CN108461629A - 硅基射频电容及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种硅基射频电容及其制备方法，其中硅基射频电容包括硅基衬底，所述硅基衬底内包括空腔，所述空腔的一侧为硅质薄膜，空腔的内壁没有不同衬底结构间键合的缝隙。解决现有硅基射频电容制作成本高、精度要求高，机械强度不足的问题。

Description

硅基射频电容及其制备方法

技术领域

本发明涉及电子元器件设计领域，尤其涉及一种硅基射频电容及其设计制造方法。

背景技术

无线通信技术是近几十年来在IT领域中发展最为迅速的技术之一，射频电路在无线通信中起到了至关重要的作用。随着CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor)技术的长足发展，基于CMOS工艺制备电子器件的成本已经大为减少。利用CMOS集成工艺制备射频电路，不仅可以提高集成度，减少电路板和设备体积，更可以大幅度降低制造成本。具有很高的应用和商业价值。

然而在传统CMOS工艺中，采用了硅衬底和阱工艺隔离，这并不利于射频器件尤其是无源射频器件的工作。低电阻率的衬底往往带来漏电、信号衰减、电磁信号串扰等影响。而其较高的介电常数往往导致许多不必要的寄生电容，影响射频电路的工作品质。电容元件的品质对整个射频电路起到至关重要的作用，传统的硅衬底和阱掺杂制备的电容元件，其与硅衬底之间往往存在较大的寄生电容，从而容易造成较大的电容损耗，降低了电容的Q值。基于以上原因，提供一种能够有效减小衬底的寄生电容，减小电容损耗，提高电容Q值的基于绝缘体上硅衬底的射频电容元件及其制备方法实属必要。

目前的基于绝缘体上硅衬底的射频电容元件及其制备方法中，该技术采用金属-绝缘体-金属结构制备射频电容，电容的两侧金属电极都直接由外部绝缘层覆盖，下极板处与硅基衬底之间存在一处空气气隙，能够与硅基衬底进行隔离，有效地实现下极板边界为零阻抗，因此能够减小射频信号的损失和串扰问题。

但目前的技术中采用的制备方法较为复杂，如专利CN105895507A中需要采用两块基底进行键合封装，以得到电容下极板的空腔结构。键合工艺制备要求较高，在制备时，键合工艺的条件较为严格，必须打开界面分子的键能，保证键合的两种材质具有相接近的热膨胀系数，才能达到较好的键合效果。此外，键合工艺对两块基底的表面粗糙度也有较高的要求，理论上，粗糙度过大以及表面含有大于等于1um的颗粒时都会影响键合效果。键合工艺达不到很好的效果，会使得该射频电容结构具有较差的机械性能，在使用过程中抗振动性能差。此外，射频电容下极板的空腔结构制备较为复杂。该空腔结构的形成必须使用两块基底进行键合封装才能制备成功。在制备时，基底必须尽可能的减薄，该方法成本较高，不利于成品率的提升。该制备方法使得该结构制备工艺较为复杂，成品率不高，且增加了成本。因此需要提出一种有效的制备方法解决上述问题。

发明内容

鉴于上述目前技术的不足，需要提供一种新型的硅基射频电容及制备方法，解决现有硅基射频电容制作成本高、精度要求高，机械强度不足的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种硅基射频电容，包括硅基衬底，所述硅基衬底内包括空腔，所述空腔的一侧为硅质薄膜，空腔的内壁没有不同衬底结构间键合的缝隙。

进一步地，所述空腔为由单个硅基衬底上的多孔纳米结构阵列经退火处理形成的密闭空腔。

进一步地，所述绝缘层为氧化硅、氮化硅或氧化硅氮化硅复合材料。

优选地，所述下电极或上电极为过渡金属层和导电率高的金属层构成的复合层，过渡金属是钼Mo、钛Ti、钽Ta、Mo-Nd金属，导电率较好的金属如铝Al、金Au、银Ag或铜Cu。

可选地，所述介质层为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝及氧化锌中的一种材料或多种材料复合。

进一步地，所述硅质薄膜位于空腔上表面，由制备空腔时制得。

一种硅基射频电容制备方法，包括如下步骤，准备硅基衬底，在所述硅基衬底上制备一层特定形貌的多孔纳米结构阵列，可采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方法制备出特定形貌的纳米阵列，接着进行一定条件下的退火处理，通过表面分子的活化迁移可使得纳米阵列结构的形貌变化。纳米结构阵列的表面先由活化能较高的分子移动进行填补密封，随着具有高活化能的分子不断地移动，使得纳米阵列结构逐渐形成一个密闭的空腔，在空腔的上方构成一层与基底材料同质的硅薄层。在所述硅薄层上方制备一层绝缘层，在该绝缘层上方继续制备金属薄层作为射频电容的下电极；在下电极上制备一层介质层；在介质层上制备一层金属层作为上电极。

