一种钴铁合金靶材、磁导电层、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法与流程

本发明属于电容器技术领域，涉及一种钴铁合金靶材、磁导电层、磁电容单元、磁电容器件及其制备方法。

背景技术：

在半导体器件领域，从ibm以“铜”取代“铝”作为导线材料后，已经过了二十年的摩尔定律式的快速发展。如今，以半导体为根基的第三次产业革命浪潮在人工智能和大数据的助力下不断引爆，但是进入7纳米工艺以下，半导体技术难度快速窜升，包括英特尔的10纳米延迟多年尚未问世，也透露摩尔定律推前的难度大增，摩尔定律也濒临极限。

在“后摩尔定律”时代中，为了延续该定律产业下的经济效益，半导体产业各个环节无不施展全力探索前行，晶体管架构的改变、euv光刻机的诞生、以往不被看好的封装技术也跃升成为主流技术，而材料更是关键环节，只有不断更新材料方才能使半导体器件的品质上一个阶梯。半导体面临近二十年来最重要的材料变革。我们探索到在半导体产业用“钴”取代“铜”的优越性，短短数年，人们经历了finfet、euv光刻机的研发成功，而半导体产业的下一个闪光点就是由新材料“钴”逐渐终结“钨”和“铜”的时代已经到来。钴是磁化一次就能保持良好磁性的少数金属材料之一。在热作用下，失去磁性的温度叫居里点，铁的居里点为769，镍为358，钴可高达1150。含有60％左右钴的磁性钢比一般磁性钢的矫顽磁力提高2.5倍以上。在外力振动下，一般磁性钢要失去差不多1/3的磁性，而钴钢仅失去2％-3.5％的磁性。因而钴在高性能磁性材料上的优势就明显高于铁氧体磁性材料和石墨烯。“钴”材料预计将在5纳米、3纳米中扮演主流角色，“钴”材引领未来半导体产业的时代即将到来。

无源磁能电容器是半导体产业技术与材料的一次重大革命、正在完善商用化，具有划时代的意义！但是现有技术中，将钴应用到磁能电容器中仍是技术难题。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种钴铁合金靶材，用于磁控溅射渡膜，其特征在于，其为原子比例为6.5～8.5：3.5～1.5的钴和铁混合制成的合金，纯度≥95％，即钴和铁的总质量分数≥95％。

采用本发明的钴铁合金靶材通过磁控溅射渡膜，可在基片上沉积纳米级磁性膜，作为磁导电层，可应用于无源磁能电容器的制作。

本发明的第二目的在于提供一种磁导电层，其特征在于，其由多层纳米级磁性膜组成，所述磁性膜由原子比例为6.5～8.5：3.5～1.5的钴和铁沉积而成。

优选的，所述磁导电层采用本发明所述的钴铁合金靶材通过磁控溅射渡膜而成。

优选的，各层所述磁性膜的厚度为5～25nm。

本发明的第三目的在于提供一种磁电容单元，其由上到下依次包括：顶电极层/磁导电层/绝缘层/磁导电层/底电极层，其特征在于，所述磁导电层由多层纳米级磁性膜组成，所述磁性膜由原子比例为6.5～8.5：3.5～1.5的钴和铁沉积而成。

优选的，所述磁导电层采用本发明所述的钴铁合金靶材通过磁控溅射渡膜而成。

优选的，各层所述磁性膜厚度为5～25nm。

优选的，所述顶电极层和所述底电极层均由多层纳米级的ru沉积膜和ta沉积膜交替组成，所述顶电极层和所述底电极层相互对称磁极相反。

优选的，所述绝缘层为氧化硅或氧化镁。

本发明的一些较佳实施例中，所述磁电容单元中各层组成及厚度如下：

优选的，所述磁电容单元长为1.0～1.6μm，宽为0.8～1.0μm。

本发明的第四目的在于提供一种磁电容器件，其特征在于，其包括si衬底和分布在所述si衬底上面的若干所述的磁电容单元。

优选的，各所述磁电容单元长为1.0～1.6μm，宽为0.8～1.0μm；所述磁电容单元之间的间距为0.4～0.6μm。

优选的，本发明的磁电容器件还包括金属连线层和保护层，具体设计参照现有常规的磁电容器件设计即可。

进一步的，所述金属连线层为al96～98％si1～2％cu1～2％，采用本领域现有标准金属连线层的沉积方法即可实现；

进一步的，所述保护层为氧化硅或氮化硅，采用现有标准的等离子体增强化学气相沉积法(pecvd)即可实现。

本发明的第五目的在于提供一种制作所述的磁电容器件的方法，其特征在于，其制作工艺包括：

a)磁性多层膜的沉积：以由多层纳米级的ru沉积膜和ta沉积膜交替组成的底电极层和顶电极层分别作为基片，采用所述的钴铁合金靶材磁控溅射沉积形成磁性多层膜；

b)磁电容底电极和顶电极的光刻和刻蚀：将步骤a制得的整个磁导多层膜通过光刻和刻蚀分割成若干微米级的底电极层单元和顶电极层单元；

c)绝缘层的沉积、光刻和刻蚀。

较佳的，所示方法还包括步骤：

d)金属连线层的沉积、光刻和刻蚀；

e)保护层的沉积、光刻和刻蚀。

其中，绝缘层、金属连线层和保护层的布置可采用现有磁电容器件的标准设计，步骤c～e可采用本领域标准方法即可。绝缘层和保护层沉积时，可采用本领域标准的等离子体增强化学气相沉积法。

