TW201124339A - Selective nanotube growth inside vias using an ion beam - Google Patents

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Description

201124339 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於碳奈歸，特別是關於應驗半導體製程 的碳奈米管。 【先前技術】 碳奈米管應用在電子工業上的一個例子為在大尺寸積 體電路(LSI)上的應用。碳奈米管的直徑範圍在數個奈米到數 十個奈米之間’ _@_長度為數個奈米。由於此形狀的異向性所 造成之一維電子特性，碳奈米管一般具有約每平方公分 1，000,00G安培(A)的最大電流密度，可允許電流通過而無斷 路，這比銅互連的最大電流密度大了十倍社^此外，在熱 傳導方面，碳奈米管的傳導率比銅高了⑴倍。在電阻方面.，、 已有研究指出電子通過碳奈料時，可實現不會因為雜質或 晶格振動（聲子）而射散㈣傳輸或所制“彈道電子傳 輸。在此情況下，已知每一碳奈来管的阻值為約㈣⑽。 碳奈米管的直徑範圍很廣，從約〇4奈米到約！⑻奈米，且 其直控係以自組織方式形成。因此，碳奈米管哺徵為 長度的變動係極度受限。因為這些特性，在應用碳奈米管至 LSI互連的例子中，預期將可實現具有較小遷移之高度可靠 且極細的金紅連，但在高電流密度下這是個失效的模型。 習知的成長碳奈米管的方法包含電弧放電、雷射剝钱 (雷，蒸鑛）、化學氣相沉積(CVD)、及碳化部iQ昇華。根 據這些方法，過渡金屬已知被用作形成碳奈米管的觸媒^ 屬’根據CVD及SiC昇華，形成—觸媒金屬層，以及使用 用於半導體LSI中的微影或姓刻對觸媒金屬層進行圖案 201124339 化。由此，可刺這些不狀細㈣碳奈衫成長的位置。 然而’碳奈米管在氧化物介層窗t的選擇 f造上的問題。舉例來說，碳奈米管需要由非^的金屬子 或金屬合金所軸的日日日種相形成核心。”藉 介層窗以及氧化物上，以避免介層料太心屬層，儿積灰 長。一般H，雹不朱官的選擇性成 製程晶種層或觸媒金屬層的 ϊί、對半導體的製造成本及可靠度^利的。其他使用 ㈣法包含二道光罩的歸，免在氧化物上形成晶 種層，這也可能造絲成本且延長製程。此製& 可能導致科靠的半導體。 、解1¾也 【發明内容】 戍多例’提供了一種用以選擇性成長-次夕個峡奈未管之方法。此方法包含：形成—絕緣層於一其 5 具有—頂表面；形成—介層窗於絕緣層中1 ^成-主動金屬層於絕緣層之上，其涵蓋介層t之侧壁 表面，以及以-離子束移除在頂表面之部分之主動金屬層-， 以致能一或多個碳奈米管於介層窗内之選擇性成長。 根據本發明之另一實施例，提供了 一種用 碳奈米管之方法。此方法包含：形成—絕緣層於長 此絕緣層具有—縣面；形成—介層窗於絕緣層巾；形成— 主動金屬層於絕緣層之上；使用調整在一淺角之一第一離子 束^除，頂表面之部分之主動金屬層，以避免移除在介層窗 之底部上之主動金屬層；以及施加一含碳氣體至介 以形成一或多個碳奈米管。 201124339 山根據本發明之又一實施例，提供了一種用以選擇性成長 碳奈米管之方法。此方法包含：形成一絕緣層於一基板上， 此絕緣層具有一頂表面；形成一介層窗於絕緣層中；形成一 主動金屬層於絕緣層之上，其涵蓋介層窗之側壁及底表面； 使用調整在—淺角之—第―離子束移除在絲面之部分之 主動金屬層，以避免移除在該介層窗之一底部上之主動金屬 層；施加一含碳氣體至介層窗；以及以一陡角施加一第二離 子束至介層窗内之主動金屬層，以致能一單一碳奈米管於介 本發明的其他特徵及優點可透過對本發明技術的描述 而了解。本發明的其他實施例及方面將詳細描述於後且視為 所主張之本發明的一部分。參考以下的詳細描述及圖式可對 本發明之優點及特徵有較佳的了解。 【實施方式】 範例實施例係針對用以於介層窗内選擇性成長一或多 個碳奈米管之方法。在_範例實施例中，方法包含使用調整 為一淺角的離子束，以致能碳奈米管於介層窗内之選擇性成 長。根據一實施例，離子束係操作在約1〇〇電子伏特至約 4㈧電子伏特之能階。在另一範例實施例中，方法包含使用 調整為一陡角之另一離子束以選擇性地成長一單一碳夺米 管於介層窗内。