CN113380543B - 一种高耐电压型薄膜电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高耐电压型薄膜电容器及其制备方法，包括：对单晶硅片进行清洗；在清洗后的单晶硅片上表面制备第一SiO2薄膜；对第一SiO2薄膜进行清洗；对等离子体轰击第一SiO2薄膜表面；在清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜；对第二SiO2薄膜进行热处理；在第二SiO2薄膜上制备Al2O3薄膜；在Al2O3薄膜上制备第一金属薄膜电极层；在单晶硅片的下表面制备第二金属薄膜电极层，在第一金属薄膜电极层上涂敷光刻胶、曝光；对第一金属薄膜电极层湿法刻蚀/图形化；对湿法刻蚀/图形化后的第一金属薄膜电极层二次涂敷光刻胶、曝光；刻蚀所述Al2O3薄膜以及第二SiO2薄膜；划切，得到高耐电压型薄膜电容器。本发明中的上述电容器能够提高界面的势垒和硅基薄膜电容器的击穿电压。
Description
技术领域
本发明涉及电容器领域，特别是涉及一种高耐电压型薄膜电容器及其制备方法。
背景技术
目前的电子产品所拥有的无源器件中电容器的用量最多，一般约占电路板组装无源器件总数的40～70％。然而随着小型化和高频化的要求，如应用于金丝键合的分立式电容器及表面贴装型的多层陶瓷电容器，已逐渐不能满足高集成度电子组件的技术要求，以高容量密度和高使用频率为特征的薄膜型电容器(MOS/MIS电容)成为了未来电容器的发展方向。
MOS界面特性的研究已成为目前半导体物理的重要课题之一。众所周知，造成MOS器件不稳定性的主要原因之一是在Si/SiO2界面存在着大量的固定电荷和可动电荷。尤其是可动电荷在外加电压下可能造成MOS器件性能变坏：电流放大系数蜕变，击穿电压蠕变，开启电压漂移等不稳定性。因此减少Si/SiO2界面的可动电荷的数量，是提高器件的稳定性和可能性的关键。申请专利通过两次热氧化及RCA清洗、等离子体清洗，最大程度地改善了Si/SiO2界面。
硅基薄膜电容器由于使用的是氧化物介质薄膜，其温度稳定性较好，可实现陶瓷电容器难以实现的容量温度系数(＜50ppm/℃)和使用温度范围(-65℃～200℃)。一般情况下，随着温度的变化，电容容量变化越小，其温度特性越好；反之，随着温度的变化，电容容量变化越大，其温度特性越差。
SiO2的介电常数为3.9，能带间隙为9eV，但是为了进一步地提高薄膜电容器的击穿电压，需要进一步降低薄膜内部缺陷在外加电场施加情况下形成的漏电流。研究表明，势垒高度越高，漏电流相应越小，并且漏电流会随着势垒高度的降低而成指数关系的增加。所以，为了确保较低的漏电流，在介质薄膜的表面增加了形成高势垒的薄介质薄膜层，这样既可以提高薄膜的击穿电压，也能保持较小的电容量密度变化。
硅基氧化硅薄膜电容器具有使用频率高、***损耗低、温度稳定性好，可靠性高等特点，其在光通信、AI、5G领域的应用必将越来越多。
发明内容
本发明的目的是提供一种高耐电压型薄膜电容器及其制备方法，提高界面的势垒，提高硅基薄膜电容器的击穿电压。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种高耐电压型薄膜电容器的制备方法，所述制备方法包括：
对单晶硅片进行清洗；
在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第一SiO2薄膜；
对所述第一SiO2薄膜进行清洗；
对等离子体轰击第一SiO2薄膜表面；
在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜；
对所述第二SiO2薄膜进行热处理；
在所述第二SiO2薄膜上制备Al2O3薄膜；
在所述Al2O3薄膜上制备第一金属薄膜电极层；
在所述单晶硅片的下表面制备第二金属薄膜电极层；
在所述第一金属薄膜电极层上涂敷光刻胶、曝光；
对所述第一金属薄膜电极层湿法刻蚀/图形化；
对所述湿法刻蚀/图形化后的第一金属薄膜电极层二次涂敷光刻胶、曝光；
刻蚀所述Al2O3薄膜以及第二SiO2薄膜；
划切，得到高耐电压型薄膜电容器。
可选的，所述对单晶硅片进行清洗具体为：
对低电阻率单晶硅片进行RCA清洗。
可选的，所述第一SiO2薄膜的厚度为10-20nm。
