一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，包括片上冗余的多个同轴硅通孔，同轴硅通孔阵列由N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成，每个同轴硅通孔包括自内而外依次同轴设置的硅芯、金属内芯、Al2O3介质层、金属外芯和二氧化硅绝缘层，每个同轴硅通孔以表面覆盖有金属内芯的硅芯作为内芯，相对于全金属填充的传统同轴硅通孔，该结构大幅减少了金属内芯的电镀时间，且其金属内芯和金属外芯采用一次电镀工艺形成，简化了整个同轴硅通孔的制备工艺流程，极大降低了整个同轴硅通孔的制备时间和成本，从而提高了三维电容器的制作效率，该三维电容器的电容密度高、电镀时间短、制作成本低，其等效电容密度约为700pF/mm2。

A three dimensional capacitor based on coaxial silicon via array and its fabrication method

The invention discloses a three-dimensional capacitor based on coaxial silicon through-hole array, which comprises a plurality of coaxial silicon through-hole arrays on a chip redundant. The coaxial silicon through-hole array is composed of N*N coaxial silicon through-hole arrays in the form of square arrays. Each coaxial silicon through-hole includes a silicon core, a metal inner core, an Al2O3 dielectric layer, and gold arranged in coaxial sequence from inside to outside. Each coaxial silicon through-hole has a silicon core covered with a metal inner core as the inner core. Compared with the traditional coaxial silicon through-hole filled with all metal, the structure greatly reduces the plating time of the metal inner core, and the metal inner core and the metal outer core are formed by a single plating process, simplifying the whole process. The fabrication process of coaxial silicon through-hole greatly reduces the fabrication time and cost of coaxial silicon through-hole, thus improving the fabrication efficiency of three-dimensional capacitor. The three-dimensional capacitor has high capacitance density, short electroplating time and low fabrication cost. Its equivalent capacitance density is about 700pF/mm2.

【技术实现步骤摘要】
一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器及其制作方法
本专利技术涉及微电子器件
，具体是一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器及其制作方法。
技术介绍
