磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元及设计优化方法与流程

1.本发明涉及集成电路中磁性电子器件设计与制造技术领域，特别涉及一种磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元及设计优化方法。


背景技术：

2.随着集成电路的集成度提高，特征尺寸的缩小。当特征尺寸减小到0.18μm时，伴随金属连线截面和间距的减小，互联结构中的电阻和电容迅速增大，由此引起的互联延迟将超过电路的本征延迟，成为制约集成电路性能的主要瓶颈。
3.在现有的集成电路中，一直都是使用铝或铝合金与二氧化硅的互联技术，因为sio2具有极好的热稳定性和抗湿性，是金属互连线间的主要绝缘材料。但随着集成电路技术的进步，具有高速度、高器件密度、低功耗的芯片成为集成电路的主要产品。此时，芯片中的导线密度不断增加，导线宽度和间距不断减小，互联中的电阻r和电容c所产生的寄生效用越来越明显，在集成mram的版图设计和测试中，层间互联设计的优化成为不可回避的课题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元，包括第一金属层、第二金属层以及位于第一金属层和第二金属层之间的绝缘介质；
5.所述第一金属层和第二金属层在对应位置分别设置相同的网状电容结构；所述网状电容结构通过引线与同一金属层的电极块连接。
6.可选的，所述网状电容结构包括间隔排列成方形矩阵的多个电容极块，所述电容极块分别与其相邻的电容极块连接。
7.可选的，所述电容极块为方形，且尺寸范围为1μm-20μm。
8.可选的，所述第一金属层和第二金属层相互平行。
9.可选的，所述电容极块的间距为1μm-90μm，相邻电容极块的连接采用尺寸范围为1μm-10μm的互连线。
10.可选的，探针分别与第一金属层的电极块和第二金属层的电极块接触，测量根据设计制作的所述第一金属层和第二金属层的网状电容结构的层间电容值，若测量得到的层间电容值与层间设计电容值不符，则表示设计选用的绝缘介质的介电常数存在偏差，通过更换设计选用的绝缘介质或者调整绝缘介质的设计厚度进行优化补偿，从而满足磁隧道结制备工艺和器件性能的需求。
11.可选的，若采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿，则采用以下公式计算介电常数来选择设计选用的绝缘介质：
[0012][0013]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
设
表示层间设计电容值，即满足工艺和器件
性能的电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0014]
可选的，所述层间电容值采用数字万用表的电容模式进行测量。
[0015]
本发明还提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间绝缘介质的介电常数测量方法，采用权利要求1所述磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元进行测量获得层间电容值；
[0016]
再采用以下公式计算层间绝缘介质的介电常数：
[0017][0018]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
测
表示测量得到的层间电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0019]
本发明还提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间电容设计优化方法，采用上述磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元进行测量获得层间电容值；若测量得到的层间电容值与层间设计电容值不符，则表示设计选用的绝缘介质的介电常数存在偏差，通过更换设计选用的绝缘介质或者调整绝缘介质的设计厚度进行优化补偿，从而满足磁隧道结制备工艺和器件性能的需求。
[0020]
可选的，若采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿，则采用以下公式计算介电常数来选择设计选用的绝缘介质：
[0021][0022]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
设
表示层间设计电容值，即满足工艺和器件性能的电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0023]
本发明的磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元及设计优化方法，层间电容测量单元包括第一金属层和第二金属层之间及两者之间的绝缘介质，第一金属层和第二金属层在对应位置分别设置相同的网状电容结构；所述网状电容结构通过引线与同一金属层的电极块连接；通过探针接触第一金属层和第二金属层的电极块，可以测量出两个金属层的层间电容值。一种作为绝缘介质的材料的k值称为介电常数，金属表面和主要金属系统间的阻挡需要低k介质以便于信号传导，本发明设计的电容测量单元，通过该测试单元获得电容值，可作为评价层间介质的可靠方案；若测得的电容值过大，即k值大，则表明该材料不能作为良好的层间绝缘介质，反之，则可以考虑。当然，在性能要求上，除了介电常数尽可能低之外，其他性能也必须予以考虑，如高的击穿电场和低的漏电流等要求。根据本发明的层间电容测量单元，可通过简单的电容测试选择满足性能需求的低介质材料，也可在确定介质材料的基础上，增加或减少介质的厚度来满足需求。
[0024]
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
