[发明专利]一种基于碳纳米材料复合结构的三维硅通孔垂直互联方法

说明书

本发明公开了一种基于碳纳米材料复合结构的三维硅通孔垂直互联方法，在硅基片上制作硅孔；在硅基片表面及硅孔内壁沉积绝缘层；在绝缘层上沉积阻挡层，在阻挡层上沉积催化金属层；刻蚀催化金属层，形成纳米催化颗粒；利用纳米催化颗粒生长碳纳米材料复合层；在硅基片上的碳纳米材料复合结构层表面贴干膜，曝光、显影形成干膜层；在硅孔底面和干膜层表面上沉积种子层；在硅孔内填充导电材料。本发明利用碳纳米材料良好的热学和机械性能，解决由功率密度增加导致的TSV封装结构的散热问题和封装材料间的热应力失配问题，提高3D‑TSV结构的导热性及封装可靠性。

技术领域

本发明涉及一种硅通孔垂直互联方法，具体涉及一种基于碳纳米材料复合结构的三维硅通孔垂直互联方法，属于微电子封装技术领域。

背景技术

随着集成电路(IC,Integrated Circuit)芯片功能增强、尺寸缩小、能耗与成本降低等，微电子封装技术面临新的挑战。为了满足IC产品的要求，三维封装技术应运而生。硅通孔垂直互联(TSV，Through Silicon Via)技术将两层和更多层器件裸片或者整个硅圆片通过许多垂直贯通的电极直接键合在一起，实现最短、最丰富的z向互联。这样不仅可提高器件集成度，而且可减少互连延时，提高器件运行速度和降低功耗。因此TSV技术被视为未来封装技术发展的主流工艺之一。

在22/16nm技术节点下，TSV互连通道将变为高度密集且十分复杂的三维微结构群，封装密度的提高使堆叠芯片的功率密度急剧上升，由于封装材料的热膨胀系数间的显著差异，3D TSV结构面临着严重的散热问题，硅/铜热应力失配问题也更加突出。导致TSV结构在工艺温度和服役温度下均存在较大的热应力。工艺残余应力下发生的应力迁移，促使金属中产生空位，并沿应力梯度方向移动、聚集形成空洞，最终导致互连断路；工艺过程累积的残余应力和服役温度下TSV结构中的热应力叠加，使得TSV结构中应力情况更为复杂，严重的热应力失配将导致TSV互连结构失效。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于碳纳米材料复合结构的三维硅通孔垂直互联方法，解决由功率密度增加导致的TSV封装结构的散热问题和封装材料间的热应力失配问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于碳纳米材料复合结构的三维硅通孔垂直互联方法，包括以下步骤：

a.在硅基片上制作硅孔；

b.在硅基片表面及硅孔内壁沉积绝缘层；

c.在绝缘层上沉积阻挡层，在阻挡层上沉积催化金属层；

d.刻蚀催化金属层，形成纳米催化金属颗粒；

e.利用纳米催化金属颗粒生长碳纳米材料复合结构层；

f.在硅基片上的碳纳米材料复合结构层表面贴干膜，曝光、显影形成干膜层；

g.在硅孔底面和干膜层表面上沉积种子层；

h.在硅孔内填充导电材料。

进一步的，所述步骤c中催化金属层采用离子束溅射法或者物理气相沉积法制作，催化金属层材料为钴或者铁。

进一步的，所述步骤d中纳米催化颗粒采用等离子体刻蚀法制作，刻蚀气体采用氢气或者氩气。

进一步的，所述步骤e中生长碳纳米材料复合结构层采用热化学气相沉积法制作，碳源气体采用甲烷，采用氢气作为保护气体，总气体压力稳定在1kPa。

进一步的，所述步骤e中生长碳纳米材料复合结构层结构分为两层，上层为水平的多层石墨烯，下层为垂直的碳纳米管阵列。

进一步的，所述步骤f中干膜层的孔直径小于硅孔直径且干膜层的孔与硅孔同轴。

进一步的，所述步骤h中以种子层为引导对硅孔内进行电镀填充导电材料。