具有几何截面的芯片上可变电容器的制作方法

本发明通常涉及可变电容器。尤其，本发明涉及芯片上可变电容器。

背景技术：

cmosfinfet技术用以制造操作于多个频带的低功率电路。目前，针对芯片上可变电容器的选择非常有限。传统上，cmos芯片上电容器是不可变的，对于当前的多频带芯片具有有限可调谐范围。有限可调谐性限制可重构电路设计，并需要多个被动装置，从而增加芯片布局面积。可重构装置的性能被芯片上的有限可调谐装置限制。目前使用半导体可变电容器以及基于mems可变电容器。可在标准cmos制程中获得的半导体可变电容器包括-(i)变容二极管，(ii)金属-氧化物-半导体(metal-oxide-semiconductor；mos)变容管，(iii)开关金属-绝缘体-金属(metal-insulator-metal；mim)电容器。变容二极管及mos变容管具有高q值(在1ghz大于100)，但这些变容管的调谐比小(<5:1)。开关mim电容器(由与金属-氧化物-半导体场效应晶体管(mosfet)的沟道串联的mim电容器组成)具有第三终端(该mosfet的栅极)，其控制电容，因此更加线性。开关mim电容器可被设计为大调谐比(>5:1)，但q值随该调谐比增加而减小。发生此折中是因为对于大调谐比，该mosfet要小，以最大限度地降低寄生电容，但小mosfet具有高沟道电阻，其劣化q值。该些半导体可变电容器中没有一种可同时获得大调谐比(>10:1)和高q值(在1ghz大于100)。mems可变电容器-可靠性不能保证，因为rfmems可能因介电质充电、机械蠕变或疲劳或者因与重复机械接触相关的劣化而失效。尽管具有优越的性能，但mems可变电容器未被广泛用于rf电路中，因为大多数mems可变电容器不与cmos单片集成。由于将mems可变电容器作为分立组件包括于rf电路中确实过于昂贵而无法保证其使用，因此需要单片集成。此要求富有挑战性，因为集成的需求使mems制造变得复杂。除标准cmos制程加工以外，mems所必需的结构及牺牲层需要额外加工，尤其当需要与cmos集成时。可使用低温微加工(micromachining)以直接在现有cmos制程的顶部上制造mems装置。或者，mems可被制造于独立的衬底上并覆晶结合至cmos芯片上。

因此，在半导体制造中对具有可变电容的电容器的需求仍然存在。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺点并提供额外的优点，在一个态样中提供一种提供芯片上电容的方法。该方法包括提供一个或多个半导体装置的初始互连结构，该初始互连结构包括介电材料层。该方法还包括在该介电材料层中形成具有不同且连续的截面尺寸的相同截面形状的至少两个过孔，该至少两个过孔的至少其中一个具有第一截面形状；以及在该至少两个过孔各者中形成具有不同电容的几何电容器。

依据另一个态样，提供一种半导体互连结构。该半导体互连结构包括：一个或多个半导体装置的互连结构，该互连结构包括介电材料层，具有不同且连续的截面尺寸的至少两个过孔位于该介电材料层中，该至少两个过孔具有几何截面形状；以及成形电容器，位于各过孔中，与该至少两个过孔的该几何截面形状匹配，该电容器的电容随截面尺寸增加而增加。

依据又一个态样，提供一种半导体结构。该半导体结构包括：位于衬底上的一个或多个半导体装置；以及半导体互连结构，位于与其电性耦接的该一个或多个半导体装置上方，该半导体互连结构包括具有不同且连续的截面尺寸的至少两个成形电容器，该至少两个成形电容器具有几何截面形状以及随截面尺寸增加而增加的电容。

