电容元件的制作方法

本申请案享有以美国临时专利申请案62/215,412号(申请日：2015年9月8日)为基础申请案的优先权。本申请案通过参照该基础申请案而包含基础申请案的全部内容。

技术领域

本发明的实施方式涉及一种电容元件。

背景技术：

在集成电路中使用有各种类型的电容元件。存在使一对配线的一部分对向而简便地获得静电电容的配线间电容元件。在配线间电容元件的情况下，存在因微细化的进展及高耐电压制程的应用而产生难以一面确保配线间的耐电压一面实现所期望的电容的状况的情况。

技术实现要素：

本发明的实施方式提供一种能够一面确保配线间的耐电压一面实现所期望的电容的电容元件。

实施方式的电容元件具备第一电极、第二电极、及第一通孔。第一电极设置在第一配线层内。第二电极设置在第一配线层内，且以闭路包围第一电极的周围。第一通孔连接于第一电极，且贯通第一配线层而设置。

附图说明

图1A是例示第一实施方式的电容元件的立体图。

图1B是例示第一实施方式的电容元件的俯视图。

图1C是沿图1B的AA的剖视图。

图2是例示比较例的电容元件的俯视图。

图3A是表示用于模拟最大电场强度而使用的第一实施方式的电容元件的主要部分的尺寸的俯视图。

图3B是表示用于模拟最大电场强度而使用的比较例的电容元件的主要部分的尺寸的俯视图。

图4A是例示第二实施方式的电容元件的立体图。

图4B是沿图4A的面B的剖视图。

图5A是例示第三实施方式的电容元件的俯视图。

图5B是沿图5A的CC的剖视图。

图6是例示第三实施方式的变形例的电容元件的俯视图。

图7是例示第三实施方式的另一变形例的电容元件的俯视图。

具体实施方式

以下，参照图式对本发明的实施方式进行说明。

(第一实施方式)

图1A是例示第一实施方式的电容元件的立体图。

图1B是例示第一实施方式的电容元件的俯视图。

图1C是沿图1B的AA的剖视图。

如图1A所示般，本实施方式的电容元件1具备第一电极11、第二电极12、及通孔24。第一电极11及第二电极12设置在相同平面上。该平面如后述般为形成在基板10上的绝缘膜15的面15a。以下，该面15a作为平坦面来进行说明。第一电极11及第二电极12分别以相同的厚度t形成在面15a上。第二电极12以闭路包围第一电极11的周围。第一通孔24是与平面15a垂直地向与基板10为相反侧延伸。第一通孔24在其一端连接于第一电极11。第一通孔24的另一端连接于第一配线21。在本实施方式中，第一通孔24的剖面形状能够设为任意形状。与面15a平行的面中的第一通孔24的剖面形状既可如该例般为圆形，也可为与第一电极11的俯视形状相似的形状。第一电极11、第二电极12及第一通孔24由包含铜或铝等高导电率材料的金属形成。

第一电极11经由第一通孔24而连接于第一配线21。第二电极12连接于设置在平面15a上的第二配线22。即，电容元件1的第一配线21及第二配线22由包含铜或铝等高导电率材料的金属形成。通过第一配线21及第二配线22而与外部电路连接。另外，电容元件1如该例般，也可为第二配线22经由第二通孔25而连接于第三配线23。

如图1B所示般，第一电极11在俯视下为包含4个边11a～11d的方形。该例中，4个边11a～11d的各者的长度a相等，第一电极11在俯视下为正方形。

第二电极12为包含外周的4个边12a～12d与内周的4个边12e～12h的方形的框状体。该例中，外周的4个边12a～12d的长度b1分别相等，内周的4个边12e～12h的长度b2分别相等。b1＞b2。即，该框状体的外周及内周均为正方形。此外，第二电极12的框的宽度d1等于(b1—b2)/2。即，该框状体的外周及内周均为正方形。

第一电极11的边11a在相同平面上与第二电极12的内周的边12e对向。边11a与边12e的最短距离d2等于(b2—a)/2。同样，第一电极11的边11b在相同平面上与第二电极12的内周的边12f对向。边11b与边12f的最短距离为d2。第一电极11的边11c与第二电极12的内周的边12g对向。边11c与边12的最短距离为d2。第一电极11的边11d与第二电极12的内周的边12h对向。边11d与边12h的最短距离为d2。即，以对向的各边分别平行的方式设置，第一电极11的俯视下的重心(中心)以与第二电极12的俯视下的重心(中心)一致的方式配置。

