TWI474973B - 於介層窗內使用離子束選擇性成長奈米管 - Google Patents

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Description

於介層窗內使用離子束選擇性成長奈米管
本發明係關於碳奈米管，特別是關於應用於半導體製程的碳奈米管。
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，且長度為數個奈米。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1,000,000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以上。此外，在熱傳導方面，碳奈米管的傳導率比銅高了10倍。在電阻方面，已有研究指出電子通過碳奈米管時，可實現不會因為雜質或晶格振動(聲子)而發生散射的傳輸或所謂的“彈道電子傳輸”。在此情況下，已知每一碳奈米管的阻值為約6.45kΩ。碳奈米管的直徑範圍很廣，從約0.4奈米到約100奈米，且其直徑係以自組織方式形成。因此，碳奈米管的特徵為沿其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屬互連，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、雷射剝蝕(雷射蒸鍍)、化學氣相沉積(CVD)、及碳化矽(SiC)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金屬，根據CVD及SiC昇華，形成一觸媒金屬層，以及使用用於半導體LSI中的微影或蝕刻對觸媒金屬層進行圖案化。由此，可透過這些不同方法而控制碳奈米管成長的位置。
然而，碳奈米管在氧化物介層窗中的選擇性成長仍舊存在製造上的問題。舉例來說，碳奈米管需要由非常薄的金屬或金屬合金所形成的晶種層以形成核心。此薄金屬層沉積於介層窗以及氧化物上，以避免介層窗中奈米管的選擇性成長。一般來說，需要額外用以圖案化晶種層或觸媒金屬層的製程，這對半導體的製造成本及可靠度是不利的。其他使用的方法/製程包含二道光罩的微影以避免在氧化物上形成晶種層，這也可能造成高成本且延長製程。此二道光罩製程也可能導致不可靠的半導體。
根據本發明之一實施例，提供了一種用以選擇性成長一或多個碳奈米管之方法。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；以及以一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內之選擇性成長。
根據本發明之另一實施例，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；使用調整在一淺角之一第一離子束移除在頂表面之部分之主動金屬層，以避免移除在介層窗之一底部上之主動金屬層；以及施加一含碳氣體至介層窗，以形成一或多個碳奈米管。
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；使用調整在一淺角之一第一離子束移除在頂表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內之主動金屬層，以致能一單一碳奈米管於介層窗內之選擇性成長。
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。
範例實施例係針對用以於介層窗內選擇性成長一或多個碳奈米管之方法。在一範例實施例中，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內之選擇性成長。根據一實施例，離子束係操作在約100電子伏特至約400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奈米管於介層窗內。範例實施例也將針對使用這些用以於介層窗內選擇性成長一或多個碳奈米管之範例方法所製造或形成的半導體元件。
現在參考圖式，圖1及圖2為根據本發明範例實施例所繪示之剖面圖，其顯示用以選擇性成長碳奈米管之方法。在此所述之碳奈米管形成方法可應用至各類型半導體元件(如電晶體)、半導體記憶體元件(如動態隨機存取記憶體)、及其他積體電路的製程。
參考圖1，絕緣層10形成於基板12上。基板12可為半導體元件可製造於其上的任何材料。舉例來說，基板12可為一晶圓，其一般用於積體電路及其他奈米元件的製造上。各種其他的結構(圖未示)也可形成於基板上，例如像是電晶體、電性連接至電晶體接觸區域之電容的接觸墊、電性連接至電晶體接觸區域之位元線、電容等等。此外，例如像是矽化物層或矽化鈷層等其他層(圖未示)可形成於基板之上，例如形成於主動層與基板之間。為了簡化起見，僅顯示用以形成積體電路的基本層。
絕緣層10具有一頂表面14及一底表面16，其定義一厚度，厚度可根據應用的不同而改變。一或多個介層窗或開口18在沿絕緣層10的一長度上形成於絕緣層10中。然而，為了簡化起見，圖1及圖2僅顯示二個介層窗。每一介層窗係提供了半導體不同層/組件之間的傳導連接。每一介層窗係由側壁及底表面所定義，如圖所示。根據一範例實施例，使用反應性離子蝕刻(RIE)製程形成介層窗18於絕緣層10中。當然，介層窗18也可藉由鑽穿絕緣層10或藉由使用傳統半導體製程而形成於絕緣層10中。介層窗18的深度及尺寸可根據應用的不同而不同。介層窗18係形成為使得介層窗18的底部20暴露於頂表面14。