範例實施例也將針對使用這些用以於介層窗 内選擇性成長-或多個碳奈米管之範例方法所製 的半導體元件。 現在參考圖式’gj i及圖2為根據本發明範例實施例所 、，曰不之剖面圖’其顯示用以選擇性成長碳奈米管之方法。在 201124339 形成方法可應用至各類型半導體元件(如 電：製體:憶趙元件(如動態隨機存取記細、及其 车莫ί考f 1 i絕緣層1G形成於基板12上。基板12可為 2體::可製造於其上的任何材料。舉例來說，基板12 ’其—般用於積體電路及其他奈米元件的製造 各種，、他的結構(圖未示)也可形成於基板上例如像是 =體、電性連接至電晶體接觸區域之電容的接觸塾、電性 接觸區域之位元線、電容等等。此外，例如像 in騎等其他_未示_彡狀基板之 用：===板之間。為了簡化起見，示 絕緣層1G具有-頂表面14及―底表面16，其定義一 應㈣不同岐變…❹個介層窗或開 為—長度上形成於鱗層1G中。然而， 為了簡化起見，圖1及圖2僅顯示二個介 :系提供了半導體不同層/組件之間的傳導連 =側壁及底表面所定義’如圖所示。根據— :用反應性離子蝕刻闻程形成介層窗18於‘層1〇 中。當然，介層窗18也可藉由鑽穿絕綾展 統半導體製程而形成於絕緣層10中。介^ ^ s由使用傳 s vT ;丨層窗18的深唐及尺 康應用的不同而不同。介層窗18 _ 囪18的底部20暴露於頂表面14。 ~。〜丨 根據本發明範例實施例，絕緣層1〇可 、鱗雜tr物 201124339 介電氧化物等等。絕緣層也可包含磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼 碌石夕酸鹽玻璃(BPSG)、未摻雜發玻璃(USG)、旋塗式玻璃 (SOG)、正矽酸乙醋(TEOS)等。絕緣層1〇可例如由化學氣 相沉積(CVD)製程、電漿加強CVD(PECVD)製程、高密度 CVD(HDCVD)製程、旋轉塗佈製程等所形成。 主動金屬層30形成於絕緣層1〇之上。特別是，主動金 屬層形成於具有介層窗18之側壁及底表面之絕緣層1〇的頂 表面14之上。主動金屬層30為一金屬觸媒層，作為成長碳 奈米管的核心。主動金屬層30由一或多個金屬或金屬合金 所形成，像是鈷、鎳、鐵、鈀、鈦等等。當然，在其他範例 實施例中也可使用其他合適的金屬或金屬合金。主動金屬層 3〇可根據應用的不同而具有多種尺寸。舉例來說，主動金 屬層30可為包含一或多個金屬或金屬合金的單一層或多層 觸媒。在一實施例中，可使用熱CVD製程或物理氣相沉積 (PVD)製程(例如濺鍍或蒸鍍等)形成主動金屬層3〇於絕緣層 10之上《當然，也可使用其他製程，並不限於在此所述的 範例。 根據一範例實施例，使用離子束將在絕緣層1〇之頂表 面14之部分的主動金屬層3〇移除(其一般如圖i中的箭頭 40所示）’以致能碳奈米管於介層窗18内之選擇性成長。離 子束可使用-離子絲程而自-離子束源(圖未示)產生。離 子束40係用以選擇性地將主動金屬層自絕緣層1〇之頂表面 14之部分移除’同時留下位在介層窗18之底表面2〇之 又到離子束4〇影響的主動金屬層。這達成了碳奈米管的選 ^性成長，特別是在介層窗内。離子東4〇在移除頂表面部 /刀上之主動金屬層3G的過程中係調整為—淺角，以避 201124339 除在介層窗18内之主動金屬層3〇,特別是在介層窗18的 底邛20。因此，當離子束4〇掃過基板全長時，只有位在頂 表面^4之部分的主動金屬層3〇會被移除位在介層窗μ 之f部20的主動金屬層3〇則維持原狀。如此，可避免碳奈 米管成長在介層窗18間之絕緣層之頂表面部分上，其在某 些應用上可能是不理想的。 、 在一非限制性範例實施例中，根據移除方向將離子束調 整為在約]度至約·45度之—範圍的_淺角(相對於基板表 面）。舉例來說，當從右邊到左邊掃過基板12時，離子束可 調整在+45度角。應了解，根據裝配條件，離子束4〇的角 度可大^-45度。在一實施例中，在移除過程，離子束 係以一咼能階操作。在一非限制性實施例中，離子束係操作 在約10G電子伏特㈣_電子伏特。能階赫子束角度可 根據應用不咖改變，在此所描述之細聽作為限制。舉 例來說，相較於較薄的觸媒層，厚觸媒層可能需要較高的能 Ρ皆來達到完全移除。