一种用碳纳米管实现上下两层导电材料垂直互连的方法

摘要

本发明公开了一种用碳纳米管实现上下两层导电材料垂直互连的方法，属于集成电路中的互连技术。该方法包括在基底上制备一包括上、下两水平面的垂直结构；在上述垂直结构上淀积导电材料，形成上、下两个导电层；制备碳纳米管溶液，将该碳纳米管溶液滴至上述垂直结构上，并在上、下导电层之间施加直流电或交流电，碳纳米管的两端分别搭接在两层导电材料上；淀积绝缘介质材料，形成碳纳米管通孔结构，从而实现上、下两层导电材料之间的垂直互连。本发明中碳纳米管制备与组装过程分别单独进行，且后者在室温下进行，因此该互连技术可避免碳纳米管制备过程对电路芯片所致的污染，可与现有的CMOS工艺兼容。

说明书

技术领域

本发明是关于集成电路中的互连技术，具体涉及一种上、下两层导电材料之间的垂直互连方法。

背景技术

集成电路中的互连主要包括两种，一种是同层内的水平互连，另一种是不同层之间的垂直互连，即通孔。随着集成电路特征尺寸的不断按比例缩小，集成度不断增大，集成电路中互连线的尺寸也随之变小，互连层数不断增多，集成电路中作为连接上下层的垂直互连的通孔也越来越多。然而随着线宽的减小，由晶粒边界散射和表面粗糙造成传统的铜互连线的电阻率越来越大，从而使得由互连线带来的延迟变大，电路速度降低；另外由于铜连线在电流密度超过10⁶A/cm²时会出现明显的电迁移，从而导致电路实效。而碳纳米管的电流输运能力很强，能承受的最高电流密度可达到10⁹A/cm²，加上其特有的弹道电流特性，使其电阻率理论上很小，研究表明在22nm节点以后，碳纳米管互连的优势远远高于铜互连，因此碳纳米管非常适合作互连材料，特别是通孔互连材料。

根据ITRS预测，在2010年90nm节点下，通孔高度最低要做到144nm。由于碳纳米管的平均自由程可达到几个微米，因此在此节点下，如果用碳纳米管作为通孔互连，则可以实现电流的直接弹道输运，从而有效提高电路速度。但是由于碳纳米管的导电特性跟其手性及几何尺寸有关，并且通孔的尺寸较小，如何设计碳纳米管通孔的结构，并根据需要选择特定手性和几何尺寸的碳纳米管，从而有效地将上下两层导电层连接起来是实现碳纳米管互连的基础。

目前制备碳纳米管的通孔结构的方法主要有：由下至上地在Si/SiO₂/Cr上利用Ni做催化剂利用等离子体增强化学气相沉积的方法制备垂直互连的碳纳米管束，然后再用CVD沉积SiO₂来填满碳纳米管之间的间隙，再用化学机械抛光的方法将SiO₂平整化，表面只露出碳纳米管束，最后在上面淀积金属，从而实现上下层碳纳米管互连；另外一种是利用催化剂埋层(3nmFe/5nmTa/150-200nmSiO₂)，在光刻好的20nm的非常大的高宽比的通孔内用CVD的方法制备MWCNTs，然后用CMP或反刻蚀的方法将MWCNTs的顶部露出，再淀积金属电极层，并在850℃下退火以降低接触电阻，得到的电阻率为7.8kohm。由于用PECVD方法制备碳纳米管，如果生长温度较低(<400℃>易产生非晶碳，且制备得到的纳米管的质量很差，即当前所有的制备碳纳米管通孔互连的方法都是用PECVD或CVD等方法临场(in-situ)生长碳纳米管，首先生长温度不能太低，因此不符合ITRS预测的低于400℃的生长温度。另外由于是临场生长，制备得到的碳纳米管的质量不好控制。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种上、下两层导电材料之间的垂直互连方法。

本发明的技术方案是：

一种上、下两层导电材料之间的垂直互连方法，其步骤包括：

1)在基底上制备一包括上、下两水平面的垂直结构；

2)在上述垂直结构上淀积导电材料，形成上、下两个导电层；

3)制备碳纳米管溶液，将该碳纳米管溶液滴到上述垂直结构上，并在上、下导电层之间施加直流电或交流电，碳纳米管的两端分别紧密到搭接在两层导电材料上；

4)淀积绝缘介质材料，形成碳纳米管通孔结构，从而实现上、下两层导电材料之间的垂直互连。

所述步骤1)中，所述基底可采用Si、Ge或GaAs半导体材料。

在步骤2)之前，在所述垂直结构可淀积一绝缘介质层。

所述步骤2)中，所述导电材料可为高掺杂的Si、Ge、GaAs或金属Ti/Au。

所述步骤2)中，所述上导电层和下导电层所采用的导电材料可不同。

所述步骤3)中，所述碳纳米管溶液可是含单壁、双壁、多壁或单壁碳纳米管管束的有机溶液，该有机溶剂为乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷。

