便于工艺生产且节省芯片面积的差分硅通孔结构及其工艺制造技术

本发明专利技术公开便于工艺生产且节省芯片面积的差分硅通孔结构及其工艺。包括硅衬底、介质层、半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、金属焊盘；所述的硅衬底开有两个通孔，通孔由半导体性碳纳米管层，以及分别设置在半导体性碳纳米管层两侧的金属性碳纳米管层构成，且半导体性碳纳米管层完全阻隔两金属性碳纳米管层；硅通孔外周设置有介质层；金属性碳纳米管层的上下两端设有金属焊盘。本发明专利技术可以减少三维集成电路差分传输结构中的硅通孔数量，显著缩小了差分传输结构的尺寸并且减少了其占用面积，有效提高了芯片面积的利用率；用碳纳米管束作为传输通道填充材料，具有优越的力学性能、电学性能和热学性能。

Differential silicon through-hole structure and its process which is easy to produce and save chip area

【技术实现步骤摘要】
便于工艺生产且节省芯片面积的差分硅通孔结构及其工艺
本专利技术属于三维集成
，涉及一种节省芯片面积的基于碳纳米管的差分硅通孔结构及其设计方法。
技术介绍
三维集成电路是一种新型封装形式的半导体集成电路，具有封装尺寸小、互联效率高、芯片的功率损耗小以及成本低的优点，解决了传统集成电路发展带来的芯片尺寸问题，实现了性能的改进。通过硅通孔技术，多层芯片实现了垂直互联，因此三维集成电路可以在很小的占用空间中集成大量的功能，尤其是大大缩短通过设备的电路径，实现了更快的操作。差分信号在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计。学术研究者们已经成功的对地-信号-信号-地结构差分硅通孔形式建立了等效电路模型，提高了高速信号的传输质量，有效抑制了外界的电磁干扰。但现有的地-信号-信号-地结构差分硅通孔需要用两个硅通孔来传输差分信号，存在占用芯片面积大的缺点。碳纳米管作为一种替代铜的候选材料，具有独特的性质，具体表现为：在力学性质上拥有良好的柔韧性；在电学性质上具有良好的导电性，其纵向电导率通常比铜大3-4个数量级；在热学性质上具有良好的传热性能，掺杂碳纳米管的材料的热导率将会有很大的改善。此外，碳纳米管的电导率具有各向异性，其纵向电导率通常比横向电导率大7-8个数量级，即在碳纳米管构成的硅通孔中电流一般不会横向传输。同时，将半导体性碳纳米管应用到差分硅通孔中，可以使横向电导率变的更小，甚至可以忽略，从而提升了差分传输性能。因此，将碳纳米管和差分结构特性同时与硅通孔技术结合，可以将现有差分传输结构的尺寸缩小，提高芯片面积的利用率，必然会给三维集成电路带来重大改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足，提出一种节省芯片面积的基于碳纳米管的差分硅通孔结构。本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术一种差分硅通孔结构，包括硅衬底、介质层、半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、金属焊盘；所述的硅衬底开有间距设置且呈圆柱形的两个通孔，所述通孔由位于中间的半导体性碳纳米管层，以及分别设置在半导体性碳纳米管层两侧的金属性碳纳米管层构成，且半导体性碳纳米管层完全阻隔两金属性碳纳米管层；上述两个硅通孔组成差分硅通孔；硅通孔外周设置有呈圆环形的介质层；所述介质层的材质为氧化物。所述金属性碳纳米管层的上下两端设有金属焊盘，共有八个金属焊盘。所述八个金属焊盘的结构完全一致，完全覆盖金属性碳纳米管层的端面。本专利技术的另一个目的是提供上述差分硅通孔结构的制备工艺，包括以下步骤：步骤一：在一块生长基底硅衬底上通过次常压化学气相沉积技术沉积一层氧化物，并采用电化学沉积法在氧化物上制备圆柱形金属；步骤二：将沉积的圆柱金属用掩膜版遮盖，露出中间部分；步骤三：通过化学气相沉积技术，在露出的圆柱金属中间部分生长出半导体性碳纳米管束；步骤四：移除掩膜版，并通过化学气相沉积技术在已生长的半导体性碳纳米管束两边生长出金属性碳纳米管束；步骤五：通过蒸汽致密化过程，将生长的半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束进行致密化；步骤六：通过反应离子刻蚀技术在硅衬底上刻蚀间距设置的两个圆柱凹槽，两个圆柱凹槽底端封闭；步骤七：将致密化后的半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束与步骤六所述的圆柱凹槽底端接合，并分离生长基底；步骤八：通过次常压化学气相沉积技术，在圆柱凹槽与半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束的间隙处制备介质层；步骤九：采用化学机械抛光技术对半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束的顶端端面进行表面抛光；步骤十：在半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束抛光后的顶端端面通过化学气相沉积形成金属焊盘；步骤十一：将硅衬底底面和顶面翻转，在底面依次通过粗研磨和精研磨将硅衬底减薄至半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束露出；步骤十二：在硅衬底底面通过湿法刻蚀去除表层的损伤层，并在硅衬底底面露出的半导体性碳纳米管束和金属性碳纳米管束端面通过化学气相沉积形成金属焊盘。本专利技术具有的有益效果：1、本专利技术将金属性碳纳米管作为传输通道，两个硅通孔相邻两侧的金属性碳纳米管束作为信号通道，分别传输正信号和负信号，正信号和负信号的差分结构设计可有效抑制共模噪声和电磁干扰，提高高速信号的传输质量；2、本专利技术可以减少三维集成电路差分传输结构中的硅通孔数量，显著缩小了差分传输结构的尺寸并且减少了其占用面积，有效提高了芯片面积的利用率；3、本专利技术用碳纳米管束作为传输通道填充材料，具有优越的力学性能、电学性能和热学性能。附图说明图1a和1b为本专利技术基于碳纳米管的差分硅通孔结构的侧视图和俯视图；图2a和2b为生长基底及圆柱金属的侧视图和俯视图；图3a和3b为掩膜版遮盖圆柱金属的侧视图和俯视图；图4a和4b为化学气相沉积生长半导体性碳纳米管束的侧视图和俯视图；图5a和5b为移除掩膜版，通过化学气相沉积生长金属性碳纳米管束的侧视图和俯视图；图6a和6b为蒸汽致密化过程后碳纳米管束的侧视图和俯视图；图7a和7b为反应离子刻蚀距离设置的两个圆柱凹槽的侧视图和俯视图；图8为碳纳米管束和两个圆柱凹槽结合的侧视图；图9a和9b为碳纳米管束和两个圆柱凹槽结合后的间隙沉积介质层的侧视图和俯视图；图10a和10b为化学气相沉积形成的金属焊盘的侧视图和俯视图；；图11a和11b为粗研磨和精研磨后硅衬底露出参考线和碳纳米管束的侧视图和俯视图；图12a和12b为在研磨后露出的碳纳米管束表面通过化学气相沉积形成金属焊盘的侧视图和俯视图；图13为本专利技术与未引入半导体碳纳米管结构的硅通孔结构的差模传输性能对比图；所有图中标记如下：100至108-金属焊盘；109-介质层；110-硅衬底；111-半导体性碳纳米管束；112-金属性碳纳米管束；113-圆柱金属；114-掩膜版。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1a和b所示，一种差分硅通孔结构，包括硅衬底、介质层、半导体性碳纳米管束、金属性碳纳米管束、八个金属焊盘；硅衬底110中设有间距设置且呈圆柱形的硅通孔；硅通孔由半导体性碳纳米管束111层以及设置在半导体层两侧两个金属性碳纳米管束112层围合成圆柱形，用于传输电流。硅通孔外周设有呈圆筒状的介质层109；介质层109的材质为氧化物，用于隔离直流泄漏。由半导体性碳纳米管束111和金属性碳纳米管束112的组成的硅通孔以及介质层109的两端均开放设置；两个硅通孔的金属性碳纳米管束112的一端设有金属焊盘101、102和金属焊盘105、106，另一端设有金属焊盘103、104和金属焊盘107、108；八个金属焊盘的结构完全一致，横截面均呈弓形；硅通孔一端的金属焊盘101、102及金属焊盘105、106相向且间距设置，另一端的金属焊盘103、104及金属焊盘107、108相本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.便于工艺生产且节省芯片面积的差分硅通孔结构，其特征在于包括硅衬底、介质层、半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、金属焊盘；/n所述的硅衬底开有间距设置且呈圆柱形的两个通孔，所述通孔由位于中间的半导体性碳纳米管层，以及分别设置在半导体性碳纳米管层两侧的金属性碳纳米管层构成，且半导体性碳纳米管层完全阻隔两金属性碳纳米管层；/n硅通孔外周设置介质层；所述介质层的材质为氧化物；/n所述金属性碳纳米管层的上下两端各设有金属焊盘；/n所述八个金属焊盘完全覆盖金属性碳纳米管层的端面。/n

