[0002] 本申请要求于2017年9月20日提交的美国
专利申请No.15/710,737的优先权及其权益。
技术领域
[0003] 本申请涉及
电阻器-电容器(RC)
电路，并尤其是涉及工艺不变RC电路。
背景技术
[0004] 电阻器-电容器(RC)电路是基本的模拟设计部件。RC电路的电阻和电容的乘积定义时间常数τ，时间常数τ定义RC电路的行为。例如，用作低通
滤波器或
高通滤波器的RC电路的截止
频率为1/2πτ。由于时间常数τ是在
模拟滤波器或延迟线设计中的重要参数，因此重要的是，用于形成RC电路的电阻和电容具有适当的值。但这些电阻和电容值取决于用于形成对应的电阻器和电容器的工艺。用于RC电路的电阻器和电容器可以使用用于集成电路的一个或多个金属层形成。这些金属层通过绝缘介电层与在
半导体裸片中的晶体管分隔。
[0005] 为了形成金属层电阻器，金属层被
图案化以形成一个或多个导体。产生的电阻取决于形成电阻器的导体或引线的宽度和长度。金属层的深度或厚度由半导体制造工艺确定，因此设计者可以通过增加形成电阻器的引线的长度或宽度来调整电阻。增加引线的宽度会降低电阻，而增加引线长度会增加电阻。尽管此类设计技术是众所周知的，但是掩模和工艺步骤容易产生工艺变化，与期望的电阻相比，工艺变化在实际电阻中产生误差。类似的工艺变化适用于多晶
硅电阻器。用于
多晶硅电阻器的此类电
阻变化的通用经验法则是，实际电阻将在期望电阻的+/-20％范围内。例如，如果掩模布局被设计为形成电阻为10KΩ的电阻器，则产生的电阻器的实际电阻将会在8KΩ到12KΩ范围之间。
[0006] 类似的工艺变化影响金属层电容器的电容。与金属-绝缘体-金属(MIM)电容器(其中一个
电极形成在第一金属层中，并且另一个
电极形成在相邻的金属层中)相反，金属层电容器被形成在一个金属层中。在半导体技术领域中已知，金属层电容器也可以命名为金属-
氧化物-金属(MOM)电容器。金属层电容器的电容取决于在形成电容器电极的引线之间的间隔以及引线的长度。因此，设计者可以调整引线间距和引线长度，以达到期望的电容。但是，形成电容器电极的掩模和工艺步骤也受到工艺变化的影响。用于所得的电容工艺变化的通用经验法则是在±20％中。因此，由金属层电阻器和金属层电容器形成的RC电路将会具有相对较大的时间常数变化。针对金属层RC电路，电路性能受到来自所达到的时间常数范围的影响。
[0007] 因此，在该技术领域中存在工艺不变金属层RC电路的需要。
发明内容
[0008] 为了提供具有工艺不变时间常数的RC电路，使用相同的掩模图案(或图案)将与半导体裸片相邻的金属层图案化为金属层电容器和金属层电阻器。特别地，掩模图案将金属层形成为金属层电阻器，该金属层电阻器包括多个纵向延伸引线(也可以命名为指)，每个引线具有第一宽度并且以第一间隙彼此分离。相同的掩模图案同时将金属层形成为金属层电容器，使得金属层电阻器和金属层电容器经历相同的制造工艺和制造环境。如本文所使用的，也用于将金属层图案化为金属层电容器的“相同掩模图案”是产生具有相同宽度和相同间隔的多个纵向延伸指的图案。具体地，金属层电容器包括第一组纵向延伸指，该第一组纵向延伸指与第二组纵向延伸指叉指。一组形成金属层电容器的第一
端子，而另一组形成金属层电容器的第二端子。在两组中的相对指之间的叉指间隙等于形成金属层电阻器的纵向延伸指或引线之间的间隔。由于相同的掩模图案同时将金属层形成为金属层电阻器和金属层电容器，因此用于金属层电容器和金属层电阻器二者的纵向延伸引线或指在其所得的宽度和间隔方面经历类似的工艺变化。
[0009] 由于所有指具有相同的宽度和间隔，因此影响指宽度的工艺变化在间隔上将具有相反的影响。例如，如果掩模图案工艺变化引起的金属层的过度蚀刻使得指宽度减小某个因数，则在相邻指之间的间隔将增加相同的因数。指宽度的减小引起金属层电阻器的电阻增大，但该电阻增大通过平衡在金属层电容器的电容中的减小而抵消。因此，RC时间常数基本保持不变。相似地，如果掩模图形工艺的变化导致金属层的缺量蚀刻，则指的宽度被增加，但在相邻指之间的间隙或间隔减小。然后，电阻下降，但下降的电阻通过在电容的增加来平衡，使得RC时间常数再次保持基本不变。
