一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法
技术领域
本发明涉及一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法。
背景技术
微波电子产品和电子整机的发展趋势是“轻、薄、短、小”、多功能、高组装密度和高可靠。将金属传输线、电阻、电容、电感等元件集成在基片上,有利于缩小电路体积,提高集成度,减小寄生参数,提高电路带宽和高频特性。其中,将薄膜电容器集成在基片上是一项关键技术,而现有技术包括以下几种:
采用氮化硅作为薄膜电容的介质层材料,由于溅射的氮化硅薄膜有残余应力导致膜层附着力不佳,通常采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法制备氮化硅薄膜,采用干法刻蚀使介质层图形化,采用空气桥技术将上电极引出,防止介质层覆盖下电极的台阶处由于漏电而导致短路。这也是单片微波集成电路(MMIC)中常用的制作工艺。这种制作工艺的缺点在于:除了物理气相沉积镀膜设备外,还需要等离子化学气相沉积和干法刻蚀等大型贵重设备,并且需要空气桥的复杂制作工艺。总之,这种制作方法工艺复杂,成本价高。
采用高介电常数的Ta2O5作为介质层,单位面积可获得更高容量的薄膜电容。例如在已公开的专利CN 1295341A中提到:采用低压化学气相沉积(LPCVD)获得非晶态Ta2O5薄膜,然而此非晶态Ta2O5薄膜的致密性不佳,需要在一定气体气氛的退火炉内经过低温退火和高温退火,使非晶Ta2O5薄膜结晶化和致密化,以提高薄膜电容器的泄露电流特性和介电特性。从专利描述中不难看出,该方法需要复杂的设备和工艺,制作过程繁琐、成本高。
发明内容
本发明为了解决上述问题,提出了一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法,本方法所需制造设备和工艺简单,制造成本低,电容值和耐压值的大小易于调整,具有良好的电学特性。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法,包括以下步骤:
(1)准备基片,在所述基片上沉积一层金属或金属化物薄膜;
(2)使用光刻腐蚀工艺将上述薄膜图形化,形成下电极和第一下电极引出线;
(3)在下电极和第一下电极引出线上涂抹光刻胶,通过光刻工艺形成阳极氧化掩模;
(4)阳极氧化下电极,形成介质层;
(5)在基片上沉积电极层,通过光刻腐蚀工艺将电极层图形化,形成第二下电极引出线、上电极和上电极引出线。
所述步骤(1)中,所述基片为硅、砷化镓、蓝宝石、石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷。
所述步骤(1)中,所述金属薄膜为Ta薄膜,或金属化物薄膜为TaN薄膜。
所述步骤(1)中,所述金属或金属化物薄膜的厚度为50-500nm。
所述步骤(3)中,所述阳极氧化掩模完全覆盖第一下电极引出线,阳极氧化掩模的开口区裸露出下电极并且开口区的外形大于下电极,使得下电极的表面和边缘侧面同时被氧化形成绝缘层。
所述步骤(3)中,阳极氧化掩模的厚度为1-30微米,随着阳极氧化电压的升高,阳极氧化掩模的厚度也随之增加,以保证阳极氧化过程中不被击穿。
所述步骤(4)中,阳极氧化采用先恒流后恒压的方式进行,电流密度设定值为0.1-10mA/mm2,氧化电压设定为10-300V,电流密度越大,阳极氧化的速度越快,氧化电压越高,形成的介质层的厚度越大。
所述步骤(5)中,电极层为单层或多层金属薄膜。
所述单层金属薄膜为Al、Cu;所述多层金属薄膜为TiW-Au、TaN-TiW-Au、NiCr-Au、Ni-Au或Cr-Au多层膜结构。
所述步骤(5)中,上电极边缘不超出介质层边缘。
本发明的关键制造方法为:先刻蚀出下电极和第一下电极引出线,采用光刻工艺制作光刻胶掩模保护第一下电极引出线,在酸性电解液中对下电极进行阳极氧化,在下电极的表面及侧面同时生长一层致密的绝缘层,下电极边缘侧面阳极氧化生长的绝缘层天然的形成了介质桥,这样在上电极引出线经过下电极的边缘时,无需再做特殊处理,大大简化了制造工艺。
本发明的有益效果为:
(1)所需制造设备和工艺简单,制造成本低,电容值和耐压值的大小易于调整,具有良好的电学特性;
(2)利用金属Ta或金属化物TaN,经过阳极氧化后可转变成绝缘体,而且可以制作具有低温度系数的精密电阻器,易于在基片上集成电阻、电容元器件;
