專利名稱：一種用碳納米管實現(xiàn)上下兩層導(dǎo)電材料垂直互連的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于集成電路中的互連技術(shù)，具體涉及一種上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直 互連方法。
背景技術(shù)：
集成電路中的互連主要包括兩種， 一種是同層內(nèi)的水平互連，另一種是不同層之間的 垂直互連，即通孔。隨著集成電路特征尺寸的不斷按比例縮小，集成度不斷增大，集成電 路中互連線的尺寸也隨之變小，互連層數(shù)不斷增多，集成電路中作為連接上下層的垂直互 連的通孔也越來越多。然而隨著線寬的減小，由晶粒邊界散射和表面粗糙造成傳統(tǒng)的銅互 連線的電阻率越來越大，從而使得由互連線帶來的延遲變大，電路速度降低；另外由于銅
連線在電流密度超過106A/cm2時會出現(xiàn)明顯的電遷移，從而導(dǎo)致電路實效。而碳納米管 的電流輸運能力很強，能承受的最高電流密度可達到109A/cm2，加上其特有的彈道電流特 性，使其電阻率理論上很小，研究表明在22nm節(jié)點以后，碳納米管互連的優(yōu)勢遠遠高于 銅互連，因此碳納米管非常適合作互連材料，特別是通孔互連材料。
根據(jù)ITRS預(yù)測，在2010年90nm節(jié)點下，通孔高度最低要做到144nm。由于碳納米 管的平均自由程可達到幾個微米，因此在此節(jié)點下，如果用碳納米管作為通孔互連，則可 以實現(xiàn)電流的直接彈道輸運，從而有效提高電路速度。但是由于碳納米管的導(dǎo)電特性跟其 手性及幾何尺寸有關(guān)，并且通孔的尺寸較小，如何設(shè)計碳納米管通孔的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)需要 選擇特定手性和幾何尺寸的碳納米管，從而有效地將上下兩層導(dǎo)電層連接起來是實現(xiàn)碳納 米管互連的基礎(chǔ)。
目前制備碳納米管的通孔結(jié)構(gòu)的方法主要有由下至上地在Si/Si02/Cr上利用Ni做催 化劑利用等離子體增強化學氣相沉積的方法制備垂直互連的碳納米管束，然后再用CVD 沉積Si02來填滿碳納米管之間的間隙，再用化學機械拋光的方法將Si02平整化，表面只 露出碳納米管束，最后在上面淀積金屬，從而實現(xiàn)上下層碳納米管互連；另外一種是利用 催化劑埋層(3nmFe/5nmTa/150-200nmSiO2)，在光刻好的20nrn的非常大的高寬比的通孔 內(nèi)用CVD的方法制備MWCNTs，然后用CMP或反刻蝕的方法將MWCNTs的頂部露出， 再淀積金屬電極層，并在85(TC下退火以降低接觸電阻，得到的電阻率為7.8kohm。由于 用PECVD方法制備碳納米管，如果生長溫度較低(〈40(TC〉易產(chǎn)生非晶碳，且制備得到
3的納米管的質(zhì)量很差，即當前所有的制備碳納米管通孔互連的方法都是用PECVD或CVD 等方法臨場(in-situ)生長碳納米管，首先生長溫度不能太低，因此不符合ITRS預(yù)測的低于 40(TC的生長溫度。另外由于是臨場生長，制備得到的碳納米管的質(zhì)量不好控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供了一種上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連方法，其步驟包括
1) 在基底上制備一包括上、下兩水平面的垂直結(jié)構(gòu)；
2) 在上述垂直結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電材料，形成上、下兩個導(dǎo)電層；
3) 制備碳納米管溶液，將該碳納米管溶液滴到上述垂直結(jié)構(gòu)上，并在上、下導(dǎo)電層之 間施加直流電或交流電，碳納米管的兩端分別緊密到搭接在兩層導(dǎo)電材料上；
4) 淀積絕緣介質(zhì)材料，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩層導(dǎo)電材料之間的 垂直互連。
所述步驟1)中，所述基底可采用Si、 Ge或GaAs半導(dǎo)體材料。
在步驟2)之前，在所述垂直結(jié)構(gòu)可淀積一絕緣介質(zhì)層。
所述步驟2)中，所述導(dǎo)電材料可為高摻雜的Si、 Ge、 GaAs或金屬Ti/Au。
所述步驟2)中，所述上導(dǎo)電層和下導(dǎo)電層所采用的導(dǎo)電材料可不同。
所述步驟3)中，所述碳納米管溶液可是含單壁、雙壁、多壁或單壁碳納米管管束的有
機溶液，該有機溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異丙醇、二甲基甲酰胺或l， 2—二氯乙烷。 所述步驟4)中，所述絕緣介質(zhì)層可采用Si02，有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介
質(zhì)材料。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是
