CN111863714A - 一种互连结构的形成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种互连结构的形成方法，包括以下步骤：步骤S01：提供一衬底，所述衬底上形成有具有平整表面的后道互连层；步骤S02：在所述后道互连层表面上选择性形成催化剂层，以及在所述催化剂层上形成保护层；步骤S03：在所述保护层上覆盖介质层，以及在所述介质层上形成底部连接所述保护层表面的通孔；步骤S04：在所述通孔底部的所述保护层上形成多个穿孔，露出所述穿孔下方的所述催化剂层表面；步骤S05：提供含碳的前驱体并进行催化反应，沿所述穿孔催化生长出多条碳纳米管/线，从而在所述通孔中形成碳互连线。本发明方法简单，具有较大的工艺窗口和较低的工艺门槛。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路制造技术领域，特别是涉及一种互连结构的形成方法。
背景技术
集成电路制造主要可以分为两个部分：前道器件，后道互连。随着摩尔定律的发展，技术节点已经发展到7纳米，甚至是5纳米。随着技术节点的向下延伸，限制芯片工作速度的主要因素已经由前道器件，转移到后道互连层。当前，由于后道互连层存在的RC延迟现象，导致了芯片的工作速度无法有进一步的突破。
在集成电路的发展过程中，集成电路后道互连层也在不断地改进过程中。在微米级别的技术节点中，后道互连层所用金属一般为铝。随着技术节点的延伸，铝由于电阻率大，并且抗电迁移性差等原因，导致铝互连层已经无法满足电学性能的要求，因此急需采用新的材料来取代铝互连。铜和铝相比，电阻率更低，为1.7μΩ·cm；并且，铜的抗电迁移性明显优于铝，因此铜互连成为取代铝互连的优选方案。以往，铜由于在刻蚀方面存在问题，导致无法取代铝互连。现在，随着大马士革工艺的开发，为铜互连取代铝互连提供了工艺上的可行性方案。随着后期工艺改进，铜互连已逐渐取代铝，成为深亚微米后道互连层的主要互连材料。
目前，铜互连在深亚微米集成电路中已获得了大规模的应用。但随着技术节点的延伸，铜互连存在的问题也逐渐显现出来，成为限制芯片工作速率的主要原因。在铜互连工艺过程中，由于铜容易扩散，会导致电学参数波动，因此，在铜电沉积前，要先进行Ta，TaN等阻挡层的沉积。由于阻挡层的电阻率远高于铜，并且阻挡层的厚度不能随着技术节点的延伸而减小(为了有效阻挡铜扩散)，因此在通孔中，铜所占的体积比逐渐下降，而铜的尺寸也逐渐减小。上述情况导致铜互连层中铜的电阻率随着技术节点的延伸，反而逐渐增大了。由于互连层中铜电阻率的逐渐增大，导致无法适应当前先进技术节点对互连层内部电阻的要求。因此，铜互连层日益成为限制先进工艺芯片工作速度的主要条件。
1991年，日本著名学者S.Lijima发现了碳纳米管(carbon nanotubes)，并在《Nature》杂志上发表了文章，从而在全世界的范围内掀起了研究碳纳米管性能和特征的热潮。碳纳米管由于其独特的一维结构和分子特性，令其具有独特的电学、力学、光学和机械等方面的特性，在不同领域都展现出广泛的应用。特别是在集成电路的互连中使用时，可以显著地减小互连层的电阻，极大地提高电流负载能力，有效地提升器件可靠性。
碳纳米管是由单层或者几层的石墨类元素，以一定的规律，按照一定的角度进行扭转，并卷曲，从而形成的一种真正的一维管状结构，直径为1nm-100nm不等。其中，单壁碳纳米管只含有一层石墨元素材料；而多壁碳纳米管则是由许多层石墨元素材料组成，且这些层之间都公用一条轴线，只是各自的直径不同；而且，各层石墨元素材料在碳纳米管的结构中互不相连。更多层碳层通过卷曲还可以形成碳纳米线。碳纳米管/线(碳纳米管或碳纳米线)的物理性能优越，有着良好的应用空间；且其结构独到，价格低廉的特点也引起了学术领域各个专家学者的普遍关注。
在铜互连电学性能逐渐无法满足集成电路要求的趋势下，碳纳米管/线由于天然的纳米尺寸特点，成为集成电路互连材料的有潜力的替代方案之一。但是，由于碳纳米管/线量子电阻的存在，使得其只有当密度达到3×1013ions/cm2时，电阻率才能和铜相当。因此，如果要使碳纳米管/线取代铜成为互连材料，就必须提高单位面积上碳纳米管/线的密度。
然而，由于催化剂尺寸的限制，导致提高碳纳米管/线的密度在工艺实现上存在一定的难度。同时，如何将碳纳米管/线互连集成到当前的后道工艺中，也是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种互连结构的形成方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种互连结构的形成方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，所述衬底上形成有具有平整表面的后道互连层；
