一種基于pn結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于三維集成電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還涉及該基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，微電子器件的尺寸按照摩爾定律持續(xù)減小，集成電路的集成度也逐漸增大，電子產(chǎn)品性能得到空前提高。但是隨著尺寸減小到深亞微米甚至納米量級后，摩爾定律受到越來越多的挑戰(zhàn)，主要包括:首先，晶體管的特征尺寸逐漸達到物理極限，量子效應(yīng)和短溝道效應(yīng)越來越嚴重;其次，隨著集成電路復(fù)雜度和晶體管數(shù)量的不斷增加，芯片的面積也在不斷增加，導(dǎo)致互連線的數(shù)量和長度迅速增加，集成電路的設(shè)計、性能和可靠性都受到嚴重影響。例如長度和延時的增加使電路同步工作異常困難，加之頻率串擾增加，互連密度劇增，交叉干擾等因素的影響，導(dǎo)致互連危機產(chǎn)生。而且隨著工作頻率越來越高，由互連線寄生電阻、電容和電感等寄生效應(yīng)所造成的時序問題，連線電容、漏電流以及短路造成的功耗，由于互連線密度過大引發(fā)的耦合和串擾，功率密度增加導(dǎo)致的散熱困難等問題越發(fā)明顯。三維集成電路不再一味追求小尺寸，而是將傳統(tǒng)的二維集成電路垂直堆疊起來，通過硅通孔實現(xiàn)層間垂直互連，從而大大提高了集成度，同時減小了功耗、提高了系統(tǒng)性能，并且可以實現(xiàn)模擬、射頻、邏輯電路等多種不同功能模塊的異構(gòu)集成，相對于下一代器件其技術(shù)成本也有所降低?？偠灾?，采用TSV互連的3D IC具有普通二維芯片無法比擬的優(yōu)勢，為系統(tǒng)集成提供了嶄新的思路，將引發(fā)集成電路發(fā)展的根本性改變，被國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展藍圖(Internat1nal Technology Roadmap of Semiconductor,ITRS)預(yù)測為摩爾定律持續(xù)有效的有力保證。
[0003]硅通孔作為三維集成電路中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，在三維集成電路中起到上下層芯片之間的信號互連作用，縮短了互連線的長度，減小了互連線的延時和損耗。但是，隨著三維集成電路集成度的不斷提高和復(fù)雜性的持續(xù)增長，硅通孔密度大幅度增加，硅通孔之間的電學(xué)耦合不能忽略;硅通孔之間、以及硅通孔與周圍硅襯底其他器件之間的距離不斷縮小，信號通道之間的耦合、串擾也隨之增加。當電路工作頻率提高時，硅通孔成為三維集成電路中的一個主要噪聲源，尤其是工作在毫米波段甚至亞毫米波段時，硅通孔上的高速信號會與有源器件區(qū)域相互作用，導(dǎo)致電路故障和信號完整性的問題，甚至硅通孔自身寄生參量的影響足以淹沒整個信號傳輸，嚴重影響著信號通道的信號完整性。因此，針對上述問題，有必要提出一種具有高電學(xué)可靠性的硅通孔結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，解決現(xiàn)有技術(shù)中的圓柱形硅通孔結(jié)構(gòu)隔離層必須接地、使用麻煩的問題，并且大幅度提高硅通孔結(jié)構(gòu)的電學(xué)可靠性。
[0005]本發(fā)明的另一個目的是提供該基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法。
[0006]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，從外到內(nèi)依次設(shè)置為P型半導(dǎo)體襯底、N型摻雜層、介質(zhì)層和金屬柱，P型半導(dǎo)體襯底與N型摻雜層之間形成PN結(jié)空間電荷區(qū)，N型摻雜層、PN結(jié)空間電荷區(qū)及P型半導(dǎo)體襯底構(gòu)成PN結(jié)。
[0007]本發(fā)明的特點還在于:
[0008]P型半導(dǎo)體襯底為P型摻雜的硅襯底。
[0009]N型摻雜層的表面濃度和摻雜深度為0.5?1.5μπι。
[0010]介質(zhì)層為二氧化硅層、氮化硅層、氮氧化硅層中的一種;介質(zhì)層的厚度為0.1?0.5μπι。
[0011]金屬柱為銅柱、鎢柱或鋁柱中的一種;金屬柱的半徑為2?4μπι。
