納米柱狀電極、納米結(jié)構(gòu)超級電容以及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種納米柱狀電極，所述納米柱狀電極形成在能發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的半導(dǎo)體襯底上，其中，所述納米柱狀電極至少部分地通過包括若干半導(dǎo)體納米柱的所述半導(dǎo)體襯底與至少保形地覆蓋所述半導(dǎo)體納米柱的金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的生成物形成。本發(fā)明的納米柱狀電極以半導(dǎo)體納米柱為模板，結(jié)合運用金屬硅化處理來形成三維結(jié)構(gòu)的納米柱狀電極，制備過程簡單、成本低，并且以該納米柱狀電極為下電極模板可以制備納米結(jié)構(gòu)超級電容，該納米結(jié)構(gòu)超級電容的電容密度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好。
【專利說明】
納米柱狀電極、納米結(jié)構(gòu)超級電容以及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微電子器件技術(shù)領(lǐng)域，涉及存儲電能電子器件，具體涉及一種納米柱狀電極、使用該納米柱狀電極作為下電極的納米結(jié)構(gòu)超級電容以及它們的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在用于電能存儲的電子器件中，納米結(jié)構(gòu)超級電容因擁有高功率密度和高能量密度特性而引起極大的關(guān)注，納米結(jié)構(gòu)超級電容也成為高密度電容的典型代表。為實現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)超級電容的高密度特性，大的比表面積的電極的制備是關(guān)鍵。
[0003]傳統(tǒng)的納米結(jié)構(gòu)超級電容是以陽極氧化鋁為模板，經(jīng)歷了在氧化鋁孔隙里生長碳納米管作為電極形成的電能存儲體系，然后發(fā)展到在氧化鋁孔隙里形成金屬一絕緣介質(zhì)一金屬電容結(jié)構(gòu)的存儲體系。雖然傳統(tǒng)的納米超級電容在多方面都具優(yōu)點，但是陽極氧化鋁比較脆弱，所以制備的納米超級電極很容易損壞。此外，為了得到深寬比很大的氧化鋁模板，通常需要在硅片上淀積很厚的一層鋁膜，如何獲得高質(zhì)量的鋁膜這在工藝上也面臨著很大的挑戰(zhàn)。
[0004]同時，以金屬作基底材料進行光刻構(gòu)圖刻蝕形成比表面積大的電極結(jié)構(gòu)也同樣是不合實際的，這是由于在納米尺寸的微型結(jié)構(gòu)中，現(xiàn)有刻蝕構(gòu)圖技術(shù)難以對金屬導(dǎo)電材料刻蝕形成這種納米結(jié)構(gòu)的三維電極，并且以光刻構(gòu)圖的辦法對設(shè)備的精度要求高，從而制備成本也非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的之一在于，降低比表面積大的納米柱狀電極的制備難度和成本。
[0006]本發(fā)明的又一目的在于，降低納米結(jié)構(gòu)超級電容的制備難度和成本。
[0007]為實現(xiàn)以上目的或者其他目的，本發(fā)明提供以下技術(shù)方案。
[0008]按照本發(fā)明的一方面，提供一種納米柱狀電極，所述納米柱狀電極形成在能發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的半導(dǎo)體襯底上，其中，所述納米柱狀電極至少部分地通過包括若干半導(dǎo)體納米柱的所述半導(dǎo)體襯底與至少保形地覆蓋所述半導(dǎo)體納米柱的金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的生成物形成。
[0009]根據(jù)本發(fā)明一實施例的納米柱狀電極，其中，所述納米柱狀電極包括:
[0010]金屬硅化物納米柱，其通過所述金屬材料層與至少部分所述半導(dǎo)體納米柱發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成；以及
[0011]金屬硅化物平層，其通過所述金屬材料層與其所覆蓋的所述半導(dǎo)體襯底的上表面發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成；
