CN102832195A - 三维电容结构 - Google Patents

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徐文彬
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Abstract

本发明公开了一种三维电容结构，以MIM三明治结构为基础，包含一个具有较高介电常数和良好高频特性的电容介质层，以及处于电介质上下层位置的金属电极层，上下金属电极层以横向电通量电容中共面相邻的叉指电极为原型（包括进一步的分形化设计），其横向相对位置保持不变，而纵向上以高K介质层为中心错开分布，位于上下两个不同的电极层，从而使得两电极兼具横向、纵向的耦合电通量，以改善电容的电学性能，有助于拓展电容设计及提高电容值可调范围，同时从本质上解决电容发展中电容密度、绝缘强度、集成化应用等相关问题；并且是以成熟的叉指结构为基础，制作工艺可实现性高。

Description

三维电容结构
技术领域
本发明涉及基本电容器件技术领域，特别是指一种结合叉指电极结构的高K基三维电容结构。 
背景技术
电容作为三大无源器件之一，一直是各类电路的重要组成部分，电容研究也伴随着电路技术的进步而经久不衰。在现代电容发展中主要面临的问题有以下几个方面：
一、电容密度问题
电容在电路中往往占用很大的空间，增大电容密度可以减少电容体积，促进电路小型化发展。在传统的MIM或MOS结构电容中，提高电容密度常常从减少电容电介质厚度入手，但由于漏电效应作用，容易导致电容绝缘强度降低，进而影响电容的能耗和高频工作特性。因此，通过提高介质介电常数（K值）来增大电容密度的高K电介质研究在近年来受到了较多关注。
二、电容绝缘强度
一定的绝缘强度是电容稳定工作的重要基础，在集成电路领域，SiO2栅介质无法延续摩尔定理正是因为减薄SiO2后绝缘强度下降所带来的严重漏电问题。而伴随着电路的小型化、集成化进程，电容的绝缘强度问题在很多领域都是不可回避的。 
三、电容的集成化
集成电容研究是无源集成领域的子问题，并且是实现电路无源集成的关键环节。低温共烧（LTCC）技术是近年来受关注较多的电容集成技术，但因为原料成本问题制约了LTCC的推广。而薄膜技术一方面易于同微电子技术兼容，另一方面也具有环保和成本的优势，可以预见在今后的集成电容发展中将发挥更大的作用。在进行电容集成研究时还有必要关注电容的基底问题，同平整的半导体基底不同，很大一部分电容，尤其是分立电容是制作在陶瓷这类表面不平整的基底上，这类基底对电容的性能影响是不容忽视的，如果能结合薄膜的低温沉积技术，将高K电介质引入到这类电容中，对推广电容的集成化应用将有深远的意义。
四、电容的高频特性
无线通信和高速电路发展也对电容的高频特性提出了更高的要求。电容的高频特性很大程度上取决于电容电介质，在LTCC领域，已有许多关于高频陶瓷的报道，在高K薄膜研究中，介质的非线性特性也是一个研究的焦点。
在上述四个问题中，扩大电容可集成化应用和提高电容密度是迫切需要解决的，而包括绝缘强度在内的电学性能问题又是不可回避的。绝大部分关于电容的技术报道中都提到了引入高K介质以提高电容密度，但只要提高电容密度的要求仍然存在，通过不断减薄介质层厚度和提高介电常数，是无法从根本上解决漏电和绝缘强度问题的。而在七十年代就已出现的横向电通量电容，在同等工艺条件下，却几乎没有绝缘方面的担忧。平面电容之电容特性来源于在同一介质层表面提供横向电通量的相邻共面电极。常见的平面电容共面电极以叉指图形为主要形式，由于电极分布是共面相邻的，可以避开由纵向工艺导致的漏电通道，从而保证良好的绝缘性能。
但横向电容最大的一个不足就是电容密度太低，远不如其它纵向结构电容。
综合上述各种结构电容存在的不足，本案便由此产生。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高电容密度、又能保证良好绝缘强度和相关电学性能的新型三维电容结构，同时此结构相对简单且工艺可实现性高。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：
一种三维电容结构，其包括上金属电极层、下金属电极层及位于上金属电极层与下金属电极层之间的电容介质层；其中：该电容介质层采用高介电常数和高频特性的材料；而上金属电极层与下金属电极层的金属电极为相互错开分布的叉指结构。
所述的各叉指上进一步分形出一次叉指结构。
所述的各一次叉指上再进一步分形出二次叉指结构。
所述电容介质层高介电常数和高频特性的材料包括但不局限于Ta2O5。
所述电容介质层的材料为烧结后的陶瓷层、丝网印刷后的块状电介质材料。
所述电容介质层的材料为用各种物理、化学方法沉积得到的电介质薄膜。
