專利名稱：三維電容結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基本電容器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種結(jié)合叉指電極結(jié)構(gòu)的高K基三維電容結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
電容作為三大無源器件之一，一直是各類電路的重要組成部分，電容研究也伴隨著電路技術(shù)的進(jìn)步而經(jīng)久不衰。在現(xiàn)代電容發(fā)展中主要面臨的問題有以下幾個方面
一、電容密度問題
電容在電路中往往占用很大的空間，增大電容密度可以減少電容體積，促進(jìn)電路小型化發(fā)展。在傳統(tǒng)的MIM或MOS結(jié)構(gòu)電容中，提高電容密度常常從減少電容電介質(zhì)厚度入手，但由于漏電效應(yīng)作用，容易導(dǎo)致電容絕緣強(qiáng)度降低，進(jìn)而影響電容的能耗和高頻工作特性?！ひ虼?，通過提高介質(zhì)介電常數(shù)(K值)來增大電容密度的高K電介質(zhì)研究在近年來受到了較
多關(guān)注。二、電容絕緣強(qiáng)度
一定的絕緣強(qiáng)度是電容穩(wěn)定工作的重要基礎(chǔ)，在集成電路領(lǐng)域，SiO2柵介質(zhì)無法延續(xù)摩爾定理正是因為減薄SiO2后絕緣強(qiáng)度下降所帶來的嚴(yán)重漏電問題。而伴隨著電路的小型化、集成化進(jìn)程，電容的絕緣強(qiáng)度問題在很多領(lǐng)域都是不可回避的。三、電容的集成化
集成電容研究是無源集成領(lǐng)域的子問題，并且是實現(xiàn)電路無源集成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。低溫共燒(LTCC)技術(shù)是近年來受關(guān)注較多的電容集成技術(shù)，但因為原料成本問題制約了 LTCC的推廣。而薄膜技術(shù)一方面易于同微電子技術(shù)兼容，另一方面也具有環(huán)保和成本的優(yōu)勢，可以預(yù)見在今后的集成電容發(fā)展中將發(fā)揮更大的作用。在進(jìn)行電容集成研究時還有必要關(guān)注電容的基底問題，同平整的半導(dǎo)體基底不同，很大一部分電容，尤其是分立電容是制作在陶瓷這類表面不平整的基底上，這類基底對電容的性能影響是不容忽視的，如果能結(jié)合薄膜的低溫沉積技術(shù)，將高K電介質(zhì)引入到這類電容中，對推廣電容的集成化應(yīng)用將有深遠(yuǎn)的意義。四、電容的高頻特性
無線通信和高速電路發(fā)展也對電容的高頻特性提出了更高的要求。電容的高頻特性很大程度上取決于電容電介質(zhì)，在LTCC領(lǐng)域，已有許多關(guān)于高頻陶瓷的報道，在高K薄膜研究中，介質(zhì)的非線性特性也是一個研究的焦點。在上述四個問題中，擴(kuò)大電容可集成化應(yīng)用和提高電容密度是迫切需要解決的，而包括絕緣強(qiáng)度在內(nèi)的電學(xué)性能問題又是不可回避的。絕大部分關(guān)于電容的技術(shù)報道中都提到了引入高K介質(zhì)以提高電容密度，但只要提高電容密度的要求仍然存在，通過不斷減薄介質(zhì)層厚度和提高介電常數(shù)，是無法從根本上解決漏電和絕緣強(qiáng)度問題的。而在七十年代就已出現(xiàn)的橫向電通量電容，在同等工藝條件下，卻幾乎沒有絕緣方面的擔(dān)憂。平面電容之電容特性來源于在同一介質(zhì)層表面提供橫向電通量的相鄰共面電極。常見的平面電容共面電極以叉指圖形為主要形式，由于電極分布是共面相鄰的，可以避開由縱向工藝導(dǎo)致的漏電通道，從而保證良好的絕緣性能。但橫向電容最大的一個不足就是電容密度太低，遠(yuǎn)不如其它縱向結(jié)構(gòu)電容。綜合上述各種結(jié)構(gòu)電容存在的不足，本案便由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高電容密度、又能保證良好絕緣強(qiáng)度和相關(guān)電學(xué)性能的新型三維電容結(jié)構(gòu)，同時此結(jié)構(gòu)相對簡單且工藝可實現(xiàn)性高。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的解決方案是