[0025]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0026]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0027]
图1为本发明实施例中一种磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元分层拆分立体示意图；
[0028]
图2为本发明磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元实施例的立面示意图；
[0029]
图3为本发明磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元实施例的平面示意图；
[0030]
图4为本发明磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元实施例的网状电容结构平面示意图。
[0031]
图中：1-第一金属层，2-第二金属层，3-绝缘介质，4-网状电容结构，5-引线，6-电极块，7-电容极块，8-互连线。
具体实施方式
[0032]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0033]
如图1-4所示，本发明实施例提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元，包括第一金属层1、第二金属层2以及位于第一金属层1和第二金属层2之间的绝缘介质3；
[0034]
所述第一金属层1和第二金属层2在对应位置分别设置相同的网状电容结构4；所述网状电容结构4通过引线5与同一金属层的电极块6连接。
[0035]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案的层间电容测量单元包括第一金属层和第二金属层之间及两者之间的绝缘介质，第一金属层和第二金属层在对应位置分别设置相同的网状电容结构；所述网状电容结构通过引线与同一金属层的电极块连接；通过探针接触第一金属层和第二金属层的电极块，可以测量出两个金属层的层间电容值。
[0036]
在一个实施例中，如图1、3和4所示，所述网状电容结构4包括间隔排列成方形矩阵的多个电容极块7，所述电容极块7分别与其相邻的电容极块连接。
[0037]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案中的网状电容结构包括多个电容极块，电容极块间隔排列呈方形矩阵形状，相邻的电容极块相互连接，即每个电容极块都跟其前后左右相邻的其它电容极块进行连接，形成整体的网状电容结构，测量时可以测得相对的双层网状电容结构的全部层间电容值，避免了逐一测量的层间电容值较小带来的测量难度及精确度不足问题，还降低了整体层间电容值测量工作量；电容极块为电容单极模块，即电容阳极板或者阴极板，同一金属层的电容极块极性相同，不同金属层的电容极块极性不同。
[0038]
在一个实施例中，如图1和4所示，所述第一金属层1和第二金属层2相互平行；所述电容极块7为方形，且尺寸范围为1μm-20μm，例如可采用8μm*4μm尺寸；所述电容极块7的间距为1μm-90μm，例如可以选择间距为2μm；相邻电容极块7的连接采用尺寸范围为1μm-10μm的互连线8，例如可选用宽2μm和长2μm的互连线。
[0039]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案将第一金属层和第二金属层相互平行，从而使得金属层间的绝缘介质厚度均匀，避免厚度差异对电容值产生不利影响；将电
容极块设置为方形，尺寸设置为8μm*4μm，方便呈方形矩阵排列；电容极块的间距相等，且相邻电容极块都采用宽为2μm和长为2μm的互连线进行连接，形成平面的网状结构，保障的连接的一致性和稳定性，还提高了结构的紧凑性和美观性。
[0040]
在一个实施例中，探针分别与第一金属层的电极块和第二金属层的电极块接触，测量根据设计制作的所述第一金属层和第二金属层的网状电容结构的层间电容值，所述层间电容值可以采用数字万用表的电容模式(cap模式)进行测量，若测量得到的层间电容值与层间设计电容值不符，则表示设计选用的绝缘介质的介电常数存在偏差，通过更换设计选用的绝缘介质或者调整绝缘介质的设计厚度进行优化补偿，从而满足磁隧道结制备工艺和器件性能的需求。
[0041]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用前述的层间电容测量单元通过探针接触第一金属层和第二金属层的电极块，可以测量出两个金属层的层间电容值。一种作为绝缘介质的材料的k值称为介电常数，金属表面和主要金属系统间的阻挡需要低k介质以便于信号传导，本发明设计的电容测量单元，通过该测试单元获得电容值，可作为评价层间介质的可靠方案；若测得的电容值过大，即k值大，则表明该材料不能作为良好的层间绝缘介质，反之，则可以考虑。当然，在性能要求上，除了介电常数尽可能低之外，其他性能也必须予以考虑，如高的击穿电场和低的漏电流等要求。根据本发明的层间电容测量单元，可通过简单的电容测试选择满足性能需求的低介质材料，也可在确定介质材料的基础上，增加或减少介质的厚度来满足需求。
[0042]
在一个实施例中，若采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿，则采用以下公式计算介电常数来选择设计选用的绝缘介质：
[0043][0044]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
设
表示层间设计电容值，即满足工艺和器件性能的电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0045]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案针对采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿的情况，可以根据层间设计电容值通过上述公式计算出所需要的绝缘介质的介电常数，从而以介电常数来指导绝缘介质设计选用，防止了绝缘介质设计选用的盲目性，提高了设计效率，保障了设计效果。
