具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，该电容器包括衬底基片、下部电极和上部电极，所述的下部电极涂覆在衬底基片上，该电容器还包括活性钛酸锶薄膜，所述的活性钛酸锶薄膜位于上部电极和下部电极之间，所述的上部电极为Al薄膜，活性钛酸锶薄膜与上部电极之间设有一层具有自修复作用的阳极氧化膜。与现有技术相比，本发明专利技术具有能够实现自修复、储能密度高、不存在电解液等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电容器制备技领域，涉及一种高储能密度的固态薄膜电容器缺陷自修复技术，具体涉及一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器及其制备方法。
技术介绍
以集成电路为标志的微电子技术无处不在，已经成为信息社会的基础，同时也为社会经济的发展做出了重要贡献。高集成度、低功耗、高性能、高可靠性、微型化是微电子技术发展的方向。而电容器作为集成电路中必不可少的重要组成部分，足以引起重视。在电容器的制备和使用过程中，介质中不可避免地会出现各种各样的缺陷，因此，实现介质中的缺陷在强场下的自修复十分必要。Al电解电容器工作时，阳极氧化膜的局部会由于某种原因受到破坏，产生一些弱点，使电容器的漏电流增大。由于它的负极为电解质，在电场的作用下，电解质中的O2-快速地被输运到缺陷处与从Al基底迁移过来的Al3+结合，生成新的Al2O3，修补薄膜中的缺陷，使电容器恢复到正常的工作状态，这种能力称为电解电容器的自修复作用。钽电解电容器的自愈原理与Al电解电容器类似，当工作电压升到较大值时，电容器Ta2O5膜中缺陷处的电流激增，产生的热量使作为阴极的MnO2发生热分解转化为高阻的Mn2O3，修补或者隔绝了氧化膜中的缺陷，使氧化膜介质随时得到加固并恢复其应有的绝缘能力，而不致遭到连续的累积性破坏。尽管电解电容器的自修复作用修补了介质薄膜的缺陷，但同时却牺牲了电容器的某些性能。比如，Al电解电容器在修复缺陷的过程中消耗了部分电解液；而钽电解电容器则在消除缺陷处导电通道的同时减少了电容器的有效电极面积，如果缺陷极其微小，那么对电容量的影响可以忽略不计，如果缺陷很大，如出现击穿等，那么电容器将无法正常工作。金属化薄膜电容即是在聚酯薄膜的表面蒸镀一层金属膜代替金属箔做为电极。金属化膜电容的最大优点就是“自愈”特性。所谓自愈特性就是
薄膜介质中存在缺陷并在电压作用下出现击穿短路，而击穿点的金属化层可在电弧作用下瞬间熔化蒸发而形成一个很小的无金属区，使电容的两个极片重新相互绝缘而仍能继续工作，因此提高了电容器工作的可靠性。Al电解电容器，电容量较低，体积庞大，需要消耗电解液来实现其缺陷自修复，然而电解液的存在使其安全性和可靠性受到了威胁。这种电解液会在电容器寿命期间蒸发，从而改变其电气属性。如果电容器失效，会出现剧烈的反应：电容器中形成压力，迫使它释放出易燃、腐蚀性气体，甚至引起电容器爆炸等问题。此外，电解质蒸发的速度与电容器温度密切相关，Al电解电容器易受工作环境的影响。总之，电解液的存在极大地限制了Al电解电容器储能密度的提高。钽电解电容器电容量较小，价格昂贵，应用范围有限。且MnO2占据体积较大，限制了钽电解电容器储能密度的提高。对于金属化薄膜电容器，一方面由于金属化电容在长期工作条件易出现容量丢失，因此容量稳定性较差；另一方面由于金属化膜层比金属箔要薄很多，因此耐受大电流能力较差。中国专利CN103971933A公开了一种固态薄膜电容器及其制备方法，这种电容器利用活性Al2O3薄膜在强场下活跃的离子输运(特别是电介质缺陷处附近的离子更为活跃)，将离子输运至缺陷附近的电极界面实现阳极氧化，进而实现了缺陷处的自修复。与Al电解电容器不同，此种电容器中不存在液态电解质，而是采用具有电介质作用的活性Al2O3薄膜作为阳极氧化中氧的提供方，避免了电解液存在带来的问题，但是Al2O3薄膜的介电常数较低，因此限制了其储能密度的进一步提高。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器及其制备方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，包括衬底基片、下部电极和上部电极，所述的下部电极涂覆在衬底基片上，该电容器还包括活性钛酸锶薄膜，所述的活性钛酸锶薄膜位于上部电极和下部电极之间，所述的上部电极为Al薄膜，活性钛酸锶薄膜与上部电极之间设有一层具有自修复作用的阳极氧化膜。活性钛酸锶薄膜与上部电极之间形成的具有自修复作用的阳极氧化膜为阳极氧化铝薄膜。所述的下部电极包括Al薄膜、Pt薄膜、Au薄膜、Cu薄膜或Ag薄膜。当下部电极为Al薄膜时，该电容器还包括一层位于活性钛酸锶薄膜与下部电极之间的具有自修复作用的阳极氧化膜。此时，活性钛酸锶薄膜与下部电极之间的一层具有自修复作用的阳极氧化膜为阳极氧化铝薄膜。所述的下部电极的厚度为200～300nm，所述的上部电极的厚度为200～300nm，所述的活性钛酸锶薄膜的厚度为200～300nm，所述的阳极氧化膜的厚度为20～60nm。所述的衬底基片为硅片。