CN108666296B - 晶体管结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶体管结构。本公开通常涉及半导体结构，更具体地，涉及晶体管结构和制造方法。该结构包括通过电浮置金属层分隔的有源金属线，所述电浮置金属层具有小于所述有源金属线的宽度的宽度。

Description

晶体管结构

技术领域

本公开一般涉及半导体结构，更具体地，涉及晶体管结构和制造方法。

背景技术

对于功率半导体器件(例如，BJT、MOSFET、晶闸管、IGBT等)，安全操作区域(SOA)被定义为可以预期器件在没有自身损坏的情况下运行的电压和电流条件。例如，如果VD超过了SOA边界，则可能会损坏设备。作为更具体的示例，导致造成设备损坏的电磁相互作用的大的变化电流分量造成在SOA边界之外的操作。许多因素可能导致设备在安全操作区域(SOA)边界外部操作，包括例如设备尺寸、电流、金属线的位置等。此外，异常的SOA/类电阻器特性可能发生在RF和功率晶体管的高V_Gin。

趋肤效应和邻近效应已知影响器件性能，例如对于在SOA边界之外执行的器件。例如，趋肤效应是交流电流(AC)在导体内分布的这样趋势，电流密度在导体表面附近最大并且在导体中随更大的深度而减小。趋肤效应导致导体的有效电阻在趋肤深度较小的较高频率下增加，从而减少导体的有效横截面。对于在相同方向流动的电流，电流将拥挤在两个边缘处；而对于在不同方向流动的电流，电流将拥挤在彼此面对的区域处。

另一方面，承载交变电流的导体中的邻近效应源自流过一个或多个其它附近导体的电流。在接近效应中，第一导体内的电流分布将被限制在较小的区域，导致电流拥挤。这种拥挤使得电路的有效电阻增加，该有效电子随频率增加。

发明内容

在本公开的一个方面中，一种结构，包括由电浮置金属层分隔的有源金属线，所述电浮置金属层具有小于所述有源金属线的宽度的宽度。

在本公开的一个方面，结构包括：在第一布线平面中的第一多个有源金属线；在第二布线平面中的第二多个有源金属线；以及位于所述第一多个有源金属线和所述第二多个有源金属线之间的浮置金属层以防止趋肤效应。

在本公开的一个方面中，一种结构包括：上层的有源金属线；横切所述上层的下层的有源金属线；以及围绕所述上层和所述下层中的有源金属线并在所述上层与所述下层之间的浮置金属层的笼。

附图说明

在下面的详细描述中，通过本公开的示例性实施例的非限制性示例参考所述多个附图来描述本公开。

图1A-1D示出呈现趋肤效应和邻近效应的金属线不同设置。

图2A-2D示出根据本公开的方面的除了其他特征之外的分离金属线的浮置金属层以及各自的制造工艺。

图3示出根据本公开的方面的除了其他特征之外的分离在单个平面中的金属线的浮置金属层以及各自的制造工艺。

图4示出根据本公开的方面的除了其他特征之外的分离不同平面中的金属线的浮置金属层以及各自的制造工艺。

图5示出了根据本公开的方面的除了其他特征之外的分离有源线的浮置笼结构以及各自的制造工艺。

图6示出了图5的结构的模拟。

具体实施方式

本公开一般涉及半导体结构，以及更具体地，涉及晶体管结构和制造方法。在实施例中，晶体管结构在安全操作性能边界内运行，这有利于防止在晶体管结构的正常操作期间发生MOS烧毁。此外，本文所述的晶体管结构防止安全操作区域(SOA)边界根据晶体管结构的尺寸而变化。

本文描述的晶体管结构由浮置金属层组成，其防止由否则将导致电磁相互作用的变化电流分量引起的不期望的特性。例如，通过使用本文所述的器件中的浮置金属层，晶体管结构将不会出现由邻近金属线的电磁相互作用引起的电流拥挤所造成的影响，例如将防止趋肤效应和接近效应问题。

在实施例中，本文所述的晶体管结构包括若干具有特定宽度(例如，小于或等于趋肤深度)的金属层，其将分离器件的有源金属线。这些有源线可以是例如用于器件的源极和漏极的金属层。例如，金属层可以是分离源极和漏极金属线的浮置金属层，从而防止在器件中发生趋肤效应和邻近效应的问题。在更具体的实施例中，分离S/D金属层的各种浮置金属层的具体设置可以相对于彼此横向布置。

