碳納米管三維互連的形成方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微電子集成封裝技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳納米管三維互連的形成方法。
【背景技術(shù)】
[0002]三維集成是一個具有廣闊發(fā)展前景的技術(shù)。通過在不同的芯片上制造不同的器件，然后利用鍵合技術(shù)將多層芯片三維集成，可以實(shí)現(xiàn)包括處理器、存儲器、模擬電路、RF模塊，以及微電子機(jī)械系統(tǒng)和傳感器的異質(zhì)芯片集成，獲得多功能的復(fù)雜系統(tǒng)。隨著集成電路特征尺寸減小越來越困難、成本越來越高，甚至有觀點(diǎn)認(rèn)為三維集成技術(shù)是集成電路領(lǐng)域在不需要特征尺寸不斷減小而仍舊能夠保持摩爾定律發(fā)展的最可行技術(shù)。三維互連用于三維集成的多層芯片之間的電連接，是三維集成最核心的技術(shù)之一。目前主流的三維互連技術(shù)是在硅襯底上刻蝕深度為幾十微米至幾百微米的盲孔，在盲孔內(nèi)沉積絕緣層二氧化硅、擴(kuò)散阻擋層TiW和銅種子層，然后利用銅電鍍技術(shù)填充盲孔實(shí)現(xiàn)三維互連。三維互連的導(dǎo)體材料采用銅電鍍形成的銅柱，銅具有可電鍍性強(qiáng)、適合批量生產(chǎn)、電阻率低等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]然而，以銅柱作為導(dǎo)體的三維互連也存在很多缺點(diǎn)。首先，銅的熱應(yīng)力問題。銅的熱膨脹系數(shù)約為17ppm，娃的熱膨脹系數(shù)為2.5ppm，二氧化娃熱膨脹系數(shù)為0.5ppm。三維集成系統(tǒng)工作時，銅的熱膨脹系數(shù)與環(huán)繞銅柱的二氧化硅和硅襯底相比失配嚴(yán)重，導(dǎo)致銅柱、二氧化硅絕緣層和硅襯底都存在巨大的應(yīng)力，影響系統(tǒng)的可靠性和晶體管性能。第二，銅電鍍后自身存在較大的殘余應(yīng)力，引起應(yīng)力迀移。這種應(yīng)力迀移必然會影響三維互連的可靠性。第三，三維互連尺寸的減小會導(dǎo)致互連線的電流密度會不斷增加。電流密度的增加會加劇導(dǎo)體內(nèi)部電子與離子的動量交換造成材料內(nèi)部的質(zhì)量迀移，造成銅柱的電迀移，使銅柱內(nèi)部空洞的產(chǎn)生，引起材料的電阻變化，導(dǎo)致材料不同截面處電流密度變化。
[0004]為了解決上述問題，近年來出現(xiàn)了在通孔內(nèi)部填充碳納米管，以碳納米管作為導(dǎo)體的三維互連技術(shù)。碳納米管中的碳-碳鍵是通過SP2雜化形成的σ鍵，鍵能極強(qiáng)，因此碳納米管化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定性、沿軸向方向表現(xiàn)出極強(qiáng)的力學(xué)性能。彈性模量為1.7?3.6TPa，約為鋼的5到30倍，抗拉強(qiáng)度高于lOOGPa，是鋼的100倍。碳納米管沿軸向具有極好的導(dǎo)熱性，與金屬等的導(dǎo)熱機(jī)理不同，碳納米管這種良好一維導(dǎo)熱性取決于聲子的平均自由程，由于碳納米管的聲子平均自由程大，其熱導(dǎo)率很高，可達(dá)2000W/mK?5800W/mK，遠(yuǎn)超過導(dǎo)熱性能最好的金剛石(熱導(dǎo)率為2000W/mK)。另外，金屬性的碳納米管是電的良導(dǎo)體，最大承載電流密度超過109，是銅的100倍以上。同時，碳納米管的熱膨脹系數(shù)只有0.4ppm，與二氧化硅基本相同，與硅接近。這些優(yōu)異的特性，使碳納米管作為三維互連導(dǎo)體具有遠(yuǎn)超過銅的優(yōu)點(diǎn)。
[0005]近年來，很多研究機(jī)構(gòu)探索了碳納米管三維互連的實(shí)現(xiàn)方法。日本的相關(guān)技術(shù)中采用化學(xué)氣相沉積(CVD)在450°C下實(shí)現(xiàn)了碳納米管三維互連，但所采用的溫度低，生成的碳納米管密度很低，互連線電阻很大。法國的相關(guān)技術(shù)中也通過CVD法在580°C實(shí)現(xiàn)了碳納米管的平面互連。劍橋大學(xué)的相關(guān)技術(shù)中，在深寬比為5到10的TSV結(jié)構(gòu)中采用CVD法實(shí)現(xiàn)碳納米管的三維互連，碳納米管的生長溫度為650°C。瑞典的Chalms理工大學(xué)的相關(guān)技術(shù)中采用CVD發(fā)在700°C實(shí)現(xiàn)了碳納米管三維互連。Johan Liu等還提出了一種基于碳納米管轉(zhuǎn)移的TSV互連實(shí)現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)TSV互連與襯底的鍵合。新加坡的Ting Xu等也采用CVD的方法700°C下在深100 μπι寬30-60 μπι的TSV結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了互連，K.Ghosh等在高溫下也實(shí)現(xiàn)了碳納米管的互連，其TSV結(jié)構(gòu)僅為深10 μ m寬2.5 μ m，這對于三維集成而言其尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
