專利名稱：一種集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米加工技術(shù)，具體是一種集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著集成電路的迅速發(fā)展，器件尺寸不斷縮小，器件密度不斷增大，器件之間及電路之間的互連線長度和層數(shù)越來越多，當(dāng)前0. 18 i! m高性能ULSI (例如CPU)已具有多達(dá)7層的銅互連線，互連線長度約達(dá)到4km。因?yàn)镃u有比Al低的電阻率(Al的電阻率為
2.62 u Q cm，而Cu為I. 69 ii Q cm)和較高的抗電遷移性(可增加約兩個(gè)數(shù)量級(jí))，故 Cu被普遍認(rèn)為是深亞微米和納米IC多層互連線的一種首選材料。但Cu對(duì)Si和SiO2的粘附性較差且擴(kuò)散系數(shù)很大，一旦進(jìn)入硅片中會(huì)成為深能級(jí)受主雜質(zhì)，使芯片性能退化甚至失效，因此必須在二者之間增加一層阻擋層，它起阻擋Cu熱擴(kuò)散進(jìn)芯片有源區(qū)、并改善Cu 與介電材料粘附性的雙重作用，這在多層銅互連中尤為重要。目前研究的擴(kuò)散阻擋層的材料包括TiW，TiN, Ta，TaN, Ta-Si-N等，其中Ta和TaN被認(rèn)為是比較理想的阻擋層材料。但這些阻擋層具有比銅高得多的電阻率，其效果相當(dāng)于從互連導(dǎo)線中“擠占”了部分銅導(dǎo)線的空間，由于銅的有效橫截面積減小了，因此增大了導(dǎo)線電阻。因此阻擋層的選擇要綜合考慮多方面的因素，阻擋層需要在保持足夠的阻擋效果外還要盡可能的薄。衡量阻擋層性能的主要指標(biāo)包括粘附性，抗電遷移能力，擴(kuò)散系數(shù)，薄層電阻，失效溫度以及電學(xué)特性等。因此制備一種黏附性和阻擋性較好且厚度較薄的擴(kuò)散阻擋層結(jié)構(gòu)在Cu互連技術(shù)中具有重要意義。目前研究的擴(kuò)散阻擋層的材料包括TiW，TiN, Ta，TaN, Ta-Si-N等，其中Ta和TaN 被認(rèn)為是比較理想的阻擋層材料。為了確保互連線具有較高的可靠性，根據(jù)所用淀積方法的不同，所需阻擋層的厚度介于I到5納米之間。假設(shè)導(dǎo)線寬度為60納米，高度為120納米，其中含厚度均勻分布的5納米阻擋層材料，那么這條導(dǎo)線的有效電阻估計(jì)要比純銅線約聞20 。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用石墨烯制備集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)及其制備方法。本發(fā)明的基本原理由于石墨烯是碳原子是按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，其中所有Sp2雜化的碳原子均飽和成鍵，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，從而使得石墨烯具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性， 因此將石墨烯用做集成電路銅互連中的擴(kuò)散阻擋層，可以有效阻止銅原子向硅和絕緣介質(zhì)中擴(kuò)散。本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下一種集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括上、下層金屬連線以及連接上下層金屬連線的通孔和上層金屬連線的溝槽，在所述通孔的底部和側(cè)壁沉積擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層，以及所述上層金屬連線溝槽的底部和側(cè)壁也沉積擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層，上述擴(kuò)散阻擋層為單層，雙層或多層石墨烯。一種金屬互連線結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟包括(I)在制備完下層金屬連線的結(jié)構(gòu)上面沉積介質(zhì)層。下層金屬連線可以是鎢，也可以是包覆覆蓋層的銅線或銅的合金線。介質(zhì)層可以是二氧化硅，摻雜二氧化硅，有機(jī)聚合物和多孔材料等低K介質(zhì)材料。覆蓋層可以是選擇性的包覆在銅互連線表面的鈷鎢磷化物(CoWP)、鈷鎢硼化物(CoWB)、石墨烯等，也可以是覆蓋在整個(gè)結(jié)構(gòu)上面的介電材料層，如Si3N4或SiC等。(2)在介質(zhì)層中刻蝕出連接下層金屬連線的通孔和上層金屬互連線的溝槽。連接下層金屬連線的通孔和上層金屬互連線的溝槽可以是分兩步形成的(單鑲嵌工藝)，也可以是同時(shí)形成的(雙鑲嵌工藝)。(3)在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積石墨烯擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層。先在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積石墨烯阻擋層，石墨烯的沉積方法可以是化學(xué)氣相沉積的方法， 也可以是其他的化學(xué)生長方法或物理組裝方法。石墨烯可以是單層，雙層或多層石墨烯，也可以是它們的混合體。然后在石墨烯阻擋層表面沉積銅種籽層。(4)在通孔和溝槽中沉積金屬，并用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)上層金屬連線和介質(zhì)層表面平坦化。沉積金屬的方法可以是物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積、電鍍、化學(xué)鍍等方法。(5)在上層金屬連線表面選擇性地沉積鈷鎢磷化物(CoWP)、鈷鎢硼化物(CoWB)、 石墨烯等覆蓋層，或者在整個(gè)拋光完成的結(jié)構(gòu)上面沉積一層Si3N4或SiC介電材料層。(6)制備多層互連結(jié)構(gòu)重復(fù)上述(I 5)過程，則可以制備出用石墨烯做擴(kuò)散阻擋層的多層銅互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下石墨烯優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性保證了石墨烯作為擴(kuò)散阻擋層的有效性；單層石墨烯的厚度只有0. 34nm，每增加一層，厚度僅僅是增加了 0. 34nm，可以很好的滿足擴(kuò)散阻擋層厚度要盡量薄的要求；石墨烯的高電導(dǎo)率，滿足了低薄層電阻的要求；石墨烯可承受的最大電流密度在109A/cm2量級(jí)，有效的保證了石墨烯作為擴(kuò)散阻擋層的可靠性。


