一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器及其制備方法技術

本發明專利技術涉及一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器及其制備方法，該電容器包括襯底基片、下部電極和上部電極，所述的下部電極涂覆在襯底基片上，該電容器還包括活性鈦酸鍶薄膜，所述的活性鈦酸鍶薄膜位于上部電極和下部電極之間，所述的上部電極為Ti薄膜，活性鈦酸鍶薄膜與上部電極之間設有一層具有自修復作用的陽極氧化膜。與現有技術相比，本發明專利技術具有儲能密度高、能夠實現自修復、不存在電解液等優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于電容器制備
，具體涉及一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器及其制備方法。
技術介紹
微電子技術是信息化時代最具代表性的高新技術之一，它的核心技術是半導體集成電路技術。微電子技術基于自身集成化程度高，反應敏捷、占用空間較小等優勢特點在電子產業中得以廣泛的應用。高集成度、低功耗、高性能、高可靠性、微型化是微電子技術發展的方向。為了達到社會經濟的發展對微電子技術的需求，實現社會經濟在技術支持下快捷穩定發展，必須要不斷地對微電子技術進行優化和改進，積極地探索更深層次的微電子技術知識，使微電子技術更好地服務于社會經濟發展。而電容器作為集成電路中必不可少的重要器件，也需要得到更好的優化和改進。在電容器的制備和使用過程中，介質中不可避免地會出現各種各樣的缺陷，因此，實現介質中的缺陷在強場下的自修復十分必要。中國專利CN103971933A公開了一種固態薄膜電容器及其制備方法，專利技術了一種具有自修復作用的氧化鋁固態薄膜電容器，這種電容器利用活性氧化鋁薄膜在強場下活躍的離子輸運(特別是電介質缺陷處附近的離子更為活躍)，將離子輸運至缺陷附近的電極界面實現陽極氧化，進而實現了缺陷處的自修復。與鋁電解電容器不同，此種電容器中不存在液態電解質，而是采用具有電介質作用的活性氧化鋁作為陽極氧化中氧的提供方避免了電解液存在帶來的問題，但是氧化鋁薄膜的介電常數較低，因此限制了儲能密度的進一步提高。
技術實現思路
本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器及其制備方法。本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，包括襯底基片、下部電極和上部電極，所述的下部電極涂覆在襯底基片上，其特征在于，該電容器還包括活性鈦酸鍶薄膜，所述的活性鈦酸鍶薄膜位于上部電極和下部電極之間，所述的上部電極為Ti薄膜，活性鈦酸鍶薄膜與上部電極之間設有一層具有自修復作用的陽極氧化膜。活性鈦酸鍶薄膜與上部電極之間的一層具有自修復作用的陽極氧化膜為陽極二氧化鈦薄膜。所述的下部電極包括Ti薄膜、Pt薄膜、Au薄膜、Cu薄膜或Ag薄膜。當下部電極為Ti薄膜時，該電容器還包括一層位于活性鈦酸鍶薄膜與下部電極之間的具有自修復作用的陽極氧化膜。此時，活性鈦酸鍶薄膜與下部電極之間的一層具有自修復作用的陽極氧化膜為陽極二氧化鈦薄膜。所述的下部電極的厚度為150～250nm，所述的上部電極的厚度為150～250nm，所述的活性鈦酸鍶薄膜的厚度為200～350nm，所述的陽極氧化膜的厚度為10～50nm。所述的襯底基片為硅片。一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器的制備方法，該方法包括以下步驟：(1)制備活性鈦酸鍶溶膠前驅體：(1-1)制備鍶源：將醋酸鍶溶解在冰醋酸中，于70～90℃攪拌0.5～2h，溫度緩慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下繼續攪拌20～60min，得到鍶源，其中，醋酸鍶與PVP的用量比為1mol:(3～8)g；鍶源中的醋酸鍶與冰醋酸的總量的比值為1mol:(1.5～2.5)L；(1-2)制備鈦源：將四異丙醇鈦溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下攪拌20～60min，加入乙酰丙酮，保持溫度在40～60℃下繼續攪拌0.5～2h，得到鈦源，其中，四異丙醇鈦、乙二醇甲醚和乙酰丙酮的用量比為1mol:(2～3)L:(0.08～0.12)L；(1-3)將鈦源緩慢滴加至鍶源，并在40～60℃下攪拌5～30min，加入乙二醇，保持溫度在40～60℃下攪拌2～4h，冷卻至室溫，將澄清液過濾后，得到活性鈦酸鍶溶膠前驅體，其中乙二醇的用量與鍶源中Sr2+的量的比為(0.1～0.3)L:1mol；(2)采用磁控濺射或蒸發鍍膜法在沉底基片上制備一層導電薄膜，作為下部電極；(3)將活性鈦酸鍶溶膠前驅體涂覆在下部電極的表面，進行此過程5～9次，每次涂覆后進行熱處理，達到所需厚度后在450～520℃的溫度下通氧氣退火處理2～4h，制得活性鈦酸鍶薄膜；(4)采用蒸發鍍膜法或磁控濺射法在活性鈦酸鍶薄膜上制備一層Ti薄膜，作為上部電極，然后置于濕度大于90％的潮濕空氣中10～30min，使活性鈦酸鍶薄膜進行水合反應；(5)采用電化學處理方法，在活性鈦酸鍶薄膜與上部電極的界面上進行陽極氧化反應，生成陽極TiO2膜，制得固態薄膜電容器單元；(6)將制備好的電容器單元或將電容器單元組合，通過絕緣介質進行封裝固化，再進行兩端引線，制得高儲能密度固態薄膜集成電路電容器。