(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の極性を有する第１の端子と、
前記第１の極性とは逆の第２の極性を有する第２の端子と、
前記第１の端子と第２の端子を接続する複数の柱状部とを備え、
前記複数の柱状部の各々は、
前記第１の端子に電気的に接続された第１の導電体棒と、
前記第２の端子に電気的に接続された第２の導電体棒と、
前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の間の誘電体層を有し、
各柱状部が有する前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成され、隣接する２つの柱状部の一方が有する第１の導電体棒と他方が有する第２の導電体棒は、該２つの柱状部の長さ方向において部分的に重複し、該第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成されることを特徴とするキャパシタ。
【請求項２】
前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の各々は、複数の金属層と金属層の間を接続する導電性のビアからなる積層構造を有することを特徴とする請求項１記載のキャパシタ。
【請求項３】
対をなす第１の電極と第２の電極を備えたキャパシタにおいて、
前記第１の電極に接続され、異なる長さを有する第１の導電性部材及び第２の導電性部材と、
前記第２の電極に接続され、異なる長さを有する第３の導電性部材及び第４の導電性部材と、
を備え、
前記第１の導電性部材と前記第３の導電性部材が前記第１の導電性部材と前記第３の導電性部材の長さ方向において対向することで容量結合し、前記第２の導電性部材と前記第４の導電性部材が前記第２の導電性部材と前記第４の導電性部材の長さ方向において対向することで容量結合するとともに、前記第２の導電性部材よりも長い前記第１の導電性部材の側面と、前記第３の導電性部材よりも長い前記第４の導電性部材の側面とが対向することで更なる容量結合する、
ことを特徴とするキャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体基板上の金属化層に電荷を一時的に蓄積するキャパシタは、半導体プロセス技術を用いて３層以上の蒸着層から形成される。このようなキャパシタは、周波数共振器やインピーダンス変換器を形成するために、リアクタンス素子や抵抗とともに半導体チップに使用される。また、キャパシタは、直流電流をブロックするために単独で用いることもできる。
【０００３】
キャパシタの容量は、２つの電極が互いに近接している部分の面積の関数であり、チップ上でキャパシタが設けられた表面部分の面積により決定される。単位面積当たりの容量を向上させるには、キャパシタが占める面積を最小化することが望ましい。
【０００４】
さらに、キャパシタ構造は、設計の再調整を許容するものであることが望ましい。設計の再調整は、集積回路チップの設計過程において必要となり、初期チップマスクレイアウト設計が完了した後に回路で使用されるキャパシタの容量を変更する作業を含む。このとき、外部チップマスク設計を維持するために、キャパシタブロックの大きさを変更しないような再調整が要求される。
【０００５】
半導体チップ上に集積される既存のキャパシタには、ＭＩＭ（metal-insulator-metal ）キャパシタと櫛形（inter-digitated ）キャパシタが含まれる。
【０００６】
ＭＩＭキャパシタは、単純な構造を有し、半導体チップ内で容量を生成する直接的な実現手段である。このキャパシタは、基板表面と平行な方向（横方向）の２つの金属層と、それらの間に挟まれた誘電体とからなる。その容量は、積み重なった３つの層に共通する部分の面積により決定される。この積層構造は、金属層間における縦方向（基板表面に垂直な方向）の電界を効率良く生成するが、半導体チップ上で占有可能な面積と誘電体の誘電率により容量が制限されることになる。
【０００７】
一方、単位面積当たりの容量を増加させる手段として、同じ金属層を用いて逆極性の細長い金属棒を互いに隣接するように配置することで横方向電界を生成する、横方向櫛形キャパシタが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００８】
また、縦方向櫛形キャパシタでは、複数の金属蒸着層を利用して縦方向に細長い金属棒が形成される（例えば、特許文献２および３を参照）。それぞれの金属棒は同じ高さを有し、各々が逆極性の別の金属棒に隣接するように配置される。これにより、逆極性の電極間における大きな実効面積が確保され、半導体チップ上に占める各単位面積に対して大きな容量を実現することができる。
【特許文献１】特表２００３−５３０６９９号公報
【特許文献２】特開２００２−２９９５５５号公報