根據本發明範例實施例，絕緣層10可由任何適當的絕緣材料所形成，例如像是氧化矽、氮化矽、硼摻雜氧化物、介電氧化物等等。絕緣層也可包含磷矽酸鹽玻璃(PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(BPSG)、未摻雜矽玻璃(USG)、旋塗式玻璃(SOG)、正矽酸乙酯(TEOS)等。絕緣層10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10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10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30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製程或電漿加強化學沉積(PECVD)製程(例如濺鍍或蒸鍍等)形成主動金屬層30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10之頂表面14之部分的主動金屬層30移除(其一般如圖1中的箭頭40所示)，以致能碳奈米管於介層窗18內之選擇性成長。離子束可使用一離子束製程而自一離子束源(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10之頂表面14之部分移除，同時留下位在介層窗18之底表面20之未受到離子束40影響的主動金屬層。這達成了碳奈米管的選擇性成長，特別是在介層窗內。離子束40在移除頂表面部 分上之主動金屬層30的過程中係調整為一淺角，以避免移除在介層窗18內之主動金屬層30，特別是在介層窗18的底部20。因此，當離子束40掃過基板全長時，只有位在頂表面14之部分的主動金屬層30會被移除，位在介層窗18之底部20的主動金屬層30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-1度至約-45度之一範圍的一淺角(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40的角度可大於-45度。在一實施例中，在移除過程，離子束40係以一高能階操作。在一非限制性實施例中，離子束係操作在約100電子伏特至約400電子伏特。能階與離子束角度可根據應用不同而改變，在此所描述之範例不應作為限制。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階來達到完全移除。此外，離子束掃過基板的時間間隔可根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)係藉由在一反應器(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內。在一範例實施例中，含碳氣體係在反應器壓力範圍從約100托耳至約300托耳下經由熱CVD製程而施加至介層窗。在另一範例實施例中，含碳氣體係在反應器壓力範圍從約4托耳至約8托耳下經由PECVD製程而施加至介層窗。應了解，反應器壓力係 取決於所使用的製程。
一或多個碳奈米管可根據裝配條件而於約攝氏500°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800°的一溫度，以致能碳奈米管於介層窗內選擇性成長。在操作上，一旦將主動金屬層30自絕緣層10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20上的主動金屬層30充滿碳原子。在溫度升高後，充滿介層窗18之底部20上的主動金屬層30的含碳氣體之高溫反應造成碳奈米管自介層窗18之底部20的成長。碳奈米管可對各種半導體應用提供高度可靠且具傳導性的連線。圖3為根據本發明一範例實施例之在一實際實驗過程中所拍攝之介層窗內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係以另一離子束轟擊，一般如圖4的箭頭42所示，以部分地移除或改變在介層窗18之底部20的主動金屬層30，以致能單一碳奈米管的成長，如圖5所示。如圖4所示，單一碳奈米管44係藉由使用離子束42改變在介層窗18之底部20的主動金屬層30而成長。在此實施例中，離子束42係調整為一陡角(接近90度)，將離子束42導向針只對在介層窗18底部的主動金屬層。在一實施例中，離子束42根據移除的方向而調整為範圍在約-46度至約-90度之一陡角(相對於基板表面)。在此實施例中，離子束42係操作在低能階，以改變在介層窗底部的主動金屬層，而不會完全移除觸媒材料。根據一實施例，離子束42係操作在約50電子伏特及約100電子伏特之間。 圖6為根據本發明一範例實施例之在一實際實驗過程中所拍攝之介層窗內之單一碳奈米管成長的範例影像。由於極度的尺度化(如圖7所示)，此選擇性成長單一碳奈米管的方法在後段製程(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，以下將討論一範例實施例中用以選擇性地於介層窗內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內之選擇性成長。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。可進一步了解到，術語「包含(comprises)」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，但不排除一或多個其他特徵、整數、步驟、操作、元件、組件、 及/或其群組之存在或增加。
申請專利範圍中之所有手段功能元件所相對應之結構、材料、動作、及均等係意欲包括用以執行施行該功能之任何結構、材料、或動作結合其他所特別主張之元件。本發明之描述係呈現用以說明和描述，並非意欲耗盡或侷限本發明於揭露之形式。熟此技藝者當了解，在不悖離本發明之範圍和精神下，本發明可有許多修改和變化。本發明之實施例的選擇和描述，係用以提供本發明之最佳解釋和實際應用，因此熟此技藝者當可以了解本發明的各種具體實施例可具有各種變化以適用於的實際應用。