电容器是电子学三大基本无源器件之一，广泛应用于现代通信系统的各类电路模块，其主要的工作原理是以电场能的形式储存能量，实现旁路、去耦、滤波、补偿等作用。随着现代通信系统的迅速发展，人们对大电容值的集成电容器的需求日益迫切。硅通孔（ThroughSiliconVia,TSV）是三维集成电路的重要组成单元，它实现了层间芯片的垂直互连通信，大幅缩短片上互连线长，降低互连时延。传统TSV主要通过在硅衬底内部刻蚀通孔，之后沉积二氧化硅隔离介质与电镀填充铜芯形成。此类硅通孔制备简单，但TSV-TSV的孔间电磁干扰严重，且由硅衬底产生的信号损耗非常显著。为解决TSV的信号完整性问题，业界引入了同轴硅通孔技术（CoaxialTSV,C-TSV）。类似于同轴电缆，C-TSV由金属内芯与金属外芯两部分构成，并通过在金属内外层间填充绝缘介质实现电隔离。由于金属内芯与接地的金属外芯实现了一个封闭的电磁结构，因此C-TSV具有非常出众的信号传输特性与抗干扰能力。但已有C-TSV制备工艺复杂（S.Adamshick,etal.,Feasibilityofcoaxialthroughsiliconvia3Dintegration,ElectronicsLetters,vol.49,no.16,pp.1028-1030,Aug.2013.），涉及金属外芯电镀、金属内芯电镀等多道电镀工艺，且需要较长的电镀时间以充分电镀填充金属内芯。此外，在C-TSV的生产制备过程中，为了提高C-TSV的良率，三维集成电路的工艺厂家提出了最小通孔密度规则，即C-TSV数目在一定范围内要求大于某一个数。为了满足这一设计规则，经常需要插入大量冗余的C-TSV。这些冗余C-TSV并未用于片内信号传输，但造成片上面积的开销。鉴于现有技术的不足，同时考虑到C-TSV本身具有典型的平板电容器结构特性，而单个C-TSV电容器的容值较低，本专利技术提出一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器及其制作方法，将众多的冗余C-TSV以阵列形式连接，形成一个实用的高容值三维电容器，其金属外芯相当于平板电容器负极，金属内芯相当于平板电容器正极。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器及其制作方法，该三维电容器包括片上冗余的多个同轴硅通孔，每个同轴硅通孔包括自内而外依次同轴设置的硅芯、金属内芯、Al2O3介质层、金属外芯和二氧化硅绝缘层，每个同轴硅通孔以表面覆盖有金属内芯的硅芯作为内芯，相对于传统全金属填充的同轴硅通孔结构，该结构无需采用耗时的铜填充技术，大幅减少了内芯的电镀步骤和电镀时间，且其金属内芯和金属外芯采用一次电镀工艺形成，简化了整个同轴硅通孔的制备工艺流程，极大降低了整个同轴硅通孔的制备时间和成本，从而提高了三维电容器的制作效率。由于同轴硅通孔的金属外芯接地，同轴硅通孔可以作为片上电容器，用于片上电路的旁路、去耦、滤波、补偿，但单个同轴硅通孔电容的容值普遍较低，因此本专利技术采用了同轴硅通孔阵列结构，进一步提高整个三维电容器的容值。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，包括硅衬底和贯通硅衬底上下表面设置的同轴硅通孔阵列，所述的同轴硅通孔阵列由N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成；每个所述的同轴硅通孔包括自内而外依次同轴设置的硅芯、金属内芯、Al2O3介质层、金属外芯和二氧化硅绝缘层；所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的上端分别经第一金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的下端分别经第二金属互连线并行连接，所述的第一金属互连线和所述的第二金属互连线为三维电容器的输入电极；所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的上端分别经第三金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的下端分别经第四金属互连线并行连接，所述的第三金属互连线和所述的第四金属互连线为三维电容器的输出电极，该输出电极接地；所述的第一金属互连线和所述的第三金属互连线埋设在第一绝缘介质层内，所述的第一绝缘介质层设置于所述的硅衬底的上表面，所述的第二金属互连线和所述的第四金属互连线埋设在第二绝缘介质层内，所述的第二绝缘介质层设置于所述的硅衬底的下表面。