[发明专利]采用导电贯穿基板通路的集成去耦电容器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体结构的领域，特别是涉及采用导电贯穿基板通路的去耦电容器及其制造方法。

背景技术

近年来，已经提出了“三维硅”（3D Si）结构，其能够接合安装在封装或系统板上的多个硅芯片和/或晶片。3D Si结构提高了集成在给定空间内的有源电路的密度。

随着单元面积的电路密度的增加，每单位面积的开关活动量也增加。这导致参考电源上产生的噪声的增加。由于噪声增加，内部器件的性能以及片外驱动器（off-chip driver）的性能由于系统设计的可用的噪声容限减小而被不利地影响。

目前，通过在有源硅器件内埋设深沟槽电容器（DTC）来控制此噪声。为了获得足够程度的去耦，需要大阵列的DTC。随着3D Si结构中电路密度、开关活动和电源分配结构的改善，需要更多的DTC来控制噪声发生。此外，由于形成多个DTC阵列，有源电路和DTC阵列之间的电感系数增加，从而要求形成附加的DTC来存储能量，该能量用于平衡反向电磁力（back electromagnetic force）噪声。

噪声的电压Vn由下式给出：

Vn=L×（dI/dt），

其中L是电感系数，I是电流，且t是时间。随着电感系数（L）增加，或者随着电流变化（dl/dt）的速率（与电路开关速率成正比）增加，噪声Vn成正比增加。

以上考虑显示需要一种具有低电感的电容结构以控制3D Si结构内产生的或者传送到3DSi结构中的电感噪声。

发明内容

根据本发明的实施例，半导体基板中的电容器采用作为内部电极的导电贯穿基板通路（TSV）和作为外部电极的柱状掺杂半导体区域。电容器在很小的区域中提供很大的去耦电容，并且不影响电路密度或Si 3D结构设计。附加的导电TSV可提供在半导体基板中以提供其中的电源线和信号传输的电连接。该电容器与具有可比电容的传统阵列电容器相比具有更低的电感系数，因此能减小堆叠的半导体芯片的电源系统上的高频噪声。

根据本发明的一个方面，半导体结构包括：半导体芯片，其包括半导体基板；至少一个电容器，埋设在半导体基板中；以及至少一个横向绝缘的导电贯穿基板连接结构。至少一个电容器的每一个都包括：内部电极，包括导电贯穿基板通路（TSV）结构；节点电介质，横向接触且横向包封内部电极；以及外部电极，横向接触且横向包封节点电介质的一部分。

根据本发明的另一个方面，半导体结构包括设置在半导体基板中的电容器和设置在半导体基板上的接触结构。该电容器包括内部电极、节点电介质和外部电极。内部电极包括导电贯穿基板通路（TSV）结构，其连续延伸至少从半导体基板的上表面到半导体基板的下表面。节点电介质横向接触且横向包封内部电极，并且连续延伸从上表面到下表面。外部电极横向接触且横向包封节点电介质的一部分。接触结构导电连接到外部电极。

根据本发明的再一个方面，提供形成半导体结构的方法。该方法包括在半导体基板中形成电容器且横向绝缘的导电贯穿基板连接结构。横向绝缘的导电贯穿基板连接结构通过在半导体基板中形成的第一贯穿基板空腔周围形成电介质管状结构而形成；并且用导电材料填充电介质管状结构内的空腔。电容器通过掺杂半导体基板的一部分形成外部电极而形成在第二贯穿基板空腔周围；在第二贯穿基板空腔的表面上形成节点电介质；并且通过用导电材料填充第二通过基板空腔而形成内部电极。

根据本发明的又一个方面，提供形成半导体结构的方法。该方法包括提供半导体芯片以及采用焊料球阵列电连接半导体芯片到安装结构。半导体芯片包括半导体基板；至少一个电容器，埋设在半导体基板中；以及至少一个横向绝缘的导电贯穿基板连接结构。至少一个电容器具有包括导电贯穿基板通路（TSV）结构的内部电极。

附图说明

图1-18是根据本发明第一实施例的第一示范性结构通过各种工艺步骤的顺序垂直截面图。

图19是根据本发明第二实施例的第二示范性结构的垂直截面图。

图20是根据本发明第三实施例的第三示范性结构的垂直截面图。

图21是示出模拟结果的曲线图，其示出了在根据本发明实施例的示范性结构提供的高频下的噪声减小。

具体实施方式

如上所述，本发明涉及半导体结构，具体涉及采用导电贯穿基板通路的去耦电容器及其制造方法，现在参考附图进行详细描述。在全部附图中，相同的参考标号或字母用于表示类似或等价的元件。附图不必按比例绘制。