本發(fā)明中碳納米管制備與組裝過程分別單獨進行，利用電泳方法，碳納米管搭構(gòu)在上 下兩層導(dǎo)電材料上，然后淀積絕緣介質(zhì)材料，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩 層導(dǎo)電材料之間的垂直互連結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明，不需要各種碳納米管的高溫制備過程，因 此不會產(chǎn)生由碳納米管制備過程帶來的對器件的污染。其次，對于不同的納米管，如單壁 與多壁納米管，不同直徑的納米管，不同長度的納米管，不同手性分布的納米管，可以根 據(jù)不同的結(jié)構(gòu)來選擇需要的納米管。另外，可以通過控制納米管溶液的濃度，來控制納米管互連的疏密。而且可以順序地通過此種方法來實現(xiàn)多層之間的互連。


圖1為實施例一所實現(xiàn)的垂直互連的上、下兩層結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖2為實施例一的工藝流程圖3為實施例二所實現(xiàn)的垂直互連的上、下兩層結(jié)構(gòu)的示意圖； 圖4為實施例二的工藝流程圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述 實施例一，以圖l所示的凸臺型的垂直結(jié)構(gòu)為例，說明本發(fā)明的工藝過程。 1)首先在硅基底上刻蝕一凸臺結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的上層表面和下層表面之間有一垂直平 面，在上述凸臺結(jié)構(gòu)上可淀積一層絕艷介質(zhì)層，如圖2(a)所示。
基底可以是Si， Ge,GaAs等半導(dǎo)體材料，也可以是一種集成電路結(jié)構(gòu)。 上述絕緣介質(zhì)層可以是Si02,有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介質(zhì)材料。
2) 在垂直結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電層；
上、下兩層導(dǎo)電材料可以是同種材料、也可以使不同種材料，材料包括但不局限于金 屬、高摻雜半導(dǎo)體材料Si， Ge， GaAs、碳納米管薄膜或?qū)щ娋酆衔?。其中，碳納米管薄 膜單壁碳管薄膜，多壁碳管薄膜或者單壁和多壁碳管的混合薄膜，單層或多層石墨片， 導(dǎo)電塑料聚合物等。
在垂直結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電層形成的結(jié)構(gòu)如2(b)所示。
3) 將碳納米管超聲分散于乙醇、丙酮、正己垸、異丙醇、二甲基甲酰胺或1， 2—二 氯乙烷等有機溶液中，制備出含有碳納米管的溶液。
此處的碳納米管可以是單壁、雙壁、多壁或單壁碳納米管管束。
4) 在步驟2)中淀積的上下兩層導(dǎo)電層之間施加直流電或交流電，施加的交流電的參數(shù) 范圍為Vp產(chǎn)l一20V，頻率1 —IOMHZ。
并將制備好的碳納米管溶液滴到凸臺結(jié)構(gòu)上，碳納米管就會在電場的作用下發(fā)生極 化，按照電場的取向排列，并且兩端會密致地搭到兩層導(dǎo)電材料上'撤去電場后'形成的 結(jié)構(gòu)如圖2(c)所示。
5) 在搭構(gòu)了碳納米管的垂直結(jié)構(gòu)上淀積絕緣介質(zhì)來填充納米管之間的空隙，淀積完成后，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連。 上述絕緣介質(zhì)層可以是Si02，有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介質(zhì)材料。
實施例二，以圖3所示的凹槽型垂直結(jié)構(gòu)為例，說明本發(fā)明的工藝過程。 1)首先在基底上刻蝕一凹槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的上層表面和下層表面之間設(shè)有三個垂直
平面，在上述垂直結(jié)構(gòu)上可淀積一層絕緣介質(zhì)層，如圖3(a)所示。
襯底可以是Si， Ge,GaAs等半導(dǎo)體材料，也可以是任意一種集成電路的垂直結(jié)構(gòu)；材
料2是絕緣介質(zhì)材料，可以是Si02，有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介質(zhì)材料。
2) 在上下兩層結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電層； 淀積的導(dǎo)電層可以是Ti/Au等金屬，也可以是高摻雜半導(dǎo)體材料，Si， Ge，GaAs等，
如3(b)所示。
上下兩層的導(dǎo)電材料可以是相同的也可以是不同的。
3) 將碳納米管超聲分散于化學試劑中，制備出碳納米管的溶液。 此處的碳納米管可以是單壁碳納米管，多壁碳納米管，也可以是單壁碳管和多壁碳管
