CN111933622B - 一种三维mim电容器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种三维MIM电容器的制备方法，属于电容器技术领域。该三维MIM电容器包括三维多孔金属底电极，以及形成于三维多孔金属底电极的孔隙和表面的全致密绝缘介层，形成于全致密绝缘介层之上的金属顶电极；其中，金属底电极中三维多孔的孔径范围为1μm～5μm。首先通过阳极氧化制备出多孔金属基底，然后通过高温氧化在金属基底表面制备得到绝缘介质层，最后通过磁控溅射在绝缘介质层表面制备顶电极。本发明方法简单，成本低廉，得到的多孔金属基底比表面积增大，有效的提升了MIM电容器的性能。

Description

一种三维MIM电容器的制备方法
技术领域
本发明属于电容器技术领域，具体涉及一种三维MIM(金属-绝缘体-金属)电容器的制备方法。
背景技术
随着集成电路工艺的发展，集成电路不断提高。1959年，一块商用的硅片只包含一个电路，到1964年增加到十个电路，1970年又增加到大约一千个电路，再到如今上亿的晶体管装置，这其中无源元件(例如，电容器、电感、电阻、二极管)已成为制约电子产品发展的主要瓶颈，因此薄膜化、集成化是无源电子元件发展的必由之路。
电容器在集成电路中具有广泛的应用。过去，这些电容器装置使用多晶硅-绝缘层-多晶硅(PIP)结构或金属-氧化物-硅(MOS)衬底结构。然而，这两种结构都会产生寄生电容，非金属电极也会产生较大的耗散电阻。金属-绝缘体-金属(MIM)结构电容器使用金属作为两个电极，从而有效降低了电容器两极的寄生电容和接触电阻。因此，高导电、高电容密度的MIM电容器已成为替代传统集成电路电容器的新型电容器。
根据电容公式
Figure BDA0002575089290000011
可以看出，要得到大的MIM电容值，考虑到芯片集成度的问题，通过提高MIM单位面积的电容即电容密度来提高电容值。目前主要采用以下三种方式：第一，通过减小MIM电容器介质层厚度d实现；第二，选用高介电常数材料；第三，提高电容器比表面积A。但是，过去大多数研究是利用ALD(原子层沉积)技术通过选用高介电常数材料以及减小MIM电容器介质层厚度d实现，这种方式成本昂贵不能满足大规模的生产需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种简单低廉的三维MIM电容器的制备方法。本发明采用阳极氧化制备高比表面积的底电极，然后通过酸蚀去除表面不致密的氧化层，最后氧化、溅射制备出多孔金属底电极/全致密绝缘介层/固态顶电极的结构的三维MIM电容器。相比于现有技术，本发明方法可根据阳极氧化参数灵活设计多孔电容器的结构；环境友好且成本低廉，利于大规模的推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三维MIM电容器，其特征在于，包括三维多孔金属底电极，以及形成于三维多孔金属底电极的孔隙和表面的全致密绝缘介层，形成于全致密绝缘介层之上的金属顶电极；其中，金属底电极中三维多孔的孔径范围为1μm～5μm。
进一步地，所述三维多孔金属底电极为镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)等，厚度为0.1mm～0.5mm。
进一步地，所述三维多孔金属底电极的孔为规则或不规则的孔，比如圆孔、方形孔等。
进一步地，所述全致密绝缘介层为氧化镍(NiO)、三氧化二铝(Al2O3)、二氧化钛(TiO2)、二氧化铪(HfO2)、二氧化锆(ZrO2)、五氧化二钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)等。
进一步地，所述金属顶电极为铜(Cu)、铂(Pt)、钛(Ti)、银(Ag)等。
一种三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将金属片进行清洗、预处理，然后在电解液中进行阳极氧化，得到多孔金属底电极；其中，阳极氧化的电流密度为20～50mA/cm2，阳极氧化的时间为20～40min；
步骤2、将步骤1得到的多孔金属表面不致密的氧化膜采用酸去除；
步骤3、将步骤2处理后的多孔金属放入管式炉中进行高温氧化，氧化温度为600～700℃，时间为2～3h，得到氧化后的三维多孔结构(带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极)；
步骤4、采用磁控溅射法在带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极上制备顶电极，溅射功率为40～80W，溅射时间为5～10min，即可得到所述三维MIM电容器。
进一步地，步骤1所述金属片包括但不限于镍(Ni)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)等。
进一步地，步骤1所述清洗的过程为：酒精→丙酮→去离子水→碱洗，以去除表面杂质及油脂指纹等。
进一步地，步骤1所述预处理为酸蚀去除表面氧化物，酸蚀液包括但不仅限于盐酸、硫酸、硝酸、磷酸等中的一种或几种。
进一步地，步骤1所述电解液是将去离子水、氟化铵溶于溶剂中，配制得到的；其中，去离子水、氟化铵、溶剂的质量比为(15～20)：(0.5～1)：(80～85)，溶剂包括但不仅限于乙二醇、磷酸。
进一步地，步骤2所述酸包括但不仅限于盐酸、硫酸、硝酸、磷酸等中的一种或几种，处理时间为40～50min。
进一步地，步骤4所述顶电极为铜(Cu)、铂(Pt)、钛(Ti)、银(Ag)等。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的一种三维MIM电容器的制备方法，首先通过阳极氧化制备出多孔金属基底，然后通过高温氧化在金属基底表面制备得到绝缘介质层，最后通过磁控溅射在绝缘介质层表面制备顶电极。本发明方法简单，成本低廉，得到的多孔金属基底比表面积增大，有效的提升了MIM电容器的性能。
