CN102956611B - 一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法，其包括先在衬底中形成下层互连线，依次淀积阻挡层和介质层，然后在介质层中形成空气隙图形孔，在空气隙图形孔中淀积加热可分解材料，再在介质层表面淀积多孔介质层，接着经光刻刻蚀形成通孔，再在通孔中淀积金属，将加热可分解材料经加热分解从而在介质层中形成空气隙，最后经薄膜转移工艺和光刻刻蚀形成上层石墨烯纳米带互连线。因此，本发明的方法中通过采用石墨烯纳米带互连线替代传统的Cu金属互连，简化了制造工艺，并且在上、下层互连线交叠位置形成空气隙，能够有效地降低耦合电容，从而减少RC的延迟时间，提高了芯片性能。

Description

一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，且特别涉及一种空气隙/石墨烯互连线结构及其制备方法。
背景技术
近年来,电子信息产业如计算机、通信、自动化等的高速发展给人们的生活带来了巨大的便利，电子产品微型化的同时性能也越来越好。在此过程中单晶硅材料发挥了巨大作用，但随着器件尺寸的不断缩小，极限问题随之出现，如特征线宽的缩小和芯片集成度的限制：一方面，工艺上很难继续达到更窄的线宽，主要体现在光刻精度的问题；另一方面，尺寸不断缩小，一些物理效应将影响器件的正常工作，最终导致器件失效。那么，为了克服这一瓶颈，需要寻找更好的电子器件材料来代替单晶硅。科学家和研究工作者将目光和研究焦点聚集在了明星材料—石墨烯上。
石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为单层原子层的厚度—几埃的量级。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达15000cm2/(V*s)，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可达250000cm2/(V*s)；其热导率可达5000W/(m*K)，是金刚石的3倍；还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。由于其优良的机械和光电性质，结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命。
对于石墨烯在互补金属氧化物半导体(CMOS)电路领域的应用，一方面，由于石墨烯的高迁移率，采用石墨烯制作高频高速晶体管是石墨烯在CMOS器件方面的一个重要应用；另外一方面，由于石墨烯的良好散热和导电能力，学术界和工业界希望石墨烯能成为Cu互连的替代材料。随着集成电路线宽尺寸的不断缩小，相比于器件本身的延迟，互连线的延迟的影响已经变得越来越明显。降低互连线延迟的途径有两种，一种是降低互连线的电阻(从Al线演变为Cu线)，另外一种就是降低互连线之间的耦合电容(从SiO2到low-k材料)。现有的Cu线互连随着线宽尺寸的变小，Cu互连线的电阻率会急剧增大，因此寻找Cu互连线的替代材料也变得越来越重要和急迫。
在现有Cu互连工艺中，为了降低互连线延迟，研究如何减小互连线间的耦合电容是非常重要的。如附图1所示，Mx和Mx+1分别为第x层和第x+1层的互连线，via为通孔，C//为平行互连线之间的耦合电容，C⊥为垂直互连线之间的耦合电容。由平行互连线之间的耦合电容C//和垂直互连线之间的耦合电容C⊥共同构成互联线间的耦合电容，并且前者的影响远大于后者。
现有技术中，由于平行互连线之间的耦合电容C//远大于垂直互连线之间的耦合电容C⊥，因此为了降低互连线之间的总的耦合电容主要是通过降低平行互连线之间的耦合电容C//，其中的一种方法是在互连线层中形成空气隙，但是该方法不能减小垂直互连线之间的耦合电容C⊥。
当使用石墨烯替代Cu作为互连材料时，由于石墨烯的厚度非常薄(几纳米，十层)，因此平行互连线之间的耦合电容C//大大降低，此时垂直互连线之间的耦合电容C⊥影响增大，成为不可忽略的一部分。因此，需要一种结构不仅能够降低耦合电容C//，还能够降低耦合电容C⊥。
发明内容
