專利名稱：一種將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法
技術領域：
本發明涉及微電子封裝技術、微型機電系統(MEMS)技術以及三維集成互連技術領域，特別涉及一種將碳納米管束通過轉移的方式填充到娃轉接板(Interposer)的娃穿孔(Through Silicon Vias, TSV)中的方法。
背景技術：
近幾年來，先進的封裝技術已在IC制造行業開始出現，特別是三維(3D)封裝首先突破傳統的平面封裝的概念，組裝效率高達200%以上。它使單個封裝體內可以堆疊多個芯片，實現了存儲容量的倍增，業界稱之為疊層式3D封裝；其次，它將芯片直接互連，互連線長度顯著縮短，信號傳輸得更快且所受干擾更小；再則，它將多個不同功能芯片堆疊在一起，使單個封裝體能夠實現更多的功能，從而形成系統芯片封裝新思路；最后，采用3D封裝的芯片還有功耗低、速度快等優點，這使電子信息產品的尺寸和重量減小數十倍。通過垂直 堆疊芯片建立3D封裝結構,3D娃穿孔(Through Silicon Vias7TSV)能夠提供更高地封裝集成度。3D TSV互連可以減小物理尺寸節省有用的空間，縮短互連長度減小信號延遲來加快運行速度。2008國際半導體技術路線圖確立的最終目標是在單一系統上進行異質集成，TSV互連在這個目標中扮演著重要角色，它可以提供低成本、可靠的通孔制備技術，適合的通孔填充材料的選擇，新穎的電學和熱學問題設計解決方案。對于TSV填充的要求是無孔洞，低應力，良好的電學和熱學性能，所用填孔材料一般采用銅、鶴、金、多晶娃、導電聚合物等，而這些填充材料有他們自身的限制，如制備技術，封裝和測試以及材料自身電學、熱學和其它物理性能等。金屬銅雖然有優良的電學和熱學性能以及成熟的電化學沉積工藝，但是對于高深寬比TSV填充來說，通過物理氣相沉積(PVD)制作阻擋層來阻止電遷移以及制作種子層來進行電化學沉積工藝。同樣地，在溫度低于200°C時，金屬鎢也是最適合填充小孔徑高深寬比填充材料，但是它不能填充大尺寸TSV，導電率也低于金屬銅。而多晶硅、金和導電聚合物等材料也存在同樣的問題使它們不適合作為互連填充材料。碳納米管由于其獨特的電學、熱學和機械等性能被開發用于制作TSV互連材料。已經被證實，具有金屬性的碳納米管可以傳送的電流密度能夠達到liTA/cm2，而傳統的互連材料金屬銅的這個值只有106A/cm2，它甚至可以在250°C下正常工作，因此，碳納米管束填充TSV作為互連，不但具有更低的電阻率而且可以避免銅互連電遷移問題。
發明內容
(一 )要解決的技術問題有鑒于此，本發明的主要目的在于提供一種將碳納米管束通過轉移的方式填充到硅轉接板的TSV中的方法，該方法是將碳納米管束生長在普通硅基底上，然后通過轉移的方法將碳納米管束填充到Interposer的TSV中。此方法的優勢在于碳納米管束的生長不受溫度限制，可以得到任意所需長度的碳納米管束，不受TSV徑和深寬比的限制，通過轉移可以使碳納米管束兩端被很好的固定。( 二 )技術方案為達到上述目的，本發明提供了一種將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，包括在第一基底上生長氧化物緩沖層；在生長有氧化物緩沖層的第一基底上制作光刻膠層，并經曝光、顯影形成碳納米管束陣列圖形；在形成碳納米管束陣列圖形的第一基底表面通過濺射或蒸發的方法沉積金屬催化劑薄膜，并去除光刻膠，形成金屬催化劑薄膜陣列；在金屬催化劑薄膜陣列上通過熱化學汽相淀積或等離子體援助化學汽相淀積方 法生長碳納米管束陣列；通過激光鉆孔或深反應離子刻蝕方法在第二基底上表面制作硅穿孔盲孔陣列；采用化學機械拋光法，減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圍制作金屬焊墊；通過對準裝置使第一基底上的碳納米管束陣列分別與第二基底上的硅穿孔陣列一一對準，然后穿過硅穿孔陣列；在第二基底上碳納米管束陣列露頭的位置制作金屬微凸點，形成金屬接觸；在形成金屬接觸第二基底表面制作再分布層；移除第一基底；在第二基底上碳納米管束另一端位置制作金屬平板電極；以及在平板電極上制作球柵陣列封裝球。上述方案中，所述碳納米管束陣列通過轉移的方法填充到硅穿孔中。上述方案中，所述碳納米管束陣列填充硅穿孔后，生長碳納米管束陣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為硅基底。上述方案中，所述氧化物緩沖層為二氧化硅。上述方案中，所述碳納米管束陣列圖形是方形或圓形。