由掺杂硅的非晶体 氢化碳所构成的电容器电介质 本发明涉及电容器及其制造，尤其涉及具有高介电强度及低功耗(dissipation)因子性质的非晶体氢化碳电介质电容器。
电容器通常被用作电路元件以降低电源的不规则电压变动，传送脉冲信号，产生或侦测无线电频率的电磁波振动，提供电子延时等等。典型的电容器具有由至少一个介电质层分隔开来的至少两个导电层。
已知有各种不同的材料可用作电容器中的电介质层。近年来，较引入兴趣的这类型材料为非晶体氢化碳，亦称作类金刚石(diamondlike)碳，其后将以“DLC”表示。美国专利5,275,967对其进行了说明，它主要由SP3结构的碳构成，在短距离内具有金刚石的结构，但在长距离下则呈现不规则的非晶特点。如Chemical and Engineering News，1989年5月15日，第32-33页中所说明的，该材料的薄膜通常是非晶体的，但可具有直径通常小于2-20nm的晶体，并且含有几乎为0至超过50％的氢。当其特征为每cc含有超过0.2克的碳原子时，则它们非常接近金刚石地性质，包括高电介强度及低功耗因子。
人们在进一步追求提高DLC介电强度及降低功耗因子。较高的介电强度将允许操作电应力(electric stress)增加，以及降低达到特定电压等级所需的薄膜厚度。薄膜厚度的降低可缩短淀积时间，进而降低成本。它还可增加每一层的电容，于是在给定电容器的情况下只要较少的电介质层。消耗功率因子的降低可增加电容器的使用寿命，并且可提供较高的电路效率。
功耗因子通常会随着电容端末处的电压讯号频率而变化。具有DLC电介质层的一般电容器在低至中间频率(60-100,000Hz，这是马达的特征频率)时具有适当低的功耗因子。然而，当频率超过1MHz时，功耗因子会大幅增加，并造成电容器在这一频率下无法在物件操作中使用。
本发明是基于发现当DLC薄膜掺有微量的硅时可导致介电强度大幅增加，以及使高频时的功耗因子降低这一情况。已知掺杂硅可减少磨擦系数和改进磨擦(tribological)特性；参见Demichelis等人，MaterialsScience and Engineering，B11，313-316(1992)。然而，据信并未有关介电性质可由掺杂硅来获得改良的报告。
本发明的一个特点是包含由至少一个电介质层分隔开来的至少两个导电层的电容器，该电介质层为具有硅含量约为1-10原子百分比的掺杂硅的非晶氢化碳。
本发明的另一特点是制造电容器的方法，它包含提供第一个导电性层；将上述掺杂硅非晶体氢化碳电介质层淀积在该导电层上；以及将第二导电层淀积在该电介质层上。
和传统的电容器一样，本发明的电容器包含至少两个由至少一个电介质层分隔开来的导电层。它们包括堆积式(stacked)电容器，其中多个导电层被至少一个电介质层分隔开来。导电层为导电性金属，通常是铝，锌或铝/锌合金。
本发明电容器中之一个或以上的电介质层主要是DLC。已知有各种不同的方法可用来使DLC淀积在导电层上；它们包括等离子增强化学蒸发淀积法(以下称作“PECVD”)，串级(cascaded)电弧法，喷溅法和离子束淀积法。
在典型的PECVD操作中，碳的来源是挥发性有机化合物，比如C1-4烷类，丁二烯，乙炔，丙酮，丁酮，甲苯或乙苯。通常优选像甲烷及丁二烯的烃类。有机化合物一般是以氩气之类的惰性气体加以稀释。典型的淀积条件包括氩气及有机化合物，流量大约为60-80sccm，动力密度大约为0.5-0.75W/cm2，衬底温度大约为20-40℃，压力大约为100-300毫托耳，而时间大约为20-40分钟，以便制造出厚度大约为7,000-10,000的碳薄膜。
在导电层被淀积之前，最好把导电层与碳层粘合。这可在较高的动力密度——通常是在约0.5-0.75W/cm2之间的条件下以大约10-15分钟的氩气流量——一般约为60-80sccm来完成。当该条件操作完成时，可开始短暂的有机化合物流动以便提供粘附界面。然后可降低动力，维持氩气和有机化合物的流动，并持续进行淀积直到制造出所需厚度——通常约为5,000-10,000-的电介质层为止。
依据本发明，在淀积操作中加入的材料包括具有硅化合物的掺杂物。适合的硅化合物包括硅烷(即硅-氢化合物)，四烷氧基硅烷和聚有机硅氧烷(以下称作“硅氧烷”)。由于其高挥发性，最好为硅烷(即化学式SinH2n+2的硅-氢化合物)和像四乙氧基硅烷之类的具有较低碳数的烷氧基硅烷(“较低碳数”是指含有最多7个碳原子的烷氧基)，其中尤以硅烷(SiH4)最适合。
当硅化合物为像硅烷或四乙氧基硅烷的挥发物时，它可方便地与淀积时所用的氩气相结合。像硅氧烷之类的非挥发性硅化合物可在淀积容器中和在引起大气饱和的条件下进行加热。
一般来讲，所用的条件为可在合理时间内提供所需求之硅比例者。在与氩气结合的情形下，适用的条件通常是氩气中含有容积浓度约为1-10％-以硅试剂及氩气总和为计算基准—的硅试剂。通常最好在碳淀积已经开始后才逐渐加入硅试剂。可使用化学分析电子光谱(ESCA)的分析法来测定硅的比例。
淀积处理的最后阶段通常是在和衬底的初始条件相同条件下进行。包括高的动力值，没有硅试剂和逐渐减少碳化合物的流量。
本发明方法可用来制造含有由单一电介质层分隔开来的两个导电层的电容器。另外，对具有多个电介质及导电层进行淀积的处理及产品也是在本发明范围内。
藉由使用两个硅晶片—各个晶片有以喷溅法涂覆且其厚度为1000的铝—的实施例来说明本发明。控制组晶片由如下的氩气等离子处理进行调节：压力，毫托耳 200氩气流量，sccm 75功率密度，W/cm2 0.61衬底温度， 30时间，分钟 12
然后将丁二烯加入75sccm的等离子中，并使粘着界面淀积1分钟。使功率密度降低至0.11W/cm2，并进行30分钟的DLC淀积以达到大约8500的厚度。然后再度使功率密度上升至0.61W/cm2，并使丁二烯流量逐渐减少至0。
以相同方式处理本发明的第二个晶片，不同的是淀积步骤中的氩气流量以含有2(容积)％硅的氩气流量来取代。淀积完成时，再度以氩气取代硅—氩气混合物，然后以和控制组相同的方式来停止淀积。
以喷溅方式使各个DLC薄膜上淀积有直径6.4mm和厚度250的铝点电极阵列，并进行介电强度及功耗因子的量测。结果列在下表中。
控制 掺杂有Si原子％的硅，依据ESCA量测 0 2介电强度，MV/cm：平均值 3.7 4.6峰值 4.1 5.1功耗因子：100KHz 0.03 0.051MHz 0.4 0.05
很明显，无论是在平均值及最大介电强度上，以及在大频率范围内维持低且一致的功耗因子方面，本发明掺杂硅的样品均要优于控制。