【特許文献３】特表２００６−５１１９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の再調整では、キャパシタの占めるチップ面積がその容量に直接左右されることを利用している。したがって、キャパシタの容量が変更されれば、チップ上でそのキャパシタが占める面積も変更しなければならない。しかし、この依存性を緩和することができれば、あらかじめ決められた大きさのキャパシタブロックを用いることが可能である。重要なのは、キャパシタ構造の設計変更を許容しつつ、単位面積当たりの容量を増加させることである。
【００１０】
本発明の課題の１側面は、容量調整の自由度を高めることである。
【００１１】
また、半導体基板上のキャパシタ設計において、単位面積当たりの容量を増加させるとともに、あらかじめ決められた面積の中での容量調整を可能にすることも他の課題として掲げることができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示のキャパシタは、第１の極性を有する第１の端子と、第１の極性とは逆の第２の極性を有する第２の端子と、第１の端子と第２の端子を接続する複数の柱状部とを備える。これらの柱状部の各々は、第１の端子に電気的に接続された第１の導電体棒と、第２の端子に電気的に接続された第２の導電体棒と、第１の導電体棒と第２の導電体棒の間の誘電体層を有する。
【００１３】
このようなキャパシタ構造によれば、各柱状部が有する第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成される。したがって、第１の導電体棒と第２の導電体棒の間の距離を設計により変更することで、容量を変更することができる。
【００１４】
また、隣接する２つの柱状部の一方が有する第１の導電体棒と他方が有する第２の導電体棒は、それらの柱状部の長さ方向において部分的に重複し、第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成される。したがって、第１の導電体棒の長さと第２の導電体棒の長さの少なくとも一方を設計により変更することで、容量を変更することができる。
【００１５】
また、対をなす第１の電極と第２の電極を備えたキャパシタにおいて、前記第１の電極に接続され、異なる長さを有する第１の導電性部材及び第２の導電性部材と、前記第２の電極に接続され、異なる長さを有する第３の導電性部材及び第４の導電性部材と、を備え、前記第１の導電性部材と前記第３の導電性部材、前記第２の導電性部材と前記第４の導電性部材がそれぞれ対向することで容量結合するとともに、前記第２の導電性部材よりも長い前記第１の導電性部材の側面と、前記第３の導電性部材よりも長い前記第４の導電性部材と側面とが対向することで更なる容量結合する、ことを特徴とするキャパシタを用いることもできる。
【００１６】
前記第１の導電性部材と前記第３の導電性部材、前記第２の導電性部材と前記第４の導電性部材がそれぞれ対向することで容量結合するだけでなく、前記第１の導電性部材の側面と、前記第３の導電性部材よりも長い前記第４の導電性部材と側面とが対向することで更なる容量結合することで、結合箇所を増やし、結合量の自由度を高めることもできる。
【発明の効果】
【００１７】
容量値の細かな変更を柔軟に行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【００１９】
実施形態のキャパシタは、２つの電気的極性の各々について２つ以上の縦方向の導電体棒を形成することで実現される。このとき、逆極性の導電体棒が互いに隣接するように、これらの導電体棒を配置する。設計の再調整時には、個々の導電体棒または一群の導電体棒の長さを変更することで、容量値が決定される。すべての導電体棒が同じ長さである必要はなく、各導電体棒の長さは、キャパシタが使用される回路の電気的要請に応じて可変範囲を最大化するアルゴリズムにより決定される。このような導電体棒は、例えば、半導体プロセス技術による３層以上の蒸着材料を用いて実現することができる。
【００２０】
図１は、実施形態の櫛形キャパシタの一例を示している。この櫛形キャパシタは、第１の極性を有する導電体棒１０１、１０３、１０５、および１０７と、第１の極性とは逆の極性を有する導電体棒１０２、１０４、１０６、および１０８を備える。隣接する導電体棒間の空間は誘電体で満たされる。設計フローにおいて各導電体棒の長さは可変である。
【００２１】
この櫛形キャパシタでは、第１の極性の導電体棒と、それに隣接する第２の極性の導電体棒の間に容量が生成される。例えば、導電体棒１０１に関しては、導電体棒１０１と導電体棒１０２の間に容量が生成されるとともに、導電体棒１０１と導電体棒１０４の間にも容量が生成される。また、導電体棒１０４に関しては、導電体棒１０４と導電体棒１０１の間、導電体棒１０４と導電体棒１０３の間、および導電体棒１０４と導電体棒１０５の間に容量が生成される。櫛形キャパシタの総容量は、これらの導電体棒によるすべての容量の総和で与えられる。
【００２２】
図１では、８つの導電体棒が示されているが、これより少ない数または多い数の導電体棒により櫛形キャパシタを形成することも可能である。
【００２３】
