本发明属于三维集成电路领域，具体涉及一种运用环形硅通孔的高性能差分传输结构及其层间互连结构。
背景技术：
作为三维集成电路的关键技术之一，硅通孔技术得到了广泛的研究。利用硅通孔技术，三维集成电路可以获得更高的集成度、更短的互连长度、更好的噪声抑制能力以及更低的能力损耗。但是随着信号频率的升高，硅通孔技术带来的信号完整性问题也日趋显著，主要体现在硅通孔之间的串扰和与衬底之间的电流泄漏。另一方面，在实际加工过程中，由于硅通孔中多种材料的热膨胀系数存在差异，热应力造成了硅通孔周围衬底载流子迁移率发生改变。为了保持集成电路中器件的性能，引入了阻止区来限制晶体管的布局。
利用差分信号传输方式，可以有效提高信号的传输质量。对此，有人提出地-信号-信号-地结构的差分硅通孔传输结构来保证高速信号的传输质量，但此结构无法避免差分对之间的串扰。后来又有人提出屏蔽差分硅通孔结构(cn105810663a)，此结构可以有效屏蔽差分对之间的串扰，进而更加改善信号传输质量，但由于其较大直径屏蔽结构及加工过程中热应力的存在，阻止区也显著增大，不利于三维集成电路晶体管的紧密排布。
技术实现要素：
本发明针对上述存在问题，提出了一种运用环形硅通孔的高性能差分传输结构。本发明在兼顾屏蔽差分硅通孔优良电学传输性能的同时，显著改善了差分硅通孔传输结构的热力学特性。具体体现在利用硅通孔的差分传输结构制备过程中由于热应力不匹配造成的阻止区的减小。
本发明运用环形硅通孔的差分传输结构位于硅衬底中，由外到内依次包括外部屏蔽硅通孔、内部硅衬底和内部差分硅通孔。外部屏蔽硅通孔既是差分传输线的电流返回路径又是差分传输线的屏蔽外壳(用于隔绝外界干扰)。屏蔽硅通孔由第一介质层、外部环形硅通孔内芯和第二介质层组成。所述第一介质层作用为隔绝屏蔽硅通孔与硅衬底之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。所述外部环形硅通孔内芯由铜、碳纳米管或其他金属导体填充，其作用为充当电流返回路径并且隔绝外部干扰。所述第二介质层作用为隔绝屏蔽硅通孔与内部硅衬底之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。
内部硅衬底嵌于屏蔽硅通孔之内，其外表面与第二介质层接触。所述内部硅衬底内部刻有柱状空槽用于嵌入差分硅通孔对。内部硅衬底在材料组成上与外部硅衬底相同，均为硅材料。
差分硅通孔对由两个结构相同的环形硅通孔组成，由外到内分别包括第三介质层、环形差分硅通孔内芯和内部填充。所述第三介质层作用为隔绝差分硅通孔与内部硅衬底之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。所述环形差分硅通孔内芯由铜、碳纳米管或其他金属导体填充，其作用为传输差分信号。本发明所述内部填充有三种备选方案。所述内部填充第一种备选方案为环形差分硅通孔内芯内部填充由硅材料填充，此时第四介质层需加入到环形差分硅通孔内芯与内部填充之间。所述内部填充第二种备选方案为环形差分硅通孔内芯内部填充由二氧化硅材料填充，由于二氧化硅材料为绝缘体材料，则无需加入第四介质层。所述内部填充第三种备选方案为环形差分硅通孔内芯内部填充由有机聚合物填充，由于有机聚合物为绝缘体材料，则无需加入第四介质层。
在三维集成电路中会涉及多层硅通孔传输结构的互连，本发明公开一种利用硅通孔的高性能层间差分信号传输互连结构，本结构由多层上下设置的差分传输结构组成。上层差分传输结构包含上层第一差分硅通孔与上层第二差分硅通孔，与其相邻的下层差分传输结构包含下层第一差分硅通孔与下层第二差分硅通孔。其中上层第一差分硅通孔和下层第一差分硅通孔在垂直结构上中心对齐，上层第二差分硅通孔和下层第二差分硅通孔在垂直结构上中心对齐。所述焊接凸点位于上层差分硅通孔对末端和下层差分硅通孔对顶端，用于差分硅通孔对和片上互连线之间的连接。所述片上互连线用于层间硅通孔的互连。所述片上过孔用于上层互连线与下层互连线间的互连。所述上层第一差分硅通孔与第一焊接凸点相连。所述第一焊接凸点与上层第一互连线相连。所述上层第一互连线与第一片上过孔相连。所述第一片上过孔与第二焊接凸点相连。所述第二焊接凸点与下层第二差分硅通孔相连。所述上层第二差分硅通孔与第三焊接凸点相连。所述第三焊接凸点与上层第二互连线相连。所述上层第二互连线与第二片上过孔相连。所述第二片上过孔与第四焊接凸点相连。所述第四焊接凸点与下层第一差分硅通孔相连。因此，上层第一差分硅通孔与下层第二差分硅通孔交叉相连，上层第二差分硅通孔与下层第一差分硅通孔交叉相连，此方法可降低差分信号的传输损耗和外部干扰。本发明的有益效果是：