作为优选，所述的第一金属互连线设置在所述的第三金属互连线的上方，所述的第一金属互连线的下端连接有多根并行的第一金属接触线，每根所述的第一金属接触线的下端与一个所述的同轴硅通孔的金属内芯的上端连接，所述的第三金属互连线的下端连接有多根并行的第二金属接触线，每根所述的第二金属接触线的下端与一个所述的同轴硅通孔的金属外芯的上端连接；所述的第二金属互连线设置在所述的第四金属互连线的下方，所述的第二金属互连线的上端连接有多根并行的第三金属接触线，每根所述的第三金属接触线的上端与一个所述的同轴硅通孔的金属内芯的下端连接，所述的第四金属互连线的上端连接有多根并行的第四金属接触线，每根所述的第四金属接触线的上端与一个所述的同轴硅通孔的金属外芯的下端连接。作为优选，所述的第一绝缘介质层包括自上而下依次设置的第一二氧化硅介质层、第一隔离介质层和第一玻璃介质层，所述的第二绝缘介质层包括自下而上依次设置的第二二氧化硅介质层、第二隔离介质层和第二玻璃介质层。进一步地，所述的第一隔离介质层和所述的第二隔离介质层均由第一二氧化硅层、玻璃纤维层和第二二氧化硅层构成，所述的第一玻璃介质层为硼硅酸盐玻璃介质层、磷硅酸盐玻璃介质层和硼磷硅酸盐玻璃介质层中的任一种。作为优选，所述的第一金属互连线、所述的第二金属互连线、所述的第三金属互连线和所述的第四金属互连线均为铜。上述基于同轴硅通孔阵列的三维电容器的制作方法，包括以下步骤：（1）准备一硅衬底，采用离子反应刻蚀的方法在硅衬底上刻蚀N×N个上部开口的环形的硅盲孔，在每个硅盲孔的中心保留一段硅衬底材料作为硅芯，该N×N个硅盲孔构成方块阵列；（2）采用化学气相沉积的方法在每个硅盲孔的内表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅绝缘层；（3）采用电镀的方法在每个硅盲孔内硅芯的外表面和二氧化硅绝缘层的表面同时电镀金属，以在硅芯的外表面形成的镀层作为金属内芯，该金属内芯将硅芯完全包裹，以在二氧化硅绝缘层的表面形成的镀层作为金属外芯；（4）采用化学气相沉积的方法在每个硅盲孔内的金属内芯和金属外芯之间的环形间隙内沉积三氧化二铝，形成Al2O3介质层，该Al2O3介质层填满金属内芯和金属外芯之间的环形间隙；（5）对硅衬底与N×N个硅盲孔的上表面进行化学机械抛光，直至硅衬底的上表面与N×N个硅盲孔的上表面平齐；（6）采用化学气相沉积的方法在硅衬底的上表面先后分三次沉积形成第一绝缘介质层，其中，第一次沉积后，先利用光刻技术在第一次沉积得到的第一绝缘介质上采用离子反应刻蚀的方法刻蚀出与N×N个硅盲孔内的金属外芯一一对应的N×N个第三金属接触孔，再采用电镀的方法在第一次沉积得到的第一绝缘介质的表面和第三金属接触孔内电镀金属，形成第三金属互连线；第二次沉积后，先利用光刻技术在第一次和第二次沉积得到的第一绝缘介质上采用离子反应刻蚀的方法刻蚀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于包括硅衬底和贯通硅衬底上下表面设置的同轴硅通孔阵列，所述的同轴硅通孔阵列由N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成；每个所述的同轴硅通孔包括自内而外依次同轴设置的硅芯、金属内芯、Al2O3介质层、金属外芯和二氧化硅绝缘层；所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的上端分别经第一金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的下端分别经第二金属互连线并行连接，所述的第一金属互连线和所述的第二金属互连线为三维电容器的输入电极；所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的上端分别经第三金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的下端分别经第四金属互连线并行连接，所述的第三金属互连线和所述的第四金属互连线为三维电容器的输出电极，该输出电极接地；所述的第一金属互连线和所述的第三金属互连线埋设在第一绝缘介质层内，所述的第一绝缘介质层设置于所述的硅衬底的上表面，所述的第二金属互连线和所述的第四金属互连线埋设在第二绝缘介质层内，所述的第二绝缘介质层设置于所述的硅衬底的下表面。

【技术特征摘要】
