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申请/专利权人：华南师范大学

摘要：本发明涉及一种适用于柔性OTFT集成电路的金属互连结构及其制作方法，该金属互连结构的制作方法包括以下步骤：S1：制备柔性基底的下层金属连线；S2：在前步结构上沉积介质层；S3：在前步结构上制备上层金属连线；S4：制作过孔，连接上、下层金属连线：采用超声波金属焊接机，选择需要的区域施加机械振动，使作用区域中间介质层破碎，并使上、下层金属原子被激活，在界面处相互渗透，最终形成上、下层金属连线的固态连接，完成过孔，得到金属互连结构。本发明所述制作方法，过孔的制备成本低廉、工艺简单、适用于柔性有机器件的集成；同时超声波发生器易于电气控制，可制作出多种复杂的金属互连结构，且过孔区域金属连线间具有高的连接强度。

主权项：一种适用于柔性OTFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：制备柔性基底的下层金属连线；S2：在前步结构上沉积介质层；S3：在前步结构上制备上层金属连线；S4：制作过孔，连接上、下层金属连线：采用超声波金属焊接机，选择需要的区域施加机械振动，使作用区域中间介质层破碎，并使上、下层金属原子被激活，在界面处相互渗透，最终形成上、下层金属连线的固态连接，完成过孔，得到金属互连结构。

全文数据：一种适用于柔性OTFT集成电路的金属互连结构及其制作方法技术领域[0001]本发明涉及有机半导体集成电路制造技术领域，特别是涉及一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构及其制作方法。背景技术[0002]柔性电子在过去的20年间受到了学术界和社会工业的广泛关注，柔性有机薄膜晶体管OTFTs是未来柔性电子显示器件的一个重要发展方向，特别是在最近5-10年间，有机电子学在多个应用领域取得了长足的进展，如有机场效应晶体管、有机太阳能电池、生物传感器、TFT阵列、有机发光二极管等。目前有机材料与器件已经由基础研宄逐步走向产业化，在应用生产中具有制作工艺简单、可弯曲、多样和成本低等特性；[0003]在集成电路中，除了前端工艺中的器件制作外，后端工艺中的金属互连结构制作也十分重要。如为了满足半导体元件数量增多要求，通常形成多层结构的半导体元件，而相邻层的半导体元件则通过金属互连结构实现电连接。基本的金属互连结构包括上、下层金属连线、中间介质层以及连接上下层金属连线的过孔。随着器件集成度需求的不断提高，集成电路中金属互连结构的性能成为影响集成电路可靠性的关键因素之一。但对于柔性有机薄膜晶体管器件的集成化，如何制作适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构依然存在诸多挑战。[0004]与现有的非晶硅或多晶硅TFT相比，0TFT因其有源层为有机物，故具有以下特点：加工温度不可过高，一般在180°C以下，不仅为了适用于柔性基板，而且能显著降低制备功耗;工艺过程大大简化，成本大幅度降低，气相沉积和印刷打印两种方法都适合大面积加工;材料来源广泛，发展潜力大，同时环境友好。但是由于有机半导体化学稳定性和柔性基底的热稳定都较差，对后端金属互连工艺要求更为苛刻。[0005]在传统无机半导体集成电路工艺中，金属互连结构中的过孔一般需要经过光刻、刻蚀、金属沉积、化学机械抛光等工艺。光刻的工序一般为:将光刻胶PR涂覆在需图案化的目标层上，然后，执行曝光工序改变部分区域的光刻胶的溶解度，之后执行显影工序形成暴露出介质层的光刻胶图案。以该光刻胶图案为掩膜进行刻蚀工序以将光刻胶图案转移至介质层上。洗去剩余的光刻胶，再在图案化的介质层上沉积金属。最后利用化学机械抛光去除多余金属，完成过孔。然而，由于有机半导体化学稳定性较差，对有机溶剂和某些化学物质十分敏感。因此，传统的过孔工艺对有机半导体而言，不具有普适性。[0006]超声波金属焊接是一种特种技术，自1950年在美国被发明以来，已经在工业上得到了广泛的应用。超声波金属焊接原理是利用超声波频率超过16kHz的机械振动能量，连接同种金属或异种金属的一种特殊方法。在对金属进行超声波焊接时，在静压力作用之下，将弹性振动能量转变为工件界面间的摩擦功、形变能以及有限的温升，使金属原子激活并f互渗透，实现金属焊件的固态连接。其具有焊接压力小，范围可控，焊接速度快，焊点强度高，稳定性好等优点。且在焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件施以高温热源。故其与柔性基底可以很好地兼容。发明内容[0007]基于此，本发明的目的在于，提供一种适用于柔性OTFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其过孔的制备成本低廉、工艺简单、适用于柔性有机器件的集成；同时超声波发生器易于电气控制，可制作出多种复杂的金属互连结构，且过孔区域金属连线间具有高的连接强度。[000S]本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，包括以下步骤：[0009]S1:制备柔性基底的下层金属连线；[0010]S2:在前步结构上沉积介质层；[0011]S3:在前步结构上制备上层金属连线；[0012]S4:制作过孔，连接上、下层金属连线:采用超声波金属焊接机，选择需要的区域施加机械振动，使作用区域中间介质层破碎，并使上、下层金属原子被激活，在界面处相互渗透，最终形成上、下层金属连线的固态连接，完成过孔，得到金属互连结构。