一種具有三維堆棧/壕溝復合結構的集成能量采集存儲器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及能量采集和存儲技術領域，尤其涉及一種具有復合結構的集成能源采集與儲存系統。
【背景技術】
[0002]集成電路技術的進步發展了超低功耗應用的芯片。由于該芯片的用電量低，可以通過采集周圍環境中的能量源來供電，形成自供電電子系統。目前，大部分的此類系統中，采用的能源收集裝置和存儲設備(如充電電池)是獨立分開的兩個器件，不僅體積大，而且成本高。高成本是目前無線傳感器和可再生能源產業的最大挑戰，如果能將能源采集與存儲利用同一個裝置實現，即集成多源能量采集和能量存儲技術，可以使得環境中的多種能源(光、振動、及射頻)同時轉化為電能并存儲在同一器件內，輸出再生、不間斷的電能，使其應用系統升級為自動供電系統。這種集成技術可以大大縮小傳統系統的體積，提高系統可靠性，以及進一步降低成本。
[0003]但是如何實現多種能源轉換器與存儲器的集成需要面臨一系列的技術問題，如:選擇物理性能優良價格合理的材料以保證器件良好的能源轉換及存儲性能；采取有效的隔離屏蔽設計以防止集成器件之間可能產生的相互干擾；可靠的系統級封裝技術和保證以上創新的工藝措施等等。
【發明內容】
[0004]為了解決以上現有技術中存在的問題，本發明的目的是提供一種具有三維堆棧/壕溝復合結構的集成能量采集存儲器。
[0005]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0006]一種具有三維堆棧/壕溝復合結構的集成能量采集存儲器，其特征在于，能量采集存儲器集成在具有PN結的襯底上，其中，PN結的P型半導體區和N型半導體區分別連接有金屬電極，作為能量采集器；在與PN結相反一面的襯底上，設置有三維堆棧/壕溝復合結構，作為能量存儲器；所述復合結構具體為:在襯底上先設置三維壕溝結構，然后在具有壕溝結構的襯底上交替沉積金屬層和介質層，形成多個并聯的電容器，最后頂部為金屬層并填滿壕溝和覆蓋住襯底表面，頂部金屬層與底部金屬層分別連接有金屬電極。
[0007]所述能量采集器的表面或者能量存儲器的表面或者這兩個器件的表面上設有保護層，且金屬電極凸出于保護層的表面。
[0008]進一步地，所述保護層表面還制備有射頻能量采集天線。
[0009]所述射頻能量采集天線包括非閉合的鉤狀結構的射頻能量采集單元，以采集光能量和/或射頻能量。
[0010]所述P型半導體區和N型半導體區內分別設有重摻雜區，金屬電極連接到重摻雜區。
[0011]進一步地，所述復合結構的底部金屬層與金屬電極連接時，所述金屬電極與其它金屬層和介質層接觸的地方還設有絕緣層。
[0012]所述每一層金屬層或介質層的厚度為1nm?lOOnm，所述頂部金屬層的厚度為50nm ?20000nm。
[0013]上述具有三維堆棧/壕溝復合結構的集成能量采集存儲器的制備方法，包括如下步驟:
[0014](I)在P型或N型半導體的襯底上形成PN結，然后在P型半導體區和N型半導體區的接觸面上，通過物理濺射或其他方式沉積導電金屬層，形成金屬電極，作為能量采集器的天線；
[0015](2)在與PN結相反一面的襯底上，刻蝕襯底表面形成壕溝結構，然后制備底部金屬層覆蓋所述壕溝的底部及其側壁以及襯底的表面；
[0016](3)在所述底部金屬層上，多次交替制備介質層和金屬層，最后沉積頂部金屬層充滿所述壕溝，形成多個并聯的電容器；
[0017](4)部分刻蝕所述頂部金屬層和介質層至所述底部金屬層的上表面，以形成通孔，然后在所述頂部金屬層的表面和通孔中制備金屬，分別形成金屬電極。
[0018]本發明通過三維設計，在同一襯底中集成了能量采集器和存儲器，有效實現將光能轉化為電能并存儲電能的功能，縮小了器件的體積、大大降低了成本。其能量存儲器(電池)采用三維的壕溝結構和堆棧層結合的復合結構，形成高效率三維能量存儲器，提高了存儲容量。同時，本發明的制備工藝流程簡單，能與低成本集成電路工藝兼容，具有廣泛的應用前景。
【附圖說明】
[0019]圖1是本發明集成系統的結構示意圖；
[0020]圖2是實施例中射頻天線的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0021]本實施例的集成能量采集存儲器的結構如圖1所示，能量采集存儲器集成在具有PN結的襯底上1，其中，P型半導體區內設有P型摻雜區2，離子可選為硼(B)離子或氟化硼(BF2)離子等，N型半導體區內設有N型摻雜區3，其離子為氬(Ar)離子或磷(P)離子等。保護層5覆蓋在PN結的襯底表面上，材質可為氮化硅(SixNy)或氧化硅(S1z)等具有高介電常數的絕緣材質。金屬電極4貫穿保護層5分別連接到兩個重摻雜區，材質為鋁(Al)等金屬材質。在保護層5的表面上還制備有射頻能量采集天線6，其主要是用于采集能量，即該射頻能量采集天線6可用于采集諸如射頻能量等各種形式的能量，并將采集到的能量傳送至能量采集器中進行轉化并存儲至能量存儲器中。
[0022]在襯底I的另一面上，設置有三維堆棧/壕溝復合結構，即在具有壕溝結構的襯底上交替沉積金屬層7和介質層8，形成多個并聯的電容器(圖1中顯示為本實施例制備的兩個并聯的電容器)，最后頂部再沉積金屬層并填滿壕溝和覆蓋住襯底表面。在的表面還設有一層保護層10，射頻天線6也可設置在該保護層10的表面。金屬電極11貫穿保護層10連接到頂部金屬層9。金屬電極12分別貫穿保護層10、頂部金屬層9、介質層8、其他金屬層7后連接到底部金屬層，在金屬電極12的外側還設有絕緣層13。
[0023]其中，底部金屬層的材質可為娃化鈷(CoSi2)等金屬娃化物，介質層8的材質則可為氧化鉿(HfO)或氧化鉭(TaO)等氧化物材質，頂部金屬層9的材質則可為鋁(Al)、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)或其他金屬，金屬電極11和金屬電極12的材質則可均為鋁(Al)、銀(Ag)、金(Au)或其他金屬。
[0024]每一層金屬層7和介質層8的厚度范圍可為1nm?lOOnm，頂部金屬層9的厚度范圍則可為50nm?20000nm，金屬電極11和金屬電極12的高度范圍則可為100nm?20000nm,絕緣層13的厚度范圍則可為1nm?lOOnm，而保護層10的厚度范圍則可為1nm ?20000nm。
[0025]本實施例制備集成能量采集存儲器的具體步驟為:
[0026](I)在具有P型硅襯底I的表面上，旋涂光刻膠14，并經固化顯影后去除多余的光刻膠，形成具有圖案的掩膜，依次采用離子注入工藝(或固體擴散等工藝)和退火工藝，在P型半導體區內臨近襯底I的正面表面一側的部分區域中形成N型半導體區。
[0027](2)利用掩膜技術，分別在