上述方案中，所述在第一基底表面沉積的金屬催化劑薄膜采用的材料為鐵、鈷、鎳或及其合金，其厚度為I 10nm。上述方案中，所述在第二基底上下表面的硅穿孔通孔周圍制作金屬焊墊，采用電鍍或濺射方法，所用材料是鈦和金，或鈦和銅。上述方案中，所述在第二基底上碳納米管束陣列露頭的位置制作金屬微凸點，是采用絲網印刷法在碳納米管束探出位置印刷焊錫膏，并回流來形成金屬微凸點；或者是通過濺射的方法沉積鈦和金，形成金屬微凸點。(三)有益效果本發明提供的這種將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，此硅轉接板包含有碳納米管束填充的TSV互連通孔，此硅轉接板上面通過再分布層可以和Chip、Device或Die等互連,娃轉接板下面通過BGA陣列與基板互連；碳納米管由于其獨特的電學、熱學和機械等性能被開發用于制作TSV互連材料，已經被證實，具有金屬性的碳納米管可以傳送的電流密度能夠達到liTA/cm2，而傳統的互連材料金屬銅的這個值只有106A/cm2。因此，碳納米管束填充TSV作為互連不但具有更低的電阻率而且可以避免銅互連電遷移問題。
圖I是制作碳納米管束所用第一基底，此第一基底表面形成有二氧化硅緩沖層；圖2是通過光刻技術得到金屬鐵催化劑薄膜陣列圖形；圖3是通過濺射或蒸發的方法在硅基底上形成金屬鐵催化劑薄膜陣列，并去除光刻膠;
圖4是通過熱化學汽相淀積(thermal CVD)或等離子體援助化學汽相淀積(PECVD)等方法生長碳納米管束陣列；圖5是制作Interposer所用第二基底；圖6是通過激光鉆孔或深反應離子刻蝕(DRIE)等方法在第二基底上表面制作TSV盲孔陣列，并采用化學機械拋光(CMP)法，減薄第二基底的下表面直到曝露出TSV;圖7是通過濺射或電鍍的方法在第二基底上下表面的TSV周圍制作金屬焊墊，其中插入圖為金屬焊墊放大后的形貌圖；圖8是通過對準裝置使第一基底上的碳納米管束陣列與第二基底上的TSV通孔陣列對準；圖9是碳納米管束陣列全部穿過TSV通孔；圖10是在碳納米管束陣列露頭的位置制作金屬微凸點，形成金屬接觸；圖11是通過化學氣相沉積法制作鈍化絕緣層，通過濺射法制作再分布層；圖12是移除第一基底；圖13是在第二基底上的碳納米管束另一端位置通過濺射法制作金屬平板電極(Pad),形成金屬接觸；圖14是通過標準球柵陣列封裝(BGA)植球工藝制作BGA球。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本發明實施方式作進一步詳細描述。本發明的實施例提供了一種通過轉移的方式將碳納米管束填充到TSV中的方法，具體制作方法包括以下步驟步驟I :如圖I所示，本實施例中所用第一基底為單面拋光晶圓101，規格為4寸、6寸或8寸晶圓，晶圓表面有一層熱氧化的熱氧化娃緩沖層,緩沖層的厚度為O. 5 I μ m。步驟2 :通過光刻技術得到如圖2所示的碳納米管束陣列圖形，即金屬鐵催化劑薄膜陣列圖形102，圖形單元尺寸為直徑200 μ m的圓形，圖形單元之間的節距為400 μ m。步驟3 :通過濺射或蒸發等物理氣相沉積的方法在第一基底表面的碳納米管束陣列圖形上沉積Fe催化劑薄膜，薄膜厚度為3nm，然后用去膠液去除光刻膠，形成如圖3所示的Fe催化劑薄膜陣列103。步驟4 :在Fe催化劑薄膜陣列103上通過熱化學汽相淀積(thermalCVD)或等離子體援助化學汽相淀積(PECVD)方法生長如圖4所示的碳納米管束陣列104，碳納米管束陣列的高度為200 μ m。步驟5 :如圖5所示，準備制作Interposer所用第二基底，第二基底為單面拋光晶圓 201。步驟6 :通過深反應離子刻蝕(DRIE)技術，在第二基底201上制作TSV盲孔陣列，然后采用化學機械拋光(CMP)技術減薄此第二基底201直到曝露出TSV202，形成硅穿孔通孔，如圖6所示。步驟7 :如圖7所示，通過濺射在第二基底201上下表面的TSV通孔周圍前后沉積 金屬鈦和金的薄膜，形成金屬焊墊203，其中插入圖204為金屬焊墊放大后的形貌圖，金屬焊墊的內徑為200 μ m，外徑為300 μ m，鈦薄膜厚度為50nm，金薄膜的厚度為lOOnm。步驟8 :如圖8所示，在顯微鏡下，通過機械夾持工具使第一基底101上的碳納米管束陣列與第二基底201上的TSV通孔陣列一一對準。步驟9 :通過移動機械夾持工具，使碳納米管束陣列全部穿過所對應的TSV通孔直到如圖9所示位置。步驟10 :如圖10所示，在碳納米管束陣列露頭的位置通過濺射法沉積金屬鈦和金的薄膜，制作金屬微凸點301,形成金屬接觸,其中鈦和金薄膜的厚度分別為50nm和200nm。