具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)制备活性钛酸锶溶胶前驱体：(1-1)制备锶源：将醋酸锶溶解在冰醋酸中，于70～90℃搅拌0.5～2h，温度缓慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下继续搅拌20～60min，得到锶源，其中，醋酸锶与PVP的用量比为1mol:(3～8)g；锶源中醋酸锶与冰醋酸的总量的比值为1mol:(1.5～2.5)L；(1-2)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌10～60min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌0.5～2h，得到钛源，其中，四异丙醇钛、乙二醇甲醚和乙酰丙酮的用量比为1mol:(2～3)L:(0.08～0.12)L；(1-3)将钛源缓慢滴加至锶源，并在40～60℃下搅拌5～30min，加入乙二醇，保持温度在40～60℃下搅拌2～4h，冷却至室温，将澄清液过滤后，得到活性钛酸锶溶胶前驱体，其中乙二醇的用量与锶源中Sr2+的量的比为(0.1～0.3)L:1mol；(2)采用磁控溅射或蒸发镀膜法在沉底基片上制备一层导电薄膜，作为下部电极；(3)将活性钛酸锶溶胶前驱体涂覆在下部电极的表面，进行此过程5～7次，每次涂覆后进行热处理，达到所需厚度后在450～530℃的温度下通氧气退火处理2～4h，制得活性钛酸锶薄膜；(4)采用蒸发镀膜法或磁控溅射法在活性钛酸锶薄膜上制备一层Al薄膜，作
为上部电极，然后置于湿度大于90％的潮湿空气中30～60min，使活性钛酸锶薄膜进行水合反应；(5)采用电化学处理方法，在活性钛酸锶薄膜与上部电极的界面上进行阳极氧化反应，生成阳极氧化膜，制得固态薄膜电容器单元；(6)将制备好的电容器单元或将电容器单元组合，通过绝缘介质进行封装固化，再进行两端引线，制得具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器。优选地，步骤(1-3)中加入的钛源的Ti4+与锶源中的Sr2+的摩尔比为1:1。符合二者的化学反应配比和钛酸锶的化学计量比，节省原料。步骤(1-3)中加入的乙二醇用于调节生成的活性钛酸锶溶胶前驱体的粘度，而其粘度跟与每一层介质薄膜的厚度以及薄膜的平滑度有关，在所述的乙二醇用量下，涂覆方便且膜的平滑度好，较为合适。步骤(3)中的热处理的条件为180～220℃处理3～7min，升温至480～520℃处理3～7min，然后降温至180～220℃处理3～7min。步骤(3)的热处理条件为180～220℃处理3～7min，升温至330～370℃处理3～7min，继续升温至480～520℃处理3～7min，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，包括衬底基片、下部电极和上部电极，所述的下部电极涂覆在衬底基片上，其特征在于，该电容器还包括活性钛酸锶薄膜，所述的活性钛酸锶薄膜位于上部电极和下部电极之间，所述的上部电极为Al薄膜，活性钛酸锶薄膜与上部电极之间设有一层具有自修复作用的阳极氧化膜。

【技术特征摘要】
1.一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，包括衬底基片、下部电极和上部电极，所述的下部电极涂覆在衬底基片上，其特征在于，该电容器还包括活性钛酸锶薄膜，所述的活性钛酸锶薄膜位于上部电极和下部电极之间，所述的上部电极为Al薄膜，活性钛酸锶薄膜与上部电极之间设有一层具有自修复作用的阳极氧化膜。2.根据权利要求1所述的具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，其特征在于，所述的下部电极包括Al薄膜、Pt薄膜、Au薄膜、Cu薄膜或Ag薄膜。3.根据权利要求2所述的具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，其特征在于，当下部电极为Al薄膜时，该电容器还包括一层位于活性钛酸锶薄膜与下部电极之间的具有自修复作用的阳极氧化膜。4.根据权利要求3所述的具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，其特征在于，所述的下部电极的厚度为200～300nm，所述的上部电极的厚度为200～300nm，所述的活性钛酸锶薄膜的厚度为200～300nm，所述的阳极氧化膜的厚度为20～60nm。5.根据权利要求1所述的具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器，其特征在于，所述的衬底基片为硅片。6.如权利要求1所述的一种具有自修复作用的固态薄膜集成电路电容器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)制备活性钛酸锶溶胶前驱体：(1-1)制备锶源：将醋酸锶溶解在冰醋酸中，于70～90℃搅拌0.5～2h，温度缓慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下继续搅拌20～60min，得到锶源，其中，醋酸锶与PVP的用量比为1mol:(3～8)g；锶源中醋酸锶与冰醋酸的总量的比值为1mol:(1.5～2.5)L；(1-2)制备钛源：将四异丙醇钛溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下搅拌10～60min，加入乙酰丙酮，保持温度在40～60℃下继续搅拌0.5～2h，得到钛源，其中，四异丙醇钛、乙二醇甲醚和乙酰丙酮的用量比为1mol:(2～3)L:(0.08～0.12)L；(1-3)将钛源缓慢滴加至锶源，并在40～60℃下搅拌5～30min，加入乙二醇，
\t保持温...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚曼文，李菲，陈建文，彭勇，苏振，徐开恩，姚熹，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31