碳纳米管互连结构的实现以及大容量电容的构建

摘要

碳纳米管的诸多优越性能，使其在多个领域得到了关注。碳纳米管电流承载能力可以达到1010A/cm2，和金刚石相媲美的热导率，具有很好的热稳定性。在IC互连方面备受关注，被誉为最有可能的下一代互连材料。同时，碳纳米管的高频特性可以达到50GHz，具有非常快的充放电速率，在电容器等储能器件中的应用也受到了广泛的关注。然而，碳纳米管的生长方式与生长机理导致了其顶部封闭以及空间占有率过低的现象，这在一定程度上限制了碳纳米管在互连方面的应用。
　　 本文采用化学机械抛光，金属互补填充等手段对碳纳米管的导电特性进行了改性。在实现碳纳米管互连结构的基础上，构建基于碳纳米管的大容量电容器。探索了不同改性方法对碳纳米管电性能的影响。
　　 本文首先对碳纳米管的化学机械抛光进行了优化研究。为了保证碳纳米管在化学机械抛光时不被从通孔中拔出，使用了光刻胶对其进行了固定。分别讨论了抛光液PH值、抛光垫转速、下压力等条件对碳纳米管抛光效果的影响。通过化学机械抛光去除碳纳米管顶端横向交错的部分之后，对样品进行过曝光和过显影，去除固定碳纳米管的光刻胶。然后使用磁控溅射的方法，以100W的直流功率向通孔中填充铝，以改善碳纳米管的空间占有率过低的问题。填充之后，将样品置于450℃Ar氛围中退火，以改善金属互补填充的质量。
　　 最终通过加上电极构成完整的碳纳米管互连结构和碳纳米管电容结构，并使用半导体参数分析仪对这两个结构的电学特性进行分析。结果表明，所构建的碳纳米管互连结构，经过化学机械抛光、金属互补填充、退火处理之后，电阻值降低了20倍左右。其中通孔半径为4μm，长度为1μm的通孔，经过处理后，电阻仅为0.451Ω。基于碳纳米管的化学机械抛光技术构建的碳纳米管/二氧化硅/碳纳米管电容结构，单位面积电容量可以达到79fF/μm2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 碳纳米管结构、性质及电子领域的应用

1．2 集成电路互连

1．2．1 目前集成电路互连面临的问题

1．2．2 新型集成互连技术

1．2．3 碳纳米管互连研究现状

1．3 大容量电容器

1．3．1 目前常规电容器面临的问题

1．3．2 大容量电容器的种类

1．3．3 基于碳纳米管电容器的研究现状

1．4 本文主要的研究内容

第二章 碳纳米管通孔结构的形成与集成工艺优化

2．1 本文的实验设计

2．2 本文的表征手段

2．2．1 光学显微镜

2．2．2 台阶仪

2．2．3 四探针测试仪

2．2．4 原子力显微镜

2．2．5 扫描电子显微镜

2．2．6 半导体参数分析仪

2．3 光刻工艺

2．3．1 掩膜版的设计

2．3．2 光刻胶旋涂

2．3．3 曝光

2．3．4 显影

2．4 底电极的制备

2．5 通孔CNT的制备

2．5．1 SiO2介质层的沉积

2．5．2 通孔的刻蚀

2．5．3 通孔中CNT的生长

2．6 碳纳米管的CMP

2．7 碳纳米管通孔的金属互补填充

2．8 顶电极的制备

第三章 碳纳米管的化学机械抛光与金属互补填充

3．1 碳纳米管化学机械抛光的研究

3．1．1 抛光液参数对CNT-CMP的影响

3．1．2 设备参数对CNT-CMP的影响

3．2 碳纳米管通孔金属互补填充的研究

3．2．1 通孔金属互补填充

3．2．2 金属互补填充后抛光

第四章 碳纳米管互连结构及电容结构的电性能分析

4．1 碳纳米管互连结构的电性能分析

4．2 碳纳米管电容结构的电性能分析

第五章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