1.一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于包括硅衬底和贯通硅衬底上下表面设置的同轴硅通孔阵列，所述的同轴硅通孔阵列由N×N个同轴硅通孔以方块阵列形式构成；每个所述的同轴硅通孔包括自内而外依次同轴设置的硅芯、金属内芯、Al2O3介质层、金属外芯和二氧化硅绝缘层；所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的上端分别经第一金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属内芯的下端分别经第二金属互连线并行连接，所述的第一金属互连线和所述的第二金属互连线为三维电容器的输入电极；所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的上端分别经第三金属互连线并行连接，所述的N×N个同轴硅通孔的金属外芯的下端分别经第四金属互连线并行连接，所述的第三金属互连线和所述的第四金属互连线为三维电容器的输出电极，该输出电极接地；所述的第一金属互连线和所述的第三金属互连线埋设在第一绝缘介质层内，所述的第一绝缘介质层设置于所述的硅衬底的上表面，所述的第二金属互连线和所述的第四金属互连线埋设在第二绝缘介质层内，所述的第二绝缘介质层设置于所述的硅衬底的下表面。2.根据权利要求1所述的一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于所述的第一金属互连线设置在所述的第三金属互连线的上方，所述的第一金属互连线的下端连接有多根并行的第一金属接触线，每根所述的第一金属接触线的下端与一个所述的同轴硅通孔的金属内芯的上端连接，所述的第三金属互连线的下端连接有多根并行的第二金属接触线，每根所述的第二金属接触线的下端与一个所述的同轴硅通孔的金属外芯的上端连接；所述的第二金属互连线设置在所述的第四金属互连线的下方，所述的第二金属互连线的上端连接有多根并行的第三金属接触线，每根所述的第三金属接触线的上端与一个所述的同轴硅通孔的金属内芯的下端连接，所述的第四金属互连线的上端连接有多根并行的第四金属接触线，每根所述的第四金属接触线的上端与一个所述的同轴硅通孔的金属外芯的下端连接。3.根据权利要求1所述的一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于所述的第一绝缘介质层包括自上而下依次设置的第一二氧化硅介质层、第一隔离介质层和第一玻璃介质层，所述的第二绝缘介质层包括自下而上依次设置的第二二氧化硅介质层、第二隔离介质层和第二玻璃介质层。4.根据权利要求3所述的一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于所述的第一隔离介质层和所述的第二隔离介质层均由第一二氧化硅层、玻璃纤维层和第二二氧化硅层构成，所述的第一玻璃介质层为硼硅酸盐玻璃介质层、磷硅酸盐玻璃介质层和硼磷硅酸盐玻璃介质层中的任一种。5.根据权利要求1所述的一种基于同轴硅通孔阵列的三维电容器，其特征在于所述的第一金属互连线、所述的第二金属互连线、所述的第三金属互连线和所述的第四金属互连线均为铜。6.权利要求1-2中任一项所述的基于同轴硅通孔阵列的三维电容器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）准备一硅衬底，采用离子反应刻蚀的方法在硅衬底上刻蚀N×N个上部开口的环形的硅盲孔，在每个硅盲孔的中心保留一段硅衬底材料作为硅芯，该N×N个硅盲孔构成方块阵列；（2）采用化学气相沉积的方法在每个硅盲孔的内表面沉积二氧化硅，形成二氧化硅绝缘层；（3）采用电镀的方法在每个硅盲孔内硅芯的外表面和二氧化硅绝缘层的表面同时电镀金属，以在硅芯的外表面形成的镀层作为金属内芯，该金属内芯将硅芯完全包裹，以在二氧化硅绝缘层的表面形成的镀层作为金属外芯；（4）采用化学气相沉积的方法在每个硅盲孔内的金属内芯和金属外芯之间的环形间隙内沉积三氧化二铝，形成Al2O3介质层，该Al2O3介质层填满金属内芯和金属外芯之间的环形间隙；（5）对硅衬底与N×N个硅盲孔的上表面进行化学机械抛光，直至硅衬底的上表面与N×N个硅盲孔的上表面平齐；（6）采用化学气相沉积的方法在硅衬底的上表面先后分三次沉积形成第一绝缘介质层，其中，第一次沉积后，先利用光刻技术在第一次沉积得到的第一绝缘介质上采用离子反应刻蚀的方法刻蚀出与N×N个硅盲孔内的金属外芯一一对应的N×N个第三金属接触孔，再采用电镀的方法在第一次沉积得到的第一绝缘介质的表面和第三金属接触孔内电镀金属，形成第三金属互连线；第二次沉积后，先利用光刻技术在第一次和第二次沉积得到的第一绝缘介质上采用离子反应刻蚀的方法刻蚀出与N×N个硅盲孔内的金属内芯一一对应的N×N个第一金属接触孔，再采用电镀的方法在第二次沉积得到的第一绝缘介质的表面和第一金属接触孔内电镀金属，形成第一金属互连...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱利波，何锡涛，励达，桑吉飞，叶益迭，夏桦康，
申请(专利权)人：宁波大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33