[0012]其中，所述金屬硅化物納米柱基本豎立地設(shè)置在金屬硅化物平層上。
[0013]優(yōu)選地，金屬娃化物納米柱通過所述金屬材料層與全部所述半導(dǎo)體納米柱發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成。
[0014]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體納米柱的徑向尺寸控制在大于或等于30納米且小于或等于100納米的范圍內(nèi)。
[0015]可選地，所述半導(dǎo)體襯底可以為硅襯底或鍺襯底。
[0016]可選地，所述金屬材料層可以為N1、Co、Ti或Pt。
[0017]按照本發(fā)明的又一方面，提供一種納米柱狀電極的制備方法，包括步驟:
[0018]在半導(dǎo)體襯底上制備形成半導(dǎo)體納米柱；
[0019]在半導(dǎo)體襯底上沉積金屬材料層以保形地至少覆蓋所述半導(dǎo)體納米柱；以及
[0020]所述金屬材料層與包括所述半導(dǎo)體納米柱的半導(dǎo)體襯底發(fā)生金屬硅化反應(yīng)。
[0021]根據(jù)本發(fā)明一實施例的納米柱狀電極的制備方法，其中，通過納米球光刻法和金屬輔助化學(xué)刻蝕方法來制備形成所述半導(dǎo)體納米柱。
[0022]具體地，制備所述半導(dǎo)體納米柱包括步驟:
[0023]在洗凈的所述半導(dǎo)體襯底上形成單層聚苯乙烯球；
[0024]通過反應(yīng)離子刻蝕對所述單層聚苯乙烯球進行刻蝕以減小所述聚苯乙烯球的尺寸來形成相應(yīng)的聚苯乙烯微球；
[0025]在所述半導(dǎo)體襯底的表面上沉積一層金薄膜層；
[0026]以所述聚苯乙烯微球為掩膜、以所述金薄膜層為催化劑對于所述半導(dǎo)體襯底進行化學(xué)刻蝕；以及
[0027]去除半導(dǎo)體襯底之外的殘留物以形成帶多個半導(dǎo)體納米柱的半導(dǎo)體襯底。
[0028]可選地，所述金薄膜層的厚度可以為10-30納米。
[0029]優(yōu)選地，采用原子層淀積方法沉積所述金屬材料層。
[0030]根據(jù)本發(fā)明又一實施例的納米柱狀電極的制備方法，其中，在所述金屬硅化反應(yīng)步驟中，全部所述半導(dǎo)體納米柱與所述金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而生成所述納米柱狀電極的金屬硅化物納米柱。
[0031]具體地，在所述金屬硅化反應(yīng)步驟中，所述金屬材料層與其所覆蓋的半導(dǎo)體體襯底的上表面發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而生成所述納米柱狀電極的金屬硅化物平層。
[0032]按照本發(fā)明的還一方面，提供一種納米結(jié)構(gòu)超級電容，包括:
[0033]以上所述及的任一種納米柱狀電極；
[0034]介質(zhì)層，其基本地保形覆蓋所述納米柱狀電極；以及
[0035]上電極，其形成在所述介質(zhì)層之上。
[0036]可選地，所述介質(zhì)層為高介電常數(shù)介質(zhì)層。
[0037]具體地，所述介質(zhì)層是Zr02、HfO2S Al 203的單層薄膜，或者是選自ZrO 2、HfO2和Al2O3中的任意2種的薄膜組合形成的疊層結(jié)構(gòu)。
[0038]具體地，所述介質(zhì)層的厚度大于或等于10納米且小于或等于30納米。
[0039]根據(jù)本發(fā)明一實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容，其中，所述介質(zhì)層通過原子層淀積方法形成。
[0040]具體地，所述上電極包括一 TiN層或TaN層以及形成所述TiN層或TaN層之上的招月旲。
[0041]具體地，所述TiN層或TaN層的厚度大于或等于10且小于或等于20納米。
[0042]按照本發(fā)明的還一方面，提供一種納米結(jié)構(gòu)超級電容的制備方法，包括步驟:
[0043]以上所述及的任一種方法制備形成納米柱狀電極；
[0044]在所述納米柱狀電極上保形覆蓋介質(zhì)層；以及
[0045]在所述介質(zhì)層上沉積形成上電極。
[0046]根據(jù)本發(fā)明一實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容的制備方法，其中，采用原子層淀積方法在所述納米柱狀電極上保形覆蓋所述介質(zhì)層。
[0047]根據(jù)本發(fā)明又一實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容的制備方法，其中，沉積形成所述上電極包括步驟:
[0048]采用原子層淀積方法形成一 TiN層或TaN層；以及
[0049]在TiN層或TaN層之上通過磁控濺射或蒸發(fā)的方法沉積一層鋁膜。
[0050]優(yōu)選地，在沉積形成所述上電極后，還包括退火處理步驟。
[0051]本發(fā)明的納米柱狀電極以半導(dǎo)體納米柱為模板，結(jié)合運用金屬硅化處理來形成三維結(jié)構(gòu)的納米柱狀電極，制備過程簡單、成本低，并且以該納米柱狀電極為下電極模板可以制備納米結(jié)構(gòu)超級電容，該納米結(jié)構(gòu)超級電容的電容密度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、性能好。
【附圖說明】
[0052]圖1是半導(dǎo)體襯底的示意圖；
[0053]圖2是在半導(dǎo)體襯底的表面上形成若干納米球的示意圖；
[0054]圖3是在半導(dǎo)體襯底的表面上沉積一層金薄膜層的示意圖；
[0055]圖4是以納米球為掩膜刻蝕半導(dǎo)體襯底后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0056]圖5是去除殘留物后形成多個半導(dǎo)體納米柱的示意圖；
[0057]圖6是本發(fā)明實施例的納米柱狀電極的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058]圖7為圖6所示的納米柱狀電極的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059]圖8是在圖7的結(jié)構(gòu)上覆蓋介質(zhì)層后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0060]圖9是本發(fā)明實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0061]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的描述。
[0062]從結(jié)合附圖的以下詳細說明中，將會使本發(fā)明的上述和其他目的及優(yōu)點更加完整清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的標號表示。
[0063]下面介紹的是本發(fā)明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發(fā)明的基本了解，并不旨在確認本發(fā)明的關(guān)鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以提出可相互替換的其他實現(xiàn)方式。因此，以下【具體實施方式】以及附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。
[0064]在附圖中，為了清楚起見，夸大了層和區(qū)域的厚度，并且，由于刻蝕等引起的圓潤等形狀特征未在附圖中示意出。
[0065]在本申請中，“金屬硅化反應(yīng)”并不限于金屬材料與半導(dǎo)體硅材料之間的反應(yīng)，金屬材料與其他半導(dǎo)體材料以類似原理發(fā)生金屬化反應(yīng)的，在此都統(tǒng)稱為“金屬硅化反應(yīng)”，例如，金屬材料與半導(dǎo)體材料Ge之間的金屬化反應(yīng)。相應(yīng)地，金屬硅化反應(yīng)的生成物在此都稱為“金屬硅化物”，例如，Ge與金屬材料發(fā)生金屬硅化反映的生成物在此也定義為“金屬硅化物”的范疇，金屬硅化物為電阻率相對較低的導(dǎo)電性材料。
[0066]圖6所示為按照本發(fā)明一實施例的納米柱狀電極的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖7所示為圖6所示納米柱狀電極的截面結(jié)構(gòu)示意圖；并且，圖1至圖6給出了圖6所示實施例的納米柱狀電極的制備方法過程示意圖。在該實施例中，為簡化說明，示例性地給出了 3行X3列的納米柱的納米柱狀電極及其制備方法過程，但是，應(yīng)當理解到，本發(fā)明的實施例的納米柱狀電極的納米柱的數(shù)量以及排列形式不限于該實施例。以下結(jié)合圖1至圖6對本發(fā)明實施例的納米柱狀電極的制備方法過程進行詳細說明。
