CN102709155A

CN102709155A - 一种金属电感的制备方法

Info

Publication number: CN102709155A
Application number: CN2012101127388A
Authority: CN
Inventors: 周梦杰; 李晨; 魏芹芹; 魏子钧; 任黎明; 傅云义; 黄如; 张兴
Original assignee: Peking University
Current assignee: Peking University
Priority date: 2012-04-17
Filing date: 2012-04-17
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-04-17
Also published as: CN102709155B

Abstract

本发明公开了一种金属电感的制备方法，属于无线通讯器件领域。该方法利用石墨烯独特的晶体结构和物理特性，通过在电感线圈的金属上包裹一层石墨烯，提高了线圈的抗电迁移能力以及寿命，减少整体铜互连线因电迁移现象所致的性能退化，避免金属电感在制备及使用过程中被氧化。同时因石墨烯具有优良的热传导性能，缓解了电感线圈因局部温度过高而发生的熔断或者是介质击穿的现象。

Description

一种金属电感的制备方法

技术领域

本发明属于无线通讯器件领域，具体涉及一种金属电感的制备方法。

背景技术

随着无线通讯市场的迅速发展，人们对便携式设备的需求不断的增加，极大的推动了射频集成电路的发展。同时，为满足电路高性能和高集成度的要求，电感作为射频电路中不可或缺的无源器件，通常需要在片上集成，而电感性能也成为影响射频集成电路性能的重要因素。制备电感的金属材料可以是钨、铝、铜等，但是目前比较常用和主流的片上集成电感材料是铜。致使金属电感性能下降的原因主要有：(1)金属线圈在高电流密度时会发生的电迁移现象；(2)电感线圈中的电流存在趋肤效应；(3)电感线圈中有涡流效应。电迁移现象是指当电流密度高于某一临界值时，会造成金属原子移动，易造成金属电感的金属线圈在工作过程中产生断路或短路，从而造成元件或电路的失效。电迁移而铝线及铜线的抗电迁移率的临界电流密度约为10⁶A/cm²。趋肤效应是指当导线半径远大于电磁波的透入深度时，电磁波在进入导休表面极薄层区域后就已衰竭，电场强度与磁场强度在表面处均有最大值，沿半径进入导线内部后，则其振幅逐渐衰减而趋于零，因而电流密度(δ＝γE)、磁感应强度(B＝μH)均在表面处有最大值，进入导体内部后，两者亦逐渐衰减为零，这种现象称之为趋肤效应，趋肤效应会造成金属线的有效深度变小，从而电阻增大。所谓电感线圈中的涡流效应是指电感线圈中电流密度分布的不均匀。在线圈靠近内侧的一边，电流密度变大；在线圈靠近外侧的一边，电流密度变小。不管是电流趋肤效应还是涡流效应，都会使得线圈的电阻变大使得电感的Q值变小；都会在线圈中的局部产生高电流密度，如果严重的话，将引起金属线圈局部的温度升高，很有可能导致金属线圈熔化，向周围渗透以及电迁移等情况，影响电感的可靠性，也有可能使得发热线圈附近的介质发生热击穿，影响整个电路的可靠性。

目前提高铝线抗电迁移能力的方法有：采用含百分之二的硅或者百分之一的铜的铝合金，增大铝的晶粒尺寸，采用介质膜覆盖铝线，介质膜可以是SiNx、Al₂O₃等等。目前提高铜线抗电迁移能力的方法主要有：通过在铜线的表面沉积一层覆盖层可以使铜原子迁移受到限制，并且可以防止铜连线跟氧气接触，可以有效提高铜互连线的抗电迁移能力。这些覆盖层材料包括SiN_x，CoWB，CuSiN，CoWP等。这些覆盖层虽然能够有效的提高金属互连线的可靠性，但是会增大互连线的电阻，从而降低电感Q值。另外，Chai等人通过用Cu/CNT复合材料来代替铜，可以有效降低孔洞的生长速率，Cu/CNT复合材料中空洞生长速率约为纯铜材料的四分之一，但是同样的问题就是电阻率比纯铜电阻率增大了15％。

