一種銅納米管垂直互連結構及其制作方法技術

本發明專利技術涉及一種銅納米管垂直互連結構的制作方法，屬于微電子集成技術領域。本發明專利技術首先在基片上制作垂直深孔；在所述的基片表面上制作絕緣層，該絕緣層覆蓋所述垂直深孔的內表面；在上述絕緣層表面附著催化劑；在催化劑的幫助下，在絕緣層的表面生長銅納米管；銅納米管生長完畢后在深孔中央填充絕緣材料。與常規的基于銅導體的垂直互連技術相比，本發明專利技術利用在軸向具有極高電導率和極高熱導率的銅納米管作為傳導介質，有利于提高垂直互連的電信號傳輸性能和整體芯片的散熱能力。因此，本發明專利技術在微電子集成技術領域具有廣泛的應用前景。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種銅納米管垂直互連結構的制作方法，屬于半導體及微電子集成

技術介紹
自摩爾定律提出以來，集成電路遵循著摩爾定律飛速發展，即當價格不變時，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍。然而隨著集成電路的尺寸已經可以縮小到納米級別，并逐漸接近其物理極限時，縮小特征尺寸的方法已經無法進一步提高集成電路的性能和功能。但是，微電子市場的需求仍在持續增長，從而，集成電路的發展面臨著一系列的問題與挑戰。三維集成技術可以解決上述的問題。相較于傳統的平面電路，三維集成技術在垂直方向上進行芯片的堆疊和集成，在不需要進一步縮小器件特征尺寸的條件下，提高了電路的集成度。三維集成技術可以集成多種材料、多種工藝及多種功能的芯片于一體，明顯地改進電路的電子性能。垂直互連技術是三維集成技術的關鍵，它利用大量、長度只有幾十微米的垂直互連取代長度長達厘米的平面金屬互連，在提高電路集成度的同時，很好地降低了互連延遲問題對于電路的干擾，提高了電路的運行速度，使電路擁有更低的功耗。通常，實現垂直互連結構的方法為在芯片上刻蝕通孔，在通孔表面淀積絕緣層，之后將通孔填充。填充通孔的導電材料包括多晶硅、銅、鎢等金屬、摻雜多晶硅、碳納米管或是有機導電材料等。—般采用化學氣相淀積的方法填充中心支撐材料。化學氣相淀積多晶硅和金屬鎢都具有良好的保形性，并且可以承受CMOS工藝中的高溫環境。但是二者的電阻率較大，電學性能較差，工藝成本比較高。采用高電導率的金屬顆粒或有機物填充中心支撐材料可以在一定程度上提高電學性能，但是這種提高程度有限，且COMS工藝兼容性較差。使用銅作為中心支撐材料工藝成本較低，但是其存在可靠性問題，這是由于銅與襯底間的熱膨脹系數失配較大。另外，由于銅填充垂直互連會帶來較大的電容和電感耦合，這將影響高頻電學性能。本專利設計了一種新型的銅納米管垂直互連結構，采用銅納米管層代替傳統工藝中的中心支撐材料。銅納米管價格較低，易于合成，工藝較為簡單。使用銅納米管結構可以制作深寬比更高的硅通孔結構。銅納米管具有高電導率，高熱導率，良好的抗電迀移性等特點，納米管結構還可以形成空氣間隙，這將減小介質的介電常數并減輕了由于銅與襯底間熱膨脹系數失配較大所帶來的問題，提高垂直互連結構的電學性能和工藝的可靠性。
技術實現思路
本專利技術設計了一種銅納米管垂直互連結構，提高了垂直互連結構的電學性能，簡化了垂直互連結構的工藝步驟。所述的銅納米管垂直互連結構如下:銅納米管垂直互連結構包括襯底，絕緣層，銅納米管層，中心支撐材料，金屬互連線。所述硅襯底上有垂直深孔結構，所述垂直深孔垂直于襯底上表面，穿透襯底上表面，不穿透襯底下表面。在襯底表面制作絕緣層，使該絕緣層完全覆蓋襯底上表面，垂直深孔側壁以及垂直深孔底部。在所述垂直深孔側壁及底面的絕緣層表面有銅納米管層，銅納米管相互連接，形成導電通路。所述垂直深孔中央由絕緣材料填充。所述垂直深孔被絕緣層，銅納米管層以及絕緣材料完全填充。所述銅納米管層在垂直深孔上表面處與金屬互連線相連接。底部的銅納米管層在對襯底底部進行減薄后露出。有金屬互連線與垂直深孔底部的銅納米管層連接。本專利技術的銅納米管垂直互連結構的制作方法，其步驟如下:POl:在襯底上制作垂直襯底上表面的垂直深孔結構。所述襯底可以為單質半導體材料，如硅，鍺等；也可以為化合物半導體材料，如砷化鎵，磷化銦等；也可為絕緣材料，如石英、玻璃等；所述垂直深孔為盲孔結構，即深孔不穿透襯底下表面；所述垂直深孔可以用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法制作。