[0067]首先，如圖1所示，提供能發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的半導(dǎo)體襯底100。半導(dǎo)體襯底100可選地為Si (硅)襯底100，在其他實施例中也可以為Ge等能發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的半導(dǎo)體材料。硅襯底100中的硅的具體形式不是限制性的，例如可以為絕緣體上硅(SOI)，半導(dǎo)體襯底100的表面可以通過各種清洗工藝來清洗，以使其符合其后步驟要求。
[0068]進一步，如圖2所示，在半導(dǎo)體襯底100的表面上形成若干納米尺寸的納米球101，該納米球101是用作其后刻蝕半導(dǎo)體襯底100過程的掩膜，其直徑尺寸基本等于其后形成的半導(dǎo)體納米柱105的徑向尺寸。在該實施例中，納米球101可以為聚苯乙稀微球101，具體地，在洗凈的硅襯底100的上首先自組裝致密的單層聚苯乙烯球，然后以氧氣為反應(yīng)氣體、通過反應(yīng)離子刻蝕來對單層聚苯乙烯球進行刻蝕，以減小聚苯乙烯球的尺寸形成如圖2所示的聚苯乙烯微球101。
[0069]進一步，如圖3所示，在上述半導(dǎo)體襯底100的表面上沉積一層金(Au)薄膜層102，金薄膜層102是在其后的化學(xué)刻蝕中用作催化劑，其是一種輔助材料。金薄膜層102的厚度可選擇地為10-30納米，金薄膜層102具體可以但不限于通過磁控濺射、熱蒸發(fā)、電子束熱蒸發(fā)等薄膜沉積方法來進行。
[0070]進一步，如圖4所示，以納米球101為掩膜刻蝕半導(dǎo)體襯底100。在該實施例中，以質(zhì)量百分比濃度為40% HF和質(zhì)量百分比濃度為30% H2O2按照一定比例配置成混合溶液，二者之間的體積比可以為4:1，然后，以該混合液來刻蝕金下面的硅襯底100，在此刻蝕過程中，金薄膜層102是作為催化劑來起作用的，聚苯乙烯微球101可以實現(xiàn)掩膜的作用。刻蝕的深度基本決定了其后形成的半導(dǎo)體納米柱105的高度，因此，可以通過控制刻蝕時間和速率來控制半導(dǎo)體納米柱105的高度。
[0071]進一步，如圖5所示，去除半導(dǎo)體襯底100之外的殘留物以形成帶多個半導(dǎo)體納米柱105的半導(dǎo)體襯底。在該實施例中，首先，將襯底100浸入主要由ΚΙ、Ι2、Η20組成的溶液中，前面三者比例為4:1:40，目的是腐蝕掉殘余的金薄膜層102和Au-Si合金；然后，通過反應(yīng)離子刻蝕，去除殘留的聚苯乙烯微球101，從而得到硅納米柱105，即半導(dǎo)體納米柱105。
[0072]需要說明的是，硅納米柱105的排列形式、間距等尺寸參數(shù)在如圖2所示的步驟中通過控制納米球101的布置來實現(xiàn)，其具體尺寸可以根據(jù)需要形成的納米柱狀電極的尺寸來相應(yīng)地設(shè)計。
[0073]還需要說明的是，以上實施例的圖1至圖5對應(yīng)的步驟主要是對應(yīng)在半導(dǎo)體材料上形成半導(dǎo)體納米柱105的過程，其采用納米球光刻法和金屬輔助化學(xué)刻蝕(MetalAssisted Chemical Etching, MACE)方法相結(jié)合的工藝來實現(xiàn)，該工藝在Zilong Wu等人的名稱為 “Fabricat1n and characterizat1n of SiGe coaxial quantum wells onordered Si nanopillars”(Nanotechnology 25 (2014)055204) 一文中所揭不，但是，應(yīng)當理解到，在此文中的目的是為了獲得可控的SiGe同軸量子阱(CQW)納米柱，并且揭示可能應(yīng)用范圍是光電器件中；而在本申請中，獲得的半導(dǎo)體納米柱105是用來制作高比表面積的電極的模板，它們的目的和作用是完全不同的。還應(yīng)當理解到，在本申請中，半導(dǎo)體納米柱105的制備方法并不限于以上實施例的制備方法過程。
[0074]進一步，如圖6所示，在如圖5所示的半導(dǎo)體襯底上沉積金屬材料層以保形地至少覆蓋半導(dǎo)體納米柱105，該金屬材料層與包括半導(dǎo)體納米柱的半導(dǎo)體襯底發(fā)生金屬硅化反應(yīng)，生成納米柱狀電極110。
[0075]在該實施例中，可選地采用原子層淀積(ALD)方法沉積金屬材料層，在含硅納米柱105的娃襯底上淀積一金屬材料層，該金屬材料層厚度可選地為5-10納米；金屬材料層的材料種類可以選自易于與硅反應(yīng)生成低電阻率金屬硅化物的材料，其可以為N1、Co、Ti或Pt等。在該實施例中，由于原子層淀積技術(shù)具有非常好的共形或保形覆蓋能力，所以，可以在硅納米柱105上以及納米柱105之間的深槽或間隙中均勻地填充和覆蓋，保形性好。