发明内容

本发明的目的在于提出一种金属电感的制备方法，可以提高电感线圈的可靠性。

本发明提供的一种金属电感的制备方法，制备工艺如下：

1)制备电感内连线的下层金属。下层金属连线一般可以是铝、铜、钨和金等，也可以是表面包覆如NiWP，CuSiN，CoWP等覆盖层的铜互连线，或者是利用本工艺制备的表面包覆石墨烯覆盖层的金属连线。这层金属层与下面的介质之间还需淀积一层扩散阻挡层，用以增加金属与下面介质的粘附性以及阻挡金属向介质中扩散，一般可以采用Cr，TI，TIW等材料。

2)下层金属连线上面淀积绝缘介质。为尽量减小寄生电容，采用低k介质层。这种低k介质可以是SiO₂，polimide，Benzocycloubutene(BCB)等有机聚合物以及多孔材料等。像polimide，Benzocycloubutene(BCB)可以采用旋涂的方式，然后加以烘烤而使之固化。并且同时刻蚀形成通孔，用以将电感内端口连出。

3)在通孔和介质层表面淀积一层扩散阻挡层和金属的种籽层。这层扩散阻挡层可以是Ti，TiW，Cr，TaN/Ta等。可以通过溅射淀积，物理气相淀积(PVD)，也可以利用ALD等等方法生成。

4)形成电感线圈，选择性地在金属线圈表面原位生长石墨烯：采用化学气相淀积(CVD)的方法，在线圈表面生长一层石墨烯。用于生长石墨烯的碳源可以是气态碳源，如CH₂，CH₄等，也可以是液态碳源，如乙醇，还可以是固态碳源，如PMMA，油脂，各种含碳有机物等。制备的石墨烯覆盖层可以是单层的，双层或多层石墨烯。

本发明的基本原理：

本发明的基本原理是利用石墨烯独特的晶体结构、优异的物理和化学特性，其为单原子层二维结构薄膜，高电导率、高电流承受密度，优良的热传导性和化学稳定性等。由于石墨烯可承受的电流密度可以高于10⁸A/cm²。当金属连线表面覆盖有石墨烯时，一旦由于线圈内电流过高而出现电迁移产生空洞，电流可通过覆盖在线圈表面的石墨烯来传导，从而减缓了连线中空洞的生长速率，提高了线圈的抗电迁移能力以及寿命。同时覆盖在线圈表面的石墨烯也起到了与扩散阻挡层相似的作用，阻止金属向介质层的渗透，降低了由此带来的短路的风险。另外石墨烯的优良的化学稳定性以及对气体不可渗透，让包裹一层石墨烯的金属电感在制备和使用过程中避免了被氧化。石墨烯具有优良的热传导性，缓解了电感线圈因局部温度过高而发生的导线熔断或者是介质击穿的现象，而且石墨烯本身没有电迁移现象，可减少整体铜互连线电迁移现象所致的性能退化。

本发明的优点：

由于单层石墨烯的厚度只有

即使是双层或者是多层石墨烯，厚度也仍旧很薄，可以满足覆盖层厚度尽量薄的要求；石墨烯的高电导率使得即使增加了一层薄层覆盖层，并不会使电感线圈的电阻增大很多。相反由于趋肤效应和涡流效应引起电流集中在表面流过，而表面的高电导率的石墨烯比之前金属表面的电导率要大，在一定程度上减小了电感的电阻，提高了Q值。石墨烯可承受的最大电流密度在10⁸A/cm²量级，具有十分优良的抗电迁移率能力。石墨烯的化学稳定性好以及对气体不可渗透，使得包裹一层石墨烯的金属铜电感在制备过程中避免被氧化。石墨烯还具有优良的热传导性，缓解了电感线圈由于在局部温度过高而发生的导线熔断或者是介质热击穿的现象。因此，石墨烯的各种优良特性，保证了石墨烯覆盖层用于金属铜电感中的必要性和可靠性。

