一种碳纳米管束垂直互连的制作方法技术

本发明专利技术公开一种与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，本发明专利技术先制作开孔，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及芯片封装技术中的三维堆叠
，特别还涉及。
技术介绍
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°C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°C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。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述问题，本专利技术提供了一种与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，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5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。本专利技术先制作开孔，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是本专利技术实施例提供的用于制作碳纳米管束的硅基底；图2是本专利技术实施例提供的硅基底上制作TSV盲孔；图3是本专利技术实施例提供的在TSV盲孔内及基地表面制作绝缘层和阻挡层；图4是本专利技术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是本专利技术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是本专利技术实施例提供的在聚合物材料表面上制作金属催化剂；图7是本专利技术实施例提供的利用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是本专利技术实施例提供的在TSV盲孔内制作碳纳米管束。图9是本专利技术实施例提供的制作上端金属接触。图10是本专利技术实施例提供的通过刻蚀形成再布线层。图11是本专利技术实施例提供的制作硅基底上表面微凸点。图12是本专利技术提供的硅基底背面减薄及反向刻蚀。图13是本专利技术实施例提供的采用CVD法在硅基底表面制作二氧化硅绝缘层。图14是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：曹立强，戴风伟，周静，刘丰满，潘茂云，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：