CN102683265A - 一种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法 - Google Patents

一种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法 Download PDF

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曹立强
戴风伟
王启东
万里兮
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Abstract

本发明公开了一种将碳纳米管束通过转移的方式填充到硅转接板的TSV中的方法。该方法是将碳纳米管束生长在普通硅基底上，然后通过转移的方法将碳纳米管束填充到硅转接板的TSV中。此方法的优势在于碳纳米管束的生长不受温度限制，可以得到任意所需长度的碳纳米管束，不受TSV径和深宽比的限制，通过转移可以使碳纳米管束两端被很好的固定。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。

Description

一种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法
技术领域
本发明涉及微电子封装技术、微型机电系统(MEMS)技术以及三维集成互连技术领域，特别涉及一种将碳纳米管束通过转移的方式填充到硅转接板(Interposer)的硅穿孔(Through Silicon Vias，TSV)中的方法。
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，3D硅穿孔(Through Silicon Vias，TSV)能够提供更高地封装集成度。3D TSV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，通过物理气相沉积(PVD)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，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，因此，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。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种将碳纳米管束通过转移的方式填充到硅转接板的TSV中的方法，该方法是将碳纳米管束生长在普通硅基底上，然后通过转移的方法将碳纳米管束填充到Interposer的TSV中。此方法的优势在于碳纳米管束的生长不受温度限制，可以得到任意所需长度的碳纳米管束，不受TSV径和深宽比的限制，通过转移可以使碳纳米管束两端被很好的固定。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，包括：
在第一基底上生长氧化物缓冲层；
在生长有氧化物缓冲层的第一基底上制作光刻胶层，并经曝光、显影形成碳纳米管束阵列图形；
在形成碳纳米管束阵列图形的第一基底表面通过溅射或蒸发的方法沉积金属催化剂薄膜，并去除光刻胶，形成金属催化剂薄膜阵列；
在金属催化剂薄膜阵列上通过热化学汽相淀积或等离子体援助化学汽相淀积方法生长碳纳米管束阵列；
通过激光钻孔或深反应离子刻蚀方法在第二基底上表面制作硅穿孔盲孔阵列；
采用化学机械抛光法，减薄第二基底的下表面直到曝露出硅穿孔，形成硅穿孔通孔；
在第二基底上下表面的硅穿孔通孔周围制作金属焊垫；
通过对准装置使第一基底上的碳纳米管束阵列分别与第二基底上的硅穿孔阵列一一对准，然后穿过硅穿孔阵列；
在第二基底上碳纳米管束阵列露头的位置制作金属微凸点，形成金属接触；
在形成金属接触第二基底表面制作再分布层；
移除第一基底；
在第二基底上碳纳米管束另一端位置制作金属平板电极；以及
在平板电极上制作球栅阵列封装球。
上述方案中，所述碳纳米管束阵列通过转移的方法填充到硅穿孔中。
上述方案中，所述碳纳米管束阵列填充硅穿孔后，生长碳纳米管束阵列所用第一基底需移除。
上述方案中，所述第一基底或第二基底为硅基底。
上述方案中，所述氧化物缓冲层为二氧化硅。
上述方案中，所述碳纳米管束阵列图形是方形或圆形。
上述方案中，所述在第一基底表面沉积的金属催化剂薄膜采用的材料为铁、钴、镍或及其合金，其厚度为1～10nm。
上述方案中，所述在第二基底上下表面的硅穿孔通孔周围制作金属焊垫，采用电镀或溅射方法，所用材料是钛和金，或钛和铜。
上述方案中，所述在第二基底上碳纳米管束阵列露头的位置制作金属微凸点，是采用丝网印刷法在碳纳米管束探出位置印刷焊锡膏，并回流来形成金属微凸点；或者是通过溅射的方法沉积钛和金，形成金属微凸点。
(三)有益效果
本发明提供的这种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，此硅转接板包含有碳纳米管束填充的TSV互连通孔，此硅转接板上面通过再分布层可以和Chip、Device或Die等互连，硅转接板下面通过BGA阵列与基板互连；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。因此，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。
附图说明
图1是制作碳纳米管束所用第一基底，此第一基底表面形成有二氧化硅缓冲层；
图2是通过光刻技术得到金属铁催化剂薄膜阵列图形；
图3是通过溅射或蒸发的方法在硅基底上形成金属铁催化剂薄膜阵列，并去除光刻胶；
图4是通过热化学汽相淀积(thermal CVD)或等离子体援助化学汽相淀积(PECVD)等方法生长碳纳米管束阵列；
图5是制作Interposer所用第二基底；
图6是通过激光钻孔或深反应离子刻蚀(DRIE)等方法在第二基底上表面制作TSV盲孔阵列，并采用化学机械抛光(CMP)法，减薄第二基底的下表面直到曝露出TSV；
图7是通过溅射或电镀的方法在第二基底上下表面的TSV周围制作金属焊垫，其中插入图为金属焊垫放大后的形貌图；