本发明运用环形硅通孔构成一种高性能的差分传输结构，在保持与传统屏蔽差分硅通孔相同优良电学特性的同时，显著减小了由于热膨胀系数不匹配造成的阻止区的宽度，具体如下：
1、得益于外部屏蔽硅通孔，此结构用于信号传输时可有效隔绝外部干扰，保证了内部差分信号的高性能传输。
2、得益于内部差分传输硅通孔，此结构可用于集成电路中高速信号的高效传输。
3、得益于内部差分传输硅通孔的环形结构，在加工过程中可以有效减小传输结构的阻止布局层，有利于大规模阵列硅通孔布局电路中晶体管的集成度提高。
本发明公开差分传输结构的层间交叉互连结构，可用于三维集成电路中多层硅片之间的差分信号传输。此方法可有效降低差分信号的传输损耗并且抑制外部干扰。
附图说明
图1为一种运用环形硅通孔的差分传输结构100的三维剖视图；
图2为一种运用环形硅通孔的差分传输结构100的顶视图；
图3为一种运用环形硅通孔的差分传输结构100的中心切割侧视图；
图4为外部屏蔽硅通孔200结构图；
图5为内部硅衬底300结构图；
图6为环形差分硅通孔差分对400结构图；
图7为层间差分硅通孔互连500结构图；
图8为用于连接层间硅通孔的互连600结构示意图；
图9为用于连接下层硅通孔的互连结构及片上过孔700示意图；
图10为用于连接上层硅通孔的互连结构800示意图；
图11～17为一种运用环形硅通孔的差分传输结构工艺流程示意图；
图18为本发明差分传输结构和传统屏蔽差分硅通孔的电学传输特性对比图；
图19为本发明差分传输结构和传统屏蔽差分硅通孔所造成的阻止区宽度对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2、3所示，运用环形硅通孔的差分传输结构100位于硅衬底中，由外到内依次包括外部屏蔽硅通孔200、内部硅衬底300和内部差分硅通孔400。
如图4所示，外部屏蔽硅通孔200既是差分传输线的电流返回路径，又是差分传输线的屏蔽外壳(用于隔绝外界干扰)。屏蔽硅通孔200由第一介质层201、外部环形硅通孔内芯202和第二介质层203组成。所述第一介质层201作用为隔绝屏蔽硅通孔与硅衬底之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。所述外部环形硅通孔内芯202由铜、碳纳米管或其他金属导体填充，其作用为充当电流返回路径并且隔绝外部干扰。所述第二介质层203作用为隔绝屏蔽硅通孔200与内部硅衬底300之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。
如图5所示，内部硅衬底300嵌于屏蔽硅通孔200之内，又将两个结构相同的差分硅通孔400嵌入到其内部柱状空槽301中。内部硅衬底300材料与外部硅衬底材料相同，均为硅材料。
如图6所示，差分硅通孔400由外到内包括第三介质层401、环形差分硅通孔内芯402和内部填充403。所述第三介质层401作用为隔绝差分硅通孔400与内部硅衬底300之间的直流泄漏，其由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。所述环形差分硅通孔内芯402由铜、碳纳米管或其他金属导体填充，其作用为传输差分信号。本发明所述内部填充403有三种备选方案。所述内部填充403第一种备选方案为环形差分硅通孔内芯402内部由硅材料填充，此时第四介质层404需加入到环形差分硅通孔内芯402与内部填充403之间。所述第四介质层404由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料组成。所述内部填充403第二种备选方案为环形差分硅通孔内芯402内部由二氧化硅材料填充，由于二氧化硅材料为绝缘体材料，则无需加入第四介质层。所述内部填充403第三种备选方案为环形差分硅通孔内芯402内部由有机聚合物填充，由于有机聚合物为绝缘体材料，则无需加入第四介质层。
