基于硅和硅晶片的集成電容器

硅基電容器通常是單 MIM（金屬-絕緣體-金屬）或多 MIM 結構的靜電電容器，由半導體技術制造。

硅電介質(zhì)是二氧化硅 (MIS) 或氮化硅 (MOS) 絕緣層，但是可以使用諸如原子層沉積 (ALD) 等半導體制造技術在硅襯底上形成其他電介質(zhì)材料。高密度硅基電容器使用 3D 納米結構電極來實現(xiàn)更高的表面積，從而獲得更高的電容值。

介紹

二氧化硅和氮化硅等硅基電介質(zhì)常用于高密度電容器。具有硅電介質(zhì)的電容器非常適合需要高穩(wěn)定性、可靠性和耐高溫的應用。這些電容器的性能特點使其成為在惡劣環(huán)境應用中使用的合適選擇。以下是硅基電介質(zhì)的主要優(yōu)勢和局限性。

硅基電介質(zhì)的優(yōu)勢

高溫穩(wěn)定性高

大多數(shù)電容器的性能會受到高溫的顯著影響。硅電容器有不同的額定溫度，通常高達 250 o C。高溫硅電容器適用于廣泛的惡劣環(huán)境應用，包括飛機發(fā)動機控制、航空電子系統(tǒng)、汽車系統(tǒng)、井下石油勘探系統(tǒng)、軍事應用和很快。此外，硅電容器提供高度穩(wěn)定的電容性能作為電壓和溫度的函數(shù)。硅電容的最大容量雖然有限，但不會發(fā)生電容老化。此外，與 X7R 和 X8R 電容器不同，硅電容器的可靠性和電容在直流偏置條件下不會降低。

小型化的巨大潛力

硅基電介質(zhì)通常用于制造高密度電子器件。高密度硅電容器通常在超深溝槽中制造，它們具有非常低的漏電流和低損耗因數(shù)。無源集成連接基板 (PICS) 是實現(xiàn)高密度電容器的最常用技術。該工藝允許實現(xiàn)多芯片模塊 (MCM) 和板上芯片 (COB)，并有助于實現(xiàn)具有低功耗的更小組件。此外，這個過程允許將許多基本功能集成到一個產(chǎn)品中，從而有助于降低制造成本。通過采用最新技術，實現(xiàn)了高容積效率。預計隨著對高性能和小型化組件的需求不斷增長，硅電容器的體積效率將繼續(xù)提高。到目前為止，已經(jīng)實現(xiàn)了層比多層陶瓷電容器 (MLCC) 技術更薄的硅電容器。

高溫漏電流穩(wěn)定性

漏電流是電容器經(jīng)受高溫時會受到影響的電容器參數(shù)之一。介電材料是決定電容器漏電流的關鍵因素。對介電材料施加過大應力會顯著增加泄漏電流。充電電壓和電介質(zhì)的厚度對電容器的漏電流也有輕微的影響。與市場上大多數(shù)高溫電容器相比，硅電容器具有令人印象深刻的漏電流-溫度特性。此外，硅基電介質(zhì)提供令人印象深刻的絕緣電阻，使其成為耦合、阻塞和定時電路的無與倫比的選擇。

低故障率

電容器在電子電路中有廣泛的應用。因此，它們是電子系統(tǒng)中最常見的無源元件之一。電容器的可靠性是其故障率的一個因素。與其他無源元件相比，電容器的故障率更高。決定電容器故障率的一些關鍵因素包括運行時間和負載條件。比較可靠性測試表明，與高溫 X8R 電容器相比，高溫硅電容器具有更好的 FIT（及時故障）率。

硅基電介質(zhì)的局限性

有限的最大電容

盡管硅電容器具有出色的特性，包括高溫下的高穩(wěn)定性、極低的漏電流、高絕緣電阻和高電容密度，但可以實現(xiàn)的最大電容是有限度的。預計最新的技術進步將有助于克服這一技術限制。除了改進制造工藝外，制造商還在探索替代電介質(zhì)，以解決與硅基電介質(zhì)相關的主要技術障礙。