[0012]本發(fā)明的另一個技術(shù)方案是:
[0013]—種上述基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，具體按照以下步驟實施:
[OOM]步驟1、選定襯底；
[0015]步驟2、采用反應(yīng)離子法在襯底上刻蝕貫通襯底上下表面的通孔；
[0016]步驟3、在步驟2刻蝕形成的通孔內(nèi)表面制備N型摻雜層；
[0017]步驟4、在步驟3制備的N型摻雜層的內(nèi)表面制備介質(zhì)層；
[0018]步驟5、采用物理氣相淀積法在步驟4制備的介質(zhì)層以內(nèi)制備金屬柱，直至金屬柱將襯底中的通孔完全填滿為止；
[0019]步驟6、對襯底和硅通孔的上表面進行化學(xué)機械拋光，直到襯底和硅通孔的上表面平整為止，即完成該基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作。
[0020]本發(fā)明另一個技術(shù)方案的特點還在于:
[0021 ]步驟I中選定的襯底為P型摻雜的硅襯底;步驟2中在襯底上刻蝕的通孔半徑為2.6?6μπι;步驟3制備的N型摻雜層的表面濃度和摻雜深度為0.5?1.5μπι;步驟4制備的介質(zhì)層的厚度為0.1?0.5μηι;步驟5制備的金屬柱的半徑為2?4μηι。
[0022]步驟3具體按照以下步驟實施:
[0023]步驟3.1、采用恒定表面源擴散方式在步驟2刻蝕形成的通孔內(nèi)表面淀積雜質(zhì)原子；
[0024]步驟3.2、采用有限表面源擴散方式將步驟3.1淀積好雜質(zhì)原子的襯底放入到水平擴散爐中，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進一步向襯底內(nèi)擴散以形成N型摻雜層。
[0025]步驟3.2中的水平擴散爐的爐溫為950 °C -1050 °C。
[0026]步驟4制備的介質(zhì)層為二氧化硅層、氮化硅層、氮氧化硅層中的一種；當介質(zhì)層為二氧化硅層時，采用的制備工藝為常壓化學(xué)氣相淀積法，且步驟4具體按照以下步驟實施:
[0027]步驟4.1、將經(jīng)過步驟3的襯底放入到反應(yīng)爐中，反應(yīng)爐的溫度保持在240?450°C范圍內(nèi)；
[0028]步驟4.2、采用計量栗計量硅烷氣體，并采用轉(zhuǎn)子流量計計量氧氣，使氧氣和硅烷氣體的流量比不小于3:1;
[0029]步驟4.3、將硅烷氣體加壓后輸送到汽化爐中，并將氧氣輸送到鼓泡瓶中，將鼓泡瓶內(nèi)的反應(yīng)溶液經(jīng)恒溫加熱器加熱到340°C-360°C，氧氣在鼓泡瓶中與水蒸氣混合后，再通入到預(yù)熱爐中，并將經(jīng)過汽化爐的硅烷氣體也通入到預(yù)熱爐中與氧氣混合，使硅烷氣體和氧氣的混合氣體達到380?450 °C，最后，將硅烷氣體和氧氣的混合氣體通入到反應(yīng)爐，硅烷氣體和氧氣的混合氣體在反應(yīng)爐中被吸附到步驟3制備的N型摻雜層的內(nèi)表面，形成介質(zhì)層；
[0030]當介質(zhì)層為氮化硅層時，采用的制備工藝為等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，并且米用娃燒氣體和氨氣作為反應(yīng)氣體；
[0031]當介質(zhì)層為氮氧化硅層時，采用的制備工藝為等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，并且采用一氧化二氮氣體和硅烷氣體作為反應(yīng)氣體。
[0032]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)同軸結(jié)構(gòu)的圓柱形硅通孔相比，其采用N型摻雜層與P型半導(dǎo)體襯底形成PN結(jié)，在三維集成電路工作時處于反偏狀態(tài)，自動實現(xiàn)隔離噪聲的作用，達到較高的高頻信號完整性。并且本發(fā)明的硅通孔結(jié)構(gòu)省去了接地環(huán)節(jié)，同時減少了金屬的使用，提高了熱機械可靠性。
【附圖說明】
[0033]圖1為本發(fā)明基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖；
[0034]圖2為本發(fā)明基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的橫向剖面圖；
