电容器结构的制作方法

1.本发明涉及半导体技术领域，更具体地，涉及一种电容器结构。


背景技术：

2.电容器的电容值易受温度影响。电容值公式如下式所示：
3.其中，ε表示介电系数，a表示电极的截面积，d表示介电材料的厚度。
4.当温度上升时，电容器的介电材料的厚度会变厚(由于热胀效应)并且介电系数会变小，这导致电容值会下降，因此需要克服介电材料的厚度和介电系数随温度变化而产生的变异，以能够保持或接近电容器的预设设计值。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供了一种电容器结构，能够抑制电容器的电容值随温度变化的问题。
6.根据本发明的一个方面，提供了一种电容器结构，包括：第一电容器，具有第一电极和第二电极；第二电容器，具有第一电极和第二电极，第一电容器的第一电极、第二电极、第二电容器的第二电极和第一电极在第一方向上依次重叠，并且第二电容器的第二电极与第一电容器的第二电极相邻；第一膨胀体，设置在第二电容器的第二电极与第一电容器的第二电极之间。
7.根据本发明的实施例，第一膨胀体的热膨胀系数大于第一电容器的第一电极和第二电极的热膨胀系数。
8.根据本发明的实施例，第一电容器还包括设置在第一电容器的第一电极和第二电极之间的介电材料，第一电容器的第一电极和第二电极的热膨胀系数大于介电材料的热膨胀系数。
9.根据本发明的实施例，第一膨胀体的材料为al，第一电容器的第一电极和第二电极的材料为cu，介电材料为ti2o5。
10.根据本发明的实施例，电容器结构还包括：第二膨胀体，设置在第一电容器的第一电极处，第一膨胀体和第二膨胀体分别位于第一电容器的相对两侧，第一膨胀体与第二膨胀体的材料相同。
11.根据本发明的实施例，电容器结构还包括：第三膨胀体，设置在第二电容器的第一电极处，第一膨胀体和第三膨胀体分别位于第二电容器的相对两侧，第一膨胀体与第三膨胀体的材料相同。
12.根据本发明的实施例，第一膨胀体的高度与第一电容器的第一电极、第二电极、第二电容器的第一电极和第二电极的高度不同。
13.根据本发明的实施例，电容器结构还包括：另一第一电极，与第一电容器的第一电极和第二电容器的第一电极连接，邻近第一电容器的第一电极设置；另一第二电极，与第一
电容器的第二电极和第二电容器的第二电极连接，邻近第二电容器的第一电极设置；第一电极连接件，连接在另一第一电极的表面上；第二电极连接件，连接在另一第二电极的表面上。
14.根据本发明的实施例，电容器结构还包括：第二膨胀体，设置在另一第一电极和第一电容器的第一电极之间；第三膨胀体，设置在另一第二电极和第二电容器的第一电极之间。
15.根据本发明的另一个方面，提供了一种电容器结构，其特征在于，包括第一电容器，第一电容器在第一方向上具有设置在基板的表面上的至少一个膨胀体、两个电极和位于两个电极之间的介电材料，第一方向与基板的表面平行，其中，膨胀体的热膨胀系数大于两个电极的热膨胀系数，两个电极的热膨胀系数大于介电材料的热膨胀系数。
16.根据本发明的实施例，电容器结构还包括第二电容器，第二电容器在第一方向上具有设置在基板的表面上的至少一个膨胀体、两个电极和位于两个电极之间的介电材料，其中，第一电容器和第二电容器共用一个膨胀体。
17.根据本发明的实施例，第一电容器与第二电容器的相邻两个电极的极性相同，并且，共用的一个膨胀体设置在极性相同的相邻两个电极之间。
18.根据本发明的实施例，至少一个膨胀体的材料为al，第一电容器的两个电极的材料为cu，介电材料为ti2o5。
19.根据本发明的又一个方面，提供了一种形成电容器结构的方法，包括：形成多个成对的两个电极；在每个对中的两个电极之间形成介电材料；在每个对之间形成膨胀体。
20.根据本发明的实施例，形成电容器结构的方法还包括：形成另外的两个电极，其中，每个对位于另外的两个电极之间。
21.根据本发明的实施例，形成电容器结构的方法还包括：在另外的两个电极和相邻的对之间形成膨胀体。
22.根据本发明的实施例，形成电容器结构的方法还包括：在另外的两个电极上形成各自的电连接件。
23.根据本发明的实施例，在每个对中的两个电极之间形成介电材料包括：在每个对的顶面和侧壁上沉积介电材料；图案化介电材料，以去除每个对的侧壁上的介电材料并保留每个对中的两个电极之间的介电材料。
24.根据本发明的实施例，其中，膨胀体的热膨胀系数大于两个电极的热膨胀系数，两个电极的热膨胀系数大于介电材料的热膨胀系数。
25.根据本发明的实施例，膨胀体的材料为al，两个电极的材料为cu，介电材料为ti2o5。
附图说明