所述步骤4)中，所述绝缘介质层可采用SiO₂，有机类、掺氮氧化物或多孔性低K介质材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明中碳纳米管制备与组装过程分别单独进行，利用电泳方法，碳纳米管搭构在上下两层导电材料上，然后淀积绝缘介质材料，形成碳纳米管通孔结构，从而实现上、下两层导电材料之间的垂直互连结构。采用本发明，不需要各种碳纳米管的高温制备过程，因此不会产生由碳纳米管制备过程带来的对器件的污染。其次，对于不同的纳米管，如单壁与多壁纳米管，不同直径的纳米管，不同长度的纳米管，不同手性分布的纳米管，可以根据不同的结构来选择需要的纳米管。另外，可以通过控制纳米管溶液的浓度，来控制纳米管互连的疏密。而且可以顺序地通过此种方法来实现多层之间的互连。

附图说明

图1为实施例一所实现的垂直互连的上、下两层结构的示意图；

图2为实施例一的工艺流程图；

图3为实施例二所实现的垂直互连的上、下两层结构的示意图；

图4为实施例二的工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例一，以图1所示的凸台型的垂直结构为例，说明本发明的工艺过程。

1)首先在硅基底上刻蚀一凸台结构，该结构的上层表面和下层表面之间有一垂直平面，在上述凸台结构上可淀积一层绝艳介质层，如图2(a)所示。

基底可以是Si，Ge，GaAs等半导体材料，也可以是一种集成电路结构。

上述绝缘介质层可以是SiO₂，有机类、掺氮氧化物或多孔性低K介质材料。

2)在垂直结构上淀积导电层；

上、下两层导电材料可以是同种材料、也可以使不同种材料，材料包括但不局限于金属、高掺杂半导体材料：Si，Ge，GaAs、碳纳米管薄膜或导电聚合物。其中，碳纳米管薄膜：单壁碳管薄膜，多壁碳管薄膜或者单壁和多壁碳管的混合薄膜，单层或多层石墨片，导电塑料聚合物等。

在垂直结构上淀积导电层形成的结构如2(b)所示。

3)将碳纳米管超声分散于乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等有机溶液中，制备出含有碳纳米管的溶液。

此处的碳纳米管可以是单壁、双壁、多壁或单壁碳纳米管管束。

4)在步骤2)中淀积的上下两层导电层之间施加直流电或交流电，施加的交流电的参数范围为V_PP＝1-20V，频率1-10MHZ。

并将制备好的碳纳米管溶液滴到凸台结构上，碳纳米管就会在电场的作用下发生极化，按照电场的取向排列，并且两端会密致地搭到两层导电材料上，撤去电场后，形成的结构如图2(c)所示。

5)在搭构了碳纳米管的垂直结构上淀积绝缘介质来填充纳米管之间的空隙，淀积完成后，形成碳纳米管通孔结构，从而实现上、下两层导电材料之间的垂直互连。

上述绝缘介质层可以是SiO₂，有机类、掺氮氧化物或多孔性低K介质材料。

实施例二，以图3所示的凹槽型垂直结构为例，说明本发明的工艺过程。

1)首先在基底上刻蚀一凹槽结构，该结构的上层表面和下层表面之间设有三个垂直平面，在上述垂直结构上可淀积一层绝缘介质层，如图3(a)所示。

衬底可以是Si，Ge，GaAs等半导体材料，也可以是任意一种集成电路的垂直结构；材料2是绝缘介质材料，可以是SiO₂，有机类、掺氮氧化物或多孔性低K介质材料。

2)在上下两层结构上淀积导电层；

淀积的导电层可以是Ti/Au等金属，也可以是高掺杂半导体材料，Si，Ge，GaAs等，如3(b)所示。

上下两层的导电材料可以是相同的也可以是不同的。

3)将碳纳米管超声分散于化学试剂中，制备出碳纳米管的溶液。

此处的碳纳米管可以是单壁碳纳米管，多壁碳纳米管，也可以是单壁碳管和多壁碳管的混合。

将碳纳米管超声分散于乙醇、丙酮、正己烷、异丙醇、二甲基甲酰胺或1，2-二氯乙烷等有机溶液中，制备出含有碳纳米管的溶液。

4)在步骤2)中淀积的上下两层导电层之间通直流电或交流电，上下两层导电层之间施加直流电或交流电，施加的交流电的参数范围为V_PP＝1-20V，频率1-10MHZ。并将制备好的碳纳米管溶液滴到要形成互连结构的上、下两层导电层之间，碳纳米管就会在电场的作用下发生极化，按照电场的取向排列，并且两端会密致地搭到两层导电材料上，撤去电场后，形成的结构如图3(c)所示。

5)在搭构了碳纳米管的垂直结构上淀积绝缘介质来填充纳米管之间的空隙，淀积完成后，形成碳纳米管通孔结构，从而实现上、下两层导电材料之间的垂直互连。

上述绝缘介质层可以是SiO₂，有机类、掺氮氧化物或多孔性低K介质材料。

以上通过详细实施例描述了本发明所提供的上、下两层导电材料之间的垂直互连方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。