一种低成本的硅通孔中碳纳米管导体制备工艺

1.本发明属于微电子领域，主要涉及一种低成本的硅通孔中碳纳米管导体制备工艺。


背景技术：

2.在过去几十年中集成电路一直在遵循着摩尔定律不断的向前发展，根据摩尔定律的内容，每十八到二十四个月，芯片上的晶体管数量就会增长一倍。而由于物理定律的限制当晶体管尺寸缩小到极限的尺寸时，很难再通过增加晶体管的数量来提高集成电路的集成度。因此三维集成作为可以提高集成电路集成度的关键技术在近些年备受瞩目。三维集成技术的关键在于穿透硅通孔(through-silicon-via，tsv)，tsv可以实现垂直于基板的方向上来进行芯片堆叠，通过垂直方向上的堆叠来提高集成密度，同时垂直的堆叠结构，可以缩短芯片间的互连距离，提高信号传输速度，现阶段业界通用的互连方式是通过在通孔中填充铜来实现电连接。
3.碳纳米管由于其优异的热学、电学、光学以及力学性能使其作为导体在纳米集成电路的应用前景十分广阔。现阶段已有很多使用碳纳米管作为导体实现硅通孔的结构，目前的碳纳米管导体的制备方式主要集中于使碳纳米管从盲孔底部自下而上进行合成，其中合成碳纳米管的方法主要包括电弧法，激光烧灼，化学气象沉积(cvd)等，工艺成本高，难度大，工艺环境苛刻，耗费时间长，且生长出来的碳纳米管高度有限，无法满足大尺寸tsv的填充需求。
4.真空辅助碳纳米管导体填充是上述问题最好的解决方案，首先使用碳纳米管溶液填充整个tsv盲孔结构，待溶液溶剂挥发以后即可完成碳纳米管填充。为了用作导体，所选用的碳纳米管为金属性的碳纳米管水溶液，虽然其内部的碳纳米管仍为长短有所差异、杂乱排列的形貌，但并不影响其电学性能，该种材料已广泛用作电子器件的电极，被证明具有良好的导体特性。和传统的碳纳米管tsv制作工艺相比，本发明提出的碳纳米管填充方案极大地减小了工艺难度，节约了工艺成本和时间成本，优化了工艺流程，同时真空处理能保证碳纳米管完全填充大尺寸(深度300微米以上)的tsv，保证了工艺的良率。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提出一种低成本的碳纳米管导体制备工艺。通过真空辅助填充碳纳米管溶液这一全新的碳纳米管填充硅通孔的方式，以较低成本和工艺难度来制作硅通孔中的碳纳米管导体。
6.本发明的目的是通过下述方案实现的。
7.1.对硅晶圆进行“rca”标准清洗，去除晶圆表面的有机物，自然氧化层以及金属、颗粒物等玷污。
8.2.使用光刻工艺以及深反应离子刻蚀在硅片表面进行盲孔刻蚀得到需要的尺寸。
9.3.然后使用丙酮，异丙醇，无水乙醇以及去离子水清洗光刻胶。
10.4.将硅片放置在托盘或培养皿中，使用胶头滴管吸取适量的聚酰亚胺溶液，均匀地涂在硅片表面，使硅片表面覆盖一层均匀的聚酰亚胺溶液。
11.5.将托盘或者培养皿小心转移到真空烘箱中进行4～6分钟抽真空处理。
12.6.真空处理之后迅速将硅片从托盘或者培养皿中转移到匀胶台上，开启真空吸附住硅片，以2000～6000rpm的转速，旋转20～60s。
13.7.匀胶结束后将硅片迅速转移到热板上，进行预固化，时间控制在20mins以上即可。
14.8.完成预固化后，将晶圆转移至烘箱中并将烘箱程序设定好，在充满氮气环境的烘箱中放置7h30mins进行完全固化。待程序结束等待烘箱温度自然降温到50℃以下，即可将硅片从烘箱取出。
15.9.准备固含量15％-25％范围内的碳纳米管溶液作为填充材料，将碳纳米管溶液滴涂在硅片上，继而将涂覆碳纳米管溶液的硅片转移至真空箱中进行90s的真空处理，之后将硅片迅速取出转移至80℃的热板上加热4mins或者室温下静止6h，即可将溶剂完全挥发完成碳纳米管填充。
16.10.本发明特点是：提出一种全新的碳纳米管填充工艺，可以以较低成本和工艺难度来制作硅通孔中的碳纳米管导体。
附图说明
17.图1是本发明用于制作tsv盲孔的晶圆。
18.图2是本发明在硅晶圆上刻蚀出tsv盲孔结构。
19.图3是本发明在tsv盲孔的底部以及侧壁进行绝缘层的制备。
20.图4是本发明将混合的碳纳米管溶液滴涂到硅晶圆表面。
21.图5是本发明中碳纳米管溶液在静置状态下液体缓慢流入盲孔中的过程。
22.图6是本发明中使用真空处理步骤时，形成的气-液二相流。
23.图7是本发明通过真空辅助的方式使碳纳米管完全填充tsv盲孔结构。
24.图1～7中，各标号的意义如下：1-晶圆；2-tsv盲孔；3-聚酰亚胺；4-碳纳米管溶液。
具体实施方式
25.下面结合具体方式对本发明进行进一步的详细描述：
26.1.如图1所示，本实施例用于制作的碳纳米管填充的tsv盲孔结构的硅晶圆选择4英寸晶圆1，对晶圆1进行“rca”标准清洗，去除晶圆1表面的有机物，自然氧化层以及金属、颗粒物等玷污。
27.2.使用深反应离子刻蚀刻蚀出直径为20μm，深度为228μmtsv盲孔2。
28.3.然后使用丙酮，异丙醇，无水乙醇以及去离子水清洗光刻胶。
29.4.将配比为3:1聚酰亚胺溶液3旋涂至晶圆表面，确保溶液均匀覆盖整个晶圆表面。
30.5.将涂抹完成的晶圆1转移至真空箱内，进行5mins的高真空度处理辅助聚酰亚胺溶液3完全填充整个tsv盲孔2。
31.6.将完成真空处理后的晶圆1转移至匀胶台上以4000rpm的速度，甩胶30s。
32.7.匀胶结束后将晶圆1迅速转移至热板上进行20mins的预固化过程。
33.8.完成预固化后，将晶圆1转移至烘箱中并将烘箱程序设定好，在充满氮气环境的烘箱中放置7h30mins进行完全固化。待程序结束等待烘箱温度自然降温到50℃以下，即可将晶圆1从烘箱取出。
34.9.准备固含量15％-25％范围内的碳纳米管溶液4作为填充材料，将碳纳米管溶液4滴涂在硅片上，继而将涂覆碳纳米管溶液4的晶圆1转移至真空箱中进行90s的真空处理，加速溶液向孔内流动，使碳纳米管溶液4迅速充满整个盲孔。之后将晶圆1转移至80℃的热板上加热4mins。待溶剂完全挥发以后完成填充。