步骤S02：在所述后道互连层表面上选择性形成催化剂层，以及在所述催化剂层上形成保护层；
步骤S03：在所述保护层上覆盖介质层，以及在所述介质层上形成底部连接所述保护层表面的通孔；
步骤S04：在所述通孔底部的所述保护层上形成多个穿孔，露出所述穿孔下方的所述催化剂层表面；
步骤S05：提供含碳的前驱体并进行催化反应，沿所述穿孔催化生长出多条碳纳米管/线，从而在所述通孔中形成碳互连线。
进一步地，所述催化剂材料包括Ni、Co或Fe。
进一步地，步骤S04中，通过注入方式，将杂质粒子注入到所述保护层中，形成所述穿孔。所述粒子包括原子、离子和/或分子。
进一步地，通过改变注入杂质的种类，调整所述穿孔的大小，以调整所述穿孔下方露出的所述催化剂层表面的大小，实现对所述碳纳米管/线直径的调整。
进一步地，通过控制注入剂量，调整所述穿孔在单位面积上的密度，以调整所述穿孔下方露出的所述催化剂层表面在单位面积上的密度，实现对所述碳纳米管/线生长密度的调整。
进一步地，步骤S05中，采用PECVD工艺，进行所述碳纳米管/线的催化生长。
进一步地，通过控制射频功率、气体流量及比例以及腔体温度，以催化生长出单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米线，并控制其催化生长的长度。
进一步地，步骤S05中，进行所述碳纳米管/线的催化生长时，在所述衬底的上下两侧相对设置磁铁。
进一步地，步骤S05中，还包括：在催化生长所述碳纳米管/线之前，对注入后的所述保护层和所述催化剂层的表面进行预处理。
进一步地，所述预处理包括退火或氢气还原处理。
本发明具有以下优点：
(1)利用保护层覆盖在催化剂表面，同时使用杂质粒子(包括原子、离子和/或分子)注入的方式撞击保护层来形成纳米尺寸的孔洞(穿孔)，并可通过调整注入时的能量、杂质种类、密度等调整保护层中孔洞尺寸和密度，从而实现对暴露的催化剂尺寸的调整。
(2)碳纳米管/线催化生长过程中，碳纳米管/线在带有孔洞的保护层中垂直生长，此时保护层对碳纳米管/线的生长具有限域作用，最终实现了高密度碳纳米管/线的生长；同时，碳纳米管/线的直径、密度、长度皆可调，可以满足工艺的多样化需求。相比于铜通孔或铜互连线工艺，实现更加简单。
(3)利用催化生长机制，消除了以往铜电镀过程中存在的通孔填充性问题。
(4)根据设计需求，可通过调整注入工艺过程中杂质的类型，实现对催化剂尺寸进行调整，从而调整生长的碳纳米管/线的直径，并可通过调整注入剂量，调整单位面积上碳纳米管/线的密度，使得本发明具有较大的工艺窗口和较低的工艺门槛。
附图说明
图1是本发明一种互连结构的形成方法流程图。
图2-图8是本发明一较佳实施例的互连结构的形成方法的工艺步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一种互连结构的形成方法流程图。如图1所示，本发明的一种互连结构的形成方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，衬底上形成有具有平整表面的后道互连层。
请参考图2。可采用一个常规半导体硅片衬底，在衬底上制作形成前道器件层100，包括栅结构140；以及在器件层100上制作形成部分互连层110、130，包括在器件层100上制作形成接触孔110的基础上，通过光刻、刻蚀、物理气相沉积和电镀等工艺，在第一层电介质层120上实现铜电镀，并通过CMP工艺，实现平整的铜互连线层130，从而在衬底上形成有具有平整表面的后道互连层110、130。
本发明不仅仅包括在铜互连线层130上生长碳纳米管/线，可根据集成电路制造需求，在其他互连层或互连孔表面通过相同工艺催化生长碳纳米管/线。
步骤S02：在后道互连层表面上选择性形成催化剂层，以及在催化剂层上形成保护层。
请参考图3。将具有平整的铜互连线层130表面的硅片置于CVD机台中，在CVD机台中选择性沉积0.1-100纳米厚的钴层、镍层或铁层等可以催化出碳纳米管/线的催化剂层150。
本发明中沉积的钴层、镍层或铁层是作为碳纳米管/线的催化剂。但原则上，任何可以催化生长出碳纳米管/线的材料，都可以沉积作为催化剂层150，并都在本发明的保护范围内。
