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)：
隨著集成電路器件尺寸的不斷按比例縮小，電路集成度不斷提高，集成電路中金屬互連線的性能成為影響集成電路可靠性的關(guān)鍵因素之一。而電遷移是造成金屬互連線性能退化的主要原因。所謂電遷移，就是當(dāng)電流密度達(dá)到某一值后，金屬導(dǎo)體中的的質(zhì)量輸運(yùn)現(xiàn)象，即當(dāng)電流密度很高時(shí)，通過金屬互連線的電子密度很高，這股“電子風(fēng)”會(huì)對(duì)靠近陰極附近的帶正電的金屬離子施加一個(gè)很大的跟原電場(chǎng)力方向相反的力，當(dāng)這個(gè)力足夠大時(shí)， 就可以使金屬離子有足夠大的動(dòng)量來(lái)移動(dòng)到鄰近的空位，從而使金屬原子向陽(yáng)極的電遷移。電遷移能使集成電路中的互連引線在工作過程中產(chǎn)生斷路或短路，從而引起集成電路失效，其表現(xiàn)為①在互連引線中形成空洞，增加了電阻；②空洞長(zhǎng)大，最終貫穿互連引線， 形成斷路；③在互連引線中形成晶須，甚至與臨近的互連線搭接，造成層間短路晶須長(zhǎng)大，穿透鈍化層，產(chǎn)生腐蝕源。電遷移是引起集成電路失效的一種重要原因。目前集成電路的互連金屬主要有銅、鋁或鋁的合金。其中鋁線的抗電遷移的臨界電流密度為2X105A/cm2， 超過這個(gè)值就會(huì)出現(xiàn)電遷移導(dǎo)致的電路失效。銅導(dǎo)線的抗電遷移的電流密度雖然比鋁大， 但是當(dāng)電流密度超過106A/cm2時(shí)也會(huì)出現(xiàn)明顯的電遷移。研究表明電遷移主要發(fā)生在金屬導(dǎo)線頂部表面。可能的解決辦法是通過在銅互連線的表面沉積一層覆蓋層可以使銅原子遷移受到限制，并且可以防止銅連線跟氧氣接觸，可以有效提高銅互連線的抗電遷移能力。 這些覆蓋層材料包括SiNx，CoffB, CuSiN, CoffP等。這些覆蓋層雖然能夠有效的提高金屬互連線的可靠性，但是會(huì)增大互連線的電阻。另外，Chai等人通過用Cu/CNT復(fù)合材料來(lái)代替銅，可以有效降低孔洞的生長(zhǎng)速率，Cu/CNT復(fù)合材料中空洞生長(zhǎng)速率約為純銅材料的四分之一，但是同樣的問題就是電阻率比純銅電阻率增大了 15%。

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金屬互連線結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的基本原理就是利用了石墨烯本身獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，包括原子尺度，高電導(dǎo)率，高的抗電遷移電流密度，優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等，在集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)的上層金屬連線表面上包覆石墨烯覆蓋層。由于石墨烯的抗電遷移電流密度可以達(dá)到109A/cm2，在金屬導(dǎo)線內(nèi)一旦由于電遷移出現(xiàn)小空洞的時(shí)候，電流就有可能通過包覆在金屬導(dǎo)線表面的石墨烯來(lái)傳導(dǎo)，從而有效降低金屬互連線中空洞的生長(zhǎng)速率，提高金屬互連線的抗電遷移能力及其壽命，同時(shí)包覆在金屬互連線表面的石墨烯也可以有效阻止晶須的生長(zhǎng)，從而降低因晶須生長(zhǎng)而導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)；另外，此石墨烯覆蓋層可有效隔絕金屬導(dǎo)線與空氣接觸，減緩或消除金屬互連線表面的氧化，從而提高集成電路互連線的可靠性。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)，包括上、下層金屬連線以及連接上下層金屬連線的通孔，其特征在于，在上層金屬連線的表面覆蓋單層或多層石墨烯。一種金屬互連線結(jié)構(gòu)的制備方法，具體步驟包括(I)制備下層金屬連線，并在其結(jié)構(gòu)之上沉積介質(zhì)層。下層金屬連線可以是鎢，也可以是表面包覆如NiWP、CuSiN, CoffP等覆蓋層的銅， 鎳，銅的合金或鎳的合金。在下層金屬連線結(jié)構(gòu)之上沉積介質(zhì)層，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。(2)制備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)，所謂鑲嵌工藝就是指先刻蝕溝槽再填充金屬的工藝。(3)在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積一層擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層。先在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積一層擴(kuò)散阻擋層，然后在阻擋層表面沉積金屬種籽層。擴(kuò)散阻擋層可以是TaN/Ta，WN，Ru等，沉積方法可以是物理氣相沉積(PVD)的方法，也可以是原子層沉積(ALD)的方法。(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。上層金屬采用銅，鎳，銅的合金或鎳的合金。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)選擇性地在上層金屬連線表面原位生長(zhǎng)石墨烯用化學(xué)氣相沉積(CVD)的方法，在銅連線表面原位覆蓋石墨烯層。用于生長(zhǎng)石墨烯的碳源可以是含碳?xì)怏w，如CH2, CH4 等，也可以是含碳液體，如乙醇，還可以是含碳固體，如PMMA。制備的石墨烯覆蓋層可以是單層，雙層或多層石墨烯，也可以是混合體。(6)制備多層互連結(jié)構(gòu)重復(fù)上述(I) (5)過程，則可以制備出包覆石墨烯覆蓋層的多層金屬互連結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下單層石墨烯的厚度只有O. 34nm,每增加一層，厚度僅僅是增加了 0.34nm,可以很好的滿足覆蓋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)，有效的保證了其強(qiáng)大的抗電遷移的能力；石墨烯優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性也保證了石墨烯覆蓋層用于提高金屬互連線可靠性的有效性和可靠性。


