CN102569181A - 一种碳纳米管束垂直互连的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种与TSV工艺相兼容、工艺成熟易于实现、而且互连可靠性和性能均高的碳纳米管束垂直互连的制作方法，本发明先制作开孔，然后只在TSV底部沉积金属催化剂薄膜，使碳纳米管束自底向上在TSV孔底部垂直生长，从而实现TSV孔的填充。同时通过致密化操作使碳纳米管与碳纳米管之间的气体被赶出，从而提高碳纳米管束密度，然后制作成金属包覆碳纳米管束的互连结构，用此结构做为互连材料可以有效地提高其互连可靠性和性能。此方法的优势在于不但与TSV工艺相兼容，工艺成熟易于实现，而且互连可靠性和性能得到很大的提高。
Description
技术领域
本发明涉及芯片封装技术中的三维堆叠技术领域，特别还涉及一种碳纳米管束垂直互连的制作方法。
背景技术
近几年来，先进的封装技术已在IC制造行业开始出现，特别是三维(3D)封装首先突破传统的平面封装的概念，组装效率高达200％以上。它使单个封装体内可以堆叠多个芯片，实现了存储容量的倍增，业界称之为叠层式3D封装；其次，它将芯片直接互连，互连线长度显著缩短，信号传输得更快且所受干扰更小；再则，它将多个不同功能芯片堆叠在一起，使单个封装体能够实现更多的功能，从而形成系统芯片封装新思路；最后，采用3D封装的芯片还有功耗低、速度快等优点，这使电子信息产品的尺寸和重量减小数十倍。通过垂直堆叠芯片建立3D封装结构，TSV能够提供更高地封装集成度。3DTSV互连可以减小物理尺寸节省有用的空间，缩短互连长度减小信号延迟来加快运行速度。2008国际半导体技术路线图确立的最终目标是在单一系统上进行异质集成，TSV互连在这个目标中扮演着重要角色，它可以提供低成本、可靠的通孔制备技术，适合的通孔填充材料的选择，新颖的电学和热学问题设计解决方案。
对于TSV孔填充的要求是无孔洞，低应力，良好的电学和热学性能，所用填孔材料一般采用铜、钨、金、多晶硅、导电聚合物等，而这些填充材料有他们自身的限制，如制备技术，封装和测试以及材料自身电学、热学和其它物理性能等。金属铜虽然有优良的电学和热学性能以及成熟的电化学沉积工艺，但是对于高深宽比TSV填充来说，通过PVD(物理气相沉积)制作阻挡层来阻止电迁移以及制作种子层来进行电化学沉积工艺。同样地，在温度低于200℃时，金属钨也是最适合填充小孔径高深宽比填充材料，但是它不能填充大尺寸TSV孔，导电率也低于金属铜。而多晶硅、金和导电聚合物等材料也存在同样的问题使它们不适合作为互连填充材料。
碳纳米管由于其独特的电学、热学和机械等性能被开发用于制作TSV互连材料。已经被证实，具有金属性的碳纳米管可以传送的电流密度能够达到1010A/cm2，而传统的互连材料金属铜的这个值只有106A/cm2，它甚至可以在250℃下正常工作，而碳纳米管束填充TSV作为互连，不但具有更低的电阻率而且可以避免铜互连电迁移问题，因此，受到越来越多的研究者的重视。
用碳纳米管束填充TSV制作电互连时，用于碳纳米管束生长的金属催化剂薄膜的制作是急需解决的问题之一。因为在TSV孔内沉积金属催化剂时，TSV侧壁不可避免的会沉积上催化剂，碳纳米管生长就会受到影响。为了避免上述问题发生，一些研究者采用先制作金属催化剂，然后在开孔的方式来实现碳纳米管束填充，从而避免TSV侧壁金属催化剂的沉积，如美国专利US20070096616A1。此专利具体实现方法是：一是在基底材料上制作金属薄膜作为催化剂；二是进行图形化操作；三是在上面覆盖一层绝缘材料；四是在图形化的金属催化剂上方的绝缘材料上制作开孔，使金属催化剂暴露出来；五是热化学气相沉积法生长碳纳米管束。但是此方法不适用于硅基TSV中碳纳米管束的制作，同时，此方法不但与TSV工艺不相兼容，而且工艺成熟不容易于实现。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种与TSV工艺相兼容、工艺成熟易于实现、而且互连可靠性和性能均高的碳纳米管束垂直互连的制作方法。
具体技术方案由如下步骤实现：
一种碳纳米管束垂直互连的制作方法，包括如下步骤：
A在硅基底上端制作TSV盲孔阵列，在所述TSV盲孔阵列的侧壁、底部以及所述硅基底上端依次形成第一绝缘层和阻挡层，然后在所述阻挡层表面旋涂一层聚合物材料作为牺牲层；
