[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。本发明能够有效增大纳米电容整体的电容密度，同时简化工艺步骤，降低生产成本。

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

本发明公开一种纳米电容三维集成结构，包括：

第一纳米电容结构和第二纳米电容结构，形成在硅衬底的沟槽内，其中，第二纳米电容结构位于第一纳米电容结构上方；

所述第一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；

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；

所述第二纳米电容结构包括阳极氧化铝结构；金属铝位于所述中间隔离介质和所述阳极氧化铝结构之间；第二底部金属电极层覆盖所述阳极氧化铝表面；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，并完全填充阳极氧化铝；

顶部金属接触，包括由第三绝缘介质形成的第一沟槽结构、第二沟槽结构、第三沟槽结构和第四沟槽结构，分别形成在所述第一顶部金属电极层、所述第二顶部金属电极层、所述第二底部金属电极层以及所述第一底部金属电极层表面；其中，所述第一沟槽结构与所述第二沟槽结构相邻，所述第三沟槽结构与所述第四沟槽结构相邻，中间区域的所述第三绝缘介质在所述开口处与所述第二底部金属电极层表面相接触；铜扩散阻挡层覆盖四个沟槽的表面，并在所述中间区域断裂不相连接；铜籽晶层覆盖所述铜扩散阻挡层表面；铜金属层覆盖所述铜籽晶层表面；

其中，所述第一顶部金属电极层与所述第二顶部金属电极层通过所述第一沟槽结构和第二沟槽结构实现电气连通；所述第一底部金属电极层与所述第二底部金属电极层通过所述第三沟槽结构和第四沟槽结构实现电气连通。