電荷泄漏

SiO 2 通常用于制造微電子器件的電容器。這些電容器是通過氧化硅并使用氧化物作為介電材料構成的。由于電容與電介質(zhì)材料的面積成正比，與電介質(zhì)的厚度成反比，因此電子設備制造商一直在減小電介質(zhì)材料的面積和厚度，以獲得小型化和高密度的設備。SiO 2 的厚度介電膜減少，通過介電材料的電荷泄漏增加。超過一定限度，由于漏電問題，電容就很難儲存電荷。盡管 DRAM 制造商正在使用深溝槽來克服泄漏問題，但電介質(zhì)厚度限制是微電子器件小型化的主要障礙。除了改進實施過程外，制造商還在探索替代電介質(zhì)以克服這一限制。

硅基電容器結構和特點

硅基電容器通常是單 MIM（金屬-絕緣體-金屬）或由半導體技術構建的多 MIM 結構電容器。硅電介質(zhì)是二氧化硅 (MIS) 或氮化硅 (MOS) 絕緣層，但是可以使用諸如原子層沉積 (ALD) 等半導體制造技術在硅襯底上形成其他電介質(zhì)材料。高密度硅基電容器使用 3D 納米結構電極來實現(xiàn)更高的表面積，從而獲得更高的電容值。

半導體和 MOS 電容器的結構——其帶隙圖、功函數(shù)和電子親和性概念超出了本文的范圍。我們將重點介紹市場上的硅基電容器及其主要特性。

硅 MIS 和 MOS 電容器

硅基電介質(zhì)通過半導體制造工藝用于高密度電子器件的半導體制造工藝中。用于電容器技術的硅基電介質(zhì)通?；诙趸?(MIS) 或氮化硅 (MOS) 絕緣層。圖 1. 下面描述了制造硅電容器的傳統(tǒng) MOS 技術。

常規(guī)技術MOS電容工藝

(a) 在硅表面形成聚合物模板

(b) PS 模板的 RIE 圖案轉移到硅中，然后去除 PS 基質(zhì)。

(c) SiO2 生長，然后是頂部鋁柵電極沉積

硅電容器可以制造和用作：

作為被動集成平臺的一部分，完全兼容 MIS/MOS 的后端技術

在片上系統(tǒng) (SiP) 或片上 (SoP) 中異質(zhì)集成為多芯片模塊或倒裝芯片與其他技術（CMOS、MEMS 等）

分立貼片電容

單層射頻硅電容器

硅基電介質(zhì)用于制造具有極高溫度穩(wěn)定性、高擊穿電壓和低泄漏參數(shù)的低損耗、高 Q 電容器。主要限制是相對較低的介電常數(shù)。

金線或鋁線熱超聲和超聲波鍵合是射頻應用中組裝單層硅電容器 (SLC) 的最常見方式。端接樣式可能會有所不同，并且可以針對環(huán)氧樹脂或焊片貼裝技術進行優(yōu)化。

射頻 薄膜硅電容器

硅薄膜電容器通?；诔练e在襯底上的單層氧化硅/氮化硅電介質(zhì)，并封裝在類似芯片 MLCC 的設計中。它提供了非常低的電容值 (0.05pF) 和非常嚴格的電容容差 (±0.01pF) 的獨特能力。薄膜技術保證了高頻參數(shù)的最小批次變化，因此它是射頻和微波濾波器的理想組件。

然而，術語“薄膜電容器”涉及更廣泛的薄膜技術，該技術還使用其他電介質(zhì)，例如沉積在各種襯底類型（如氧化鋁、石英、硅或硅晶片）上的陶瓷或有機薄膜。

因此，“薄膜”（沉積在硅基板上）和“硅”電容器之間的區(qū)別在某種程度上是一種營銷讓步，盡管根據(jù)預期應用，兩者之間存在顯著差異。

針對射頻調(diào)諧和匹配應用的器件往往是針對參數(shù)穩(wěn)定性和一致性進行了優(yōu)化的低電容單層器件，通常采用標準 JEDEC 封裝尺寸。