[0013]相比于现有技术，本发明所述的制备方法具有如下的优点和有益效果：[00M]1较于传统过孔工艺，本发明将超声波金属焊接机创造性地应用到过孔中，通过其振压打断中间的绝缘体完成过孔，采用超声波振压完成过孔的方法更简单灵活，无需光刻、刻蚀等复杂工艺；而且超声波发生器是功率电子线路，易于电气控制，通过精确调节各项参数，从而实现高精度的过孔操作。[0015]2整个工艺流程在室温下物理实现、不存在化学反应、没有温度要求、适用与柔性基底，不会破坏有机物半导体。[0016]3过孔过程无需真空环境和气体保护，无需进行高温热处理，有利于保持柔性且制作成本低廉。[0017]⑷过孔区域金属具有更高连接强度;超声波振压使上、下层金属连线发生塑形形变、机械嵌合以及相互的原子扩散，最终形成金属之间的高强度“键合”。[0018]进一步，还包括以下步骤：[0019]S5:重复步骤S2〜S4,得到多层金属互连结构。通过重复步骤S2〜S4,即可得到多层金属互连结构，相邻两层金属连线之间为介质层，每两层金属连线和一层介质层进行一次过孔。[0020]进一步，在步骤S4之前还包括以下步骤:重复步骤S2〜S3。通过重复步骤S2〜S3后再进行过孔，可以得到单过孔的多层金属互连结构或位于不同区域的多组金属互连结构，其中单过孔的多层金属互连结构最后过孔时仅得到一个过孔，而位于不同区域的多组金属互连结构则形成过孔群，通过设计形状尺寸不同的异型焊头，可在不同的区域同时施加机械振动，一次性完成多个过孔。[0021]进一步，步骤S1中，下层金属连线米用以下任一种导电金属物质：金、银、铜、線、铝、表面包覆铬的金;采用蒸镀、打印、溅射任一种低温制备方法制备而成。[0022]进一步，步骤S2中，介质层采用以下任一种绝缘介质材料：Si〇2、Si3N4、Al2〇3、La2〇3、Zr〇2、有机聚合物;采用CVD、ALD、蒸镀、溉射、溶液法打印任一种低温制备方法制备而成。[0023]进一步，步骤_S3中，上层金属连线采用以下任一种导电金属物质：金、银、铜、镍、铝、表面包覆铬的金;采用蒸镀、打印、溅射任一种低温制备方法制备。[0024]进一步，步骤S1之前还包括以下步骤：选取柔性PET衬底，首先裁剪成1.5cmX1.5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质;之后在烘箱中烘干，再经UV03活化处理后保存备用。[0025]本发明还提供一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构，包括至少两层金属连线、相邻两层金属连线之间的中间介质层以及连接多层金属连线的过孔，所述过孔通过超声波振压而成;其通过上述任一种制作方法制作而成。[0026]相比于现有技术，本发明的金属互连结构制作方法简单、成本低廉，其与柔性基底兼容性强，且过孔区域金属连线间具有高的连接强度。[0027]为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。附图说明[0028]图1为实施例1制得的MIM夹心结构的结构示意图。[0029]图2为实施例1制得的MIM夹心结构的爆炸示意图。[0030]图3为实施例1中的超声波振压过孔工艺的示意图。[0031]图4为实施例1制得的金属互连结构的制作过程示意图。[0032]图5为实施例1制得的MIM夹心结构的IV曲线图。[0033]图6为实施例1制得的金属互连结构的IV曲线图。[0034]图7为实施例2制得的单过孔的多层金属互连结构的制作过程示意图。[0035]图8为实施例3制得的位于不同区域的多组金属互连结构的制作过程示意图。[0036]图9为实施例4制得的多组多层金属互连结构的制作过程示意图。具体实施方式[0037]实施例1[0038]本实施例所述的一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，包括以下步骤：[0039]1选取柔性PET衬底1，首先裁剪成1.5cmX1.5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮，异丙醇，去离子水，无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质;在烘箱中烘干，然后UV03活化处理后保存备用。[0040]2制备下层金属连线2:利用热蒸发蒸镀的技术，通过镂空掩膜板定义图案，在清洗千净的PET衬底1上沉积20nm下层金属连线2,沉积速率控制为〇.〇2nms，沉积是在高真空下进行的，气压为6XlT4Pa。[_1]⑶制备介质层薄膜3:制备摩尔浓度为0•05molL的乙酰丙酮镧-DMF溶液，旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在l2〇°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间为15min。[OO42]4制备上层金属连线4:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为40nm的金电极4，沉积速率为0•02nms，沉积在高真空下进行。[0043]5经过上述4个步骤，制备得到由金属、介质层、金属组成的MIM夹心结构5,如图1所示。[0044]⑹制作过孔，连接上、下金属层连线：利用超声波金属焊接机，选择焊头6对需要的区域施加机械振动，完成过孔，获得金属互连结构7。