碳纳米管模块、半导体器件及制造方法技术

本发明专利技术提供一种碳纳米管模块、半导体器件及制造方法，所述碳纳米管模块和半导体器件的制造方法，在一个层间介质层中刻蚀出一个通孔，在所述通孔中依次层叠下电极、碳纳米管和上电极，以形成碳纳米管模块，实质上借助层间介质层的通孔实现了一种碳纳米管模块制造的原位自对准工艺流程，提供了更好的工艺窗口，节省了多次化学机械平坦化工艺以及碳纳米管的间隔工艺，简化了工艺流程，并且为后续膜层的制造提供了更加平坦的工艺表面，从而可以大大提高成品率并降低制造成本。本发明专利技术的碳纳米管模块和半导体器件，其碳纳米管模块的下电极、碳纳米管和上电极依次层叠在层间介质层的通孔中，能够减小简化工艺流程和工艺的偏差，提高器件成品率和性能。

Carbon nanotube modules, semiconductor devices and manufacturing methods

【技术实现步骤摘要】
碳纳米管模块、半导体器件及制造方法
本专利技术涉及集成电路制造
，尤其涉及一种碳纳米管模块、半导体器件及其制造方法。
技术介绍
电子产品的发展和日益普及促进了用于信息存储的存储器的研发，需要这些存储器是非易失性的，既便关掉电源也能够保持信息。随着电子产品的进一步发展和集成电路制造技术的不断提高，存储器的研发和制造也向着低制造成本、高存储密度、低功耗和高运行速度方向发展，为了解决存储器发展过程中遇到的困难，基于碳纳米管(CNT)的非易失性存储器(nonvolatilememory，NVM)应用而生，其具有电流小、编程效率高、电阻稳定、数据保持性好以及程序耐久性好等显著的电学特性。但是目前的非易失性存储器中的碳纳米管所在模块的制造工艺复杂，成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种碳纳米管模块、半导体器件及制造方法，简化工艺流程，降低制造成本，改善器件性能。为了实现上述目的，本专利技术提供一种碳纳米管模块的制造方法，包括以下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底的表面上形成下层金属层；在所述下层金属层的表面上形成具有通孔的层间介质层，所述通孔暴露出所述下层金属层的部分上表面；在所述通孔中形成依次层叠的下电极、碳纳米管以及上电极；形成一上层金属层，所述上层金属层覆盖所述上电极和所述层间介质层。可选的，在所述半导体衬底的表面上形成下层金属层的步骤包括：在所述半导体衬底的表面上形成第一介质层；刻蚀所述第一介质层至所述半导体衬底的表面，以在所述第一介质层中形成第一沟槽；在所述第一介质层和所述第一沟槽的表面上沉积第一金属材料，沉积的第一金属材料至少能够填满所述第一沟槽；对所述第一金属材料的顶部进行化学机械平坦化，直至暴露出所述第一介质层的表面，以形成所述下层金属层。可选的，形成一上层金属层的步骤包括：在所述上电极和层间介质层的表面上形成第二介质层；刻蚀所述第二介质层，以形成能暴露出所述上电极的顶部表面的第二沟槽；在所述第二介质层和所述第二沟槽的表面上沉积第二金属材料，沉积的第二金属材料至少能够填满所述第二沟槽；对所述第二金属材料的顶部进行化学机械平坦化，直至暴露出所述第二介质层的表面，以形成所述上层金属层。可选的，在所述通孔中形成下电极的步骤包括：形成第一增粘层，所述第一增粘层覆盖所述层间介质层及所述通孔的侧壁和底壁；形成下电极层，所述下电极层覆盖所述第一增粘层且填充所述通孔；回刻蚀所述下电极层，并进行湿法清洗，使所述通孔中保留部分厚度的下电极层，以形成所述下电极。可选的，采用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD)中的至少一种沉积工艺，依次形成所述第一增粘层和所述下电极层。可选的，所述第一增粘层和下电极层的材质不同，所述下电极层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN、W和金属硅化物中的至少一种，所述第一增粘层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN和金属硅化物中的至少一种。