一种具有三维堆栈/壕沟复合结构的集成能量采集存储器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及能量采集和存储技术领域，尤其涉及一种具有复合结构的集成能源采集与储存系统。
【背景技术】
[0002]集成电路技术的进步发展了超低功耗应用的芯片。由于该芯片的用电量低，可以通过采集周围环境中的能量源来供电，形成自供电电子系统。目前，大部分的此类系统中，采用的能源收集装置和存储设备(如充电电池)是独立分开的两个器件，不仅体积大，而且成本高。高成本是目前无线传感器和可再生能源产业的最大挑战，如果能将能源采集与存储利用同一个装置实现，即集成多源能量采集和能量存储技术，可以使得环境中的多种能源(光、振动、及射频)同时转化为电能并存储在同一器件内，输出再生、不间断的电能，使其应用系统升级为自动供电系统。这种集成技术可以大大缩小传统系统的体积，提高系统可靠性，以及进一步降低成本。
[0003]但是如何实现多种能源转换器与存储器的集成需要面临一系列的技术问题，如:选择物理性能优良价格合理的材料以保证器件良好的能源转换及存储性能；采取有效的隔离屏蔽设计以防止集成器件之间可能产生的相互干扰；可靠的系统级封装技术和保证以上创新的工艺措施等等。
【发明内容】
[0004]为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种具有三维堆栈/壕沟复合结构的集成能量采集存储器。
[0005]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0006]一种具有三维堆栈/壕沟复合结构的集成能量采集存储器，其特征在于，能量采集存储器集成在具有PN结的衬底上，其中，PN结的P型半导体区和N型半导体区分别连接有金属电极，作为能量采集器；在与PN结相反一面的衬底上，设置有三维堆栈/壕沟复合结构，作为能量存储器；所述复合结构具体为:在衬底上先设置三维壕沟结构，然后在具有壕沟结构的衬底上交替沉积金属层和介质层，形成多个并联的电容器，最后顶部为金属层并填满壕沟和覆盖住衬底表面，顶部金属层与底部金属层分别连接有金属电极。
[0007]所述能量采集器的表面或者能量存储器的表面或者这两个器件的表面上设有保护层，且金属电极凸出于保护层的表面。
[0008]进一步地，所述保护层表面还制备有射频能量采集天线。
[0009]所述射频能量采集天线包括非闭合的钩状结构的射频能量采集单元，以采集光能量和/或射频能量。
[0010]所述P型半导体区和N型半导体区内分别设有重掺杂区，金属电极连接到重掺杂区。
[0011]进一步地，所述复合结构的底部金属层与金属电极连接时，所述金属电极与其它金属层和介质层接触的地方还设有绝缘层。
[0012]所述每一层金属层或介质层的厚度为1nm?lOOnm，所述顶部金属层的厚度为50nm ?20000nm。
[0013]上述具有三维堆栈/壕沟复合结构的集成能量采集存储器的制备方法，包括如下步骤:
[0014](I)在P型或N型半导体的衬底上形成PN结，然后在P型半导体区和N型半导体区的接触面上，通过物理溅射或其他方式沉积导电金属层，形成金属电极，作为能量采集器的天线；
[0015](2)在与PN结相反一面的衬底上，刻蚀衬底表面形成壕沟结构，然后制备底部金属层覆盖所述壕沟的底部及其侧壁以及衬底的表面；
[0016](3)在所述底部金属层上，多次交替制备介质层和金属层，最后沉积顶部金属层充满所述壕沟，形成多个并联的电容器；
[0017](4)部分刻蚀所述顶部金属层和介质层至所述底部金属层的上表面，以形成通孔，然后在所述顶部金属层的表面和通孔中制备金属，分别形成金属电极。
[0018]本发明通过三维设计，在同一衬底中集成了能量采集器和存储器，有效实现将光能转化为电能并存储电能的功能，缩小了器件的体积、大大降低了成本。其能量存储器(电池)采用三维的壕沟结构和堆栈层结合的复合结构，形成高效率三维能量存储器，提高了存储容量。同时，本发明的制备工艺流程简单，能与低成本集成电路工艺兼容，具有广泛的应用前景。
【附图说明】
[0019]图1是本发明集成系统的结构示意图；
[0020]图2是实施例中射频天线的结构示意图。
【具体实施方式】
[0021]本实施例的集成能量采集存储器的结构如图1所示，能量采集存储器集成在具有PN结的衬底上1，其中，P型半导体区内设有P型掺杂区2，离子可选为硼(B)离子或氟化硼(BF2)离子等，N型半导体区内设有N型掺杂区3，其离子为氩(Ar)离子或磷(P)离子等。保护层5覆盖在PN结的衬底表面上，材质可为氮化硅(SixNy)或氧化硅(S1z)等具有高介电常数的绝缘材质。金属电极4贯穿保护层5分别连接到两个重掺杂区，材质为铝(Al)等金属材质。在保护层5的表面上还制备有射频能量采集天线6，其主要是用于采集能量，即该射频能量采集天线6可用于采集诸如射频能量等各种形式的能量，并将采集到的能量传送至能量采集器中进行转化并存储至能量存储器中。
[0022]在衬底I的另一面上，设置有三维堆栈/壕沟复合结构，即在具有壕沟结构的衬底上交替沉积金属层7和介质层8，形成多个并联的电容器(图1中显示为本实施例制备的两个并联的电容器)，最后顶部再沉积金属层并填满壕沟和覆盖住衬底表面。在的表面还设有一层保护层10，射频天线6也可设置在该保护层10的表面。金属电极11贯穿保护层10连接到顶部金属层9。金属电极12分别贯穿保护层10、顶部金属层9、介质层8、其他金属层7后连接到底部金属层，在金属电极12的外侧还设有绝缘层13。
[0023]其中，底部金属层的材质可为娃化钴(CoSi2)等金属娃化物，介质层8的材质则可为氧化铪(HfO)或氧化钽(TaO)等氧化物材质，顶部金属层9的材质则可为铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)或其他金属，金属电极11和金属电极12的材质则可均为铝(Al)、银(Ag)、金(Au)或其他金属。
[0024]每一层金属层7和介质层8的厚度范围可为1nm?lOOnm，顶部金属层9的厚度范围则可为50nm?20000nm，金属电极11和金属电极12的高度范围则可为100nm?20000nm,绝缘层13的厚度范围则可为1nm?lOOnm，而保护层10的厚度范围则可为1nm ?20000nm。
[0025]本实施例制备集成能量采集存储器的具体步骤为:
[0026](I)在具有P型硅衬底I的表面上，旋涂光刻胶14，并经固化显影后去除多余的光刻胶，形成具有图案的掩膜，依次采用离子注入工艺(或固体扩散等工艺)和退火工艺，在P型半导体区内临近衬底I的正面表面一侧的部分区域中形成N型半导体区。
[0027](2)利用掩膜技术，分别在