专利名称：半导体器件利用碳纳米管的层间布线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的层间布线及其制造方法，更特别地，涉及利用 高度密集的碳纳米管的能减小电阻且增大电流密度的半导体器件层间布线 以及制造该层间布线的方法，其包括形成多个高度密集的碳纳米管的工艺。
背景技术：
半导体器件，特别地，半导体存储器件包括各种存储器件例如动态RAM (DRAM )、静态RAM( SRAM )、相变RAM( PRAM )、以及磁RAM( MRAM )。 存储器件一般包括金属氧化物半导体(MOS体管作为开关器件。存储器 件包括作为电子迁移路径的导线(wire)例如接触和互连。近来，随着半导 体器件的集成密度增大，导线的线宽减小且电流的量即每单位面积的电流密 度增大。因此，约在2010年，半导体器件导线的每单位面积的电流密度预 期将达到106A/cm2。
铝或铜形成的金属导线主要用在传统半导体器件中。然而，在减小金属 导线的线宽和增大其电流密度方面存在某些限制。线宽的减小和电流密度的 增大对于半导体器件的高集成密度是必须的 然而，由于上述原因，使用金 属导线的半导体器件的集成在不久的将来会到达一极限。
因此，近来正在努力用碳纳米管导线代替金属导线以增大半导体器件的 集成密度，碳纳米管导线与金属导线相比可以以窄的线宽具有高的电流密 度。然而，尽管半导体器件的导线由碳纳米管形成，但是碳纳米管的稠化成 为重要的问题，因为半导体器件的集成密度目前仍不可达。
发明内容
本发明提供一种半导体器件的层间布线结构以及制造该层间布线结构 的方法，该层间布线结构能减小电阻且能够增大电流密度。
本发明还提供一种半导体器件的层间布线结构以及制造该层间布线结 构的方法，该层间布线结构能应用于微小通孔，通过其可以实现半导体器件
的极高集成密度。
根据本发明的一个方面，提供一种半导体器件的层间布线，包括形成 在下层上的下电极；电连接到该下电极的催化剂层；由从该催化剂层的表面 向上生长的多个碳纳米管形成的破纳米管束，其中由于在该碳纳米管束上部 中碳纳米管的聚集，该碳纳米管束的上部比该碳纳米管束的下部具有更高的 碳纳米管密度；层间电介质，其覆盖该下层，围绕该碳纳米管束，且暴露该 碳纳米管束的上表面；以及上电极，设置在该层间电介质上且电连接到该碳 纳米管束的上表面。
根据本发明的一个方面，提供一种制造半导体器件的层间布线的方法， 该方法包括形成电连接到下电极的催化剂层；从该催化剂层的表面生长多 个碳纳米管；通过聚集上部中的所述碳纳米管，形成上部比下部具有更高碳 纳米管密度的碳纳米管束；形成层间电介质，其覆盖该下电极，围绕该碳纳 米管束，且暴露该碳纳米管束的仅上表面；以及形成上电极，其接触该碳纳 米管束的上表面。
该碳纳米管束的形成可包括在所述多个碳纳米管之间分配液滴且蒸发 该液滴。在此情况下，该液滴(droplet)可以通过将该碳纳米管浸在液体中或 者通过喷淋液体而分配在所述多个碳纳米管之间。该液滴可具有比生长在催 化剂层边缘的碳纳米管朝向碳纳米管束的中心弯曲时的恢复力更大的表面 张力。具有表面张力的该液体的非限制示例可以是蒸馏水或酒精。
该层间电介质的形成可包括利用绝缘材料涂覆形成下电极的层和该碳 纳米管束且平坦化所涂覆绝缘材料的上表面直到碳纳米管束的上表面被暴
露。此时，该绝缘材料的涂覆可包括涂覆绝缘材料的前体(precursor)且烘 焙该前体。
通过参照附图详细描述其示例性实施例，本发明的上述和其他特征和优 点将变得更加明显，附图中
图1是根据本发明一实施例的半导体器件的层间布线结构的剖视图2A是根据本发明一实施例的扫描电子显微镜(SEM)图像，示出稠 化之前的碳纳米管；
图2B是根据本发明一实施例的SEM图像，示出一束稠化碳纳米管；
图3是示意图，示出碳纳来管的湿稠化法；以及
图4A至4E是剖视图，示出根据本发明一实施例制造半导体器件的层 间布线结构的方法。
具体实施例方式
现在将参照附图更全面地描述本发明，附图中示出本发明的示例性实施 例。首先，将描述半导体器件的利用碳纳米管的层间布线结构。