针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明提供一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法，旨在解决Cu互连在工艺尺寸进一步缩小过程中所遇到的电阻率升高的问题和有效地降低互连线的延迟时间，提升芯片性能。
为了达到上述目的，本发明提出一种空气隙/石墨烯互连结构，包括：
衬底；
位于所述衬底中的下层互连线；
位于所述衬底上的阻挡层；
位于所述阻挡层上的介质层；
位于所述介质层上的多孔介质层；
位于所述多孔介质层上的上层石墨烯纳米带互连线；
贯穿所述阻挡层、所述介质层和所述多孔介质层中的填充通孔；
所述的下层互连线与所述多孔介质层、所述上层石墨烯纳米带互连线通过位于介质层中的空气隙相隔离。
优选地，所述的上层石墨烯纳米带互连线的厚度小于10nm。
优选地，所述下层互连线，可以是单层互连线，也可以是多层互连线的任何一层。
优选地，所述空气隙，位于所述上层石墨烯互连线和下层互连线的交叠区域，且与所述填充通孔不相交。
优选地，所述空气隙的顶部面积不小于所述交叠区域的面积。
同时，本发明还提出了上述空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，包括下列步骤：
步骤S01：在衬底中形成下层互连线；
步骤S02：在所述衬底表面依次淀积阻挡层和介质层；
步骤S03：经光刻、刻蚀，在所述介质层上形成空气隙图形孔；
步骤S04：在所述空气隙图形孔中淀积加热可分解材料；
步骤S05：在所述介质层表面淀积多孔介质层；
步骤S06：经光刻、刻蚀，形成贯穿多孔介质层、介质层和阻挡层的通孔；
步骤S07：在通孔中淀积金属，形成填充通孔；
步骤S08：在介质层中形成空气隙；
步骤S09：在多孔介质层表面形成上层石墨烯纳米带互连线。
优选地，步骤S04中，淀积所述的加热可分解材料所采用的方法为化学气相沉积法(CVD)或旋涂法。在加热可分解材料淀积之后，采用化学机械研磨或者刻蚀工艺对加热可分解材料顶部的表面进行处理。
优选地，步骤S08中，对加热可分解材料进行加热使加热可分解材料完全分解并通过多孔介质层完全溢出，从而得到所述空气隙。
优选地，加热分解的温度不高于500℃。
优选地，上层石墨烯互连线的形成包括如下步骤：先通过薄膜转移工艺将石墨烯薄膜转移到多孔介质层上形成石墨烯层，然后经刻蚀工艺对所述石墨烯层进行图形化，形成石墨烯互连线。
优选地，石墨烯薄膜的制备方法为CVD法、SiC热分解法、或氧化还原法。对所述石墨烯层进行图形化是通过气体干法刻蚀完成。
本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法，通过采用石墨烯纳米带互连线替代传统的Cu金属互连，解决了Cu互连在工艺尺寸进一步缩小过程中所遇到的电阻率升高的问题，由于石墨烯的厚度非常薄，因此平行互连线之间的耦合电容C//大大降低；并且由于在上、下互连线之间形成空气隙，能够有效地降低耦合电容C⊥，从而降低互连线的延迟时间，提高了芯片性能。
附图说明
图1是通常情况下的互连线结构及金属互连线间耦合电容示意图。
图2是本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构的一个较佳实施例的截面图。
图3是本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法的较佳实实施例的工艺流程图。
图4-13是用以说明本发明的制作方法具体步骤时所形成的剖面图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法作进一步详细说明需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参阅图2，图2为发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构的一个较佳实施例的截面图。如图2所示，本发明的一种空气隙/石墨烯互连结构，包括：衬底401,下层互连线402，阻挡层403，介质层404，空气隙405，多孔介质层406，填充通孔407，上层石墨烯纳米带互连线408。
