一種石墨烯垂直互連結構的製作方法
2024-02-17 09:55:15
專利名稱：一種石墨烯垂直互連結構的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體及微傳感器製作技術領域，涉及晶片間的垂直互連結構的製作方法，特別涉及一種石墨烯垂直互連結構的製作方法。
背景技術：
晶片間的垂直互連是一種三維晶片集成技術。有別於傳統封裝技術，它可以提供垂直方向的電學信號互連，降低互連寄生參數，提高系統工作速度，降低系統功耗。晶片間垂直互連結構的製作方法主要包括在晶片上製作通孔、在通孔中澱積絕緣層以及通孔填充等工藝。填充通孔的導電材料一般是金屬，比如銅或鎢，也可以是摻雜多晶矽、碳納米管或有機導電材料。採用摻雜多晶矽填充的方法如美國專利US7645701中所揭露的，一般採用化學氣相澱積的方法製作。化學氣相澱積多晶矽具有良好的保形性，因此可以高質量地填充通孔， 而且可以承受CMOS製造中的高溫工藝，具有良好的CMOS工藝兼容性。但是這種方法的缺點在於摻雜多晶矽具有較大的電阻率，因此電學性能較差，而且化學氣相澱積工藝成本較高。採用鎢填充通孔的方法如美國專利US7964502中所揭露的，一般採用化學氣相澱積的方法進行鎢填充。化學氣相澱積鎢具有良好的保形性，而且鎢是一種耐高溫的難熔金屬，因此具有良好的CMOS工藝兼容性，可以提供比摻雜多晶矽更好的電學性能。但是鎢的電阻率仍然較大，其電學性能難以滿足目前高速電路的需要，而且化學氣相澱積鎢工藝成本較高。美國專利US7851342中揭露了使用金屬顆粒和有機物進行通孔填充，這種填充工藝簡單，而且可以採用銀或銅等高電導率的金屬以提高電學性能。但這種方法CMOS工藝兼容性不好，而且對電學性能的提升有限。金屬銅填充通孔是最為普遍的做法，如美國專利US7498258中所揭露的，利用電鍍銅工藝，可以獲得低成本高性能的通孔填充。但金屬銅與矽襯底的熱膨脹係數失配較大， 存在可靠性問題，另外，銅填充垂直互連間的電感、電容耦合以及與矽襯底的耦合較大，對高頻電學性能有較大的影響。碳納米管填充的方法如美國專利US8011091中所揭露的，碳納米管具有電導率高的特點，而且可以形成空氣間隔，減小介質的介電常數。但碳納米管生長的均勻性和重複性差，而且其電學性能仍難以滿足高頻高速信號傳輸的需求。
發明內容
本發明的目的在於解決現有技術中的問題，提供一種石墨烯垂直互連結構的製作方法，可以簡化垂直互連結構的製作工藝步驟，提高垂直互連結構的電信號傳輸性能。本發明的石墨烯垂直互連結構的製作方法，其步驟包括1)在基片上製作垂直孔；2)在所述基片的表面上製作絕緣層，所述絕緣層覆蓋所述垂直孔的內表面；
3)在所述絕緣層上製作石墨烯層。所述基片可以是半導體材料，如矽、鍺等單質半導體，或砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等化合物半導體；也可以是金屬材料，如鈦、鉬、鎳、鉻、鎢、銅等或其合金；還可以是玻璃或石英等絕緣材料。基片一般是圓形，有為了區分或對準晶相而製作的缺口或對準邊，基片直徑常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300毫米、450毫米等。基片可以是標準厚度的，從 400微米到1000微米不等，也可以是經過減薄的，厚度從10微米到400微米不等。所述基片可以是裸片，也可以在基片的第一表面和/或第二表面上有製作完成的半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構，還可以有焊盤(PAD)或鈍化層(passivation layer)。所述基片也可以是上述一種或幾種基片鍵合而成的。所述垂直孔可以是通孔或盲孔。通孔即穿透基片第一表面和第二表面的孔。盲孔即底部封閉的孔，可以是僅穿透基片第一表面而不穿透基片第二表面的盲孔，也可以是在基片第二表面封閉所述通孔的底部形成的盲孔。當所述垂直孔為通孔時，所述內表面為通孔側壁；當所述垂直孔為盲孔時，所述內表面為盲孔側壁和底部。垂直孔的直徑從1微米到1000微米不等，其橫截面一般是圓形或方形，也可以是長方形、六邊形或八邊形等其它形狀；其縱剖面可以是上下一樣寬的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形狀；垂直孔深度不小於其直徑，一般為其直徑的1倍到50倍。垂直孔可以用反應離子刻蝕 (RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕或溼法腐蝕等方法製作。垂直孔底部可以是基片第二表面上製作的多層電學互連的互連線或焊盤(PAD)。所述絕緣層可以採用幹氧熱氧化、溼氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相澱積 (PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作。絕緣層的材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化矽Si02、氮化矽Si3N4、 氧化鋁A1203，有機物例如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或複合絕緣層。所述石墨烯可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、靜電沉積、雷射沉積、襯底轉移、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷CH4、氧氣02等，但並不限於上述幾種材料。石墨烯的製作還可以包括製作之前的表面活化處理，以及製作之後的表面修飾處理。製作出的石墨烯可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小於9層，與製作方法以及使用的催化層有關。上述石墨烯垂直互連結構的製作方法其步驟3)中，在製作石墨烯之前，可以先製作一層催化層。