图1是根据本发明一实施例的半导体器件的层间布线结构的剖视图。下 电极21形成在基板10上。下电极21由导电材料形成，可以是单独形成的
催化剂层22形成在下电极21的表面上。层间布线的位置和直径由催化 剂层22决定。考虑到上层的对准容差，催化剂层22的直径形成得大于将形 成的层间布线的直径。例如，为了基于连接到上层的部分层间布线形成具有 240nm直径的层间布线，催化剂层22的直径可为约400nm。
催化剂层22可以由选自Ni、 Fe、 Co、 Pt、 Mo、 W、 Y、 Au、 Pd、以及 这些金属的合金构成的组的至少一种金属形成。
碳纳米管束25形成在催化剂层22的表面上。碳纳米管束25由从催化 剂层22的表面向上生长的多个碳纳米管23形成，且碳纳米管束25的上部 朝向碳纳米管束25的中心稠化。碳纳米管23的每个的下端固定在催化剂层 22上，上端彼此聚集。因此，碳纳米管束25上部的碳纳米管密度大于碳纳 米管束25下部的密度，下部处该密度由碳纳米管生长条件例如催化金属的 曰曰 粒尺寸决定。
碳纳米管束25被层间电介质30围绕，且碳纳米管束25的上端被暴露。 上电极41形成在碳纳米管束25的暴露上端上。上电极41,类似于下电极 21,由导电材料形成，可以是单独形成的电极图案或者可以是通过层间布线 彼此连接的两层中的下层结构的 一部分。
利用碳纳米管23的层间布线结构通过有效利用下电极21能极大地增大 用作导电通道的碳纳米管23的数目，考虑到对准容差而下电极21形成得宽 于层间布线的上部。
现在将描述根据本发明一实施例利用碳纳米管制造半导体器件的层间 布线的方法。
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图2A是扫描电子显微镜(SEM)图像，示出稠化之前的碳纳米管，图 2B是SEM图像，示出根据本发明一实施例的一束稠化的碳纳米管。从两图 像可以看出，生长在催化剂层表面上的多个碳纳米管可通过朝向碳纳米管束 的中心稠4b而形成束。
图3是示意图，示出碳纳米管的湿稠化法。首先，通过生长多个碳纳米 管23形成碳纳米管组24。在碳纳米管组24中，在碳纳米管组24根部的碳 纳米管23的密度由每个碳纳米管23生长处的催化剂金属晶粒之间的间隙决 定。接着，液滴50分配在碳纳米管23之间。每个液滴50在多个碳纳米管 23的表面上被吸收。当构成液滴50的液体被蒸发时，相邻碳纳米管23由于 减小液滴50的尺寸导致的表面张力而聚集。聚集的碳纳米管23在全部液滴 50被蒸发之后由于范得瓦尔斯力而保持聚集状态。结果，碳纳米管的密度， 即每单位面积的碳纳米管数量在碳纳米管组上部增大，而下部的密度不变。
图4A至4E是剖视图，示出根据本发明一实施例制造半导体器件的层 间布线结构的方法。
参照图4A,其上形成下电极21和用于辅助碳纳米管的形成的催化剂层 22的基板10被准备。基板IO可以是硅晶片或者玻璃，但是本发明不限于此。
21可以是设置于该下层上的导电结构的一部分。另外，在图4A中，催化剂 层22堆叠在下电极21上，但是本发明不限于此，即，催化剂层22可以直 接堆叠在基板10上，同时部分催化剂层22接触下电极21。
考虑到稍后将进行的数个光学蚀刻工艺中的对准容差，催化剂层图案的 直径可以设计为将要形成的层间布线的上部的直径的两倍或更大。在本实施 例中，准备了具有约400nm直径的催化剂层图案。
催化剂层22可以由选自Ni、 Fe、 Co、 Pt、 Mo、 W、 Y、 Au、 Pd、以及 这些金属的合金构成的组的至少一种金属形成。另外，催化剂层22可以利 用磁賊射法或电子束沉积法形成，但是本发明不限于此。即，催化剂层22 可通过涂覆粉末态过渡金属催化剂于下电极21上而形成。
接着，参照图4B,多个碳纳米管23生长在催化剂层22上。碳纳米管 23可利用热化学气相沉积(CVD)法生长，但是本发明不限于此。即，碳 纳米管23可通过能在催化剂层22的表面上生长多个碳纳米管23的任何方 法生长，例如等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法。