如图1C所示般，形成在本实施方式的电容元件1的配线层27内。配线层27包含第一电极11、第二电极12、第一通孔24及绝缘层26。第一电极11及第二电极12设置在绝缘膜15的面15a上。该面15a为形成绝缘膜15与配线层27之间的分界的面。第一电极11及第二电极12的厚度均为t。即，第一电极11是剖面为正方形且具有高度t的长方体。此外，第二电极12是剖面为正方形且具有高度t的筒状体，且筒的厚度为d2。另外，该例中，将配线层27下的层设为基板10及绝缘层15，但更一般而言，也可为其他配线层。

在第一电极11连接有第一通孔24的一端，第一通孔24相对于面15a垂直地向与基板10为相反侧延伸。第一通孔24的另一端延伸至到达其他配线层28为止。该配线层28为配线层27的上层的配线层。第一通孔24的另一端在配线层28内连接于第一配线21。

在第一电极11与配线层28之间设置有绝缘层26。在第二电极12与配线层28之间设置有绝缘层26。绝缘层26也设置在第一电极11与第二电极12之间。绝缘层26例如由硅氧化物等无机材料形成。绝缘层26实现第一电极11与第二电极12之间的绝缘，也作为电容元件1的电介体发挥功能。

第一通孔24及第二通孔25是分别填充开口于绝缘层26的通路孔24a、25a而形成。

如此，本实施方式的电容元件1能够使用现有的多层配线技术而容易地制造。

对本实施方式的电容元件1的动作进行说明。

在本实施方式的电容元件1中，第一电极11由第二电极12包围，因此通过贯通绝缘层26的第一通孔24而连接第一电极11与第一配线21。因此，电容元件1能够自由地与外部电路连接。另外，在第二电极12也经由贯通绝缘层26的第二通孔25而与第二配线22连接的情况下，电容元件1在相同的配线层28能够与外部电路连接。

本实施方式的电容元件1的静电电容值以如下方式决定。

第一电极11及第二电极12的静电电容值是关联于对向的电极的边11a～11d、12e～12h的长度及厚度t的积而求出。此外，第一电极11及第二电极12的静电电容值是分别关联于对向的电极的边11a～1Id与边12e～12h的距离而求出。

第一电极11及第二电极12是与形成在面15a上的其他配线同时形成，因此厚度t也包含其他配线在内相同。因此，第一电极11及第二电极12的静电电容值是所对向的电极的边的长度越长则越大。此外，静电电容值是所对向的电极的边与边的距离越短则能够变得越大。

另一方面，所对向的电极的边11a～1Id与边12e～12h的距离越短则电场强度变得越大。因此，该分离距离是根据在电路上等使用的电压而以不产生绝缘破坏或耐电压劣化的方式具有充分余裕而设定。

自以上所述，第一电极11及第二电极12的静电电容值能够通过使第一电极11的边的长度a变长，且使第二电极12的内周的边的长度b2变长而获得较大的值。另外，即便通过扩大第二电极12的框部的宽度d1也可实质性地扩大与第一电极11的电极间面积，因此有助于略增大静电电容值。

对本实施方式的电容元件1的作用及效果进行说明。

图2是例示比较例的电容元件的俯视图。

图3A是表示用于模拟最大电场强度而使用的第一实施方式的电容元件的主要部分的尺寸的俯视图。图3B是表示用于模拟最大电场强度而使用的比较例的电容元件的主要部分的尺寸的俯视图。

如图2所示般，已知有如下技术，即设置梳形状的第一电极111及第二电极112，且在2个电极间使对向的电极的长度变长而使静电电容值增大。

另一方面，在使用有该梳形状的电极111、112的电容元件101的情况下，在对向的2个电极的形状具有与其他部分相比突出的部分，因此有在该部分产生电场集中而导致产生耐电压不良的情况。在该例中，突出的部分为梳形状的电极111、112的各者的前端部分111t、112t。在长边侧的平行配置的部分111p、112p，电场均匀分布，但在前端部111t、112t电场的分布不均匀而会产生电场集中。

针对本实施方式的电容元件1及比较例的电容元件101，通过模拟而能够求出将相同的电压施加至电极间时的最大的电场强度。在图3A中，左侧的图形表示本实施方式的电容元件1。第一电极11的边的长度设定为0.2[μm]。第二电极12的框宽度d1设定为0.2[μm]。第一电极11的各边11a～11d与分别对向的边12e～12h的最短的分离距离均为0.2[μm]。