P02:在垂直深孔的內表面和上表面均勻淀積絕緣層所述垂直深孔的內表面包括垂直深孔的側壁和底面；所述絕緣層的制作方法為熱氧化、或者物理氣相淀積、或者化學氣相淀積、或者原子層淀積、或者等離子增強化學氣相淀積、或者低溫二氧化硅淀積、或者噴涂、或者旋涂等;所述絕緣層材料為二氧化硅、或者氧化鋁、或者氧氮化硅、或者氮化硅、或者高分子聚合物；所述高分子聚合物為苯并環丁烯、或者聚酰亞胺、或者聚乙烯、或者聚二甲基硅氧烷、或者聚甲基丙烯酸甲酯、或者環氧樹脂。P03:在垂直深孔內表面的絕緣層表面制作一層催化劑層。所述催化層的制作方法為物理氣相淀積、原子層淀積、化學氣相淀積或等離子增強化學氣相淀積等，材料可以是Pd等。但并不限于Pd ;在制作所述催化劑層之前，需在襯底上表面絕緣層上制作干膜以隔絕催化劑，使催化劑僅附著在垂直深孔內表面的絕緣層上。P04:在催化劑的輔助下，在絕緣層表面生長銅納米管所述銅納米管生長方法可以是電化學沉積法，微孔/中孔分子篩模板法，軟模板法，犧牲模板法，氣-液-固機理生長法等方法中的一種或幾種，但并不局限與上述幾種方法。P05:在銅納米管生長完畢后，對垂直深孔進行絕緣層的完全填充，使銅納米管相互接觸并導通，實現電信號的傳播。所述絕緣層的填充方法為熱氧化、或者物理氣相淀積、或者化學氣相淀積、或者原子層淀積、或者等離子增強化學氣相淀積、或者低溫二氧化硅淀積、或者噴涂、或者旋涂等所述垂直深孔采用絕緣材料填充，如二氧化硅、或者氧化鋁、或者氮氧化硅、或者氮化娃、或者高分子聚合物；所述高分子聚合物為苯并環丁烯、或者聚酰亞胺、或者聚乙烯、或者聚二甲基硅氧烷、或者聚甲基丙烯酸甲酯、或者環氧樹脂；P06:垂直深孔被絕緣材料完全填充后，去除殘留在襯底表面的殘余物。所述襯底表面為襯底上表面；所述殘余物為在填充中心絕緣材料這一步驟中，所殘留在襯底表面的殘余物；所述去除表面殘余物的方法為機械研磨、反應離子刻蝕、化學濕法刻蝕、化學機械拋光中的一種或多種。P07:在襯底上表面制造金屬互連。所述金屬互連與銅納米管相連接；所述的金屬互連材料為銅、鋁、金、銀、鉑、鈦、錫、銦、鉍或其合金中的一種或多種；所述金屬互連的實現方法為反應離子刻蝕、或者化學濕法刻蝕、或者金屬剝離、或者大馬士革方法。P08:從襯底下表面減薄襯底，直到垂直深孔底部的銅納米管層外露。所述的減薄方法為機械研磨，反應離子刻蝕、化學濕法刻蝕、化學機械拋光中的一種或多種。P09:在襯底下表面制造金屬互連。所述襯底下表面金屬互連與垂直深孔底部露出的銅納米管層相連； 所述的金屬互連材料為銅、鋁、金、銀、鉑、鈦、錫、銦、鉍或其合金中的一種或多種；所述金屬互連的實現方法為反應離子刻蝕、或者化學濕法刻蝕、或者金屬剝離、或者大馬士革方法。至此，本專利技術的銅納米管垂直互連結構制作完畢。有益效果:本專利技術的優點在于:提供了。銅納米管價格較低，易于合成，工藝較為簡單。使用銅納米管結構可以制作深寬比更高的垂直硅通孔(TSV)，并且銅納米管有高電導率，高熱導率，良好的抗電迀移性等特點，這些特點可提高垂直互連結構的電學性能，減小垂直互連結構間及對其它電路的干擾。【附圖說明】圖1是一種同軸垂直互連的制作流程。圖2是在襯底上刻蝕垂直通孔的示意圖。圖3是在通孔側壁和襯底上表面淀積絕緣層的不意圖。圖4是在通孔側壁絕緣層上制作催化劑層的示意圖。圖5是在催化劑的作用下，在側壁絕緣層表面生長出銅納米管的示意圖。圖6是用絕緣材料填充垂直通孔的示意圖。圖7是將襯底上表面殘余物去除后的示意圖。圖8是襯底上表面制造金屬互連的示意圖。圖9是對襯底進行本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種銅納米管垂直互連結構，主要包括以下結構：襯底(101)，絕緣層(201)(203)(204)，中心支撐材料(202)，銅納米管層(302)，金屬互連結構(401)(402)。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：丁英濤，高巍，謝奕，嚴陽陽，熊苗，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11