一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器，所述硅基AlN电容器包括由下至上设置的硅基板、AlN介质薄膜和顶部电极，还包括Pt缓冲层，所述Pt缓冲层沉积于所述硅基板上，所述AlN介质薄膜沉积于所述Pt缓冲层上。本发明专利技术还涉及一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器的制备方法。本发明专利技术的技术方案可以解决现有AlN电容器中AlN介质层与硅基板之间的界面问题。中AlN介质层与硅基板之间的界面问题。中AlN介质层与硅基板之间的界面问题。

【技术实现步骤摘要】
一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及薄膜电容器领域，特别是涉及一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器及其制备方法。

技术介绍

[0002]在射频集成电路中，无源器件和有源器件一样是必不可少的存在。因此对无源器件性能的改善工作，也是提升电路系统性能的一项重要工作。薄膜无源器件制造技术由于承接了成熟的半导体制造工艺，可获得具有严格的电气和物理特性的无源器件。其线宽尺寸和绝缘层厚度分别可达到1μm和10nm以下，严格的线宽和薄膜尺寸带来了严格的参数容差(电容值和损耗值)；由于采用了高真空电极沉积工艺，不同批次产品之间以及同一批次不同产品之间的ESR值极其稳定；通过半导体薄膜技术得到的超纯净、高K值的绝缘层使得器件具有高且稳定的Q值。这些特性使得薄膜无源器件制造技术成为了提升电路系统性能的一种优秀解决方案。
[0003]金属
‑
绝缘体
‑
金属(Metal
‑
Insulator
‑
Metal，MIM)电容器是射频集成电路和模拟/混合信号集成电路中的基本无源器件。通过采用金属作为两个电极，MIM结构有效降低了寄生电容和介质与电极的接触电阻，具有导电性好，低损耗的特点。在MIM电容中，为了获得更高的单位面积电容和更低的漏电流，需要选用有高K值，较大禁带宽度的介质来取代传统SiO2和Si3N4介质。
[0004]AlN电子薄膜是一种超宽禁带的
Ⅲ‑Ⅴ
族材料，由于AlN薄膜具有优异的介电特性、压电特性、高频特性和温度稳定特性，使其在射频电容器、表面/体声波器件、MEMS传感器和功率半导体器件等领域有着广阔的应用前景。AlN薄膜的本征击穿场强可达10MV/cm以上，介电常数约为9
‑
11，这就意味着AlN电容可获得接近相同规格SiO2电容的耐压能力，和三倍于SiO2电容的容量。随着近年来移动通讯技术的迅猛发展，高性能AlN电子器件的巨大需求有望被引爆。
[0005]现有对于AlN电容器的研究主要存在AlN与硅基板的匹配问题、界面问题和电容器耐压低漏电流大的问题：
[0006]1、AlN与Si之间的晶格失配度接近20％，较大的失配会导致介质薄膜产生大量缺陷且薄膜在制备和应用过程中容易开裂，进而严重影响器件的制备良率和使用寿命。
[0007]2、AlN介质薄膜的制备往往需要在高温和氮气环境下进行，硅基板在高温环境下极易与氮气发生剧烈的界面反应生成硅氮化合物，这些化合物会在后续器件的制备中影响AlN介质薄膜的生长。另外，在硅基板上直接沉积AlN会导致大量的Si、O原子扩散进入AlN层，从而在AlN/Si界面处引入载流子陷阱态，增加了电容器的漏电流和损耗，严重影响器件性能。
[0008]3、AlN介质薄膜的制备是AlN电子器件性能优劣的核心问题。在现有技术条件下制备的AlN介质薄膜常常出现N元素缺失的情况，富Al缺N的元素比例会增加AlN介质薄膜的电导，降低其绝缘特性，从而直接增加AlN电容的漏电流并降低耐压值。
[0009]4、现有的AlN介质薄膜制备方法中磁控溅射难以生长结晶性好，缺陷少的AlN介质薄膜；原子层沉积所使用的前驱体会在高温生长条件下发生严重而不可逆的预反应；分子束外延主要运用于前沿科学探索，难以实现商业化生产。
[0010]对于面向集成化射频电路应用的MIM电容必须做到硅基制备高质量AlN介质层，并解决AlN与硅基板之间的界面问题。