26.当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各个方面。应该强调，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制并且仅用于说明的目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
27.图1是根据本发明实施例的电容器结构的立体视图。
28.图2a至图2m示出了本发明实施例的形成电容器结构的方法的多个中间阶段的结
构示意图。
29.图3至图6d是根据本发明其他实施例的电容器结构的示意图。
具体实施方式
30.以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实施例或实例以简化本发明。当然，这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个示例中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
31.图1是根据本发明实施例的电容器结构的立体视图。参考图1所示，本发明的电容器结构100可以包括具有第一电极101和第二电极102的第一电容器c1、以及第一电极201和第二电极202的第二电容器c2。第一电容器c1的第一电极101、第二电极102、第二电容器c2的第二电极202和第一电极201在第一方向(例如横向方向)上依次重叠，并且第二电容器c2的第二电极202与第一电容器c1的第二电极102相邻。电容器结构100还包括第一膨胀体301，第一膨胀体301设置在第二电容器c2的第二电极与第一电容器c1的第二电极之间，因此第一膨胀体301由第一电容器c1和第二电容器c2共用。
32.第一电容器c1的第一电极101(例如为正电极)与第二电极102(例如为负电极)的极性不同，第二电容器c2的第二电极202(例如为负电极)和第一电极201(例如为正电极)的极性不同。第一电容器c1的第一电极101与第二电容器c2的第一电极201的极性相同，第一电容器c1的第二电极102与第二电容器c2的第二电极202的极性相同。
33.第一电容器c1还包括设置在第一电极101和第二电极102之间的介电材料103，第二电容器c2还包括设置在第一电极201和第二电极202之间的介电材料103。第一电极101、201和第二电极102、202的热膨胀系数(cte)可以大于介电材料103的cte。第一膨胀体301的cte可以大于第一电容器c1的第一电极101和第二电极102、以及第二电容器c2的第一电极201和第二电极202的cte。第一膨胀体301的cte高于电极(101、102、201、202)和介电材料103的cte，可以有效挤压电极之间的距离。在一个实施例中，第一电极101、201和第二电极102、202的材料可以是cu(cte为17
×
10-6
ppm/c)，第一膨胀体301的材料可以是铝(cte为22
×
10-6
ppm/c)或银(cte为19
×
10-6
ppm/c)，介电材料103可以是ti2o5(cte为1
×
10-6
ppm/c至1
×
10-6
ppm/c)。在其他实施例中，介电材料103可以例如是sio2(cte为0.5
×
10-6
ppm/c至0.8
×
10-6
ppm/c)或si3n4(cte为3
×
10-6
ppm/c至4
×
10-6
ppm/c)。
34.在另一些实施例中，根据各个材料的cte，第一电极101、201或第二电极102、202的材料可以是石墨烯，第一膨胀体301的材料可以是cu。石墨烯的材料强度(杨氏系数约为1100gpa)高于通常的电极材料(例如:铜的杨氏系数约为128gpa、金的杨氏系数约为79gpa、银的杨氏系数约为83gpa)甚至于达10倍以上；石墨烯的热导系数(5300w/m
°
k)高于通常的电极材料(例如:铜的热导系数约为401w/m
°
k、金的热导系数约为318w/m
°
k、银的热导系数约为429w/m
°
k)甚至于达10倍以上，以降低因热囤积所导致的热挤压变形与热疲劳失效等问题；石墨烯的cte(约为-5～-8ppm/
°
k)低于通常的电极材料(例如:铜的cte约为正值16～
19ppm/
°
k、金的cte约为正值13～15ppm/
°
k、银的cte约为正值18～20ppm/
°
k、ta2o5的cte约为正值3～4ppm/
°
k)，甚至石墨烯的cte是负值的热膨胀系数，这可以避免由热膨胀挤压薄型结构所产生的热层裂以及热微裂等问题。石墨烯(电阻率约为10-8
ω-cm)提供比通常的电极材料(例如:铜的电阻率约为1.7
×
10-8
ω-cm、金的电阻率约为2.2
×
10-8
ω-cm、银的电阻率约为1.5