圖I-圖5為在制備銅互連線結(jié)構(gòu)的示意圖；其中，I-下層銅互連線；2_氮化硅覆蓋層；3_ 二氧化硅介質(zhì)層；4_石墨烯擴(kuò)散阻擋層；5-上層銅互連線。
具體實(shí)施例方式下面參照本發(fā)明的附圖，詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。本發(fā)明集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)的制備方法，包括如下步驟(I)在制備完下層銅互連線I的結(jié)構(gòu)表面用PECVD的方法生長氮化硅介電材料層 2，如圖I所示；(2)在氮化硅介電材料層2的表面用PECVD的方法沉積厚度為I U m的二氧化硅介質(zhì)層3，如圖2所示。(3)用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法在二氧化硅介質(zhì)層3和氮化硅介電材料層2中刻蝕出連接下層銅互連線I的通孔和上層銅互連線5的溝槽(雙鑲嵌工藝)，如圖3所示。(4)用化學(xué)氣相沉積的方法在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積石墨烯擴(kuò)散阻擋層 4，生長完石墨烯擴(kuò)散阻擋層后的結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中石墨烯的生長工藝過程如下⑴升溫過程在HjPAr氣氛下，在60分鐘內(nèi)將爐溫升至生長溫度950°C。H2流量控制在15sccm, Ar的流量控制在450sccm(ii)恒溫過程在爐溫升至生長溫度后，繼續(xù)在H2和Ar的氣氛下保持十分鐘。(iii)生長過程恒溫過程之后，將含甲烷引入爐內(nèi)，流量控制在15sCCm，溫度繼續(xù)保持恒定，生長時(shí)間為60分鐘。(iv)降溫過程在生長過程完成后，保持H2、Ar和CH4的流量不變的條件下開始降溫，降溫速度為20°C /min。(5)在石墨烯擴(kuò)散阻擋層表面用原子層沉積的方法沉積一層銅種籽層，然后用電化學(xué)鍍(ECP)的方法在通孔和溝槽中沉積銅金屬，并用化學(xué)機(jī)械拋光的方法使銅鍍層5和介質(zhì)層3表面平坦化，從而形成連接下層銅互連線I的通孔和上層銅互連線5，如圖5所示。上面描述的實(shí)施例并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可做各種的變換和修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍視權(quán)利要求范圍所界定。
權(quán)利要求
1.一種集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括上、下層金屬連線以及連接上下層金屬連線的通孔和上層金屬連線的溝槽，在所述通孔的底部和側(cè)壁以及所述上層金屬連線溝槽的底部和側(cè)壁沉積擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層，其中所述擴(kuò)散阻擋層為單層，雙層或多層石墨烯。
2.一種金屬互連線結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟包括.1)制備下層金屬連線結(jié)構(gòu)，并在下層金屬連線結(jié)構(gòu)表面沉積介質(zhì)層；.2)在介質(zhì)層中刻蝕出連接下層金屬連線的通孔和上層金屬連線的溝槽；.3)在通孔的底部和側(cè)壁，以及上層金屬連線的溝槽的底部和側(cè)壁沉積石墨烯作為擴(kuò)散阻擋層，并在石墨烯阻擋層表面沉積金屬種籽層；.4)在通孔和上層金屬連線的溝槽中沉積金屬形成通孔和上層金屬連線，并用化學(xué)機(jī)械拋光的方法對(duì)上層金屬連線和介質(zhì)層表面平坦化。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，石墨烯的沉積方法采用化學(xué)氣相沉積的方法，或是其他的化學(xué)生長方法或物理組裝方法。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，上層金屬連線是銅或銅的合金，下層金屬連線是鎢，或是包覆覆蓋層的銅或銅的合金。
5.如權(quán)利要求2所述的方法,其特征在于,介質(zhì)層是二氧化娃,摻雜二氧化娃,有機(jī)聚合物和多孔材料等低K介質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，本發(fā)明利用石墨烯的碳原子是按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，將石墨烯用做集成電路銅互連中的擴(kuò)散阻擋層。其中石墨烯的所有sp2雜化的碳原子均飽和成鍵，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，從而使得石墨烯擴(kuò)散阻擋層具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，可以有效阻止銅原子向硅和絕緣介質(zhì)中擴(kuò)散。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102593097SQ201210046720
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年2月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月27日
發(fā)明者傅云義, 尹金澤, 崔曉銳, 張興, 曹宇, 趙華波, 魏子鈞, 魏芹芹, 黃如 申請(qǐng)人:北京大學(xué)