[發明專利]一種改善碳納米管互連電特性的方法

有效

• 申請號: 201210412922.4
• 申請日: 2012-10-25
• 公開（公告）號: CN102881651A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 張楷亮;任君;王芳;馮玉林;董莉;蘭馗博;趙金石
• 申請（專利權）人: 天津理工大學
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L21/28;B82Y10/00
• 代理公司: 天津佳盟知識產權代理有限公司 12002
• 代理人: 侯力

技術領域

本發明涉及集成電路互連技術領域以及碳基材料的拋光領域。特別是一種改善碳納米管互連電特性的方法。

技術背景

目前，在集成電路產業中，常用的互連材料多為金屬材料，如：Cu、Al、W等，在這其中Cu連占有主導地位。然而隨著器件尺寸急劇的下降，Cu互連面臨著諸多的問題。目前半導體器件已經發展到22nm的節點上，這已經接近了Cu的物理極限，此時由于Cu互連線表面散射和晶界散射的加劇，導致了其電阻的顯著增大，從而增加了電路的RC延遲。ITRS預測當IC進入32納米工藝節點后，互連線要承受的電流密度將要達到10⁷A/cm²，這就超過了Cu互連線的承載能力（約為10⁶A/cm²），如果此時仍然使用Cu作為互連材料，將會出現嚴重的電遷移現象，這種現象的結果將會使電路短路或者斷路。同時，隨著器件尺寸的下降，Cu互連的發熱問題也日益嚴重，這就嚴重的影響了Cu互連的壽命。并且在Cu互連工藝中，需要擴散阻擋層以防止Cu離子的擴散所造成的器件污染，這就增加了Cu互連工藝難度。

碳納米管(Carbon?Nanotube，CNT)擁有諸多優越的特性，是目前被公認為可替代Cu互連的新型互連材料。碳納米管擁有良好的熱傳導性(熱傳導率范圍：1750-5800w/mk)，它的熱傳導率甚至高于目前已知熱傳導性最好的金剛石；碳納米管中的載流子輸運模式不同于其他金屬導體，屬于彈道輸運，且電子在碳納米管中的平均自由程達到微米量級，這就決定了碳納米管具有了承載大電流密度的能力（超過10⁹A/cm²）；碳納米管還具有良好的機械強度和熱穩定性以及低能耗。碳納米管雖然具有以上的諸多特性，然而其橫向生長仍然很困難，故目前對碳納米管互連的研究主要集中在垂直通孔互連領域。碳納米管的垂直互連中，由于其生長的高度不同，以及頂端沒有打開，所以碳納米管與金屬的接觸電阻仍然很高。而碳納米管的空間占有率過低，也是影響其導電性的一個關鍵因素(約為3.6%)。

法國的M.Fayolle等人首次提出生長碳納米管后，使用填充物改善其導電特性，然而由于技術限制，最終使用的是絕緣體填充，雖然該方法對碳納米管的化學機械拋光（chemical?mechanical?polishing，CMP）有一定的幫助，但是該填充并沒有對碳納米管的導電性有任何的改善。香港科技大學Yang?Chai研究小組，研究了碳納米管的垂直互連工藝，該研究小組雖然使用化學機械拋光的方法打開了碳納米管的端口，并實現了碳納米管與金屬電極的良好接觸，然而由于碳納米管的空間占有率過低，其所得的碳納米管互連結構的電阻仍然高于Cu的電阻。IBM已公開的專利：利用碳納米管復合通路的集成電路芯片（公開號：CN?1926680A），該專利中提出了采用碳納米管復合通路的方法，來解決碳納米管空間占有率太低的問題。這種方法具體是指人為控制碳納米管生長的密度，使通孔為后續的金屬填充提供足夠的空間，然后再通過電鍍等方法向通孔中填充Cu等良導體金屬。該方法雖然在一定程度上保證了金屬填充的質量，但是仍然存在兩處不足。其一，填充之后的互連通孔中，碳納米管的數量過少，這就會影響互連通孔的導電能力；其二，由于人為的降低了碳納米管的管密度，使得碳納米管生長的定向性不是很理想，如果碳納米管定向性不理想，電子在傳輸過程中將會遭到散射，其直接結果就是增大了碳納米管的互連電阻。Intel公司已公開的專利：碳納米管互連接觸（公開號：CN?101208793），該專利中主要針對的是溝槽內的碳納米管，這與垂直通孔互連有一定的區別。特別是在通孔中垂直生長的碳納米管，如果其頂端橫向交錯的部分沒有去除，將會使得向碳納米管間隙填充金屬的效果大為下降。同時該專利中雖然也提出了使用填充的方法來改善碳納米管的導電性，然而其填充方法對于微觀垂直碳納米管互連并不適用。本人已公開的專利：一種形成碳納米管通孔互連金屬化接觸的方法（公開號：CN?102130040A）提出了使用填充方法對碳納米管進行固定，然后對其進行化學機械拋光，以便打開碳納米管的端口，實現碳納米管與金屬的良好接觸。但是由于該專利并未考慮到碳納米管頂部橫向交錯部分對填充的影響，所以通孔中填充的金屬，對碳納米管互連電特性的改善不是很明顯。

由此可見碳納米管與金屬的接觸問題，以及碳納米管空間占有率低而導致的電阻過大問題，都已經成為實現碳納米管垂直互連的障礙。從而，尋求一種可以同時改善這兩個問題的方法，對于碳納米管應用于垂直互連有著重要的意義。

發明內容