×
10-8
ω-cm)更佳的电阻率，以避免电子讯号受到其影响而产生诸如衰减、迟钝等缺点。石墨烯的较低表面粗糙度还可以降低薄型介电材料之间(降低短距离电击效应)产生的电压击穿现象。
35.然而，也可以对电极(101、102、201、202)的材料、第一膨胀体301和介电材料103的材料进行其他适当的选择，本发明对此不进行限定。
36.由于当温度上升时，电容器结构100的介电材料103的厚度会变厚并且随之介电系数会变小，这将导致电容值下降。通过加入由第一电容器c1和第二电容器c2共用的第一膨胀体301，可以大幅度压缩介电材料103的厚度从而降低电极之间的间隔随温度的增加，即当温度上升时，可以抑制或防止介电材料103的厚度变厚，因此可同时补偿介电材料103热胀与介电系数下降，借以可以抑制电容值随温度产生变化的问题。另一方面，本发明的电容器结构100可以通过增加相对设置的电极的截面积而提升电容器的电容值。例如，对于2.25mm器件厚度的电容器，本发明的电极截面积可以是现有技术的10—16倍，并且电极之间的间隔可以是现有技术的1/5—1/10。因此，与现有的具有相同器件尺寸的电容器相比，本发明的电容器的电容值可以是现有的50倍—160倍。总体来说，本发明运用膨胀体受热体积变化来提升电容值与其稳定性，即让电容器内增加有效面积以及降低厚度，进而由结构变化控制质量(介电材料特性变化相对较小)，提高了电容值以及稳定性的要求。
37.继续参考图1所示，电容器结构100还包括另一附加第一电极401(例如为正电极)和另一附加第二电极402(例如为负电极)，其材料可以与第一电极101、201和第二电极102、202的材料相同或不同。附加第一电极401通过第一导电连接件403与第一电容器c1的第一电极101和第二电容器c2的第一电极201连接，附加第一电极401邻近第一电容器c1的第一电极101设置。附加第二电极402通过第二导电连接件404与第一电容器c1的第二电极102和第二电容器c2的第二电极202连接，附加第二电极402邻近第二电容器c2的第一电极201设置。通过第一导电连接件403连接的第一电极101、201与通过第二导电连接件404连接的第二电极102、202相互交叉设置，形成叉指状布置。
38.另外，第一电极连接件411设置在附加第一电极401的表面上。第二电极连接件412设置在附加第二电极402的表面上。第一电极连接件411和第二电极连接件412用于与外部组件电连接。其中，第一电极连接件411和第二电极连接件412可以是焊料球，然而在其他实施例中，第一电极连接件411和第二电极连接件412也可以采用其他结构，例如金属柱。可选的，各个电极的下方可以设置晶种层(未示出)。
39.电容器结构100还可以包括第二膨胀体302，第二膨胀体302邻近第一电容器c1的第一电极101设置，具体的设置在附加第一电极401和第一电容器c1的第一电极101之间。第一膨胀体301和第二膨胀体302分别位于第一电容器c1的相对两侧，第一膨胀体301与第二膨胀体302的材料可以相同。类似的，电容器结构100还可以包括第三膨胀体303，第三膨胀体303邻近第二电容器c2的第一电极201设置，具体的设置在附加第二电极402和第二电容器c2的第一电极201之间，第一膨胀体301和第三膨胀体303分别位于第二电容器c2的相对
两侧。第一膨胀体301与第三膨胀体303的材料可以相同。
40.在一些实施例中，第一、第二、第三膨胀体301、302、303的高度可以与第一电容器c1的第一电极101、第二电极102、第二电容器c2的第一电极201和第二电极202的高度相同。在一些实施例中，第一、第二、第三膨胀体301、302、303的高度可以低于第一电容器c1的第一电极101、第二电极102、第二电容器c2的第一电极201和第二电极202的高度。在一些实施例中，第一电容器c1的第一电极101、第二电极102、第二电容器c2的第一电极201和第二电极202的高度也可以低于第一、第二、第三膨胀体301、302、303的高度。
41.根据本发明的实施例还提供了形成电容器结构的方法。图2a至图2m示出了本发明实施例的形成电容器结构的方法的多个中间阶段的结构示意图。
42.首先如图2a所示，在载体201上沉积电极材料202。可以例如通过溅射或pvd工艺来沉积电极材料202。电极材料202可以包括金属材料、石墨烯材料或其实合适的电极材料。
43.如图2b所示，在电极材料202上覆盖第一光掩模211并执行光刻工艺，以在第一光掩模211中形成暴露电极材料202的开口221，如图2c所示。
