CN113206196A - 基于硅通孔技术的三维mim电容器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器及其制备方法，三维MIM电容器包括硅衬底，所述硅衬底上刻蚀盲孔阵列，所述硅衬底表面和盲孔内壁沉积绝缘层，所述绝缘层上依次制作有第一金属层、介质层、第二金属层和种子层，所述盲孔内填充有金属材料作为硅通孔金属层。制备方法包括：采用干法刻蚀技术在硅片表面形成深孔，采用等离子化学气相沉积技术制作绝缘层，采用磁控溅射技术制作种子层，采用电镀工艺对孔进行铜填充，采用化学机械抛光去除多余的铜。本发明有效解决了传统二维MIM电容的电容密度较低的问题，实现了三维MIM电容的制造。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，具体地，涉及一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器及其制备方法。
背景技术
随着集成电路对电容器要求的不断提高，为满足不同的场景下的应用需求，多种结构的电容器得到了研究，如多晶硅-绝缘层-多晶硅结构、金属-氧化物-半导体结构、金属-绝缘层-金属结构。MIM电容器的两个电极采用金属，中间是沉积的介质层，具有电容密度高、电容电压系数低、电容值控制精确、寄生电容小、缺陷密度低等优点，得到了广泛的应用。
传统的二维MIM电容器的制备工艺过程涉及了多层薄膜的沉积和电极的刻蚀，通常采用的方法为溅射金属电极、沉积介质薄膜、光刻胶制作电极图形、反应离子刻蚀。然而，综合考虑电容密度、二次电压系数、漏电流密度和品质因子等方面的要求，单一的二维平面结构MIM电容器已无法符合电路对电容的要求。
经过对现有技术的检索，申请号为200510132219.8的发明专利公开了一种金属-绝缘体-金属电容器，包括：下电极；上电极，位于该下电极上；以及电容介质层，位于该上电极与该下电极之间，其中该电容介质层包括：多层TiO2层；以及至少一层四方晶体结构材料层，位于上述这些TiO2层之间，且每一四方晶体结构材料层具有相同厚度。该电容器的电容的有效面积低而使电容密度也低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器及其制备方法。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
本发明第一方面提供一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器，包括硅衬底，所述硅衬底上刻蚀盲孔阵列，所述硅衬底表面和盲孔内壁沉积绝缘层，所述绝缘层上依次制作有第一金属层、介质层、第二金属层和种子层，所述盲孔内填充有金属材料作为硅通孔金属层。介质层的厚度决定电容器的电容值，调整介质层的厚度可以改变电容值，其他各层的厚度对电容器的影响很小。
优选地，所述盲孔阵列的图形采用多孔图形或沟槽图形。
优选地，所述盲孔的深宽比为4:1
优选地，所述种子层的材料为金属钛/铜，所述盲孔内填充的金属材料为铜；所述绝缘层的材料选自氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种。
优选地，所述第一金属层和第二金属层的材料选自铜、铝、钽、氮化钽、氮化钛中的一种。
优选地，所述绝缘层将所述硅衬底表面全覆盖；所述第一金属层将所述绝缘层表面全覆盖；所述第二金属层将所述介质层表面全覆盖；所述硅通孔金属层将所述第二金属层表面全覆盖；所述第一金属层部分裸露。
优选地，所述介质层的材料选自氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种。
本发明的第二方面提供一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S1：以光刻胶作为掩膜，在硅衬底上制作盲孔阵列；
步骤S2：在硅衬底表面和盲孔内壁沉积绝缘层；
步骤S3：在绝缘层上制作第一金属层，该层作为下电极层；
步骤S4：在第一金属层上制备介质层；
步骤S5：在介质层上制备第二金属层，该层作为上电极层；
步骤S6：在所述第二金属层上采用磁控溅射方法制备种子层；具体为采用磁控溅射的金属钛/铜(厚度大于200nm/1μm)作为电镀种子层；
步骤S7：采用硅通孔技术在盲孔内填充金属材料作为硅通孔金属层，所述硅通孔金属层将所述种子层表面全覆盖，然后再进行化学机械抛光；
步骤S8：以光刻胶作为掩膜，采用反应离子依次刻蚀第二金属层、介质层、第一金属层的图案，得到基于硅通孔技术的三维MIM电容器。
优选地，所述步骤S1中，采用刻蚀工艺刻蚀盲孔阵列，刻蚀气体和钝化气体均为氟化物，所述盲孔阵列的图形采用以下任意一种：多孔图形、沟槽图形。本发明优化了刻蚀工艺中刻蚀速率和刻蚀质量之间的关系，确定了在刻蚀气体和钝化气体均为氟化物的情况下，每个循环中的最佳刻蚀时间为2秒，最佳钝化时间为2秒。在最佳工艺条件下，孔内的形貌得到了显著的改善。刻蚀循环时间和钝化循环时间会影响孔内的平整度，因此需要根据材料微调参数。