具体地，所述的在绝缘层上制备金属薄层的方法为：采用物理或化学的方法在绝缘层上沉积一层金属钼层，作为粘附层，在粘附层上制备一层导电性良好的金属铝层，接着再在铝金属上制备一层钼金属，由Mo-Al-Mo构成的金属复合层作为电容的下极板。

进一步地，在下电极上制备一层介质层为：采用物理或化学的方法在下电极上沉积一层氮化硅层作为介电层。

优选地，所述在介质层上制备一层金属层作为上电极具体为：先在介质层上制备一层与介质层粘附性较好的过渡金属钼，接着再制备一层导电性良好的金属铝层，构成Mo-Al复合金属层。

可选地，还包括步骤，在所述的上电极上制备一层保护层使得上电极与外界环境隔离。

区别于现有技术，上述技术方案通过对特定形貌的纳米阵列结构进行处理，能够得到掩埋在衬底中的空腔结构，本制备方法与CMOS工艺兼容，空腔与硅基衬底一体化。本硅基射频电容克服传统的键合工艺对表面粗糙度要求严格，采用两块基底制作的高成本的特点，本发明制作的射频电容不仅具有Q值高，而且能够降低衬底对射频信号干扰的影响。

附图说明

图1为具体实施方式所述的硅基射频电容构造示意图；

图2为具体实施方式所述的制备方法流程图；

图3为具体实施方式所述的深孔阵列示意简图。

附图标记说明：

1、硅基衬底；

2、空腔；

3、绝缘层；

4、下电极；

5、介质层；

6、上电极；

7、保护层；

8、上电极引出端；

9、下电极引出端。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1所示的实施例中，为一种硅基射频电容，包括硅基衬底1，所述硅基衬底1内包括空腔2，所述空腔2的一侧为硅质薄膜，所述硅基衬底所述硅质薄膜的外侧设置有绝缘层3，绝缘层上依次设置有下电极4、介质层5和上电极6。本发明的硅基射频电容的空腔设计在硅基衬底内，位于电容金属下极板下方空腔结构能够减少衬底造成的寄生电容，能够使得射频电容的信号损耗更小。空腔直接设计在硅基衬底的内部，其中至少一侧为硅质薄膜的具体结构，空腔的内壁没有不同硅基衬底键合的缝隙，这是由于我们的射频电容中，所述硅质薄膜由制备空腔时制得。空腔结构是埋藏在衬底之中，与衬底形成一体化，这样使得整个射频电容在使用的时候空腔结构稳定，性能表现佳。

在进一步的实施例中，所述绝缘层为氧化硅、氮化硅或氧化硅氮化硅复合材料。该层位于射频电容下极板与硅基底之间，可以与上述硅质薄膜部分合称为支撑层，起到支撑电容的作用。同时该层与硅基底之间形成空腔2结构，使得电容与硅基底之间隔离。绝缘层的另一作用是改善退火工艺后形成的硅质薄层的表面粗糙特性。绝缘层的材料可以是硅与氧化硅、氮化硅或其他复合材料薄膜构成的薄膜。但是支撑层上与电容下极板接触的薄膜必须是具有绝缘性能的薄膜。

其他优选的实施例中，所述下电极4或上电极6为过渡金属层和导电率高的金属层构成的复合层，过渡金属是钼Mo、钛Ti、钽Ta、Mo-Nd金属，导电率高的金属是铝Al、金Au、银Ag或铜Cu。下电极与上电极主要为射频信号的输入输出端。下电极与上电极均设置于支撑层上方。起到引出电极的技术效果，所述下电极可以水平排布于整个支撑层上方，也可以是如图1中所示的电极的宽度小于支撑层的宽度，再在下电极上设置介质层及上电极，在可选的实施例中，所述介质层5为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝及氧化锌中的一种材料或多种从材料复合。能够更好地达到隔绝上下极板、稳定电容的效果。

