[发明专利]一种铜纳米管垂直互连结构及其制作方法

说明书

本发明涉及一种铜纳米管垂直互连结构的制作方法，属于微电子集成技术领域。本发明首先在基片上制作垂直深孔；在所述的基片表面上制作绝缘层，该绝缘层覆盖所述垂直深孔的内表面；在上述绝缘层表面附着催化剂；在催化剂的帮助下，在绝缘层的表面生长铜纳米管；铜纳米管生长完毕后在深孔中央填充绝缘材料。与常规的基于铜导体的垂直互连技术相比，本发明利用在轴向具有极高电导率和极高热导率的铜纳米管作为传导介质，有利于提高垂直互连的电信号传输性能和整体芯片的散热能力。因此，本发明在微电子集成技术领域具有广泛的应用前景。

技术领域

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

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。

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、长度只有微米量级的垂直互连取代长度厘米量级的平面金属互连，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。

一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CMOS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。

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，良好的抗电迁移性等特点，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

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。

所述的铜纳米管垂直互连结构如下：

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。

铜纳米管垂直互连结构的制作方法，其步骤如下：

P01：在衬底上制作垂直衬底上表面的垂直深孔结构。