CN108147362A - 一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法 - Google Patents

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Abstract

一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法，包括如下步骤：把带有金属互连线微结构的硅片放在加热板上进行热处理，同时在硅片上下方分别放置正负电极板以对带有金属互连线微结构的硅片施加单轴驱动力，通过改变所加电极板放置方向来实现金属互连线在不同方向上的收缩；通过调整电极板电压值来控制金属互连线在受力方向上收缩量，进而实现各向异性收缩。把带有金属互连线微纳结构的硅片放在加热板上150℃～200℃进行热处理，同时在硅片上下方分别放置正负电极板，来对金属互连线施加静电场，通过静电场作用产生的电场力来实现对金属互连线单轴驱动力的施加。

Description

一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法
技术领域
本发明属于纳米压印技术领域，具体涉及一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法。
背景技术
当今，微纳金属互连线在半导体集成电路、太阳能电池、主动矩阵显示器件、超材料微纳结构等领域具有广泛而重要的应用，互连线材料从铝基互连到目前常用的铜基互连，都在推动着相关技术产业快速发展。然而，伴随着集成电路特征线宽的进一步缩小，基于大马士革工艺技术实现的铜基互连技术已经难以满足现代集成电路产业的发展。因此，新一代互连技术也自然被提上了研究日程。
在下一代互连材料中，Ag因为其52nm电子自由程的特点成为了金属互连线的备选。但是Ag真正成为新一代金属互连线还有许多问题需要解决。其中一个很重要的问题是如何改变金属互连线的各向同性收缩，使金属互连线热熔扩散时可以达到各向异性以满足微纳线条特征限宽的要求。在金属互连线制造领域，特征线宽控制要求非常严格，特别是水平方向二维特征线宽容差度更为苛刻，要求在满足功能特性的前提下线条的表观形貌变化应该控制在特定范围之内，水平方向收缩率的3σ控制在特征线宽1/10之内，但对竖直方向的要求则相对宽松，因为如果水平方向收缩过多，就会影响金属互连线的导电性，甚至会使连线在收缩过程中断裂。如果能解决该问题，使金属粒子微结构在热熔扩散过程中能够实现各向异性收缩，满足水平方向的高标准特征线宽，则对喷墨打印、纳米压印、3D打印等技术利用金属纳米粒子制备微纳金属线的方法起到极大的促进作用。
根据目前已有的文献显示，长冈技术科学大学和华南理工大学经过长期合作已经发现在10T强磁场作用下，氧化锌纳米颗粒在热熔收缩时是各向异性的，而且在不同强度的磁场和温度作用下，收缩量都有一定的差异，并且在1000℃至1100℃之间时，两个方向的各向收缩差异开始变得明显。然而在实际应用中，如此高的磁场强度和热处理温度需要较苛刻的试验、工艺条件，而且强磁场强度的自由调节性也限制了其应用范围。因此寻求一种较为简便、实用的各向异性收缩率的调控金属互连线热熔扩散方法仍是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法，主要通过施加静电场来对金属互连线产生驱动力来实现金属微纳互连线各向异性收缩。用来解决目前金属互连线领域所存在的难以满足严格特征线宽的要求。
基于上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法，包括如下步骤：把带有金属互连线微结构的硅片放在加热板上进行热处理，同时在硅片上下方分别放置正负电极板以对带有金属互连线微结构的硅片施加单轴驱动力，通过改变所加电极板放置方向来实现金属互连线在不同方向上的收缩；通过调整电极板电压值来控制金属互连线在受力方向上收缩量，进而实现微纳互连线的各向异性收缩。
进一步地，热处理温度为150℃～200℃，时间为1.5h以实现银颗粒充分扩散。