步驟11 :通過PECVD法沉積二氧化硅和濺射法沉積金屬銅分別制作鈍化絕緣層302和再分布層304，最后制作金屬平板電極(Pad) 303，其結構如圖11所示。步驟12 :由于碳納米管束生長時是靠范德華力與基底接觸，所以當移動機械夾持工具時即可移除第一基底101，如圖12所示。步驟13 :如圖13所示，在第二基底201上碳納米管束的另一端位置通過濺射法制作鈦和金的薄膜作為金屬平板電極(Pad) 305，形成金屬接觸，其中鈦和金薄膜的厚度分別為 50nm 和 200nm。步驟14 :如圖14所示，通過標準球柵陣列封裝(BGA)植球工藝制作BGA球306。以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，包括 在第一基底上生長氧化物緩沖層； 在生長有氧化物緩沖層的第一基底上制作光刻膠層，并經曝光、顯影形成碳納米管束陣列圖形； 在形成碳納米管束陣列圖形的第一基底表面通過濺射或蒸發的方法沉積金屬催化劑薄膜，并去除光刻膠，形成金屬催化劑薄膜陣列； 在金屬催化劑薄膜陣列上通過熱化學汽相淀積或等離子體援助化學汽相淀積方法生長碳納米管束陣列； 通過激光鉆孔或深反應離子刻蝕方法在第二基底上表面制作硅穿孔盲孔陣列； 采用化學機械拋光法，減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圍制作金屬焊墊； 通過對準裝置使第一基底上的碳納米管束陣列分別與第二基底上的硅穿孔陣列一一對準，然后穿過硅穿孔陣列； 在第二基底上碳納米管束陣列露頭的位置制作金屬微凸點，形成金屬接觸； 在形成金屬接觸第二基底表面制作再分布層； 移除第一基底； 在第二基底上碳納米管束另一端位置制作金屬平板電極；以及 在平板電極上制作球柵陣列封裝球。
2.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳納米管束陣列通過轉移的方法填充到硅穿孔中。
3.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳納米管束陣列填充硅穿孔后，生長碳納米管束陣列所用第一基底需移除。
4.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉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為硅基底。
5.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述氧化物緩沖層為二氧化硅。
6.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述碳納米管束陣列圖形是方形或圓形。
7.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉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積的金屬催化劑薄膜采用的材料為鐵、鈷、鎳或及其合金，其厚度為I IOnnio
8.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉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圍制作金屬焊墊，采用電鍍或濺射方法，所用材料是鈦和金，或鈦和銅。
9.根據權利要求I所述的將碳納米管束填充到硅轉接板的硅穿孔中的方法，其特征在于，所述在第二基底上碳納米管束陣列露頭的位置制作金屬微凸點，是采用絲網印刷法在碳納米管束探出位置印刷焊錫膏，并回流來形成金屬微凸點；或者是通過濺射的方法沉積鈦和金，形成金屬微凸點。
全文摘要
本發明公開了一種將碳納米管束通過轉移的方式填充到硅轉接板的TSV中的方法。該方法是將碳納米管束生長在普通硅基底上，然后通過轉移的方法將碳納米管束填充到硅轉接板的TSV中。此方法的優勢在于碳納米管束的生長不受溫度限制，可以得到任意所需長度的碳納米管束，不受TSV徑和深寬比的限制，通過轉移可以使碳納米管束兩端被很好的固定。碳納米管束填充TSV作為互連不但具有更低的電阻率而且可以避免銅互連電遷移問題。
文檔編號H01L21/768GK102683265SQ201110061489
公開日2012年9月19日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者萬里兮, 戴風偉, 曹立強, 王啟東 申請人:中國科學院微電子研究所