为了更好地延长我们射频电容的使用寿命，我们的电容还包括如下设计，包括保护层7，保护层7是在射频电容最外层的薄膜层，该层置于上极板的上方，起到保护盖射频电容的作用。该层的材料是二氧化硅、氮化硅或者二氧化硅与氮化硅组成的复合层，该层能够使电容与外界环境隔绝。通过设计保护层7，能够起到良好的保护作用。

在一些简化了的实施例中，上述硅基射频电容可以通过如下方式生产：

1)提供衬底

在步骤1中，所述的硅基衬底采用单晶硅硅片或者绝缘体上硅(SOI)晶片。

2)在步骤1所述的衬底上制备支撑层；

在步骤2中，采用单晶硅或SOI晶片时，首先在其上面制备一种阵列排布的纳米结构形状的结构。该结构采用干法刻蚀的方法制备出深宽比较大的纳米结构形状，接着将该阵列进行退火处理，设置一定的退火条件可使得该纳米结构阵列结构的表面分子发生移动，使得能够形成一种空腔结构。该空腔结构的上方是由硅构成一层薄层。在于该空腔上方的硅薄层上方制备一层绝缘层，该绝缘层与空腔上方的硅薄膜层构成所述的支撑层结构。

3)在2所述的支撑层上制备金属薄层作为射频电容的下电极

在步骤3)中，所述的在支撑层上制备金属薄层作为下电极的方法为：采用物理或化学的方法在支撑层上沉积一层一定厚度的金属钼层，该层金属作为粘附层，接着在在粘附层上制备一层导电性良好的金属铝层，接着再在铝金属上制备一层钼金属，由Mo-Al-Mo构成的金属复合层作为电容的下极板。该电容下极板由过渡金属和导电良好的金属共同组成。

4)在3所述的电容下电极上制备一层介质层

在步骤4)中，所述的电极下极板上制备一层绝缘层作为电容内部的介质层：采用物理或化学的方法在电容下极板沉积一层氮化硅层作为介电层。该介质层一般选用高介电常数的薄膜材料，该层的性能影响这射频电容的性能。

5)在4所述的介质层上制备电容上极板

在步骤5)中，所述的介质层上制备一层金属层作为电容的上极板：该层金属与步骤3所述的制备方法相同，先在介质层上制备一层与介质层粘附性较好的过渡金属钼，接着再制备一层导电性良好的金属铝层，盖上电极由Mo-Al构成的复合金属。

6)在5所述的上极板上制备保护层

在步骤6)中，所述的电容上极板上制备一层保护层：采用物理或化学的方法在上极板上制备一层保护层，使得该射频电容与外界环境隔离，起到良好的保护作用。

本发明制备的射频电容与CMOS工艺兼容，制备的射频电容能够有效地减少衬底对电容的影响，极大地提高了射频电容的Q值。

以下实施例结合图2，我们将介绍一种硅基射频电容制备方法，包括如下步骤，准备硅基衬底，S100在所述硅基衬底上制作的特定形状的纳米结构阵列，本发明采用湿法刻蚀或干法刻蚀的方法制备出具有一定深宽比(H/W)的纳米结构阵列，S102进行一定条件下的退火处理使得特定形貌的纳米结构阵列形成掩埋在衬底中的空腔结构，空腔结构的上方构成一层硅薄层，S104在所述硅薄层上方制备一层绝缘层，S106在该绝缘层上方继续制备金属薄层作为射频电容的下电极；在下电极上制备一层介质层；在介质层上制备一层金属层作为上电极。

具体地，在图2所示的实施例中进行如下步骤，采用普通硅片作为衬底。首先，对该衬底进行清洗，保证表面清洁。

S100在所述硅基衬底上制作具有一定深宽比(H/W)的多孔纳米结构阵列，一般来说，该深宽比需要大于1。具体地，我们可采用干法蚀刻来制备出具有一定深宽比的纳米结构阵列，其中纳米结构阵列的面积根据所需要的射频电容面积决定。具体的方法可以如下，首先，在衬底表面采用化学气相沉积一层氧化硅层，作为刻蚀保护层。其次，采用光刻工艺在衬底上制备纳米结构的形状，该纳米结构阵列可以如图3所示的形状设计为多个圆孔阵列或者其他形状的纳米结构阵列。光刻工艺步骤中光刻胶的厚度要足够厚在1～5微米之间。接着，采用干法刻蚀将光刻工艺后裸露出来的区域进行刻蚀，刻蚀到一定的深度。干法刻蚀过程中，光刻胶和氧化硅层作为阻挡层，该阻挡层的厚度与所设计的深孔阵列的深度有关，根据不同的深度选取不同的厚度。该工艺中的深孔阵列的深宽比H/W在1～50之间，深宽比越大最后形成的支撑层厚度越大，结构强度较高。另一方面过厚的支撑层会降低射频电容的高Q值特性。那么在制造纳米结构阵列时的，横截面形状可采用圆形。当然也可以设计为矩形或其它多边形。本发明的优选实施例中，采用圆形的阵列，阵列按照周期排列，孔与孔之间的间距在D～2D之间，D为小孔的直径。其中间距越小，形成空腔结构的几率越高，同时孔径D的选择不能过大，在0.1～10微米之间。另外，该阵列的面积应比设计的射频电容的面积大，概范围在原面积的1％～60％之间。