技术实现思路

[0011]基于此，本专利技术提供一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器，以解决现有AlN电容器中AlN介质层与硅基板之间的界面问题和AlN介质层N元素缺失的问题。
[0012]本专利技术采取的技术方案如下：
[0013]一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器，包括由下至上设置的硅基板、AlN介质薄膜和顶部电极，还包括Pt缓冲层，所述Pt缓冲层沉积于所述硅基板上，所述AlN介质薄膜沉积于所述Pt缓冲层上。
[0014]本专利技术在硅基AlN电容器中引入Pt缓冲层，具有以下作用：
[0015]①
引入的Pt缓冲层能够解决AlN与硅基板之间存在接近20％的晶格失配的问题。
[0016]②
在高温氮气氛围沉积条件下，AlN会与硅基板发生剧烈的界面反应，而引入的Pt缓冲层可以保护硅基板；
[0017]③
在硅基AlN电容器的制备和应用过程中，Si、O原子会扩散进入AlN中，而引入的Pt缓冲层可以解决界面扩散问题。在微电子领域的常见金属材料中：Al、Cu的熔点较低，与后续薄膜沉积工艺不兼容；Ti、Ni在高温氮气环境下会生成氮化物薄膜，影响后续薄膜的沉积。本专利技术创新性地采用引入Pt缓冲层的方法，金属Pt具有高达5.6eV的功函数和1770℃的熔点，且在高温氮气环境下极为稳定，是综合考虑最优的金属缓冲层。本专利技术利用Pt具有导电性好、熔点高、热稳定好和具备化学惰性等突出优点，在AlN薄膜沉积的高温氮气环境条件限制下解决了现存问题。
[0018]进一步地，所述Pt缓冲层的厚度为5
‑
10nm。
[0019]进一步地，所述硅基板为低阻型硅衬底。
[0020]进一步地，所述顶部电极为Au电极，Au电极功函数高、化学稳定性好，有利于减小电容器的漏电流，增大使用寿命。
[0021]本专利技术还提供一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器的制备方法，包括如下步骤：
[0022](1)清洗硅基板；
[0023](2)在硅基板上沉积Pt缓冲层；
[0024](3)在沉积有Pt缓冲层的硅基板上沉积AlN介质薄膜；
[0025](4)对AlN介质薄膜退火处理；
[0026](5)在AlN介质薄膜上沉积顶部电极。
[0027]进一步地，步骤(1)采用RCA标准清洗工艺清洗硅基板。基板的清洁程度会影响电容器的漏电流大小，采用RCA标准清洗工艺可以达到足够的清洁程度。
[0028]进一步地，步骤(2)中，采用磁控溅射法沉积Pt缓冲层，沉积厚度为5
‑
10nm。更优地，磁控溅射的条件为：磁控溅射功率设定为20
‑
30W，使用氩气作为保护气，气氛压为0.1
‑
0.5Pa。
[0029]进一步地，步骤(3)中，采用脉冲激光沉积法沉积AlN介质薄膜，其工艺条件为：脉冲激光能流密度为2
‑
2.5J/cm2，激光重复频率为5Hz，沉积温度为700
‑
850℃，生长气氛为高纯氮气，氮气分压为5
‑
20Pa。
[0030]高纯氮气作为生长气氛有利于AlN介质薄膜的结晶，高的气氛压可以在AlN介质薄膜生长过程中补充缺失的N元素，提高薄膜的N/Al比，从而增强介质薄膜的绝缘性能，降低漏电并增大耐压。
[0031]进一步地，步骤(3)中沉积AlN介质薄膜的厚度150nm。
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器，包括由下至上设置的硅基板、AlN介质薄膜和顶部电极，其特征在于：还包括Pt缓冲层，所述Pt缓冲层沉积于所述硅基板上，所述AlN介质薄膜沉积于所述Pt缓冲层上。2.根据权利要求1所述的硅基AlN电容器，其特征在于：所述Pt缓冲层的厚度为5
‑
10nm。3.根据权利要求1或2所述的硅基AlN电容器，其特征在于：所述硅基板为低阻型硅衬底。4.根据权利要求1或2所述的硅基AlN电容器，其特征在于：所述顶部电极为Au电极。5.一种高耐压低漏电的硅基AlN电容器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)清洗硅基板；(2)在硅基板上沉积Pt缓冲层；(3)在沉积有Pt缓冲层的硅基板上沉积AlN介质薄膜；(4)对AlN介质薄膜退火处理；(5)在AlN介质薄膜上沉积顶部电极。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆旭兵，成佳运，樊贞，张岩，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：