所用超声波金属焊接机为1C封装中WireBonding超声焊机。[0045]⑺在室温环境下，用安捷伦B1500A高精度半导体分析仪分别对过孔涉骤⑸）前后的器件进行测试。未过孔之前，上、下金属连线之间没有电导通，成绝缘状态，漏电流密度为1.75XlT6Acm2@3MVcin。过孔之后，上、下金属连线电气导通，其电阻大小只有7q左右，如图5〜6所不。[0046]实施例2[0047]本实施例所述的一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，包括以下步骤：[0048]1衬底清洗:选取柔性PET衬底1，首先裁剪成1•5cmX1•5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮，异丙醇，去离子水，无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质；在烘箱中烘干，然后UV03活化处理后保存备用。[0049]2制备第一层金属连线9:利用热蒸发蒸镀的技术，通过镂空掩膜板定义图案，在清洗干净的PET衬底上沉积20nm第一层金属连线9，沉积速率控制为0.02nmS，沉积是在高真空下进行的，气压为6X10_4Pa。[0050]3制备第一层介质层薄膜3:制备摩尔浓度为0.05molL的乙酰丙酮镧-DMF溶液，旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在120°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间为15min。[0051]⑷制备第二层金属连线10:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为20nm的金电极，沉积速率为〇•〇2nms，沉积在高真空下进行。[0052]5制备第二层介质层薄膜3:旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在120°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间长度为15min。[0053]⑹制备第二层金属连线11:米用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为40nm的金电极，沉积速率为0•02nms，沉积在高真空下进行。[0054]7制作过孔，连接第一层、第二层和第三层金属连线:利用超声波金属焊接机，适当增加功率和静压力，选择需要的区域施加机械振动，完成过孔，获得单过孔的多层金属互连结构I2。所用超声波金属焊接机为1C封装中WireBonding超声焊机。[0055]经测试，过孔前，各层金属连线之间无电气连通成绝缘状态;过孔后，各层金属连线之间电气导通。[0056]实施例3[0057]本实施例所述的一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，包括以下步骤：[0058]1衬底清洗:选取柔性PET衬底1，首先裁剪成1.5cmX1.5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮，异丙醇，去离子水，无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质；在烘箱中烘干，然后UV03活化处理后保存备用。[0059]2制备第一层金属连线9:利用热蒸发蒸镀的技术，通过镂空掩膜板定义图案，在清洗干净的PET衬底上沉积20mn第一层金属连线9，沉积速率控制为0.02nms，沉积是在高真空下进行的，气压为6XlT4Pa。[0060]3制备第一层介质层薄膜3:制备摩尔浓度为〇.〇5molL的乙酰丙酮镧-DMF溶液，旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在120°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间长度为15min。[0061]⑷制备第二层金属连线10:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为20nm的金电极，沉积速率为0•02nms，沉积在高真空下进行。[0062]5制备第二层介质层薄膜3:旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在12TC下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间长度为15min。[0063]⑹制备第三层金属连线11:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为40nm的金电极，沉积速率为0.〇2nms，沉积在高真空下进行。[0064]7制作过孔群，连接不同区域的上、下金属层连线:利用超声波金属焊接机，通过设计形状尺寸不同的异型焊头13,可在不同的区域同时施加机械振动，一次性完成多个过孔，获得多组金属互连结构14。所用超声波金属焊接机为1C封装中WireBonding超声焊机。[0065]经测试，过孔前，各组不同层金属连线之间无电气连通成绝缘状态;过孔后，各组金属不同层连线之间电气导通。