一种硅基超级电容及其制备方法与流程

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种硅基超级电容及其制备方法。

背景技术：

随着无线充电和物联网的快速发展，需要芯片能够实现能量自治。在用于能量存储的电子器件中，超级电容因同时拥有高的功率密度和循环寿命得到了广泛的关注。超级电容可以通过电双层（电双层超级电容）或者近表面的氧化还原反应（赝电容）来存储能量。通常，赝电容的能量密度要远远大于电双层电容。为了能与硅基芯片集成，需要将超级电容直接制备在芯片上。由于需要额外的封装来阻止液态电解质的泄露，所以采用固态电解质是最佳的选择。也就是说，全固态超级电容更适合与硅基芯片集成。为了充分利用硅材料，可以对硅衬底进行结构设计，并使其直接作为电极材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够增加电极比表面积、提升超级电容能量密度，并与硅基集成电路工艺兼容的硅基超级电容及其制备方法。

本发明提供的硅基超级电容，包括：

硅衬底；

硅纳米结构阵列，分布在所述硅衬底背面；

绝缘介质层，覆盖所述硅纳米结构阵列表面；

正电极和负电极，形成在所述绝缘介质层上，且彼此分隔；

固态电解质凝胶，形成在所述正电极和负电极之间的绝缘介质层上，并部分覆盖所述正电极和所述负电极。

本发明的硅基超级电容中，所述硅纳米结构阵列为硅纳米柱阵列或硅纳米孔阵列。

本发明的硅基超级电容中，所述固态电解质凝胶是硫酸和聚乙烯醇，或者氢氧化钾和聚乙烯醇混合后形成的凝胶。

本发明提供上述硅基超级电容制备方法，包括以下步骤：

提供硅衬底；

在所述硅衬底背面刻蚀形成硅纳米结构阵列；

在所述硅纳米结构阵列表面形成绝缘介质层；

在所述绝缘介质层上形成彼此分隔的正电极和负电极；

注入固态电解质凝胶，使其形成所述正电极和负电极之间的空隙处的绝缘介质层上，并部分覆盖所述正电极和所述负电极。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，所述硅纳米结构阵列为硅纳米柱阵列或硅纳米孔阵列。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，形成所述绝缘介质层的方法为化学气相沉积、原子层沉积或溅射。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，在所述绝缘介质层上形成彼此分隔的正电极和负电极，具体流程包括：

在所述绝缘介质层表面形成电极材料；

以光刻胶为掩膜，刻蚀形成互不相连的正电极和负电极；

在溶剂中溶解或者灰化去除所述光刻胶。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，所述刻蚀为离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀、电感耦合等离子体蚀刻或者湿法蚀刻。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，所述电极材料是金属氮化物tin、tan或vn，或者是金属ni、co、mn或ru，或者是叠层材料nio/tin、co3o4/tin或mno2/tin。

本发明的硅基超级电容制备方法中，优选为，所述固态电解质凝胶是硫酸和聚乙烯醇或者氢氧化钾和聚乙烯醇混合后形成的凝胶。

本发明提供的硅基超级电容，在同一硅片的背面形成电容的正负电极，并与硅基集成电路工艺兼容，能够充分利用硅材料，简化工艺步骤，节约成本。另外，相对于叉指电极超级电容，本发明的硅基超级电容的硅纳米结构的深宽比可以在更大范围调节，从而可以增加电极比表面积，进一步提升超级电容的能量密度。

附图说明

图1是本发明的硅基超级电容制备方法的流程图。

图2是形成硅纳米柱形状的光刻胶图案后的器件结构示意图。

图3是刻蚀形成硅纳米柱阵列后的器件结构示意图。

图4是去除光刻胶后的器件结构示意图。

图5是形成绝缘介质层后的器件结构示意图。

图6是形成电极层后的器件结构示意图。

图7是形成用于限定电极形状的图案的器件结构示意图。

图8是形成正电极和负电极后的器件结构示意图。

图9是形成本发明的硅基超级电容后的器件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“垂直”“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。除非在下文中特别指出，器件中的各个部分可以由本领域的技术人员公知的材料构成，或者可以采用将来开发的具有类似功能的材料。