优选地，所述步骤S8中，采用反应离子刻蚀第二金属层。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过在衬底表面制作三维图形的方法，在电容器的表面积不变的条件下，电容的有效面积得到了数倍的提升，有效的提高了MIM电容的电容密度。
2、本发明将硅通孔技术运用到三维MIM电容器的制造方法中，通过三维结构的填充实现的三维电容，同时起到相邻三维结构之间互连的作用，提高集成密度；有效解决了二维MIM电容器电容密度较低的问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明基于硅通孔技术的三维MIM电容器结构示意图；
图2是本发明实施例1、2所示的三维MIM电容器(a)多孔结构和(b)沟槽结构的示意图；
图3是采用本发明方法的制备流程示意图；
图4是本发明三维MIM电容的电容值随电容面积变化图；
其中，101、硅衬底；102、绝缘层；103、第一金属层；104、介质层；105、第二金属层；106、硅通孔金属层；107、种子层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
当电容器的面积一定时，需要通过提高电容的有效表面积来提高电容的电容密度时，通常的做法改变纯粹平面的电容结构，实现三维层面上电容有效面积增加。但是本发明利用体硅微制造技术在硅片表面形成三维图形，可以在相同的表面积下大幅提高两平板间的有效面积，从而提升电容密度。通过在高深宽比的三维形状的侧壁形成MIM电容结构，电容的表面积得到了数倍的提升，相较于二维平面电容，MIM电容的电容密度提高了7.9倍。
实施例1
如图1和图2所示，一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器，包括硅衬底101，所述硅衬底101上刻蚀盲孔阵列，所述盲孔阵列的图形采用多孔图形，所述硅衬底101表面和盲孔内壁沉积绝缘层102，所述绝缘层102上依次制作有第一金属层103、介质层104、第二金属层105和种子层107，所述盲孔内填充有金属材料作为硅通孔金属层106。
优选地，所述盲孔的深宽比为4:1
优选地，所述种子层107的材料为金属钛/铜，所述盲孔内填充的金属材料为铜；所述绝缘层102的材料选自氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种。所述第一金属层103和第二金属层105的材料选自铜、铝、钽、氮化钽、氮化钛中的一种。所述介质层104的材料选自氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种。
基于硅通孔技术的三维MIM电容器的示意图如图1所示。第一金属层103为MIM电容的一个电极，第二金属层105和硅通孔金属层106构成电容的另一个电极。由于在高深宽比的三维形状的侧壁形成了MIM电容结构，电容的表面积得到了数倍的提升，极大地增加了电容密度。其中，绝缘层102将硅衬底101完全包裹；第一金属层103将绝缘层102完全包裹；第二金属层105将介质层104完全包裹；硅通孔金属层106将第二金属层105完全包裹；第一金属层103的部分和硅通孔金属层106的表面裸露。底电极第一金属层103和顶电极硅通孔金属层106的裸露设置使得电容器便于与电路内的其他器件进行封装互连，如引线互连、键合封装、倒扣封装等。
本实施例中，采用多孔结构的电容密度较二维平面电容增大7.93倍，提升到了12.55nF/mm2，如图4所示。其中，二维平面电容包括下电极、介质层和上电极。二维平面电容与三维MIM电容器在同一片上进行制作，下电极与三维MIM电容器的第一金属层103性质相同，介质层与三维MIM电容器的介质层104性质相同，上电极与三维MIM电容器的第二金属层105性质相同。
实施例2
本实施例是实施例1的变化例，与实施例1不同的盲孔阵列的图形为沟槽结构，如图2所示。采用沟槽结构的电容密度较二维平面电容的1.58nF/mm2提升了6.67倍，达到10.53nF/mm2，如图4所示。
实施例3
如图3所示，本发明基于硅通孔技术的三维MIM电容器的制备方法，包括如下步骤：
(1)以双抛高阻圆硅片作为硅衬底101，清洁后使用，如图3(a)所示；
(2)使用刻蚀工艺在硅片表面刻蚀得到高深宽比的盲孔阵列，如图3(b)所示；
(3)采用等离子化学气相沉积技术制作氮化硅绝缘层102，厚度为300nm，如图3(c)所示；
(4)采用磁控溅射铝工艺制作第一金属层103，厚度为200nm，如图3(d)所示；
(5)采用原子层沉积氧化铝工艺制作介质层104，厚度为40nm，如图3(e)所示；
(6)采用磁控溅射铝工艺制作第二金属层105，厚度为200nm，如图3(f)所示；
