碳纳米管三维互连的形成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微电子集成封装技术领域，特别涉及一种碳纳米管三维互连的形成方法。
【背景技术】
[0002]三维集成是一个具有广阔发展前景的技术。通过在不同的芯片上制造不同的器件，然后利用键合技术将多层芯片三维集成，可以实现包括处理器、存储器、模拟电路、RF模块，以及微电子机械系统和传感器的异质芯片集成，获得多功能的复杂系统。随着集成电路特征尺寸减小越来越困难、成本越来越高，甚至有观点认为三维集成技术是集成电路领域在不需要特征尺寸不断减小而仍旧能够保持摩尔定律发展的最可行技术。三维互连用于三维集成的多层芯片之间的电连接，是三维集成最核心的技术之一。目前主流的三维互连技术是在硅衬底上刻蚀深度为几十微米至几百微米的盲孔，在盲孔内沉积绝缘层二氧化硅、扩散阻挡层TiW和铜种子层，然后利用铜电镀技术填充盲孔实现三维互连。三维互连的导体材料采用铜电镀形成的铜柱，铜具有可电镀性强、适合批量生产、电阻率低等优点。
[0003]然而，以铜柱作为导体的三维互连也存在很多缺点。首先，铜的热应力问题。铜的热膨胀系数约为17ppm，娃的热膨胀系数为2.5ppm，二氧化娃热膨胀系数为0.5ppm。三维集成系统工作时，铜的热膨胀系数与环绕铜柱的二氧化硅和硅衬底相比失配严重，导致铜柱、二氧化硅绝缘层和硅衬底都存在巨大的应力，影响系统的可靠性和晶体管性能。第二，铜电镀后自身存在较大的残余应力，引起应力迀移。这种应力迀移必然会影响三维互连的可靠性。第三，三维互连尺寸的减小会导致互连线的电流密度会不断增加。电流密度的增加会加剧导体内部电子与离子的动量交换造成材料内部的质量迀移，造成铜柱的电迀移，使铜柱内部空洞的产生，引起材料的电阻变化，导致材料不同截面处电流密度变化。
[0004]为了解决上述问题，近年来出现了在通孔内部填充碳纳米管，以碳纳米管作为导体的三维互连技术。碳纳米管中的碳-碳键是通过SP2杂化形成的σ键，键能极强，因此碳纳米管化学性质稳定性、沿轴向方向表现出极强的力学性能。弹性模量为1.7?3.6TPa，约为钢的5到30倍，抗拉强度高于lOOGPa，是钢的100倍。碳纳米管沿轴向具有极好的导热性，与金属等的导热机理不同，碳纳米管这种良好一维导热性取决于声子的平均自由程，由于碳纳米管的声子平均自由程大，其热导率很高，可达2000W/mK?5800W/mK，远超过导热性能最好的金刚石(热导率为2000W/mK)。另外，金属性的碳纳米管是电的良导体，最大承载电流密度超过109，是铜的100倍以上。同时，碳纳米管的热膨胀系数只有0.4ppm，与二氧化硅基本相同，与硅接近。这些优异的特性，使碳纳米管作为三维互连导体具有远超过铜的优点。
[0005]近年来，很多研究机构探索了碳纳米管三维互连的实现方法。日本的相关技术中采用化学气相沉积(CVD)在450°C下实现了碳纳米管三维互连，但所采用的温度低，生成的碳纳米管密度很低，互连线电阻很大。法国的相关技术中也通过CVD法在580°C实现了碳纳米管的平面互连。剑桥大学的相关技术中，在深宽比为5到10的TSV结构中采用CVD法实现碳纳米管的三维互连，碳纳米管的生长温度为650°C。瑞典的Chalms理工大学的相关技术中采用CVD发在700°C实现了碳纳米管三维互连。Johan Liu等还提出了一种基于碳纳米管转移的TSV互连实现形式，实现TSV互连与衬底的键合。新加坡的Ting Xu等也采用CVD的方法700°C下在深100 μπι宽30-60 μπι的TSV结构中实现了互连，K.Ghosh等在高温下也实现了碳纳米管的互连，其TSV结构仅为深10 μ m宽2.5 μ m，这对于三维集成而言其尺寸远远不够。
