’と同じ形で実現されるが、大きさ、厚さ、及び幅においては異なって形成することもできる。
【0025】
すなわち、第2のビアV1’〜V3’は、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’と同一幅で形成されるか、または狭い幅で形成されることができる。また、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’よりも厚く形成されることができる。なお、第2のビアV1’〜V3’は、互いに異なる幅や厚さで形成することができる。しかし、全体的な形は、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’と同じ形で実現される。
【0026】
上記において説明された第1の電極及び第2の電極100、102の各々の導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’は同一物質で形成される。導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’は、半導体チップの製造工程において、バックエンドBEOL工程で形成される配線工程時、共に形成することができる。したがって、半導体チップの製造工程の配線工程時に用いられる金属物質で共に形成される。例えば、金属物質としては、配線工程時に用いる物質を全て用いることができる。望ましくは、アルミニウム、銅、及び白金等が用いられる。
【0027】
上記において説明された第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’は、ダマシン(damascene)法を利用して互いに同一物質で形成することができる。第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’は、導電層ML1〜M4、ML1’〜ML4’と同一物質で形成することができる。詳細には、第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’は、金属物質で形成することができる。例えば、金属物質としては、アルミニウム、銅、及び白金等を用いることができる。より詳細には、導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’がアルミニウムで形成された場合、第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’は銅で形成される。
【0028】
誘電体104は、第1の電極及び第2の電極100、102の間に形成される。詳細には、誘電体104は、第1の電極100の導電層ML1〜ML4の開口部が埋め込まれるように形成される。誘電体104は、比誘電率を有する物質を全て用いることができ、望ましくは、シリコン酸化膜SiOで形成される。その他、誘電体104は、高誘電率を有する金属酸化物で形成することができる。金属酸化物としては、比誘電率が3.5以上であるハフニウム酸化膜HfO、ジルコニウム酸化膜ZrO、チタニウム酸化膜TiO、アルミニウム酸化膜AlO、タンタル酸化膜Ta等を用いることができる。
【0029】
第1の電極100の導電層ML1〜ML4の上下部には第1のバリア金属層108、110が形成される。第1のバリア金属層108、110は、導電層ML1〜ML4を境界として上下対称的に形成される。第1のバリア金属層108、110は、製造工程時、導電層ML1〜ML4と同時にパターニングされて、導電層ML1〜ML4と同じ形で形成される。第1のバリア金属層108、110は、チタニウム窒化膜TiN、タンタル窒化膜TaN、タングステン窒化膜WN、チタニウム膜とチタニウム窒化膜との積層膜Ti/TiN、タンタル膜とタンタル窒化膜との積層膜Ta/TaN等で形成することができる。
【0030】
第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’の上下部にも第2のバリア金属層112、114が形成される。第2のバリア金属層112、114は、導電層ML1’〜ML4’を境界として上下対称的に形成される。第2のバリア金属層112、114は、製造工程時、導電層ML1’〜ML4’と同時にパターニングされて、導電層ML1’〜ML4’と同じ形で形成される。第2のバリア金属層112、114は、チタニウム窒化膜TiN、タンタル窒化膜TaN、タングステン窒化膜WN、チタニウム膜とチタニウム窒化膜との積層膜Ti/TiN、タンタル膜とタンタル窒化膜との積層膜Ta/TaN等で形成することができる。
【0031】
第1の電極及び第2の電極100、102の積層構造は、第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’のダマシン法と導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’のバックエンドBEOL工程とを利用して実現することができる。誘電体104として用いられる誘電物質もダマシン法とバックエンドBEOL工程とに用いられる絶縁物質をそのまま用いることができる。第1の電極及び第2の電極100、102の導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’は、化学気相蒸着CVD(Chemical Vapor Deposition)法または物理気相蒸着PVD(Physical Vapor Deposition)法により蒸着される。
【0032】
前述したように、本発明の実施形態に係るキャパシタ構造体では、第1のビアV1〜V3が、第1の電極100の導電層ML1〜ML4と同様に、格子状の板状構造で形成されている。そして、第2のビアV1’〜V3’が、第1のビアV1〜V3と水平方向に特定距離Lの分だけ離隔して、第2の電極102の導電層ML1’〜ML4’と同じ形で製造されている。これにより、第1の電極及び第2の電極100、102の導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’の間の水平静電容量及び垂直静電容量を得るとともに、さらに、第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’を介して得られる第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’間の水平静電容量を得ることができる。
【0033】
