一种基于TSV的积累型MOS变容二极管及其制备方法与流程

本发明属于三维集成电路技术领域，具体涉及一种基于tsv的累积型mos变容二极管及其制备方法。

背景技术：

随着4g时代的到来，无线通信技术得到了快速发展。压控振荡器(vco)作为无线通信射频系统中的核心模块之一，其研究引起了广泛重视。由于变容二极管的cv特性和qv特性对vco电路有着巨大的影响，因此它成为了vco电路的核心器件之一。

传统的vco电路多采用反向偏压的变容二极管作为压控器件，但在用实际工艺实现电路时，变容二极管通常因其品质因数很小、电容可变范围窄、控制电压受限等因素而影响到电路的性能和设计效率。为此人们发明了mos变容管。与传统变容二极管相比，mos变容二极管具有更高的品质因数、更低的功耗、更低的相位噪声和更大的可调范围等优点。但是随着通信技术的快速发展普通mos变容二极也渐渐无法满足电路需求。于是人们便开始尝试改进mos变容管以达到在应用上的要求。于是积累型mos变容二极管和反型mos变容二级管便应运而生了。与普通mos变容二极管和反型mos变容二极管相比，积累型mos二极管具有更大的调谐范围、更好的调谐线性度、更低的寄生电阻以及更高的品质因数，并且在应用于vco电路中拥有更低的相位噪声，因此积累性mos变容管已经成为射频集成电路调谐器的首选元件。

但是现有平面积累型mos变容二极管也有其缺点，其在应用于三维集成电路与三维转接板时，会出现尺寸不匹配的问题，从而导致信号损失，严重影响了信号的完整性。并且增加了工艺复杂度，最终增加制作成本。因此，针对以上问题，有必要发明一种新的积累型mos变容二极管结构。

技术实现要素：

本发明的一个目的是提供一种基于tsv的积累型mos变容二极管，解决现有平面积累型变容管应用于三维集成电路和三维转接板时所造成的信号损失大的问题。

本发明的另一个目的是提供一种基于tsv的积累型mos变容二极管的制备方法。

本发明所采用的第一技术方案是，

一种基于tsv的积累型mos变容二极管，包括p型硅衬底，硅衬底上开设有通孔，通孔中从内向外依次设置有金属柱和介质层，金属柱引出有端子a，靠近通孔端部的介质层与硅衬底之间设置有p型参杂区，p型参杂区的端面上引出有端子b。

本发明的技术特征还在于，

其中，介质层为sio2层。

p型参杂区由重掺杂p型杂质组成。

本发明所采用的第二技术方案是，

一种基于tsv的积累型mos变容二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型硅衬底上通过反应离子的方式刻蚀出竖直通孔；

步骤2，在通孔的内表面通过常压化学气相淀积法制备介质层；

步骤3，对硅衬底的上下表面进行化学机械抛光，待表面平整后，运用离子注入法在靠近硅衬底上下端的介质层外侧制备p型掺杂区；

步骤4，采用热氧化工艺在硅衬底的上端面生长二氧化硅层，在p型掺杂区顶部的二氧化硅层上刻蚀环形通孔，在所述环形通孔内沉积金属液形成金属层，运用rdl技术在金属层上引出端子b；

步骤5，采用物理气相淀积法在环形介质层内部制备金属柱；

步骤6，运用重布线层rdl技术在金属柱的上端面引出端子a，即得所述基于tsv的积累型mos变容二极管。

步骤1的具体工艺过程为：采用氟化物或氯化物反应气体，在辉光放电中分解出氟原子或氯原子，与硅衬底表面的硅原子反应生成气态产物，完成竖直通孔的刻蚀。

反应离子刻蚀通孔的过程中，反应气体压强为14～31pa，反应气体流量为11～42毫升/分钟，射频功率范围为210～360w。

反应离子刻蚀通孔的过程中，采用氦气冷却技术对硅衬底进行温度控制，确保整个硅衬底在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在145℃左右。

步骤2中，常压化学气相淀积法为高密度等离子体化学气相淀积或等离子体增强化学气相淀积。

制备介质层的过程中，硅衬底的温度保持在240～450℃，反应气体流速为180～280毫升/分钟，等离子体压强为54～124帕斯卡，射频功率范围为380～530w。

步骤4中，热氧化工艺的温度为900～1200℃。

本发明的有益效果在于，与平面积累型mos变容二极管相比，本发明基于tsv的积累型mos变容二极管具有更高的品质因数、更低的寄生电阻、更低的相位噪声、更好的调谐线性度和信号传导性等，其可以应用于三维集成电路和三维集成转接板，实现可集成的尺寸匹配的变容二极管，没有信号损失，保证了信号的完整性；而且本发明tsv的积累型mos变容二极管的制备工艺复杂度低，有效节约了制作成本。