本公开的结构可以使用许多不同的工具以多种方式制造。通常，方法和工具用于形成尺寸在微米和纳米级的结构。用于制造本公开的结构的方法，即技术，已经从集成电路(IC)技术中采用。例如，这些结构构建在晶片上，并且通过在晶片顶部上通过光刻工艺图案化的材料的膜实现。特别地，结构的制造使用三个基本构建块：(i)在衬底上沉积材料薄膜，(ii)通过光刻成像在膜的顶部上施加图案化掩模，和(iii)选择性地蚀刻膜到掩模。本文描述的晶体管结构可以由BEOL实现，并且可以在没有附加处理和掩蔽步骤的情况下到记录CMOS工艺的工艺。

图1A-1D显示出不同的金属线设置，其呈现趋肤效应和邻近效应。除了其他示例之外，这些金属线可以实现在RF和功率晶体管器件中。例如，这些器件可以在电源管理集成电路(PMIC)芯片中实现。在图1A中，金属线并排地并行布置，电流沿相反方向流动。在该示例中，电流拥挤和增加的电流分布被示出为处于面对边缘。相反，在图1B中，金属线并排地并行布置，具有沿相同方向流动的电流。在该示例中，电流拥挤和增加的电流分布被示为处于相对的边缘。在图1C中，金属线以叠层形式平行布置，电流沿相反方向流动。在该示例中，电流拥挤和增加的电流分布被示出为处于面对的边缘。相反，在图1D中，以叠层形式平行布置的金属线具有沿相同方向流动的电流。在该示例中，电流拥挤和增加的电流分布被示为处于相对的边缘。

相反，图2A-2D示出根据本公开的方面的除其他特征之外的分离金属线的浮置金属层以及相应的制造工艺。在实施例中，电浮置金属层，即浮置金属层130，可以设置在(参见附图标记105)所示的(例如分离的)源极和漏极之间。更具体地，有源金属线是有源器件的源极线和漏极线105。如在每个实施例中一样，浮置金属层130将减小金属线105周围的磁场，并且减少电流拥挤，例如没有电流拥挤。电流拥挤的减少进而将增加电流分配，有效提高器件性能并将器件保持在SOA边界内。

如图2A-2D所示，源极和漏极金属线105的配置类似于分别在图1A和图1D所示的配置，例如以平行或层叠的并排布置。此外，类似于图1A-1D所示，在源极和漏极金属线105中流动的电流在相同的方向或不同的方向上。然而，在图2A-2D所示的实施例中，通过如本文所述的浮置金属层130的使用和定位，在有源金属线的邻近的线(即，源极和漏极金属线105)之间防止与趋肤效应和邻近效应相关的问题。也就是说，通过使用浮置金属层130，电流密度在金属线105内更均匀，允许器件在SOA边界内操作。这通过图2A-2D所示的源极和漏极金属线105中的均匀电流分布来说明。

在实施例中，浮置金属层130可由多种合适的材料制成。例如，电浮置金属层，即浮置金属层130可以由不同的导电材料，例如铝，铜或钨材料组成，以及其它实例。在实施例中，诸如图2A和图2B所示的实施例，浮置金属层130可以通过绝缘体材料125例如SiO₂与源极和漏极金属线105分离。电浮置金属层，即，浮置金属层130，具有优选地小于每个有源金属线105的宽度(W1)的宽度(W2)。在更具体的示例中，浮置金属层130的宽度W2小于或等于(≤)每个金属线105的趋肤深度(δ)。趋肤深度δ由下式给出：

其中δ＝趋肤深度，f＝频率，μ＝磁导率和σ＝电导率。对于f＝1GHz，δ＝2.8μm。

作为实例，如果金属线105的W₁等于6μm，并且邻近金属线105之间的空间等于3μm，则浮置金属层130(例如，虚设金属)可以配合在金属线105的间隔之间，这是由于W₂小于或等于2.8μm。在实施例中，W₂可以是约1-2μm范围内的宽度，尽管这里也考虑了其他尺寸。注意，通常宽度W₁大于(>)δ。浮置金属层130可以比没有浮置金属层130时减少施加的场(B)，以防止来自每个金属线105的干扰。