(7)采用磁控溅射钛\铜工艺制作电镀金属种子层107，厚度200nm/1μm，即钛厚度为200nm，铜的厚度为1μm，如图3(g)所示；
(8)使用硅通孔技术将盲孔进行电镀铜填充形成硅通孔金属层106，再对硅片表面进行化学机械抛光，如图3(h)所示；
(9)旋涂辅助性光刻胶，光刻显影形成第二金属层105的图形，再使用反应离子刻蚀铝，如图3(i)所示；
(10)旋涂辅助性光刻胶，光刻显影形成介质层104的图形，再使用反应离子刻蚀氧化铝，如图3(j)所示。
综上所述，本发明提供了一种基于硅通孔技术的三维金属-绝缘体-金属电容器(Metal-Insulator-Metal，MIM)及其制备方法。针对二维MIM电容的电容密度较小的特点，提出改变纯粹平面的电容结构，利用体硅微纳加工技术在硅片表面形成三维图形，在高深宽比的三维形状的侧壁形成MIM电容结构，电容的表面积得到了数倍的提升，有效的提高了MIM电容的电容密度。针对三维结构之间存在的互连需求，提出使用硅通孔技术对三维结构进行填充，主要流程包括：采用干法刻蚀技术在硅片表面形成深孔，采用等离子化学气相沉积技术(Chemical Vapor Deposition，CVD)制作绝缘层，采用磁控溅射技术制作种子层，采用电镀工艺对孔进行铜填充，采用化学机械抛光(Chemical-Mechanical Polishing，CMP)去除多余的铜。本发明有效解决了传统二维MIM电容的电容密度较低的问题，实现了三维MIM电容的制造。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (10)
1.一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，包括硅衬底(101)，所述硅衬底(101)上刻蚀盲孔阵列，所述硅衬底(101)表面和盲孔内壁沉积绝缘层(102)，所述绝缘层(102)上依次制作有第一金属层(103)、介质层(104)、第二金属层(105)、和种子层(107)，所述盲孔内填充有金属材料作为硅通孔金属层(106)。
2.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述盲孔阵列的图形采用多孔图形或沟槽图形。
3.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述盲孔的深宽比为4:1。
4.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述种子层(107)的材料为金属钛/铜，所述盲孔内填充的金属材料为铜；所述绝缘层(102)的材料选自氮化硅、氧化硅、氮氧化硅中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述第一金属层(103)和第二金属层(105)的材料选自铜、铝、钽、氮化钽、氮化钛中的一种。
6.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述绝缘层(102)将所述硅衬底(101)表面全覆盖；所述第一金属层(103)将所述绝缘层(102)表面全覆盖；所述第二金属层(105)将所述介质层(104)表面全覆盖；所述硅通孔金属层(106)将所述第二金属层(105)表面全覆盖；所述第一金属层(103)部分裸露。
7.根据权利要求1所述的基于硅通孔技术的三维MIM电容器，其特征在于，所述介质层(104)的材料选自氮化硅、氧化铝、氧化铪中的一种。
8.一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：以光刻胶作为掩膜，在硅衬底(101)上制作盲孔阵列；
步骤S2：在硅衬底(101)表面和盲孔内壁沉积绝缘层(102)；
步骤S3：在绝缘层(102)上制作第一金属层(103)，作为下电极层；
步骤S4：在第一金属层(103)上制备介质层(104)；
步骤S5：在介质层(104)上制备第二金属层(105)，作为上电极层；
步骤S6：在所述第二金属层(105)上采用磁控溅射方法制备种子层(107)
步骤S7：采用硅通孔技术在盲孔内填充金属材料作为硅通孔金属层(106)，所述硅通孔金属层(106)将所述种子层(107)表面全覆盖，然后再进行化学机械抛光；
步骤S8：以光刻胶作为掩膜，依次刻蚀第二金属层(105)、介质层(104)、第一金属层(103)的图案，得到基于硅通孔技术的三维MIM电容器。
9.根据权利要求8所述的一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，采用刻蚀工艺刻蚀盲孔阵列，刻蚀气体和钝化气体均为氟化物，刻蚀工艺的刻蚀循环时间为2秒，钝化循环时间为2秒。
10.根据权利要求8所述的一种基于硅通孔技术的三维MIM电容器的制备方法，其特征在于，所述步骤S8中，采用反应离子刻蚀第二金属层(105)。
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