図２は、櫛形キャパシタの柱状部の一例を示している。この柱状部は、第１の極性の導電体棒２０１と第２の極性の導電体棒２０３を有し、２つの導電体棒が誘電体２０３を挟むことで縦方向のキャパシタ２０４を形成している。
【００２４】
キャパシタ２０４は、主として、導電体棒２０１と導電体棒２０３の間の電位差による縦方向の電界を利用して、電荷蓄積のための容量を生成する。設計フローにおいて導電体棒２０１と導電体棒２０３の間のギャップの距離Ｄ１を変更することで、所望の容量変化を得ることができる。距離Ｄ１を増加させると容量は減少し、距離Ｄ１を減少させると容量は増加する。ギャップの距離Ｄ１を調整するには、柱状部の長さＬ１を一定にしたままで導電体棒２０１および／または導電体棒２０３の長さを変更すればよい。
【００２５】
図３は、櫛形キャパシタの２つの柱状部を示している。一方の柱状部は、第１の極性の導電体棒３０１と第２の極性の導電体棒３０３を有し、他方の柱状部は、第１の極性の導電体棒３０３と第２の極性の導電体棒３０４を有する。
【００２６】
このうち、導電体棒３０１と導電体棒３０４の間の電位差による横方向の電界により、これらの導電体棒間に容量が生成され、横方向のキャパシタ３０５が形成される。導電体棒３０１と導電体棒３０４の間で縦方向に重複している部分の長さＬ２を変更することで、所望の容量変化を得ることができる。長さＬ２を増加させると容量は増加し、長さＬ２を減少させると容量は減少する。重複部分の長さＬ２を調整するには、２つの柱状部の長さを一定にしたままで導電体棒３０１および／または導電体棒３０４の長さを変更すればよい。
【００２７】
所望の容量変化を得るために、導電体棒３０１と導電体棒３０４の距離Ｄ２を変更することも可能である。距離Ｄ２を増加させると容量は減少し、距離Ｄ２を減少させると容量は増加する。
【００２８】
図４は、半導体プロセス技術による蒸着材料で形成された櫛形キャパシタの柱状部の一例を示している。この柱状部は、金属部４０１および４０９と、金属層４０２、４０４、４０６、および４０８と、金属層間を接続する金属ビア４０３および４０７と、誘電体層４０５を有する。
【００２９】
金属部４０１および４０９の各々は、複数の金属層および複数の金属ビアからなり、金属部４０１、金属層４０２、４０４、およびビア４０３からなる積層構造は第１の導電体棒を構成し、金属層４０６、４０８、ビア４０７、および金属部４０９からなる積層構造は第２の導電体棒を構成する。第１の導電体棒は、金属部４０１を介して第１の極性を有する第１の電極に接続され、第２の導電体棒は、金属部４０９を介して第２の極性を有する第２の電極に接続される。
【００３０】
柱状部内での誘電体層４０５の正確な位置は、第１の導電体棒を構成する金属層およびビアの数と、第２の導電体棒を構成する金属層およびビアの数に依存する。設計フローにおいて、金属部４０１に含まれる金属層およびビアの数を増加させ、金属部４０９に含まれる金属層およびビアの数を減少させれば、誘電体層４０５の位置は下方にシフトする。逆に、金属部４０１に含まれる金属層およびビアの数を減少させ、金属部４０９に含まれる金属層およびビアの数を増加させれば、誘電体層４０５の位置は上方にシフトする。
【００３１】
また、金属部４０１および４０９に含まれる金属層およびビアの数を減少させれば、誘電体層４０５の厚みは増加し、金属部４０１および４０９に含まれる金属層およびビアの数を増加させれば、誘電体層４０５の厚みは減少する。
【００３２】
図５は、図４に示した柱状部を用いて半導体チップ上に形成された櫛形キャパシタの一例を示している。この櫛形キャパシタは、導電体棒５１１〜５１８を備える。このうち、導電体棒５１１、５１３、５１５、および５１７は、第１の極性を有する第１の電極端子５０１に接続され、導電体棒５１２、５１４、５１６、および５１８は、第２の極性を有する第２の電極端子５０２に接続されている。電極端子５０１および５０２は、例えば、基板表面と平行な方向に設けられる。
【００３３】
これらの導電体棒が形成される領域の面積は、端子５０１および５０２の長さの関数であり、櫛形キャパシタの総容量は、これらの導電体棒によるすべての容量の総和である。上述したように、各導電体棒を構成する金属層およびビアの数を増減することで、誘電体層の位置と厚みを変更することができる。これにより、隣接する導電体棒間で重複する部分の長さを変更したり、上下の導電体棒間のギャップの距離を変更したりして、総容量を調整することができる。
【００３４】
図５では、８つの導電体棒が示されているが、これより少ない数または多い数の導電体棒により櫛形キャパシタを形成することも可能である。
【００３５】
図６は、図５に示した平面状の櫛形キャパシタを奥行き方向に複数個並べて形成された立体的な櫛形キャパシタの一例を示している。この櫛形キャパシタは、基板表面と平行な平面上に設けられた第１の電極端子６０１および第２の電極端子６０２と、これらの端子間に形成された複数の柱状部を備える。
【００３６】