此外，離子束掃過基板的時間間隔 據觸媒層的尺寸或厚度而改變。 根據一範例實施例，一或多個碳奈米管(一般為圖2中 箭頭41所示)係藉由在-反應器（圖未示)中加入含碳氣體(如 乙烯)至介層窗18而形成於介層窗18内。在一範例實施例 中，含碳氣體係在反應器壓力範圍從約1〇〇托耳至約3〇〇托 耳下經由熱CVD製程而施加至介層窗。在另—範例實施例 中，含碳氣體係在反應器壓力範圍從約4托耳至約8托耳 經由PECVD製程而施加至介層窗。應了解，反應器壓 取決於所使用的製程。 8 201124339 一或多個碳奈米管可根據裝配條件而於約攝氏5〇〇。至 約攝氏800。之一溫度下形成。根據一範例實施例，基板12 係加熱至範圍在約為攝氏500。至攝氏8〇〇。的一溫度，以致 能碳奈米管於介層窗内選擇性成長。在操作上，一旦將主動 金屬層30自絕緣層1〇之頂表面14之部分移除，製程氣體(例 如含碳氣體)係施加至介層窗18，使在介層窗18之底部2〇 上的主動金屬| 30充滿碳原子。在溫度升高後，充滿介層 窗I8之底部2〇上的主動金屬層％的含碳氣體之高溫反應 造成碳奈米管自介層窗18之底部2〇的成長。 ，導體應用提供高度可靠且具娜的連 據本發明-_實施例之在—實際實驗過程中所拍攝之介 層窗内之一或多個碳奈米管成長的範例影像。 根據一範例實施例，介層窗18係以另-離子束轟擊， 一般如圖4的箭頭42所示’以部分地移除或改變在介層窗 k8之如底圖部/n金屬層3G，以致能單—碳奈米管的成 長’如圖5所不。如圖4所示，單—碳奈米管44 Z子ίΓΐ變在介層窗18之底部2G的主動金屬層30而 子束42導向針只對在介層窗18底部屬。 在實施例中’離子束42根據移除的方向而調整 w丨Π度至約-9〇度之一陡角(相對於基板表面)°。在此實 轭例中，離子束42係操作在低能階 ）在此實 的主動金制，科衫^齡介層窗底部 離子束_嫩約會5Γ電實施例， 圖6為根據本發明—範例實丨/ _電子伏特之間。 201124339 在後段製私(BEOL)晶片或應用上是具有吸引力的。如圖7 所示，可根據在此所述的方法製造一結構(如電晶體之接線)。 現在參考圖8，以下將討論—範例實施例中用以選擇性 地於介層窗内成長一或多個碳奈米管之方法。 此方法開始於方塊100 ’形成絕緣層於基板上。 在方塊102 ’形成介層窗於絕緣層中。 在方塊104，形成主動金屬層於絕緣層之上，包含介層 窗之側壁及底表面。根據一實施例，主動金屬層可為包含一 或多個金屬或金屬合金的單一或多層觸媒。 在方塊106,以離子束移除在頂表面部分的主動金屬 層’以致能一或多個碳奈米管於介層窗内之選擇性成長。根 據一實施例，離子束係調整為一淺角。 於本文所用之術語，其目的僅在於描述特定具體實施 例，但並非用以限制本發明。如本文所用者，單數形式「一 (a)」、「一(an)」、及「該(the)」意指包括複數形式除非文中 明確地指出。可進-步了解到，術語「包含(⑺咖㈣」及 /或「包含(comprising)」於本說明書中使用時，描述一定的 特徵、整數、步驟、操作、元件、及/或組件的存在，但不 排除-或多健他賊、整數、步驟、操作、元件、組件、 及/或其群組之存在或増加。 申請專利範圍中之所有手段功能元件所相對應之結 201124339 :ί何=::以執行施行該功能之 圍和精神下’本發明變 的選擇和描述’_以提供本發明之 因此熟此技齡當μ 了解树_各種且 有各種變化以義於的實際應用。-砂施例了具 在此崎7F的流糊僅為—制。在 ΓΓ?在此所描述之圖式或步驟(或操作)做出許ίΐ 說’可以不同的順序執行各步驟或者可增:： 除杜改各步驟。這些所有_化都應視作所主張之本發明 的一部分。 雖然已描述本發明的較佳實細，細應了解到 技藝者不論在現在或未來t可在t請專利顧的範嘴内 出各種修改及改良。巾料職_雜騎首 發明維持適當的保護。 本 【圖式簡單說明】 本發明之標的將特別地指出且明確地於說明書結尾之 申請專利範财主張。本發_前述及其他特徵及ϋ 由參考詳細描述及所伴隨之圖式而更加清楚。 曰 圖1及圖2為根據本發明一範例實施例所繪示之剖面 圖，其顯示用以選擇性地於介層窗中成長碳奈米管之方法. 圖3為根據本發明一範例實施例之在一實際實驗過程 11 201124339 示用以選擇性地於介層窗中成其顯 圖5為根據本發明一範 示在介層料之單-絲圖，其顯 圖6為根據本發明一範例會 中：之介層窗内之單-碳奈V:之長在 圖7為根據本發明一範例會 示具有選擇性成長於介層窗中 '、:不之示意圖，其顯 構；以及 層"之-或多個碳奈米管之結 圖8為根據本發明-例實施例所之 不用以選擇性地於介層窗中成長碳奈米^之方二圖’其顯 【主要元件符號說明】 10 絕緣層 12 基板 14 頂表面 16 底表面 18 介層窗 20 介層窗底部 30 主動金屬層 40 離子束 41 碳奈米管 42 離子束 44 單一碳奈米管 12

