TWI564241B - 具奈米碳管之產線後端的互連件 - Google Patents

具奈米碳管之產線後端的互連件 Download PDF

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那瓦卡普萊文Ｋ
庫茲喬伊格里非斯
桑達羅傑艾文德
那拉辛哈慕拉里
史立卡拉蘇巴拉希米
普許帕拉傑維多
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Description

具奈米碳管之產線後端的互連件 【相關案的交互參照】
此申請案主張2011年8月31日提交的美國臨時申請案第61/529,699號之優先權，該美國臨時申請案在此以全文做為參考之形式併入本文。
本發明大體而言係關於用於製造包含奈米碳管的BEOL互連件的方法，以及大量製造該等互連件的設備。
當用於半導體積體電路元件的產線後端(BEOL，back-end-of-line)互連件之線寬持續縮小，該互連件線電阻增加。互連件的線電阻是重要的，因為線電阻影響訊號沿著互連件的傳輸速度，且需要將線電阻維持得夠低，以不至於負面衝擊訊號傳輸速度。隨著互連件線寬減少，線電阻的增加成為一項達成次二倍(sub-2x)銅BEOL互連件的問題。需要具有降低電阻率的BEOL互連件，以達成次二倍BEOL互連件的期望線電阻。再者，形成具有降低的電阻率之BEOL互連件材料的互連件形成法必須可整合至大量的製造程序，而需要有適當沉積工具可用於該大量的製造程序。
本發明的實施例提供用於形成BEOL互連件線(亦用於形成介層窗)的低電阻率材料，該材料之電阻率低於電沉積銅的電阻率。該材料為CNT與金屬或低介電常數介電質的複合物。根據本發明之實施例，CNT在沉積時交聯，因此提供沿著互連件線、在與CNT的大致生長方向垂直的方向上良好的訊息傳導。
根據本發明的態樣，製造BEOL互連件線的方法可包含以下步驟：提供基材，該基材包括：半導體元件；第一介電層，覆於該基材的表面上；以及第二介電層，位在該第一介電層上，其中該第一介電層包括填充的介層窗，該填充的介層窗用於對該半導體元件製作電接觸，且該第二介電層包括互連件溝槽，該互連件溝槽垂直於該填充的介層窗的縱軸延伸(run)並且該互連件溝槽暴露該填充的介層窗；沉積催化劑顆粒覆於該第二介電層的表面上以及該第一介電層的表面上以及該溝槽暴露的該填充的介層窗上；在該催化劑塗佈的表面上生長交聯的CNT；沉積金屬或低介電常數介電質於該交聯的CNT之間的空洞空間中；以及從該第二介電層的表面移除過多的材料，而留下具低線電阻的填充的溝槽。在沉積催化劑顆粒之前，可沉積Ta/TiN薄膜於該第二介電層的表面上及該溝槽的底部上。生長的交聯的CNT可利用熱燈絲化學氣相沉積(HWCVD)，且前驅物氣體壓力被調整 成用於交聯生長。沉積金屬可包括電沉積的銅或化學氣相沉積的諸如W或Co之金屬。沉積低介電常數介電質可包括熱燈絲化學氣相沉積的聚四氟乙烯(PTFE)。移除過多材料可包括化學機械研磨。
本發明的一些實施例包括雙鑲嵌沉積，其中該等介層窗亦於以CNT複合物填充溝槽的製程期間受到填充。
本發明的進一步實施例包括設以用於CNT複合物的BEOL製程的群集及沿線工具。
請詳閱圖式，現在將描述本發明，該等圖式提供作為發明的說明性實例，以使熟習此技藝者操作本發明。尤其，下文中的圖式與實例並非意謂將本發明之範疇限制在單一實施例，而是，透過互換一些或全部的所描述或所繪示的元件，而可有其他實施例。再者，在本發明之某些元件可部分或完全透過使用已知部件實施之處，將僅只描述該等已知部件中為了瞭解本發明所必須的彼等部分，而該等已知部件的其他部分的詳細描述將會略去，以不混淆本發明。本說明書中，不應將顯示單一部件的實施例視為限制；相反地，除非在此另外明確陳述，否則申請人希望該發明涵蓋包括複數個相同部件的其他實施例，反之亦然。再者，申請人不希望說明書或申請專利範圍中的任何用語被歸於非一般或特定意涵，除非 以此方式明確地提出。進一步而言，本發明涵蓋在此以說明方式所指的已知部件的現在與未來已知的等效例。