进一步地，对硅片上下方分别放置的正负电极板分别接至恒压源正负极以施加静电场。
进一步地，通过改变恒压源电压值改变电场强度。
进一步地，带有金属互连线微结构的硅片所需要的单轴驱动力还可通过静磁场、超声波、交变电场或光场来实现。
电极板电压值大于0小于等于900V，磁场强度为2T～15T，超声波强度为20kHz-60kHz，交变电场为占空比可调的方波。
本发明主要有以下几个方面：
本发明把带有金属互连线微纳结构的硅片放在加热板上进行热处理，温度设置为150℃～200℃。同时在硅片上下方分别放置正负电极板，来对金属互连线施加静电场，通过静电场作用产生的电场力来实现对金属互连线单轴驱动力的施加。实验过程中，可以通过改变所施加静电场的方向来实现金属互连线不同方向上的收缩；还可以通过调整所加静电场的大小来实现互连线在受力方向上的收缩量不同，进而来控制金属互连线各向异性收缩率以达到对微纳结构线条的尺寸需求。
进一步地，上文中所述用来提供外作用力的静电场也可以换成磁场、超声波、交变电场或者光场等其他非接触性辅助外场。
本发明的优点在于：
（1）本发明通过在金属烧结过程中在金属互连线上施加静电场、交变电场、磁场、超声波或光场等辅助外场来对连线施加一个外部作用力来实现金属互连线的各向异性收缩，同时还可以通过控制所加辅助外场的强度和方向来控制各个方向的金属收缩率，从而可以实现对金属互连线的各向异性收缩率的控制。
（2）本发明对金属互连线所施加的力是外电场作用产生的力而不是直接接触的力，不仅可以有效避免外界对金属互连线的污染，而且可以防止微纳结构被破坏。另外本发明中所加辅助外场作用均匀，能更好地达到所要的效果。
（3）本发明能实现金属互连线的各向异性收缩并且效果明显。
（4）本发明操作简单，实用性好，成本低。所得到的各向异性收缩的金属互连线可以满足越来越苛刻的特征线宽要求。
附图说明
图1为本发明中对金属互连线施加辅助外场调控收缩率示意图，其中（a）为加电场调控示意图；（b）为加磁场调控示意图；（c）为加超声波调控示意图；（d）为加光场调控示意图；（e）为脉冲波交变电场调控示意图；
图2为在对硅片热处理过程中在硅片垂直方向上加不同强度（0V、150V、300V、450V、600V、750V、900V）的电场后，测量计算得到的金属互连线收缩率拟合后得到的曲线，其中，横轴为热处理过程中对硅片所加电场的电压值（单位为伏），纵轴为所加电场方向上金属互连线的热熔扩散收缩率；
图3为加不同强度电场烧结后得到的各向异性收缩的金属互连线的表面扫描电子显微镜（SEM）图。其中（a）、（b）、（c）分别对应所加电场强度为0V、450V、900V时所制得的各向异性收缩的金属互连线。
具体实施的方式
以下结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明主要提出了一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其中有四个方案可供选择。如图1所示。
实施例1 采用施加静电场的方法调控金属互连线各向异性收缩率
（1）刻蚀硅片：硅片在超声清洗器中依次用酒精、丙酮和去离子水分别清洗30min，经过现有技术中的旋转涂胶、前烘、曝光、后烘、显影等现有已知工艺，在硅片上得到光刻胶图形，然后使用等离子干法刻蚀在硅片上得到一组相同宽度的沟槽。
（2）在硅片刻蚀完成后将其取出，用去胶剂彻底清洗硅片，然后依次用丙酮、乙醇、去离子水各超声洗涤1小时，即可得到刻蚀完成且清洗干净的硅片。
（3）用20mL的无水乙醇溶解0.015g的十二胺和0.5g的纳米银颗粒(直径30nm, 上海超威纳米科技有限公司生产)，来得到实验所需要的纳米银溶液。使用之前将纳米银溶液超声处理1小时。
（4）将步骤（3）的纳米银溶液滴在刻蚀完成且清洗干净的硅片上，以完全覆盖硅片表面且溶液不溢出为宜。然后将滴定好的硅片静置，注意要保持周围环境洁净，避免将银溶液污染。待溶液的溶剂挥发完全后，使用干净的硅片刮除掉微结构以外的银颗粒，即可得到带有银微纳米线的硅片。