[0046]
在一个实施例中，本发明实施例还提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间绝缘介质的介电常数测量方法，采用上述磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元进行测量获得层间电容值；
[0047]
再采用以下公式计算层间绝缘介质的介电常数：
[0048][0049]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
测
表示测量得到的层间电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0050]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用前述的层间电容测量单元，
通过探针接触第一金属层和第二金属层的电极块，可以测量出两个金属层的层间电容值，然后根据层间电容值以上述公式计算可以得到层间绝缘介质的介电常数，一种作为绝缘介质的材料的k值称为介电常数，金属表面和主要金属系统间的阻挡需要低k介质以便于信号传导，本发明设计的电容测量单元，通过该测试单元获得电容值，可作为评价层间介质的可靠方案；若测得的电容值过大，即k值大，则表明该材料不能作为良好的层间绝缘介质，反之，则可以考虑。当然，在性能要求上，除了介电常数尽可能低之外，其他性能也必须予以考虑，如高的击穿电场和低的漏电流等要求。根据本发明的层间电容测量单元，可通过简单的电容测试选择满足性能需求的低介质材料。
[0051]
在一个实施例中，本发明实施例还提供了一种磁隧道结制备工艺中的层间电容设计优化方法，采用上述磁隧道结制备工艺中的层间电容测量单元进行测量获得层间电容值；若测量得到的层间电容值与层间设计电容值不符，则表示设计选用的绝缘介质的介电常数存在偏差，通过更换设计选用的绝缘介质或者调整绝缘介质的设计厚度进行优化补偿，从而满足磁隧道结制备工艺和器件性能的需求。
[0052]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案采用前述的层间电容测量单元，通过探针接触第一金属层和第二金属层的电极块，可以测量出两个金属层的层间电容值，将测量得到的层间电容值与层间设计电容值进行对比，若两者不相符，则表示设计选用的绝缘介质的介电常数存在偏差，需要通过更换设计选用的绝缘介质或者调整绝缘介质的设计厚度来进行优化补偿，从而满足磁隧道结制备工艺和器件性能的需求。一种作为绝缘介质的材料的k值称为介电常数，金属表面和主要金属系统间的阻挡需要低k介质以便于信号传导，本发明设计的电容测量单元，通过该测试单元获得电容值，可作为评价层间介质的可靠方案；若测得的电容值过大，即k值大，则表明该材料不能作为良好的层间绝缘介质，反之，则可以考虑。当然，在性能要求上，除了介电常数尽可能低之外，其他性能也必须予以考虑，如高的击穿电场和低的漏电流等要求。根据本发明的层间电容测量单元，可通过简单的电容测试选择满足性能需求的低介质材料，也可在确定介质材料的基础上，增加或减少介质的厚度来满足需求。
[0053]
在一个实施例中，所述层间电容设计优化方法若采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿，则采用以下公式计算介电常数来选择设计选用的绝缘介质：
[0054][0055]
上式中，ε表示绝缘介质的介电常数；c
设
表示层间设计电容值，即满足工艺和器件性能的电容值；k表示静电力常量；d表示第一金属层和第二金属层之间绝缘介质的设计厚度；s表示网状电容结构的电容极块的正对面积。
[0056]
上述技术方案的工作原理和有益效果为：本方案针对采用更换设计选用的绝缘介质进行优化补偿的情况，可以根据层间设计电容值通过上述公式计算出所需要的绝缘介质的介电常数，从而以介电常数来指导绝缘介质设计选用，防止了绝缘介质设计选用的盲目性，提高了设计效率，保障了设计效果。
[0057]
以某磁隧道结制备工艺为例，设计采用两个金属层，上下两层金属层设计为相互平行，在两个金属层间以绝缘介质填充隔开，每个金属层在相对应的位置都设置有数量和尺寸完全相同的网状电容结构，网状电容结构包括呈7*10的阵列排列的70个电容极块，单
个电容极块的尺寸设计为8μm*4μm，每一个电容极块都通过2μm宽，2μm长的互连线与其同层前后左右相邻的电容极块连接，形成网状结构。每一层的网状电容结构均由引线将最靠近同层电极块的单电容引出到对应金属层100*100μm的电极块上。采用数字万用表的电容模式进行测量，用两个探针分别与两个金属层的电极块接触，即可测量得到两个金属层的层间电容值，结合已知的面积s，介质厚度d，静电力常数k，可以求得绝缘介质的介电常数ε；若采用层间设计电容值来计算，则可以得到设计需要的绝缘介质的介电常数，以用于设计选用适合性能需求的低介电常数材料。
[0058]
另外，计算出的低介电常数可以用于绝缘介质生产中进行工艺控制，例如已知的硅碳氧氟(sicof)薄膜就是一种性能优良的低介质材料，生产工艺中控制薄膜组分及工艺条件可使介电常数在2.5左右，根据本发明的层间电容测量单元，可通过对不同工艺生产的绝缘介质材料进行简单的电容测试，从中选择满足性能需求的绝缘介质材料，并以该选中的绝缘介质材料之前的生产相同工艺进行绝缘介质生产控制。当然除绝缘介质的性能外，层间绝缘介质材料的制备当然还需满足集成电路工业化生产的需求，以与现代集成电路的工艺相匹配。
[0059]
假设sicof厚度为5μm时，测得的层间电容值为10c，但某磁隧道结性能需求的电容值需为5c，在不改变绝缘介质材料的基础上，最简单的办法是将价值的厚度增加为10μm。即在确定材料的基础上，可以通过增加或减少介质的厚度来满足磁隧道结性能需求。
[0060]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。