可选的，在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜具体为：
在所述清洗后的单晶硅片上表面热氧化生长第二SiO2薄膜，所述第二SiO2薄膜的厚度为100nm或200nm或300nm或400nm或500nm。
可选的，对所述第二SiO2薄膜进行热处理具体为：
在氧气气氛下热处理30分钟。
可选的，在所述第二SiO2薄膜上制备Al2O3薄膜具体为：
采用ALD法制备Al2O3薄膜，所述Al2O3薄膜的厚度为10-20nm。
可选的，所述第一金属薄膜电极层为TiW/Ni/Au第一金属薄膜电极层。
本发明另外提供一种高耐电压型薄膜电容器，所述薄膜电容器包括：
单晶硅片；
SiO2薄膜，位于所述单晶硅片的上表面；
Al2O3薄膜，位于所述SiO2薄膜的上表面；
第一金属薄膜电极层，位于所述Al2O3薄膜的上表面；
第二金属薄膜电极层，位于所述单晶硅片的下表面。
可选的，所述SiO2薄膜、所述Al2O3薄膜以及所述第一金属薄膜电极层上刻蚀有凹槽，所述凹槽将所述SiO2薄膜、所述Al2O3薄膜以及所述第一金属薄膜电极层分为两部分。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明中的上述方案选择具有更低介电常数(～3.9)的氧化硅材料作为介质，可实现使用温度范围-65℃～200℃，电容量温度系数＜50ppm/℃，为了减少硅表面自然氧化的氧化层对电容器性能的影响，选择了氧化清洗步骤，确保Si/SiO2界面态较低，为了降低外电场下薄膜内部的缺陷形成漏电流，通过ALD法在薄膜的薄膜生长了一层非晶态Al2O3薄膜，提高了界面的势垒，进而提高了硅基薄膜电容器的击穿电压。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器的制备方法流程图；
图2为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器的制备工艺结构流程图；
图3为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器结构示意图。
符号说明：
单晶硅片1、SiO2薄膜2、Al2O3薄膜3、第一金属薄膜电极层4、第二金属薄膜电极层5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种高耐电压型薄膜电容器及其制备方法，提高界面的势垒，提高硅基薄膜电容器的击穿电压。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器的制备方法流程图，图2为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器的制备工艺结构流程图，如图1和图2所示，所述方法包括：
步骤101：对单晶硅片进行清洗。
具体的，对低电阻率单晶(100)硅片进行RCA清洗。
步骤102：在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第一SiO2薄膜。
具体的，是在清洗后的单晶硅片上热氧化生长第一SiO2薄膜，厚度为10-20nm。
步骤103：对所述第一SiO2薄膜进行清洗。
具体的，对第一SiO2薄膜进行RCA清洗。
步骤104：对等离子体轰击第一SiO2薄膜表面，达到清洗和去除表面氧化层的目的。
步骤105：在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜。
具体的，在单晶硅片上热氧化生长第二SiO2薄膜(干法生成模式)，厚度可以为分别为：100nm或200nm或300nm或400nm或500nm。
步骤106：对所述第二SiO2薄膜进行热处理。
具体的，在单晶硅片上热氧化生长第二SiO2薄膜原位在氧气气氛下热处理30分钟。
步骤107：在所述第二SiO2薄膜上制备Al2O3薄膜。
具体的，采用ALD法制备Al2O3薄膜，厚度10-20nm，采用ALD法生长的非晶薄膜结构致密、稳定，起界面修饰保护和防水作用。
步骤108：在所述Al2O3薄膜上制备第一金属薄膜电极层。
具体的，采用磁控溅射法制备TiW/Ni/Au第一金属薄膜电极层。
步骤109：在所述单晶硅片的下表面制备第二金属薄膜电极层。