B去除所述TSV盲孔底部的所述牺牲层，在所述硅基底上端和所述TSV盲孔内制作用于生长碳纳米管的金属催化剂薄膜；
C剥离所述硅基底上端和所述TSV盲孔侧壁的所述牺牲层及其上面的所述金属催化剂薄膜，保留所述TSV盲孔阵列底部的所述金属催化剂薄膜；
D在所述金属催化剂薄膜上制作碳纳米管束，在所述硅基底上端和所述TSV盲孔侧壁制作碳纳米管束的第一金属接触，然后在第一金属接触上制作第一再布线层，在所述第一再布线层上制作第一微凸点结构；
E减薄所述硅基底下端，至所述第一绝缘层曝露出为止，然后进行反向刻蚀，在所述硅基底下端制作第二绝缘层；
F在所述硅基底下端抛光所述第一绝缘层和所述第二绝缘层，直至所述碳纳米管束的另一端被曝露出；
G使所述碳纳米管束致密化；
H在所述硅基底下端和所述TSV盲孔侧壁制作下端碳纳米管束的第二金属接触，在所述硅基底下端的所述第二金属接触上制作第二再布线层，在所述第二再布线层上制作第二微凸点结构。
优选地，所述步骤A中制作TSV盲孔阵列的方法为深反应离子刻蚀法或激光烧蚀法。
优选地，所述步骤A中第一绝缘层为二氧化硅，玻璃或聚合物。
优选地，所述步骤A中阻挡层为氮化钛或氮化钽。
优选地，所述步骤A中牺牲层的聚合物材料具有各向异性刻蚀性质，即在垂直于硅基底方向被刻蚀的速率大，而在平行于硅基底方向被刻蚀速率小。
优选地，所述步骤A中聚合物材料的厚度依次是所述硅基底上端的聚合物材料厚度＞所述TSV孔侧壁的聚合物材料厚度＞所述TSV孔底部的聚合物材料厚度。
优选地，所述步骤B中金属催化剂薄膜为铁、钴、镍或者其合金中的任一一种。
优选地，所述步骤B中金属催化剂薄膜通过PVD溅射法制作。
优选地，，所述步骤D中制作碳纳米管束采用热化学气相沉积法。
优选地，所述步骤D中第一金属接触和所述步骤H中第二金属接触的材料为铜。
优选地，所述制作碳纳米管束第一金属接触和第二金属接触的方法为PVD溅射法。
优选地，所述步骤E中硅基底下端反向刻蚀的方法为反应离子刻蚀方法。
优选地，所述步骤F中抛光第一绝缘层和第二绝缘层的方法是化学机械抛光法。
优选地，所述步骤G中碳纳米管束致密化方法是把硅基底浸入到丙酮溶液中，超声并烘干即得。
本发明先制作开孔，然后在TSV底部沉积金属催化剂薄膜，使碳纳米管束自底向上垂直生长，从而实现TSV孔的填充。同时通过致密化操作使碳纳米管与碳纳米管之间的气体被赶出，从而提高碳纳米管束的密度，然后制作成金属包覆碳纳米管束的垂直互连结构，用此结构做为互连材料可以有效地提高其互连可靠性和性能。此方法的优势在于不但与TSV工艺相兼容，工艺成熟易于实现，而且互连可靠性和性能得到很大的提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的用于制作碳纳米管束的硅基底；
图2是本发明实施例提供的硅基底上制作TSV盲孔；
图3是本发明实施例提供的在TSV盲孔内及基地表面制作绝缘层和阻挡层；
图4是本发明实施例提供的在绝缘层表面上制作具有各向异性刻蚀性质的聚合物材料；
图5是本发明实施例提供的利用可向异性刻蚀技术去除TSV盲孔底部的聚合物材料，而保留TSV盲孔侧壁及硅基底表面的聚合物材料；
图6是本发明实施例提供的在聚合物材料表面上制作金属催化剂；
图7是本发明实施例提供的利用lift-off工艺剥离剩余的聚合物材料及其上面的金属催化剂；
图8是本发明实施例提供的在TSV盲孔内制作碳纳米管束。
图9是本发明实施例提供的制作上端金属接触。
图10是本发明实施例提供的通过刻蚀形成再布线层。
图11是本发明实施例提供的制作硅基底上表面微凸点。
图12是本发明提供的硅基底背面减薄及反向刻蚀。
图13是本发明实施例提供的采用CVD法在硅基底表面制作二氧化硅绝缘层。
图14是本发明实施例提供的采用化学机械抛光法去除碳纳米管束上方的二氧化硅绝缘层。
图15是本发明实施例提供的碳纳米管束致密化。
图16是本发明实施例提供的制作下端金属接触。
图17是本发明实施例提供的通过刻蚀形成再布线层。
图18是本发明实施例提供的制作硅基底下表面微凸点。
100、硅基底上端 200、硅基底下端 201、TSV盲孔
301、绝缘层 401、牺牲层 501、TSV盲孔底部
601、催化剂薄膜 701、TSV盲孔底的铁催化剂薄膜
801、碳纳米管束 901、第一金属接触
