Modeling, Fabrication, and Characterization of 3-D Capacitor Embedded in Through-Silicon Via

材料科学 制作 电容器 电容 硅 光电子学 表征(材料科学) 电容感应
作者
Ye Lin,Chuan Seng Tan
出处
期刊:IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:8 (9): 1524-1532 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tcpmt.2018.2864541
摘要

A new approach to implement integrated capacitors with an excellent capacitance density, called the “3-D embedded capacitor,” is investigated. It is realized by embedding metal–insulator–metal (MIM) layers onto the trenches of through-silicon vias prior to copper filling. An ultrahigh capacitance density of 5621.8 nF/mm2 was envisioned according to our model, which is $\sim 13\times $ of 440.0 nF/mm2 from a conventional trench capacitor with the same design parameters. A set of prototypes was fabricated and characterized for assessment of structural integrity and electrical performance of the 3-D embedded capacitors. Scanning electron microscope, transmission electron microscope, and energy-dispersive X-ray spectroscopy analysis results show a good step coverage and stoichiometry of the MIM layers deposited. The capacitance density of up to 3856.4 nF/mm2 was achieved for the prototypes with MIM layers formed by atomic layer deposition. A leakage current density as low as $1.61 \times 10^{-7}$ A/cm2 at 4.3 V and a breakdown voltage greater than 9.5 V were measured for a sample with a capacitance density of 3776.6 nF/mm2.
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