專利名稱：用碳納米管簇填充硅通孔的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于微電子封裝的互聯(lián)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(chǎn)品發(fā)展的總體趨勢一直表現(xiàn)為在日益縮小的產(chǎn)品尺寸內(nèi)實現(xiàn)更 快的速度和更多的功能。這主要通過兩個途徑來實現(xiàn)。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(xiàn)更多功能。根據(jù)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(shù)目翻一番。其二是通過各種高密 度封裝技術在產(chǎn)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(shù)量愈發(fā)困難。普遍認為，在未來相當長一段時間內(nèi)電子產(chǎn)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(xiàn)。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(xiàn)非常高的集成密度，并縮短芯片間互聯(lián)的距離，提高信號傳 輸速度。實現(xiàn)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(yè)界主要是通過在孔中鍍銅來實現(xiàn)電連接。本發(fā)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(shù)，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(xù)開發(fā)出來。原因就在于碳納米管 具有許多獨特和優(yōu)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(fā)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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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?？讖娇煽s小至20微米以下。本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的?！N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?？?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 IOOOsccm的氬氣和100 300sccm的氫氣。同時，將硅片加熱到500 700°C并保持10 20分鐘。5.在反應器中充入3 IOsccm的乙炔氣體，同時將氬氣和氫氣的流量調(diào)整為 500 700SCCm，進行碳納米管簇的孔內(nèi)生長，如圖1(e)。6.碳納米管簇在孔內(nèi)生長15 20分鐘之后關閉乙炔氣，將氬氣調(diào)整到800 lOOOscm，將氫氣調(diào)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l(i) (j)。本發(fā)明的特點是使用碳納米管代替銅填充硅通孔，可以縮小硅上通孔的尺寸，進 而縮小封裝尺寸，滿足高密度封裝的需要。


圖1碳納米管簇填充硅通孔制備方法流程2在硅孔中生長的碳納米管簇的掃描電子顯微鏡照片圖3打磨前后的碳納米管簇的掃描電子顯微鏡照片(a)打磨前，(b)打磨后。
具體實施例方式下面結合實施例對本發(fā)明進行詳細描述。實施例1本實施例中，采用上述步驟制備碳納米管簇填充的硅通孔，具體步驟如下1.首先，使用光刻工藝和深反應離子腐蝕法在厚度為7. 62厘米的硅片上制造出 孔徑為20微米，孔深為131微米的孔陣列，光刻工藝中覆蓋在硅表面的光刻膠暫不去除。2.使用電子束蒸鍍法在硅片上沉積一層由10納米厚的三氧化二鋁和1納米厚的 鐵組成的催化層。
3.使用異丙酮和去離子水洗去光刻膠及光刻膠上的催化層，此時，僅有孔的底部 保留有催化層。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900SCCm 的氬氣和lOOsccm的氫氣。同時，將硅片加熱到700°C并保持15分鐘。5. 15分鐘后，在反應器中充入6sCCm的乙炔氣體，同時將氬氣和氫氣的流量調(diào)整 為500sCCm，進行碳納米管簇的孔內(nèi)生長，如圖2。6.碳納米管簇在孔內(nèi)生長15分鐘之后關閉乙炔氣，將氬氣調(diào)整到900scm，將氫氣 調(diào)整到lOOsccm。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800納米厚的硅及15微米厚的光刻膠 組成的支撐層。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3。研磨轉速為25轉每分鐘，施加的壓力為15KPa。 打磨轉速為30轉每分鐘，施加的壓力為15KPa。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20納米，金的厚度為80納米。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30納米，金的厚度為400納米。 至此，便完成了由碳納米管簇填充的硅通孔的制備。本實施例中，硅通孔的孔徑可達20微 米。
權利要求
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所需形狀和排列的孔，孔徑為20～50微米，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；(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；(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；(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(diào)整為500～700sccm，進行碳納米管簇的孔內(nèi)生長；(6)碳納米管簇在孔內(nèi)生長15～20分鐘之后關閉乙炔氣，將氬氣調(diào)整到800～1000scm，將氫氣調(diào)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；(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；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；(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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于微電子封裝微中的用碳納米管簇填充硅通孔的方法。該方法是用光刻技術及深反應離子腐蝕技術在硅片上制造具有特定形狀和排列的孔。將由三氧化二鋁和鐵組成的催化層沉積于孔的底部。在一定氣體流量和溫度下碳納米管簇自孔底部開始生長。然后，在硅片上表面及碳納米管簇表面濺射一層由硅和光刻膠組成的支撐層。用研磨和化學機械平坦化方法磨出整齊平整的碳納米管簇表面和硅表面。在碳納米管簇表面鍍鈦/金金屬化鍍層作為焊盤。去除硅片背面的硅直到碳納米管簇底部露出為止。最后，在硅片背面也鍍一層鈦/金金屬化鍍層，便可得到用碳納米管簇填充的硅通孔。通過本發(fā)明中的方法可得到孔徑接近20微米的硅通孔，進而滿足未來電子元器件密集化和小型化的要求。
文檔編號H01L21/60GK101872730SQ201010220449
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月25日 優(yōu)先權日2009年11月30日
發(fā)明者劉建影, 張燕, 張霞, 王騰 申請人:上海上大瑞滬微系統(tǒng)集成技術有限公司