 目前,半導(dǎo)體工業(yè)都采用鋁或銅作為芯片內(nèi)連線。但是,NASA Ames研究中心的研究人員卻有另外一個的想法：用碳納米管代替銅或鋁作為芯片內(nèi)連線。碳納米管是一種圓柱形的富勒烯（cylindrical fullerenes）,由于它具有超凡的機械性能和獨特的電性能,包括不尋常的電流傳導(dǎo)能力而特別引人注目。
在一系列實驗中,多壁碳納米管（multi-walled carbon nanotubes,MWCNTs）表現(xiàn)出很好的穩(wěn)定性。例如,在溫度250°C和電流密度1010A/cm2 的條件下,350小時后MWCNTs尚未出現(xiàn)受損現(xiàn)象�，F(xiàn)在的主要問題是如何在半導(dǎo)體制造中使用這種新材料。在碳納米管生長過程中經(jīng)常會形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),當沉積在襯底或溝槽中時,它們就象是纏結(jié)在一起的“面條”一樣。而纏結(jié)的碳納米管是不可能出現(xiàn)期望的彈道式電子傳輸和很高的導(dǎo)電率的。
Ames的研究人員采用PECVD工藝制備MWCNTs的,他們試圖通過該方法解開像面條一樣纏結(jié)在一起的碳納米管。PECVD法沉積MWCNTs后,他們用SiO2對 MWCNTs之間的空隙進行了填充,然后經(jīng)CMP處理,為沉積頂層金屬線提供了一個平整的上表面。在國際內(nèi)連線技術(shù)會議（International Interconnect Technology Conference,IITC）和2003年4月出版的Applied Physics Letters 雜志上,Jun Li和同事們詳細描述了他們開發(fā)的新工藝。
他們采用上覆500nm熱氧化SiO2和200nm鉻（或鉭）的<100>硅晶圓作為襯底,在上面沉積了20nm厚的鎳作為催化劑。其中,鎳是用離子束濺射技術(shù)沉積在特定的點上的,催化生長出按一定圖形排列、用于局部布線或接觸孔的碳納米管;而當鎳沉積成厚為20nm的薄膜時,碳納米管則可以全面生長,用于全局布線。沉積好催化劑后,就可以用PECVD法生長低密度的MWCNTs陣列了。和之前所報道的一樣,PECVD可采用誘導(dǎo)耦合等離子體或直流等離子體輔助CVD工藝,生成的每根碳納米管都垂直排列在襯底表面上。碳納米管的這種結(jié)構(gòu)是不可能通過熱電熱絲CVD法生成的,但是當PECVD的電場方向和襯底互相垂直時,就很容易得到令人滿意的結(jié)果。接著,他們用TEOS CVD法生成的SiO2填充了碳納米管之間的空隙。
然后,他們對樣品進行CMP處理,形成嵌入在 SiO2薄膜中的碳納米管陣列結(jié)構(gòu)。CMP工藝除去了多余的SiO2并折斷了過長的碳納米管,最終得到平整的SiO2表面,并露出碳納米管的末端。
未來的內(nèi)連線也許會包括碳納米管,它具有很強的電流傳導(dǎo)能力。（資料來源：NASA Ames 研究中心） MWCNTs的位置分布可以通過光刻來控制。圖示中的碳納米管生長點是電子束光刻定義的結(jié)果。其中,MWCNTs被SiO2包埋在里面,高約3um。碳納米管末端伸出SiO2表面約30-50 nm,這可能是由于MWCNTs具有更強的機械柔韌性造成的。白色反差表明SiO2可以完全按照碳納米管的分布形狀包裹在它的周圍,包括突出部分。
該方法完全省去了與嵌入式工藝相關(guān)的蝕刻步驟,因此根本沒有必要設(shè)法得到高縱寬比的接觸孔。其工藝順序依次為碳納米管沉積、SiO2沉積和CMP,取代了傳統(tǒng)的蝕刻-沉積-CMP工藝。采用該方法很容易得到高縱寬比,而且在碳納米管周圍用TEOS CVD法沉積SiO2不必考慮現(xiàn)有工藝中經(jīng)常遇到的無空洞填充難題。
NASA的研究人員說,包埋在SiO2中的碳納米管能夠承受的電流密度比國際半導(dǎo)體技術(shù)藍圖(ITRS)的要求還要高得多。盡管該法制得的單根MWCNT阻值比理論值高一個數(shù)量級以上,對于全局布線來說,使用緊密排布的碳納米管束或增加接觸孔中的碳納米管數(shù)量就足夠了。
研究人員認為有幾個原因可以解釋為什么會觀察到較高的阻值,并有相應(yīng)的辦法可以降低阻值。首先,目前的碳納米管接觸還不完善。通常,金屬接觸總是針對碳納米管的側(cè)壁。而在NASA的方法中,接觸是針對所有碳納米管壁的,這是應(yīng)用于內(nèi)連線時通常采用的結(jié)構(gòu)。理論研究顯示金屬和碳納米管之間的接觸長度是實現(xiàn)低阻值的關(guān)鍵。當接觸長度小于10 nm時,導(dǎo)電性就會急劇下降。實際應(yīng)用中,我們可以在沉積上層金屬線之前先沉積起催化作用的金屬,例如鐵、鈷、鎳。在過渡金屬存在的情況下,熱退火也可以改善碳納米管和金屬線接觸的電性能。 |
66821730(技術(shù)支持)