图3示出了具有在单个布线平面(例如同一金属层135)中交替地设置的金属线105和浮置金属层130的器件100的局部截面图。如前所述，金属线105和浮金属层130可以由绝缘体材料125分离。在实施例中，金属层135可以用作器件的源极区域或漏极区域的平面。此外，每个金属线105的宽度W₁被示出为小于每个浮置金属层130的宽度W₂。

图4示出了在分隔的布线平面(例如不同的金属层135、135')中具有横切设置的多个有源金属线105、110的器件100'。在实施例中，多个金属线105可以是连接到源的金属线，而多个金属线110可以是连接到漏极的金属线。在替代实施例中，多个金属线105可以是连接到漏极的金属线；而多个金属线110可以是连接到源极的金属线。替代地，金属线105可以是流过其中的电流的任何有源金属线。在这种表示中，不同的金属层135、135'相对于彼此层叠，金属线105、110由浮置金属层130通过诸如绝缘体材料125的绝缘体材料隔开。在实施例中，浮置金属层130也可以将同一平面中的各个金属线105、110分开，从而产生法拉第笼状结构(参见例如图5)。除了在金属线105、110之间，在金属层135、135'之间的浮置金属层130的位置同样将防止在设备中发生邻近和趋肤效应。此外，金属层135、135'的横切性质也可以防止邻近效应。

图5示出了根据本公开的方面的除了其他特征之外的形成笼结构的浮置金属层以及相应的制造工艺。更具体地，图5所示的结构100″包括在不同平面135、135'和135″中的多个金属线105、110。在这种表示中，金属线105、110可以是源极和漏极金属线或如本文已经描述的任何有源金属线，其被布置成笼状结构(即，笼配置)160的浮置金属线分开。如图5所示，笼配置160分离在同一平面和分开的平面中的有源金属线105、110，消除趋肤效应和邻近效应。此外，有源金属线105处于布线平面135″中，表示为上层的有源金属线，而有源金属线110处于布线平面135'中，其表示为与上层横切的下层的活动金属线。如图5所示，浮置金属的笼配置160围绕上层的有源金属线105和下层的有源金属线110以及在上层与下层之间。该笼配置160防止叠层配置中的上线105和下线110之间的趋肤效应和邻近效应，并且还可以防止在同一布线平面中的有源金属线105、110的邻近金属线之间的趋肤效应和邻近效应。

仍然参考图5，在实施例中，笼配置160除了位于金属线105的侧面上的金属过孔160″之外还包括位于金属线105、110之下和之上的电浮置金属层，即金属层160'，金属过孔160″可以连接到金属层160'。如在任何实施例中那样，金属层160'可以是具有约1微米至约2微米厚度的平面金属层(尽管本文还考虑了基于金属线105、110的尺寸的其他尺寸)。在更具体的实施例中，金属层(例如，浮置金属层)可以由小于或等于金属线105、110的趋肤深度的几个小宽度金属组成，以便提供趋肤效应出现在较宽的金属线105、110。更具体地，金属层160'的宽度和/或金属过孔160″的宽度可以小于或等于有源金属线105、110中的每个有源金属的趋肤深度。

仍然参考图5，可以根据工程设计规则和电气规则指导来设计金属线105、110，以迫使不同的金属层进入不同的方向，从而防止接近效应。例如，金属线105、110可以相对于彼此横切配置。更具体地，有源金属线105、110是不同平面(例如平面135、135'和135″)中的彼此横切的金属线。此外，同一平面中的金属线105、110可以与浮置金属例如金属层160'和/或金属过孔160″分离，以防止由邻近金属线引起的邻近效应。另外，在另外的实施例中，金属层160'和金属过孔160″可以在不同布线平面上的有源金属线之间，即金属线105、110之间。

因此，笼配置160防止了电浮置金属层的趋肤效应和邻近效应，因为电浮置金属层(即，金属层160'和金属过孔160″)被布置成围绕不同布线平面135、135'和13″中的有源金属线105、110的笼配置。更具体地，在实施例中，诸如金属过孔160″的浮置金属层在第一布线平面135中的第一多个有源金属线105之间和在第二布线平面135'中的第二多个有源金属线110之间，并且金属层160'在第一多个有源金属线105和第二多个有源金属线110之间。也就是说，笼配置160包括与上和下层中的有源金属线105、110之间的浮置金属层160'组合的围绕上层中的有源金属线105和下层中的有源金属线110的金属过孔160″。金属层160'和金属过孔160″可以使用常规光刻、蚀刻(反应离子蚀刻(RIE))和沉积工艺(例如化学气相沉积工艺)，然后通过化学机械抛光除去任何残留材料(CMP)过程而制造。