[0010] 通过以下具体描述，这些和其他有利特征可以被更好地理解。
附图说明
[0011] 图1是根据本公开的一个方面的包括工艺不变金属层RC电路的示例集成电路中的半导体裸片和相邻金属层的横截面视图。
[0012] 图2是根据本公开的一个方面的用于工艺不变RC电路的示例金属层电阻器的平面视图。
[0013] 图3是根据本公开的一个方面的使用与用于形成图2的金属层电阻器相同的掩模图案和相同的金属层并与其同时形成的金属层电容器的平面视图。
[0014] 图4是使用图2的金属层电阻器和图3的金属层电容器形成的工艺不变RC电路的图。
[0015] 图5是根据本公开的一个方面的用于制造工艺不变RC电路的示例方法的
流程图。
[0016] 通过参考以下的详细描述最好地理解本公开的
实施例及其优点。应当理解的是，类似的附图标记用于标识在一个或多个附图中图示的类似元素。
具体实施方式
[0017] 在金属层的图案化期间通过利用相同的掩模图案来提供工艺不变的金属层RC电路，该金属层将包括用于形成RC电路的电阻器和电容器。与电容器相反，形成电阻器的金属层引线在其
接触之间是连续的。然而，金属层电容器的接触各自连接到分隔的金属层引线，以使一个金属层引线形成第一端子，而另一个金属层引线形成第二端子，在电容器接触之间不存在连续的传导路径。因此，金属层电容器不能具有与金属层电阻器相同的布局。因此，将被理解的是，如本文所使用的“相同掩模图案”被限定为产生具有相同宽度和彼此间隔的纵向延伸引线(也可以命名为指)的图案。给定在金属层电阻器和金属层电容器之间的这种相似性，将在本文示出的是，用于RC时间常数的工艺变化变得微不足道。
[0018] 如上文所述的，形成金属层电容器的引线也可以命名为指。一组指连接到第一电极或接触，而另一组指连接到剩余的第二电极或接触。根据将第一组指和第二组指中的相对的指分开的叉指间隙，第一组指与第二组指被叉指。每个指都具有某一宽度，该宽度与形成金属层电阻器的连续引线的宽度相同。由于金属层电阻器是连续的，因此该金属层电阻器不能就这种叉指间隙被叉指。相反，金属层电阻器被折叠到平行布置的纵向延伸引线中，使得在每个纵向延伸引线之间的间隔与在金属层电容器的相对叉指指之间的叉指间隙相同。在一些实施例中，用于金属层电容器的指长度与用于金属层电阻器的纵向延伸的指或引线长度相同。
[0019] 所获得的金属层电阻器和电容器的图案产生基本上工艺不变的RC时间常数。例如，假设金属层电阻器被设计为具有一定的引线宽度，以提供所期望的电阻量。在相同的金属层中，用于金属层电容器的每个指随后被图案化为具有相同的宽度。这将取决于所使用的特定处理
节点，但无论其变化如何，因为金属层电容器和金属层电阻都是使用相同的掩模图案从相同的金属层形成的，它都将应用于金属层电容器。鉴于此，进一步假设工艺变化导致引线宽度对于金属层电阻器来说太细，以使其实际电阻高于期望值。由于相同的掩模步骤(或多个步骤)被使用以构建金属层电容器指，因此电容器指也将由相同的因数而变细。因此，在指之间的间隙将增加相同的因数，使得针对金属层电容器的实际电容小于所期望的值。针对金属层电阻器和金属层电容器所产生的金属迹线或指的深度或厚度也将会有共同的变化。但应注意的是，因为RC时间常数是电阻和电容的乘积，所以RC时间常数基本上不受影响。如果用于金属层电阻器中引线的宽度因缺量蚀刻而过宽，使得实际电阻小于所期望的值，则会相同的有益效果会发生。在这种情况下，在电容指之间的间隙将相应地缩小，使得实际电容高于期望值。但由于在电阻和电容上的补偿效应，RC时间常数再次保持不变。因此解决了关于RC电路的RC时间常数的工艺变化较大的常规问题。参照以下示例性实施例，可以更好地理解这些有利特性。