附图说明

图1是本发明基于tsv的积累型mos变容二极管的结构示意图；

图2是本发明基于tsv的积累型mos变容二极管的俯视图。

图中，1.金属柱，2.介质层，3.金属层，4.p型参杂区，5.硅衬底，6.通孔，7.端子a，8.端子b，9.二氧化硅层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

本发明一种基于tsv的积累型mos变容二极管，参照图1和图2，包括p型硅衬底5，硅衬底5上开设有通孔6，通孔6中从内向外依次设置有金属柱1和介质层2，金属柱1引出有导电端子a7，靠近通孔6端部的介质层2与硅衬底5之间设置有p型参杂区4，p型参杂区与硅衬底5短接，p型参杂区4的端面上引出有导电端子b8。

其中，介质层2为sio2层，p型参杂区4由重掺杂p型杂质组成。

本发明一种基于tsv的积累型mos变容二极管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在p型硅衬底5上通过反应离子的方式刻蚀出竖直通孔6；采用氟化物或氯化物反应气体，在辉光放电中分解出氟原子或氯原子，与硅衬底5表面的硅原子反应生成气态产物，完成竖直通孔6的刻蚀；反应气体压强为14～31pa，反应气体流量为11～42毫升/分钟，射频功率范围为210～360w；刻蚀过程中，采用热交换器和氦气冷却技术对硅衬底进行温度控制，确保整个硅衬底5在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在145℃左右。

步骤2，在通孔6的内表面通过常压化学气相淀积法制备介质层2；常压化学气相淀积法为高密度等离子体化学气相淀积或等离子体增强化学气相淀积；制备介质层2的过程中，硅衬底5的温度保持在240～450℃，反应气体流速为180～280毫升/分钟，等离子体压强为54～124帕斯卡，射频功率范围为380～530w。

步骤3，对硅衬底5的上下表面进行化学机械抛光，待表面平整后，运用离子注入法在靠近硅衬底5上下端的介质层2外侧制备p型掺杂区4；

步骤4，采用热氧化工艺在硅衬底5的上端面生长出一层二氧化硅层9，热氧化工艺的温度为900～1200℃；在p型掺杂区4顶部的二氧化硅层9上刻蚀环形通孔，在环形通孔内沉积金属液形成金属层3，金属层3底部紧贴p型掺杂区4，运用rdl技术在金属层3上引出端子b8；

步骤5，采用物理气相淀积法在环形介质层2内部制备出金属柱1；

步骤6，运用重布线层rdl技术在金属柱1的上端面引出端子a7，即得基于tsv的积累型mos变容二极管。

实施例1

制备一种基于tsv的积累型mos变容二极管，具体包括以下步骤：

步骤1，在p型硅衬底5上通过反应离子的方式刻蚀出竖直通孔6；采用氯化物反应气体，在辉光放电中分解出氯原子，与硅衬底5表面的硅原子反应生成气态产物，完成竖直通孔6的刻蚀；反应气体压强为14pa，反应气体流量为16毫升/分钟，射频功率范围为260w；刻蚀过程中，采用热交换器和氦气冷却技术对硅衬底进行温度控制，确保整个硅衬底5在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在145℃左右；

步骤2，在通孔6的内壁上通过常压化学气相淀积法制备环形介质层2，介质层为二氧化硅材料；常压化学气相淀积法为高密度等离子体化学气相淀积，制备介质层2的过程中，硅衬底5的温度保持在240℃，反应气体流速为180毫升/分钟，等离子体压强为75帕斯卡，射频功率范围为500w；

步骤3，对硅衬底5的上下表面进行化学机械抛光，待表面平整后，运用离子注入法在靠近硅衬底5上下端的介质层2外侧制备p型掺杂区4，p型掺杂区由重掺杂p型杂质组成；

步骤4，采用热氧化工艺在硅衬底5的上端面生长出二氧化硅层，热氧化工艺的温度为1000℃；在p型掺杂区4顶部的二氧化硅层上刻蚀环形通孔，在环形通孔内沉积金属液形成金属层3，金属层3底部紧贴p型掺杂区4，运用rdl技术在金属层3上引出端子b8；

步骤5，采用物理气相淀积法在环形介质层2内部制备出金属柱1；

步骤6，运用重布线层rdl技术在金属柱1的上端面引出端子a7，即得基于tsv的积累型mos变容二极管。

对制备的基于tsv的积累型mos变容二极管进行性能测试，测试结果如表1所示，从表1中可看出，实施例1制备的基于tsv的积累型mos变容二极管的品质因数为58，寄生电阻为7.75ω，相位噪声为-165dbc/hz，调谐线性度为35％，相比现有平面积累型mos变容二极管具有更高的品质因数、更低的寄生电阻、更低的相位噪声、更好的调谐线性度和信号传导性。

