[发明专利]具有局部过孔的金属－绝缘体－金属管芯上电容器

说明书

技术领域

本公开内容涉及管芯中电容器领域，更具体地，涉及用于这种电容器的电气连接。

背景技术

半导体管芯包括管芯中的电源网格层，其接收外部功率，并将功率传播出去给管芯的一个或多个布线和电路层中的各种电路。由电源网格提供的功率遭受到各种不同来源的噪声，其可以扰乱电路的正常操作。噪声可以是电压和电流变化的形式，以及额外的信号的形式。由于在数字电路中的时钟控制型活动引起大部分噪声，可以借助与电源线并联的电容器滤除噪声。

如果电源噪声高于所期望的，那么就在管芯的层内制造管芯上解耦电容器。金属-绝缘体-金属(MiM)电容器是管芯上解耦电容器的一个示例，使用它是因为它嵌入到管芯的金属层中，无需额外的管芯面积。

MiM电容器需要多个通孔型过孔。通孔型过孔将MiM极板连接到在极板的任一侧上，即上层和下层，的相邻电源网格层。通孔型过孔充当在MiM与电源网格的其余部分之间的电流路径。在用于这些上和下层的布线重叠的任何位置，这个或者任何其他类型的垂直连接都可以构成管芯内的连接。通孔型过孔如同任何其他连接过孔一样，专为每一个管芯拓扑结构而被设计到管芯中。

附图说明

在附图的图中示例性而非限制性地示出了本发明的实施例，在附图中，相似的参考标记指代相似的元件。

图1是显示系统的电气特性的具有母板和封装管芯的计算设备的图示。

图2A是根据本发明实施例的MiM电容器的透视分解图。

图2B是图2A的MiM电容器的侧视横截面图。

图2C是根据本发明另一个实施例的MiM电容器的侧视横截面图。

图3A是根据本发明实施例的显示电气特性的图2A的MiM电容器的透视分解图。

图3B是图3A的MiM电容器的电路图。

图4A是根据本发明实施例的MiM电容器的多个层的上顶视图。

图4B是根据本发明实施例的形成MiM电容器的过程流程图。

图5是根据本发明实施例的结合金属-绝缘体-金属电容器结构的计算设备的方框图。

具体实施方式

许多管芯的管芯上功率传输网络严重依赖于MiM电容器来在管芯中稳定电压并减小噪声。随着操作频率增大且管芯尺寸减小，将MiM电容器设计为更为困难的规格，以在期望频率产生期望级别的电容。对于给定管芯面积，借助对于过孔和布线间隔的设计规则来限制来自MiM电容器的有效高频电容。同时以连续设计增大开关晶体管的数量并减小其尺寸。这限制了连接电容器的过孔的可用空间。

MiM电容器具有频率跌落(roll-off)特性，使得有效电容由于串联电阻效应而随较高频率而减小。使用两个因素可以控制MiM电容器的频率响应。首先是在直流或低频的电容。其次是3dB截止频率，即在电容减小3dB处的频率。通过增大电容器的数量或尺寸，可以增大在操作频率可获得的电容量。这增大了直流的电容。通过将3dB截止频率推向较高频率也能够增大可获得的电容量。

增大直流和低频的电容值需要更大的管芯空间和过孔的更仔细的布线，以将电容器极板连接到要滤除的适当电压。可以以各种不同方式来进行增大3dB截止频率。一个方案是增大通孔型过孔的数量。通孔型过孔将MiM极板连接到相邻电源网格层，这充当在MiM与电源网格其余部分之间的电流路径。这会减小MiM电容器的等效阻性分量，因此将3dB截止频率向较高频率移动。

为了增大通孔型过孔的数量，增大相应层的重叠区域以使得通过电容器的垂直过孔可以连接到在电容器任一侧上的两个层。必须为每一个新管芯重新设计重叠区域。对于重叠的区域的要求对必须如何布线两个连接层提出了限制。

也可以改进MiM电容器的高频特性，而无需重新布线相应层以在两层之间容纳过孔。除了从电源层到电路层的一些数量的通孔型过孔以外，可以使用局部过孔。局部过孔可以实施为盲过孔，仅连接内部层。例如，过孔可以将电容器极板仅连接到电源网格中的下一层。它还允许在过孔的设置中相当大的自由度，因为在电源网格与电容器极板之间的层常常具有很少(如果有的话)的布线，以与局部过孔连接。

在电源网格与电容器极板之间的局部过孔减小了MiM电容器的等效阻性分量。减小的阻性分量增大了在较高频率的电容，将3dB截止频率向较高频率移动。