[0020] 在图1中示出了示例半导体裸片100。如在半导体技术领域中已知的，半导体裸片100被处理为包含用于产生的集成电路的有源电路系统晶体管和其他有源设备。裸片100由金属层
覆盖，诸如，金属层M1、M2、M3和M4。在给定实施例中的金属层的实际数目将取决于制造工艺。例如，现代半导体工艺产生超过十层的金属层。因此，与裸片100相邻的四个金属层仅仅是示例性的，因此将被理解的是，可以根据本文公开的原理来图案化附加金属层。金属层通过对应的介电层彼此分隔并与裸片100分隔。传统地，介电层是由
二氧化硅形成的，但也可以使用低
介电常数材料。金属层由合适的金属(诸如
铝或
铜)形成。每层金属层都具有厚度T。如在半导体技术领域中已知的，金属层被图案化以形成用于裸片100中的有源电路系统的各种
信号、接地和功率引线。此外，如本文所讨论的，对这些金属层中的给定一个金属层(或一些或全部)金属层进一步图案化，以形成工艺不变的RC电路。应当理解的是，在给定实施例中的金属层的厚度T和数目将取决于用于形成所产生的集成电路的特定半导体工艺。有源电路系统通过如所示出的延伸到金属层M1和M2的通孔105与在金属层中形成的引线通信。为便于说明，未示出剩余金属层的过孔。
[0021] 在图2中示出了示例金属层电阻器200。再次参考图1，金属层电阻器200将被形成在这些金属层的一层金属层中(诸如，金属层M1到M4)。多个纵向延伸引线205被平行布置。相邻引线100通过横向延伸连接引线210在其端部接合。如本文所使用的，“横向延伸”部件被理解为在与纵向延伸的部件
正交的一个方向上延伸。产生的用于金属层电阻器200的结构可以被认为是折叠或弯曲的。每个纵向延伸引线205具有宽度W，该宽度W由用于将金属层电阻器200的金属层进行图案化的(一个或多个)掩模步骤确定。连接引线210具有相同的宽度W。每个纵向延伸引线205通过分隔或间隙(G)与其相邻的(一个或多个)纵向延伸引线205分隔。因此，间隙G定义了每个连接引线210的长度。此外，每个纵向延伸引线具有长度L1。最后，纵向延伸引线205和连接引线210具有取决于金属层工艺的相同厚度T(图1)。参数L1、W和T定义金属层电阻器100的电阻R。特别是，如果假设
电流密度在金属层电阻器200中均匀，则电阻R由以下等式(1)给出：
[0022] R＝ρ*(N1*L1/(T*W)) 等式(1)
[0023] 其中ρ是用于形成对应的金属层的金属的
电阻率，并且N1是纵向延伸引线的数目。该公式还假设长度L1远大于间隙G。
[0024] 定义用于形成金属层电阻器200的金属层的图案化的参数W和G也适用于用于形成如图3所示的金属层电容器300的相同金属层的图案化。金属层电容器300包括与另一组纵向延伸指310叉指的第一组纵向延伸指305。一组形成金属层电容器300的第一端子，而剩下一组形成金属层电容器300的第二端子。在每组内，指通过横向延伸的引线或骨干315连接在一起。每个纵向延伸指305和310可以具有关于金属层电阻器200的纵向延伸引线205讨论的长度L1。更一般地，每个纵向延伸指305和310可以具有长度L2，其可以等于或不等于在金属层电阻器200中的指205的长度L1。每个纵向延伸指305和310具有关于纵向延伸引线205讨论的相同宽度W。最后，用于指305和310的叉指的间隙G的分隔与分隔金属层电阻器200的纵向延伸引线205的间隙G相同。因此，每个骨干315的长度等于2*G+W。参数L2、T和W限定了(垂直)电容。特别地，金属层电容器300的电容C由以下等式(2)给出：
[0025] C＝ε*(N2*L2*T)/G 等式(2)
[0026] 其中，ε是在叉指指305和310之间的介电材料的介电常数，并且N2是间隙G的数目。
[0027] 然后，金属层电阻器200和300可以并联或
