一种基于pn结的硅通孔结构及其利记博彩app
【技术领域】
[0001]本发明属于三维集成电路技术领域，具体涉及一种基于PN结的硅通孔结构，本发明还涉及该基于PN结的硅通孔结构的利记博彩app。
【背景技术】
[0002]随着微电子技术的发展，微电子器件的尺寸按照摩尔定律持续减小，集成电路的集成度也逐渐增大，电子产品性能得到空前提高。但是随着尺寸减小到深亚微米甚至纳米量级后，摩尔定律受到越来越多的挑战，主要包括:首先，晶体管的特征尺寸逐渐达到物理极限，量子效应和短沟道效应越来越严重;其次，随着集成电路复杂度和晶体管数量的不断增加，芯片的面积也在不断增加，导致互连线的数量和长度迅速增加，集成电路的设计、性能和可靠性都受到严重影响。例如长度和延时的增加使电路同步工作异常困难，加之频率串扰增加，互连密度剧增，交叉干扰等因素的影响，导致互连危机产生。而且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，连线电容、漏电流以及短路造成的功耗，由于互连线密度过大引发的耦合和串扰，功率密度增加导致的散热困难等问题越发明显。三维集成电路不再一味追求小尺寸，而是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，并且可以实现模拟、射频、逻辑电路等多种不同功能模块的异构集成，相对于下一代器件其技术成本也有所降低。总而言之，采用TSV互连的3D IC具有普通二维芯片无法比拟的优势，为系统集成提供了崭新的思路，将引发集成电路发展的根本性改变，被国际半导体技术发展蓝图(Internat1nal Technology Roadmap of Semiconductor,ITRS)预测为摩尔定律持续有效的有力保证。
[0003]硅通孔作为三维集成电路中的关键结构，在三维集成电路中起到上下层芯片之间的信号互连作用，缩短了互连线的长度，减小了互连线的延时和损耗。但是，随着三维集成电路集成度的不断提高和复杂性的持续增长，硅通孔密度大幅度增加，硅通孔之间的电学耦合不能忽略;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，硅通孔成为三维集成电路中的一个主要噪声源，尤其是工作在毫米波段甚至亚毫米波段时，硅通孔上的高速信号会与有源器件区域相互作用，导致电路故障和信号完整性的问题，甚至硅通孔自身寄生参量的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。因此，针对上述问题，有必要提出一种具有高电学可靠性的硅通孔结构。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种基于PN结的硅通孔结构，解决现有技术中的圆柱形硅通孔结构隔离层必须接地、使用麻烦的问题，并且大幅度提高硅通孔结构的电学可靠性。
[0005]本发明的另一个目的是提供该基于PN结的硅通孔结构的利记博彩app。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种基于PN结的硅通孔结构，从外到内依次设置为P型半导体衬底、N型掺杂层、介质层和金属柱，P型半导体衬底与N型掺杂层之间形成PN结空间电荷区，N型掺杂层、PN结空间电荷区及P型半导体衬底构成PN结。
[0007]本发明的特点还在于:
[0008]P型半导体衬底为P型掺杂的硅衬底。
[0009]N型掺杂层的表面浓度和掺杂深度为0.5?1.5μπι。
[0010]介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种;介质层的厚度为0.1?0.5μπι。
[0011]金属柱为铜柱、钨柱或铝柱中的一种;金属柱的半径为2?4μπι。
[0012]本发明的另一个技术方案是:
[0013]—种上述基于PN结的硅通孔结构的利记博彩app，具体按照以下步骤实施:
[OOM]步骤1、选定衬底；
[0015]步骤2、采用反应离子法在衬底上刻蚀贯通衬底上下表面的通孔；
[0016]步骤3、在步骤2刻蚀形成的通孔内表面制备N型掺杂层；
[0017]步骤4、在步骤3制备的N型掺杂层的内表面制备介质层；
[0018]步骤5、采用物理气相淀积法在步骤4制备的介质层以内制备金属柱，直至金属柱将衬底中的通孔完全填满为止；
[0019]步骤6、对衬底和硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到衬底和硅通孔的上表面平整为止，即完成该基于PN结的硅通孔结构的制作。
[0020]本发明另一个技术方案的特点还在于:
[0021 ]步骤I中选定的衬底为P型掺杂的硅衬底;步骤2中在衬底上刻蚀的通孔半径为2.6?6μπι;步骤3制备的N型掺杂层的表面浓度和掺杂深度为0.5?1.5μπι;步骤4制备的介质层的厚度为0.1?0.5μηι;步骤5制备的金属柱的半径为2?4μηι。
[0022]步骤3具体按照以下步骤实施:
[0023]步骤3.1、采用恒定表面源扩散方式在步骤2刻蚀形成的通孔内表面淀积杂质原子；
[0024]步骤3.2、采用有限表面源扩散方式将步骤3.1淀积好杂质原子的衬底放入到水平扩散炉中，使步骤3.1中淀积的杂质原子进一步向衬底内扩散以形成N型掺杂层。
[0025]步骤3.2中的水平扩散炉的炉温为950 °C -1050 °C。
