一種銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)的制作方法，屬于半導(dǎo)體及微電子集成技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自摩爾定律提出以來，集成電路遵循著摩爾定律飛速發(fā)展，即當(dāng)價(jià)格不變時(shí)，集成電路上可容納的元器件的數(shù)目，約每隔18-24個(gè)月便會(huì)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(jīng)可以縮小到納米級(jí)別，并逐漸接近其物理極限時(shí)，縮小特征尺寸的方法已經(jīng)無法進(jìn)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(xù)增長，從而，集成電路的發(fā)展面臨著一系列的問題與挑戰(zhàn)。
[0003]三維集成技術(shù)可以解決上述的問題。相較于傳統(tǒng)的平面電路，三維集成技術(shù)在垂直方向上進(jìn)行芯片的堆疊和集成，在不需要進(jìn)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(shù)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(jìn)電路的電子性能。垂直互連技術(shù)是三維集成技術(shù)的關(guān)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(dá)厘米的平面金屬互連，在提高電路集成度的同時(shí)，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(yùn)行速度，使電路擁有更低的功耗。通常，實(shí)現(xiàn)垂直互連結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(jī)導(dǎo)電材料等。
[0004]—般采用化學(xué)氣相淀積的方法填充中心支撐材料。化學(xué)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(huán)境。但是二者的電阻率較大，電學(xué)性能較差，工藝成本比較高。采用高電導(dǎo)率的金屬顆?；蛴袡C(jī)物填充中心支撐材料可以在一定程度上提高電學(xué)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(shù)失配較大。另外，由于銅填充垂直互連會(huì)帶來較大的電容和電感耦合，這將影響高頻電學(xué)性能。
[0005]本專利設(shè)計(jì)了一種新型的銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)，采用銅納米管層代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝中的中心支撐材料。銅納米管價(jià)格較低，易于合成，工藝較為簡單。使用銅納米管結(jié)構(gòu)可以制作深寬比更高的硅通孔結(jié)構(gòu)。銅納米管具有高電導(dǎo)率，高熱導(dǎo)率，良好的抗電迀移性等特點(diǎn)，納米管結(jié)構(gòu)還可以形成空氣間隙，這將減小介質(zhì)的介電常數(shù)并減輕了由于銅與襯底間熱膨脹系數(shù)失配較大所帶來的問題，提高垂直互連結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能和工藝的可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)，提高了垂直互連結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，簡化了垂直互連結(jié)構(gòu)的工藝步驟。
[0007]所述的銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)如下:
[0008]銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(cè)壁以及垂直深孔底部。在所述垂直深孔側(cè)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(dǎo)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(jìn)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。
[0009]本發(fā)明的銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)的制作方法，其步驟如下:
[0010]POl:在襯底上制作垂直襯底上表面的垂直深孔結(jié)構(gòu)。
[0011]所述襯底可以為單質(zhì)半導(dǎo)體材料，如硅，鍺等；也可以為化合物半導(dǎo)體材料，如砷化鎵，磷化銦等；也可為絕緣材料，如石英、玻璃等；
[0012]所述垂直深孔為盲孔結(jié)構(gòu)，即深孔不穿透襯底下表面；
[0013]所述垂直深孔可以用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)、深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法制作。
[0014]P02:在垂直深孔的內(nèi)表面和上表面均勻淀積絕緣層
[0015]所述垂直深孔的內(nèi)表面包括垂直深孔的側(cè)壁和底面；
[0016]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(xué)氣相淀積、或者原子層淀積、或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、或者低溫二氧化硅淀積、或者噴涂、或者旋涂等;
[0017]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；
[0018]所述高分子聚合物為苯并環(huán)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(huán)氧樹脂。
[0019]P03:在垂直深孔內(nèi)表面的絕緣層表面制作一層催化劑層。
[0020]所述催化層的制作方法為物理氣相淀積、原子層淀積、化學(xué)氣相淀積或等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積等，材料可以是Pd等。但并不限于Pd ;
[0021]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(nèi)表面的絕緣層上。
[0022]P04:在催化劑的輔助下，在絕緣層表面生長銅納米管
[0023]所述銅納米管生長方法可以是電化學(xué)沉積法，微孔/中孔分子篩模板法，軟模板法，犧牲
[0024]模板法，氣-液-固機(jī)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。
[0025]P05:在銅納米管生長完畢后，對垂直深孔進(jìn)行絕緣層的完全填充，使銅納米管相互接觸并導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳播。
[0026]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(xué)氣相淀積、或者原子層淀積、或者等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積、或者低溫二氧化硅淀積、或者噴涂、或者旋涂等
[0027]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；
[0028]所述高分子聚合物為苯并環(huán)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(huán)氧樹脂；
[0029]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。
[0030]所述襯底表面為襯底上表面；
[0031]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；
[0032]所述去除表面殘余物的方法為機(jī)械研磨、反應(yīng)離子刻蝕、化學(xué)濕法刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光中的一種或多種。
[0033]P07:在襯底上表面制造金屬互連。
[0034]所述金屬互連與銅納米管相連接；
[0035]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；
[0036]所述金屬互連的實(shí)現(xiàn)方法為反應(yīng)離子刻蝕、或者化學(xué)濕法刻蝕、或者金屬剝離、或者大馬士革方法。
[0037]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。
[0038]所述的減薄方法為機(jī)械研磨，反應(yīng)離子刻蝕、化學(xué)濕法刻蝕、化學(xué)機(jī)械拋光中的一種或多種。
[0039]P09:在襯底下表面制造金屬互連。
[0040]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；
[0041 ] 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；
[0042]所述金屬互連的實(shí)現(xiàn)方法為反應(yīng)離子刻蝕、或者化學(xué)濕法刻蝕、或者金屬剝離、或者大馬士革方法。
[0043]至此，本發(fā)明的銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)制作完畢。
[0044]有益效果:
[0045]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:提供了一種銅納米管垂直互連結(jié)構(gòu)及其制作方法。銅納米管價(jià)格較低，易于合成，工藝較為簡單。使用銅納米管結(jié)構(gòu)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(dǎo)率，高熱導(dǎo)率，良好的抗電迀移性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)可提高垂直互連結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能，減小垂直互連結(jié)構(gòu)間及對其它電路的干擾。
【附圖說明】
[0046]圖1是一種同軸垂直互連的制作流程。
[0047]圖2是在襯底上刻蝕垂直通孔的示意圖。
[0048]圖3是在通孔側(cè)壁和襯底上表面淀積絕緣層的不意圖。
[0049]圖4是在通孔側(cè)壁絕緣層上制作催化劑層的示意圖。
[0050]圖5是在催化劑的作用下，在側(cè)壁絕緣層表面生長出銅納米管的示意圖。
[0051]圖6是用絕緣材料填充垂直通孔的示意圖。
[0052]圖7是將襯底上表面殘余物去除后的示意圖。
[0053]圖8是襯底上表面制造金屬互連的示意圖。
[0054]圖9是對襯底進(jìn)行減薄的示意圖。
[0055]圖10是襯底下表面制造金屬互連的示意圖。
[0056]標(biāo)號(hào)說明:
[0057]101-襯底，102-襯底上表面，103-襯底下表面，201-絕緣層，202-絕緣層，203-襯底上表面絕緣層，204-襯底下表面絕緣層，301-銅納米管，302-導(dǎo)電通路，401-襯底上表面金屬互連，402-襯底下表面金屬互連，501-干膜，601-催化層，S-圓形深孔，S1-深孔側(cè)壁，S2-深孔側(cè)壁，S3-深孔底部。
【具體