優選地，步驟(1-3)中加入的鈦源的Ti4+與鍶源中的Sr2+的摩爾比為1:1。符合二者的化學反應配比和鈦酸鍶的化學計量比，節省原料。步驟(1-3)中加入的乙二醇用于調節生成的活性鈦酸鍶溶膠前驅體的粘度，而膠體的粘度與每一層介質薄膜的厚度以及薄膜的平滑度有關，在所述的乙二醇用量下，涂覆方便且膜的平滑度好，較為合適。步驟(3)中的熱處理的條件為180～220℃處理3～7min，升溫至330～370℃處理3～7min，繼續升溫至480～520℃處理3～7min，然后降溫至330～370℃處理3～7min，繼續降溫至180～220℃處理3～7min。熱處理過程中使鈦酸鍶薄膜中的有機物充分燃燒分解，使得該薄膜更加致密光滑。步驟(5)的電化學處理方法采用將上部電極作為陽極，下部電極作為陰極，接入電路通電，施加按照0.1～0.5V/s的速率增加的電壓，直至施加電壓高于電容器單元額定工作電壓5～10％，利用活性鈦酸鍶薄膜在電場下的離子輸運作用，在活性鈦酸鍶薄膜和上部電極的界面上發生陽極氧化反應，在陽極生成一層陽極氧化膜。該陽極氧化膜為陽極TiO2膜，由于缺陷處離子電導較高，在其附近形成的陽極TiO2膜也更厚，從而實現了缺陷處的自修復。同理，在活性鈦酸鍶薄膜與下部電極之間為通過電化學處理方法形成一層具有自修復作用的陽極氧化膜時，改變電場方向，將下部電極作為陽極，將上部電極作為陰極接入電路，加按照0.1～0.5V/s的速率增加的電壓，直至施加電壓高于電容器單元額定工作電壓5～10％，利用活性鈦酸鍶薄膜在電場下的離子輸運作用，在活性鈦酸鍶薄膜和下部電極的界面上發生陽極氧化反應，在陽極生成一層陽極氧化膜。本專利技術采用活性鈦酸鍶薄膜作為電介質，同時利用活性鈦酸鍶薄膜在強場下活躍的離子輸運(特別是電介質缺陷處附近的離子更為活躍，而且在電化學處理過程中鈦本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，包括襯底基片、下部電極和上部電極，所述的下部電極涂覆在襯底基片上，其特征在于，該電容器還包括活性鈦酸鍶薄膜，所述的活性鈦酸鍶薄膜位于上部電極和下部電極之間，所述的上部電極為Ti薄膜，活性鈦酸鍶薄膜與上部電極之間設有一層具有自修復作用的陽極氧化膜。

【技術特征摘要】
1.一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，包括襯底基片、下部電極和上
部電極，所述的下部電極涂覆在襯底基片上，其特征在于，該電容器還包括活性鈦
酸鍶薄膜，所述的活性鈦酸鍶薄膜位于上部電極和下部電極之間，所述的上部電極
為Ti薄膜，活性鈦酸鍶薄膜與上部電極之間設有一層具有自修復作用的陽極氧化
膜。
2.根據權利要求1所述的一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，其特征
在于，所述的下部電極包括Ti薄膜、Pt薄膜、Au薄膜、Cu薄膜或Ag薄膜。
3.根據權利要求2所述的一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，其特征
在于，當下部電極為Ti薄膜時，該電容器還包括一層位于活性鈦酸鍶薄膜與下部
電極之間的具有自修復作用的陽極氧化膜。
4.根據權利要求3所述的一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，其特征
在于，所述的下部電極的厚度為150～250nm，所述的上部電極的厚度為150～250
nm，所述的活性鈦酸鍶薄膜的厚度為200～350nm，所述的陽極氧化膜的厚度為
10～50nm。
5.根據權利要求1所述的一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器，其特征
在于，所述的襯底基片為硅片。
6.如權利要求1所述的一種高儲能密度固態薄膜集成電路電容器的制備方法，
其特征在于，該方法包括以下步驟：
(1)制備活性鈦酸鍶溶膠前驅體：
(1-1)制備鍶源：將醋酸鍶溶解在冰醋酸中，于70～90℃攪拌0.5～2h，溫度
緩慢降至40～60℃后加入PVP的冰醋酸溶液，在40～60℃下繼續攪拌20～60min，
得到鍶源，其中，醋酸鍶與PVP的用量比為1mol:(3～8)g；鍶源中的醋酸鍶與冰
醋酸的總量的比值為1mol:(1.5～2.5)L；
(1-2)制備鈦源：將四異丙醇鈦溶解在乙二醇甲醚中，40～60℃下攪拌20～60
min，加入乙酰丙酮，保持溫度在40～60℃下繼續攪拌0.5～2h，得到鈦源，其中，
四異丙醇鈦、乙二醇甲醚和乙酰丙酮的用量比為1mol:(2～3)L:(0.08～0.12)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姚曼文，李菲，陳建文，彭勇，蘇振，徐開恩，姚熹，
申請(專利權)人：同濟大學，
類型：發明
國別省市：上海;31