催化層可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積 (CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是Co、Ni、Fe、CU、RU等， 但並不限於上述幾種材料。在製作催化層之前可以先製作一層阻擋層，阻擋層可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積 (PECVD)等方法製作，材料可以是TaN、TiN, RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但並不限於上述幾種材料。在製作阻擋層之前可以先製作一層粘附層，粘附層可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但並不限於上述幾種材料。對上述催化層、阻擋層和粘附層可以進行圖形化，圖形化可以採用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕、溼法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、 氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但並不限於上述幾種材料。上述石墨烯垂直互連結構的製作方法，在步驟3)之後，還可以包括垂直孔的填充步驟，可以採用導電或不導電的有機物填充，如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以採用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等填充。還可以對石墨烯進行圖形化形成互連，以及進行焊盤(PAD)、重布線層(RDL，Redistribution Layer) 和凸點(Bump)的製作。對於上述垂直孔為盲孔的基片，製作完成後，還可以對基片的第二表面進行減薄， 製成通孔。在基片的第二表面同樣可以進行焊盤(PAD)、重布線層(RDL，Redistribution Layer)和凸點(Bump)的製作。根據本發明方法製作的基片，採用晶圓到晶圓(Wafer to Wafer)、晶片到晶圓 (Chip toWafer)或晶片到晶片(Chip to Chip)的方式進行堆疊，形成基於石墨烯垂直互連的三維集成結構。本發明的優點和積極效果在於提供了一種石墨烯垂直互連結構及其製作方法， 石墨烯由於其特有的彈道疏運機制，具有非常高的電導率，有利於提高垂直互連結構的電信號傳輸性能，特別有利於高頻高速電信號的傳輸，可減小垂直互連結構間及對其它電路的幹擾。
圖Ia是實施例1中在基片上製作通孔的示意圖。
圖Ib是實施例1中在基片上製作絕緣層的示意圖。
圖Ic是實施例1中在絕緣層上製作催化層的示意圖。
圖Id是實施例1中在催化層上製作石墨烯的示意圖。
圖Ie是實施例1中在對通孔進行填充的示意圖。
圖2a是實施例2中在基片上製作盲孔的示意圖。
圖2b是實施例2中在基片上製作絕緣層的示意圖。
圖2c是實施例2中在絕緣層上製作催化層的示意圖。
圖2d是實施例2中在催化層上製作石墨烯的示意圖。
圖2e是實施例2中在對盲孔進行填充的示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例並結合附圖，對本發明作進一步的說明。實施例1 1)首先，如圖Ia所示，提供一基片110，製作通孔120。基片可以是半導體材料，如矽、鍺等單質半導體，或砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等化合物半導體；也可以是金屬材料，如鈦、 鉬、鎳、鉻、鎢、銅等或其合金；還可以是玻璃或石英等絕緣材料。基片一般是圓形，有為了區分或對準晶相而製作的缺口或對準邊，基片直徑常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300 毫米、450毫米等。基片可以是標準厚度的，從400微米到1000微米不等，也可以是經過減薄的，厚度從10微米到400微米不等。基片110有第一基片表面111和第二基片表面112，第一基片表面111和/或第二基片表面112上可以有製作完成的半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構。第一基片表面111和/或第二基片表面112上還可以有焊盤或鈍化層。基片110包含一個及以上的通孔120，通孔120的直徑從1微米到1000微米不等，其橫截面一般是圓形或方形，也可以是長方形、六邊形或八邊形等其它形狀；其縱剖面可以是上下一樣寬的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形狀；通孔120的深度不小於其直徑，一般為其直徑的1倍到50倍。通孔120可以用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕或溼法腐蝕等方法製作。通孔120的側壁121可以是粗糙的或有波紋的，不一定是如圖所示光滑的表面。2)接著，如圖Ib所示，在第一基片表面111、第二基片表面112以及通孔側壁121 上製作絕緣層210。絕緣層210可以採用幹氧熱氧化、溼氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD) 等方法製作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化矽Si02、氮化矽Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或複合絕緣層。3)接著，如圖Ic所示，在絕緣層210上製作催化層310。催化層310可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積 (PECVD)等方法製作，材料可以是Co、Ni、狗、Cu、Ru等，但並不限於上述幾種材料。