一種三維電容結(jié)構(gòu),其包括上金屬電極層、下金屬電極層及位于上金屬電極層與下金屬電極層之間的電容介質(zhì)層；其中該電容介質(zhì)層采用高介電常數(shù)和高頻特性的材料；而 上金屬電極層與下金屬電極層的金屬電極為相互錯開分布的叉指結(jié)構(gòu)。所述的各叉指上進(jìn)一步分形出一次叉指結(jié)構(gòu)。所述的各一次叉指上再進(jìn)一步分形出二次叉指結(jié)構(gòu)。所述電容介質(zhì)層高介電常數(shù)和高頻特性的材料包括但不局限于Ta205。所述電容介質(zhì)層的材料為燒結(jié)后的陶瓷層、絲網(wǎng)印刷后的塊狀電介質(zhì)材料。所述電容介質(zhì)層的材料為用各種物理、化學(xué)方法沉積得到的電介質(zhì)薄膜。采用上述方案后，可見本發(fā)明電容的主要結(jié)構(gòu)以MM三明治結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，包含一個具有較高介電常數(shù)和良好高頻特性的電容介質(zhì)層，以及處于電介質(zhì)上下層位置的金屬電極層，上下金屬電極層以橫向電通量電容中共面相鄰的叉指電極為原型(包括進(jìn)一步的分形化設(shè)計)，其橫向相對位置保持不變，而縱向上以高K介質(zhì)層為中心錯開分布，位于上下兩個不同的電極層，從而使得兩電極兼具橫向、縱向的耦合電通量，以改善電容的電學(xué)性能，有助于拓展電容設(shè)計及提高電容值可調(diào)范圍，同時從本質(zhì)上解決電容發(fā)展中電容密度、絕緣強(qiáng)度、集成化應(yīng)用等相關(guān)問題；并且是以成熟的叉指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，制作工藝可實現(xiàn)性高。


圖I為本發(fā)明的三維電容原理 圖2為本發(fā)明以基本叉指結(jié)構(gòu)做電極圖形的三維電容示意 圖3A為本發(fā)明的基本叉指結(jié)構(gòu)的一次分形結(jié)構(gòu)；
圖3B為本發(fā)明的基本叉指結(jié)構(gòu)的二次分形結(jié)構(gòu)；
圖4為本發(fā)明以基本叉指的一次分形結(jié)構(gòu)做電極圖形的三維電容示意圖。圖中
I上金屬電極層10上金屬電極
11上金屬電極一次分形叉指 12上金屬電極二次分形叉指
2下金屬電極層20下金屬電極
21下金屬電極一次分形叉指 22下金屬電極二次分形叉指
3電容介質(zhì)層。
具體實施方式
以下結(jié)合

本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容，但發(fā)明內(nèi)容并不限于

。如圖I至圖4所示，本發(fā)明揭示了一種三維電容結(jié)構(gòu)，其包括一個以高K電介質(zhì)為主要材料的電容介質(zhì)層3,和一對以介質(zhì)層3為中心縱向分層布置的上金屬電極層I與下金屬電極層2。本發(fā)明的關(guān)鍵在于此電容介質(zhì)層3采用高介電常數(shù)和高頻特性的材料；而上金屬電極層I的上金屬電極10與下金屬電極層2的下金屬電極20呈相互錯開分布的叉指結(jié)構(gòu)。配合2所示，此叉指結(jié)構(gòu)是以橫向電容中共面相鄰的叉指電極為基礎(chǔ)的金屬電極圖形。此處電容介質(zhì)層3所用材料以具有較高介電常數(shù)和良好高頻特性的高K電介質(zhì)為主,包括但不局限于Ta2O5等屬于高K材料范疇的電介質(zhì)材料；并且此電容介質(zhì)層3所用材料具有塊狀材料或薄膜態(tài)等形式，即電容的電介質(zhì)材料層可以是燒結(jié)后的陶瓷層、絲網(wǎng)印刷后的塊狀電介質(zhì)材料，也可以是用各種物理、化學(xué)方法沉積得到的電介質(zhì)薄膜，其目的分別是拓展電容集成化應(yīng)用和發(fā)展兼容微電子技術(shù)的新型電容。
當(dāng)然，對基本叉指結(jié)構(gòu)的上金屬電極10和下金屬電極20可進(jìn)行進(jìn)一步的分形出上金屬電極一次分形叉指11和下金屬電極一次分形叉指12結(jié)構(gòu)，如圖3A所示；亦可在此一次分形叉指結(jié)構(gòu)上再一步分形出上金屬電極二次分形叉指12和下金屬電極二次分形叉指22結(jié)構(gòu)，如圖3B所示；因為，只要電極的走線越多，電容值就越大，而具有分形特征形狀電極的橫向電容(也叫分形電容)因為兼具有限面積和趨近無限周長之特征，如此設(shè)置令電容會有更優(yōu)越的表現(xiàn)。因此，在具體的電容實現(xiàn)中，通過調(diào)整電容介質(zhì)層介電常數(shù)和電極圖形設(shè)計進(jìn)行電容密度調(diào)節(jié)；通過調(diào)整電容介質(zhì)層材料的高頻電學(xué)性能及電極圖形設(shè)計進(jìn)行電容整體高頻性能調(diào)節(jié)；通過調(diào)整電容介質(zhì)層的材料狀態(tài)推廣電容的集成化應(yīng)用。