一种铜纳米管垂直互连结构及其制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种铜纳米管垂直互连结构的制作方法，属于半导体及微电子集成技术领域。
【背景技术】
[0002]自摩尔定律提出以来，集成电路遵循着摩尔定律飞速发展，即当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然而随着集成电路的尺寸已经可以缩小到纳米级别，并逐渐接近其物理极限时，缩小特征尺寸的方法已经无法进一步提高集成电路的性能和功能。但是，微电子市场的需求仍在持续增长，从而，集成电路的发展面临着一系列的问题与挑战。
[0003]三维集成技术可以解决上述的问题。相较于传统的平面电路，三维集成技术在垂直方向上进行芯片的堆叠和集成，在不需要进一步缩小器件特征尺寸的条件下，提高了电路的集成度。三维集成技术可以集成多种材料、多种工艺及多种功能的芯片于一体，明显地改进电路的电子性能。垂直互连技术是三维集成技术的关键，它利用大量、长度只有几十微米的垂直互连取代长度长达厘米的平面金属互连，在提高电路集成度的同时，很好地降低了互连延迟问题对于电路的干扰，提高了电路的运行速度，使电路拥有更低的功耗。通常，实现垂直互连结构的方法为在芯片上刻蚀通孔，在通孔表面淀积绝缘层，之后将通孔填充。填充通孔的导电材料包括多晶硅、铜、钨等金属、掺杂多晶硅、碳纳米管或是有机导电材料等。
[0004]—般采用化学气相淀积的方法填充中心支撑材料。化学气相淀积多晶硅和金属钨都具有良好的保形性，并且可以承受CMOS工艺中的高温环境。但是二者的电阻率较大，电学性能较差，工艺成本比较高。采用高电导率的金属颗粒或有机物填充中心支撑材料可以在一定程度上提高电学性能，但是这种提高程度有限，且COMS工艺兼容性较差。使用铜作为中心支撑材料工艺成本较低，但是其存在可靠性问题，这是由于铜与衬底间的热膨胀系数失配较大。另外，由于铜填充垂直互连会带来较大的电容和电感耦合，这将影响高频电学性能。
[0005]本专利设计了一种新型的铜纳米管垂直互连结构，采用铜纳米管层代替传统工艺中的中心支撑材料。铜纳米管价格较低，易于合成，工艺较为简单。使用铜纳米管结构可以制作深宽比更高的硅通孔结构。铜纳米管具有高电导率，高热导率，良好的抗电迀移性等特点，纳米管结构还可以形成空气间隙，这将减小介质的介电常数并减轻了由于铜与衬底间热膨胀系数失配较大所带来的问题，提高垂直互连结构的电学性能和工艺的可靠性。
【发明内容】
[0006]本发明设计了一种铜纳米管垂直互连结构，提高了垂直互连结构的电学性能，简化了垂直互连结构的工艺步骤。
[0007]所述的铜纳米管垂直互连结构如下:
[0008]铜纳米管垂直互连结构包括衬底，绝缘层，铜纳米管层，中心支撑材料，金属互连线。所述硅衬底上有垂直深孔结构，所述垂直深孔垂直于衬底上表面，穿透衬底上表面，不穿透衬底下表面。在衬底表面制作绝缘层，使该绝缘层完全覆盖衬底上表面，垂直深孔侧壁以及垂直深孔底部。在所述垂直深孔侧壁及底面的绝缘层表面有铜纳米管层，铜纳米管相互连接，形成导电通路。所述垂直深孔中央由绝缘材料填充。所述垂直深孔被绝缘层，铜纳米管层以及绝缘材料完全填充。所述铜纳米管层在垂直深孔上表面处与金属互连线相连接。底部的铜纳米管层在对衬底底部进行减薄后露出。有金属互连线与垂直深孔底部的铜纳米管层连接。
[0009]本发明的铜纳米管垂直互连结构的制作方法，其步骤如下:
[0010]POl:在衬底上制作垂直衬底上表面的垂直深孔结构。
[0011]所述衬底可以为单质半导体材料，如硅，锗等；也可以为化合物半导体材料，如砷化镓，磷化铟等；也可为绝缘材料，如石英、玻璃等；
[0012]所述垂直深孔为盲孔结构，即深孔不穿透衬底下表面；
[0013]所述垂直深孔可以用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法制作。
[0014]P02:在垂直深孔的内表面和上表面均匀淀积绝缘层
[0015]所述垂直深孔的内表面包括垂直深孔的侧壁和底面；
[0016]所述绝缘层的制作方法为热氧化、或者物理气相淀积、或者化学气相淀积、或者原子层淀积、或者等离子增强化学气相淀积、或者低温二氧化硅淀积、或者喷涂、或者旋涂等;