图3B所示的图形表示比较例的电容元件101。比较例的电容元件101以具有与本实施方式的电容元件1相同的静电电容的方式设定尺寸。第一电极111与第二电极112的各自对向的长边间的分离距离设定为0.2[μm]。第一电极111的前端部111t与第二电极112的最短的分离距离设定为0.3[μm]。另外，使第一电极111的前端部111t与第二电极112的最短的分离距离长于其他部分的分离距离是因为预测在该部分会产生电场集中，由此预先采用较长的分离距离。

在对本实施方式的电容元件1及比较例的电容元件101的电极间分别施加40V的电压的情况下，在本实施方式的电容元件1中，最大的电场强度为2.2MV/cm。另一方面，在比较例的电容元件101中，最大的电场强度为2.37MV/cm。即，在本实施方式的电容元件1中，与比较例的电容元件101相比在相同的施加电压下，电场强度降低7％左右，从而电场集中得以缓和。如所述般，在比较例的电容元件101中，使前端部111t与第二电极112之间的分离距离变长，因此在使第一电极111的前端部111t与第二电极112的分离距离变短的情况下，认为更会产生差。

在本实施方式的电容元件1中，将正方形的第一电极11以利用包含与第一电极11相似的正方形的内周的第二电极12包围的方式配置，且将对向的电极以成为大致平行的方式配置。因此，对向的电极间的最短距离在电极的各边11a～11d及12e～12h大致相同。因此，电场分布在各边的每一者而大致同等，电场强度的不均匀性得以缓和。一般而言，电极的角部等易于产生电场集中，但在本实施方式的电容元件1中，第一电极11的角部与第二电极12的内周的角部的分离距离长于平行配置的对向电极间的距离，因此电场强度降低。因此，在电容元件1中，电场强度的临界值提高。

在本实施方式的电容元件1中，各电极的角部的数量分别为4个，相对于此，在比较例的电容元件101中，各电极的角部的数量分别为2个。因此，在本实施方式的电容元件1中，能够利用较比较例的电容元件101多的个数的角部来分担，因此更能缓和电场集中。因此，在本实施方式的电容元件1中，能够缓和最大的电场强度。

进而，在本实施方式的电容元件1中，能够使用第一通孔24来与包围周围的第一电极11的配线连接，因此不使电容元件1的设置面积增大即能够获得所期望的静电电容值。

(第二实施方式)

图4A是例示第二实施方式的电容元件的立体图。

图4B是沿图4A的面B的剖视图。

在所述实施方式的电容元件中，通过设置在相同平面上的2个电极的对向的长度而设定静电电容值。通过使2个电极在厚度方向延伸而能够使静电电容值更大。

如图4A所示般，本实施方式的电容元件30具备第一电极41、第二电极42、第一通孔54、及第二通孔55。第一电极41及第二电极42的俯视形状与第一实施方式的情况相同。即，第一电极41为正方形，第二电极42为正方形的框状体。第二电极42以利用闭路包围第一电极的方式设置。第一电极41及第二电极42设置在相同平面上。相同平面是形成在基板40上的绝缘膜45的与基板40为相反侧的面45a(图4B)。

第一通孔54在一端连接于第一电极41。第一通孔54在另一端连接于第一配线51。与面45a平行的面中的第一通孔54的剖面形状与第一电极41的俯视形状大致一致。第一通孔54与第一电极41成为一体而形成电容元件30的一电极。即，第一通孔54具有与面45a垂直地向与基板40为相反侧延伸的棱柱形状。

第二通孔55在一端连接于第二电极42。第二通孔55在另一端连接于第二配线52。与面45a平行的面中的第二通孔55的面的剖面形状与第二电极42的俯视形状大致一致。第二通孔55与第二电极42成为一体而形成电容元件30的另一电极。第二通孔55具有与面45a垂直地向与基板40为相反侧延伸的正方形的筒形状。

另外，第二配线52如该例般也可经由第三通孔53a而连接于第三配线53b。

如图4B所示般，本实施方式的电容元件30形成在配线层58内。配线层58包含第一电极41、第二电极42、第一通孔54的一部分、第二通孔55、及绝缘层56。电容元件30在配线层59内使第一电极41连接于第一配线51。配线层59包含第一配线51。电容元件30在配线层60内使第二电极连接于第二配线52。配线层60包含第二配线52、及绝缘层57。配线层60设置在下层的配线层58与上层的配线层59之间。

