[发明专利]一种基于多层石墨烯辅助层的三维硅通孔垂直互联方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅通孔垂直互联方法，具体涉及一种基于多层石墨烯辅助层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)芯片性能需求的不断提高，如功能增强、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。其充分利用z方向空间，大大降低了互连长度，提高了封装密度，降低了功耗，芯片功能集成度更高。硅通孔垂直互联(TSV，Through Silicon Via)技术通过在晶圆或者芯片内部制作垂直通道，通过孔内填充金属，实现多层平面器件在z轴方向信号互连的技术。TSV技术因其鲜明的工艺特点受到了业界的广泛研究。

硅通孔的填充材料一般为铜Cu、钨W、多晶硅和导电胶等材料，其中铜Cu因其良好的导电导热性能，成为TSV填充材料的首选。3D-TSV垂直互连，减小了信号传输距离和延迟时间，使工作频率越来越快，随着TSV深宽比逐渐增大，当高频电流经过互连Cu线时，电流集中在导体的“皮肤”部分，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，结果使导体的电阻增大，功耗增加。同时，铜线内电流密度分布不均匀，局部电流密度梯度度过大，导致铜原子受电子风力产生迁移，形成空洞，最终使电路断路，电迁移引起的失效性问题也更加明显。

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多层石墨烯辅助层的三维硅通孔垂直互联方法，利用石墨烯材料良好的电学性能，以解决由趋肤效应和原子迁移等引起的TSV电阻值和功耗增大问题，提高3D-TSV结构的电性能及可靠性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于多层石墨烯辅助层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；

d.在阻挡层表面上形成多层石墨烯辅助层；

e.在硅基片表面上的多层石墨烯辅助层上贴干膜，然后曝光、显影形成干膜层；

f.在硅孔底面和干膜层表面上沉积种子层；

g.在硅孔内填充导电材料。

进一步的，所述步骤a中硅孔的制作采用深反应离子刻蚀、激光刻蚀或湿法腐蚀法刻蚀。

进一步的，所述步骤b中沉积的绝缘层采用热氧化、化学气相沉积或者物理气相沉积方法制作，材料为二氧化硅、氧化铝、聚酰亚胺、聚对二甲苯或光刻胶。

进一步的，所述步骤c中沉积的阻挡层采用物理气相淀积、原子层淀积或化学气相淀积方法制作，材料为钛、氮化钛、钽、氮化钽等。

进一步的，步骤d中多层石墨烯采用氧化还原法制备，将氧化石墨烯采用湿法工艺涂覆于阻挡层，再经过还原形成多层石墨烯辅助层，也可以利用CVD工艺生长多层石墨烯作为辅助层。

进一步的，所述步骤f中种子层采用物理气相淀积、原子层淀积或者化学气相淀积方法制作，材料可以是金或者铜。

进一步的，所述步骤e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g中以种子层为引导对硅孔内进行电镀填充导电材料。

与现有技术相比本发明在硅基片上开孔然后先后沉积绝缘层、阻挡层，形成多层石墨烯辅助层，贴干膜，沉积种子层后填充导电材料，以石墨烯和铜作为TSV信号传输通道，利用石墨烯材料良好的电学性能，解决由趋肤效应和原子迁移等引起的TSV通道电阻值和功耗增大问题，提高了3D-TSV结构的电性能及可靠性，改善高频条件下TSV垂直互联的信号保真传输等问题。

附图说明

图1是本发明制作硅孔的结构示意图；

图2是本发明先后沉积绝缘层和阻挡层的结构示意图；

图3是本发明形成多层石墨烯辅助层的结构示意图；

图4是本发明贴干膜的结构示意图；

图5是本发明沉积种子层并填充导电材料的结构示意图。

图6是本发明形成的多层石墨烯辅助导电示意图；

图中：1、硅基片，2、绝缘层，3、阻挡层，4、多层石墨烯辅助层，5、干膜层，6、种子层，7、导电材料，8、硅孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。