[發明專利]用碳納米管簇填充硅通孔的方法

有效

• 申請號: 201010220449.0
• 申請日: 2010-06-25
• 公開（公告）號: CN101872730A
• 公開（公告）日: 2010-10-27
• 發明（設計）人: 劉建影;張霞;王騰;張燕
• 申請（專利權）人: 上海上大瑞滬微系統集成技術有限公司
• 主分類號: H01L21/60
• 分類號: H01L21/60
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

技術領域

本發明涉及一種用于微電子封裝的互聯技術，主要應用于三維疊加芯片的封裝形式。具體的說是采用碳納米管簇填充硅通孔的方法。

背景技術

幾十年來，電子產品發展的總體趨勢一直表現為在日益縮小的產品尺寸內實現更快的速度和更多的功能。這主要通過兩個途徑來實現。其一是不斷地在芯片上集成更多的晶體管來提高運算速度，增大存儲空間，實現更多功能。根據著名的“摩爾定律”所述，每十八至二十四個月，相同面積的芯片上可集成的晶體管數目翻一番。其二是通過各種高密度封裝技術在產品中集成更多的器件。近年來，由于基本物理定律的限制，以摩爾定律所述的速度提高芯片中晶體管的數量愈發困難。普遍認為，在未來相當長一段時間內電子產品尺寸的進一步縮小和速度功能的提升將主要通過更高密度的封裝技術來實現。

在這些高密度封裝技術中，三維封裝技術備受矚目。在這種技術中，通過在垂直于基板的方向疊加芯片，可以實現非常高的集成密度，并縮短芯片間互聯的距離，提高信號傳輸速度。實現高密度三維封裝的一個關鍵技術是在硅片上制造出小尺寸，高深寬比的導電通孔。目前業界主要是通過在孔中鍍銅來實現電連接。

本發明的重點在于使用碳納米管簇來代替銅填充硅通孔。碳納米管的微觀結構可以看成卷成管狀的石墨碳原子層，其直徑一般為幾個到幾十個納米。取決于原子層數，碳納米管可以被分類為單壁和多壁碳納米管。作為一種新型的納米材料，近二十年來，碳納米管一直是研究的熱點之一。各種基于碳納米管的應用被陸續開發出來。原因就在于碳納米管具有許多獨特和優越的特性，包括高強度，高導熱性，高導電性，等等。合成碳納米管的方法有電弧放電，激光燒蝕，和化學氣相沉淀(CVD)。其中由于能在各種形狀的催化劑層上生長定向排列的碳納米管，化學氣相沉淀法的應用最為廣泛。使用化學氣相沉淀法生長碳納米管，主要有加熱型和等離子加強型兩種類別。在本發明中，我們即使用熱化學氣相沉淀法在硅通孔中生長碳納米管簇。

發明內容

本發明的目的是提供一種通過碳納米管簇填充硅通孔的制造方法。此種方法可以顯著縮小硅通孔直徑。孔徑可縮小至20微米以下。

本發明的目的是通過下述技術方案實現的。

一種用碳納米管簇填充硅通孔的方法，其特征在于該方法具有以下的工藝過程和步驟：

1.使用光刻工藝和深反應離子腐蝕法在硅片上制造出有特定形狀和排列的孔。孔徑為20～50微米。通過對腐蝕時間的控制，可控制孔的深度。孔深為100～150微米。光刻工藝中覆蓋在硅表面的光刻膠暫不去除，如圖1(a)(b)。

2.使用電子束蒸鍍法在被光刻膠覆蓋并有孔的硅片上沉積一層由6～12納米厚的三氧化二鋁和1～3納米厚的鐵組成的催化層。由于電子束蒸鍍法的臺階覆蓋能力非常弱，因此在這一步驟中，只有光刻膠的表面和孔的底部被催化層覆蓋，如圖1(c)。

3.使用異丙酮和去離子水洗去光刻膠及其上的催化層。此時，僅有孔的底部保留有催化層，如圖1(d)。

4.將硅片放入直徑為4厘米，長度為50厘米的石英管。在石英管中通入800～1000sccm的氬氣和100～300sccm的氫氣。同時，將硅片加熱到500～700℃并保持10～20分鐘。

5.在反應器中充入3～10sccm的乙炔氣體，同時將氬氣和氫氣的流量調整為500～700sccm，進行碳納米管簇的孔內生長，如圖1(e)。

6.碳納米管簇在孔內生長15～20分鐘之后關閉乙炔氣，將氬氣調整到800～1000scm，將氫氣調整到100～300sccm。同時，停止加熱，待芯片冷卻到室溫后從石英管中取出。

7.在帶有碳納米管孔的硅片上濺射一層由600～900納米厚的硅及10～20微米厚的光刻膠組成的支撐層，如圖1(f)。

8.使用紫外線照射光刻膠。待光刻膠硬化后使用研磨法和化學機械平坦化法打磨出平整的碳納米管簇表面和硅表面，如圖1(g)。研磨過程中，設備轉速為15～30轉每分鐘，研磨壓力為10～25KPa。機械平坦化過程中，設備轉速為25～50轉每分鐘，打磨壓力為10～20KPa。

9.使用光刻和電子束蒸鍍法在打磨平整的碳納米管簇上制備鈦/金焊盤，其中鈦的厚度為15～25納米，金的厚度為60～90納米，如圖1(h)。

10.在硅片的背面，使用腐蝕工藝去除硅，直到暴露出碳納米管簇的底部，然后在腐蝕后的硅背部表面濺射一層鈦/金鍍層，其中鈦的厚度為25～40納米，金的厚度為300～500納米。至此，便完成了由碳納米管簇填充的硅通孔的制備，如圖1(i)(j)。