在製作催化層310之前，可以先製作一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以採用物理氣相澱積 (PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是TaN、TiN, RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但並不限於上述幾種材料。在製作阻擋層之前，可以先製作一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但並不限於上述幾種材料。對上述催化層、阻擋層和粘附層可以進行圖形化，圖形化可以採用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕、溼法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、 氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但並不限於上述幾種材料。4)接著，如圖Id錯誤！未找到引用源。所示，在催化層310上製作石墨烯410。石墨烯410可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、靜電沉積、雷射沉積、襯底轉移、 化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷CH4、氧氣02等，但並不限於上述幾種材料。石墨烯410的製作步驟還可以包括製作之前的表面活化處理，以及製作之後的表面修飾處理。製作出的石墨烯410 可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小於9層，與製作的方法以及使用的催化層有關。5)接著，如圖Ie所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以採用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)、等離子增強化學氣相澱積(PECVD)或電鍍等方法製作。還可以包含一步化學機械拋光(CMP)將多於的填充材料去除。6)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括石墨烯圖形化形成互連、重布線層(RDL)製作、焊盤(PAD)製作、凸點(Bump)製作、劃片、三維堆疊 (Stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它矽通孔互連三維集成技術的製作工藝。在此不再贅述。實施例2 1)首先，如圖加所示，提供一基片110，製作盲孔130。基片可以是半導體材料，如矽、鍺等單質半導體，或砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等化合物半導體；也可以是金屬材料，如鈦、 鉬、鎳、鉻、鎢、銅等或其合金；還可以是玻璃或石英等絕緣材料。基片一般是圓形，有為了區分或對準晶相而製作的缺口或對準邊，基片直徑常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300 毫米、450毫米等。基片可以是標準厚度的，從400微米到1000微米不等，也可以是經過減薄的，厚度從10微米到400微米不等。基片110有第一基片表面111和第二基片表面112， 第一基片表面111和/或第二基片表面112上可以有製作完成的半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構。第一基片表面111和/或第二基片表面112上還可以有焊盤或鈍化層。基片110包含一個及以上的通孔130，通孔130的直徑從1微米到1000微米不等，其橫截面一般是圓形或方形，也可以是長方形、六邊形或八邊形等其它形狀；其縱剖面可以是上下一樣寬的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形狀；盲孔130的深度不小於其直徑，一般為其直徑的1倍到50倍。盲孔130可以用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕或溼法腐蝕等方法製作。盲孔130的側壁131可以是粗糙的或有波紋的，不一定是如圖所示光滑的表面。盲孔130的底部132可以包含在基片內部(如圖加所示)，也可以是在第二基片表面112上製作的多層電學互連的互連線或焊盤(PAD)。2)接著，如圖2b所示，在第一基片表面111以及盲孔側壁131和底部132上製作絕緣層210。絕緣層210可以採用幹氧熱氧化、溼氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化矽Si02、氮化矽Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或複合絕緣層。3)接著，如圖2c所示，在絕緣層210上製作催化層310。催化層310可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積 (PECVD)等方法製作，材料可以是Co、Ni、狗、Cu、Ru等，但並不限於上述幾種材料。在製作催化層310之前，可以先製作一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以採用物理氣相澱積 (PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是TaN、TiN, RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但並不限於上述幾種材料。在製作阻擋層之前，可以先製作一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但並不限於上述幾種材料。對上述催化層、阻擋層和粘附層可以進行圖形化，圖形化可以採用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、雷射燒蝕、溼法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、 氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但並不限於上述幾種材料。4)接著，如圖2d錯誤！未找到引用源。所示，在催化層310上製作石墨烯410。石墨烯410可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、靜電沉積、雷射沉積、襯底轉移、