第1圖圖示各種材料的材料電阻率相對於互連件線厚度的圖表，該各種材料為：純銅；銅+x% CNT，其中5x90；CNT+低介電常數介電質。隨著BEOL互連件的互連件線寬度或介層窗開口寬度減少，線電阻增加。從圖表明顯可知，大約100埃及更低(對於2x及超過2x的技術節點)的CNT複合材料擁有顯著的電阻率優勢，且有利的是銅互連件可被CNT複合物取代，該等CNT複合物諸如為CNT/Cu或CNT/低介電常數介電質。
奈米碳管(CNT)具有某些電性質與機械性質，使得奈米碳管(CNT)在整合至廣泛的電子元件(包括半導體元件)上具有吸引力。奈米碳管是奈米級的圓柱，具有由石墨烯(單原子厚的石墨片)形成的壁。奈米碳管可為單壁(由單一片石墨烯構成的圓柱壁，稱為SWNT)或多壁(由多片石墨烯構成的圓柱壁，稱為MWNT)。奈米碳管具有小如一個奈米的直徑(例如SWNT)以及量級在102至105的長度對直徑比。奈米碳管可具有金屬或半導體電性質，該等性質使奈米碳管適合整合至多種元件與製程中，諸如半導體積體電路的BEOL互連件。
可透過使用多種技術生長奈米碳管，該等技術包括電弧放電、雷射剝蝕，以及化學氣相沉積(CVD)，化學氣相沉積包括熱燈絲CVD(HWCVD)。CNT生長在催化劑顆粒上，該等顆粒大體上經過熱活化。催化劑材料可以 是諸如Co、Ni，及Fe之類的過渡金屬或諸如Fe-Ni、Co-Ni與Mo-Ni之類的過渡金屬合金。該等催化劑顆粒在直徑上僅為幾十埃或幾百埃，且該等催化劑顆粒由一些製程所沉積，該等製程可包括PVD、CVD，及ALD。也可使用用於薄膜催化劑的下層，諸如Ta/TiN。可使用諸如二甲苯與乙醇之CNT前驅物化合物，或此類化合物之混合物。第2圖與第3圖圖示CNT 20、22之實例，該等CNT生長在催化劑顆粒30上，該催化劑顆粒已形成於下層40上。
取決於製程條件，可將CNT生長成具有變化的形態。第2圖是在形成相對平行的管狀物20的製程條件下生長的CNT之示意圖，該等管狀物大體上垂直於沉積表面生長；然而第3圖圖示在形成交聯的管狀物22的製程條件下生長的CNT之示意圖。根據本發明的一些實施例，高壓下進行CNT的CVD沉積用於形成交聯的CNT。對於特殊沉積腔室而言，透過增加前驅物氣體分壓直到交聯CNT形成為止，而決定期望的交聯CNT生長條件。例如，已在應用材料公司的EnduraTM平台上的腔室中於低於500℃的溫度使用HWCVD達成交聯的MWCNT沉積；在如前文所述進行腔室標準化之後該前驅物氣體分壓經選擇以提供交聯的CNT。於是，生長交聯奈米碳管包含選擇生長條件，該等生長條件包括使前驅物氣體的分壓大於轉變分壓，該轉變分壓為奈米碳管生長從平行奈米碳管生長模式轉變到交聯奈米碳管生長模式時所處的分 壓。
圖示於第2圖中的CNT 20在垂直方向(沿著管狀物的長度)導電率遠高於垂直於管狀物長度的導電率。但是，對於第3圖所示的交聯CNT 22而言，導電率並無顯示任何顯著的方向相關性(directional dependence)。當在平行沉積表面的方向上需要低電阻率時，能夠控制CNT形態而生長交聯CNT是重要的，此情況如在此所述的將CNT沉積至開放的互連件溝槽之情況。
第4圖圖示形成於第二層間介電質(ILD 2)432中的BEOL互連件溝槽410以及第一層間介電質(ILD 1)430中的填充介層窗420的透視圖，圖中的特徵並未按照比例尺繪製。該介層窗從ILD 1下方的半導體元件傳輸訊號上至互連件線(該互連件線將會填充該溝槽410)，進而將以與介層窗420中之方向正交的方向傳輸該訊號。(於是，互連件線垂直於介層窗的縱軸。)請注意，第一與第二層間介電質可如前文所述為基材450之表面上的ILD 1與ILD 2，該基材包括一或多個半導體元件，該等半導體元件可以是積體電路；然而，在本發明的其他實施例中，在該第一層間介電質與該基材之間可有ILD層或其他材料。也請注意，對於2x及超過2x的技術節點而言，ILD 1中的介層窗與ILD 2中的互連件線的尺寸將會是在200埃以下的區域中，例如，ILD 1中的介層窗具有200埃以下的直徑。