从下面结合附图所作的本发明的各种态样的详细说明将很容易了解本发明的这些以及其它目的、特征及优点。

附图说明

图1显示依据本发明的一个或多个态样的一个或多个半导体装置(未图示)的初始半导体互连结构的一个例子的剖视图，该初始互连结构包括金属层及介电层。

图2显示依据本发明的一个或多个态样，针对可变同轴电容器在介电层中形成过孔以后，图1的初始半导体互连结构100的一个例子。

图3显示依据本发明的一个或多个态样，在该过孔中形成外部金属层并使其延伸于该介电层上方以后，图2的半导体互连结构的一个例子。

图4显示依据本发明的一个或多个态样，在形成中间介电材料层并使该中间层延伸于该外部金属层的表面上方以后，图3的半导体互连结构的一个例子。

图5显示依据本发明的一个或多个态样，在该过孔中形成内部金属层并使该金属层延伸于该延伸的中间介电材料层上方以后，图4的半导体互连结构的一个例子。

图6显示依据本发明的一个或多个态样，具有三种不同尺寸的图5的半导体互连结构的一个例子，各自仅在该内部金属层的顶部宽度方面不同于彼此，所有其它维度不变，从而导致各同轴电容器的不同电容，各同轴电容器具有在约75度与约90度之间的过孔角度。

图7显示依据本发明的一个或多个态样的图6的半导体互连结构的一个例子的自顶向下视图，其显示从同轴电容器的中心至该内部金属层的外部边缘的第一半径，以及从该中心至该中间介电材料层的外部边缘的第二半径。

图8显示半导体结构的一个例子的剖视图，该半导体结构包括具有通过介电材料隔开的一个或多个半导体装置的衬底，同轴电容器以及顶部及底部金属层位于该半导体装置上方并与其电性耦接，该同轴电容器包括内部金属层、中间介电层以及外部金属层。

图9显示依据本发明具有方形截面形状的方形电容器的一个例子的剖视图，该方形电容器的电容可通过适合置于并接触该方形电容器的所有边的圆形截面同轴电容器乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界以及内部环形边界，且该方形电容器包括外部方形层、中间方形层以及内部方形层，该外部环形边界适合置于并接触该外部方形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部方形层的所有边。

图10显示依据本发明具有六边形截面形状的六边形电容器的一个例子的剖视图，该六边形电容器的电容可通过适合置于该六边形电容器内的圆形截面同轴电容器乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界以及内部环形边界，且该六边形电容器包括外部六边形层、中间六边形层以及内部六边形层，该外部环形边界适合置于并接触该外部六边形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部六边形层的所有边。

图11显示依据本发明具有八边形截面形状的八边形电容器的一个例子的剖视图，该八边形电容器的电容可通过适合置于该八边形电容器内的圆形截面同轴电容器乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界以及内部环形边界，且该八边形电容器包括外部八边形层、中间八边形层以及内部八边形层，该外部环形边界适合置于并接触该外部八边形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部八边形层的所有边。

具体实施方式

下面通过参照附图中所示的非限制例子来更加充分地解释本发明的态样及其特定的特征、优点以及细节。省略对已知材料、制造工具、制程技术等的说明，以免在细节上不必要地模糊本发明。不过，应当理解，用以说明本发明态样的详细说明及具体例子仅作为示例，而非限制。本领域的技术人员将会从本发明中了解在基础的发明概念的精神和/或范围内的各种替代、修改、添加和/或布局。

这里在说明书及权利要求书中所使用的近似语言可用以修饰任意量化表达，可允许该量化表达变动而不会导致与其相关的基本功能的改变。因此，由一个或多个术语例如“约”修饰的值不限于所指定的精确值。在一些实例中，该近似语言可对应用以测量值的仪器的精度。

这里所使用的术语仅是出于说明特定例子的目的，并非意图限制本发明。除非上下文中明确指出，否则这里所使用的单数形式“一个”以及“该”也意图包括复数形式。还应当理解，术语“包括”(以及任意形式的包括)、“具有”(以及任意形式的具有)以及“包含”(以及任意形式的包含)都是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”或“包含”一个或多个步骤或元件的方法或装置具有那些一个或多个步骤或元件，但并不限于仅仅具有那些一个或多个步骤或元件。类似地，“包括”、“具有”或“包含”一个或多个特征的一种方法的步骤或一种装置的元件具有那些一个或多个特征，但并不限于仅仅具有那些一个或多个特征。而且，以特定方式配置的装置或结构至少以那种方式配置，但也可以未列出的方式配置。

当这里所使用的术语“连接”用以指两个物理元件时，是指该两个物理元件之间的直接连接。不过，术语“耦接”可指直接连接或者通过一个或多个中间元件的连接。

这里所使用的术语“可”以及“可能是”表示在一系列条件下发生的可能性；具有特定的属性、特性或功能；以及/或者修饰另一动词，通过表达与该修饰动词相关联的一种或多种能力、功能或可能性的方式进行修饰。因此，考虑到在某些情况下，被修饰的术语可能有时不适当、不能够或不合适，“可”以及“可能是”的使用表示被修饰的术语明显是适当的、有能力的或适合所示性能、功能或用途。例如，在一些情况下，事件或性能可以预期，而在其它情况下，该事件或性能无法发生-这个区别由术语“可”以及“可能是”体现。