[0026]步骤4制备的介质层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种；当介质层为二氧化硅层时，采用的制备工艺为常压化学气相淀积法，且步骤4具体按照以下步骤实施:
[0027]步骤4.1、将经过步骤3的衬底放入到反应炉中，反应炉的温度保持在240?450°C范围内；
[0028]步骤4.2、采用计量栗计量硅烷气体，并采用转子流量计计量氧气，使氧气和硅烷气体的流量比不小于3:1;
[0029]步骤4.3、将硅烷气体加压后输送到汽化炉中，并将氧气输送到鼓泡瓶中，将鼓泡瓶内的反应溶液经恒温加热器加热到340°C-360°C，氧气在鼓泡瓶中与水蒸气混合后，再通入到预热炉中，并将经过汽化炉的硅烷气体也通入到预热炉中与氧气混合，使硅烷气体和氧气的混合气体达到380?450 °C，最后，将硅烷气体和氧气的混合气体通入到反应炉，硅烷气体和氧气的混合气体在反应炉中被吸附到步骤3制备的N型掺杂层的内表面，形成介质层；
[0030]当介质层为氮化硅层时，采用的制备工艺为等离子体增强化学气相沉积法，并且米用娃烧气体和氨气作为反应气体；
[0031]当介质层为氮氧化硅层时，采用的制备工艺为等离子体增强化学气相沉积法，并且采用一氧化二氮气体和硅烷气体作为反应气体。
[0032]本发明的有益效果是:本发明的基于PN结的硅通孔结构，与传统同轴结构的圆柱形硅通孔相比，其采用N型掺杂层与P型半导体衬底形成PN结，在三维集成电路工作时处于反偏状态，自动实现隔离噪声的作用，达到较高的高频信号完整性。并且本发明的硅通孔结构省去了接地环节，同时减少了金属的使用，提高了热机械可靠性。
【附图说明】
[0033]图1为本发明基于PN结的硅通孔结构的纵向剖面图；
[0034]图2为本发明基于PN结的硅通孔结构的横向剖面图；
[0035]图3为本发明基于PN结的硅通孔结构的等效电路结构示意图。
[0036]图中，1.P型半导体衬底，2.PN结空间电荷区，3.N型掺杂层，4.介质层，5.金属柱。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述:
[0038]一种基于PN结的硅通孔结构，如图1、图2所示，从外到内依次设置为P型半导体衬底1、?^型掺杂层3、介质层4和金属柱5，P型半导体衬底I与N型掺杂层3之间形成PN结空间电荷区2，N型掺杂层3、PN结空间电荷区2及P型半导体衬底I构成PN结，该PN结在三维集成电路工作时处于反偏状态;金属柱5用于信号传输。P型半导体衬底I为P型掺杂的娃衬底。N型掺杂层3的表面浓度和掺杂深度为0.5?1.5μηι。介质层4为二氧化娃层、氮化娃层、氮氧化娃层中的一种;介质层4的厚度为0.1?0.5μηι。金属柱5为铜柱、妈柱或招柱中的一种;金属柱5的半径为2?4μηι。
[0039]—种上述基于PN结的硅通孔结构的利记博彩app，具体按照以下步骤实施:
[0040]步骤1、选取P型掺杂的硅衬底作为衬底I；
[0041]步骤2、采用反应离子法在衬底I上刻蚀贯通衬底I上下表面的通孔，通孔半径为2.6?6ym;
[0042]步骤3、在步骤2刻蚀形成的通孔内表面制备N型掺杂层3;Ν型掺杂层3的表面浓度和掺杂深度为0.5?1.5μηι;
[0043]具体按照以下步骤实施:
[0044]步骤3.1、采用恒定表面源扩散方式在步骤2刻蚀形成的通孔内表面淀积杂质原子；
[0045]步骤3.2、采用有限表面源扩散方式将步骤3.1淀积好杂质原子的衬底I放入到水平扩散炉中，水平扩散炉的炉温为950°C_1050°C，使步骤3.1中淀积的杂质原子进一步向衬底I内扩散以形成N型掺杂层3。
[0046]步骤4、在步骤3制备的N型掺杂层3的内表面制备介质层4，介质层4的厚度为0.1?
0.5μηι ；
[0047]当介质层4为二氧化硅层时，采用的制备工艺为常压化学气相淀积法，且步骤4具体按照以下步骤实施:
[0048]步骤4.1、将经过步骤3的衬底I放入到反应炉中，反应炉的温度保持在240?450°C范围内；
[0049]步骤4.2、采用计量栗计量硅烷气体，并采用转子流量计计量氧气，使氧气和硅烷气体的流量比不小于3:1;
[0050]步骤4.3、将硅烷气体加压后输送到汽化炉中，并将氧气输送到鼓泡瓶中，将鼓泡瓶内的反应溶液经恒温加热器加热到340°C-360°C，氧气在鼓泡瓶中与水蒸气混合后，再通入到预热炉中，并将经过汽化炉的硅烷气体也通入到预热炉中与氧气混合，使硅烷气体和氧气的混合气体达到380?450 °C，最后，将硅烷气体和氧气的混合气体通入到反应炉，硅烷气体和氧气的混合气体在反应炉中被吸附到步骤3制备的N型掺杂层3的内表面，形成介质层4 ；
[0051]当所述介质层4为氮化硅层时，采用的制备工艺为等离子体增强化学气相沉积法，并且米用娃烧气体和氨气作为反应气体；
[0052]当所述介质层4为氮氧化硅层时，采用的制备工艺为等离子体增强化学气相沉积法，并且采用一氧化二氮气体和硅烷气体作为反应气体。
[0053]步骤5、采用物理气相淀积法在步骤4制备的介质层4以内制备金属柱5，直至金属柱5将衬底I中的通孔完全填满为止;金属柱5的半径为2?4μπι;
[0054]步骤6、对衬底I和硅通孔的上表面进行化学机械抛光，直到衬底I和硅通孔的上表面平整为止，即完成该基于PN结的硅通孔结构的制作。