相比之下，用于電源去耦、寬帶 DC 阻斷和類似應用的器件允許更大的容差，有利于實現(xiàn)更高的比電容，并且更有可能在適用于先進組裝方法的封裝中找到，例如引線鍵合或嵌入印刷電路板。然而，無論預期的應用如何，薄膜和硅電容器系列中的器件都是高性能產(chǎn)品，并且定價相應，目前的價格是具有類似電容和額定電壓的陶瓷器件價格的 5 到 5000 倍。

3D 硅高密度電容器

高密度硅電容器通常制造在超深溝槽中以增加電極的表面積。它們具有非常低的漏電流和低損耗因數(shù)。無源集成連接基板 (PICS) 是實現(xiàn)高密度電容器的最常用技術。該工藝允許實現(xiàn)多芯片模塊 (MCM) 和板上芯片 (COB)，并有助于實現(xiàn)具有低功耗的更小組件。此外，這個過程允許將許多基本功能集成到一個產(chǎn)品中，從而有助于降低制造成本。參見圖 5。右側 - 3D PICS 電容器結構。

通過采用最新的 3D 技術，已經(jīng)實現(xiàn)了超過 450nF/mm2 的高容積效率。硅電容器可以在 100 微米以下的層中制造，比多層陶瓷電容器 (MLCC) 技術薄 4 倍。與 MLCC 電容器相比，制造的硅電容器聲稱其可靠性提高了 10 倍，結合高達 250C 的超高溫穩(wěn)定性，高密度硅電容器技術可在汽車、工業(yè)/石油鉆探或航空航天/國防工業(yè)中實現(xiàn)大量高要求應用. 預計隨著對高性能和小型化組件的需求不斷增長，硅電容器的體積效率將繼續(xù)提高。

基于硅片的集成電容器

集成電容器和無源器件有很多用途。它們在 PCB 上占用的空間更少，它們簡化了設計，并且由于更緊密的組件匹配，它們可以通過正確的工藝縮小電路公差。缺點是，與半導體一樣，體積就是一切。

盡管將無源元件保持在芯片外的一個常見原因是它們的尺寸相對于片上晶體管的尺寸——不值得在組裝成本高于其材料價值的設備上浪費寶貴的硅面積——許多現(xiàn)成的零件依靠無源器件來調(diào)整特定應用的濾波器和控制回路。

然而，半導體制造工藝的利用導致了許多用于高密度微電容器的新方法。Finish 公司 Picosun 使用其原子層沉積 ALD 設備，將導電 TiN 和絕緣電介質(zhì) Al 2 O 3和 HfAlO 3層的薄膜堆疊沉積到蝕刻到硅中的高縱橫比溝槽中，從而將電容密度提高到 1 μF/mm 2。ALD 沉積和 3D 微電容器制造工藝如下圖所示。

3D 微電容器制造的主要技術步驟。1：在硅表面形成方格孔洞；2：通過電化學微加工（ECM）對硅進行高縱橫比開槽；3：保形金屬-絕緣體-金屬（MIM）疊層的原子層沉積（ALD）；4：鋁沉積和接觸圖案化。資料來源：皮科森

瑞典公司 Smoltek 在 EPCI PCNS會議上因其基于碳納米纖維金屬-絕緣體-金屬 (CNF-MIM) 晶圓的半導體技術在 2019 年底實現(xiàn)了 +650nF/mm 2的電容密度而獲得了杰出和最佳論文獎。他們使用ALD技術將Al2O3 /HfO2層沉積到碳納米纖維3D結構上。

光纖長度僅為 2 – 3 μm，整個設備的總高度輪廓約為 4 μm。這使得電容器易于集成到 CMOS 芯片或 3D 堆疊中。

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