CN102842568A - 一种基于碳纳米管的互连结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管的互连结构及其制造方法。本发明使用碳纳米管替代铜作为互连介质，工艺过程简单，而且经过一定的工艺处理可以在互连通孔中得到均匀且平行的碳纳米管，不需要制备扩散阻挡层就可以有效防止漏电流的产生、减少电路的可靠性问题。同时，由于碳纳米管具有良好的电学、热学和机械特性，可以提高电路的电流密度、降低芯片功耗，也可以有效的解决铜互连在尺寸减小后遇到的电迁移和串扰噪声等问题。

Description

一种基于碳纳米管的互连结构及其制造方法
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管的互连结构及其制造方法。
背景技术
铜互连技术指在半导体集成电路互连层的制作中采用铜金属材料取代传统铝金属互连材料的新型半导体制造工艺技术。传统的铜互连结构如图1所示，包括在半导体基底10上形成的低介电常数介质层11，在低介电常数介质层11中形成有互连通孔，覆盖所述互连通孔的底壁和侧壁形成有抗铜扩散阻挡层12，在所述互连通孔内所述抗铜扩散阻挡层12之上形成有铜互连线13。由于采用铜互连线可以降低互连层的厚度，使得互连层间的分布电容降低，从而使频率提高成为可能。另外，在器件密度进一步增加的情况下还会出现由电子迁移引发的可靠性问题，而铜在这方面比铝也有很强的优越性。然而随着半导体器件尺寸的进一步缩小，铜互连正经历着非常严峻的挑战，比如电迁移现象、互连功耗以及串扰的存在等，都使得铜互连在器件小型化以后暴露出越来越多的问题。此外，铜互连的工艺虽然比较成熟，但是仍然存在许多问题，比如需要使用抗铜扩散阻挡层防止铜在低介电常数介质中扩散，以防止漏电，而且当集成电路尺寸减小之后，如何在小空间内生长出致密性和一致性都很好的铜互连，也非常具有挑战性。
碳纳米管的研究目前比较火热。碳纳米管具有优越的电学、热学和机械特性，并且可以负载高密度电流而不会有可靠性的问题，同时，碳纳米管本身不具有扩散的特性，而且经过研究，随着集成电路尺寸的减小，为了保持电路的延迟特性，对碳纳米管浓度的需求却在逐渐降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工艺简单、可靠性高、功耗低的基于碳纳米管的互连结构及其制备方法，从而可以解决铜互连技术所面对的问题。
本发明所提供的一种基于碳纳米管的互连结构，其主要包括：
在半导体基底表面生长的绝缘介质层
在所述绝缘介质层中形成的互连通孔；
在所述互连通孔底部形成的底部金属；
在所述互连通孔内并位于所述底部金属上生长的碳纳米管；
在所述互连通孔内并位于所述碳纳米管周围形成的密封层；
以及在所述碳纳米管顶部形成的顶部金属。
如上所述的基于碳纳米管的互连结构，在所述碳纳米管的底部形成有用于生长碳纳米管的催化剂薄膜，所述的催化剂为铁，其厚度范围为1-3纳米。
如上所述的基于碳纳米管的互连结构，所述的密封层为低介电常数的金属氧化物或者硅氧化物。
进一步地，本发明还提出了所述基于碳纳米管的互连结构的制备方法，具体步骤如下：
在提供的半导体基底表面生长第一层金属；
在所述第一层金属之上淀积第一层光刻胶并光刻形成图形；
刻蚀掉没有被光刻胶保护的所述第一层金属，剩余的所述第一层金属形成底部金属接触；
剥除第一层光刻胶；
覆盖所述底部金属淀积第一层绝缘薄膜；
在所述第一层绝缘薄膜之上淀积第二层光刻胶并光刻定义出互连通孔的位置；
刻蚀掉没有被光刻胶保护的所述第一层绝缘薄膜形成互连通孔；