902、硅基底上端的第一再布线层 903、第一微凸点机构
302、硅基底上端的钝化层 301B、硅基底下端的第二绝缘层
801B、致密化后碳纳米管束 901B、硅基底下端的第二金属接触
902B、硅基底下端的第二再布线层 302B、硅基底下端的钝化层
903B、第二微凸点机构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
实施例1
具体工艺步骤如下：
步骤01，如图1所示，本实施例提供的用于制作碳纳米管束的硅基底，选择4英寸硅片作为硅基底上端100，硅基底厚底为500微米。
步骤02，采用DRIE(深反应离子刻蚀)法制作TSV盲孔201，如图1所示，本实施例提供的硅基底上制作TSV盲孔，孔的大小为10微米，孔的深度为50微米。
步骤03，采用热氧化法制作二氧化硅绝缘层，如图3所示，本实施例提供的在TSV盲孔内及硅基底上端制作绝缘层301和阻挡层，绝缘层厚度为1微米，并在绝缘层上301采用PVD法制作氮化钛作为阻挡层。
步骤04，如图4所示，本实施例提供的在绝缘层301表面上制作具有各向异性刻蚀性质的聚合物材料，旋涂具有各向异性刻蚀性质的聚合物材料作为牺牲层401，要求硅基底上端100的聚合物材料厚度为3微米，TSV盲孔侧壁聚合物厚度为2微米，TSV盲孔底部聚合物材料厚度为1微米。
步骤05，如图5所示，本实施例提供的利用可向异性刻蚀技术去除TSV盲孔底部的聚合物材料，采用各向异性刻蚀技术刻蚀硅基底上端100，目的是刻蚀TSV盲孔底部的聚合物材料，而保留TSV盲孔侧壁的聚合物材料，同时由于硅基底上端聚合物材料厚度远大于TSV盲孔底部的厚度，所以当TSV盲孔底部聚合物材料被刻蚀完后，硅基底上端还保留一定厚度的聚合物材料，TSV盲孔底部501区域的聚合物材料被全部刻蚀。
步骤06，如图6所示，本实施例提供的在聚合物材料表面上制作金属催化剂薄膜，用PVD溅射法沉积铁催化剂薄膜601，使TSV盲孔底部铁催化剂的厚度约为3纳米。
步骤07，如图7所示，本实施例提供的利用lift-off工艺剥离剩余的聚合物材料及其上面的金属催化剂薄膜，利用lift-off工艺剥离剩余的聚合物材料及其上面的金属催化剂薄膜，只保留TSV盲孔底部的铁催化剂薄膜701。
步骤08，如图8所示，本实施例提供的在TSV盲孔内制作碳纳米管束，采用热化学气相沉积法生长碳纳米管束801，碳纳米管束的长度约50微米。
步骤09，如图9所示，本实施例提供的制作硅基底上端金属接触，用PVD溅射法沉积金属铜，完成硅基底上端的第一金属接触901，铜的厚度约为2微米。
步骤10，如图10所示，本实施例提供的通过刻蚀形成再布线层，旋涂光刻胶，然后通过光刻和刻蚀技术制作硅基底上端的第一再布线层902，再去除光刻胶。
步骤11，如图11所示，本实施例提供的制作硅基底上表面微凸点，旋涂厚度为3微米的PI(聚酰亚胺)作为硅基底上端的钝化层302，然后进行光刻，制作接触孔，最后通过电镀制作UBM(底层金属层)和第一微凸点结构903。
步骤12，如图12所示，本实施例提供的硅基底背面减薄及反向刻蚀，首先通过晶圆研磨机减薄硅基底，直到减薄到二氧化硅绝缘层曝露出为止，然后进行反向刻蚀得到硅基底下端200，刻蚀厚度约为3微米。
步骤13，如图13所示，本实施例提供的采用CVD法在硅基底表面制作二氧化硅绝缘层，通过PECVD(等离子体化学气相沉积)法制作二氧化硅作为硅基底下端的第二绝缘层301B，厚度约为1微米。
步骤14，如图14所示，本实施例提供的采用化学机械抛光法去除碳纳米管束上方的二氧化硅绝缘层，通过CMP(化学机械抛光)抛光第一绝缘层和第二绝缘层，直到曝露出碳纳米管束801为止。
步骤15，如图15所示，本实施例提供的碳纳米管束致密化，把硅基底上端100浸入到丙酮溶液中，并进行超声，时间为10分钟，然后把硅基底取出来放入烘箱中在150℃条件下进行烘烤，直至丙酮溶液完全烘干，最后得到致密化碳纳米管束801B。
步骤16，如图16所示，本实施例提供的制作下端金属接触，用PVD溅射法沉积金属铜，完成硅基底下端的第二金属接触901B，铜的厚度约为2微米。
步骤17，如图17所示，本实施例提供的通过刻蚀形成再布线层，旋涂光刻胶，然后通过光刻和刻蚀技术制作硅基底下端的第二再布线层902B，再去除光刻胶。