[0076]然后，在適當?shù)臏囟认潞投栊詺夥罩羞M行快速熱退火處理，使該金屬材料層與其接觸的娃發(fā)生金屬娃化反應(yīng)，從而生成金屬娃化物，例如，TiS1、CoS1、NiSi等；需要說明的是，這里所寫的TiS1、CoS1、NiSi只是表明硅化物的元素組成，并不意味著硅化物中實際的原子比；發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的工藝條件是可控的，其可以根據(jù)具體情況而設(shè)置。
[0077]這樣，形成了如圖6所示的三維結(jié)構(gòu)的納米柱狀電極110，這種三維結(jié)構(gòu)的納米柱狀電極完全不同于傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)平面電極，其比表面積非常大。
[0078]如圖6和圖7所示，金屬硅化物在該實施例中包括兩個部分，一部分為金屬硅化物納米柱111，其通過金屬材料層與至少部分娃納米柱105發(fā)生金屬娃化反應(yīng)而形成；另一部分為金屬硅化物平層112，其通過所述金屬材料層與其所覆蓋的硅體襯底100的上表面發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成。金屬硅化物納米柱111與金屬硅化物平層112共同組成了本發(fā)明實施例的納米柱狀電極110，需要理解的是，金屬硅化物納米柱111與金屬硅化物平層112是在金屬硅化反應(yīng)過程中一體化地形成的，在一些實例中，金屬硅化物平層112的厚度可能是不均勻的，例如，有可能金屬硅化物納米柱111下方對應(yīng)的金屬硅化物平層112的厚度相對較薄。
[0079]優(yōu)選地，在金屬硅化反應(yīng)過程中，使硅納米柱105全部地或完全地與金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)，從而金屬硅化物納米柱111不包含類似Si的半導(dǎo)體材料，從而降低作為電極的納米柱狀電極110的電阻；在納米柱狀電極110用作電容的下電極時，電阻的降低可以降低電容的寄生電阻、提高充放電的速度。
[0080]具體地，可以通過控制硅納米柱105的徑向尺寸參數(shù)和/或金屬硅化反應(yīng)的工藝條件等來使娃納米柱105全部與金屬材料層發(fā)生金屬娃化反應(yīng)，從而將娃納米柱105全部轉(zhuǎn)變成金屬硅化物；例如，硅納米柱105的徑向尺寸控制在大于或等于30納米且小于或等于100納米的范圍。
[0081]在該實施例的納米柱狀電極110中，金屬硅化物納米柱111基本豎立地設(shè)置在金屬娃化物平層112上，金屬娃化物納米柱111的尺寸基本與半導(dǎo)體納米柱105的尺寸相接近，也是處于納米尺寸范圍，實現(xiàn)了以硅納米柱105為模板來制備納米柱狀電極110，并且形成的金屬娃化物納米柱111也容易控制在納米尺寸范圍內(nèi)。因此，本發(fā)明實施例的納米柱狀電極110實現(xiàn)了在半導(dǎo)體襯底上形成了密度高、深寬比大、且高度有序的深槽結(jié)構(gòu)，不但比表面積非大，而且擺脫了采用高精度的光刻工藝以及光刻掩膜板等，也擺脫了對金屬電極材料的光刻構(gòu)圖刻蝕的過程，制備工藝簡單，大大降低納米柱狀電極的成本；并且，在納米柱狀電極I1的結(jié)構(gòu)參數(shù)可控的同時，形成的納米柱狀電極110結(jié)構(gòu)主要是以半導(dǎo)體納米柱105為模板形成，因此結(jié)構(gòu)強度高、成品率高。
[0082]如圖6和圖7所示實施例的納米柱狀電極110可以應(yīng)用在需要比表面積大的各種微型器件中，例如，可以應(yīng)用在納米結(jié)構(gòu)超級電容中充當下電極。以下示例性地說明納米柱狀電極110在納米結(jié)構(gòu)超級電容中的應(yīng)用。
[0083]圖7至圖9所示為基于圖7所示實施例的納米柱狀電極制備納米結(jié)構(gòu)超級電容的方法過程示意圖，其中，圖9是按照本發(fā)明一實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容的截面結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖7至圖9，不例說明在圖7所不實施例的納米柱狀電極110的基礎(chǔ)上制備本發(fā)明實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容的過程。