需要说明的是，石墨烯纳米带互连线408的厚度小于10nm。本实施例中的下层互连线402，可以是但不限于是单层互连线，也可以是多层互连线的任何一层。下层互连线402的材料可以是但不限于是铜，也可以是石墨烯，也可以是其它导电材料。
还需要说明的是，空气隙405位于上层石墨烯纳米带互连线408和下层互连线402的交叠区域，且与填充通孔407不相交。空气隙405的顶部面积不小于所述交叠区域的面积。
本发明所公开的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法可以有很多种，以下所述的是本发明所公开的如图2所示的空气隙/石墨烯互连结构的制备方法的一个实施例。
尽管这些图并不是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。
现结合附图3-13，通过一个具体实施例对本发明形成图2中所述的空气隙/石墨烯互连结构的制备方法进行逐步详细说明。
图3为本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法的较佳实施例的工艺流程图，空气隙/石墨烯互连结构的制备方法包括步骤S01-S09，步骤S01-S09分别通过附图4-13以说明本发明图3所述的制备方法具体步骤时所形成的剖面结构。
请参阅图3，如图所示，在本发明的该实施例中，一种空气隙/石墨烯互连机构的制备方法，包括如下步骤：
步骤S01：请参阅图4，在衬底401中形成下层互连线402；
需要说明的是，衬底401材料为半导体材料，可以是但不限于是硅。下层互连线402的制备可以但不限于通过光刻、填充金属和化学机械研磨得到。
步骤S02：请参阅图5，在衬底401表面依次淀积阻挡层403和介质层404；
需要说明的是，在本实施例中采用化学气相沉积法在衬底401表面淀积阻挡层403和介质层404，这不用于限制本发明的范围。阻挡层403的材料可以为氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，其厚度可以为200-1000埃；介质层404材料可以为SiO，FSG，SiOC等低k材料，其厚度可以为2000-6000埃。
步骤S03：请参阅图6，经光刻和刻蚀，在介质层404上形成空气隙图形孔409。
具体地，对介质层404进行光刻和刻蚀，在介质层404中形成空气隙图形孔409；该空气隙图形孔409位于下层互连线402与上层石墨烯纳米带互连线408交叠区域，且与填充通孔407不相交。
步骤S04：请参阅图7，在所述空气隙图形孔409中淀积加热可分解材料410；
具体地，采用化学气相沉积法或旋涂工艺在空气隙图形孔409中淀积加热可分解材料410，使加热可分解材料410只形成于空气隙图形孔409中。
步骤S05：请参阅图8，在介质层404表面淀积一层多孔介质层406。
需要说明的是，在本实施例中，采用化学气相沉积方法淀积多孔介质层406。该多孔介质层406的材料可以但不限于为SOG、SiOC、SiCOH、MSQ材料中的一中或多种，多孔介质层406的厚度为100-1500埃，但这不用于限制本发明。
步骤S06：请参阅图9，经光刻和刻蚀，形成贯穿于多孔介质层406、介质层404和阻挡层403的通孔411。
步骤S07：请参阅图10，在通孔411中淀积金属形成填充通孔407。具体地，在本实施例中，所淀积的金属可以但不限于是铜。可以但不限于采用化学机械抛光工艺对金属顶部表面进行处理，从而使金属顶部与多孔介质层406的表面在同一平面上。
步骤S08：请参阅图11，在介质层404中形成空气隙405；需要说明的是，形成空气隙405的方法包括：通过加热将可热分解材料410完全分解，并使其从多孔介质层406中完全溢出，从而在介质层404中形成空气隙405。
步骤S09：请参阅图12，将制备好的石墨烯薄膜采用薄膜转移工艺转移到多孔介质层406上，然后采用光刻和刻蚀工艺对石墨烯薄膜进行图形化，请参阅图13，在多孔介质层406表面形成石墨烯纳米带互连线408。
需要说明的是，石墨烯薄膜的制备方法可以但不限于是化学气相沉积法、SiC热分解法，和氧化还原法。石墨烯薄膜可以是但不限于是单层或多层石墨烯。在对石墨烯薄膜进行图形化的光刻和刻蚀工艺中，所采用的气体可以是但不限于是H2、O2、和CxFy气体。