(3)图形化光刻胶掩模的开口区裸露出下电极并且开口区的外形大于下电极,使得下电极的表面和边缘侧面同时被氧化形成绝缘层,这样在上电极引出线经过下电极的边缘时无需再做特殊考虑;
(4)应用单层或多层金属薄膜,在集成电路制作过程中广泛采用,具有很好的导电性和可靠性。
附图说明
图1为本发明的基片上沉积薄膜的过程示意图;
图2为本发明的形成下电极和第一下电极引出线的过程示意图;
图3为本发明的形成介质层的过程示意图;
图4为本发明在基片上沉积电极层的过程图;
图5为本发明的形成第二下电极引出线、上电极和上电极引出线的过程示意图。
其中,1-基片;2-金属或金属化物薄膜;201-第一下电极引出线;202-下电极;3-阳极氧化掩模;4-介质层;5-电极层;501-第二下电极引出线;502-上电极引出线;503-上电极。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明的目的是提供一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法,包括以下步骤:
(1)准备基片,在所述基片上沉积一层金属或金属化物薄膜;
(2)使用光刻腐蚀工艺将上述薄膜图形化,形成下电极和第一下电极引出线;
(3)在下电极和第一下电极引出线上涂抹光刻胶,通过光刻工艺形成阳极氧化掩模;
(4)阳极氧化下电极,形成介质层;
(5)在基片上沉积电极层,通过光刻腐蚀工艺将电极层图形化,形成第二下电极引出
线、上电极和上电极引出线。
本发明的设计基于这样的考虑,Ta2O5是一种具有高介电常数的材料,其介电常数约23-27,可以用作电容器的介质层。通过溅射Ta金属膜然后经阳极氧化Ta金属膜来生长Ta2O5薄膜具有工艺简单、成本低的优点。同样的,溅射的TaN薄膜通过阳极氧化也可以生长TaON薄膜作为电容器的介质层。
要想实现具有平面结构的薄膜电容器,上电极引出线要通过下电极的边缘,此处通常需要特殊处理,如采用介质桥或空气桥将上电极引出线和下电极边缘隔开,以保证上电极和下电极间的绝缘性。
在本发明的设计中,先刻蚀出下电极和第一下电极引出线,采用光刻工艺制作光刻胶掩模保护第一下电极引出线,在酸性电解液中对下电极进行阳极氧化,在下电极的表面及侧面同时生长一层致密的绝缘层,下电极边缘侧面阳极氧化生长的绝缘层天然的形成了介质桥,这样在上电极引出线经过下电极的边缘时,无需再做特殊处理,大大简化了制造工艺。
根据本发明的一种介质层为阳极氧化膜的薄膜电容器的制造方法的另一种改进方案中,所使用的基片为硅、砷化镓、蓝宝石、石英、氧化铝陶瓷或氮化铝陶瓷中的一种。
另一个改进方案中,金属或金属化物薄膜为Ta或TaN薄膜。Ta是一种阀金属,本身具有导电性,当被阳极氧化时转变成绝缘体,具有相同性质的金属还有铝、钛、铌等,但铝、钛等金属阳极氧化后具有多孔结构,不适合用作电容器的介质层。TaN经过阳极氧化后也可转变成绝缘体,而且TaN可以制作具有低温度系数的精密电阻器,易于在基片上集成电阻、电容元器件。
另一个改进方案中,采用阳极氧化的方法生长介质层。将含有金属或金属化物薄膜的基片作为阳极连接到直流电源的正极、另一导电物如钢板作为阴极连接到电源负极后浸入电解液中,通电后,阳极上的金属或金属化物发生氧化反应转变成绝缘体。阳极氧化通常采用先恒流后恒压的方法进行,即开始阶段保持通过阳极的电流密度恒定,随着阳极氧化的进行,在金属或金属化物的表面生长的氧化物使电阻增大,电压随之升高。当电压升高到设定值后随着电阻的增大电流(密度)逐渐减小,电流密度减小到一定值或者经过一段时间(如20分钟)即可停止阳极氧化。在一定的电压范围内,阳极氧化膜的厚度与阳极氧化电压成正比。在专利CN 102605408A中提到,阳极氧化生长Ta205薄膜的厚度和阳极氧化电压的关系为d=1.78U,其中d是Ta205薄膜的厚度,单位nm,U是阳极氧化电压,单位伏特。
阳极氧化的电解液通常采用酸性电解液,例如柠檬酸溶液、草酸溶液、磷酸溶液、硫酸溶液或其混合溶液等,在溶液中适当地加入乙二醇,可以避免闪火现象,提高介质层的质量。
在另一个改进方案中,以图形化光刻胶为掩模进行阳极氧化。光刻胶可以通过曝光、显影的方法制作精细图形,是集成电路制作中常用的方法。
在另一个改进方案中,图形化光刻胶掩模的开口区裸露出下电极并且开口区的外形大于下电极。这种设计使得下电极的表面和边缘侧面同时被氧化形成绝缘层,这样在上电极引出线经过下电极的边缘时无需再做特殊考虑。
