CN105702663A - 一种基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构，该结构包括上下层叠的多个绝缘介质层、金属信号线、水平的屏蔽层、竖直的屏蔽层、以及金属信号线间的通孔和屏蔽层与金属信号线间的通孔，其核心在于屏蔽层的材料为单层或多层石墨烯及其在集成电路中的独特结构设计。本发明屏蔽层采用的二维材料厚度小，可显著降低同层内多个金属信号线间的层内串扰，又可降低不同层之间金属信号线间的层间串扰，且其制备与传统CMOS工艺相兼容，并且与三维集成电路技术的工艺、要求与发展趋势相适应。

Description

一种基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构

技术领域

本发明属于微纳器件技术领域，具体涉及在集成电路中的一种基于石墨烯的屏蔽层结构。

背景技术

在超大规模集成电路的发展中，随着在集成化程度与工作速度方面日益提高的需求，更小的器件尺寸、更高的器件密度与更高的工作频率成为集成电路的发展趋势。在这样的背景下，互连线间的串扰成为了影响集成电路性能的重要因素之一。串扰是指由于两条信号线之间的耦合、互感与互容而引起的噪声，可能造成所传输数据的错误或丢失。常用的减少串扰的方法有增加信号线之间的间距、加设屏蔽线等。然而，上述措施均需消耗额外的面积，不利于工艺尺寸的进一步减小。

石墨烯，即单层石墨，是厚度仅为0.34nm，而又具有优良的导电性质的材料。其极高的电子迁移率适应高频工作的要求，且其材料与器件的制备可与传统CMOS工艺相容。利用以石墨烯为代表的新型二维材料，有望在不显著牺牲面积的情况下，对集成电路中互连线间的串扰实行有效的抑制。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构。

为达到本发明的上述目的，本发明提供的基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构，如图1所示，包括上下层叠的多个绝缘介质层、金属信号线、水平的二维材料屏蔽层、竖直的二维材料屏蔽层、金属信号线间的通孔、以及屏蔽层与金属信号线间的通孔。

绝缘介质层，其材料为集成电路中常用的绝缘介质材料，典型的有二氧化硅。其厚度为数微米至数十微米。金属信号线与水平屏蔽层交替设置于各层绝缘层中。

金属信号线，其材料为集成电路中常用的金属导体材料，典型的有金、银、铜、铝等。根据现行工艺，其厚度为数百纳米至数微米，宽度为数百纳米至数微米，长度为数微米至数毫米。在金属信号线中有电信号传输。

水平的屏蔽层，其材料为单层石墨烯或多层石墨烯。其厚度通常小于1纳米，宽度与长度取决于其相邻绝缘层中的金属信号线——在不存在通孔处，其宽度应大于相邻绝缘层中金属信号线的宽度，其长度应与该金属信号线的长度大约相同。

竖直的屏蔽层，其材料与水平屏蔽层相同。其厚度通常小于1纳米，宽度横跨两个绝缘层(金属信号线所在的绝缘层与该层下方的绝缘层)，其长度应与金属信号线的长度大约相同。其水平位置安放在同一绝缘层中的两个相邻金属信号线之间。其制备方式是，在绝缘层上打出一个极窄的沟槽，之后在沟槽的两个侧壁上CVD生长二维材料，再在沟槽中填充绝缘介质材料。由于其制备方式，如图1所示，通常每一个位置会同时形成相互平行的两个屏蔽层，其间距视工艺而定，一般为数百纳米至数微米，在与金属信号线2A～2G宽度相同或小一个的数量级。

金属信号线间的通孔，其材料与金属信号线相同，水平截面为矩形，边长数百纳米至数微米，高度为一个绝缘层的高度的偶数倍。它用于连接两个或多个处于不同绝缘层中的金属信号线。

屏蔽层与金属信号线间的通孔，其材料为石墨或金属，水平截面为矩形，边长数百纳米至数微米，高度为一个绝缘层的高度的奇数倍。它用于连接屏蔽层与作为地线的金属信号线。

本发明的优点在于：本发明提出的基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构既可显著降低同层内多个金属信号线间的层内串扰，又可降低不同层之间金属信号线间的层间串扰。由于所采用二维材料极小的厚度，与同等工艺下不含串扰抑制处理的结构相比，水平与竖直所占用面积均没有显著增加，竖直方向的尺度如绝缘层厚度甚至可以降低。结构的制备与传统CMOS工艺相兼容，并且与三维集成电路技术的工艺、要求与发展趋势相适应。

附图说明

图1为本发明基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构示意图；

其中1A、1B、1C、1D、1E为绝缘介质层；2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G为金属信号线；3A、3B为水平的屏蔽层；4A、4B、4C为竖直的屏蔽层；5为金属信号线间的通孔；6为屏蔽层与金属信号线间的通孔。

具体实施方式

下面通过实例对本发明做进一步说明。需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

本实施例以五个绝缘层为例，绝缘介质层以二氧化硅为材料，采用热氧化生长工艺。每个绝缘层的厚度为5微米。金属信号线以铜为材料，采用大马士革镶嵌工艺。信号线尺寸均为40微米×6微米×2微米，同层金属信号线平行排布，间距为8微米。

金属信号线存在于三个不同的绝缘层1A、1C、1E，最下层绝缘层1A有两条金属信号线A、B，其中一条A用作地线；中间一层1C有一条金属信号线C，位于B正上方；最上层1E有两条金属信号线D、E，它们的排布方向与A、B、C垂直。

本实施例中，水平屏蔽层以单层或多层石墨烯为材料，采用化学气相淀积工艺。水平屏蔽层的尺寸为40微米×10微米×0.34纳米，其设置位置取决于上下层的金属信号线，存在于1B和1D两层中，前者用于抑制金属信号线B、C间的串扰，后者用于抑制金属信号线C与D、E之间的串扰。

本实施例中，竖直屏蔽层以单层或多层石墨烯为材料，采用化学气相淀积工艺。竖直屏蔽层的尺寸为40微米×10微米×0.34纳米，其水平位置处于同层相邻两条金属信号线的正中，垂直位置跨这两条金属信号线所在的绝缘层与下方相邻的绝缘层。存在于绝缘层1D和绝缘层1E，用于抑制金属信号线D与E间的串扰，竖直屏蔽层生长于绝缘层中的沟槽，该沟槽使用反应离子刻蚀工艺制备，长40微米，宽1微米，深10微米。

本实施例中，通孔的作用是连接屏蔽层与作为地线的金属信号线，以多层石墨烯为材料，将两个水平屏蔽层与金属信号线A相连，采用化学气相淀积工艺。尺寸为2微米×2微米×15微米。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (3)

1.一种基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构，该结构包括上下层叠的多个绝缘介质层、金属信号线、水平或竖直的屏蔽层、以及金属信号线间的通孔和屏蔽层与金属信号线间的通孔，其特征在于，屏蔽层的材料为单层或多层石墨烯。

2.如权利要求1所述的基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构，其特征在于，水平的屏蔽位于设置于各层绝缘层中，宽度大于相邻绝缘介质层中金属信号线的宽度，屏蔽层长度与相邻绝缘介质层中金属信号线的长度相同。

3.如权利要求1所述的基于石墨烯的集成电路中的屏蔽层结构，其特征在于，竖直屏蔽层位于同一绝缘层中的两个相邻金属信号线之间，屏蔽层宽度横跨两个绝缘层，其长度与金属信号线的长度相同。