CN102117699A

CN102117699A - 硅基Al2O3薄膜芯片电容器及制作方法

Info

Publication number: CN102117699A
Application number: CN 201010590616
Authority: CN
Inventors: 王伟; 孙晓玮; 谈惠祖; 周健; 孙浩
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102117699B

Abstract

本发明公开了一种硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器，可用于微波和射频电路中，起旁路和滤波作用。该芯片电容器包括低阻(电阻率≤1×10^-3Ω·cm)硅衬底、非晶Al₂O₃绝缘薄膜、上电极、下电极四层结构。采用射频磁控溅射法，以高纯Al₂O₃陶瓷为靶材，在单晶Si衬底生长Al₂O₃非晶绝缘薄膜，接着在薄膜表面溅射生长Ti或TiW层和Au层，再经电镀Au加厚后，通过光刻、腐蚀的方法制作上电极图形，根据芯片电容厚度的要求对Si片背面减薄，在背面溅射Ti或TiW层和Au层作为下电极，划片后制作成芯片电容。该电容具用高Q值、损耗小、结构与工艺简单、成本低廉、尺寸小等优点。

Description

硅基Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>薄膜芯片电容器及制作方法

技术领域

本发明属于薄膜陶瓷电容器领域，特别涉及微型芯片电容器及制作方法。

背景技术

微型芯片电容器是微波集成电路、多芯片组件封装中一个非常重要的电子器件，起旁路和滤波作用，使微波频段工作的IC电源电压稳定。要求其体积小、Q值高、电容值范围宽、成本低。

通常芯片电容用电介质生片和导体片烧结而成，存在易变形，生瓷易碎，粘接强度需要特殊工艺处理等问题。

制作芯片电容另一方式是采用半导体工艺，通过在硅基板上依次形成下极板，电介质薄膜，上极板而形成。该方法适用于集成电路内部电容，制作芯片电容面积较大，需要露出下电极，再引线焊接到基板上，可焊性不好。

专利文献(专利号：02244597.8)提出了在硅片上附着二氧化硅，上、下表面蒸发和溅射钼(或镍)和金的方法，虽可焊性较好。但是存在以下问题：1.硅片厚度固定，无法根据实际封装需要灵活改变芯片电容的高度；2.二氧化硅相对介电常数只有3.9，介电常数k较小，而Al₂O₃陶瓷的相对介电常数为9～10.5，是SiO₂的2.5倍，因而同样介质厚度和容量的电容，SiO₂薄膜电容比Al₂O₃薄膜电容面积大一倍，且SiO₂击穿场强比比Al₂O₃陶瓷低，耐压特性较差；3.采用普通硅片，金属背电极接触会引入接触电阻，且硅片本身有一定的电阻率，也会引入串联寄生电阻，引起Q值下降；4.上电极、SiO₂薄膜、Si衬底组成MOS结构，若Si衬底掺杂浓度不够高，则无论是N型还是P型，将出现明显的电容C值随电压V的变化特性，测试C-V曲线反映明显的电子(或空穴)积累和反型的变化，电容C值在正偏压和负偏压条件下发生改变，不能很好的满足实际电路中的需要和应用。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术存在的上述不足，提供一种硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器及制作方法。所述的电容器包括低阻硅衬底(电阻率≤1×10^-3Ω·cm)，非晶Al₂O₃介质薄膜，上电极和下电极四层结构。低阻硅衬底可视为准金属导体，构建成金属——绝缘体——金属(MIM)结构。可根据实际电路和封装的需要，灵活控制电容量以及芯片电容器面积，而且通过减薄硅衬底改变其厚度，可控制芯片电容的高度。此外，本发明还涉及硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器的制作方法。

本发明的技术方案如下：

一种硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器，包括低阻硅片(电阻率≤1×10^-3Ω·cm)，介质薄膜，上电极和下电极四层结构。其特征在于，非晶Al₂O₃薄膜作为所述的芯片电容器的介质薄膜，低阻硅片作衬底，以达到提高电容容量，减小面积，耐压，减小串联寄生电阻的目的。

所述的低阻硅片为低阻单晶Si(100)抛光硅片，电阻率小于或等于1×10^-3Ω·cm，N型(或P型)均可。采用低阻硅，利用其高掺杂特性可降低金属背电极的欧姆接触电阻，同时低阻硅片体电阻率很低，引入串联寄生电阻比较小，可以提高芯片电容的Q值。另一方面，采用高掺杂低阻硅，可以避免由于偏置电压引起普通硅衬底MOS结构电子(或空穴)积累和反型变化而导致电容C值随电压V显著变化的特性，提高芯片电容C值的工作稳定性。