串联地耦合在一起以形成RC电路。此类耦合可以通过在相同金属层或相邻金属层中形成的迹线(未示出)来执行。图4示出了示例串联RC电路400，其中金属层电阻器200和金属层电容器300串联连接。再次参考图1和图2，在裸片100中的有源电路系统可以通过过孔210将输入
电压Vin驱动到金属层电阻器200中。由有源电路系统通过在金属层电阻器200的另一端处的过孔215接收
输出电压Vout。过孔
215与驱动指305的过孔320被连接到相同的电路节点。指310通过过孔325连接到在裸片100中的在有源电路系统中的接地节点。根据等式(1)和等式(2)，RC电路400的RC时间常数τ由以下等式给出：
[0028] τ＝ρ*ε*(N1*N2*L1*L2)/(W*G)) 等式(3)
[0029] 注意，金属层的厚度T不影响RC乘积。等式(3)示出了当间隙G等于宽度W时，实现了最佳工艺抵消。给定了用于RC时间常数τ的这种关系，假设由于过度蚀刻，宽度W减小了某一任意因数a％，使得W变为W(1–a％)。宽度W的这一减小使间隙G对应地增大a％，使G变为G(1+a％)。因此，在等式3中的乘积G*W基本上没有变化。因此，时间常数C在过度蚀刻方面基本不变。同样的有益效果发生在由任意因数a％的缺量蚀刻的情况下。在这种情况下，W变为W(1+a％)，而G变为G(1-a％)。但乘积G*W基本保持不变。因此，针对金属层电阻器200和金属层电容器300的串联或并联组合，RC时间常数τ基本上是工艺不变的。
[0030] 注意，由于工艺变化引起的过度
刻蚀或缺量刻蚀也会影响长度L1和L2，但只要这些长度与此类工艺变化相比相对较大，则可以忽略长度的此类变化。鉴于此，金属层电阻器200的长度L1不必与金属层电容器300的长度L2相同，只要两者与工艺变化相比都相对较大。在其他实施例中，两个电路元件的长度L1和L2相同。现在将讨论一种制造工艺不变RC电路的方法。
[0031] 图5示出了用于制造工艺不变RC电路的方法的流程图。该方法开始于动作500：使用至少一个掩模来图案化金属层，以形成具有多个纵向延伸引线的金属层电阻器，所述多个纵向延伸引线具有第一宽度并且从而每个纵向延伸引线通过第一间隙与相邻的一个纵向延伸引线分隔。注意，此类图案化可以涉及蚀刻预先存在的金属层以形成纵向延伸引线。备选地，蚀刻可以针对介电层，随后
镀有金属，以形成在双镶嵌工艺领域中已知的金属层结构。该方法还包括与动作500同时发生的动作505，动作505包括使用至少一个掩模图案化金属层，以形成金属层电容器，该金属层电容器具有第一组纵向延伸指，该第一组纵向延伸指与第二组纵向延伸指叉指，使得每个纵向延伸指的指宽度基本上等于第一宽度，并且使得在第一组纵向延伸指和第二组纵向延伸指之间的叉指间隙基本上等于第一间隙。这种图案化取决于在动作500中使用的图案化。换言之，如果动作500涉及将预先存在的金属层蚀刻，则使用相同的掩模(或多个掩模)来蚀刻金属层以形成金属层电容器。备选地，如果动作500涉及双镶嵌工艺，则在动作505中将使用相同的掩模(或多个掩模)以使用双镶嵌工艺来形成金属层电容器。为了减小在RC时间常数τ中的工艺变化，产生的金属层电容器和金属层电阻器应相对地相邻或接近。
[0032] 应当理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对本发明使用的设备的材料、装置、配置和方法进行许多
修改、替换和变化。例如，相同的图案可以用于将金属层电阻器和金属层电容器延伸至附加金属层。换言之，金属层电阻器可以包括在第一金属层和第二金属层中的多个纵向延伸引线。由于使用了相同的图案，纵向延伸引线将会仍然具有相同的宽度和间隔。类似地，金属层电容器可以包括在第一金属层和第二金属层中与第二组纵向延伸指叉指于相同间隙的第一组纵向延伸指。鉴于此，本发明的范围不应限于本文图示和描述的特定实施例的范围，因为它们仅仅是通过其一些示例，而是应该与下文所附
权利要求及其功能等同的范围完全相称。