刻蚀完成后，采用湿法刻蚀的方法去除阻挡层，使得特定形貌的纳米阵列结构显示出来。进行步骤S102进行退火处理，将该特定形貌的纳米结构阵列置于高温退火炉中进行退火处理。退火时，保证在氮气或其它保护气体的环境中进行，保护的气体应该保证不能够与硅基衬底发生反应。退火温度在500～1200℃之间，维持2～8小时的时间。在高温下，特定形貌的纳米结构阵列中的分子会获得足够的分子活化能，在较高的活化能下，分子会产生活跃的迁移，具有较高活化能的分子总是朝着纳米结构阵列中具有较低活化能的地方移动，在整个过程中均是物理变化，不涉及化学反应。经过特定条件的退火处理后，能够在衬底和表层形成一个空腔结构，该结构如图2所示。在该空腔内部，充满了保护气体，空腔的上表面侧形成了一层硅质薄层结构。该空腔完全掩埋在硅基衬底之中，具有良好的密封特性。空腔结构能够有效地将衬底和支撑层进行隔离，能够有效地减小衬底的寄生效应，以及对射频信号的影响。

在上述步骤中制备的衬底结构上，继续进行步骤S104在所述硅薄层上方制备一层绝缘层。所述的绝缘层为采用化学气相沉积的方法制备的一层二氧化硅层，该层与空腔结构的上表面的硅薄层构成了一种支撑层。该层二氧化硅层能够改善硅质薄膜的表面粗糙特性，为其它薄层的制备提供较好的表面特性。

我们还进行步骤S106在该绝缘层上方继续制备金属薄层作为射频电容的下电极；在下电极上制备一层介质层；在介质层上制备一层金属层作为上电极。在支撑层结构上制备射频电容的下极板。首先，对支撑层表面进行清洗，以保证足够的洁净度。其次，采用磁控溅射的方法在支撑层上表面制备一层金属粘附层，本发明中采用钼金属作为金属与绝缘层之间的过渡层。接着在钼金属层上采用磁控溅射的方法制备一层铝金属层，最后再在金属铝层上制备一层金属钼层，该层作为下电极和介质层之间的过渡层。该步骤中过渡层金属的厚度在1～1000埃米之间。然后再下极板上制备一层介质层作为电容的填充介质。采用化学气相沉积法制备一层氮化硅薄膜层作为射频电容的介质层。按照电容容值设计，适当选取该层的厚度。再在介质层上制备上电极。采用磁控溅射的方法在介质层上制备一层钼金属层作为粘附层，该层的厚度控制在1～1000埃米之间。接着在该层上制备一层金属铝层，有钼和铝构成的复合金属层作为电容的上电极。最后在上电极上制备一层保护层结构。采用化学气相沉积制备一层氧化硅层作为，整个射频电容的保护层。该层结构制备后，需要对上述的上下电极处进行开窗口，进行金属引线。

本发明通过制备特定形貌的纳米结构阵列，在高温下纳米结构中的活化分子逐渐迁移造成纳米结构的形貌发生变化，最终形成掩埋在硅基衬底中的密闭空腔结构，由于该种纳米结构构成的空腔能够与衬底形成一体化，能够大大提升结构强度，无需考虑两组硅基衬底的材料差异对成品率的影响，无需冒着键合过程中机械性能不足的风险。

在如图1所示的实施例中，展示了通过上述方法设计的硅基射频电容；包括衬底1、体型空腔2、支撑层3、下电极4、介质层5、上电极6、保护层7：

所述的衬底1可采用普通硅片作为硅基衬底，所有的半导体加工工艺均在硅基底上进行。

所述的体型空腔结构2，在衬底之内，上方为所述的支撑层3，该空腔结构能够将衬底与支撑层进行隔离。

所述的支撑层3是薄膜支撑层，该层位于射频电容下极板与硅基底之间，起到支撑电容的作用。同时该层与硅基底之间形成空腔结构，使得电容与硅基底之间隔离。支撑层的材料可以是硅与氧化硅、氮化硅或其他复合材料薄膜构成的薄膜。但是支撑层上与电容下极板接触的薄膜必须是具有绝缘性能的薄膜。