剥除第二层光刻胶；
在所述互连通孔底部淀积一层用于生长碳纳米管的催化剂；
在所述互连通孔内生长碳纳米管；
在所述互连通孔内、所述碳纳米管周围生长金属氧化物或硅氧化物密封层；
用化学机械抛光技术去除不需要的碳纳米管；
在剩余的碳纳米管顶部生长第二层金属；
在所述第二层金属之上淀积第三次光刻胶并光刻形成图形；
刻蚀掉没有被光刻胶保护的所述第二层金属，剩余的所述第二层金属形成顶部金属接触。
如上所述的基于碳纳米管的互连结构的制造方法，所述的催化剂为铁，其厚度范围为1-3纳米。
本发明使用碳纳米管替代铜作为互连介质，工艺过程简单，而且经过一定的工艺处理可以在互连通孔中得到均匀且平行的碳纳米管，不需要制备扩散阻挡层就可以有效防止漏电流的产生、减少电路的可靠性问题。同时，由于碳纳米管具有良好的电学、热学和机械特性，可以提高电路的电流密度、降低芯片功耗，也可以有效的解决铜互连在尺寸减小后遇到的电迁移和串扰噪声等问题。
附图说明
图1为传统技术的铜互连结构的截面图
图2为本发明所提出的基于碳纳米管的互连结构的一个实施例的截面图。
图3-图9为本发明所提出的如图1所示的基于碳纳米管的互连结构的制造方法的一个实施例的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，在图中，为了方便说明，放大或缩小了层和区域的厚度，所示大小并不代表实际尺寸。尽管这些图并不能完全准确的反映出器件的实际尺寸，但是它们还是完整的反映了区域和组成结构之间的相互位置，特别是组成结构之间的上下和相邻关系。
图2为本发明所提出的基于碳纳米管的互连结构的一个实施例的截面图，如图2，基于碳纳米管的互连结构包括：在半导体基底表面生长的绝缘介质层101，在绝缘介质层101中形成有互连通孔，在所述互连通孔的底部形成有底部金属102，在所述互连通孔内并位于底部金属102之上生长有碳纳米管104，在碳纳米管104的底部并位于底部金属102上形成有用于生长碳纳米管的催化剂103，催化剂103为铁。在互连通孔内、碳纳米管104的周围形成金属氧化物密封层105，金属氧化物密封层105比如为三氧化二铝。在碳纳米管104的顶部形成有顶部金属106。 
本发明所提出的基于碳纳米管的互连结构可以通过很多方法制造，以下所叙述的是本发明所公开的如图2所示的基于碳纳米管的互连结构的制造方法的一个实施例，图3-9描述了制备如图2所示的基于碳纳米管的互连结构的一部分工序。
首先，如图3所示，使用物理气相沉积（PVD）工艺在半导体基底200的表面生长一层约50纳米厚的CuAl（Al所占比例为99%）合金薄膜，再在CuAl合金薄膜的表面淀积一层光刻胶并光刻形成图形，然后刻蚀掉没有被光刻胶保护的CuAl合金薄膜，剩余的CuAl合金薄膜形成底部金属接触201，之后剥除光刻胶。
所述半导体基底200的材质可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅中的一种，也可以是绝缘体上的硅结构或硅上外延层结构。在所述半导体基底200中形成有半导体器件（未示出），例如具有栅极、源极和漏极的金属氧化物半导体器件。所述半导体基底200中还可以形成有金属互连结构（未示出），如铜的通孔或者互连线。
接下来，使用化学气相沉积（CVD）工艺在上述结构之上生长一层约600纳米厚的绝缘介质层202，所述绝缘介质层可以是二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等，本实施绝缘介质层202采用的是二氧化硅。接着在二氧化硅薄膜202之上采用PVD工艺生长一层约50纳米厚的TiN薄膜203，然后在TiN薄膜203之上淀积一层光刻胶301并掩膜、曝光、显影定义出互连通孔的位置，如图4所示。