在此所繪示的流程圖僅為一範例。在不偏離本發明之精神下，可對在此所描述之圖式或步驟(或操作)做出許多變化。舉例來說，可以不同的順序執行各步驟或者可增加、刪除或修改各步驟。這些所有的變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施例，然而應了解到，熟此技藝者不論在現在或未來皆可在申請專利範圍的範疇內做出各種修改及改良。申請專利範圍應建構為對首次提出之本發明維持適當的保護。
1‧‧‧基板
2‧‧‧氮化矽
3‧‧‧氧化物
5‧‧‧連接至源極之金屬接觸
6‧‧‧連接至閘極之金屬接觸
7‧‧‧連接至汲極之金屬接觸
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
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圍中主張。本發明的前述及其他特徵及優點可藉由參考詳細描述及所伴隨之圖式而更加清楚。
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中所拍攝之介層窗內之一或多個碳奈米管成長的範例影像；圖4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單一碳奈米管之方法；圖5為根據本發明一範例實施例所繪示之剖面圖，其顯示在介層窗內之單一碳奈米管的成長；圖6為根據本發明一範例實施例之在一實際實驗過程中所拍攝之介層窗內之單一碳奈米管成長的範例影像；圖7為根據本發明一範例實施例所繪示之示意圖，其顯示具有選擇性成長於介層窗中之一或多個碳奈米管之結構；以及圖8為根據本發明一範例實施例所繪示之流程圖，其顯示用以選擇性地於介層窗中成長碳奈米管之方法。

Claims (20)

  1. 一種用以選擇性成長一或多個碳奈米管之方法，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，涵蓋該介層窗之側壁及底表面；以及以一離子束僅在該頂表面之部分上移除該主動金屬層，以致能一或多個碳奈米管於該介層窗內之選擇性成長。
  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內而從該主動金屬層形成該一或多個碳奈米管於該介層窗內。
  3. 如請求項1所述之方法，其中該一或多個碳奈米管係在約100托耳至約300托耳之一壓力下藉由一化學氣相沉積(CVD)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在約4托耳至約8托耳之一壓力下藉由一電漿加強化學沉積(PECVD)製程而形成。
  5. 如請求項1所述之方法，其中該離子束在移除該頂表面之部分之該主動金屬層的過程中係調整為一淺角(shallow angle)，以避免移除在該介層窗之一底部上之該主動金屬層。
  6. 如請求項5所述之方法，其中該淺角在約-1度至約-45度之一範圍內。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該離子束係操作在約100電子伏特至約400電子伏特之一能階。
  8. 如請求項1所述之方法，更包含加熱基板至約攝氏500°至約攝氏800°之一溫度，以致能該一或多個碳奈米管於該介層窗內之該選擇性成長。
  9. 如請求項1所述之方法，更包含以一陡角(steep angle)施加另一離子束至該介層窗內之該主動金屬層，以部分地移除或改變在該介層窗之底部的該主動金屬致能一單一碳奈米管成長於該介層窗內。
  10. 如請求項9所述之方法，其中該陡角在約-46度至約-90度之一範圍內。
  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僅在該頂表面之部分上移除該主動金屬層，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。
  12. 如請求項11所述之方法，更包含以一陡角施加一第二離子束至該介層窗內之該主動金屬層，以部分地移除或改變在該介層窗之底部的該主動金屬致能一單一碳奈米管於該介層窗內之該選擇性成長。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該陡角在約-46度至約-90度之一範圍內。
  14. 如請求項11所述之方法，其中該淺角在約-1度至約-45度之一範圍內。
  15. 如請求項11所述之方法，其中該第一離子束係操作在約100電子伏特至約400電子伏特之一能階。
  16. 如請求項11所述之方法，其中該一或多個碳奈米管係在約100托耳至約300托耳之一壓力下藉由一化學氣相沉積(CVD)製程而形成。
  17. 如請求項11所述之方法，其中該一或多個碳奈米管係在約4托耳至約8托耳之一壓力下藉由一電漿加強化學沉積(PECVD)製程而形成。
  18. 如請求項11所述之方法，更包含加熱基板至約攝氏500°至約攝氏800°之一溫度，以致能該一或多個碳奈米管於該介層窗內之該選擇性成長。
  19. 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，涵蓋該介層窗之側壁及底表面；使用調整在一淺角之一第一離子束僅在該頂表面之部分上移除該主動金屬層，以避免移除在該介層窗之一底部上之該主動金屬層；施加一含碳氣體至該介層窗；以及以一陡角施加一第二離子束至該介層窗內之該主動金屬層，以部分地移除或改變在該介層窗之底部的該主動金屬致能一單一碳奈米管於該介層窗內之該選擇性成長。
  20. 如請求項19所述之方法，其中該陡角在約-46度至約-90度之一範圍內，且該淺角在約-1度至約-45度之一範圍內。
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