综上所述，本发明提供的一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法，通过采用石墨烯纳米带互连线替代传统的Cu金属互连，解决了Cu互连在工艺尺寸进一步缩小过程中所遇到的电阻率升高的问题，由于石墨烯的厚度非常薄，简化了工艺，平行互连线之间的耦合电容C//大大降低；并且由于在上、下互连线之间形成空气隙，能够有效地降低耦合电容C⊥，从而降低互连线的延迟时间，提高了芯片性能。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (13)

1.一种空气隙/石墨烯互连结构，其特征在于，包括：
衬底；
位于所述衬底中的下层互连线；
位于所述衬底上的阻挡层；
位于所述阻挡层上的介质层；
位于所述介质层上的多孔介质层；
位于所述多孔介质层上的上层石墨烯纳米带互连线；
贯穿所述阻挡层、所述介质层和所述多孔介质层的填充通孔；
所述的下层互连线与所述多孔介质层、所述上层石墨烯纳米带互连线之间通过位于所述介质层中的空气隙相隔离；其中，所述空气隙位于所述上层石墨烯纳米带互连线和下层互连线的交叠区域。
2.根据权利要求1所述的一种空气隙/石墨烯互连结构，其特征在于：所述空气隙与所述填充通孔不相交。
3.根据权利要求1所述的一种空气隙/石墨烯互连结构，其特征在于：所述上层石墨烯纳米带互连线的厚度小于10nm。
4.根据权利要求1所述的一种空气隙/石墨烯互连结构，其特征在于：所述下层互连线，是单层互连线，或多层互连线的任何一层。
5.根据权利要求2所述的一种空气隙/石墨烯互连结构，其特征在于：所述空气隙的顶部面积不小于所述交叠区域的面积。
6.一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：
步骤S01：在衬底中形成下层互连线；
步骤S02：在所述衬底表面依次淀积阻挡层和介质层；
步骤S03：经光刻、刻蚀，在所述介质层上形成空气隙图形孔；
步骤S04：在所述空气隙图形孔中淀积加热可分解材料；
步骤S05：在所述介质层表面淀积多孔介质层；
步骤S06：经光刻、刻蚀，形成贯穿所述多孔介质层、所述介质层和所述阻挡层的通孔；
步骤S07：在所述通孔中淀积金属，形成填充通孔；
步骤S08：在所述介质层中形成空气隙；
步骤S09：在所述多孔介质层表面形成上层石墨烯纳米带互连线。
7.根据权利要求6所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：步骤S04中，淀积所述的加热可分解材料所采用的方法为化学气相沉积法(CVD)或旋涂法。
8.根据权利要求6所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：步骤S04中，在所述的加热可分解材料淀积之后，还包括采用化学机械研磨或者刻蚀工艺对所述加热可分解材料顶部的表面进行处理。
9.根据权利要求6所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：步骤S08中，对所述加热可分解材料进行加热后所述加热可分解材料完全分解并通过所述多孔介质层完全溢出，从而得到所述空气隙。
10.根据权利要求9所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：步骤S08中，所述加热分解的温度不高于500℃。
11.根据权利要求6所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：所述石墨烯互连线的形成包括如下步骤：先通过薄膜转移工艺将石墨烯薄膜转移到所述多孔介质层上形成石墨烯层，然后经刻蚀工艺对所述石墨烯层进行图形化，形成所述上层石墨烯纳米带互连线。
12.根据权利要求11所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：所述石墨烯薄膜的制备方法为CVD法、SiC热分解法、或氧化还原法。
13.根据权利要求11所述的一种空气隙/石墨烯互连结构的制备方法，其特征在于：对所述石墨烯层进行图形化是通过气体干法刻蚀完成。
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