Claims (1)

  1. 201124339 七、申請專利範圍： 1. 一種用以選擇性成長一或多個碳奈米管之方法， 含： 形成一絕緣層於一基板上，該絕緣層具有一頂表面； 形成一介層窗於該絕緣層中； 形成一主動金屬層於該絕緣層之上，涵蓋該介層 之側壁及底表面；以及 a 以一離子束移除在該頂表面之部分的該主動金屬 層，以致能一或多個碳奈米管於該介層窗内之選擇性成 長。 2·如請求項1所述之方法，更包含藉由施加含碳氣體於 該介層窗内而從該主動金屬層形成該一或多個碳太普 於該介層窗内。 ’丁、官 丄邶堉水項1所述之万法，其中該一或多個碳奈米 在約100托耳至約300托耳之一壓力下藉由一化風 沉積（CVD)製程而形成。 千乳相 在約4托耳至約8托耳之一壓力下藉由一 (PVD)製程而形成 4.如請求項1所述之方法’其中該一或多個碳奈米管係 物理氣相沉積 5.如請求項1所述之方法，其中該離子束在移 面之部分之該主動金屬層的過程中係調整為二表 (shallow angle)，以避免移除在該介層窗之—广：'角 主動金屬層。 上之該 13 201124339 6. 如請求項5所述之方法，其中該淺角在約]度至約 -45度之一範圍内。 7. 如凊求項丨所述之方法’其中該離子束係操作在約 1〇〇電子伏特至約400電子伏特之一能階。 8. 。如請求項丨所述之方法，更包含加熱基板至約攝氏 =0至約攝氏800。之一溫度，以致能該一或多個碳奈米 官於該介層窗内之該選擇性成長。 9. 如請求項i所述之方法，更包含以一陡角（steepangle) 施加另一離子束至該介層窗内之該主動金屬層，以致能 一單一碳奈米管成長於該介層窗内。 10. 如請求項9所述之方法，其中該陡角在約_46度至約 -90度之一範圍内。 11. 一種用以選擇性成長碳奈米管之方法，包含·· 形成一絕緣層於一基板上，該絕緣層具有一頂表面； 形成一介層窗於該絕緣層中； 形成一主動金屬層於該絕緣層之上； 使用調整在一淺角之一第一離子束移除在該頂表面 之部分的該主動金屬層，以避免移除在該介層窗之一底 部之該主動金屬層；以及 - 施加一含碳氣體至該介層窗，以形成一或多個碳奈 米管。 14 201124339 12 如請求項Η所述之方法，更包含以一陡角 離子束至該介層窗内之該主動金屬層，以致能一 Dt> 一 碳奈米管於該介層窗内之該選擇性成長。 b早一 13. 如請求項12所述之方法，其中該陡角在約_46 約-90度之—範圍内。 又至 14. 如請求項u所述之方法，其中該淺角在約_i -45度之一範圍内。 又至約 15. 如請求項丨丨所述之方法，其一 在約100電子伏特至約4〇〇電子伏特之一能階。糸彳呆作 16. 如請求項丨丨所述之方法，其中該一 f在約100托耳至約_托耳之-壓力下藉由 相沉積（CVD)製程而形成。 化子虱 其中該-或多個碳奈米管 :如’更至約攝氏 管於該介層窗内之該選擇1成：致能該-或多個物 11成長碳奈米 19. 一種用以選擇, 管之方法，包含 15 201124339 形成一絕緣層於一基板上，該絕緣層具有一頂表面； 形成一介層窗於該絕緣層中； 形成一主動金屬層於該絕緣層之上，涵蓋該介層窗 之側壁及底表面； a 使用調整在一淺角之一第一離子束移除在該頂表面 之部分之該主動金屬層，以避免移除在該介層窗之一 部上之該主動金屬層； _ 施加一含碳氣體至該介層窗；以及 金屈：一陡角Ϊ加：第二離子束至該介層窗内之該主動 性^長1致月卜早一碳奈米管於該介層窗内之該選擇 16
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