[0084]首先，提供如圖7所示的納米柱狀電極110，其作為欲制備的納米結(jié)構(gòu)超級電容的下電極，然后，如圖8所示，在納米柱狀電極110上保形覆蓋介質(zhì)層210。具體地，優(yōu)選采用原子層淀積(ALD)方法，以納米柱狀電極110為模板在其上再淀積介質(zhì)層210，介質(zhì)層210用來充電電容的介質(zhì)，其可以高介電常數(shù)介質(zhì)層，例如，介質(zhì)層210可以是選自Zr02、Hf02SAl2O3的單層薄膜，或者是選自ZrO 2、HfOjP Al 203中的任意2種的薄膜組合形成的疊層結(jié)構(gòu)。介質(zhì)層210的厚度可選地控制在大于或等于10納米且小于或等于30納米的范圍。
[0085]需要說明的是，采用ALD方法覆蓋介質(zhì)層210的過程中，整個納米柱狀電極110的納米柱之間是互連互通的，所以非常有助于ALD的反應(yīng)源在納米柱之間的溝槽或間隙中傳播，不但保形性好，而且易于沉積均勻的介質(zhì)層210。當然，介質(zhì)層210的沉積方法并不限于本實施例的工藝，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以選擇其他實施例的薄膜沉積工藝方法來沉積介質(zhì)層 210。
[0086]進一步，如圖9所示，在介質(zhì)層210上沉積形成上電極310。具體地，可以采用原子層淀積(ALD)方法，淀積一層TiN或TaN，其厚度可選地控制在10_20納米，然后通過磁控濺射或蒸發(fā)的方法沉積一層鋁膜，其厚度可選地控制在100-500納米，從而形成了上電極310。
[0087]進一步，優(yōu)選地，還可以將基本形成的電容進行退火處理，例如，置于N2/H2混合氣體中、在400-600°C的條件下退火30-60分鐘。
[0088]這樣，制備形成了如圖9所示實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容。該實施例的納米結(jié)構(gòu)超級電容采用了納米柱狀電極110作為下電極模板，介質(zhì)層210保形覆蓋下電極，納米柱狀電極110的結(jié)構(gòu)特點決定了該電容的納米結(jié)構(gòu)特性，也使其具有高電容密度、高功率密度的特性。并且，具有以下優(yōu)點:(1)與傳統(tǒng)的納米深槽結(jié)構(gòu)模板相比，納米柱狀的電極作為介質(zhì)層的模板時，更能更適合原子層淀積工藝，有利于提高電容質(zhì)量；(2)通過控制金屬硅化物納米柱的直徑，可使娃納米柱完全發(fā)生金屬娃化反應(yīng)，將娃納米柱全部變成金屬娃化物，從而有利于可以降低電容器的寄生電阻、提高充放電的速度；(3)本發(fā)明避開了高精度的納米光刻技術(shù)，制備工藝簡單，大大降低了成本，并且有利于提高電容的生產(chǎn)效率，而且使用安全、無污染。
[0089]將理解，根據(jù)納米結(jié)構(gòu)超級電容示例教導(dǎo)，以上本發(fā)明圖6和圖7所示實施例的納米柱狀電極110可以類推地應(yīng)用到其他類型的器件制備中。
[0090]以上例子主要說明了本發(fā)明的納米柱狀電極、使用該納米柱狀電極的納米結(jié)構(gòu)超級電容以及它們的制備方法。盡管只對其中一些本發(fā)明的實施方式進行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。
【主權(quán)項】
1.一種納米柱狀電極(110)，其特征在于，所述納米柱狀電極(110)形成在能發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的半導(dǎo)體襯底(100)上，其中，所述納米柱狀電極(110)至少部分地通過包括若干半導(dǎo)體納米柱(105)的所述半導(dǎo)體襯底(100)與至少保形地覆蓋所述半導(dǎo)體納米柱(105)的金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)的生成物(111，112)形成。2.如權(quán)利要求1所述的納米柱狀電極(110)，其特征在于，所述納米柱狀電極(110)包括: 金屬硅化物納米柱(111)，其通過所述金屬材料層與至少部分所述半導(dǎo)體納米柱(105)發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成；以及 金屬硅化物平層(112)，其通過所述金屬材料層與其所覆蓋的所述半導(dǎo)體襯底(100)的上表面發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成； 其中，所述金屬硅化物納米柱(111)基本豎立地設(shè)置在金屬硅化物平層(112)上， 所述半導(dǎo)體襯底為硅襯底或鍺襯底，所述金屬材料層為N1、Co、Ti或Pt。