第1のビア及び第2のビアV1〜V3、V1’〜V3’の構造を介してさらに得られる水平静電容量の効率を極大化させるために、本発明の実施形態では図1のように、第1の電極100が負(−)電極で構成され、第2の電極102が正(+)電極で構成される。また、第1の電極100の各々の開口部を基準として全体的にシリンダ状に実現される単位キャパシタにおいて、第1の電極100の開口部が多角形または円形で形成されている。このため、各々の開口部の中央に配置された第2の電極102を中心として、第1の電極100が2次元アレイ状に構成される。これにより、静電容量の拡張が容易となる。
【0034】
以下、本発明の実施形態に係るMOMキャパシタ構造体(実施形態)と一般的なMOMキャパシタ構造体(従来技術)との静電容量の合計を比較する。下記表1は、この2つの構造体の比較表を示す。
【0035】
【表1】

【0036】
前記表1において、本発明の実施形態における金属は第1の電極及び第2の電極100、102の導電層ML1〜ML4、ML1’〜ML4’であり、IMD(Inter Metal Dielectric)は絶縁膜であって、誘電体104に含まれる。FSGは、フッ化ケイ酸塩ガラス(Fluorinated Silicate Glass)、TEOSは、テトラエチルオルトシリケート(Tetra Ethyl Ortho Silicate)である。
【0037】
一般に、MOMキャパシタは、金属配線(導電層)間のキャパシタに比べて静電容量は小さいが、付随的に発生するビアによるキャパシタを含む。
【0038】
一般的なMOMキャパシタ構造体において、金属による静電容量と、ビアによる静電容量とを各々1としたとき、前記表1のように、本発明の実施形態に係るキャパシタ構造体では、金属による静電容量が1.19、ビアによる静電容量が2.6で、同一面積で非常に優れた単位静電容量の特性を示す。静電容量の大きさが相対的に小さなビアによる静電容量を無視しても、約19%の単位静電容量の向上を得ることができる。単位キャパシタの静電容量は、キャパシタ面積に比例して増加するが、本発明の実施形態において提案したキャパシタ構造体はシリンダ型で実現されることにより、面積を最大化させることができる。
【0039】
以上で説明したように、本発明の技術的思想は好ましい実施形態において具体的に記述されたが、上記の実施形態はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに注意すべきである。また、この技術分野の通常の専門家であれば、本発明の技術思想の範囲内で様々な実施形態が可能であることが理解できるであろう。
【符号の説明】
【0040】
100 第1の電極
102 第2の電極
104 誘電体
ML1〜ML4、ML1’〜ML4’ 導電層
V1〜V3、V1’〜V3’ ビア

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の開口部を有する第1の電極と、
前記開口部の各々の中央に形成される第2の電極と、
前記開口部を埋め込んで第2の電極を囲むように形成される誘電膜と、
を備えることを特徴とするキャパシタ構造体。
【請求項2】
前記第1の電極と第2の電極の間隔は、0.1μm〜1μmであることを特徴とする請求項1に記載のキャパシタ構造体。
【請求項3】
前記開口部は、多角形構造を有することを特徴とする請求項1に記載のキャパシタ構造体。
【請求項4】
前記開口部は、円形、半円形、および楕円形のうちいずれか1つの構造を有することを特徴とする請求項1に記載のキャパシタ構造体。
【請求項5】
複数の層からなり、各層が1つまたは複数の開口部を有し、各層が第1のビアを介して垂直方向に接続される第1の電極と、
該第1の電極と対応するように複数の層からなり、各層が第2のビアを介して垂直方向に接続され、前記第1の電極の各々の前記開口部内に配置される複数の第2の電極と、
前記第1の電極及び第2の電極の間に、前記開口部を埋め込んで第2の電極を囲むように形成される誘電体と、
を備えることを特徴とするキャパシタ構造体。
【請求項6】
前記第1のビアは、対応する前記第1の電極の間に配置され、前記第1の電極と同じ形で形成され、
前記第2のビアは、対応する前記第2の電極の間に配置され、前記第2の電極と同じ形で形成されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項7】
前記第1の電極の各層は、板状構造を有することを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項8】
前記第2の電極は、棒状構造を有することを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項9】
前記複数の第2の電極の各層は、別途の金属配線によって相互接続されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項10】
前記第1の電極と第2の電極の間隔は、0.1μm〜1μmであることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項11】
前記第2の電極は、前記開口部毎に1つずつ配置されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項12】
前記開口部は、多角形構造を有することを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項13】
前記開口部は、円形、半円形、および楕円形のうちいずれか1つの構造を有することを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項14】
前記第1のビアは、前記第1の電極と同一幅または狭い幅で形成されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項15】
前記第2のビアは、前記第2の電極と同一幅または狭い幅で形成されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。
【請求項16】
前記第1の電極の各層の開口部は、垂直方向に相互整列されることを特徴とする請求項5に記載のキャパシタ構造体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2010−141314(P2010−141314A)
【公開日】平成22年6月24日(2010.6.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−273621(P2009−273621)
【出願日】平成21年12月1日(2009.12.1)
【出願人】(505087780)マグナチップセミコンダクター有限会社 (125)
【氏名又は名称原語表記】MAGNACHIP SEMICONDUCTOR LTD
【住所又は居所原語表記】1 Hyangjeong−dong,Heungduk−gu,Cheongju City,Chung Cheong Bok−do,Korea
【Fターム(参考)】