【技术特征摘要】
1.便于工艺生产且节省芯片面积的差分硅通孔结构，其特征在于包括硅衬底、介质层、半导体性碳纳米管、金属性碳纳米管、金属焊盘；
所述的硅衬底开有间距设置且呈圆柱形的两个通孔，所述通孔由位于中间的半导体性碳纳米管层，以及分别设置在半导体性碳纳米管层两侧的金属性碳纳米管层构成，且半导体性碳纳米管层完全阻隔两金属性碳纳米管层；
硅通孔外周设置介质层；所述介质层的材质为氧化物；
所述金属性碳纳米管层的上下两端各设有金属焊盘；
所述八个金属焊盘完全覆盖金属性碳纳米管层的端面。


2.如权利要求1所述的差分硅通孔结构，其特征在于硅通孔的半径为5um，高度为50um，半导体性碳纳米管层的厚度为0.1um；介质层的材料为二氧化硅，厚度为1um；两硅通孔的间距为30um。


3.如权利要求1或2所述的差分硅通孔结构，其特征在于两个硅通孔相邻两侧的金属性碳纳米管层作为信号通道，分别传输正信号和负信号。


4.如权利要求1至3任一所述的差分硅通孔结构的制备工艺，其特征在于该方法包括以下步骤：
步骤一：在一块生长基底硅衬底上通过次常压化学气相沉积技术沉积一层氧化物，并采用电化学沉积法在氧化物上制备圆柱形金属；
步骤二：将沉积的圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵文生，胡庆豪，王晶，胡月，王高峰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33