[0055]現(xiàn)有技術(shù)中普遍采用外層金屬接地的同軸硅通孔技術(shù)，雖然可以起到屏蔽噪聲的作用，從而提高硅通孔信號通道的信號完整性，但是由于金屬與半導(dǎo)體襯底的熱匹配系數(shù)存在差異，傳統(tǒng)同軸硅通孔的外層金屬會在周圍硅片中引入熱應(yīng)力，帶來熱機(jī)械可靠性問題;雖然利用P+型摻雜來代替外層金屬可以緩解熱機(jī)械可靠性問題，但是依然需要將P+型摻雜層接地。
[0056]本發(fā)明通過在娃通孔周圍摻入一層N型雜質(zhì)，N型雜質(zhì)與其周圍的P型襯底形成PN結(jié)，利用PN結(jié)空間電荷區(qū)起到隔離和屏蔽信號的作用，具體原理如圖3所示:由于P型襯底是接最低電位，當(dāng)信號通過硅通孔時，N型摻雜層的電位比P型襯底的電位高，這時候就形成了反偏PN結(jié)，可以等效為PN結(jié)二極管，方向由P—N;隨著信號的增大，空間電荷區(qū)加寬，更好地起到隔斷和屏蔽信號的作用。本發(fā)明相對于傳統(tǒng)的同軸結(jié)構(gòu)使用反偏PN結(jié)自動實現(xiàn)噪聲屏蔽，省去了接地環(huán)節(jié)，同時減少了金屬的使用，提高了熱機(jī)械可靠性。
[0057]實施例1:
[0058]步驟1、選取P型摻雜的硅襯底作為襯底I；
[0059]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
2.6μπι ；
[0060]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;
[0061 ]具體按照以下步驟實施:
[0062]步驟3.1、采用恒定表面源擴(kuò)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；
[0063]步驟3.2、采用有限表面源擴(kuò)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(kuò)散爐中，水平擴(kuò)散爐的爐溫為950°C，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進(jìn)一步向襯底I內(nèi)擴(kuò)散以形成N型摻雜層3，N型摻雜層3的表面濃度和摻雜深度為0.5μπι。
[0064]步驟4、采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法，并且采用硅烷氣體和氨氣作為反應(yīng)氣體，制備氮化娃層作為介質(zhì)層4，氮化娃層的厚度為0.Ιμπι;
[0005]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2μπι。
[0066]步驟6、對襯底I和硅通孔的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)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。
[0067]實施例2:
[0068]步驟1、選取P型摻雜的硅襯底作為襯底I；
[0069]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4μm；
[0070]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;
[0071 ]具體按照以下步驟實施:
[0072]步驟3.1、采用恒定表面源擴(kuò)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；
[0073]步驟3.2、采用有限表面源擴(kuò)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(kuò)散爐中，水平擴(kuò)散爐的爐溫為1000°c，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進(jìn)一步向襯底I內(nèi)擴(kuò)散以形成N型摻雜層3，N型摻雜層3的表面濃度和摻雜深度為Ιμπι。
[0074]步驟4、采用等離子體增強(qiáng)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，制備氮氧化娃層作為介質(zhì)層4，氮氧化娃層的厚度為0.3μηι;
[0075]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2.7μπι。
[0076]步驟6、對襯底I和硅通孔的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)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。
[0077]實施例3:
[0078]步驟1、選取P型摻雜的硅襯底作為襯底I；
[0079]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6μm；
[0080]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;
[0081 ]具體按照以下步驟實施:
[0082]步驟3.1、采用恒定表面源擴(kuò)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；
[0083]步驟3.2、采用有限表面源擴(kuò)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(kuò)散爐中，水平擴(kuò)散爐的爐溫為1050°C，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進(jìn)一步向襯底I內(nèi)擴(kuò)散以形成N型摻雜層3，N型摻雜層3的表面濃度和摻雜深度為1.5μπι。
[0084]步驟4、采用常壓化學(xué)氣相淀積法在步驟3制備的N型摻雜層3的內(nèi)表面制備二氧化硅層作為介質(zhì)層4，二氧化硅層的厚度為0.5μπι ；
[0085]具體按照以下步驟實施:
[0086]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)；
[0087]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;
[0088]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(dá)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，形成二氧化娃層；
[0089]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4μπι。
[0090]步驟6、對襯底I和硅通孔的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)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。
【主權(quán)項】
1.一種基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，從外到內(nèi)依次設(shè)置為P型半導(dǎo)體襯底(I)、N型摻雜層(3)、介質(zhì)層(4)和金屬柱(5)，所述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)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述P型半導(dǎo)體襯底(I)為P型摻雜的硅襯底。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述N型摻雜層(3)的表面濃度和摻雜深度為0.5?I.5μπι。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)層(4)為二氧化娃層、氮化娃層、氮氧化娃層中的一種;所述介質(zhì)層(4)的厚度為0.1?0.5μηι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述金屬柱(5)為銅柱、鎢柱或鋁柱中的一種;所述金屬柱(5)的半徑為2?4μπι。6.—種權(quán)利要求1所述基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，具體按照以下步驟實施: 步驟1、選定襯底(I); 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； 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); 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); 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； 步驟6、對襯底(I)和硅通孔的上表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)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。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述步驟I中選定的襯底(I)為P型摻雜的硅襯底;所述步驟2中在襯底(I)上刻蝕的通孔半徑為2.6?6μπι;所述步驟3制備的N型摻雜層(3)的表面濃度和摻雜深度為0.5?1.5μπι;所述步驟4制備的介質(zhì)層(4)的厚度為0.1?0.5μηι;所述步驟5制備的金屬柱(5)的半徑為2?4μηι。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述步驟3具體按照以下步驟實施: 步驟3.1、采用恒定表面源擴(kuò)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； 步驟3.2、采用有限表面源擴(kuò)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(kuò)散爐中，使步驟3.1中淀積的雜質(zhì)原子進(jìn)一步向襯底(I)內(nèi)擴(kuò)散以形成N型摻雜層(3)。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述步驟3.2中的水平擴(kuò)散爐的爐溫為950 °C -1050 °C。10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于，所述步驟4制備的介質(zhì)層(4)為二氧化硅層、氮化硅層、氮氧化硅層中的一種；當(dāng)所述介質(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: 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)； 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 ； 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(dá)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)； 當(dāng)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(qiáng)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； 當(dāng)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(qiáng)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。
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于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)。本發(fā)明還公開了該基于PN結(jié)的硅通孔結(jié)構(gòu)的制作方法。本發(fā)明與傳統(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(dá)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(jī)械可靠性。
【IPC分類】H01L23/48, H01L21/768
【公開號】CN105633040
【申請?zhí)枴緾N201610112002
【發(fā)明人】王鳳娟, 王剛, 余寧梅
【申請人】西安理工大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2016年2月29日