的混合。
將碳納米管超聲分散于乙醇、丙酮、正己垸、異丙醇、二甲基甲酰胺或l， 2—二氯乙 烷等有機溶液中，制備出含有碳納米管的溶液。
4) 在步驟2)中淀積的上下兩層導(dǎo)電層之間通直流電或交流電，上下兩層導(dǎo)電層之間施 加直流電或交流電，施加的交流電的參數(shù)范圍為VPP=1—20V,頻率1一10MHZ。并將制備 好的碳納米管溶液滴到要形成互連結(jié)構(gòu)的上、下兩層導(dǎo)電層之間，碳納米管就會在電場的 作用下發(fā)生極化，按照電場的取向排列，并且兩端會密致地搭到兩層導(dǎo)電材料上，撤去電 場后，形成的結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示。
5) 在搭構(gòu)了碳納米管的垂直結(jié)構(gòu)上淀積絕緣介質(zhì)來填充納米管之間的空隙，淀積完成 后，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連。
上述絕緣介質(zhì)層可以是Si02，有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介質(zhì)材料。
以上通過詳細實施例描述了本發(fā)明所提供的上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連方 法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對本發(fā)明做一定的 變形或修改；其制備方法也不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連方法，其步驟包括1)在基底上制備一包括上、下兩水平面的垂直結(jié)構(gòu)；2)在上述垂直結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電材料，形成上、下兩個導(dǎo)電層；3)制備碳納米管溶液，將該碳納米管溶液滴到上述垂直結(jié)構(gòu)上，并在上、下導(dǎo)電層之間施加直流電或交流電，碳納米管的兩端分別緊密到搭接在兩層導(dǎo)電材料上；4)淀積絕緣介質(zhì)材料，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1)中，所述基底采用Si、 Ge或GaAs半導(dǎo)體材料。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，在步驟2)之前，在所述垂直結(jié)構(gòu)上淀積一絕緣介質(zhì)層。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述導(dǎo)電材料為高摻雜的Si、Ge、 GaAs或金屬Ti/Au。
5、 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟2)中，所述上導(dǎo)電層和下導(dǎo)電層所采用的導(dǎo)電材料不同。
6、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟3)中，所述碳納米管溶液是含單壁、 雙壁、多壁或單壁碳納米管管束的有機溶液，該有機溶劑為乙醇、丙酮、正己烷、異 丙醇、二甲基甲酰胺或l， 2—二氯乙垸。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于，所述步驟4)中，所述絕緣介質(zhì)層采用Si02，有機類、摻氮氧化物或多孔性低K介質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用碳納米管實現(xiàn)上下兩層導(dǎo)電材料垂直互連的方法，屬于集成電路中的互連技術(shù)。該方法包括在基底上制備一包括上、下兩水平面的垂直結(jié)構(gòu)；在上述垂直結(jié)構(gòu)上淀積導(dǎo)電材料，形成上、下兩個導(dǎo)電層；制備碳納米管溶液，將該碳納米管溶液滴至上述垂直結(jié)構(gòu)上，并在上、下導(dǎo)電層之間施加直流電或交流電，碳納米管的兩端分別搭接在兩層導(dǎo)電材料上；淀積絕緣介質(zhì)材料，形成碳納米管通孔結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)上、下兩層導(dǎo)電材料之間的垂直互連。本發(fā)明中碳納米管制備與組裝過程分別單獨進行，且后者在室溫下進行，因此該互連技術(shù)可避免碳納米管制備過程對電路芯片所致的污染，可與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容。
文檔編號H01L21/768GK101562148SQ200910082900
公開日2009年10月21日 申請日期2009年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月24日
發(fā)明者傅云義, 興 張, 魏芹芹, 如 黃 申請人:北京大學