步骤110：在所述第一金属薄膜电极层上涂敷光刻胶、曝光。
步骤111：对所述第一金属薄膜电极层湿法刻蚀/图形化。
步骤112：对所述湿法刻蚀/图形化后的第一金属薄膜电极层二次涂敷光刻胶、曝光。
步骤113：刻蚀所述Al2O3薄膜以及第二SiO2薄膜。
具体的，采用ICP刻蚀Al2O3薄膜及第二SiO2薄膜。
步骤114：划切，得到高耐电压型薄膜电容器。
具体的，采用机械刀划切或者隐形激光刀划切。
最后，测试高耐电压型薄膜电容器的电性能，包括测试电容量、介质损耗、容量温度系数、耐电压、绝缘电阻。
图3为本发明实施例高耐电压型薄膜电容器结构示意图，如图3所示，所述高耐电压型薄膜电容器包括：
单晶硅片1；
SiO2薄膜2，位于所述单晶硅片的上表面；所述SiO2薄膜对应制备方法中的第二SiO2薄膜；
Al2O3薄膜3，位于所述SiO2薄膜的上表面；
第一金属薄膜电极层4，位于所述Al2O3薄膜的上表面。
第二金属薄膜电极层5，位于所述单晶硅片的下表面。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
对单晶硅片进行清洗；
在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第一SiO2薄膜；
对所述第一SiO2薄膜进行清洗；
对等离子体轰击第一SiO2薄膜表面；
在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜；
对所述第二SiO2薄膜进行热处理；
在所述第二SiO2薄膜上制备Al2O3薄膜，具体包括：采用ALD法制备Al2O3薄膜；
在所述Al2O3薄膜上制备第一金属薄膜电极层；
在所述单晶硅片的下表面制备第二金属薄膜电极层；
在所述第一金属薄膜电极层上涂敷光刻胶、曝光；
对所述第一金属薄膜电极层湿法刻蚀/图形化；
对所述湿法刻蚀/图形化后的第一金属薄膜电极层二次涂敷光刻胶、曝光；
刻蚀所述Al2O3薄膜以及第二SiO2薄膜；
划切，得到高耐电压型薄膜电容器；
所述第一SiO2薄膜的厚度为10-20nm。
2.根据权利要求1所述的高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述对单晶硅片进行清洗具体为：
对低电阻率单晶硅片进行RCA清洗。
3.根据权利要求1所述的高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，在所述清洗后的单晶硅片上表面制备第二SiO2薄膜具体为：
在所述清洗后的单晶硅片上表面热氧化生长第二SiO2薄膜，所述第二SiO2薄膜的厚度为100nm或200nm或300nm或400nm或500nm。
4.根据权利要求1所述的高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，对所述第二SiO2薄膜进行热处理具体为：
在氧气气氛下热处理30分钟。
5.根据权利要求1所述的高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述Al2O3薄膜的厚度为10-20nm。
6.根据权利要求1所述的高耐电压型薄膜电容器的制备方法，其特征在于，所述第一金属薄膜电极层为TiW/Ni/Au第一金属薄膜电极层。
7.一种由权利要求1-6任一项所述的制备方法得到的高耐电压型薄膜电容器，其特征在于，所述薄膜电容器包括：
单晶硅片；
SiO2薄膜，位于所述单晶硅片的上表面；所述SiO2薄膜包括第一SiO2薄膜和第二SiO2薄膜；
Al2O3薄膜，位于所述SiO2薄膜的上表面；具体包括：采用ALD法制备Al2O3薄膜；
第一金属薄膜电极层，位于所述Al2O3薄膜的上表面；
第二金属薄膜电极层，位于所述单晶硅片的下表面；
所述第一SiO2薄膜的厚度为10-20nm。
8.根据权利要求7所述的高耐电压型薄膜电容器，其特征在于，所述SiO2薄膜、所述Al2O3薄膜以及所述第一金属薄膜电极层上刻蚀有凹槽，所述凹槽将所述SiO2薄膜、所述Al2O3薄膜以及所述第一金属薄膜电极层分为两部分。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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