作为示例，当PECVD法被用来生长碳纳米管23时，生长工艺可在反应 器(未示出)中进行，该反应器在CO和H2以预定比率混合的气体混合物 的气氛下维持在400-900。C温度。然而，本发明不限于此，即，碳纳米管23 可通过将至少一种舍破气体例如CH4、 C2H2、 C2H4、 C2H6、 CO和C02以及 H2、 N2、 02、 H20和Ar的至少一种注入到反应器中来形成。
参照图4C,碳纳米管23浸在具有高表面张力的液体例如蒸馏水或酒精 中且被干燥。这时，多个液滴分配在碳纳米管23之间，当液滴干燥时碳纳 米管23由于液滴的表面张力而彼此聚集。在碳纳米管23之间分配液滴的方 法不限于其上形成了碳纳米管23的基板10的浸泡，而是可以使用各种方法， 例如，液体可以喷淋在碳纳米管23上。另外，该液滴可具有比生长在催化 剂层22的边缘上且朝向碳纳米管束25的中心弯曲的碳纳米管23的弹力更 大的张力。
一旦碳纳米管23已经被聚集，碳纳米管23通过范得瓦尔斯力而保持在 聚集状态。结果，形成了其上部被稠化的碳纳米管束25,且具有碳纳米管束 25的上部的碳纳米管23的密度增大的效果。然而，即使在此方法中，碳纳 米管23的根部牢固地附着到催化剂层22,且保持与他们被合成时相同的密度。
参照图4D,形成覆盖基板10、下电极21、催化剂层22和碳纳米管束 25的层间电介质30。层间电介质30可由氧化物例如氧化硅Si02、或者氧化 物绝缘体的有才几前体例如旋涂玻璃(spin-on-glass: SOG )形成。更具体地， 为了利用SOG形成层间电介质30,在利用旋涂法形成SOG之后，可进行三 步烘焙工艺。第一工艺是在热板上在6(TC温热该氧化物，第二工艺是在热板 上在100。C加热该氧化物，第三工艺是在热板上在25(TC加热该氧化物。为 了获得所需厚度，可以重复所述旋涂和三步烘焙工艺。之后，所得产物在炉 中在430。C的温度下加热一小时以获得层间电介质30。
为了形成层间电介质30,可以使用各种方法。涂覆覆盖基板10和碳纳 米管束25的绝缘材料之后，碳纳米管25的上部可通过研磨突出于碳纳米管 束25之上的部分绝缘材料至暴露碳纳米管束25的上部而被平坦化。供选地， 绝缘材料可选择性涂覆在除了碳納米管束25之外的区域上。如果绝缘材料 层由绝缘体前体形成，则还可进行热解或还原工艺。当CVD法用于涂覆绝 缘材料时，可以在涂覆绝缘材料之前增加利用賊射或真空蒸镀法用金属涂覆
碳纳来營表面的工艺，因为破纳来管在CVD工艺期间会物理变形。
另外，平坦化工艺可以是化学机械抛光(CMP)工艺。在本发明中，层 间电介质30的上表面31被平坦化，使得碳纳米管束25的上部分通过利用 氧化铝粉蚀刻突出于碳纳米管束25之上的绝缘材料而被暴露。碳納米管束 25的暴露的上表面比固定在催化剂层22上的碳纳米管23的根部具有更高的 密度。
接着，参照图4E，连接到碳纳米管束25的上表面的上电极41形成在 层间电介质30的上表面上。这样，碳纳米管束25形成将下电极21连接到 上电极41的诸如接触或互连的层间布线。在此情况下，尽管碳纳米管束25 的直径以及上电极41的接触表面是小的，但是层间布线的电阻由于碳纳米 管的高密度而非常低，由此极大提高了电流流过时的电流密度。使用碳纳米 管的层间布线可以形成为具有数纳米至数十纳米的直径。因此，层间布线可 应用于形成具有数纳米至数十纳米直径的微小通孔。因此，可以实现半导体 器件的极高的集成。上电极41可具有用于半导体器件中的布线的电极图案 或者可以是设置在半导体器件的上层上的结构的一部分。
根据本发明的半导体器件的层间布线利用高度稠化的碳纳米管能减小 电阻且增大电流密度。根据本发明的制造层间布线的方法提供了 一种有效地 制造包括高度稠化的碳纳米管束的半导体器件层间布线的方法。
另外，根据本发明的制造层间布线的方法能应用于制造具有数十至数百 纳米的通孔。因此，本发明提供一种半导体器件的层间布线以及制造该层间 布线的方法，该层间布线能够实现半导体器件的极高的集成。