第一电极41及第二电极42设置在面45a上。

第一电极41通过第一通孔54而连接于设置在较包含第一电极41及第二电极42的配线层58更上层的配线层59内的第一配线51。第一通孔54贯通配线层58及配线层60而设置。更具体而言，填充将配线层58的绝缘层56及配线层60的绝缘层57贯通的通路孔。

第二电极42通过第二通孔55而连接于设置在配线层58与上层的配线层59之间的配线层60内的第二配线52。第二通孔55贯通配线层58而设置。通孔55填充将配线层58的绝缘层56贯通的通路孔。

即，第一电极41经由第一通孔54而在较与第二电极42连接的第二配线52更上层的配线层59连接于第一配线51。此外，第二电极42经由第二通孔55而连接于第二配线52。

在第一电极41与配线层60之间设置有绝缘层56。在第二电极42与配线层60之间设置有绝缘层56。在第一电极41与第二电极42之间也设置有绝缘层56。在配线层58内，在第一通孔54与第二通孔55之间也设置有绝缘层56。即，绝缘层56确保第一电极41与第二电极42之间的绝缘，也作为电极间的电介体层而发挥功能。同时，绝缘层56确保第一通孔54与第二通孔55之间的绝缘，作为通孔间的电介体层而发挥功能。

在配线层60内，包含第二配线52的上表面及侧面在内而在配线层58与配线层59之间设置有绝缘层57。

在配线层58中，连接于第一电极41的第一通孔54与连接于第二电极42的第二通孔55平行设置在与包含面45a的平面垂直的上方。即，通过棱柱形状的通孔54的外周表面与将通孔54收纳在内部的筒形状的通孔55的内壁而形成对向电极，该对向电极形成电容元件30的一部分。

如此，本实施方式的电容元件30与其他实施方式的情况相同，能够使用现有的多层配线技术而容易地制造。

对本实施方式的电容元件30的动作进行说明。

在本实施方式的电容元件30中，第一电极41由第二电极42包围，因此通过贯通绝缘层56、57的第一通孔54而连接第一电极41与第一配线51。此外，通过贯通绝缘层56的第二通孔55而连接第二电极42与第二配线52。因此，电容元件1能够自由地与外部电路连接。另外，在第二电极42也经由贯通绝缘层57的第三通孔53a而与第三配线53b连接的情况下，电容元件30能够在相同的配线层59与外部电路连接。

本实施方式的电容元件30的静电电容值以如下方式决定。

在本实施方式的电容元件30中，通过棱柱形状的通孔54的表面与将通孔54收纳在内部的筒形状的通孔55的内壁而形成对向电极。如果将配线层58的厚度设为tox，则本实施方式的电容元件30具有与tox成正比例的静电电容值。在第一实施方式的电容元件1中是关联于第一电极及第二电极的厚度t而求出对向电极的面积时，而在本实施方式的电容元件30中是关联于与t相比充分大的tox而求出对向电极的面积。因此，在本实施方式的电容元件30中，在与第一实施方式的情况下的电容元件1比较的情况下，在相同的面45a上的占有面积中能够获得tox/t倍的静电电容值。

对本实施方式的电容元件30的作用及效果进行说明。

在本实施方式的电容元件30中，具备与第一电极41相同剖面形状的柱状体即通孔54、及与第二电极42相同剖面形状的筒状体即通孔55，因此电极的对向面积增大而能够获得较大的静电电容值。

本实施方式的电容元件30的静电电容值，能够与第一通孔54的表面和第二通孔55的内壁面对向的绝缘层56的厚度tox成正比例而设为较大的值。

(第三实施方式)

图5A是例示第三实施方式的电容元件的俯视图。

图5B是沿图5A的CC的剖视图。

如所述般，第一电极能够通过通孔而连接于较设置有第一电极的配线层更上层的配线层。因此，在设置有多个第一电极的情况下，能够将该各个第一电极引出而连接于其他层的配线层。由此，能够将第一电极及通孔作为一电极。此外，关于第二电极，也以包围多个第一电极的各者的方式形成第二电极，通过连接相邻的第二电极彼此而能够作为另一电极。

如图5A所示般，本实施方式的电容元件70具备多个单位电容元件71。多个单位电容元件71分别包含第一电极81与第二电极82。第二电极82以利用闭路包围第一电极81的方式设置。关于第一电极81及第二电极82的形状及构成等，与所述其他实施方式的情况相同。