44.然后，利用形成有开口221的第一光掩模211来蚀刻电极材料202，保留由开口221暴露的电极材料202并去除由第一光掩模211覆盖的电极材料202，从而形成多个彼此分离的电极230，如图2d所示。其中，多个电极230包括第一电极231和第二电极232，相邻的第一电极231和第二电极232可以称为电极对235。电极对235中的第一电极231和第二电极232之间的间距可以小于相邻电极对235之间的间距。第一电极231和第二电极232用于随后形成电容器结构的第一电极和第二电极。多个电极230还可以包括附加第一电极233和附加第二电极234，并且每个第一电极231和第二电极232均位于相对设置的附加第一电极233和附加第二电极234之间。
45.如图2e所示，在多个电极230上方和侧壁上例如通过pvd工艺来沉积第一介电材料241。第一介电材料241可以例如是ta2o5、sio2或si3n4。第一介电材料241也填充在每个电极对235中的第一电极233和附加第二电极234之间。
46.并且，在沉积第一介电材料241之后，可以通过蚀刻工艺来去除相邻电极对235之间的底部的第一介电材料241，然后在剩余的第一介电材料241上沉积膨胀体材料250，如图2f所示。
47.然后如图2g所示，去除位于各个电极上方的膨胀体材料250，并且在每个电极对235之间、电极对235与附加第一电极233之间、和电极对与附加第二电极234之间保留剩余的膨胀体材料250，剩余的膨胀体材料250形成膨胀体252。再在膨胀体252和第一介电材料241上沉积第二介电材料242。第二介电材料242可以例如是ta2o5、sio2或si3n4。
48.在第二介电材料242上方形成第二光掩模212并进行图案化，如图2h所示，图案化的第二光掩模212具有开口222，该开口222位于附加第一电极233和附加第二电极234上方。利用图案化的第二光掩模212蚀刻第二介电材料242，而暴露出附加第一电极233和附加第二电极234的部分表面，如图2i所示。然后再覆盖晶种层260，如图2j所示。晶种层260与附加第一电极233和附加第二电极234的部分表面接触。
49.如图2k所示，在晶种层260上方形成第三光掩模213。接下来，如图2l所示，图案化第三光掩模213以形成在第三光掩模213中的开口223，该开口223暴露出附加第一电极233和附加第二电极234上方的晶种层260。然后在开口223内的晶种层260上方依次形成金属层
271、位于金属层271上的阻挡层272、位于阻挡层272上的另一金属层273以及位于另一金属层273上的焊料层274。
50.然后，去除第三光掩模213和第三光掩模213下方的晶种层260，并对焊料层274进行回流工艺以形成电极连接件，参考图2m所示。并且，也可以沿着图2m中的虚线处进行切割，从而可形成具有膨胀体252的电容器结构。
51.图3是根据本发明其他实施例的电容器结构的示意图。图3所示的实施例中包括第一电极连接件411、第二电极连接件412和第三电极连接件413，第一电极连接件411和第二电极连接件412之间连接的电容器结构可以与图1所示类似，第二电极连接件412和第三电极连接件413之间连接的电容器结构可以与图1所示类似。
52.图4是根据本发明其他实施例的电容器结构的示意图。与图1所示的在载体201的一侧上设置有电容器不同的是，可以在载体201的相对两侧上同时设置电容器结构。
53.图5是根据本发明其他实施例的电容器结构的示意图。在图5所示的实施例中，在第一电极连接件411和第二电极连接件412之间可以配置由介电材料501分割开的上下两个层。每个层中均配置有电容器的结构。
54.图6a至图6d是根据本发明其他实施例的电容器结构的示意图。如图6a所示，电容器结构100可以通过第一电极连接件411和第二电极连接件412与基板200电性连接。如图6b所示，电容器结构100也可以通过引线602与基板200电性连接。如图6c所示，两个电容器结构100在横向上并排布置，并且两个电容器结构100之间处相邻的电极采用引线602进行接合。如图6d所示，电容器结构100还可以堆叠在两个电容器结构100上方，并且上方的电容器结构100的电极连接件可以与下方的每个电容器结构100的一个电极连接件连接。下方的每个电容器结构100的另一个电极连接件通过引线602与基板接合。
55.上述概述了几个实施例的特征，以便本领域技术人员可以更好地理解本公开的各个方面。本领域技术人员应当理解，他们可以容易地使用本公开作为设计或修改其他过程和结构的基础，以实现相同的目的和/或实现本文介绍的实施例的相同优点。本领域技术人员还应当认识到，此类等效结构不背离本发明的精神和范围，并且它们可以在不背离本发明的精神和范围的情况下在本发明中进行各种改变、替换和改变。