在三维集成电路中会涉及多层硅通孔传输结构的互连，本发明公开一种高性能层间差分信号传输互连结构，本结构由多个单元组成。如图7、8、9、10所示，所述单元包括上层第一差分硅通孔801、上层第二差分硅通孔802、下层第一差分硅通孔803、下层第二差分硅通孔804、焊接凸点、片上水平互连线和片上过孔。所述上层第一差分硅通孔801与所述上层第二差分硅通孔802构成上层差分硅通孔对。所述下层第一差分硅通孔803与所述下层第二差分硅通孔804构成下层差分硅通孔对。所述上层第一差分硅通孔801和下层第一差分硅通孔803在垂直结构上中心对齐。所述上层第二差分硅通孔802和下层第二差分硅通孔804在垂直结构上中心对齐。所述焊接凸点位于上层差分硅通孔对末端和下层差分硅通孔对顶端，用于差分硅通孔对和片上互连线之间的连接。所述片上互连线用于层间硅通孔的互连。所述片上过孔用于上层互连线与下层互连线间的互连。所述上层第一差分硅通孔801与第一焊接凸点603相连。所述第一焊接凸点603与上层第一互连线601相连。所述上层第一互连线601与第一片上过孔504相连。所述第一片上过孔504与下层第一互连线502相连。所述下层第一互连线与第二焊接凸点506相连。所述第二焊接凸点506与下层第二差分硅通孔804相连。所述上层第二差分硅通孔802与第三焊接凸点604相连。所述上层第二差分硅通孔802与第三焊接凸点604相连。所述第三焊接凸点604与上层第二互连线602相连。所述上层第二互连线602与第二片上过孔503相连。所述第二片上过孔503与下层第二互连线501相连。所述下层第二互连线501与第四焊接凸点505相连。所述第四焊接凸点505与下层第一差分硅通孔803相连。因此，上层第一差分硅通孔801与下层第二差分硅通孔804交叉相连，上层第二差分硅通孔802与下层第一差分硅通孔交803交叉相连，此方法可降低差分信号的传输损耗和外部干扰。
图10为两层差分传输结构的层间互连示意图(外部屏蔽硅通孔没有画出)，结合该图本结构的工作过程如下：差分信号分别由上层差分传输结构的输入端口805和806流入，流经差分硅通孔801和802，然后分别由上层焊接凸点603和604流入片上层间互连结构601和604，再分别流经上层互连线和片上过孔504和503流入下层互连线502和501，经由焊接凸点506和505分别流入下层差分硅通孔804和803。多层传输结构则重复上述过程，实现差分信号的向下传输(向上传输则反之)。由此实现了差分信号由上层第一差分硅通孔801到下层第二差分硅通孔804交叉，由上层第二差分硅通孔802到下层第一差分硅通孔交803的交叉传输。
运用第一种备选方案的差分传输结构制备方法，包括以下步骤：
1、利用深度反应离子刻蚀法在硅衬底上刻蚀环形槽，此时内部硅衬底300与外部衬底仅底部相连，如图11a和图11b所示。
2、利用化学气相沉积法在环形槽表面形成第一介质层201和第二介质层203并进行化学抛光，如图12所示。
3、利用化学气相沉积法制备屏蔽硅通孔202并进行化学抛光，如图13所示。
4、利用深度反应离子刻蚀法在内部硅衬底300上刻蚀两个环形槽，如图14所示。
5、利用化学气相沉积法在环形槽表面形成第三介质层401和第四介质层404并进行化学抛光，如图15所示。
6、利用化学气相沉积法制备环形差分硅通孔402并进行化学抛光，如图16a、16b所示。
7、通过粗研磨和细研磨两道工序，将衬底底部研磨至露出屏蔽硅通孔300和差分硅通孔400，如图17所示。
至此，利用第一种备选方案的差分硅通孔传输结构制备完成，第二种备
选方案和第三种备选方案的制备方法与第一种备选方案制备方法类似。
图18为本发明差分传输结构和传统屏蔽差分硅通孔的电学传输特性对比图。
图19为本发明差分传输结构和传统屏蔽差分硅通孔所造成的阻止区宽度对比图。