[發(fā)明專利]一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)及其制造方法

有效

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• 申請日: 2018-08-27
• 公開（公告）號: CN109300877B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉歡;方孺牛;繆旻;金玉豐
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: H01L23/538
• 分類號: H01L23/538;H01L21/768
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11200
• 代理人: 余長江

本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)及其制造方法，該結(jié)構(gòu)包括襯底、貫穿襯底的通孔、襯底表面的富電荷層、通孔側(cè)壁、襯底表面以及富電荷層表面的絕緣層；所述襯底具有相對的第一表面和第二表面；所述第一表面具有富電荷層，其中含有高濃度的電荷，且富電荷層圍繞于通孔的孔口周圍。該制造方法的步驟為：以半導(dǎo)體材料作為襯底，在所述襯底的第一表面制作富電荷層；在所述襯底的第一表面制作深孔；在深孔內(nèi)壁、襯底第一表面以及富電荷層表面上制作絕緣層；向深孔中填充導(dǎo)電材料；減薄所述襯底的第二表面，露出深孔的底部。采用該通孔結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)三維集成系統(tǒng)電學(xué)性能的改善和可靠性的提升。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)

在摩爾定律難以為繼的情況下，基于在半導(dǎo)體襯底中制造通孔來實現(xiàn)三維集成是一種先進的有望超越摩爾定律的技術(shù)路徑。使用通孔將芯片垂直堆疊，減小了芯片水平方向占據(jù)的電路板面積，同時減小了互連線長度，降低了信號延遲，使得系統(tǒng)具有小尺寸、高性能、低功耗的優(yōu)點。相同技術(shù)節(jié)點下，由于互連密度提高，電路板面積利用率提高，從而提升了系統(tǒng)的功能集成密度。而且半導(dǎo)體襯底中的通孔可以將不同技術(shù)節(jié)點、不同技術(shù)類型以及不同襯底材料的芯片進行三維集成，各芯片可以根據(jù)需求分別進行工藝優(yōu)化，有助于實現(xiàn)高可靠性、多功能的微系統(tǒng)。傳統(tǒng)的三維集成系統(tǒng)中，高頻反型條件下，通孔與襯底間的寄生電容值很小，這在某些應(yīng)用條件下是不利的。比如在電源分配網(wǎng)絡(luò)中，低電容值會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的高阻抗，加劇同步開關(guān)噪聲，削弱系統(tǒng)可靠性。因此，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)的改進，增大通孔在高頻反型條件下的電容值是有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述半導(dǎo)體襯底中傳統(tǒng)通孔結(jié)構(gòu)存在的問題，本發(fā)明的目的是針對三維集成系統(tǒng)提供一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)及其制造方法，使得通孔在高頻反型條件下的電容值增大，從而滿足電源分配網(wǎng)絡(luò)等功能模塊對通孔大電容值的需求，實現(xiàn)微系統(tǒng)電學(xué)性能的改善和可靠性的提升。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)，包括襯底、貫穿襯底的通孔、襯底表面的富電荷層、通孔側(cè)壁、襯底表面及富電荷層表面的絕緣層。所述襯底具有相對的第一表面和第二表面；所述第一表面具有富電荷層，且富電荷層圍繞于所述通孔的一孔口周圍；通孔側(cè)壁、襯底第一表面以及富電荷層表面具有絕緣層。

所述富電荷層中含有高濃度的電荷，電荷極性與襯底的摻雜類型相關(guān)，若襯底為P型摻雜，則富電荷層中含有正電荷，若襯底為N型摻雜，則富電荷層中含有負電荷。所述富電荷層選自下列集合中的一種或幾種：氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、高分子化合物。

所述通孔中填充有導(dǎo)電材料，具體包括了銅、金、銀、鉑、鎳、鎢、鋁、多晶硅、碳納米管等材料中的一種或幾種。可選地，所述通孔中的導(dǎo)電材料和絕緣層之間，具有粘附層和阻擋層，其作用為防止通孔中的導(dǎo)電材料向襯底中擴散，并增強導(dǎo)電材料與絕緣層的粘附性，可選材料為鈦、鎢、鉭、氮化鈦的組合。

所述絕緣層可選材料為氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、聚酰亞胺、聚對二甲苯、聚苯并環(huán)丁烯等中的一種或幾種。

所述襯底為硅、鍺、硅鍺合金、硅碳合金、硅鍺碳合金、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、III-V族半導(dǎo)體材料、II-VI族半導(dǎo)體材料、有機半導(dǎo)體材料以及其他族半導(dǎo)體材料中的一種或幾種。

所述襯底為裸片或所述襯底的第一表面和/或第二表面上具有下列結(jié)構(gòu)中的一種或多種：半導(dǎo)體器件、電學(xué)互連層、微傳感器結(jié)構(gòu)、焊盤和鈍化層。

所述襯底的第一表面和/或第二表面上具有重新布線層和金屬凸點，所述金屬凸點位于重新布線層上與重新布線層電連接，所述重新布線層與所述通孔電連接。

一種半導(dǎo)體襯底中的通孔結(jié)構(gòu)的制造方法，步驟包括：

以半導(dǎo)體材料作為襯底，在所述襯底的第一表面制作富電荷層；