7化學氣相澱積(CVD)或等離子增強化學氣相澱積(PECVD)等方法製作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷CH4、氧氣02等，但並不限於上述幾種材料。石墨烯410的製作步驟還可以包括製作之前的表面活化處理，以及製作之後的表面修飾處理。製作出的石墨烯410 可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小於9層，與製作的方法以及使用的催化層有關。5)接著，如圖加所示，在盲孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚醯亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯並環丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以採用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以採用物理氣相澱積(PVD)、原子層澱積(ALD)、化學氣相澱積(CVD)、等離子增強化學氣相澱積(PECVD)或電鍍等方法製作。還可以包含一步化學機械拋光(CMP)將多於的填充材料去除。6)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括石墨烯圖形化形成互連、重布線層(RDL)製作、焊盤(PAD)製作、凸點(Bump)製作、晶圓減薄、劃片、三維堆疊(Stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它矽通孔互連三維集成技術的製作工藝。在此不再贅述。以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡根據本發明權利要求所做的同等變化與修改，都應屬於本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種石墨烯垂直互連結構的製作方法，其步驟包括1)在基片上製作垂直孔；2)在所述基片的表面上製作絕緣層，所述絕緣層覆蓋所述垂直孔的內表面；3)在所述絕緣層上製作石墨烯層。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述基片是半導體材料、金屬材料或絕緣材料；所述基片為裸片，或者是在基片的第一表面和/或第二表面上具有下列結構中的一種或多種半導體器件、電學互連層、微傳感器結構、焊盤和鈍化層。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述垂直孔是通孔或盲孔；所述通孔是穿透基片第一表面和第二表面的孔；所述盲孔包括穿透基片第一表面而不穿透基片第二表面的盲孔，和將所述通孔的底部封閉形成的盲孔。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述絕緣層是無機物或有機物，或是無機物和有機物的混合物。
5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述石墨烯層包含一層或多層碳原子。
6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在製作所述石墨烯層之前，在所述絕緣層上製作催化層，所述催化層的材料包括Co、Ni、Fe、Cu和Ru。
7.如權利要求6所述的方法，其特徵在於，在製作所述催化層之前，在所述絕緣層上製作阻擋層，所述阻擋層的材料包括TaN、TiN, RuN、WN、Ta、Ti、Ru和W。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，在製作所述阻擋層之前，在所述絕緣層上製作粘附層，所述粘附層的材料包括Ta、Ti、Ru、Pt、Cr和Au。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，在所述步驟3)之後，還包括如下一個或兩個步驟1)對所述垂直孔進行填充，用於所述填充的材料包括有機物和金屬；2)對所述石墨烯層進行圖形化形成互連，或進行焊盤、重布線層和凸點的製作。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，採用晶圓到晶圓、晶片到晶圓或晶片到晶片的方式進行堆疊，形成基於所述石墨烯垂直互連結構的三維集成結構。
全文摘要
本發明提供一種石墨烯垂直互連結構的製作方法，首先在基片上製作垂直孔；然後在所述基片的表面上製作絕緣層，該絕緣層覆蓋所述垂直孔的內表面；然後在所述絕緣層上製作石墨烯層。基於該石墨烯垂直互連結構，可採用晶圓到晶圓、晶片到晶圓或晶片到晶片的方式進行堆疊並形成三維集成結構。石墨烯由於其特有的彈道疏運機制，具有非常高的電導率，有利於提高垂直互連結構的電信號傳輸性能，特別有利於高頻高速電信號的傳輸，可減小垂直互連結構間及對其它電路的幹擾。
文檔編號H01L21/768GK102437110SQ20111039152
公開日2012年5月2日 申請日期2011年11月30日 優先權日2011年11月30日
發明者孫新, 方孺牛, 朱韞暉, 繆旻, 金玉豐, 陳兢, 馬盛林 申請人:北京大學