可选的，所述下电极的厚度为所述上电极的厚度为可选的，在所述通孔中形成碳纳米管的步骤包括：形成碳纳米管层，所述碳纳米管层覆盖所述下电极和层间介质层且填充所述通孔；回刻蚀所述碳纳米管层，使所述通孔中保留部分厚度的碳纳米管层，以在所述通孔中形成层叠在所述下电极上的碳纳米管。可选的，通过材料涂覆、烘烤和退火工艺形成所述碳纳米管层，所述烘烤的温度为所述退火的温度为可选的，所述材料涂覆、烘烤和退火工艺仅进行一次以形成单层结构，或反复进行多次以形成层层叠加的结构，且当反复进行多次时，每次的所述材料涂覆、烘烤和退火工艺所使用的材料完全相同或者不完全相同。可选的，所述碳纳米管的厚度为可选的，在所述通孔中形成上电极的步骤包括：形成第二增粘层，所述第二增粘层覆盖在所述通孔中的所述碳纳米管的顶部以及所述通孔侧壁的所述层间介质层的表面上；沉积上电极层，沉积的所述上电极层至少能够填满所述通孔对所述上电极层的顶部进行化学机械平坦化，直至暴露出所述层间介质层的表面，以形成所述上电极。可选的，采用化学气相沉积(CVD)、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积(ALD)中的至少一种沉积工艺，在所述碳纳米管和所述层间介质层的表面上依次沉积形成第二增粘层和上电极层。可选的，所述第二增粘层和上下电极层的材质不同，所述上电极层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN、W和金属硅化物中的至少一种，所述第二增粘层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN和金属硅化物中的至少一种。可选的，所述通孔呈柱状，所述上电极、碳纳米管和下电极在所述通孔中具有相同的关键尺寸。可选的，所述半导体衬底中形成有晶体管和互连结构，所述晶体管通过所述互连结构与所述下层金属层电连接。本专利技术还提供一种半导体器件的制造方法，包括上述之一的碳纳米管模块的制造方法。可选的，采用所述的碳纳米管模块的制造方法形成存储单元或者互连结构。本专利技术还提供一种碳纳米管模块，包括：依次层叠的下层金属层、层间介质层和上层金属层，所述层间介质层中具有通孔，所述通孔贯穿所述层间介质层，所述通孔中从底部至顶部依次层叠有下电极、碳纳米管以及上电极。可选的，所述下电极和上电极的材质分别包括Ti、Ta、TiN、TaN、W和金属硅化物中的至少一种。可选的，所述下电极的厚度为和/或，所述上电极的厚度为和/或，所述碳纳米管的厚度为可选的，所述通孔呈柱状，所述上电极、碳纳米管和下电极具有相同的关键尺寸，且所述碳纳米管的侧壁与所述层间介质层的侧壁直接接触。可选的，所述下电极和所述层间介质层之间还有第一增粘层，所述第一增粘层呈U形，包围在所述下电极的底部和侧壁上。可选的，所述上电极和所述碳纳米管之间还有第二增粘层，所述第二增粘层呈U形，包围在所述上电极的底部和侧壁上。可选的，所述碳纳米管模块为用于存储数据的存储单元或者用于实现元件电互连的互连结构。本专利技术还提供一种半导体器件，包括上述之一的碳纳米管模块。可选的，所述半导体器件为存储器，所述碳纳米管模块为所述存储器的存储单元。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有以下有益效果：1、本专利技术的碳纳米管模块和半导体器件的制造方法中，在一个层间介质层中刻蚀出一个通孔，在所述通孔中依次层叠下电极、碳纳米管和上电极，以形成碳纳米管模块，实质上借助层间介质层的通孔实现了一种碳纳米管模块制造的原位自对准工艺流程，所述上电极、碳纳米管和下电极具有相同的关键尺寸，碳纳米管的侧壁直接与所述层间介质层的侧壁接触，无需侧墙的包围和保护，节省了多次化学机械平坦化(CMP)工艺以及碳纳米管的间隔工艺，简化了工艺流程，并且为后续膜层的制造提供了更加平坦的工艺表面，从而可以大大提高成品率并降低制造成本。2、本专利技术的碳纳米管模块和半导体器件，由于碳纳米管模块的下电极、碳纳米管和上电极依次层叠在一个层间介质层的通孔中，能借助通孔相互对准，所述通孔呈柱状，所述上电极、碳纳米管和下电极具有相同的关键尺寸，且碳纳米管的侧壁直接与所述层间介质层的侧壁接触，无需侧墙的包围和保护，能够简化工艺流程，能够提供更加规整、更加平坦的工艺表面，减小制造工艺偏差，因此可以提高器件成品率和性能。