第5圖至第9圖繪示根據本發明一些實施例形成BEOL 互連件線的製程中的步驟，該互連件線包含交聯CNT，以用於改良訊號傳輸。第10圖提供用於此單鑲嵌製程的簡要製程流程。
第5圖圖示ILD 2 432中的互連件溝槽410以及ILD 1 430中的填充介層窗420的剖面圖。該介層窗420可被例如銅或銅/CNT複合物所填充。
第6圖圖示沉積在第5圖的結構表面上的催化劑顆粒30；但製程條件大體上造成溝槽側壁上有極微的沉積。催化劑顆粒30可由Co形成且催化劑顆粒30在直徑上僅為幾十埃或幾百埃。(其他催化劑材料之實例已描述於上文中。)阻障層40(諸如Ta/TiN)可在催化劑顆粒沉積之前沉積在表面上。此阻障層也可發揮促進CNT成核之作用。
第7圖圖示在第6圖結構的催化劑塗佈表面上生長的交聯CNT 22。如該圖所示，CNT生長超出溝槽的高度。如前文所述，調整沉積條件以生長交聯(而非平行)的CNT。
第8圖圖示電沉積的銅(Cu)810，該電沉積的銅填充第7圖的結構中管狀物之間的空洞空間。或者，可用其他金屬形成CNT複合物，該等材料諸如為CVD沉積的鎢或鈷。再者，本發明的一些實施例包括具有低介電常數介電質的CNT複合物，該低介電常數介電質諸如可使用HWCVD沉積的聚四氟乙烯(PTFE)。請注意在該複合物中的金屬與介電材料作用為包覆CNT並且形成機械 性能上強健的結構。
第9圖圖示從第8圖的結構移除過多的材料，而留下具有低線電阻的填充溝槽。該移除可透過使用化學機械研磨(CMP)製程完成，如例常於當前銅鑲嵌製程中所為。
第10圖圖示如第5圖至第9圖所繪示的本發明之單鑲嵌實施例的製程流程。製造BEOL互連件的方法可包含以下製程步驟，該等步驟是透過以下順序執行。提供具有基材的元件，該基材具有半導體元件、在基材表面上的第一ILD，以及在第一ILD上的第二ILD，其中該第一ILD包括一或多個填充的介層窗，該介層窗對該半導體元件製作電接觸，並且該第二ILD包括互連件溝槽，該互連件溝槽垂直於該一或多個介層窗延伸並且該互連件溝槽暴露該一或多個介層窗(1010)。將催化劑顆粒沉積覆於該ILD 2表面，及該ILD 1表面，及該溝槽所暴露的一或多個介層窗上(1020)。(再者，在催化劑沉積之前，可沉積阻障層/成核促進層覆於該等表面上。)交聯的CNT生長在催化劑顆粒上，該等CNT生長至一高度，該高度大於該溝槽的深度(1030)。CNT與金屬(或低介電常數介電質)的複合物是透過將金屬(或低介電常數介電質)沉積於該交聯的CNT的空洞空間中而形成(1040)。過量的材料-CNT複合物、催化劑，以及阻障層(若有使用時)-從ILD 2的頂表面移除，而留下低電阻互連件線於溝槽中(1050)。再者，填充該溝槽的該 CNT複合物之超過ILD 2高度的部分可被移除，而使互連件線的頂表面與ILD 2頂表面共面。
儘管上文中已參閱圖式描述單鑲嵌製程，本發明可適於雙鑲嵌製程。在本發明的雙鑲嵌實施例中，CNT同時生長在開放介層窗及溝槽中，之後依循與上文所述之單鑲嵌製程相同的製程流程。
第11圖是處理系統1100的概略說明圖，該系統用於參照第5圖至第10圖於前文所述的製程中。處理系統1100包括至群集工具的標準機械介面(standard mechanical interface(SMIF))，配備有製程腔室C1-C5，該等腔室可用於上文所述的乾式沉積製程步驟。例如，腔室C1-C5設成用於以下製程步驟：催化劑沉積(可包括沉積附著層)；CNT沉積；以及低介電常數介電質沉積或金屬沉積。(晶圓可被傳送出該群集工具以用於諸如銅電沉積與化學機械研磨之處理。)適合的群集工具平台之實例包括應用材料公司的EnduraTM與CenturaTM(用於較小型之基材)。應注意，雖然圖中圖示群集排列方式用於處理系統1100，然而可利用線性系統，該線性系統中處理腔室線性排列，而無傳送腔室，如此該基材連續地從一個腔室移動到下一個腔室。