[0006]盡管上述工作取得了進(jìn)展，碳納米管的生長還是需要將器件整個結(jié)構(gòu)置于高溫中。為了實(shí)現(xiàn)理想的碳納米管性能，碳納米管生長所需要的溫度通常需要超過650°C。但是當(dāng)溫度超過450°C時，高溫會破壞已有的CMOS電路，而溫度低于450°C的CMOS安全線以下，所生長的碳納米管性能很差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決上述相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。
[0008]為此，本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米管三維互連的形成方法，該方法能夠避免碳納米管生長過程中高溫對器件圓片上電路和器件的損壞。
[0009]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例提出了一種碳納米管三維互連的形成方法，包括以下步驟:選取待加工的器件圓片及相應(yīng)的輔助圓片，在所述器件圓片上刻蝕通孔，在所述輔助圓片正面的部分區(qū)域刻蝕凹槽，其中，所述通孔貫穿所述器件圓片的厚度，所述凹槽的表面低于所述輔助圓片的表面；在所述輔助圓片的正面沉積熱紅外吸收材料，并在所述輔助圓片的凹槽內(nèi)沉積生長碳納米管所需的催化劑薄膜，其中，所述紅外熱吸收材料至少覆蓋所述凹槽內(nèi)需要生長碳納米管區(qū)域的表面；將所述器件圓片和輔助圓片進(jìn)行對接，以將所述器件圓片和輔助圓片結(jié)合為一體，其中，結(jié)合后的所述器件圓片和所述輔助圓片的凹槽之間形成一個縫隙；采用激光器對所述凹槽內(nèi)對應(yīng)所述器件圓片上需要生長碳納米管的區(qū)域進(jìn)行局部加熱，并通入反應(yīng)氣體，以在所述凹槽的加熱位置生長碳納米管，并使所述碳納米管進(jìn)入所述器件圓片的通孔內(nèi)以形成以所述碳納米管為導(dǎo)體的三維互連。
[0010]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的碳納米管三維互連的形成方法，在器件圓片刻蝕通孔，在輔助圓片刻蝕凹槽，并在輔助圓片表面沉積紅外熱吸收材料和生長碳納米管所需的催化劑薄膜，并將器件圓片與輔助圓片對準(zhǔn)并結(jié)合為一體，利用激光加熱輔助圓片的凹槽，通入反應(yīng)氣體后在凹槽表面生長碳納米管，并使碳納米管進(jìn)入器件圓片的通孔形成以碳納米管為導(dǎo)體的三維互連。該方法利用非接觸激光局部加熱，能夠避免碳納米管生長過程中高溫對器件圓片上電路和器件的損壞。
[0011]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的碳納米管三維互連的形成方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0012]在一些示例中，所述輔助圓片的凹槽內(nèi)帶有凸臺，所述凸臺的高度低于所述輔助圓片未刻蝕區(qū)域的高度。
[0013]在一些示例中，所述凸臺的位置與所述器件圓片的通孔的位置對應(yīng)。
[0014]在一些示例中，還包括:在所述輔助圓片的凹槽內(nèi)不生長碳納米管的位置處刻蝕貫穿所述輔助圓片厚度的通孔。
[0015]在一些示例中，將所述器件圓片和輔助圓片結(jié)合為一體的方法為采用高分子材料或金屬作為鍵合層的鍵合技術(shù)。
[0016]在一些示例中，所述紅外熱吸收材料為二氧化硅或氮化硅薄膜。
[0017]在一些示例中，所述局部加熱的方法為采用激光器從所述輔助圓片的背面加熱所述輔助圓片的凹槽。
[0018]本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。
【附圖說明】
[0019]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:
[0020]圖1是根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的碳納米管三維互連的形成方法的流程圖；
[0021]圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的器件圓片的示意圖；
[0022]圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的輔助圓片的示意圖；
[0023]圖4是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的器件圓片制造通孔后的示意圖；
[0024]圖5是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的輔助圓片刻蝕凹槽、沉積紅外熱吸收材料及生長碳納米管的催化劑薄膜的示意圖；
[0025]圖6是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的器件圓片與輔助圓片鍵合后的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖7是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例1的碳納米管生長過程示意圖；
[0027]圖8是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的帶有凸臺的輔助圓片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖9是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的帶有凸臺的輔助圓片沉積紅外熱吸收材料和碳納米管生長催化劑薄膜后的示意圖；
[0029]圖10是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的將輔助圓片與器件圓片結(jié)合后的示意圖；
[0030]圖1