在另一个改进方案中,阳极氧化的电压为直流10-300伏特。由于氧化膜的厚度和氧化电压大小成正比,而薄膜电容器的比容值(单位电极面积对应的电容值)与氧化膜的厚度成反比,并且薄膜电容器的耐压值也与氧化膜的厚度有关。氧化电压越大,氧化膜的厚度就越大,电容器的比容值就越小,耐压值相对较高。因此,可以通过改变阳极氧化电压的大小调整电容值和耐压值的大小。
在另一个改进方案中,图形化光刻胶的厚度为1-30微米。光刻胶的作用是保护除下电极之外的其他区域不被阳极氧化。随着氧化电压的升高,光刻胶的厚度也应随之加厚,以保证阳极氧化过程中不被击穿。通常采用低匀胶转速或者高粘度的光刻胶来提高光刻胶的厚度。
在另一个改进方案中,下电极表面一薄层被氧化形成介质层,即阳极氧化过程中下电极表面的一薄层被消耗掉,介质层下面余下未被氧化的部分作为薄膜电容器的下电极。假设Ta薄膜经过阳极氧化形成的Ta205薄膜是具有化学计量比的薄膜,经过计算很容易得出这样的结论:假如形成的Ta205薄膜的厚度为d,则消耗掉的Ta薄膜的厚度为0.4d,因此,在基片上沉积出一层金属或金属化物薄膜的厚度应大于0.4d。
在另一个改进方案中,电极层为单层或多层金属薄膜。单层金属薄膜可以采用Al、Cu等;多层金属薄膜可以采用TiW-Au、TaN-TiW-Au、NiCr-Au、Ni-Au或Cr-Au等多层膜结构。上述单层或多层金属薄膜膜在集成电路制作过程中广泛采用,具有很好的导电性和可靠性。
在另一个改进方案中,上电极边缘不超出介质层边缘。由于阳极氧化过程中下电极的边缘侧面被氧化成绝缘层,因此上电极引出线可通过介质层边缘引出,然而,为了减小上电极和下电极间发生漏电的几率,上电极边缘不应超出介质层边缘。
实施例一:
在厚度为0.254mm的蓝宝石基片1上用磁控溅射方法沉积一Ta薄膜作为金属薄膜2,Ta薄膜厚度约300nm,如图1所示。
通过光刻腐蚀工艺将金属薄膜2图形化,形成下电极202和第一下电极引出线201,如图2所示。其中Ta腐蚀液使用HF缓冲液。
在下电极202和第一下电极引出线201上旋涂光刻胶,通过光刻工艺形成阳极氧化掩模,图形化的阳极氧化掩模3厚度为8微米。阳极氧化掩模3完全覆盖第一下电极引出线201,防止第一下电极引出线201在阳极氧化时被氧化。阳极氧化掩模3的开口区大于下电极202,以便将下电极202的侧面也裸露出来。将直流稳压稳流电源的正极通过第一下电极引出线201接下电极202作为阳极、电源的负极接钢板作为阴极浸入电解液中,电解液成分为草酸:水:乙二醇=1:2:3(重量比),温度25℃。采用先恒流后恒压的方式进行阳极氧化。根据阳极氧化的面积即下电极202的面积设定电流大小,使电流密度为1mA/mm2,氧化电压设定为180V。通电后,下电极202与电解液接触的部分发生氧化反应而生成金属氧化物Ta2O5,在电解反应刚开始时,下电极202导电性较好,接入电阻较小,因此电压较低。随着电解反应时间的增加,在下电极202的表面生长一层氧化膜,电阻逐渐增加,因此电压也逐渐增大。当电压增大到设定电压180V时,氧化反应继续进行,接入电阻继续增加,电流逐渐减小,当电流密度减小到2μA/mm2时停止阳极氧化。在下电极202的表面(包括侧面)形成介质层4,介质层4的厚度约为320nm(1.78*180=320.4),消耗掉的Ta薄膜的厚度为128nm(0.4*320.4=128.2),介质层4下面未被氧化的Ta薄膜的厚度约为171.8nm(300-128.2=171.8),如图3所示。
去除阳极氧化掩模3,在已含有电路图形的基片1上用磁控溅射方法沉积TiW-Au多层金属薄膜作电极层5,TiW作为粘附层(adhesion layer)增加Au层和基片1之间的附着力,TiW层厚度约50nm,Au层厚度约200nm,如图4所示。
通过光刻腐蚀工艺将电极层5图形化,形成第二下电极引出线501、上电极503和上电极引出线502,如图5所示。其中TiW层使用双氧水腐蚀,Au层使用碘和碘化钾溶液腐蚀。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述,但并非对本发明保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本发明的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。