第12圖圖示根據本發明一些實施例的沿線製造系統1200的示意圖，該系統1200具有多個沿線工具1210、1220、1230、1240等。沿線工具可包括用於所有上述參照第5圖至第10圖的製程所需的沉積步驟。再者，沿線 工具可具有前調節與後調節腔室。例如，工具910可以是抽吸降壓(pump down)腔室，用於在基材移動通過真空氣鎖915進入沉積工具920前建立真空。一些或所有沿線工具可為真空工具，該等真空工具被真空氣鎖915隔開。請注意製程工具的順序與製程線上的特定製程工具將由所用的特殊製程流程(該流程之特定實例為上文所提供之流程)所決定。再者，基材可移動通過水平或垂直定向的沿線製造系統。適合用於處理工具1200的沿線平台可為應用材料公司的AtonTM。
雖然已參考本發明之較佳實施例特別地描述了本發明，然而發明所屬技術領域中具有通常知識者應易於瞭解，可製做形式與細節上的改變和修飾，而不背離本發明之精神與範疇。申請人希望所附的申請專利範圍涵蓋該等改變與修飾。
20‧‧‧CNT
22‧‧‧CNT
30‧‧‧催化劑顆粒
40‧‧‧下層
410‧‧‧溝槽
420‧‧‧介層窗
430‧‧‧第一層間介電質
432‧‧‧第二層間介電質
450‧‧‧基材
810‧‧‧電沉積銅
910‧‧‧工具
915‧‧‧真空氣鎖
920‧‧‧沉積工具
1010-1050‧‧‧步驟
1100‧‧‧處理系統
1200‧‧‧處理工具
1210-1240‧‧‧沿線工具
C1-C5‧‧‧製程腔室
對於本發明所屬技術領域中具有通常知識者而言，在閱覽上文中的本發明特定實施例敘述以及伴隨的圖式後，將能明瞭本發明的該等與其他態樣，在該等圖式中：第1圖圖示根據本發明一些實施例的具有各種不同組成物的互連件線的電阻率對厚度的圖表；第2圖圖示根據本發明一些實施例的形成相對平行之管狀物的第一條件下所生長的CNT的示意圖； 第3圖圖示根據本發明一些實施例的形成互連之管狀物的第二條件下所生長的CNT的示意圖；第4圖圖示互連件溝槽與填充介層窗的透視圖；第5圖圖示根據本發明之一些實施例的互連件溝槽與填充介層窗的剖面圖；第6圖圖示根據本發明之一些實施例之沉積於第5圖之結構表面上的催化劑顆粒；第7圖圖示根據本發明之一些實施例在第6圖的結構的催化劑塗佈表面上生長的交聯CNT；第8圖圖示根據本發明之一些實施例在第7圖的結構中的管狀物之間的空洞空間中填充的電沉積銅；第9圖圖示根據本發明之一些實施例從第8圖的結構移除過多的材料，留下具有低線電阻的填充溝槽；第10圖圖示本發明的單鑲嵌實施例的製程流程；第11圖圖示根據本發明一些實施例的群集工具的概略示意圖；以及第12圖圖示根據本發明之一些實施例的線性工具的概略示意圖。
1010-1050‧‧‧步驟

Claims (20)

  1. 一種製造一互連件的方法，包含以下步驟：提供一基材，該基材包括：一半導體元件；一第一介電層，覆於該基材的表面上；以及一第二介電層，位在該第一介電層上，其中該第一介電層包括一填充的介層窗(via)，該填充的介層窗用於對該半導體元件製作電接觸，且該第二介電層包括一互連件溝槽，該互連件溝槽垂直於該填充的介層窗的縱軸延伸並且該互連件溝槽暴露該填充的介層窗；沉積催化劑顆粒於該第二介電層的表面上以及該第一介電層的表面上以及該溝槽暴露的該填充的介層窗上；於單一製程中在該等催化劑顆粒上生長交聯的奈米碳管，該等交聯的奈米碳管係直接地生長作為交聯的奈米碳管，該等交聯的奈米碳管生長至一高度，該高度大於該溝槽之深度；在該等交聯的奈米碳管的空洞空間中沉積一材料，而形成一奈米碳管複合物；及從該第二介電層的頂表面移除該奈米碳管複合物以及該催化劑，而留下一互連件線於該溝槽中，其中該生長交聯的奈米碳管之步驟包含以下步驟：利用化學氣相沉積，在含有一前驅物氣體的一腔室中以及選擇多個生長條件進行生長，該等生長條件 包括：前驅物氣體的一分壓大於一轉變分壓，該轉變分壓為奈米碳管的生長從一平行奈米碳管生長模式轉變到一交聯奈米碳管生長模式時所處的分壓。