附图说明图1是一种基于碳纳米管的存储器的存储单元的剖面结构示意图；图2是本专利技术具体实施例的碳纳米管模块的制造方法流程图；图3A至3G是本专利技术具体实施例的碳纳米管模块本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底的表面上形成下层金属层；在所述下层金属层的表面上形成具有通孔的层间介质层，所述通孔暴露出所述下层金属层的部分上表面；在所述通孔中形成依次层叠的下电极、碳纳米管以及上电极；形成一上层金属层，所述上层金属层覆盖所述上电极和所述层间介质层。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：提供一半导体衬底，在所述半导体衬底的表面上形成下层金属层；在所述下层金属层的表面上形成具有通孔的层间介质层，所述通孔暴露出所述下层金属层的部分上表面；在所述通孔中形成依次层叠的下电极、碳纳米管以及上电极；形成一上层金属层，所述上层金属层覆盖所述上电极和所述层间介质层。2.如权利要求1所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，在所述通孔中形成下电极的步骤包括：形成第一增粘层，所述第一增粘层覆盖所述层间介质层及所述通孔的侧壁和底壁；形成下电极层，所述下电极层覆盖所述第一增粘层且填充所述通孔；回刻蚀所述下电极层，并进行湿法清洗，使所述通孔中保留部分厚度的下电极层，以形成所述下电极。3.如权利要求2所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，所述第一增粘层和下电极层的材质不同，所述下电极层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN、W和金属硅化物中的至少一种，所述第一增粘层的材质包括Ti、Ta、TiN、TaN和金属硅化物中的至少一种。4.如权利要求1所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，所述下电极的厚度为所述上电极的厚度为5.如权利要求1所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，在所述通孔中形成碳纳米管的步骤包括：形成碳纳米管层，所述碳纳米管层覆盖所述下电极和层间介质层且填充所述通孔；回刻蚀所述碳纳米管层，使所述通孔中保留部分厚度的碳纳米管层，以在所述通孔中形成层叠在所述下电极上的碳纳米管。6.如权利要求5所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，通过材料涂覆、烘烤和退火工艺形成所述碳纳米管层，所述烘烤的温度为所述退火的温度为7.如权利要求6所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，所述材料涂覆、烘烤和退火工艺仅进行一次以形成单层结构，或反复进行多次以形成层层叠加的结构，且当反复进行多次时，每次的所述材料涂覆、烘烤和退火工艺所使用的材料完全相同或者不完全相同。8.如权利要求1至7中任一项所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，所述碳纳米管的厚度为9.如权利要求1至7中任一项所述的碳纳米管模块的制造方法，其特征在于，在所述通孔中形成上电极的步骤包括：形成第二增粘层，所述第二增粘层覆盖在所述通孔中的所述碳纳米管的顶部以及所述通孔侧壁的所述层间介质层的表面上；沉积上电极层，沉积的所述上电极层至少能够填满所述通孔；对所述上电极层的顶部进行化学机械平坦化，直至暴露出所述层间...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新鹏，任惠，魏德义，
申请(专利权)人：中芯国际集成电路制造天津有限公司，中芯国际集成电路制造上海有限公司，
类型：发明
国别省市：天津,12