图1是本发明的硅基超级电容制备方法的流程图。图2~9示出了新型硅基超级电容的制备方法各步骤的结构示意图。以下结合附图对本发明的技术方案做进一步的说明。具体步骤为：

步骤s1，提供硅衬底200作为起始基底，硅衬底可以是体硅也可以是绝缘体上硅，掺杂类型可以是p型也可以是n型。在本实施方式中采用p型体硅。然后，在硅衬底200的背面旋涂光刻胶201，并通过曝光、显影等标准化光刻工艺形成用于限定硅纳米柱形状的光刻胶图案，所得结构如图2所示。

步骤s2，以光刻胶201为掩膜，通过干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀、电感耦合等离子体蚀刻，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法蚀刻形成硅纳米柱阵列202，所得结构如图3所示。然后通过在溶剂中溶解或者灰化去除光刻胶201，所得结构如图4所示。其中，硅纳米结构不限于硅纳米柱，还可以是硅纳米孔。

步骤s3，在硅纳米柱202表面形成绝缘介质层203，所得结构如图5所示。在本实施方式中，通过化学气相沉积的方法形成二氧化硅作为绝缘介质层，但是本发明不限定于此，绝缘介质层也可以是其它合适的材料，比如氮化硅、氧化铝等；形成的方法例如也可以是原子层沉积、溅射等。绝缘介质层的厚度范围为100~200nm。

步骤s4，在绝缘介质203表面形成电极层204，所得结构如图6所示。电极层材料可以是金属氮化物tin、tan或者vn，也可以是金属ni、co、mn或者ru，还可以是叠层材料nio/tin、co3o4/tin或者mno2/tin。淀积的方式可以是原子层沉积、化学气相沉积或者溅射。电极材料的厚度为50~100nm。

在电极层204上旋涂光刻胶205，并通过其中包括曝光和显影的光刻工艺形成用于限定电极形状的图案，如图7所示。采用光刻胶作为掩膜，通过干法蚀刻，如离子铣蚀刻、等离子蚀刻、反应离子蚀刻、激光烧蚀、电感耦合等离子体蚀刻，或者通过使用蚀刻剂溶液的湿法蚀刻形成互不相连的正电极206和负电极207。然后通过在溶剂中溶解或者灰化去除光刻胶，所得结构如图8所示。

步骤s5，将固态电解质凝胶208注入到硅纳米柱结构的空隙中，所得结构如图9所示。固态电解质凝胶可以是硫酸和聚乙烯醇（pva）或者氢氧化钾和pva混合后形成的凝胶。

以上，针对本发明的硅基超级电容制备方法的具体实施方式进行了详细说明，但是本发明不限定于此。各步骤的具体实施方式根据情况可以不同。此外，部分步骤的顺序可以调换，部分步骤可以省略等。

本发明的硅基超级电容，如图9所示，包括硅衬底200；硅纳米柱阵列202，分布在硅衬底200背面；绝缘介质层203，覆盖硅纳米柱阵列202表面；正电极206和负电极207，形成在绝缘介质203上，且彼此分隔；固态电解质208，形成在正电极206和负电极207之间的绝缘介质层203上，并部分覆盖正电极206和负电极207。

其中，硅衬底可以是体硅，也可以是绝缘体上硅，掺杂类型可以是p型也可以是n型。硅纳米结构不限于硅纳米柱，还可以是硅纳米孔。绝缘介质层可以例如是二氧化硅、氮化硅、氧化铝等。绝缘介质层的厚度范围为100~200nm。电极材料可以是金属氮化物tin、tan或者vn，也可以是金属ni、co、mn或者ru，还可以是叠层材料nio/tin、co3o4/tin或者mno2/tin。电极材料的厚度为50~100nm。固态电解质凝胶可以是硫酸和聚乙烯醇（pva）或者氢氧化钾和pva混合后形成的凝胶。

本发明的硅基超级电容，在同一硅片的背面形成电容的正负电极，并与硅基集成电路工艺兼容，能够充分利用硅材料，简化工艺步骤，节约成本。另外，相对于叉指电极超级电容，本发明的硅基超级电容的硅纳米结构的深宽比可以在更大范围调节，从而使得增加了电极比表面积，进一步提升了超级电容的能量密度。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。