[发明专利]一种适用于片上电源滤波的高密度电容及其实现方法

说明书

本发明公开一种适用于片上电源滤波的高密度电容及其实现方法。本发明所涉及的高密度的片上电容，包括有源MOS电容和无源MOM电容两部分。其中，有源MOS电容通过一个大尺寸MOS晶体管实现，MOS晶体管的栅极和供电金属平面连接，MOS晶体管的源极和漏极和地平面并接，当供电金属平面施加正向电压时，MOS管的栅极和其源极与漏极之间形成显著的大电容效应。MOM电容通过多层金属垂直堆叠的交叉插指电容阵列实现。在电气连接方式上，有源MOS电容和无源MOM电容以并联的方式连接共同作用，在紧凑的尺寸内实现极高的电容密度，而且结构紧凑，占用面积小，制造成本低，兼容于多种半导体工艺，易于大规模集成。

技术领域

本发明属于基本电气元件技术领域，涉及一种适用于片上电源滤波的高密度电容及其实现方法，适用于集成电路芯片的片内电源滤波。

背景技术

在集成电路系统中，抑制噪声和干扰极为重要。其中，来自电源的噪声是电子系统中干扰的重要来源，而电源上的纹波是噪声的主要来源，这些噪声的引入会使得电子系统在频域中产生相位噪声或者杂散信号，在时域中则表现为时钟的抖动，从而显著的恶化电路系统的性能。因此，有效地抑制电源的噪声干扰是提高电路抗干扰性能的重要技术手段。

为了抑制来自外部电源带来的噪声干扰，集成电路内部通常采用大量的片上电容进行电源滤波，以获得纯净的电源电压。目前，常用的片上电容主要有两类，分别是平行板(Metal-Insulator-Metal，MIM)电容和插指(Metal-Oxide-Metal，MOM)电容。其中，MIM电容主要利用顶层金属和次顶层金属，以及它们之间的介质形成电容，具有寄生较小，精度高的优点。而MOM电容一般是用交叉互锁的插指结构组成一个共面阵列来实现，随着工艺技术的进步，金属线可以靠的更近，同时可以使用更多的金属层堆叠使用以实现更高的电容密度，故MOM电容具有低寄生效应、对称平面结构、优良的RF特性等优点。然而，它们存在的共同缺点是电容密度小、尺寸大、成本高。可以看到，传统的片上电容设计方法在很难同时获得高电容密度和小尺寸，难以满足集成电路芯片对高密度、小尺寸电源滤波电容的设计要求。

发明内容

本发明的目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种有源MOS(Metal OxideSemiconductor)电容和无源MOM电容相融合的一种适用于片上电源滤波的高密度电容，该结构在紧凑的小尺寸下极大的提升了电容密度，与此同时还解决了集成电路版图加工所要求的DRC(Design Rule Check)密度问题。所提出的结构简单紧凑，原理清晰，尺寸小，易于加工，制造成本低，在集成电路设计中极具有优秀的科学应用价值。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种适用于片上电源滤波的高密度电容，包括有源MOS电容(10)和无源MOM电容；有源MOS电容(10)位于供电金属平面的下方，无源MOM电容位于供电金属平面的上方，有源MOS电容(10)的栅极和无源MOM电容的一端共同连接到供电金属平面，有源MOS电容(10)的源极和漏极短接到地平面，无源MOM电容的另一端通过第一金属通孔(6)短接到地平面。有源MOS电容(10)和无源MOM电容以并联的方式连接，共同构成一个高密度的片上电容标准单元。

优选的，所述无源MOM电容为两端口互易器件，包括第五金属层(5)、第四金属层(4)、第三金属层(3)、第四金属通孔(9)和第三金属通孔(8)，其中所述第五金属层(5)、第四金属层(4)、第三金属层(3)间存在氧化物介质层；所述第四金属通孔(9)和第三金属通孔(8)贯穿氧化物介质层。所述第五金属层(5)、第四金属层(4)的两端通过第四金属通孔(9)堆叠连接在一起，第四金属层(4)和第三金属层(3)的两端通过第三金属通孔(8)堆叠连接在一起，三层金属层依次垂直堆叠连接。

更为优选的，第五金属层(5)、第四金属层(4)和第三金属层(3)被刻蚀成交叉插指图案；所述无源MOM电容的电容值C₁跟叉指有效长度a，叉指的宽度b，叉指的厚度t，叉指的间距d，以及叉指的数量n直接相关，根据如下的公式进行估算：