由此可見，本發(fā)明的三維電容結(jié)構(gòu)的上下金屬電極層1、2在設(shè)計上以橫向電容中共面相鄰的叉指電極為基礎(chǔ)，其橫向相對位置不變，而在縱向上以電容介質(zhì)層為中心錯開分層布置，如此設(shè)置的結(jié)構(gòu)相對簡單，以成熟的叉指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，工藝可實現(xiàn)性更高；電容整體上雖以MIM結(jié)構(gòu)為原型，電極間卻不是縱向?qū)R，而是斜向相對，從而使得兩電極間兼具橫向、縱向電通量；其次，此三維電容結(jié)構(gòu)的電容密度可以通過改變電容介質(zhì)的介電常數(shù)和電容電極圖形及其相關(guān)尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)，包括提高介質(zhì)介電常數(shù)和增大電極走線密度以提高電容密度；再者，此三維電容的高頻特性以電容介質(zhì)材料的高頻電學(xué)性能為基礎(chǔ)，并通過優(yōu)化電極走線設(shè)計如提高電極走線方向多樣性等方法來改善電容高頻性能。綜上所述，本發(fā)明的突出優(yōu)點表現(xiàn)在以下幾個方面
1.有助于推廣高介電常數(shù)材料，對電介質(zhì)學(xué)科的發(fā)展將有普遍的積極意義；
2.將原本共面相鄰的平面電極改為縱向錯開分層布置，得到新的三維結(jié)構(gòu)電容，綜合利用了電極間縱向、橫向電通量，有助于拓展電容設(shè)計及提高電容值可調(diào)范圍，同時從本質(zhì)上解決電容發(fā)展中電容密度、絕緣強(qiáng)度、集成化應(yīng)用等相關(guān)問題。
權(quán)利要求
1.一種三維電容結(jié)構(gòu)，其包括上金屬電極層、下金屬電極層及位于上金屬電極層與下金屬電極層之間的電容介質(zhì)層；其特征在于該電容介質(zhì)層采用高介電常數(shù)和高頻特性的材料；而上金屬電極層與下金屬電極層的金屬電極為相互錯開分布的叉指結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求I所述的三維電容結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的各叉指上進(jìn)一步分形出一次叉指結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求I所述的三維電容結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的各一次叉指上再進(jìn)一步分形出二次叉指結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的三維電容結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電容介質(zhì)層的高介電常數(shù)和高頻特性材料包括但不局限于Ta205。
5.如權(quán)利要求4所述的三維電容結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電容介質(zhì)層的材料為燒結(jié)后的陶瓷層、絲網(wǎng)印刷后的塊狀電介質(zhì)材料。
6.如權(quán)利要求4所述的三維電容結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電容介質(zhì)層的材料為用各種物理、化學(xué)方法沉積得到的電介質(zhì)薄膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種三維電容結(jié)構(gòu)，以MIM三明治結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，包含一個具有較高介電常數(shù)和良好高頻特性的電容介質(zhì)層，以及處于電介質(zhì)上下層位置的金屬電極層，上下金屬電極層以橫向電通量電容中共面相鄰的叉指電極為原型(包括進(jìn)一步的分形化設(shè)計)，其橫向相對位置保持不變，而縱向上以高K介質(zhì)層為中心錯開分布，位于上下兩個不同的電極層，從而使得兩電極兼具橫向、縱向的耦合電通量，以改善電容的電學(xué)性能，有助于拓展電容設(shè)計及提高電容值可調(diào)范圍，同時從本質(zhì)上解決電容發(fā)展中電容密度、絕緣強(qiáng)度、集成化應(yīng)用等相關(guān)問題；并且是以成熟的叉指結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，制作工藝可實現(xiàn)性高。
文檔編號H01L23/522GK102832195SQ20121030741
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月27日
發(fā)明者徐文彬 申請人:集美大學(xué)