（5）将步骤（4）中制得的带有银纳米线微结构的硅片制成后将硅片2放置在加热板1上进行热处理，设置温度为200℃，在对硅片2进行热处理的同时在硅片2上下方放置电源正负电极板，使正负电极板的电压分别为0V、150V、300V、450V、600V、750V、900V，使金属互连线（即银纳米线微结构）处于一个电场力之中，烧结1.5h后，取出硅片2，即可得到各向异性收缩的银金属微纳互连线。
由图2可以发现，加电场烧结后银金属微纳互连线竖直方向上的收缩率明显增大，并且随着所加电压的增大，所加电场方向上金属互连线的收缩率不断增大，但变化趋势趋于平缓。
由图3可以看出烧结完成后，加电场烧结比不加电场烧结得到的金属互连线更加致密，颗粒之间扩散的更好，也就说明加电场烧结的银金属互连线收缩量增大；而且随着所加电压增大，得到的金属互连线更加致密，即收缩量更大。
实施2 采用施加稳定磁场的方法调控金属互连线各向异性收缩率。
实施例2与实施例1的区别是：步骤四（5）中在对硅片2进行热处理的同时在硅片2上下方放置异性磁极4，使金属互连线处于一个磁场作用之中，磁场强度在2T～15T之间。在200℃温度下热处理1.5h即可得到各向异性收缩的银金属微纳互连线。
实施例3 采用施加超声波的方法调控金属互连线各向异性收缩率
实施例3与实施例1的区别是：步骤（5）中在对硅片2进行热处理的同时在硅片2上方放置一个超声波发射器5，对在加热过程中的金属互连线施加超声波，超声波强度在20kHz-60kHz之间。使微纳金属互连线处于一个超声波提供的辅助外作用力之中，200℃热处理1.5h即可得到各向异性收缩的纳米银金属互连线。
实施例4 采用施加强光场的方法调控金属互连线各向异性收缩率
实施例4与实施例1的区别是：步骤（5）中在对硅片2进行热处理的同时对硅片用光源6进行强光照射，使金属互连线处在光压的作用之下，利用光场的光压效应提供辅助场，利用光场的热效应实现金属微纳粒子互连线的热熔扩散，处理特定时间即可得到各向异性收缩率控制的的纳米银金属互连线。
实施例5 采用施加交变电场的方法调控金属互连线各向异性收缩率
实施例5与实施例1的区别是：步骤（5）中在对硅片2进行热处理的同时对硅片2用占空比可调的脉冲波，使金属互连线处在交变电场力的作用之下，利用交变电场的交变静电场力提供辅助场，优化金属微纳粒子互连线的热熔扩散行为，处理特定时间即可得到各向异性收缩率控制的的银金属微纳互连线。
综上，本发明可以很好地制备出各向异性收缩的纳米银连线，并且可以通过控制所加作用力的大小调控纳米银连线的各向异性收缩率。本发明成本低，效果好，具有很好的实用价值。

Claims (5)

1.一种调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其特征在于，包括如下步骤：把带有金属互连线微结构的硅片放在加热板上进行热处理，同时在硅片上下方分别放置正负电极板以对带有金属互连线微结构的硅片施加单轴驱动力，通过改变所加电极板放置方向来实现金属互连线在不同方向上的收缩；通过调整电极板电压值来控制金属互连线在受力方向上收缩量，进而实现微纳互连线的各向异性收缩以满足微加工技术对特征线宽的需求。
2.根据权利要求1所述的调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其特征在于，热处理温度为150℃～200℃，时间为1.5h。
3.根据权利要求1所述的调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其特征在于，对硅片上下方分别放置的正负电极板分别接至恒压源正负极以施加静电场。
4.根据权利要求3所述的调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其特征在于，通过改变恒压源电压值改变电场强度。
5.根据权利要求1所述的调控金属互连线各向异性收缩率的方法，其特征在于，带有金属互连线微结构的硅片所需要的单轴驱动力还可通过静磁场、超声波、交变电场或光场来实现。
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