図７は、この櫛形キャパシタを端子６０１と端子６０２の間の適当な平面で切断して得られる断面図であり、図８は、この櫛形キャパシタの正面図である。各柱状部は、端子６０１に接続された第１の導電体棒６１１と、端子６０２に接続された第２の導電体棒６１２の少なくとも一方を含む。多くの柱状部は、両方の導電体棒を含んでいる。
【００３７】
この場合も、図５に示した櫛形キャパシタと同様に、各導電体棒を構成する金属層およびビアの数を増減することで、総容量を調整することができる。さらに、２つの端子間に形成される柱状部の数を増減することで、隣接する柱状部間の距離を変更して、総容量を調整することも可能である。
【００３８】
以上のように、マスクレイアウトの設計者は、他の素子のレイアウトを再調整しなくても、キャパシタの容量値を変更することを可能とすることもできる。また、あらかじめ決められたキャパシタブロックの大きさを用いて設計を進め、設計フローの後の段階で特定の容量値に調整することも可能になる。
【００３９】
以上、図１から図８までを参照しながら説明した実施形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
（付記１）第１の極性を有する第１の端子と、
前記第１の極性とは逆の第２の極性を有する第２の端子と、
前記第１の端子と第２の端子を接続する複数の柱状部とを備え、
前記複数の柱状部の各々は、
前記第１の端子に電気的に接続された第１の導電体棒と、
前記第２の端子に電気的に接続された第２の導電体棒と、
前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の間の誘電体層を有することを特徴とするキャパシタ。
（付記２）前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の各々は、複数の金属層と金属層の間を接続する導電性のビアからなる積層構造を有することを特徴とする付記１記載のキャパシタ。
（付記３）各柱状部が有する前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成されることを特徴とする付記１記載のキャパシタ。
（付記４）前記第１の導電体棒と第２の導電体棒の間の距離を設計により変更することで、前記容量が変更されることを特徴とする付記３記載のキャパシタ。
（付記５）隣接する２つの柱状部の一方が有する第１の導電体棒と他方が有する第２の導電体棒は、該２つの柱状部の長さ方向において部分的に重複し、該第１の導電体棒と第２の導電体棒の間に容量が生成されることを特徴とする付記１記載のキャパシタ。
（付記６）前記２つの柱状部の一方が有する第１の導電体棒の長さと、前記２つの柱状部の他方が有する第２の導電体棒の長さの少なくとも一方を設計により変更することで、前記容量が変更されることを特徴とする付記５記載のキャパシタ。
（付記７）対をなす第１の電極と第２の電極を備えたキャパシタにおいて、
前記第１の電極に接続され、異なる長さを有する第１の導電性部材及び第２の導電性部材と、
前記第２の電極に接続され、異なる長さを有する第３の導電性部材及び第４の導電性部材と、
を備え、
前記第１の導電性部材と前記第３の導電性部材、前記第２の導電性部材と前記第４の導電性部材がそれぞれ対向することで容量結合するとともに、前記第２の導電性部材よりも長い前記第１の導電性部材の側面と、前記第３の導電性部材よりも長い前記第４の導電性部材と側面とが対向することで更なる容量結合する、
ことを特徴とするキャパシタ。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の櫛形キャパシタを示す図である。
【図２】柱状部を示す図である。
【図３】導電体棒間の横方向のキャパシタを示す図である。
【図４】金属層で形成された柱状部を示す図である。
【図５】金属層で形成された櫛形キャパシタを示す図である。
【図６】第２の櫛形キャパシタを示す図である。
【図７】第２の櫛形キャパシタの断面図である。
【図８】第２の櫛形キャパシタの正面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、２０１、２０２、３０１、３０２、３０３、３０４、５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１６、５１７、５１８、６１１、６１２  導電体棒
２０３  誘電体
２０４  縦方向のキャパシタ
３０５  横方向のキャパシタ
４０１、４０９  金属部
４０２、４０４、４０６、４０８  金属層
４０３、４０７  金属ビア
４０５  誘電体層
５０１、５０２、６０１、６０２  電極端子
【図７】
0005104403.tif 000002
【図８】
0005104403.tif 000003
【図１】
0005104403.tif 000004
【図２】
0005104403.tif 000005
【図３】
0005104403.tif 000006
【図４】
0005104403.tif 000007
【図５】
0005104403.tif 000008
【図６】
0005104403.tif 000009