虽然已经参照其示例性实施例特别显示和描述了本发明，但是本领域技 术人员将理解，可以进行形式和细节上的各种改变而不偏离所附权利要求定 义的本发明的思想和范围。
权利要求
1.一种半导体器件的层间布线结构，包括形成在下层上的下电极；电连接到该下电极的催化剂层；由从该催化剂层的表面向上生长的多个碳纳米管形成的碳纳米管束，其中由于该碳纳米管束上部中的碳纳米管的聚集，该碳纳米管束的上部比该碳纳米管束的下部具有更高的碳纳米管密度；层间电介质，覆盖该下电极，围绕该碳纳米管束，且暴露该碳纳米管束的上表面；以及上电极，设置在所述层间电介质上且电连接到该碳纳米管束的上表面。
2. 根据权利要求1所述的层间布线，其中该催化剂层由选自Ni、 Fe、 Co、 Pt、 Mo、 W、 Y、 Au、 Pd、以及这些金属的合金构成的组的至少一种 金属形成。
3. —种制造半导体器件的层间布线的方法，该方法包括 形成电连接到下电极的催化剂层；从该催化剂层的表面生长多个碳纳米管；通过聚集上部中的所述碳纳米管形成上部比下部具有更高碳纳米管密 度的碳纳米管束；形成层间电介质，其覆盖该下电极，围绕该碳纳米管束，且暴露该碳纳 米管束的仅上表面；以及形成上电极，其接触该碳纳米管束的所述上表面。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中该催化剂层由选自Ni、 Fe、 Co、 Pt、 Mo、 W、 Y、 Au、 Pd、以及这些金属的合金构成的组的至少一种金属形 成。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中该催化剂层利用磁賊射法或电子束 沉积法形成。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中所述层间电介质的形成包括 用绝缘材料涂覆形成所述下电极处的层和所述碳纳米管束；以及 平坦化所涂覆的绝缘材料的上表面直到所述碳纳米管束的所述上表面被暴露。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中所述绝缘材料的涂覆利用所述绝缘 材料的前体进行。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中所述层间电介质的形成还包括在涂 覆所述绝缘材抖之前用金属涂覆所述碳纳来管的表面。
9. 根据权利要求3所述的方法，其中所述碳纳米管束的形成包括在所述 多个碳纳米管之间分配液滴以及蒸发该液滴。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中通过将所述碳纳米管浸在液体中 来将所述液滴分配在所述多个碳纳米管之间。
11. 根据权利要求9所述的方法，其中通过喷淋液体来将所述液滴分配 在所述多个碳纳米管之间。
12. 根据权利要求3所述的方法，其中该液滴具有比生长在所述催化剂 层的边缘的碳纳米管朝向所述碳纳米管束的中心弯曲时的弹力更大的表面 张力。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中该液滴由蒸馏水或酒精形成,。
全文摘要
本发明提供一种半导体器件的利用碳纳米管的层间布线结构以及制造该层间布线结构的方法。该层间布线结构包括从催化剂层表面生长的多个碳纳米管和碳纳米管束，其中由于上部中碳纳米管的聚集，该碳纳米管束的上部比该碳纳米管束的下部具有更高的碳纳米管密度。该方法包括形成电连接到下电极的催化剂层；从该催化剂层的表面生长多个碳纳米管；通过聚集上部中的所述碳纳米管形成上部比下部具有更高碳纳米管密度的碳纳米管束；形成层间电介质，其覆盖该下电极，围绕该碳纳米管束，且暴露该碳纳米管束的仅上表面；以及形成上电极，其接触该碳纳米管束的所述上表面。
文档编号H01L21/768GK101101903SQ20071000770
公开日2008年1月9日 申请日期2007年1月29日 优先权日2006年7月4日
发明者金夏辰, 韩仁泽 申请人:三星Sdi株式会社