圖I-圖6為在銅連線表面生長(zhǎng)石墨烯覆蓋層的示意圖；其中，I-下層銅互連線；2_NiWP覆蓋層；3_二氧化硅介質(zhì)層；4_擴(kuò)散阻擋層；5-上層銅互連線；6-石墨烯覆蓋層。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施例如下(I)制備下層銅互連線I :下層銅互連線I通過鑲嵌工藝制備，其表面經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光并覆蓋有NiWP層，如圖I所示。(2)用PECVD的方法在下層銅互連線結(jié)構(gòu)上面沉積厚度為I μ 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、4所示。(4)用原子層沉積的方法在通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積一層5nm厚的TaN做為擴(kuò)散阻擋層4，緊接著在其上用CuCl2做反應(yīng)物，H2做還原劑用原子層沉積的方法沉積5nm 厚的銅籽晶層。(5)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。(6)用化學(xué)氣相沉積的方法，在上層連線表面生長(zhǎng)石墨烯覆蓋層6。選擇性地在上層銅互連線5的表面用化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)石墨烯覆蓋層6， 其生長(zhǎng)工藝如下⑴升溫過程在HjPAr氣氛下，在60分鐘內(nèi)將爐溫升至生長(zhǎng)溫度850°C。H2流量控制在15sccm, Ar的流量控制在450sccm ；(ii)保溫過程在爐溫升至生長(zhǎng)溫度后，繼續(xù)在H2和Ar的氣氛下保持20分鐘；(iii)石墨烯生長(zhǎng)過程恒溫過程之后，將甲烷引入爐內(nèi)，流量控制在15sCCm，溫度繼續(xù)保持恒定，生長(zhǎng)時(shí)間為10分鐘。(iv)降溫過程在生長(zhǎng)過程完成后，關(guān)閉CH4氣體，繼續(xù)保持H2和Ar流量的條件下開始降溫，降溫速度為20°C /min。最后形成的結(jié)構(gòu)如圖6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)，包括上、下層金屬互連線以及連接上下層金屬互連線的通孔，其特征在于，在上層金屬互連線的表面覆蓋單層或多層石墨烯。
2.如權(quán)利要求I所述的集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述下層金屬互連線是鎢，或表面包覆NiWP、CuSiN, CoffP等覆蓋層的銅，鎳，銅的合金或鎳的合金。
3.如權(quán)利要求I所述的集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，上層金屬采用銅，鎳，銅的合金或鎳的合金。
4.一種金屬互連線結(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)，并在該金屬連線結(jié)構(gòu)之上沉積介質(zhì)層；2)形成金屬互連線；用化學(xué)機(jī)械拋光的方法使結(jié)構(gòu)表面平整化并使上層金屬互連線表面露出；3)在上層金屬連線表面覆蓋單層或多層石墨烯。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟I)中介質(zhì)層是二氧化硅，或摻雜二氧化硅、有機(jī)聚合物，或者是多孔材料等低K介質(zhì)材料。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟2)中形成金屬互連線具體包括i)刻蝕形成連接下層金屬連線的通孔和上層金屬連線的溝槽； )在上述通孔和溝槽的底部和側(cè)壁沉積一層擴(kuò)散阻擋層和金屬種籽層，并沉積上層金屬連線。
7.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟3)具體包括用化學(xué)氣相沉積方法在上層金屬連線表面原位生長(zhǎng)石墨烯層。
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)明利用石墨烯本身獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性，在集成電路金屬互連結(jié)構(gòu)的上層金屬連線上表面包覆石墨烯覆蓋層。由于石墨烯的抗電遷移電流密度可以達(dá)到109A/cm2，在金屬導(dǎo)線內(nèi)一旦由于電遷移出現(xiàn)小空洞的時(shí)候，電流就有可能通過包覆在金屬導(dǎo)線表面的石墨烯來(lái)傳導(dǎo)，從而有效降低金屬互連線中空洞的生長(zhǎng)速率，提高金屬互連線的抗電遷移能力及其壽命，同時(shí)包覆在金屬互連線表面的石墨烯也可以有效阻止晶須的生長(zhǎng)，從而降低因晶須生長(zhǎng)而導(dǎo)致短路的風(fēng)險(xiǎn)；另外，此石墨烯覆蓋層可有效隔絕金屬導(dǎo)線與空氣接觸，減緩或消除金屬互連線表面的氧化，從而提高集成電路互連線的可靠性。
文檔編號(hào)H01L21/768GK102593098SQ20121004847
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)