采用上述方案后，可见本发明电容的主要结构以MIM三明治结构为基础，包含一个具有较高介电常数和良好高频特性的电容介质层，以及处于电介质上下层位置的金属电极层，上下金属电极层以横向电通量电容中共面相邻的叉指电极为原型（包括进一步的分形化设计），其横向相对位置保持不变，而纵向上以高K介质层为中心错开分布，位于上下两个不同的电极层，从而使得两电极兼具横向、纵向的耦合电通量，以改善电容的电学性能，有助于拓展电容设计及提高电容值可调范围，同时从本质上解决电容发展中电容密度、绝缘强度、集成化应用等相关问题；并且是以成熟的叉指结构为基础，制作工艺可实现性高。
附图说明
图 1为本发明的三维电容原理图；
图 2为本发明以基本叉指结构做电极图形的三维电容示意图；
图 3A为本发明的基本叉指结构的一次分形结构；
图 3B为本发明的基本叉指结构的二次分形结构；
图 4为本发明以基本叉指的一次分形结构做电极图形的三维电容示意图。
图中：
1 上金属电极层              10 上金属电极
11 上金属电极一次分形叉指   12 上金属电极二次分形叉指
2 下金属电极层              20 下金属电极
21 下金属电极一次分形叉指   22 下金属电极二次分形叉指
3电容介质层。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的详细内容，但发明内容并不限于附图说明。
如图1至图4所示，本发明揭示了一种三维电容结构，其包括一个以高K电介质为主要材料的电容介质层3，和一对以介质层3为中心纵向分层布置的上金属电极层1与下金属电极层2。
本发明的关键在于：此电容介质层3采用高介电常数和高频特性的材料；而上金属电极层1的上金属电极10与下金属电极层2的下金属电极20呈相互错开分布的叉指结构。配合2所示，此叉指结构是以横向电容中共面相邻的叉指电极为基础的金属电极图形。
此处电容介质层3所用材料以具有较高介电常数和良好高频特性的高K电介质为主，包括但不局限于Ta2O5等属于高K材料范畴的电介质材料；并且此电容介质层3所用材料具有块状材料或薄膜态等形式，即电容的电介质材料层可以是烧结后的陶瓷层、丝网印刷后的块状电介质材料，也可以是用各种物理、化学方法沉积得到的电介质薄膜，其目的分别是拓展电容集成化应用和发展兼容微电子技术的新型电容。
当然，对基本叉指结构的上金属电极10和下金属电极20可进行进一步的分形出上金属电极一次分形叉指 11和下金属电极一次分形叉指 12结构，如图3A所示；亦可在此一次分形叉指结构上再一步分形出上金属电极二次分形叉指 12和下金属电极二次分形叉指 22结构，如图3B所示；因为，只要电极的走线越多，电容值就越大，而具有分形特征形状电极的横向电容（也叫分形电容）因为兼具有限面积和趋近无限周长之特征，如此设置令电容会有更优越的表现。
因此，在具体的电容实现中，通过调整电容介质层介电常数和电极图形设计进行电容密度调节；通过调整电容介质层材料的高频电学性能及电极图形设计进行电容整体高频性能调节；通过调整电容介质层的材料状态推广电容的集成化应用。
由此可见，本发明的三维电容结构的上下金属电极层1、2在设计上以横向电容中共面相邻的叉指电极为基础，其横向相对位置不变，而在纵向上以电容介质层为中心错开分层布置，如此设置的结构相对简单，以成熟的叉指结构为基础，工艺可实现性更高；电容整体上虽以MIM结构为原型，电极间却不是纵向对齐，而是斜向相对，从而使得两电极间兼具横向、纵向电通量；其次，此三维电容结构的电容密度可以通过改变电容介质的介电常数和电容电极图形及其相关尺寸进行调节，包括提高介质介电常数和增大电极走线密度以提高电容密度；再者，此三维电容的高频特性以电容介质材料的高频电学性能为基础，并通过优化电极走线设计如提高电极走线方向多样性等方法来改善电容高频性能。
综上所述，本发明的突出优点表现在以下几个方面：
1. 有助于推广高介电常数材料，对电介质学科的发展将有普遍的积极意义；
2. 将原本共面相邻的平面电极改为纵向错开分层布置，得到新的三维结构电容，综合利用了电极间纵向、横向电通量，有助于拓展电容设计及提高电容值可调范围，同时从本质上解决电容发展中电容密度、绝缘强度、集成化应用等相关问题。

Claims (6)

1.一种三维电容结构，其包括上金属电极层、下金属电极层及位于上金属电极层与下金属电极层之间的电容介质层；其特征在于：该电容介质层采用高介电常数和高频特性的材料；而上金属电极层与下金属电极层的金属电极为相互错开分布的叉指结构。
2.如权利要求1所述的三维电容结构，其特征在于：所述的各叉指上进一步分形出一次叉指结构。
3.如权利要求1所述的三维电容结构，其特征在于：所述的各一次叉指上再进一步分形出二次叉指结构。
4.如权利要求1、2或3所述的三维电容结构，其特征在于：所述电容介质层的高介电常数和高频特性材料包括但不局限于Ta2O5。
5.如权利要求4所述的三维电容结构，其特征在于：所述电容介质层的材料为烧结后的陶瓷层、丝网印刷后的块状电介质材料。
6.如权利要求4所述的三维电容结构，其特征在于：所述电容介质层的材料为用各种物理、化学方法沉积得到的电介质薄膜。
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