图8是通过对准装置使第一基底上的碳纳米管束阵列与第二基底上的TSV通孔阵列一一对准；
图9是碳纳米管束阵列全部穿过TSV通孔；
图10是在碳纳米管束阵列露头的位置制作金属微凸点，形成金属接触；
图11是通过化学气相沉积法制作钝化绝缘层，通过溅射法制作再分布层；
图12是移除第一基底；
图13是在第二基底上的碳纳米管束另一端位置通过溅射法制作金属平板电极(Pad)，形成金属接触；
图14是通过标准球栅阵列封装(BGA)植球工艺制作BGA球。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步详细描述。本发明的实施例提供了一种通过转移的方式将碳纳米管束填充到TSV中的方法，具体制作方法包括以下步骤：
步骤1：如图1所示，本实施例中所用第一基底为单面抛光晶圆101，规格为4寸、6寸或8寸晶圆，晶圆表面有一层热氧化的热氧化硅缓冲层，缓冲层的厚度为0.5～1μm。
步骤2：通过光刻技术得到如图2所示的碳纳米管束阵列图形，即金属铁催化剂薄膜阵列图形102，图形单元尺寸为直径200μm的圆形，图形单元之间的节距为400μm。
步骤3：通过溅射或蒸发等物理气相沉积的方法在第一基底表面的碳纳米管束阵列图形上沉积Fe催化剂薄膜，薄膜厚度为3nm，然后用去胶液去除光刻胶，形成如图3所示的Fe催化剂薄膜阵列103。
步骤4：在Fe催化剂薄膜阵列103上通过热化学汽相淀积(thermalCVD)或等离子体援助化学汽相淀积(PECVD)方法生长如图4所示的碳纳米管束阵列104，碳纳米管束阵列的高度为200μm。
步骤5：如图5所示，准备制作Interposer所用第二基底，第二基底为单面抛光晶圆201。
步骤6：通过深反应离子刻蚀(DRIE)技术，在第二基底201上制作TSV盲孔阵列，然后采用化学机械抛光(CMP)技术减薄此第二基底201直到曝露出TSV202，形成硅穿孔通孔，如图6所示。
步骤7：如图7所示，通过溅射在第二基底201上下表面的TSV通孔周围前后沉积金属钛和金的薄膜，形成金属焊垫203，其中插入图204为金属焊垫放大后的形貌图，金属焊垫的内径为200μm，外径为300μm，钛薄膜厚度为50nm，金薄膜的厚度为100nm。
步骤8：如图8所示，在显微镜下，通过机械夹持工具使第一基底101上的碳纳米管束阵列与第二基底201上的TSV通孔阵列一一对准。
步骤9：通过移动机械夹持工具，使碳纳米管束阵列全部穿过所对应的TSV通孔直到如图9所示位置。
步骤10：如图10所示，在碳纳米管束阵列露头的位置通过溅射法沉积金属钛和金的薄膜，制作金属微凸点301，形成金属接触，其中钛和金薄膜的厚度分别为50nm和200nm。
步骤11：通过PECVD法沉积二氧化硅和溅射法沉积金属铜分别制作钝化绝缘层302和再分布层304，最后制作金属平板电极(Pad)303，其结构如图11所示。
步骤12：由于碳纳米管束生长时是靠范德华力与基底接触，所以当移动机械夹持工具时即可移除第一基底101，如图12所示。
步骤13：如图13所示，在第二基底201上碳纳米管束的另一端位置通过溅射法制作钛和金的薄膜作为金属平板电极(Pad)305，形成金属接触，其中钛和金薄膜的厚度分别为50nm和200nm。
步骤14：如图14所示，通过标准球栅阵列封装(BGA)植球工艺制作BGA球306。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，包括：
在第一基底上生长氧化物缓冲层；
在生长有氧化物缓冲层的第一基底上制作光刻胶层，并经曝光、显影形成碳纳米管束阵列图形；
在形成碳纳米管束阵列图形的第一基底表面通过溅射或蒸发的方法沉积金属催化剂薄膜，并去除光刻胶，形成金属催化剂薄膜阵列；
在金属催化剂薄膜阵列上通过热化学汽相淀积或等离子体援助化学汽相淀积方法生长碳纳米管束阵列；
通过激光钻孔或深反应离子刻蚀方法在第二基底上表面制作硅穿孔盲孔阵列；
采用化学机械抛光法，减薄第二基底的下表面直到曝露出硅穿孔，形成硅穿孔通孔；
在第二基底上下表面的硅穿孔通孔周围制作金属焊垫；
通过对准装置使第一基底上的碳纳米管束阵列分别与第二基底上的硅穿孔阵列一一对准，然后穿过硅穿孔阵列；
在第二基底上碳纳米管束阵列露头的位置制作金属微凸点，形成金属接触；
在形成金属接触第二基底表面制作再分布层；
移除第一基底；
在第二基底上碳纳米管束另一端位置制作金属平板电极；以及
在平板电极上制作球栅阵列封装球。
2.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳纳米管束阵列通过转移的方法填充到硅穿孔中。
3.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳纳米管束阵列填充硅穿孔后，生长碳纳米管束阵列所用第一基底需移除。
4.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述第一基底或第二基底为硅基底。
5.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述氧化物缓冲层为二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳纳米管束阵列图形是方形或圆形。
7.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述在第一基底表面沉积的金属催化剂薄膜采用的材料为铁、钴、镍或及其合金，其厚度为1～10nm。
8.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述在第二基底上下表面的硅穿孔通孔周围制作金属焊垫，采用电镀或溅射方法，所用材料是钛和金，或钛和铜。
9.根据权利要求1所述的将碳纳米管束填充到硅转接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述在第二基底上碳纳米管束阵列露头的位置制作金属微凸点，是采用丝网印刷法在碳纳米管束探出位置印刷焊锡膏，并回流来形成金属微凸点；或者是通过溅射的方法沉积钛和金，形成金属微凸点。
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