一种包含硅通孔的半导体结构及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采用硅通孔互连的半导体结构及其制造方法。
【背景技术】
[0002]三维集成技术是未来高密度集成系统的重要支撑技术，相比于传统的通过减小特征尺寸获得更大集成度的平面集成方案，三维集成技术提供了一种超越摩尔定律的技术途径，能够在原有集成度基础上实现更高集成度，更小功耗和更低成本。无论是在三维集成电路(3D-1C)或者在带转接板的系统级封装系统(3D-SiP)，硅通孔(TSV)始终是必不可少的关键部件，其作用是电信号的垂直互连通道。在电路系统中通常存在三种互连线路，分别是电源线，地线和信号线。在传统三维集成系统中，三种互连线路往往采用同种硅通孔结构；部分情况下，为了减小电阻，降低电流密度，对电源和地线采用多组硅通孔并联的架构。但是对于高频/高速系统，由于信号通孔较大绝缘层电容的存在，使得信号线间的阻抗随频率上升不断下降，从而导致串扰增强；同时由于地通孔与衬底之间绝缘层的存在，降低了地通孔的噪声屏蔽效果。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是针对三维集成系统提供一种包含硅通孔的半导体结构及其制造方法，从而满足系统内不同电信号的传输需求。对于高速/高频系统为了增强信号硅通孔的传输效率，减小之间的串扰，往往通过降低信号线之间的寄生电容，或者增加屏蔽地线来达到效果。为实现这样设计，往往要求相应的硅通孔结构或布局发生改变，例如增厚绝缘层厚度减小寄生电容，或在信号硅通孔之间插入地硅通孔。
[0004]根据本发明的一个方面，提供一种具有通孔的半导体结构，包括衬底，信号通孔、电源通孔和地通孔，其特征在于，所述信号通孔、电源通孔均为由P型掺杂的多晶硅填充的通孔，并且与所述衬底之间没有绝缘层；所述地通孔为由P型掺杂的多晶硅填充的通孔，并且与所述衬底之间没有绝缘层；所述衬底为P型掺杂。
[0005]根据本发明的另一个方面，提供一种具有通孔的半导体结构的制造方法，I)在衬底的第一表面上刻蚀出多个深孔；其中所述衬底具有相对的第一表面和第二表面；2)在所述衬底第一表面上粘附一干膜层，图形化所述干膜层，使干膜层在一部分深孔上形成开口 ；
3)向干膜层上有开口的的深孔内填充掺杂第一导电类型杂质的多晶硅，去掉所述干膜层；
4)向剩余深孔中填充掺杂第二导电类型杂质的多晶硅；5)减薄所述衬底的第二表面，露出深孔的底部；其中，用作信号通孔、电源通孔的深孔内填充P型掺杂的多晶硅，用作地通孔的深孔内填充N型掺杂的多晶硅，所述衬底为P型掺杂。
[0006]在现有技术的硅通孔结构制备流程中，需要在刻蚀衬底形成深孔之后，CVD填充多晶硅到深孔之前，淀积或热氧化一层绝缘层结构，从而防止硅通孔的导体和硅衬底发生短路。而事实上，对于地硅通孔，去掉绝缘层对其是有好处的，因为可以将衬底与地电势更紧密连接，从而吸收噪声，提高屏蔽效果。但对于信号硅通孔和电源硅通孔，绝缘层结构是必备的，从而防止信号硅通孔和电源硅通孔与衬底发生短路。
[0007]与现有技术相比，本发明的积极效果为:
[0008]采用P型背景掺杂的衬底，利用P型重掺杂硅通孔作为地线，硅通孔与周围衬底之间形成欧姆接触，从而将衬底电势更大程度固定在地电势，有利于增强衬底的噪声屏蔽效果；利用N型重掺杂硅通孔作为信号线，硅通孔与周围衬底之间将自动形成反偏PN结结构，从而防止信号线与衬底发生短路，另外反偏PN结电容大小将由信号线电势决定，但其值一般都要小于传统硅通孔绝缘层电容值，从而有利于减小信号线间的串扰。同时N型重掺杂硅通孔也适合用作电源线，原理与效果与信号线情况类似。本结构的重要优势在于，对于高速/高频系统，采用该结构将不需要对原先硅通孔布局布线和版图进行调整，只需要对原有系统中的地硅通孔和信号/电源硅通孔进行相应结构替换，即能获得信号完整性和电源完整性的提升。除了信号/电源完整性方面的改善，本发明由于省去了传统硅通孔的绝缘层，达到简化工艺，降低成本的目的。并且本发明所提出的制造方法中采用干膜方法实现两种硅通孔结构的分别制作，相比传统采用掩膜的方法，具有成本低，效果好的优势。
【附图说明】
[0009]图1为在0.1-50GHZ频率范围，对于有源器件与信号硅通孔之间噪声耦合，在有源器件与信号硅通孔之间插入地硅通孔后，采用本发明提出的地硅通孔与传统地硅通孔的不同噪声耦合系数对比图。
[0010]图2为在0.1-50GHZ频率范围，对于有源器件与信号硅通孔之间噪声耦合，采用本发明提出的信号/电源硅通孔与传统信号硅通孔噪声耦合系数对比图。
[0011]图3是本发明第一实施例的垂直截面图。
【具体实施方式】
[0012]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0013]下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此夕卜，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
[0014]本发明的半导体结构适合应用于带有硅通孔(TSV)结构的三维集成系统中，其主要结构是一种具有通孔的半导体结构，其特征在于，该半导体结构包括衬底，信号通孔和地通孔，其中:所述衬底为P型掺杂；所述衬底具有相对的第一表面和第二表面；所述通孔，是由多晶硅填充的通孔；所述信号通孔为N型掺杂；所述地通孔为P型掺杂。该结构包含两种多晶硅硅通孔类型，分别是N型硅通孔和P型硅通孔。该结构与传统三维集成系统内部的硅通孔结构相比的一个重要优势在于，该结构没有绝缘层结构。另外由于衬底为P型掺杂，利用P型重掺杂硅通孔作为地线，硅通孔与周围衬底之间