Picosun's ALD technology enables 3D silicon-integrated microcapacitors with unprecedented performance

文章摘自：《半导体芯科技》2020年2/3月刊 

芬兰Picosun集团是全球领先的AGILEALD^®（原子层沉积）薄膜涂层解决方案供应商，报道了如何用ALD技术制造硅集成三维深沟槽微电容，并通过测试记录下微电容的性能。

随着便携式和可穿戴电子产品对效率和性能的要求在不断提高，同时元器件的尺寸遵循摩尔定律在逐渐缩小，这给电子设备的电源管理带来了新的挑战。

解决方案是进一步将关键器件组合集成到SiP（系统封装）或SoC（片上系统）架构中，其中所有设备，包括电池或电容等储能元件，都彼此紧密地封装到一个微型化组件中。

这就要求采用新技术来提高储能单元的性能，并缩小尺寸。潜在的解决方案是使用超薄、交替排列的导电层和阴极材料形成储能结构、最终形成三维、高纵横比和大表面积的沟槽微电容。

图解：3D微电容制造的主要技术步骤：

1）硅表面方格状孔的图形；2）通过电化学微加工（ECM）对硅进行高纵横比通孔；3）金属-绝缘体-金属(MIM)堆栈的原子层沉积（ALD）；4）铝沉积和层级结构。

因此，Picosun公司的ALD技术已经实现了3D微电容前所未有的性能。通过PICOSUN^® ALD设备，在硅衬底上沉积TiN导电层和Al₂O₃及HfAl₂O₃绝缘电介质层，最终形成高纵横比（最多100）的沟槽刻蚀堆栈。采用此法生产出的平面电容其电容密度最高达1μF/mm²，创造了新的记录。

此外，器件的功率和能量密度分别为566W/cm²和1.7μWh/cm²，性能超过大多数采用其他电容技术。ALD微电容的电压和温度稳定性表现出色，分别为16V和100℃，可以连续工作超过100小时。

图解：b）圆柱形沟槽排列，间距为4μm，直径为2µm，纵横比为100，由40nm TiN、40nm Al₂O₃和40nm TiN通过ALD技术生成共形薄膜层的SEM横截面；右侧插图显示单个沟槽的顶部和底部的MIM堆栈细节。

d）在ALD沉积的沟槽底部拍摄，纵横比为100，由40nmTiN、40nm Al₂O₃和40nm TiN组成的MIM堆栈的高分辨率TEM图像。

e）展示左侧MIM堆栈的TEM-EDX元素图，包括Ti（黄色）、N14（青色）、Al（红色）和O（绿色）。

这些优异的性能为电容技术的产业化应用铺平了道路。随着ALD工艺的逐步成熟，它在现代半导体制造业中的地位日趋稳固，因此ALD技术已经融入到几乎所有先进的微芯片生产线中。

意大利比萨大学信息工程系主任Giuseppe Barillaro教授表示，“只有几微米的硅材料用于制造集成电路的电子元件，我们利用顶部可用空间制造大面积的硅集成3D微电容。电化学微加工技术是比萨大学在过去十年中发展起来的，在硅中能够蚀刻高密度沟槽，纵横比高达100，这一数值是深反应离子刻蚀所无法达成的。这为我们提高包含ALD MIM共形涂层的3D微电容的面积奠定了基础。”

Picosun集团副首席执行官Juhana Kostamo说，“我们的3D硅集成微电容所取得的成就再次表明ALD技术对于现代微电子学是多么必要。公司有着数十年的专业知识储备来开发新的解决方案，当系统性能和集成度要求越高、系统规模反而越小时，这项技术可以用来应对行业的挑战。此外，小型而结构紧凑的产品意味着材料和能源消耗会更小。”