2、本发明提供的一种三维MIM电容器的制备方法，操作简单，普适性强，对操作条件及设备均无苛刻的要求，且环境友好，成本低廉，有利于大规模的推广应用。
附图说明
图1为本发明提供的一种三维MIM电容器的结构示意图；
图2为本发明实施例1中步骤4制备的多孔金属底电极(a)和步骤6制得的三维MIM电容器(b)的SEM图；
图3为本发明实施例1制得的三维MIM电容器在不同电压下的电容密度。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
一种简单低廉的三维MIM电容器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、选取5mm*8mm*0.15mm的Ni片作为金属底电极，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗5min，然后在90℃的NaOH溶液中浸泡1h～2h，以去除表面杂质与油脂；
步骤2、将步骤1清洗干净的Ni片放入酸蚀液中活化2min，去除表面氧化物，其中酸蚀液为磷酸、浓硝酸、浓硫酸的混合酸，磷酸、浓硝酸、浓硫酸的体积比为3:1:1；
步骤3、将步骤2处理好的Ni片作为阳极，镀铂钛网作为阴极，去离子水、氟化铵、乙二醇的混合溶液作为电解液，进行阳极氧化，得到多孔金属材料；其中，阳极氧化的电流密度为20mA/cm2，阳极氧化的时间为20min，去离子水、氟化铵、乙二醇的质量比为15:0.8:80；
步骤4、将步骤3中制备的多孔金属材料在磷酸、浓硝酸、浓硫酸的混合酸中浸泡40min，以去除表面不致密的阳极氧化层；其中，磷酸、浓硝酸、浓硫酸的体积比为3:1:1；
步骤5、将步骤4处理后的多孔金属材料放入管式炉中进行高温氧化，氧化温度为700℃，时间为2h，自然冷却至室温后，取出，得到氧化后的三维多孔结构(带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极)；
步骤6、采用磁控溅射法在带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极上制备顶电极，溅射功率为50W，溅射时间为5min，即可得到所述三维MIM电容器。
图2为本发明实施例1中步骤4制备的多孔金属底电极(a)和步骤6制得的三维MIM电容器(b)的SEM图；由图2可知，实施例1制得的MIM电容器呈现三维多孔结构。
图3为本发明实施例1制得的三维MIM电容器在不同电压下的电容密度；由图3可知，实施例1制备得到的三维MIM电容器比平板电容器在单位面积上电容密度增大了6倍。
实施例2
一种简单低廉的三维MIM电容器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、选取5mm*8mm*0.3mm的Ni片作为金属底电极，依次在酒精、丙酮和去离子水中超声清洗10min，然后在100℃的NaOH溶液中浸泡2h，以去除表面杂质与油脂；
步骤2、将步骤1清洗干净的Ni片放入酸蚀液中活化5min，去除表面氧化物，其中酸蚀液为磷酸、浓硝酸、浓硫酸的混合酸，磷酸、浓硝酸、浓硫酸的体积比为3:1:1；
步骤3、将步骤2处理好的Ni片作为阳极，镀铂钛网作为阴极，去离子水、氟化铵、乙二醇的混合溶液作为电解液，进行阳极氧化，得到多孔金属材料；其中，阳极氧化的电流密度为40mA/cm2，阳极氧化的时间为40min，去离子水、氟化铵、乙二醇的质量比为18:1:80；
步骤4、将步骤3中制备的多孔金属材料在磷酸、浓硝酸、浓硫酸的混合酸中浸泡45min，以去除表面不致密的阳极氧化层；其中，磷酸、浓硝酸、浓硫酸的体积比为3:1:1；
步骤5、将步骤4处理后的多孔金属材料放入管式炉中进行高温氧化，氧化温度为600℃，时间为2h，自然冷却至室温后，取出，得到氧化后的三维多孔结构(带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极)；
步骤6、采用磁控溅射法在带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极上制备顶电极，溅射功率为70W，溅射时间为8min，即可得到所述三维MIM电容器。

Claims (4)

1.一种三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将金属片进行清洗、预处理，然后在电解液中进行阳极氧化，得到多孔金属底电极；其中，阳极氧化的电流密度为20～50mA/cm2，阳极氧化的时间为20～40min；
步骤2、将步骤1得到的多孔金属表面不致密的氧化膜采用酸去除；
步骤3、将步骤2处理后的多孔金属放入管式炉中进行高温氧化，氧化温度为600～700℃，时间为2～3h，得到带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极；
步骤4、采用磁控溅射法在带全致密绝缘介层的三维多孔金属底电极上制备顶电极，溅射功率为40～80W，溅射时间为5～10min，即可得到所述三维MIM电容器。
2.根据权利要求1所述的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，步骤1所述预处理为酸蚀去除表面氧化物，酸蚀液为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，步骤1所述电解液是将去离子水、氟化铵溶于溶剂中，配制得到的；其中，去离子水、氟化铵、溶剂的质量比为(15～20)：(0.5～1)：(80～85)，溶剂为乙二醇或磷酸。
4.根据权利要求1所述的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，步骤2所述酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种或几种，处理时间为40～50min。
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