[发明专利]一种重掺杂硅屏蔽硅通孔结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明属于面向高频应用的三维集成电路领域，涉及硅通孔结构及其制造方法，具体涉及一种重掺杂硅屏蔽硅通孔结构及其制造方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，半导体器件特征尺寸逐渐减小，集成电路的集成度也逐渐增大，摩尔定律受到越来越多的挑战，主要包括：(1)、晶体管的特征尺寸逐渐达到工艺极限，量子效应和短沟道效应越来越严重；(2)、随着工作频率越来越高，由互连线寄生电阻、电容和电感等寄生效应所造成的时序问题；(3)、连线电容、漏电流以及短路造成的功耗；(4)、由于互连线密度过大引发耦合和串扰；(5)、功率密度增加导致的散热困难、工艺过程中的热循环和退火带来的热应变等可靠性问题。

三维集成电路采用专门的技术将传统的二维集成电路垂直堆叠起来，通过硅通孔实现层间垂直互连，从而大大提高了集成度，同时减小了功耗，提高了系统性能，因此被业界公认为延续摩尔定律最有效的途径之一，成为近年来的研究热点。

硅通孔作为三维集成电路中关键结构，起到三维集成电路的上下层芯片之间的信号互连作用。但是，随着三维集成电路集成度的不断提高，硅通孔密度大幅度增加，硅通孔之间、以及硅通孔与周围硅衬底其他器件之间的距离不断缩小，信号通道之间的耦合、串扰也随之增加。当电路工作频率提高时，尤其是工作在毫米波甚至亚毫米波段时，硅通孔之间的信号耦合影响足以淹没整个信号传输，严重影响着信号通道的信号完整性。

目前已有的硅通孔结构可以分为锥型硅通孔、圆柱型硅通孔、环型硅通孔和同轴硅通孔四种类型，其中锥型硅通孔、圆柱型硅通孔和环型硅通孔由于结构上的限制，都不具备屏蔽信号噪声的功能，只适用于低频的情况；而同轴硅通孔由于外层接地金属环的存在，因而具有优越的高频电传输特性，但是外层金属的制作大幅增加了工艺的复杂度和成本，而且在周围半导体衬底中引入了热应力，带来三维集成电路的热机械可靠性问题。

因此，针对上述问题，有必要提出一种工艺简单、成本低廉、且具有良好高频信号完整性的硅通孔结构。

发明内容

发明目的：本发明针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本发明的第一个目的为提供了一种重掺杂硅屏蔽硅通孔结构。本发明的第二个目的为提供了一种重掺杂硅屏蔽硅通孔的制造方法。重掺杂硅屏蔽硅通孔可以屏蔽硅通孔对周围硅衬底和其它临近器件的耦合噪声，保证硅通孔和三维集成电路的高频信号完整性。

技术方案：一种重掺杂硅屏蔽硅通孔结构，从外向内依次为半导体衬底、重掺杂硅屏蔽层、介质层和金属柱层，

所述重掺杂硅屏蔽层的厚度为0.1～1μm；

所述介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种，所述介质层的厚度为0.1～1μm；

所述金属柱层的半径为2～5μm。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽硅通孔结构的一种优选方案：所述半导体衬底为硅衬底。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽通孔结构的一种优选方案：所述重掺杂硅屏蔽层为P型重掺杂硅屏蔽层或N型重掺杂硅屏蔽层。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽通孔结构的一种优选方案：所述重掺杂硅屏蔽层接地。其作用为屏蔽噪声信号。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽通孔结构的一种优选方案：所述金属柱层为铜柱或铝柱。金属柱层用于信号传输。

一种重掺杂硅屏蔽硅通孔的制造方法，包括以下步骤：

(1)在半导体衬底上通过反应离子的方式刻蚀通孔，所述通孔孔径为4.2～14μm；

(2)在步骤(1)所述通孔的内表面通过高温扩散和离子注入制备重掺杂硅屏蔽层；

(3)在步骤(2)所述通孔的内表面通过化学气相淀积法制备介质层；

(4)在步骤(3)所述介质层的表面通过物理气相淀积法制备金属柱层，直至完全填满为止；

(5)在所述半导体衬底和硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到所述半导体衬底和硅通孔的上表面平整后为止。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽硅通孔的制造方法的一种优选方案：步骤(2)中所述重掺杂硅屏蔽层为P型重掺杂硅屏蔽层或N型重掺杂硅屏蔽层，所述重掺杂硅屏蔽层的厚度为0.1～1μm。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽硅通孔的制造方法的一种优选方案：所述介质层为二氧化硅层或氮化硅层或氮氧化硅层，所述介质层的厚度为0.1～1μm。

作为本发明中一种重掺杂硅屏蔽硅通孔的制造方法的一种优选方案：所述金属柱层为铜柱或铝柱，所述金属柱层的半径为2～5μm。

有益效果：本发明公开的一种重掺杂硅屏蔽硅通孔与现有硅通孔结构相比具有以下有益效果：