基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微电子器件技术领域，具体涉及一种基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器，本发明还涉及该种电容器的制造方法。
【背景技术】
[0002]电容器是三大无源器件之一，是现代通信系统中各类电路的重要组成部分，广泛应用于模拟、模数混合、射频和微波集成电路中，可用来实现过滤、补偿等功能。传统集成电容器通过将一层介质加在导体之间实现，例如，在硅衬底上沉积的多晶硅层可作为电容器极板，在该极板之间的氧化物层作为介电物质。此外，还可以使用集成电路的金属互连层来构成电容器。这些电容器都是二维结构的平板电容构成，其电容值非常小，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。硅通孔是一种穿透硅衬底的三维金属结构，采用硅通孔技术可以实现垂直方向的三维集成，大幅提高了电路的集成度，提高了电路系统的质量和性能，近年来得到了较大发展，工艺技术也日渐成熟，为集成电容器的设计和制造提供了新的方法。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器，大幅度提高集成电容器的容值，解决现有技术中二维结构的平板电容的容值小的问题。
[0004]本发明的另一目的是提供上述电容器的制造方法。
[0005]本发明所采用的技术方案是:
[0006]基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器，包括半导体衬底，贯通半导体衬底的上下表面设置有若干个通孔，在通孔的内侧表面上设置有绝缘层，在通孔的绝缘层内填充有硅通孔金属；在半导体衬底的上表面设置有顶层介质，在半导体衬底的下表面设置有底层介质；硅通孔金属分为两组，其中第一组硅通孔金属相互连接构成电极一，第二组硅通孔金属相互连接构成电极二 ；电极一、电极二中的一个为电容器的正极，另一个为电容器的负极。
[0007]本发明的特点还在于:
[0008]第一组硅通孔金属在半导体衬底的下表面通过金属互连线c相互连接、并且在在半导体衬底的上表面通过金属互连线a相互连接；第二组硅通孔金属在半导体衬底的下表面通过金属互连线d相互连接、并且在在半导体衬底的上表面通过金属互连线b相互连接；金属互连线c及金属互连线d设置在底层介质内，金属互连线a及金属互连线b设置在顶层介质内；金属互连线a的一端从顶层介质中穿出作为电极一的引出线；金属互连线b的一端从顶层介质中穿出作为电极二的引出线。
[0009]硅通孔金属在半导体衬底的表面排列成一个方块矩阵，当方块矩阵的行数与列数为奇数时，第一组硅通孔金属包括位于方块矩阵对角线上的硅通孔金属、以及位于与对角线平行且相互间隔设置的45°线上的硅通孔金属、以及位于另外两个顶点处的硅通孔金属，其余的硅通孔金属组成第二组硅通孔金属；当方块矩阵的行数与列数为偶数时，第一组硅通孔金属包括位于方块矩阵对角线上的硅通孔金属以及位于与对角线平行且相互间隔设置的45°线上的硅通孔金属，其余的硅通孔金属组成第二组硅通孔金属。
[0010]半导体衬底为娃衬底；娃通孔金属为铜或招中的一种；顶层介质及底层介质为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种；绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种；金属互连线a、金属互连线b、金属互连线c及金属互连线d同为铜导线或者铝导线中的一种。
[0011]半导体衬底将绝缘层完全包裹；绝缘层将硅通孔金属完全包裹。
[0012]本发明的另一个技术方案是:
[0013]基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法，具体按照以下步骤实施:
[0014]步骤1、在半导体衬底上通过反应离子的方式刻蚀若干个贯通半导体衬底上下表面的通孔；
[0015]步骤2、在步骤1通孔的内表面通过化学气相淀积法制备绝缘层；
[0016]步骤3、在步骤2制备有绝缘层的通孔内部通过物理气相淀积法制备硅通孔金属，直至硅通孔金属将通孔完全填充为止，硅通孔金属分为两组；
[0017]步骤4、对半导体衬底和硅通孔金属的上、下表面进行减薄，然后再对半导体衬底和硅通孔金属的上、下表面进行化学机械抛光，直到半导体衬底和硅通孔金属的上、下表面平整为止；
[0018]步骤5、在半导体衬底和硅通孔金属的上表面通过化学气相淀积法制备顶层介质并对顶层介质的上表面进行化学机械抛光；
[0019]步骤6、在步骤5制备的顶层介质内制作金属互连线a及金属互连线b，使第一组硅通孔金属通过金属互连线a相互连接形成电极一，并且金属互连线a的一端从顶层介质中穿出作为电极一的引出线；使第二组硅通孔金属通过金属互连线b相互连接形成电极二，并且金属互连线b的一端从顶层介质中穿出作为电极二的引出线；电极一、电极二中的一个为电容器的正极，另一个为电容器的负极；最后再对顶层介质的上表面进行化学机械抛光；