本发明中优选选择性沉积工艺，在铜互连线层130表面沉积催化剂层150，但沉积催化剂层150的方式不仅仅包括选择性沉积，也可以用其他沉积方式，只要达到在铜互连线层130表面形成催化剂层150，但第一层电介质层120上无催化剂层150沉积即可。因此，本发明的保护范围不仅仅包括选择性沉积，也包括通过其他工艺方式实现碳纳米管/线。
请参考图4。完成催化剂层150沉积之后，进行保护层160的沉积。
可通过CVD、ALD等相关工艺，在沉积有催化剂层150的硅片上沉积1-500nm厚的保护层160。本实施例中，保护层160可为硅介电层(SCD)，其厚度可为10nm。
保护层160的主要作用，是防止催化剂层150和其下面的铜被氧化腐蚀，其厚度可以根据工艺要求进行调整。
本发明中，保护层160可以是硅介电层，也可以是其他能隔绝氧气，并且不会影响催化剂层150催化性能，以及铜的导电性能的膜层。并且，本发明中对保护层160的沉积方式不作具体限制，任何满足保护要求的沉积方式，都可用在本发明中。
步骤S03：在保护层上覆盖介质层，以及在介质层上形成底部连接保护层表面的通孔。
请参考图5。完成保护层160沉积之后，在其上部沉积第二层电介质层(介质层)170。
本实施例中，第二层电介质层170可为low-k材料，其厚度可为200nm，并可通过CVD等相关工艺设备沉积生长。
本发明中沉积的第二层电介质层170，为集成电路制造过程中常用的第二层电介质层170材料，其厚度可以根据工艺要求进行调整。本发明中对第二层电介质层170的种类不作限制，其可以是Low-k材料，也可以是其他具有电介质性能，并应用在集成电路领域中的介质材料。
请参考图6。接下来，可通过光刻和刻蚀工艺，在催化剂层150对应位置的保护层160的特定位置上，刻蚀出目标通孔180。本实施例中，通孔180直径为50nm。本发明中通孔180大小和位置可以根据设计要求而定。
步骤S04：在通孔底部的保护层上形成多个穿孔，露出穿孔下方的催化剂层表面。
请参考图7。下一步，将形成特定通孔180的硅片置于注入机中。注入机通过离子源、离化室，将目标分子氢气离化，形成氢离子。在质量筛选器中，将氢离子筛选出来，并通过加速器将氢离子加速到目标能量，例如5KeV。
在注入前，可通过平行透镜组将离子束流整形到特定状态。最后在打开电子枪的情况下，将氢粒子注入到铜互连线层130中。
氢粒子的注入剂量可为1E11-1E18 ions/cm2范围。本实施例中，注入剂量为1E14ions/cm2，并且以0度角，不进行旋转的方式注入。
本发明中，目标离子的能量高低，要求目标离子可以穿透保护层160，但不穿透铜互连线层130，其目的是为了在保护层160中形成穿孔190，充分暴露出催化剂层150中的催化剂。
并且，本发明中，可通过控制注入剂量，以控制通孔180底部催化剂层150中的催化剂暴露的面密度。
本发明中，注入过程中可以开启离子枪，以中和离子，即在离化和加速过程中，催化剂元素以离子状态存在，但在最后注入时，注入元素主要以原子状态存在。因此，注入到保护层160中和催化剂层表面上的氢粒子中可包括原子、离子和/或分子等粒子。
当注入离子较少时，也可以选择不开启离子枪。
本发明的注入步骤中，注入的目标离子种类可以进行调整，例如可以是氢离子，氩离子或多元素离子等。该注入过程中，可通过调整注入的目标离子(原子)的大小，从而调整催化剂层150中的催化剂暴露的尺寸。
当注入的是氢离子时，可暴露出小于1nm的催化剂尺寸；当注入的是硼离子时，暴露的是接近甚至大于1nm的催化剂尺寸；当注入的是氩离子时，则可暴露出更大尺寸的催化剂。
本发明中，通过改变注入离子的种类，以调整注入形成的穿孔190孔径的大小，从而改变暴露的催化剂的尺寸。并可通过改变注入剂量，以调整暴露的单位面积上的催化剂的密度。
步骤S05：提供含碳的前驱体并进行催化反应，沿穿孔催化生长出多条碳纳米管/线，从而在通孔中形成碳互连线。
请参考图8。将完成注入工艺的硅片放入可低温催化碳互连线的设备中，例如PECVD等设备中。催化生长碳纳米管/线时，要求生长温度满足后道要求，过高的生长温度会导致器件失效等问题。本实施例中，碳纳米管/线的催化生长温度可为350-400℃。
本实施例中，优选使用PECVD机台催化生长碳纳米管/线，但不仅限于PECVD，原则上，只要满足可以低温催化生长碳纳米管/线的设备，都可用在本发明中作为催化碳纳米管/线设备使用。
本实施例中，催化生长碳纳米管/线之前，可对硅片进行一定程度的预处理；预处理包括但不限于前期低温退火处理、氢气还原处理等工艺，但不限于该方法。预处理的目的是调整注入后保护层160和催化剂层150的表面状态等。本实施例中，优选方案为在温度为400℃和流量为100sccm的H2环境中，退火2分钟。