  2. 如請求項1所述之方法，進一步包含以下步驟：在催化劑沉積之前，沉積一阻障層覆於該第二介電層的表面上以及該第一介電層的表面上以及該溝槽暴露的該填充的介層窗上。
  3. 如請求項2所述之方法，其中該移除步驟進一步包含以下步驟：從該第二介電層的該頂表面移除該阻障層。
  4. 如請求項2所述之方法，其中該阻障層包含鉭。
  5. 如請求項2所述之方法，其中該阻障層包含氮化鈦。
  6. 如請求項1所述之方法，其中該前驅物氣體選自由二甲苯與乙醇所構成的群組。
  7. 如請求項1所述之方法，其中該材料是一金屬。
  8. 如請求項7所述之方法，其中該金屬選自由銅、鈷與鎢所構成之群組。
  9. 如請求項7所述之方法，其中該金屬是經電沉積。
  10. 如請求項1所述之方法，其中該材料是一低介電常數介電質。
  11. 如請求項1所述之方法，其中該移除步驟進一步包含以下步驟：將填充該溝槽的該奈米碳管複合物所超過該第二介電層之高度的該部分移除，以提供該互連件線擁有與該第二介電層之該頂表面共面的一頂表面。
  12. 一種製造一互連件的方法，包含以下步驟：提供一基材，該基材包括：一半導體元件；一第一介電層，覆於該基材的表面上；以及一第二介電層，位在該第一介電層上，其中該第一介電層包括一介層窗，該介層窗用於對該半導體元件製作電接觸，且該第二介電層包括一互連件溝槽，該互連件溝槽垂直於該填充的介層窗的縱軸延伸並且該互連件溝槽暴露該填充的介層窗；沉積催化劑顆粒覆於該第二介電層的表面上以及該第一介電層的表面上以及該介層窗暴露的該半導體元件上；於單一製程中在該等催化劑顆粒上生長交聯的奈米碳管，該等交聯的奈米碳管係直接地生長作為交 聯的奈米碳管，該等交聯的奈米碳管生長至一高度，該高度大於該溝槽之深度；在該等交聯的奈米碳管的空洞空間中沉積一材料，而形成一奈米碳管複合物；及從該第二介電層的頂表面移除該奈米碳管複合物以及該催化劑，而留下一填充的介層窗與一互連件線於該溝槽中，其中該生長交聯的奈米碳管之步驟包含以下步驟：利用化學氣相沉積，在含有一前驅物氣體的一腔室中以及選擇多個生長條件進行生長，該等生長條件包括：前驅物氣體的一分壓大於一轉變分壓，該轉變分壓為奈米碳管的生長從一平行奈米碳管生長模式轉變到一交聯奈米碳管生長模式時所處的分壓。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該前驅物氣體選自由二甲苯與乙醇所構成的群組。
  14. 如請求項12所述之方法，其中該材料是一金屬。
  15. 如請求項12所述之方法，其中該材料是一低介電常數介電質。
  16. 一種具有一產線後端互連件的半導體元件，包含：一基材，包括一半導體元件； 一第一介電層，覆於該基材之表面上，該第一介電層包括一介層窗，該介層窗用於對該半導體元件製作電接觸，且該介層窗被一導電材料所填充；及一第二介電層，位在該第一介電層上，該第二介電層包括一溝槽，該溝槽垂直於該填充的介層窗的縱軸延伸，該溝槽被一互連件線所填充，該互連件線包含交聯的奈米碳管，該互連件線實體連接該填充的介層窗且電連接該填充的介層窗；其中於單一製程中生長該等交聯的奈米碳管，該等交聯的奈米碳管係直接地生長作為交聯的奈米碳管，以及其中生長該等交聯的奈米碳管包含：利用化學氣相沉積，在含有一前驅物氣體的一腔室中以及選擇多個生長條件進行生長，該等生長條件包括：前驅物氣體的一分壓大於一轉變分壓，該轉變分壓為奈米碳管的生長從一平行奈米碳管生長模式轉變到一交聯奈米碳管生長模式時所處的分壓。
  17. 如請求項16所述之半導體元件，其中該半導體元件是一半導體積體電路元件。
  18. 如請求項16所述之半導體元件，其中該介層窗包含交聯的奈米碳管。
  19. 如請求項16所述之半導體元件，其中該互連件線進 一步包含位在該等交聯的奈米碳管的空洞空間中的一材料，該材料形成一奈米碳管複合物。
  20. 如請求項19所述之半導體元件，其中該材料是一低介電常數介電質。
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