附图说明

图1（A）—图1（G）为本发明制备方法的流程图：

具体实施方式

下面用实施例阐明本发明，但是这些实施例不应被解释为对本发明的限制。

以铜电感为例：

（1）准备电阻率较高(大于10Ω/cm)的P型硅衬底1，如图1（A）所示。

（2）在硅衬底上淀积一层氧化层2，如图1（B）所示。用于隔离电感下层金属与硅衬底。这层氧化层是SiO₂，是通过CVD的方法生成。

（3）蒸发形成第一层金属铜，用于电感内端口的引出互连线，并且实现图形化。在淀积铜之前，先淀积一层Cr。然后选择性的在金属铜下层连线3表面用化学气相淀积生长石墨烯层4（如图1（C）所示），其具体生长工艺如下：

(i)升温过程：在H₂和Ar气氛下，在60分钟内将炉温升至生长温度850℃。H₂流量控制在15sccm，Ar的流量控制在450sccm；

(ii)保温过程：在炉温升至生长温度后，继续在H₂和Ar的气氛下保持20分钟；

(iii)石墨烯生长过程：恒温过程之后，将甲烷引入炉内，流量控制在15sccm，温度继续保持恒定，生长时间为10分钟。

(iv)降温过程：在生长过程完成后，关闭CH₄气体，继续保持H₂和Ar流量的条件下开始降温，降温速度为20℃/min。

（4）用CVD的方法在生长完石墨烯的结构上面沉积厚度为1μm左右的二氧化硅介质层5。并且同时用RIE刻蚀二氧化硅介质层5形成下层金属与铜电感的通孔。如图1（D）所示。

（5）利用溅射淀积的方法在通孔和二氧化硅介质层5表面形成一层阻挡层TaN和铜的种籽层6。如图1（E）所示。

（6）在阻挡层TaN和铜的种籽层6上涂上一层PMMA，通过电子束曝光，将需要淀积铜的地方的光刻胶去除掉。通过电化学镀（ECP）的方法在通孔和未被光刻胶覆盖的地方淀积铜金属。采用化学机械抛光（CPM）将表面平整化。去除掉光刻胶以及光刻胶下面的种籽层，最后形成所需的铜电感图形7。如图1（F）示。

（7）在铜电感线圈上选择性的原位生长一层石墨烯覆盖层8。具体生长工艺与步骤3中一致。如图1（G）示。

以上通过优选实施例详细描述了本发明，本领域的技术人员应当理解，以上所述仅为本发明的优选实施例，在不脱离本发明实质的范围内，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims

1.一种金属电感的制备方法，制备工艺如下：

1)制备电感的下层金属连线；

2)下层金属连线上面淀积绝缘介质层，并且同时刻蚀形成通孔，用以将电感内端口连出；

3)在通孔和介质层表面淀积一层扩散阻挡层和金属的种籽层，制备金属电感线圈；

4)在上述金属电感线圈表面原位生长石墨烯材料层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，下层金属连线是铝，铜，钨和金，或是表面包覆如NiWP、CuSiN、CoWP覆盖层的铜互连线，或者是表面包覆石墨烯覆盖层的金属连线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1)中，下层金属连线与衬底上的介质材料层之间淀积一层扩散阻挡层，该扩散阻挡层采用Cr、TI或TIW。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2)中，绝缘介质层采用低k介质材料。低k介质材料是SiO₂、polimide、BENZOCYCLOBUTENE有机聚合物以及多孔材料。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3)中，扩散阻挡层是Ti、TiW、Cr、TaN/Ta。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，采用化学气相淀积的方法，在金属电感线圈表面生长一层石墨烯，用于生长石墨烯的碳源是气态碳源，或是液态碳源，或者是固态碳源。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤4)中，制备的石墨烯覆盖层是单层、双层或多层石墨烯。