图6示出了图5的结构的模拟165，去除上部浮置层，以视觉显示金属线的电流分布。具体地，图6示出了从本文所述的结构(例如，结构100″)发生的以A/m²计的电流密度J的降低。如图6所示，常规器件的最大电流密度几乎是本文所述结构的电流密度的三倍。此外，与常规结构相比，流过本文所述结构的电流更均匀地分布(如通过布线的均匀阴影所示)。这是因为与常规结构的布线中发生的电流拥挤相比较，在本文所述的布线的边缘处缺少电流拥挤。

如上所述的方法用于集成电路芯片的制造。所得到的集成电路芯片可以由制造商以原始晶片形式(即，作为具有多个未封装芯片的单个晶片)作为裸芯片或以封装形式分布。在后一种情况下，芯片安装在单个芯片封装(例如塑料载体，具有固定到母板或其它更高级别的载体上的引线)或多芯片封装(例如具有一面或双面表面互连或掩埋互连的陶瓷载体)中。在任何情况下，芯片然后与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成，作为(a)中间产品(例如，主板)或(b)最终产品的一部分。最终产品可以是包括集成电路芯片的任何产品，从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入设备以及中央处理器的高级计算机产品。

已经出于说明的目的呈现了本公开的各种实施例的描述，但并不旨在穷举或限于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择这里使用的术语是为了最好地解释实施例的原理、优于市场中发现的技术的实际应用或技术改进，或使得本领域普通技术人员能够理解本文公开的实施例。

Claims (14)

1.一种半导体结构，包括由电浮置金属层分隔的有源金属线，所述电浮置金属层具有小于所述有源金属线的宽度的宽度，

其中，所述电浮置金属层以围绕不同布线平面上的所述有源金属线的笼配置而设置，所述笼配置包括位于不同布线平面上的所述有源金属线之间的金属层和与所述金属层连接且位于相同布线平面上的邻近有源金属线之间的金属过孔。

2.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述有源金属线包括在不同平面中的彼此横切的金属线。

3.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述有源金属线是有源器件的源极线和漏极线。

4.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述电浮置金属层由钨、铝或铜材料构成。

5.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述电浮置金属层的所述宽度小于或等于所述有源金属线的趋肤深度。

6.根据权利要求1所述的半导体结构，其中所述电浮置金属层被定位为防止所述有源金属线的邻近线之间的趋肤效应和邻近效应。

7.一种半导体结构，包括：

在第一布线平面中的第一多个有源金属线；

在第二布线平面中的第二多个有源金属线；以及

位于所述第一多个有源金属线和所述第二多个有源金属线之间的浮置金属层以防止趋肤效应，

其中所述浮置金属层被配置为笼，所述笼包括位于所述第一布线平面中的所述第一多个有源金属线与所述第二布线平面中的所述第二多个有源金属线之间的金属层和与所述金属层连接且位于所述第一布线平面中的所述第一多个有源金属线之间以及所述第二布线平面中的所述第二多个有源金属线之间的金属过孔。

8.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述第一多个有源金属线横切所述第二多个有源金属线。

9.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述第一多个有源金属线和所述第二多个有源金属线是有源器件的源极线和漏极线。

10.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述浮置金属层的宽度小于或等于所述第一多个有源 金属线的趋肤深度。

11.根据权利要求7所述的半导体结构，其中所述浮置金属层围绕所述第一多个有源金属线和所述第二多个有源金属线。

12.一种半导体结构，包括

上层的有源金属线；

横切所述上层的下层的有源金属线；以及

围绕所述上层和所述下层的有源金属线并在所述上层与所述下层之间的浮置金属层的笼，其中，所述笼包括位于所述上层和所述下层中的所述有源金属线之间的金属层和与所述金属层连接且位于相同布线平面中的邻近有源金属线之间的金属过孔。

13.根据权利要求12所述的半导体结构，其中所述笼防止在所述有源金属线的层叠配置中的上线和下线之间以及在相同布线平面中的所述有源金属线的邻近金属线之间的趋肤效应和邻近效应。

14.根据权利要求12所述的半导体结构，其中所述浮置金属层的浮置金属具有小于或等于横切有源金属线的趋肤深度的宽度。

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