碳纳米管小孔径互连以及相关工艺的研究
随着集成电路的飞速发展，布线密度的急剧增加，互连线将要承载高达107A/cm2的电流密度。导致铜互连线上的RC延迟增大，散热能力减弱，电迁移现象严重，大大影响了芯片的可靠性。由于碳纳米管具备高达1010A/cm2的超高电流密度承载能力，优良的热传导特性以及很高的抗电迁移稳定特性。被认为在未来集成电路领域中，最有可能替代铜互连线的新型材料。然而碳纳米管的生长模式使得其末端封闭，形成了很高的固有电阻率以及较大的电极间接触电阻等缺陷。同时，碳纳米管在通孔中的生长机理也不是十分的明确。这些问题都在很大程度上妨碍了碳纳米管应用于集成电路的互连。 本文尝试了利用聚焦离子束来实现碳纳米管通孔互连结构并改善其导电特性。首先，通过电流-深度终点检测曲线，利用干法刻蚀，实现了最小孔径为2μm的介质层通孔阵列。对比了两种集成电路主流互连材料铝和铜在碳纳米管互连中的优势与不足。并在铜电极上利用50nm的铝作为缓冲层，有效地解决了铜离子扩散对催化剂的污染问题，在通孔内得到了高密度、高定向性的碳纳米管。并设计了便于测试的顶电极结构。为碳纳米管通孔互连结构的电学表征，提供了良好的保证。 其次，采用聚焦离子束切割碳纳米管顶端的方法，对其导电特性进行了改良。探究了不同切割方法、不同孔径、不同生长高度对碳纳米管通孔互连结构导电特性的影响。并描绘了其电阻随高度的变化曲线，使得碳纳米管的固有电阻率及其与电极间的接触电阻分隔开来，更加明显的体现了聚焦离子束切割碳纳米管顶端对改善整个互连结构导电特性的作用。结果显示，利用聚焦离子束对碳纳米管顶端进行切割不仅可以改善碳纳米管通孔互连结构的导电特性而且还能提高它的I-V线性度。其中，孔径为2μm的碳纳米管通孔互连结构，在Pt保护层下经过聚焦离子束切割顶端后与电极间的接触电阻由原来的439Ω降为31Ω，碳纳米管的固有电阻率也由原来的508.8mΩ·cm降为81.2mΩ·cm，分别降低一个数量级。 最后，通过描绘碳纳米管在通孔互连结构内生长高度随生长时间的变化曲线，探究了碳纳米管在通孔中的生长机理，以及提高碳纳米管生长高度的途径。
碳纳米管;小孔径互连;聚焦离子束;固有电阻率;接触电阻;生长机理
天津理工大学
硕士
微电子学与固体电子学
张楷亮
2014
中文
TN304.18
62
2014-07-15（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）