接下来，依次刻蚀掉没有被光刻胶保护的TiN薄膜和二氧化硅薄膜形成互连通孔，剥除光刻胶301后如图5所示。
接下来，用稀的HF酸溶液清洗互连通孔的底部，接着使用PVD工艺在上述结构之上生长一层约2纳米厚的铁薄膜204，用作生长碳纳米管的催化剂。之后将所形成的器件放入原子层淀积设备中并将腔体加热到600℃，然后将C2H2、H2、He混合气体通入到腔体内，在铁薄膜表面生长碳纳米管205，如图6所示。为方便说明，在本发明实施例中只示出了在互连通孔中生长的碳纳米管而未示出在互连通孔外的铁薄膜上生长的碳纳米管。
碳纳米管生长完成之后，在互连通孔内碳纳米管205的周围生长金属氧化物作为密封层206，如图7所示。所述的金属氧化物可以为氧化铝、氧化硅、氧化锌，也可以为其它具有低介电常数值的金属氧化物。本发明实施例以氧化铝示出，其工艺过程为：在350℃的腔体温度下，分别使用三甲基铝（TMA）和水作为前驱体和氧化剂，采用原子层淀积工艺在碳纳米管205的周围生长Al2O3薄膜。
生长好密封层之后，用化学机械抛光的方法将表面的TiN、Al2O3和多出的碳纳米管以及铁薄膜去除掉，如图8所示。
最后，用45℃的HF酸溶液（HF酸的浓度为0.05%）清洗经过抛光的器件表面，接着在所形成的器件表面淀积一层金属薄膜，金属薄膜比如为Ti或者Pt，然后在所形成的金属薄膜之上继续淀积一层光刻胶并光刻形成图形，然后刻蚀掉没有被光刻胶保护的的金属薄膜，剩余的金属薄膜形成顶部金属接触207，剥除光刻胶后如图9所示。
如上所述，在不偏离本发明精神和范围的情况下，还可以构成许多有很大差别的实施例。应当理解，除了如所附的权利要求所限定的，本发明不限于在说明书中所述的具体实例。

Claims (6)

1.一种基于碳纳米管的互连结构，其特征在于，包括：
在半导体基底表面生长的绝缘介质层；
在所述绝缘介质层中形成的互连通孔；
在所述互连通孔底部形成的底部金属；
在所述互连通孔内并位于所述底部金属上生长的碳纳米管；
在所述互连通孔内并位于所述碳纳米管周围形成的密封层；
以及在所述碳纳米管顶部形成的顶部金属。
2.如权利要求1所述的基于碳纳米管的互连结构，其特征在于，在所述碳纳米管的底部并位于所述底部金属之上形成有用于生长碳纳米管的催化剂薄膜，所述的催化剂为铁，其厚度范围为1-3纳米。
3.如权利要求1所述的基于碳纳米管的互连结构，其特征在于，所述的密封层为低介电常数的金属氧化物或者硅氧化物。
4.一种如权利要求1所述的基于碳纳米管的互连结构的制造方法，包括：
在提供的半导体基底表面生长第一层金属并刻蚀形成所述第一层金属形成底部金属接触；
在所述半导体基底表面并覆盖所述底部金属形成第一层绝缘薄膜；
刻蚀所述第一层绝缘薄膜形成互连通孔；
在所述互连通孔底部淀积一层用于生长碳纳米管的催化剂；
在所述互连通孔内生长碳纳米管；
在所述互连通孔内、所述碳纳米管周围生长密封层；
用化学机械抛光技术去除不需要的碳纳米管；
在剩余的碳纳米管顶部生长第二层金属并刻蚀所述第二层金属形成顶部金属接触。
5.如权利要求4所述的基于碳纳米管的互连结构的制造方法，其特征在于，所述的密封层为低介电常数的金属氧化物或者硅氧化物。
6.如权利要求4所述的基于碳纳米管的互连结构的制造方法，其特征在于，所述的催化剂为铁，其厚度范围为1-3纳米。
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