完成硅片预处理后，在PECVD腔体中进行碳纳米管/线催化生长。生长过程例如为：将硅片置于腔体中，在380℃温度下稳定30秒；然后，通入氢气和碳前驱体。本实施例中，碳前驱体可为乙炔，氢气流量可为200sccm，乙炔流量可为30sccm。但本发明对碳纳米管/线催化生长过程中用到的气体和气体流量及比例，不作具体限制，可以根据工艺要求进行调整。
为实现碳互连线的优质生长，本发明中在催化碳互连线过程中，可以在硅片的上下方添加磁铁。
本发明中，可采用控制射频功率、气体流量及比例以及腔体温度的方式，调整催化生长的碳纳米管/线的具体状态；该具体状态包括单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米线等。生长的碳互连线具体状态可根据工艺需求进行选择。
同时，还可采用控制射频功率、气体流量及比例以及腔体温度的方式，控制碳纳米管/线的生长长度。本实施例中，生长的碳互连线(碳纳米管/线)200的长度为200nm。
最终生产出的高密度碳互连线200如图8所示。优选方案为催化剂顶端生长方式，但也可以根据工艺要求，通过调整工艺参数，实现催化剂底端生长或其他生长方式。
完成碳纳米管/线200生长后，可通过刻蚀工艺去除催化剂材料。也可以保留催化剂材料，以实现更佳电学性质的互连材料。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，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 (11)
1.一种互连结构的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一衬底，所述衬底上形成有具有平整表面的后道互连层；
步骤S02：在所述后道互连层表面上选择性形成催化剂层，以及在所述催化剂层上形成保护层；
步骤S03：在所述保护层上覆盖介质层，以及在所述介质层上形成底部连接所述保护层表面的通孔；
步骤S04：在所述通孔底部的所述保护层上形成多个穿孔，露出所述穿孔下方的所述催化剂层表面；
步骤S05：提供含碳的前驱体并进行催化反应，沿所述穿孔催化生长出多条碳纳米管/线，从而在所述通孔中形成碳互连线。
2.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述催化剂材料包括Ni、Co或Fe。
3.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，步骤S04中，通过注入方式，将杂质粒子注入到所述保护层中，形成所述穿孔。
4.根据权利要求3所述的互连结构的形成方法，其特征在于，通过改变注入杂质的种类，调整所述穿孔的大小，以调整所述穿孔下方露出的所述催化剂层表面的大小，实现对所述碳纳米管/线直径的调整。
5.根据权利要求3所述的互连结构的形成方法，其特征在于，通过控制注入剂量，调整所述穿孔在单位面积上的密度，以调整所述穿孔下方露出的所述催化剂层表面在单位面积上的密度，实现对所述碳纳米管/线生长密度的调整。
6.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，步骤S05中，采用PECVD工艺，进行所述碳纳米管/线的催化生长。
7.根据权利要求6所述的互连结构的形成方法，其特征在于，通过控制射频功率、气体流量及比例以及腔体温度，以催化生长出单壁碳纳米管、多壁碳纳米管或碳纳米线，并控制其催化生长的长度。
8.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，步骤S05中，进行所述碳纳米管/线的催化生长时，在所述衬底的上下两侧相对设置磁铁。
9.根据权利要求1所述的互连结构的形成方法，其特征在于，步骤S05中，还包括：在催化生长所述碳纳米管/线之前，对注入后的所述保护层和所述催化剂层的表面进行预处理。
10.根据权利要求9所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述预处理包括退火或氢气还原处理。
11.根据权利要求3所述的互连结构的形成方法，其特征在于，所述粒子包括原子、离子和/或分子。
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