[发明专利]一种纳米电容三维集成结构及其制备方法

说明书

本发明公开一种纳米电容三维集成结构及其制备方法。该纳米电容三维集成结构包括形成在硅衬底的沟槽内的垂直堆叠的第一纳米电容结构和第二纳米电容结构，两者相互并联连接。本发明将一次性刻蚀出高深宽比硅纳米结构变为两次刻蚀出高深宽比硅纳米结构，可以降低对刻蚀设备精度的要求，从而可以降低制造成本。由于单个硅纳米结构的深宽比降低，所以薄膜台阶覆盖率可以提高，薄膜的保形性也可以增强，从而可以减小薄膜在沉积过程中孔洞的出现。并且可以采用传统的溅射设备来沉积金属材料，从而可以获得电阻率较低的金属电极。此外，能够提高纳米电容整体的电容密度，减少电容所占据的平面面积，从而可以获得小尺寸的能量缓冲器件。

技术领域

本发明属于集成电路制造领域，具体涉及一种纳米电容三维集成结构及其制备方法。

背景技术

目前，对于便携式电子设备来说，电池仍然是主要的能量供应部件。虽然电池技术在不断发展，然而在电池的容量与体积以及重量之间仍然需要作出折中。相应地，一些容量大、重量轻以及体积小的可替代供电部件被研究和开发，比如微型燃料电池、塑料太阳能电池以及能量收集系统。在以上所提到的所有情况下，通常都需要能量缓冲系统来维持连续和稳定的能量输出。比如，一般认为燃料电池系统拥有较慢的启动时间和较低的动能。因此，燃料电池提供基础功率，缓冲系统提供启动功率的混合系统是最佳解决方案。此外，能量收集系统依赖环境中无法持续获得的能量源；因此，需要能量缓冲系统来维持器件不中断的工作。进一步，能量缓冲系统能够提供峰值负载，然而能量产生系统却无法提供。一般来讲，能量缓冲系统或者是电池，或者是电容。电池的一个重要缺点是它有限的放电效率。相比之下，电容可以提供更大的放电电流。使用电容作为能量缓冲的其它优势还包括较长的循环寿命和较高的功率密度。除了以上提到的优势外，采用合适的材料和结构设计，电容相比较电池更容易缩小尺寸。通过引入高深宽比结构，比如碳纳米管、硅纳米线、硅纳米孔以及硅深槽结构，并在这些高深宽比结构中沉积高介电常数材料可以极大增加电容密度和存储容量。这种采用纳米结构来制备的电容可以称之为纳米电容。然而，当深宽比超过一定数值时，材料在高深宽比结构表面的台阶覆盖率以及完整性都会极大削弱，甚至所沉积的材料会出现孔洞现象，从而影响电容性能。此外，要刻蚀出深宽比非常大的结构，对于刻蚀设备的精度要求也会非常高。进一步，当这些高深宽比结构，比如硅纳米孔的横向尺寸非常小时，只能直接在其表面沉积金属、绝缘材料和金属形成纳米电容结构。由于硅材料的电阻率较高，从而导致纳米电容的串联电阻较大，进而会降低功率密度。虽然原子层沉积工艺可以在高深宽比结构内沉积出保形性和均匀性良好的薄膜，但是由于所沉积的金属材料杂质较多，所以金属电极电阻率较高，从而影响纳米电容的功率密度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开一种纳米电容三维集成结构，包括：

第一个纳米电容结构和第二个纳米电容结构，形成在硅衬底的沟槽内，其中，第二个纳米电容结构位于第一个纳米电容结构上方；

所述第一个纳米电容结构包括形成在所述沟槽内的单晶硅纳米孔阵列；第一隔离介质覆盖单晶硅纳米孔表面；第一底部金属电极层覆盖所述第一隔离介质表面；第一绝缘介质覆盖所述第一底部金属电极层表面；第一顶部金属电极层覆盖所述第一绝缘介质表面，并完全填充单晶硅纳米孔；

所述第二个纳米电容结构包括多晶硅纳米孔阵列，第二隔离介质覆盖多晶硅纳米孔表面；第二底部金属电极层覆盖所述第二隔离介质表面；第二绝缘介质覆盖所述第二底部金属电极层表面，并在一侧形成开口；第二顶部金属电极层覆盖所述第二绝缘介质表面，并完全填充多晶硅纳米孔；

中间隔离介质，形成在所述第一纳米电容结构和所述第二纳米电容结构之间；