除非另外指出，否则这里所使用的术语“约”与一个值例如测量结果、尺寸等一起使用时，是指加或减该值的百分之五的可能变动。此外，除非另外指出，否则这里所述的半导体制造的给定态样若为一种方法的部分，则可通过使用传统制程及技术来实施，若说明半导体结构，则可包括适合该条件的传统材料。

下面参照附图，为有利于理解，该些附图并非按比例绘制，其中，不同附图中所使用的相同附图标记表示相同或类似的组件。

图1显示依据本发明的一个或多个态样的一个或多个半导体装置(未图示)的初始半导体互连结构100的一个例子的剖视图，该初始互连结构包括金属层102及介电层104。

例如，通过使用已知制程及技术，可以传统方式制造该初始结构。另外，除非另外指出，否则传统制程及技术可用以实现本发明的制程的单独步骤。不过，尽管为简单起见仅显示部分，但应当理解，实际上，在同一块体衬底上通常包括许多此类结构。

该介电层可包括例如具有在22与25之间的介电常数的二氧化铪hfo2，具有在22与25之间的介电常数的二氧化锆zro2，钛酸锶srtio3(250至300)，二氧化钛tio2(80)，钛酸锶钡baxsrytio3(1000至1250)，或其一个或多个组合。

图2显示依据本发明的一个或多个态样，针对可变同轴电容器在介电层104中形成过孔106以后，图1的初始半导体互连结构100的一个例子。

图3显示依据本发明的一个或多个态样，在过孔106中形成外部金属层108并使其延伸于介电层104上方以后，图2的半导体互连结构的一个例子。

图4显示依据本发明的一个或多个态样，在形成中间介电材料层110并使该中间层延伸于该外部金属层108的表面112上方以后，图3的半导体互连结构的一个例子。

图5显示依据本发明的一个或多个态样，在该过孔中形成内部金属层114并使该金属层延伸于该延伸的中间介电材料层110上方以后，图4的半导体互连结构的一个例子。

本发明所使用的金属包括例如铜，层状钽及氮化钽，层状钛及氮化钛，钨，钴，铝或镍。

图6显示依据本发明的一个或多个态样，具有三种不同尺寸116、118及120的图5的半导体互连结构的一个例子，各自仅在内部金属层114的顶部宽度122、124及126方面不同于彼此，所有其它维度不变，从而导致各同轴电容器的不同电容，各同轴电容器具有在约75度(128)与约90度(132)之间的过孔角度128、130及132。

图7显示依据本发明的一个或多个态样的图6的半导体互连结构的一个例子的自顶向下视图，其显示从同轴电容器116的中心136至内部金属层114的外部边缘的第一半径134，以及从该中心至中间介电材料层110的外部边缘的第二半径138。

图8显示半导体结构139的一个例子的剖视图，该半导体结构包括具有通过介电材料148隔开的一个或多个半导体装置(这里为装置142、144及146)的衬底140，同轴电容器150以及顶部151及底部153金属层位于该半导体装置上方并与其电性耦接，该同轴电容器包括内部金属层152、中间介电层154以及外部金属层156。

图9显示依据本发明具有方形截面形状的方形电容器150的一个例子的剖视图，该方形电容器的电容可通过适合置于并接触该方形电容器的所有边的圆形截面同轴电容器152乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界154以及内部环形边界156，且该方形电容器包括外部方形层158、中间方形层160以及内部方形层162，该外部环形边界适合置于并接触该外部方形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部方形层的所有边。

图10显示依据本发明具有六边形截面形状的六边形电容器164的一个例子的剖视图，该六边形电容器的电容可通过适合置于该六边形电容器内的圆形截面同轴电容器166乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界168以及内部环形边界170，且该六边形电容器包括外部六边形层172、中间六边形层174以及内部六边形层176，该外部环形边界适合置于并接触该外部六边形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部六边形层的所有边。