技术特征：
1.一种低成本的硅通孔中碳纳米管导体制备工艺，其特征在于：降低了碳纳米管导体制备工艺成本与难度；其特征包括如下步骤：步骤一：将硅晶圆进行“rca”标准清洗，去除晶圆表面的有机物，自然氧化层以及金属、颗粒物等玷污；步骤二：在晶圆上刻蚀出tsv盲孔；步骤三：在tsv盲孔的侧壁以及底部制备绝缘层；步骤四：将碳纳米管溶液滴涂至晶圆表面，确保碳纳米管溶液均匀覆盖整个晶圆表面；步骤五：将晶圆转移至真空箱中进行真空处理，保证碳纳米管完全填充到tsv盲孔内；步骤六：将完成真空处理的晶圆取出静置或置于热板上待溶剂完全挥发后完成碳纳米管的固化。2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述步骤二中，刻蚀tsv盲孔的工艺为深反应离子刻蚀技术。3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述步骤三中，所述绝缘层可以为二氧化硅或者高分子聚合物，其中高分子聚合物可以为苯并环丁烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或者环氧树脂。4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述步骤四中，所述碳纳米管水溶液的固含量为15％-25％。5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于所述步骤五中，所述真空条件的实现方法为：将覆盖满碳纳米管溶液的晶圆转移到密闭腔室中进行真空处理。

技术总结
本发明涉及一种低成本的硅通孔中碳纳米管导体制备工艺，属于微电子集成技术领域。本发明方法首次采用真空辅助的方法来填充碳纳米管。本发明：将碳纳米管溶液滴涂在提前制备好TSV盲孔结构的晶圆样品表面，使碳纳米管溶液完全覆盖样品表面，之后将样品移入真空箱中进行真空处理，在真空环境下孔内被碳纳米管阻塞的空气会加速向外逸出，形成效率较高的气-液两相流，帮助碳纳米管溶液在孔内实现完全填充，待溶液中溶剂完全挥发后完成碳纳米管填充。通过使用本发明中的方法，可以满足碳纳米管完全填充盲孔的需求，降低了碳纳米管导体制备工艺成本与难度。备工艺成本与难度。备工艺成本与难度。


技术研发人员：王晗 丁英涛 张子岳 陈志铭
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/28