高深宽比硅微结构MEMS电容器制造工艺优化及其性能研究

【摘要】随着便携式电子元器件的需求不断增加，对器件的体积、灵敏度、能耗和集成度等提出了更高的要求，能源供应也成为限制器件微小型化的重要技术瓶颈。本论文面向“电源微型化、集成化和智能化”的发展趋势，针对MEMS微型电容器温度使用范围宽、功耗低、噪声低、使用寿命长、储能密度高及瞬发功率高的迫切发展要求，开展基于MEMS技术的大容量体积比和高可靠性微型电容器的基础研究，以期为未来微能源系统的设计与应用奠定基础。本论文系统分析了MEMS电容器电容量与耐压强度之间的关系，对电容器的掩膜结构和制造工艺进行了优化，并采用ANSYS软件对5μm×15μm×150μm深槽结构进行应力分析，确保结构设计的合理性。将硅通孔（TSV）技术和原子层沉积（ALD）技术相结合实现了大比表面积的微型电容器制造；利用深槽微孔隙填充技术提高了电容器的可靠性；采用PCB板封装实现大容量体积比、高可靠性和强环境适应性的MEMS电容器原型器件的研制。此外，本论文研究了MEMS微型电容器的制造技术对其结构和性能的影响，并自主搭建电学性能测试平台，对HfO2电介质层的击穿特性、MEMS微型电容器的阻抗特性、C-V特性、I-V特性和频谱特性进行测试与分析，之后与冷热台耦合对MEMS微型电容器的温度适应性进行了研究。本论文设计的单个5μm×15μm结构，解决了硅片刻蚀过程中占空比过大造成的负载效应问题，ANSYS仿真结果表明：该深槽结构能够满足MEMS微型电容器的正常工作需求。对不同掺杂元素高导电硅的刻蚀垂直度进行了分析，其中B掺杂高导电硅的刻蚀效果最好，垂直度最高。由于溅射工艺本身的缺陷和铝的质量较轻，深槽填充效果不太理想。之后，对不同金属电极材料的MEMS电容器进行了分析，结果表明原子层沉积的金属电极钨性能最稳定。由HfO2电介质层击穿特性的测试结果可知：HfO2电介质层的击穿场强为（44.5）MV/cm左右，漏电流在nA级，并且随着电介质层厚度的增加，电介质的漏电流减小，击穿场强随之降低。对MEMS微型电容器进行C-V特性测试，分析可知：该电容器的储能密度在（0.560.88）μF/mm3之间，呈现典型的MOS电容特性。在01MHz频率范围内对MEMS微型电容器的电容量进行测试，其电容量随频率的增大而降低。温度适应性测试结果表明：该电容器在（2065）℃温度范围内能够稳定工作，有良好的温度响应特性。
【作者】刘冰；
【导师】熊继军；丑修建；
【作者基本信息】中北大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】MEMS电容器；硅通孔；原子层沉积；电学性能；

【参考文献】
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