步骤18，旋涂厚度为3微米的PI(聚酰亚胺)作为硅基底下端的钝化层302B，然后进行光刻，制作接触孔，如图18所示，本实施例提供的制作硅基底下表面微凸点，最后通过电镀制作UBM(底层金属层)和第二微凸点机构903B。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
Claims (14)
1.一种碳纳米管束垂直互连的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
A在硅基底上端制作TSV盲孔阵列，在所述TSV盲孔阵列的侧壁、底部以及所述硅基底上端依次形成第一绝缘层和阻挡层，然后在所述阻挡层表面旋涂一层聚合物材料作为牺牲层；
B去除所述TSV盲孔底部的所述牺牲层，在所述硅基底上端和所述TSV盲孔内制作用于生长碳纳米管的金属催化剂薄膜；
C剥离所述硅基底上端和所述TSV盲孔侧壁的所述牺牲层及其上面的所述金属催化剂薄膜，保留所述TSV盲孔阵列底部的所述金属催化剂薄膜；
D在所述金属催化剂薄膜上制作碳纳米管束，在所述硅基底上端和所述TSV盲孔侧壁制作碳纳米管束的第一金属接触，然后在第一金属接触上制作第一再布线层，在所述第一再布线层上制作第一微凸点结构；
E减薄所述硅基底下端，至所述第一绝缘层曝露出为止，然后进行反向刻蚀，在所述硅基底下端制作第二绝缘层；
F在所述硅基底下端抛光所述第一绝缘层和所述第二绝缘层，直至所述碳纳米管束的另一端被曝露出；
G使所述碳纳米管束致密化；
H在所述硅基底下端和所述TSV盲孔侧壁制作下端碳纳米管束的第二金属接触，在所述硅基底下端的所述第二金属接触上制作第二再布线层，在所述第二再布线层上制作第二微凸点结构。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤A中制作TSV盲孔阵列的方法为深反应离子刻蚀法或激光烧蚀法。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤A中第一绝缘层为二氧化硅，玻璃或聚合物。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤A中阻挡层为氮化钛或氮化钽。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤A中牺牲层的聚合物材料具有各向异性刻蚀性质，即在垂直于硅基底方向被刻蚀的速率大，而在平行于硅基底方向被刻蚀速率小。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述步骤A中聚合物材料的厚度依次是所述硅基底上端的聚合物材料厚度＞所述TSV孔侧壁的聚合物材料厚度＞所述TSV孔底部的聚合物材料厚度。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤B中金属催化剂薄膜为铁、钴、镍或者其合金中的任一一种。
8.根据权利要求7所述的制作方法，其特征在于，所述步骤B中金属催化剂薄膜通过PVD溅射法制作。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤D中制作碳纳米管束采用热化学气相沉积法。
10.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤D中第一金属接触和所述步骤H中第二金属接触的材料为铜。
11.根据权利要求10所述的制作方法，其特征在于，所述制作碳纳米管束第一金属接触和第二金属接触的方法为PVD溅射法。
12.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤E中硅基底下端反向刻蚀的方法为反应离子刻蚀方法。
13.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤F中抛光第一绝缘层和第二绝缘层的方法是化学机械抛光法。
14.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述步骤G中碳纳米管束致密化方法是把硅基底浸入到丙酮溶液中，超声并烘干即得。
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