3.如權(quán)利要求2所述的納米柱狀電極(110)，其特征在于，金屬硅化物納米柱(111)通過所述金屬材料層與全部所述半導(dǎo)體納米柱(105)發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而形成， 所述半導(dǎo)體納米柱(105)的徑向尺寸控制在大于或等于30納米且小于或等于100納米的范圍內(nèi)。4.一種納米柱狀電極(110)的制備方法，其特征在于，包括步驟: 在半導(dǎo)體襯底(100)上制備形成半導(dǎo)體納米柱(105)； 在半導(dǎo)體襯底(100)上沉積金屬材料層以保形地至少覆蓋所述半導(dǎo)體納米柱(105);以及 所述金屬材料層與包括所述半導(dǎo)體納米柱(105)的半導(dǎo)體襯底(100)發(fā)生金屬硅化反應(yīng)。5.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，通過納米球光刻法和金屬輔助化學(xué)刻蝕方法來制備形成所述半導(dǎo)體納米柱(105)， 制備所述半導(dǎo)體納米柱(105)包括步驟: 在洗凈的所述半導(dǎo)體襯底(100)上形成單層聚苯乙烯球； 通過反應(yīng)離子刻蝕對所述單層聚苯乙烯球進行刻蝕以減小所述聚苯乙烯球的尺寸來形成相應(yīng)的聚苯乙烯微球(101); 在所述半導(dǎo)體襯底(100)的表面上沉積一層金薄膜層(102); 以所述聚苯乙烯微球(101)為掩膜、以所述金薄膜層(102)為催化劑對于所述半導(dǎo)體襯底(100)進行化學(xué)刻蝕；以及 去除半導(dǎo)體襯底(100)之外的殘留物以形成帶多個半導(dǎo)體納米柱(105)的半導(dǎo)體襯底(100)， 所述金薄膜層(102)的厚度為10-30納米， 采用原子層淀積方法沉積所述金屬材料層。6.如權(quán)利要求4所述的制備方法，其特征在于，在所述金屬娃化反應(yīng)步驟中，全部所述半導(dǎo)體納米柱(105)與所述金屬材料層發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而生成所述納米柱狀電極(110)的金屬硅化物納米柱(111)。7.如權(quán)利要求4或6所述的制備方法，其特征在于，在所述金屬娃化反應(yīng)步驟中，所述金屬材料層與其所覆蓋的半導(dǎo)體體襯底(100)的上表面發(fā)生金屬硅化反應(yīng)而生成所述納米柱狀電極(I1)的金屬硅化物平層(112)。8.一種納米結(jié)構(gòu)超級電容，其特征在于，包括: 如權(quán)利要求1至6中任一項所述的納米柱狀電極(110)； 介質(zhì)層(210)，其基本地保形覆蓋所述納米柱狀電極(110);以及 上電極(310)，其形成在所述介質(zhì)層之上， 所述介質(zhì)層(210)優(yōu)選為高介電常數(shù)介質(zhì)層。 所述介質(zhì)層(210)優(yōu)選是2噸、!1?)2或41 203的單層薄膜，或者是選自ZrO2、HfOjP Al2O3中的任意2種的薄膜組合形成的疊層結(jié)構(gòu)， 所述介質(zhì)層(210)的厚度大于或等于10納米且小于或等于30納米， 所述介質(zhì)層(210)通過原子層淀積方法形成， 所述上電極(310)包括一 TiN層或TaN層以及形成所述TiN層或TaN層之上的鋁膜。9.一種納米結(jié)構(gòu)超級電容的制備方法，其特征在于，包括步驟: 如權(quán)利要求7至13中任一項所述的方法制備形成納米柱狀電極(110); 在所述納米柱狀電極(110)上保形覆蓋介質(zhì)層(210);以及 在所述介質(zhì)層(210)上沉積形成上電極(310)。10.如權(quán)利要求9所述的制備方法，其特征在于，沉積形成所述上電極(310)包括步驟: 采用原子層淀積方法形成一 TiN層或TaN層；以及 在TiN層或TaN層之上通過磁控濺射或蒸發(fā)的方法沉積一層鋁膜， 在沉積形成所述上電極(310)后，還包括退火處理步驟， 采用原子層淀積方法在所述納米柱狀電極(110)上保形覆蓋所述介質(zhì)層(210)。
【文檔編號】H01G11/86GK105845447SQ201510016379
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2015年1月13日
【發(fā)明人】不公告發(fā)明人
【申請人】蘇州復(fù)納電子科技有限公司