所述非晶Al₂O₃薄膜是采用射频磁控溅射法，以高纯Al₂O₃陶瓷(纯度为99.99％)为靶材，在低阻单晶Si(100)衬底生长，生长的非晶Al₂O₃薄膜的厚度控制在80～120nm范围，相对介电常数约为9，X射线衍射图谱显示为无定型的非晶Al₂O₃，AFM和SEM图像显示非晶Al₂O₃薄膜表面均匀平整，断面界面清晰可辨。因非晶Al₂O₃薄膜的相对介电常数是SiO₂的2.5倍，所以同样介质厚度和容量的电容，Al₂O₃薄膜电容比SiO₂薄膜电容面积小一倍多。生长Al₂O₃薄膜的厚度根据溅射工艺和所要求的电容值和电容面积适当调整。

所述芯片电容器金属上电极是由溅射生长的Ti(或TiW)/Au层以及电镀Au层构成。先溅射一层20-30nm厚的Ti(或TiW)层，目的是为了提高粘附强度，再溅射一层100-200nm厚的Au层作为种子层，然后再电镀Au加厚到3～5μm。电镀Au加厚目的是保证芯片电容上电极金丝引线键合的强度。

所述芯片电容器上电极图形是通过光刻，腐蚀的方法制作。设计光刻版时，除了电容上电极图形外，还需要考虑划片道的宽度，预留出划片位置，保证划片后芯片电容器边缘到上电极金属图形边缘至少有25μm宽的空区域，以提高芯片电容器的绝缘性和耐压性。光刻后电容上电极图形被光刻胶保护，暴露的Ti(或TiW)/Au区域被腐蚀，直到露出紫蓝色的Al₂O₃薄膜层。

所述芯片电容器厚度的调节是通过硅片减薄、抛光实现的，根据实际电路和封装需要，需要对做好芯片电容器上电极的硅片背面进行减薄，抛光，厚度根据应用要求在100～500μm间选择。例如，用于GaAs MMIC封装，芯片电容器厚度为100μm。

所述芯片电容器下电极由溅射生长的Ti(或TiW)/Au层构成。先溅射一层20-30nm厚的Ti(或TiW)层，以提高粘附强度，再溅射一层200nm厚的Au层。芯片电容器一般用银浆直接焊接在基板上，下电极可以不用电镀Au加厚。

由以上公开的技术方案可知，本发明涉及的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器具有以下优点：

1.所提供的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器结构简单，制作工艺与普通半导体薄膜工艺兼容，制作容易，成本低廉，一致性较好。

2.采用低阻硅片做衬底，不仅克服MOS结构电容C值随电压V变化的缺点，提高芯片电容工作时电容量的稳定性，而且减小了芯片电容器等效串联电阻，提高芯片电容的Q值。

3.采用高介电常数K非晶Al₂O₃薄膜作芯片电容器绝缘介质膜，使硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器具有耐压特性和极小体积，适合表面贴装。

4.所提供的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器可根据实际电路和封装需要，灵活控制电容量、芯片电容器面积和厚度。电容量可从几十皮法到几千皮法，厚度最小可到100μm。

5.所提供的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器上电极和下电极表面均为金材料，可焊性好；上电极电镀金加厚，可提高金丝引线的键合强度。

6.所提供的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器在1MHz下损耗角正切仅为0.005。可用于微波和射频中，起旁路和滤波作用。

附图说明

图1为硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器结构的俯视图(a)和侧视图(b)，图中，1为低阻硅衬底，2为非晶Al₂O₃薄膜，3和5分别为上电极Ti层或TiW层和下电极Ti层或TiW层，4和6分别为上电极Au层和下电极Au层。

图2为硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器制作工艺流程图。

图3为Si(100)单晶硅片上沉积Al₂O₃薄膜的X射线衍射图谱。

图4为硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器样品C-V测试曲线。

具体实施方式

以下结合附图，并以实施例详细说明本发明的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器的结构和特点。硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器及制作工艺流程，均属于本发明的保护范围。

图1显示本发明的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器结构示意图。如图1(a)俯视图所示，上电极Au层4和Ti(或TiW)层3的边缘与Al₂O₃绝缘介质层2边缘保留至少25μm宽Border(B)区域。边缘区域B不但提高了上电极板边缘的耐击穿性，而且可以防止划片工艺对芯片电容绝缘介质损伤。图1(b)横截面图更清楚的显示芯片电容器结构特征，包括低阻(1×10^-3Ω·cm)硅衬底1、非晶Al₂O₃绝缘薄膜2、上电极金属Ti(或TiW)层3、上电极金属Au层4、下电极金属Ti(或TiW)层5、下电极金属Au层6。上电极Ti(或TiW)/Au层通过光刻、腐蚀后，暴露出非晶Al₂O₃薄膜2边缘区域B。