本发明的积极进步效果：

1、本发明关键在于以原子比例为6.5～8.5：3.5～1.5的钴和铁混合制成的合金靶材，其由于钴的存在，具有较佳的耐磨性能、切削性能和耐热性能，用于磁控溅射渡膜，制得的多层纳米级薄膜磁化一次就能保持良好磁性，而且在高温下也能保有良好磁性，用于半导体磁能存储电容器中，可使磁电容器件的储存电能量由原来的10⁴～10⁵增加10⁹～10¹²以上。

2、钴与其它金属晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，并减少对冲击的敏感性能，这种合金熔结在零件表面，可使零件的寿命提高3-7倍。

3、本发明的磁电容器件可一次充电激活、由磁电转换成自生源、无需经常往复充电。

4、本发明的磁电容器件可提供超大功率电流、启动效率和可靠性都比传统的蓄电池高，不受室外温度的影响、节能环保，半导体磁电容器件式电容/电池完全有望替代传统的电容和电池类产品。

5、本发明的磁电容器件可用作手机、电脑等电子产品的驱动电源，也可作为机电设备类产品、汽车等的启动电源，技术终极目标一旦攻克、将可替代现有各类储能装置，有望引发能源技术革命，我们目前正处于中期研发阶段。

附图说明

图1位本发明磁电容单元的结构示意图；

图2位本发明磁电容芯片的制作工艺流程图。

具体实施方式

以下将结合具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

一种钴铁合金靶材，用于磁控溅射渡膜，其为原子比例为6.5～8.5：3.5～1.5的钴和铁混合制成的合金。

该钴铁合金靶材可通过以下步骤制备：将纯的co和fe原料按原子比7:3转换成相应质量比cofe＝70.47～29.53。去除原料杂质后由真空熔炼炉熔炼而成，后期经过光谱检测等一系列品质把控钴铁原子比例为：6.5～8.5：3.5～1.5且纯度不低于95％(钴铁总含量≥95％)，确定其相应产品性能后，由fanuc数控加工中心精细处理后制成。

实施例2

一种磁导电层，其由多层纳米级磁性膜组成，其中各层纳米级磁性膜是采用实施例1的钴铁合金靶材通过磁控溅射镀膜沉积而成，各层纳米级磁性膜厚度为5～25nm。优选的，总厚度控制为150～250nm。

实施例3

一种磁电容单元，如图1所示，其由上至下依次包括：顶电极层1、磁导电层2、绝缘层3、磁导电层4、底电极层5，磁导电层2和4结构同实施例2的磁导电层。各层组成及厚度如下。

较佳的，磁电容单元长为1.0～1.6μm，宽为0.8～1.0μm。

实施例4

一种磁电容器件，其包括si衬底6和分布在si衬底6上面的实施例3的磁电容单元。表1和表2示出了实施例4-1至4-3的具体结构。该磁电容器件上还覆有金属连线层和保护层，其中金属连线层为al96～98％si1～2％cu1～2％，保护层为氧化硅或氮化硅。

表1磁电容单元的结构设计

表2磁性薄膜沉积结构设计(单位nm)

实施例4-1至4-3制作工艺过程如图2所示，步骤如下：

a)磁性多层膜的沉积：以由多层纳米级的ru沉积膜和ta沉积膜交替组成的底电极层和顶电极层分别作为基片，采用所述的钴铁合金靶材磁控溅射沉积形成磁性多层膜；

b)磁电容底电极和顶电极的光刻和刻蚀：将步骤a制得的整个磁导多层膜通过光刻和刻蚀分割成若干微米级的底电极层单元和顶电极层单元；

c)绝缘层的沉积、光刻和刻蚀；

d)金属连线层的沉积、光刻和刻蚀；

e)保护层的沉积、光刻和刻蚀。

其中，绝缘层、金属连线层和保护层的布置可采用现有磁电容器件的标准设计，步骤c～e可采用本领域标准方法即可。绝缘层和保护层沉积时，可采用本领域标准的等离子体增强化学气相沉积法。

制得的磁电容器件尺寸：6mm*6mm，划片槽宽度＜200μm；

磁电容单元-磁电容单元间距:0.5μm；

i/o:pad尺寸：100*100μm；规划左右各8个pad；

测试线路:10个磁电容单元并联，两端设置一组io测试pad100μmx100μm。在每片磁电容器件内，均匀分布设置10组测试线路(在切割线或芯片位置均可)。

测试结果：

1、10个磁电容单元的电容值介于数千微法数万微法；

2、微电容耐压值在12v至100v之间；

3、测量微电容:以c-vplotter量测，电压0～+5v，1khz。

以上对本发明进行了详细的介绍，文中应用了具体的实例对本发明进行阐述，这是为了便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域的人员可以容易地对这些实施例做出各种修改，并应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根对于本发明做出的改进和修改都应该在保护范围之内。