图11显示依据本发明具有八边形截面形状的八边形电容器178的一个例子的剖视图，该八边形电容器的电容可通过适合置于该八边形电容器内的圆形截面同轴电容器180乘以校正因子来近似，该同轴电容器包括外部环形边界182以及内部环形边界184，且该八边形电容器包括外部八边形层186、中间八边形层188以及内部八边形层190，该外部环形边界适合置于并接触该外部八边形层的所有边且该内部环形边界适合置于并接触该内部八边形层的所有边。

在第一态样中，以上揭示一种方法。该方法包括提供一个或多个半导体装置的初始互连结构，该初始结构包括介电材料层。该方法还包括在该介电材料层中形成具有相同截面形状的过孔，该些过孔具有不同且连续的几何截面尺寸；以及在该些过孔中形成具有不同电容的电容器。

在一个例子中，第一截面形状可包括例如圆形，且该多个过孔的至少其中一个的各几何电容器可包括例如同轴电容器。

在一个例子中，形成该同轴电容器可包括例如由扩散阻挡材料和/或金属在该过孔内形成外部层，形成具有高于3.9的介电常数的中间介电材料层，以及形成中心金属层。

在一个例子中，各同轴电容器的电容可例如由自其中心至该中心金属层的外部边缘所测得的半径确定，且所有该电容器的所有其它维度不变。

在一个例子中，该第一态样的该方法中的该第一截面形状可包括例如方形。

在一个例子中，在该多个过孔的该至少其中一个中的各方形电容器的电容可例如通过适合置于并接触该方形的所有边的同轴电容器的电容乘以校正因子来近似。在一个例子中，该校正因子可为例如从约0.01至约2。

在一个例子中，各同轴电容器可包括例如外部金属层、中间介电材料层以及中心金属层，且各同轴电容器的电容可例如由自其中心至该中心金属层的外部边缘所测得的半径确定，且所有该同轴电容器的所有其它维度不变。

在一个例子中，该第一态样的该方法中的该第一截面形状可包括例如六边形。

在一个例子中，在该多个过孔的该至少其中一个中的各六边形电容器的电容可例如通过适合置于并接触该六边形的所有边的同轴电容器的电容乘以校正因子来近似。在一个例子中，该校正因子可为例如从约0.01至约2。

在一个例子中，各同轴电容器可包括例如外部金属层、中间介电材料层以及中心金属层，且各同轴电容器的电容可例如由自其中心至该中心金属层的外部边缘所测得的半径确定，且所有该同轴电容器的所有其它维度不变。

在一个例子中，该第一态样的该方法中的该第一截面形状可包括例如八边形。

在一个例子中，在该多个过孔的该至少其中一个中的各八边形电容器的电容可例如通过适合置于并接触该八边形的所有边的同轴电容器的电容乘以校正因子来近似。在一个例子中，该校正因子可为例如从约0.01至约2。

在一个例子中，各同轴电容器包括外部金属层、中间介电材料层以及中心金属层，且各同轴电容器的电容可例如由自其中心至该中心金属层的外部边缘所测得的半径确定，且所有该同轴电容器的所有其它维度不变。

在第二态样中，以上揭示一种半导体互连结构。该半导体互连结构包括：一个或多个半导体装置的互连结构，该互连结构包括介电材料层，具有不同且连续的截面尺寸的多个过孔位于该介电材料层中，该至少两个过孔具有几何截面形状；以及成形电容器，位于各过孔中，与该多个过孔的该几何截面形状匹配，该电容器的电容随截面尺寸增加而增加。

在一个例子中，该几何截面形状可包括例如圆形截面形状、方形截面形状、六边形截面形状以及八边形截面形状的其中一种。

在第三态样中，以上揭示一种半导体结构。该半导体结构包括位于衬底上的一个或多个半导体装置；以及半导体互连结构，位于与其电性耦接的该一个或多个半导体装置上方，该半导体互连结构包括具有不同且连续的截面尺寸的多个成形电容器，该多个成形电容器具有几何截面形状以及随截面尺寸增加而增加的电容。

在一个例子中，该几何截面形状可包括例如圆形截面形状、方形截面形状、六边形截面形状以及八边形截面形状的其中一种。

尽管这里已说明并显示本发明的数个态样，但本领域的技术人员可实施替代态样来达到相同的目的。因此，所附权利要求意图涵盖落入本发明的真实精神及范围内的所有此类替代态样。