[0066]实施例4[0067]本实施例所述的一种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，包括以下步骤：[0068]1衬底清洗:选取柔性PET衬底1，首先裁剪成1.5cmX1.5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮，异丙醇，去离子水，无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质；在烘箱中烘干，然后UV03活化处理后保存备用。[0069]2制备第一层金属连线9:利用热蒸发蒸镀的技术，通过镂空掩膜板定义图案，在清洗干净的PET衬底上沉积20nm第一层金属连线9，沉积速率控制为0.02nms，沉积是在高真空下进行的，气压为6XlT4Pa。[0070]3制备第一层介质层薄膜3:制备摩尔浓度为0.05molL的乙酰丙酮镧-DMF溶液，旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在120°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间长度为15min。[0071]⑷制备第二层金属连线10:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为20nm的金电极，沉积速率为〇•02nmS，沉积在高真空下进行。[0072]5制作过孔，连接第一层和第二层金属连线:利用超声波金属焊接机，选择焊头6对需要的区域施加机械振动，完成过孔，获得金属互连结构7。[0073]6制备第二层介质层薄膜3:旋涂乙酰丙酮镧-DMF溶液，在120°C下热处理制备La2〇3薄膜，处理时间长度为15min。[0074]7制备第三层金属连线11:采用热蒸发法在La2〇3介质层3上沉积厚度为40nm的金电极，沉积速率为〇•02nmS，沉积在高真空下进行。[0075]⑻制作过孔群，连接不同区域的上、下金属层连线:利用超声波金属焊接机，通过设计形状尺寸不同的异型焊头13,可在不同的区域同时施加机械振动，一次性完成多个过孔，获得多组金属互连结构14。所用超声波金属焊接机为1C封装中WireBonding超声焊机。[0076]⑼最后得到位于不同区域的多种复杂金属互连结构7和14。[0077]经测试，过孔前，各组不同层金属连线之间无电气连通成绝缘状态;过孔后，各组金属不同层连线之间电气导通。[0078]以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种适用于柔性OTFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于:包括以下步骤：S1:制备柔性基底的下层金属连线；S2:在前步结构上沉积介质层；S3:在前步结构上制备上层金属连线；S4:制作过孔，连接上、下层金属连线:采用超声波金属焊接机，选择需要的区域施加机械振动，使作用区域中间介质层破碎，并使上、下层金属原子被激活，在界面处相互渗透，最终形成上、下层金属连线的固态连接，完成过孔，得到金属互连结构。2.根据权利要求1所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于:还包括以下步骤：S5:重复步骤S2〜S4,得到多层金属互连结构。3.根据权利要求1所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于:在步骤S4之前还包括以下步骤:重复步骤S2〜S3。4.根据权利要求1〜3任一项所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于:步骤S1中，下层金属连线采用以下任一种导电金属物质:金、银、铜、镍、铝、表面包覆铬的金;采用蒸镀、打印、溅射任一种低温制备方法制备而成。5.根据权利要求1〜3任一项所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于：步骤S2中，介质层采用以下任一种绝缘介质材料：Si〇2、Si3N4、Al2〇3、La2〇3、Zr〇2、有机聚合物;米用CVD、ALD、蒸锻、派射、溶液法打印任一种低温制备方法制备而成。6.根据权利要求1〜3任一项所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于:步骤S3中，上层金属连线采用以下任一种导电金属物质:金、银、铜、镍、铝、表面包覆铬的金;采用蒸镀、打印、溅射任一种低温制备方法制备。7.根据权利要求1〜3任一项所述的适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构的制作方法，其特征在于：步骤S1之前还包括以下步骤:选取柔性PET衬底，首先裁剪成l—x1•5cm的正方形，通过超声对其进行清洗，分别放进丙酮、异丙醇、去离子水、无水乙醇，使其去除表面有机物等杂质;之后在烘箱中烘干，再经UV03活化处理后保存备用。8.—种适用于柔性0TFT集成电路的金属互连结构，其特征在于:包括至少两层金属连线、相邻两层金属连线之间的中间介质层以及连接多层金属连线的过孔，所述过孔通过超声波振压而成;其通过如权利要求1〜7任一项所述的制作方法制作而成。

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