实施例2

制备一种基于tsv的积累型mos变容二极管，具体包括以下步骤：

步骤1，在p型硅衬底5上通过反应离子的方式刻蚀出竖直通孔6；采用氟化物反应气体，在辉光放电中分解出氟原子，与硅衬底5表面的硅原子反应生成气态产物，完成竖直通孔6的刻蚀；反应气体压强为24pa，反应气体流量为20毫升/分钟，射频功率范围为300w；刻蚀过程中，采用热交换器和氦气冷却技术对硅衬底进行温度控制，确保整个硅衬底5在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在145℃左右；

步骤2，在通孔6的内壁上通过常压化学气相淀积法制备环形介质层2，介质层为二氧化硅材料；常压化学气相淀积法为高密度等离子体化学气相淀积，制备介质层2的过程中，硅衬底5的温度保持在350℃，反应气体流速为220毫升/分钟，等离子体压强为54帕斯卡，射频功率范围为400w；

步骤3，对硅衬底5的上下表面进行化学机械抛光，待表面平整后，运用离子注入法在靠近硅衬底5上下端的介质层2外侧制备p型掺杂区4，p型掺杂区由重掺杂p型杂质组成；

步骤4，采用热氧化工艺在硅衬底5的上端面生长出二氧化硅层，热氧化工艺的温度为900℃；在p型掺杂区4顶部的二氧化硅层上刻蚀环形通孔，在环形通孔内沉积金属液形成金属层3，金属层3底部紧贴p型掺杂区4，运用rdl技术在金属层3上引出端子b8；

步骤5，采用物理气相淀积法在环形介质层2内部制备出金属柱1；

步骤6，运用重布线层rdl技术在金属柱1的上端面引出端子a7，即得基于tsv的积累型mos变容二极管。

对制备的基于tsv的积累型mos变容二极管进行性能测试，测试结果如表1所示，从表1中可看出，实施例2制备的基于tsv的积累型mos变容二极管的品质因数为55，寄生电阻为8.43ω，相位噪声为-157dbc/hz，调谐线性度为32％，相比现有平面积累型mos变容二极管具有更高的品质因数、更低的寄生电阻、更低的相位噪声、更好的调谐线性度和信号传导性。

实施例3

制备一种基于tsv的积累型mos变容二极管，具体包括以下步骤：

步骤1，在p型硅衬底5上通过反应离子的方式刻蚀出竖直通孔6；采用氟化物反应气体，在辉光放电中分解出氟原子，与硅衬底5表面的硅原子反应生成气态产物，完成竖直通孔6的刻蚀；反应气体压强为31pa，反应气体流量为42毫升/分钟，射频功率范围为360w；刻蚀过程中，采用热交换器和氦气冷却技术对硅衬底进行温度控制，确保整个硅衬底5在刻蚀过程中的温度均匀，并稳定在145℃左右；

步骤2，在通孔6的内壁上通过常压化学气相淀积法制备环形介质层2，介质层为二氧化硅材料；常压化学气相淀积法为高密度等离子体化学气相淀积，制备介质层2的过程中，硅衬底5的温度保持在450℃，反应气体流速为280毫升/分钟，等离子体压强为124帕斯卡，射频功率范围为530w；

步骤3，对硅衬底5的上下表面进行化学机械抛光，待表面平整后，运用离子注入法在靠近硅衬底5上下端的介质层2外侧制备p型掺杂区4，p型掺杂区由重掺杂p型杂质组成；

步骤4，采用热氧化工艺在硅衬底5的上端面生长出二氧化硅层，热氧化工艺的温度为1200℃；在p型掺杂区4顶部的二氧化硅层上刻蚀环形通孔，在环形通孔内沉积金属液形成金属层3，金属层3底部紧贴p型掺杂区4，运用rdl技术在金属层3上引出端子b8；

步骤5，采用物理气相淀积法在环形介质层2内部制备出金属柱1；

步骤6，运用重布线层rdl技术在金属柱1的上端面引出端子a7，即得基于tsv的积累型mos变容二极管。

对制备的基于tsv的积累型mos变容二极管进行性能测试，测试结果如表1所示，从表1中可看出，实施例3制备的基于tsv的积累型mos变容二极管的品质因数为62，寄生电阻为7.62ω，相位噪声为-169dbc/hz，调谐线性度为39％，相比现有平面积累型mos变容二极管具有更高的品质因数、更低的寄生电阻、更低的相位噪声、更好的调谐线性度和信号传导性。

表1基于tsv的积累型mos变容二极管的性能检测结果表