图2给出本发明的硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器制作工艺流程图。首先采用标准RCA湿法化学清洗低阻硅片，烘干后迅速放入溅射真空室。接着采用射频磁控溅射法生长非晶Al₂O₃薄膜，溅射气体为纯度99.999％的氩气，溅射氩气气压为1Pa，溅射电压2～2.1KV，溅射时间20～30分钟，生长Al₂O₃薄膜膜厚为80～120nm。然后通过溅射或电子束蒸发的方式在非晶Al₂O₃薄膜层上生长Ti(或TiW)/Au层，Ti(或TiW)层厚为20～30nm，Au层厚为200nm，再电镀Au将Au层加厚到3～5μm。接着在电镀Au层上进行光刻，用光刻胶将芯片电容上电极图形进行保护，同时暴露出划片道和预留芯片电容边缘区域，共150～160μm宽；然后将暴露区域的Au层和Ti(或TiW)层分别用KI溶液和HF溶液腐蚀，直到露出紫蓝色的Al₂O₃薄膜层。根据实际电路和封装需要，对做好芯片电容器上电极的硅片背面进行减薄、抛光，达到所需高度要求，若减薄前硅片厚度满足要求，可省略该步骤。再在硅片背面用溅射或电子束蒸发的方式生长Ti(或TiW)/Au层，Ti(或TiW)层厚为20-30nm，Au层厚为200～300nm。芯片电容器通常用银浆直接焊接在基板上，下电极可以不用电镀Au加厚。最后用规格为100μm的划片机按划片道进行划片，制成硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器，其边缘区域为25～30μm。

图3为室温度下Si(100)单晶硅片上沉积Al₂O₃薄膜的X射线衍射图谱。从图可见，X射线衍射图谱只出现衬底Si峰，而没有明显的Al₂O₃峰出现，说明所提供的工艺条件下溅射长的Si基Al₂O₃薄膜材料为无定型的非晶Al₂O₃。

图4给出1MHz频率下硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器样品C-V测试曲线。由图4可见，C-V测试曲线比较平滑，在所测电压范围内，随着电压的增加，电容C值基本不变。随着图形面积的增大，电容C值线性增大。

Claims

1.一种硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器，其特征在于所述的芯片电容器依次包括低阻硅衬底、Al₂O₃绝缘介质薄膜、上电极和下电极四层结构，构建成金属-绝缘体-金属的结构；

其中，①所述的低阻硅衬底的电阻率小于或等于1×10^-3Ω·cm；

②所述的Al₂O₃介质薄膜为非晶Al₂O₃薄膜；

③所述的上电极采用溅射或电子束蒸发生长Ti或TiW和Au，并通过电镀Au加厚到3～5μm。

2.根据权利要求1所述的芯片电容器，其特征在于芯片电容器厚度的调节是通过硅衬底背面减薄和抛光实现的。

3.根据权利要求1或2所述的芯片电容器，其特征在于所述的低阻硅衬底为Si(100)抛光硅片、N型或P型。

4.根据权利要求1所述的芯片电容器，其特征在于非晶Al₂O₃薄膜的厚度为80-120nm。

5.根据权利要求1所述的芯片电容器，其特征在于上电极Au层和Ti层或Au层和TiW层的边缘与Al₂O₃绝缘介质薄膜的边缘至少保留25μm的区域。

6.制作如权利要求1、2、4和5中任一项所述的芯片电容器的制备方法，其特征在于制作步骤包括：

①首先采用标准RCA湿法化学清洗低阻硅片，烘干后迅速放入溅射真空室；

②接着采用射频磁控溅射法生长非晶Al₂O₃薄膜，溅射气体为纯度99.999％的氩气，溅射氩气气压为1Pa，溅射电压2～2.1KV，生长Al₂O₃绝缘介质薄膜；

③然后通过溅射或电子束蒸发的方式在非晶Al₂O₃薄膜层上生长Ti/Au层，或TiW/Au层；

④再电镀Au将Au层加厚到3～5μm；

⑤接着在电镀Au层上进行光刻，用光刻胶将芯片电容上电极图形进行保护，同时暴露出划片道和预留芯片电容边缘区域；

⑥然后将暴露区域的Au层和Ti层或TiW层分别用KI溶液和HF溶液腐蚀，直到露出紫蓝色的Al₂O₃薄膜层；

⑦根据实际电路和封装需要，对制作好芯片电容器上电极的硅片背面进行减薄、抛光，达到所需高度要求；

⑧再在硅片背面用溅射或电子束蒸发的方式生长Ti/Au层或TiW/Au层；

⑨最后用规格为100μm的划片机按划片道进行划片，制成硅基Al₂O₃薄膜芯片电容器。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

a)步骤②中溅射时间为20-30分钟；

b)步骤③生长的Ti层或TiW层厚度为20-30nm；Au层厚度为200nm；

c)步骤④暴露出划片道和预留芯片电容边缘区域宽度为150-160nm；

d)步骤⑧中在减薄的硅片背面生长的Ti层或TiW层厚度为20-30nm；Au层厚度为200-300nm。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于步骤⑦减薄前低阻硅片的厚度已满足要求，则步骤⑦可省略。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于下电极不用电镀Au加厚用银浆焊在基板上。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于边缘区域为25-30μm。