一种三维半导体结构、三维电容器及其制备方法与流程

本发明涉及一种三维半导体结构、三维电容器及其制备方法，属于半导体电容器件结构领域，特别涉及一种高温和高功率应用场景下具有良好性能的三维半导体结构。

背景技术：

1、电容作为三大无源器件(电容、电阻、电感)之一，一直是各类电路的重要组成部分。但随着人们对电子产品的要求向小型化、多功能、环保型等方向的发展，人们努力寻求将电子系统越做越小，集成度越来越高，功能越做越多，越来越强。

2、在这样的背景下，传统二维结构的电容在面对多层互连、高频性能等需求时显现出局限性。由于二维电容结构的约束，二维电容的电容密度受到较大限制，很难满足当前电子设备对高性能和高集成度的需求。同时，在高频情况下，二维电容往往存在较大的损耗，这也制约了其在射频领域中的应用。因此，为了满足现代电子设备对高性能电容的需求，研究人员开始探索新型的电容结构和制造工艺，希望能够突破传统二维电容的局限，探索新型的电容结构来提高集成度和性能。

3、常规地，通过减小介电体的厚度和/或增加电容器面积从而增加单元中的存储电荷。通过使用诸如深圆柱体、立柱、齿冠的复杂三维半导体结构已经增加了电容器的面积。三维半导体结构使用了高的高宽比来增加电容器面积。

4、随着微纳米加工技术的不断发展，人们可以制备出更加复杂的微纳米结构，在纳米尺度上实现更加精密的控制，这为开发新型三维电容提供了更多的可能。例如可以通过多层堆叠实现较高的电容密度，通过精确控制结构实现较好的频率响应特性。同时，材料科学的进步也为新型电容提供了更多的材料选择，例如具有高介电常数和低损耗的介质材料，以及导电性能优异的电极材料，这些材料的发展为三维电容的实现提供了基础。

5、目前现有的三维电容大多以低阻硅作为导电层材料，以陡直刻蚀工艺制作三维立体结构，最终形成三维半导体结构。这些电容往往面临着寄生电阻大、易受环境温度影响、散热慢等问题，且以现有技术而言陡直刻蚀金属或半导体材料都较为困难，不易获得尺寸精确且均匀度高的结构。限制了三维电容在高温和高功率场景下的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高温和高功率应用场景下具有良好性能的三维半导体结构，三维半导体结构底部具有多个朝向介质层凸起的三维立体结构，凸起的三维立体结构不是通过使用刻蚀的方式形成的，避免刻蚀工艺形成能够防止凸起的侧壁粗糙、不均匀等缺陷的产生，并且下方的第一电极层为金属图形化层和网格状导电层的双层结构，双层结构均为散热和导电性能优良的金属或者碳纳米管，提高散热能力，在高温和高功率环境下能够快速的散热。

2、为解决上述现有技术中提到的技术问题并取得相应的技术效果，本发明提供一种三维半导体结构、三维电容器、三维电容器的制备方法及具有三维电容器的电子装置。

3、本发明的三维半导体结构，包括以下结构：

4、第一导电层；

5、位于所述第一导电层表面且与所述第一导电层至少部分保形接触的介质层；

6、位于所述介质层表面且与所述介质层至少部分保形接触的第二导电层；

7、其特征在于，所述第一导电层包括相互电接触的金属图案化层和网格状导电层，所述第一导电层为具有多个凸起结构。

8、更进一步地，所述网格状导电层为铜和/或碳纳米管。

9、更进一步地，所述网格状导电层还可以为其他金属和/或碳纳米管，所述其他金属包括但不限于al、pt、au。

10、更进一步地，所述凸起结构的宽度为a，所述凸起结构的高度为h，则所述凸起结构的高宽比h/a大于1。

11、本发明还公开了一种三维电容器，其特征在于，包含如前所述的三维半导体结构，以及第一电极和第二电极，其中所述第一电极与所述第一导电层电连接，所述第二电极与所述第二导电层电连接。

12、更进一步地，除去所述凸起结构的所述第一导电层的厚度与所述第一电极的厚度之和为t1，除去向内凸起的部分的厚度的所述第二导电层的厚度与所述第二电极的厚度之和为t2，其中t1与t2的比值为0.5-2。

13、本发明还公开了一种三维电容器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

14、步骤s01：提供半导体衬底；

15、步骤s02：在所述半导体衬底上制作金属图形化结构；

16、步骤s03：在所述金属图形化结构上制作网格状导电层，所述金属图形化结构和所述网格状导电层共同构成所述三维半导体结构的第一导电层，所述第一导电层具有多个凸起结构；

17、步骤s04：在所述第一导电层上形成介质层，所述介质层与所述第一导电层至少部分保形接触；

18、步骤s05：在所述介质层表面形成第二导电层，所述第二导电层与所述介质层至少部分保形接触。

19、更进一步地，在所述步骤s05之后，还包括：

20、步骤s06：剥离所述半导体衬底暴露出所述第一导电层。

21、更进一步地，在所述步骤s06之后，还包括：

22、步骤s07：分别在第一导电层和第二导电层上形成第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一导电层电连接，所述第二电极与所述第二导电层电连接。

23、更进一步地，所述半导体衬底包括但不限于硅衬底、锗衬底或者soi衬底。

24、更进一步地，所述网格状导电层为铜和/或碳纳米管。

25、更进一步地，所述网格状导电层还可以为其他金属和/或碳纳米管，所述其他金属包括但不限于al、pt、au。

26、更进一步地，所述凸起结构的宽度为a，所述凸起结构的高度为h，则所述凸起结构的高宽比h/a大于1。

27、更进一步地，所述介质层为绝缘材料，所述介质层的形成工艺为原子层沉积工艺。

28、更进一步地，所述制作金属图形化结构包括，在衬底上沉积形成金属层，并使用包括但不限于电镀或者3d打印的方式形成金属图形化结构。

29、更进一步地，在所述金属图形化结构上形成的网格状导电层的工艺包括但不限于电镀、3d打印以及选择性生长中的一种或几种的组合。

30、更进一步地，所述第二导电层采用两步工艺形成，先使用原子层沉积技术形成导电薄层，然后采用电镀和/或化学镀的方法形成。

31、更进一步地，除去所述凸起结构的所述第一导电层的厚度与所述第一电极的厚度之和为t1，除去向内凸起的部分的厚度的所述第二导电层的厚度与所述第二电极的厚度之和为t2，其中t1与t2的比值为0.5-2。

32、本发明还公开了一种电子装置，其特征在于包括控制电路和如前所述的三维电容器。

33、更进一步地，所述第二电极通过孔延伸至所述第一电极所在的平面。

34、通过上述对本发明的三维半导体结构、三维电容器及制备方法的描述可知，本发明的三维半导体结构下方的第一导电层的凸起结构不采用刻蚀工艺形成，防止刻蚀过程中侧壁损伤及粗糙面的形成，且使用导电性和散热性均优于低阻硅的金属及碳纳米管形成，网格状也增加了散热面积，在高温和高功率环境下能够快速的散热，提高了三维电容的性能。

35、为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。