[0017]所述绝缘层材料为二氧化硅、或者氧化铝、或者氧氮化硅、或者氮化硅、或者高分子聚合物；
[0018]所述高分子聚合物为苯并环丁烯、或者聚酰亚胺、或者聚乙烯、或者聚二甲基硅氧烷、或者聚甲基丙烯酸甲酯、或者环氧树脂。
[0019]P03:在垂直深孔内表面的绝缘层表面制作一层催化剂层。
[0020]所述催化层的制作方法为物理气相淀积、原子层淀积、化学气相淀积或等离子增强化学气相淀积等，材料可以是Pd等。但并不限于Pd ;
[0021]在制作所述催化剂层之前，需在衬底上表面绝缘层上制作干膜以隔绝催化剂，使催化剂仅附着在垂直深孔内表面的绝缘层上。
[0022]P04:在催化剂的辅助下，在绝缘层表面生长铜纳米管
[0023]所述铜纳米管生长方法可以是电化学沉积法，微孔/中孔分子筛模板法，软模板法，牺牲
[0024]模板法，气-液-固机理生长法等方法中的一种或几种，但并不局限与上述几种方法。
[0025]P05:在铜纳米管生长完毕后，对垂直深孔进行绝缘层的完全填充，使铜纳米管相互接触并导通，实现电信号的传播。
[0026]所述绝缘层的填充方法为热氧化、或者物理气相淀积、或者化学气相淀积、或者原子层淀积、或者等离子增强化学气相淀积、或者低温二氧化硅淀积、或者喷涂、或者旋涂等
[0027]所述垂直深孔采用绝缘材料填充，如二氧化硅、或者氧化铝、或者氮氧化硅、或者氮化娃、或者高分子聚合物；
[0028]所述高分子聚合物为苯并环丁烯、或者聚酰亚胺、或者聚乙烯、或者聚二甲基硅氧烷、或者聚甲基丙烯酸甲酯、或者环氧树脂；
[0029]P06:垂直深孔被绝缘材料完全填充后，去除残留在衬底表面的残余物。
[0030]所述衬底表面为衬底上表面；
[0031]所述残余物为在填充中心绝缘材料这一步骤中，所残留在衬底表面的残余物；
[0032]所述去除表面残余物的方法为机械研磨、反应离子刻蚀、化学湿法刻蚀、化学机械抛光中的一种或多种。
[0033]P07:在衬底上表面制造金属互连。
[0034]所述金属互连与铜纳米管相连接；
[0035]所述的金属互连材料为铜、铝、金、银、铂、钛、锡、铟、铋或其合金中的一种或多种；
[0036]所述金属互连的实现方法为反应离子刻蚀、或者化学湿法刻蚀、或者金属剥离、或者大马士革方法。
[0037]P08:从衬底下表面减薄衬底，直到垂直深孔底部的铜纳米管层外露。
[0038]所述的减薄方法为机械研磨，反应离子刻蚀、化学湿法刻蚀、化学机械抛光中的一种或多种。
[0039]P09:在衬底下表面制造金属互连。
[0040]所述衬底下表面金属互连与垂直深孔底部露出的铜纳米管层相连；
[0041 ] 所述的金属互连材料为铜、铝、金、银、铂、钛、锡、铟、铋或其合金中的一种或多种；
[0042]所述金属互连的实现方法为反应离子刻蚀、或者化学湿法刻蚀、或者金属剥离、或者大马士革方法。
[0043]至此，本发明的铜纳米管垂直互连结构制作完毕。
[0044]有益效果:
[0045]本发明的优点在于:提供了一种铜纳米管垂直互连结构及其制作方法。铜纳米管价格较低，易于合成，工艺较为简单。使用铜纳米管结构可以制作深宽比更高的垂直硅通孔(TSV)，并且铜纳米管有高电导率，高热导率，良好的抗电迀移性等特点，这些特点可提高垂直互连结构的电学性能，减小垂直互连结构间及对其它电路的干扰。
【附图说明】
[0046]图1是一种同轴垂直互连的制作流程。
[0047]图2是在衬底上刻蚀垂直通孔的示意图。
[0048]图3是在通孔侧壁和衬底上表面淀积绝缘层的不意图。
[0049]图4是在通孔侧壁绝缘层上制作催化剂层的示意图。
[0050]图5是在催化剂的作用下，在侧壁绝缘层表面生长出铜纳米管的示意图。
[0051]图6是用绝缘材料填充垂直通孔的示意图。
[0052]图7是将衬底上表面残余物去除后的示意图。
[0053]图8是衬底上表面制造金属互连的示意图。
[0054]图9是对衬底进行减薄的示意图。
[0055]图10是衬底下表面制造金属互连的示意图。
[0056]标号说明:
[0057]101-衬底，102-衬底上表面，103-衬底下表面，201-绝缘层，202-绝缘层，203-衬底上表面绝缘层，204-衬底下表面绝缘层，301-铜纳米管，302-导电通路，401-衬底上表面金属互连，402-衬底下表面金属互连，501-干膜，601-催化层，S-圆形深孔，S1-深孔侧壁，S2-深孔侧壁，S3-深孔底部。
【具体