所述的下电极4是射频电容的下电极板，主要为射频信号的输入输入出端。该层制备于支撑层上方，在其上制备绝缘层。该层材料是由过渡金属层和导电率高的金属层构成的复合层，过渡金属可以是钼Mo，钛Ti,钽Ta，Mo-Nd等金属层，导电率较好的金属可以是铝Al，金Au,银Ag,铜Cu等金属。

所述的介质层5介于射频电容的上下两极板之间，该层的材料可以是二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝，氧化锌等氧化物半导体或者是几种绝缘层的复合结构，如二氧化硅和氮化硅构成的复合薄膜层。

所述的上极板6是射频电容的另一电极，该电极与下极板相同，由过渡金属层和导电性良好的金属层构成。

所述的保护层7是在射频电容最外层的薄膜层，该层至于上极板的上方，起到保护盖射频电容的作用。该层的材料是二氧化硅、氮化硅或者二氧化硅与氮化硅组成的复合层，该层能够使电容与外界环境隔绝。

本发明的射频电容采用MIM(metal-insulator-metal)结构，同时将电容的金属下极板与硅基衬底之间进行隔离，硅基衬底与支撑层之间形成一个空气型空腔结构以减少衬底的寄生电容，使得射频电容的信号损耗更小。

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种硅基射频电容，其特征在于，包括硅基衬底，所述硅基衬底内包括空腔，所述空腔的一侧为硅质薄膜，空腔的内壁没有不同衬底结构间键合的缝隙。

2.根据权利要求1所述的硅基射频电容，其特征在于，所述空腔为由单个硅基衬底上的多孔纳米结构阵列经退火处理形成的密闭空腔。

3.根据权利要求1所述的硅基射频电容，其特征在于，所述硅基衬底所述硅质薄膜的外侧设置有绝缘层，绝缘层上依次设置有下电极、介质层和上电极。所述绝缘层为氧化硅、氮化硅或氧化硅氮化硅复合材料。

4.根据权利要求1所述的硅基射频电容，其特征在于，所述下电极或上电极为过渡金属层和导电率高的金属层构成的复合层，过渡金属是钼Mo、钛Ti、钽Ta、Mo-Nd金属，导电率搞的金属是铝Al、金Au、银Ag或铜Cu。

5.根据权利要求1所述的硅基射频电容，其特征在于，所述介质层为二氧化硅、氮化硅、三氧化二铝及氧化锌中的一种材料或多种从材料复合。

6.一种硅基射频电容制备方法，其特征在于，包括如下步骤，准备硅基衬底，在所述硅基衬底上制作多孔纳米结构阵列，控制多孔纳米结构阵列的尺寸、形状、深宽比，进行退火处理使得多孔纳米结构阵列发生物理变化形成一个密闭的空腔，并且空腔上方为一层硅薄层。在所述硅薄层上方制备一层绝缘层，在该绝缘层上方继续制备金属薄层作为射频电容的下电极；在下电极上制备一层介质层；在介质层上制备一层金属层作为上电极。

7.根据权利要求6所述的硅基射频电容制备方法，其特征在于，所述的在绝缘层上制备金属薄层的方法为：采用物理或化学的方法在绝缘层上沉积一层金属钼层，作为粘附层，在粘附层上制备一层导电性良好的金属铝层，接着再在铝金属上制备一层钼金属，由Mo-Al-Mo构成的金属复合层作为电容的下极板。

8.根据权利要求6所述的硅基射频电容制备方法，其特征在于，在下电极上制备一层介质层为：采用物理或化学的方法在下电极上沉积一层氮化硅层作为介电层。

9.根据权利要求6所述的硅基射频电容制备方法，其特征在于，所述在介质层上制备一层金属层作为上电极具体为：先在介质层上制备一层与介质层粘附性较好的过渡金属钼，接着再制备一层导电性良好的金属铝层，构成Mo-Al复合金属层。

10.根据权利要求6所述的硅基射频电容制备方法，其特征在于，还包括步骤，在所述的上电极上制备一层保护层使得上电极与外界环境隔离。