在本实施方式的电容元件70中，单位电容元件71在相同平面上排列为格子状。该例中，第二电极82与相邻的第二电极82连接而设为一体。

该例中，沿与单位电容元件71的1个边平行的X轴配置单位电容元件71的重心(中心)，且沿与X轴正交的Y轴配置单位电容元件71的重心(中心)。另外，XY平面上的配置并不限定于该格子状，例如，也可设为在Y轴方向上隔1个地使重心位置在X轴方向上偏移而成的错位状的配置。

如图5B所示般，本实施方式的电容元件70形成在配线层98a内。配线层98a包含第一电极81、第二电极82、第一通孔94的一部分、第二通孔95、及绝缘层96。电容元件70在配线层99内使第一电极81连接于第一配线91。配线层99包含第一配线91。电容元件70在配线层98b内使第二电极82连接于第二配线92。配线层98b包含第二配线92、及绝缘层96。配线层98b设置在下层的配线层98a与上层的配线层99之间。

第一通孔94贯通配线层98a、98b而到达配线层99。第一通孔94在一端连接于第一电极81，且在另一端在上层的配线层98连接于第一配线91。在该配线层98a中，通过第一配线91连接多个第一电极81的各者而形成一电极。第二通孔95贯通配线层98a而到达配线层98b。第二通孔95在一端连接于第二电极82，且在另一端在配线层98a的上层的配线层98b连接于第二配线92。第二通孔95及第二配线92在配线层98b形成电容元件70的另一电极。

设置在各电极间及通孔间的绝缘层96实现各电极间及通孔间的绝缘，并且也作为电容元件70的电介体层发挥功能。

对本实施方式的电容元件70的作用及效果进行说明。

本实施方式的电容元件70具备多个单位电容元件71，多个单位电容元件71各者的第一电极81彼此及第二电极82彼此相互连接。即，电容元件70通过多个单位电容元件71的并联连接而构成。因此，电容元件70排列为格子状，能够对应于并联连接的单位电容元件71的数量而使静电电容值变大。例如，于在X轴方向配置n个单位电容元件71、且在Y轴方向配置m个单位电容元件71的情况下，电容元件70的静电电容值能够获得单位电容元件71的静电电容值的n×m倍的值。

(第三实施方式的变形例)

图6是例示第三实施方式的变形例的电容元件的俯视图。

图7是例示第三实施方式的另一变形例的电容元件的俯视图。

如所述般，在电容元件中，能够通过使对向的电极的面积增大而使静电电容值变大。为使对向电极的对向面积增大而必须使第一电极及第二电极的对向的边的长度变长。另一方面，使电极的边的长度变长会导致电极的外周尺寸变长，从而必须使电极的俯视下的尺寸变大。一般而言，在集成电路上的区域中，能够配置电容元件的区域及面积有限的情况较多，因此优选能够在有限的区域及面积配置更大电容的电容元件。即，期望使电容元件在集成电路内的占有面积变小。

此外，如所述般，在电极的角部易于产生电场集中，因此通过增加角部的数量而缓和电场集中。此外，通过增加电极的角部而使角部的角度成为钝角，因此也能够难以产生电场集中。

如图6所示般，在该变形例的电容元件70a中，多个单位电容元件71a各者的第二电极82a的俯视形状形成正六边形的框状体。通过第二电极82的外周的边彼此连接而各单位电容元件71a密接排列。第一电极81的俯视形状在该例中设为圆形，但也可为与第二电极82的外周或内周形状相似的六边形。

在该变形例的电容元件70a中，通过将第二电极82a的外周及内周的形状设为正六边形，能够使每单位面积的内周的长度长于正方形的情况。因此，能够使静电电容值增大。第一电极81的形状也可如该例般为圆形，也可为与第二电极82相似的正六边形。

在图7的变形例中，第一电极71b与第二电极72b设置为同心圆状。第一电极71b的圆的中心与第二电极72b的外周及内周的圆的中心以大致一致的方式配置。通过如此般设定形状并配置，能够使对向的边彼此的最短的分离距离在任意点上均相同，从而能够使电压施加时的电场分布均等地为圆周状。因此，在任一电极间均不会产生电场集中，因此能够使电极间距离变短而降低占有面积。

已对本发明的若干实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为例子而提出者，并非意图限定发明的范围。这些新颖的实施方式能够通过其他各种方式来实施，且可在不脱离发明的主旨的范围内进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包含在发明的范围或主旨中，并且包含在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。