[0020]步骤7、在半导体衬底和硅通孔金属的下表面通过高密度等离子体化学气相淀积法制备底层介质并对底层介质的下表面进行化学机械抛光；
[0021]步骤8、在步骤7制备的底层介质内制作金属互连线c及金属互连线d，使第一组硅通孔金属通过金属互连线c相互连接，并且使第二组硅通孔金属通过金属互连线d相互连接，最后再对底层介质的下表面进行化学机械抛光；即完成该基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制作。
[0022]本发明另一个技术方案的特点还在于:
[0023]步骤3中所述的硅通孔金属在半导体衬底的表面排列成一个方块矩阵，两组硅通孔金属分别为:当方块矩阵的行数与列数为奇数时，第一组硅通孔金属包括位于方块矩阵对角线上的硅通孔金属、以及位于与对角线平行且相互间隔设置的45°线上的硅通孔金属、以及位于另外两个顶点处的硅通孔金属，其余的硅通孔金属组成第二组硅通孔金属；当方块矩阵的行数与列数为偶数时，第一组硅通孔金属包括位于方块矩阵对角线上的硅通孔金属以及位于与对角线平行且相互间隔设置的45°线上的硅通孔金属，其余的硅通孔金属组成第二组硅通孔金属。
[0024]步骤1中刻蚀所采用的反应气体为氟化物或氯化物气体，反应气体压强为15?30帕斯卡，反应气体流量为10?40毫升/分钟，射频功率范围是200?350瓦，刻蚀温度为150°C;步骤2中所述的化学气相淀积法的淀积温度为300?400°C，射频功率为400?550瓦，反应气体流速为200?300毫升/分钟，等离子体压强为60?133帕斯卡，所制备的绝缘层的厚度为0.1?1微米；步骤5中所述的化学气相淀积法的淀积温度为300?400°C，射频功率为400?550瓦，反应气体流速为200?300毫升/分钟，等离子体压强为60?133帕斯卡；步骤7中所述的高密度等离子体化学气相淀积法的淀积温度为300?400°C，射频功率为400?550瓦，反应气体流速为200?300毫升/分钟，等离子体压强为60?133帕斯卡。
[0025]步骤6中及所述步骤8中制作的金属互连线a、金属互连线b、金属互连线c及金属互连线d同为铜导线或者铝导线中的一种；当金属互连线a、金属互连线b、金属互连线c及金属互连线d为铜导线时，采用大马士革工艺制作而成；当金属互连线a、金属互连线b、金属互连线c及金属互连线d为铝导线时，采用铝互连线工艺制作而成。
[0026]半导体衬底为娃衬底；娃通孔金属为铜或招中的一种；顶层介质及底层介质为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种；绝缘层为二氧化硅层、氮化硅层、氮氧化硅层中的一种；半导体衬底将绝缘层完全包裹；绝缘层将硅通孔金属完全包裹。
[0027]本发明的有益效果是:本发明的基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器，利用硅通孔金属和硅衬底之间的寄生电容，使硅通孔金属排列组成一个方块阵列，从而使得这个硅通孔金属阵列里，对于不在阵列边上的硅通孔金属，每一个硅通孔金属周围都有四个等距的硅通孔金属，对于在阵列边上但是不在阵列四个角上的硅通孔金属，每一个硅通孔金属周围都有三个等距的硅通孔金属，对于在阵列四个角上的硅通孔金属，每一个硅通孔周围都有两个等距的硅通孔金属。这样就实现了每个硅通孔金属周围都有尽量多的、间距尽可能小的硅通孔金属。并且本发明采用金属互连线以特定的连接方式将硅通孔金属分为两组分别相连，形成电容器的两个电极，大大提高了集成电容器的容值，从而实现了高值集成电容器。本发明的电容器可广泛用于模拟集成电路、模/数混合集成电路和射频/微波电路中。
【附图说明】
[0028]图1为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的结构示意图；
[0029]图2为图1的A-A剖视图；
[0030]图3为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图 ，
[0031]图4为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图-* *
[0032]图5为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图—*.---，
[0033]图6为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图四；
[0034]图7为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图五；
[0035]图8为本发明基于硅通孔阵列的三维高值集成电容器的制造方法的工艺流程图六；