[0006]尽管上述工作取得了进展，碳纳米管的生长还是需要将器件整个结构置于高温中。为了实现理想的碳纳米管性能，碳纳米管生长所需要的温度通常需要超过650°C。但是当温度超过450°C时，高温会破坏已有的CMOS电路，而温度低于450°C的CMOS安全线以下，所生长的碳纳米管性能很差。
【发明内容】
[0007]本发明旨在至少在一定程度上解决上述相关技术中的技术问题之一。
[0008]为此，本发明的目的在于提供一种碳纳米管三维互连的形成方法，该方法能够避免碳纳米管生长过程中高温对器件圆片上电路和器件的损坏。
[0009]为了实现上述目的，本发明的实施例提出了一种碳纳米管三维互连的形成方法，包括以下步骤:选取待加工的器件圆片及相应的辅助圆片，在所述器件圆片上刻蚀通孔，在所述辅助圆片正面的部分区域刻蚀凹槽，其中，所述通孔贯穿所述器件圆片的厚度，所述凹槽的表面低于所述辅助圆片的表面；在所述辅助圆片的正面沉积热红外吸收材料，并在所述辅助圆片的凹槽内沉积生长碳纳米管所需的催化剂薄膜，其中，所述红外热吸收材料至少覆盖所述凹槽内需要生长碳纳米管区域的表面；将所述器件圆片和辅助圆片进行对接，以将所述器件圆片和辅助圆片结合为一体，其中，结合后的所述器件圆片和所述辅助圆片的凹槽之间形成一个缝隙；采用激光器对所述凹槽内对应所述器件圆片上需要生长碳纳米管的区域进行局部加热，并通入反应气体，以在所述凹槽的加热位置生长碳纳米管，并使所述碳纳米管进入所述器件圆片的通孔内以形成以所述碳纳米管为导体的三维互连。
[0010]根据本发明实施例的碳纳米管三维互连的形成方法，在器件圆片刻蚀通孔，在辅助圆片刻蚀凹槽，并在辅助圆片表面沉积红外热吸收材料和生长碳纳米管所需的催化剂薄膜，并将器件圆片与辅助圆片对准并结合为一体，利用激光加热辅助圆片的凹槽，通入反应气体后在凹槽表面生长碳纳米管，并使碳纳米管进入器件圆片的通孔形成以碳纳米管为导体的三维互连。该方法利用非接触激光局部加热，能够避免碳纳米管生长过程中高温对器件圆片上电路和器件的损坏。
[0011]另外，根据本发明上述实施例的碳纳米管三维互连的形成方法还可以具有如下附加的技术特征:
[0012]在一些示例中，所述辅助圆片的凹槽内带有凸台，所述凸台的高度低于所述辅助圆片未刻蚀区域的高度。
[0013]在一些示例中，所述凸台的位置与所述器件圆片的通孔的位置对应。
[0014]在一些示例中，还包括:在所述辅助圆片的凹槽内不生长碳纳米管的位置处刻蚀贯穿所述辅助圆片厚度的通孔。
[0015]在一些示例中，将所述器件圆片和辅助圆片结合为一体的方法为采用高分子材料或金属作为键合层的键合技术。
[0016]在一些示例中，所述红外热吸收材料为二氧化硅或氮化硅薄膜。
[0017]在一些示例中，所述局部加热的方法为采用激光器从所述辅助圆片的背面加热所述辅助圆片的凹槽。
[0018]本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0019]本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中:
[0020]图1是根据本发明一个实施例的碳纳米管三维互连的形成方法的流程图；
[0021]图2是根据本发明实施例1的器件圆片的示意图；
[0022]图3是根据本发明实施例1的辅助圆片的示意图；
[0023]图4是根据本发明实施例1的器件圆片制造通孔后的示意图；
[0024]图5是根据本发明实施例2的辅助圆片刻蚀凹槽、沉积红外热吸收材料及生长碳纳米管的催化剂薄膜的示意图；
[0025]图6是根据本发明实施例1的器件圆片与辅助圆片键合后的结构示意图；
[0026]图7是根据本发明实施例1的碳纳米管生长过程示意图；
[0027]图8是根据本发明实施例2的带有凸台的辅助圆片的结构示意图；
[0028]图9是根据本发明实施例2的带有凸台的辅助圆片沉积红外热吸收材料和碳纳米管生长催化剂薄膜后的示意图；
[0029]图10是根据本发明实施例2的将辅助圆片与器件圆片结合后的示意图；
[0030]图1