[0035]圖3為本發(fā)明基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的等效電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖中，1.P型半導(dǎo)體襯底，2.PN結(jié)空間電荷區(qū)，3.N型摻雜層，4.介質(zhì)層，5.金屬柱。
【具體實施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述:
[0038]一種基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示，從外到內(nèi)依次設(shè)置為P型半導(dǎo)體襯底1、?^型摻雜層3、介質(zhì)層4和金屬柱5，P型半導(dǎo)體襯底I與N型摻雜層3之間形成PN結(jié)空間電荷區(qū)2，N型摻雜層3、PN結(jié)空間電荷區(qū)2及P型半導(dǎo)體襯底I構(gòu)成PN結(jié)，該PN結(jié)在三維集成電路工作時處于反偏狀態(tài);金屬柱5用于信號傳輸。P型半導(dǎo)體襯底I為P型摻雜的娃襯底。N型摻雜層3的表面濃度和摻雜深度為0.5?1.5μηι。介質(zhì)層4為二氧化娃層、氮化娃層、氮氧化娃層中的一種;介質(zhì)層4的厚度為0.1?0.5μηι。金屬柱5為銅柱、媽柱或招柱中的一種;金屬柱5的半徑為2?4μηι。
[0039]—種上述基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，具體按照以下步驟實施:
[0040]步驟1、選取P型摻雜的硅襯底作為襯底I；
[0041]步驟2、采用反應(yīng)離子法在襯底I上刻蝕貫通襯底I上下表面的通孔，通孔半徑為2.6?6ym;
[0042]步驟3、在步驟2刻蝕形成的通孔內(nèi)表面制備N型摻雜層3;Ν型摻雜層3的表面濃度和摻雜深度為0.5?1.5μηι;
[0043]具體按照以下步驟實施:
[0044]步驟3.1、采用恒定表面源擴散方式在步驟2刻蝕形成的通孔內(nèi)表面淀積雜質(zhì)原子；
[0045]步驟3.2、采用有限表面源擴散方式將步驟3.1淀積好雜質(zhì)原子的襯底I放入到水平擴散爐中，水平擴散爐的爐溫為950°C_1050°C，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進一步向襯底I內(nèi)擴散以形成N型摻雜層3。
[0046]步驟4、在步驟3制備的N型摻雜層3的內(nèi)表面制備介質(zhì)層4，介質(zhì)層4的厚度為0.1?
0.5μηι ；
[0047]當介質(zhì)層4為二氧化硅層時，采用的制備工藝為常壓化學(xué)氣相淀積法，且步驟4具體按照以下步驟實施:
[0048]步驟4.1、將經(jīng)過步驟3的襯底I放入到反應(yīng)爐中，反應(yīng)爐的溫度保持在240?450°C范圍內(nèi)；
[0049]步驟4.2、采用計量栗計量硅烷氣體，并采用轉(zhuǎn)子流量計計量氧氣，使氧氣和硅烷氣體的流量比不小于3:1;
[0050]步驟4.3、將硅烷氣體加壓后輸送到汽化爐中，并將氧氣輸送到鼓泡瓶中，將鼓泡瓶內(nèi)的反應(yīng)溶液經(jīng)恒溫加熱器加熱到340°C-360°C，氧氣在鼓泡瓶中與水蒸氣混合后，再通入到預(yù)熱爐中，并將經(jīng)過汽化爐的硅烷氣體也通入到預(yù)熱爐中與氧氣混合，使硅烷氣體和氧氣的混合氣體達到380?450 °C，最后，將硅烷氣體和氧氣的混合氣體通入到反應(yīng)爐，硅烷氣體和氧氣的混合氣體在反應(yīng)爐中被吸附到步驟3制備的N型摻雜層3的內(nèi)表面，形成介質(zhì)層4 ；
[0051]當所述介質(zhì)層4為氮化硅層時，采用的制備工藝為等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，并且米用娃燒氣體和氨氣作為反應(yīng)氣體；
[0052]當所述介質(zhì)層4為氮氧化硅層時，采用的制備工藝為等離子體增強化學(xué)氣相沉積法，并且采用一氧化二氮氣體和硅烷氣體作為反應(yīng)氣體。
[0053]步驟5、采用物理氣相淀積法在步驟4制備的介質(zhì)層4以內(nèi)制備金屬柱5，直至金屬柱5將襯底I中的通孔完全填滿為止;金屬柱5的半徑為2?4μπι;
[0054]步驟6、對襯底I和硅通孔的上表面進行化學(xué)機械拋光，直到襯底I和硅通孔的上表面平整為止，即完成該基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作。