半導(dǎo)體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件及其制造方法，所述制造方法包括提供半導(dǎo)體襯底；在半導(dǎo)體襯底上形成圖案化的金屬催化層；在圖案化的金屬層上形成至少一層石墨烯層；在石墨烯層和暴露的半導(dǎo)體襯底上覆蓋介質(zhì)層；刻蝕部分介質(zhì)層和石墨烯層，以形成溝槽；在溝槽中形成碳納米管材料層。本發(fā)明通過使用碳納米管材料層作為半導(dǎo)體器件的互連的通孔或接觸孔的互連材料，使用石墨烯層作為局部互連的互連材料，降低了寄生電阻以及連線之間的寄生電容，降低互連RC延遲，提高半導(dǎo)體器件的整體性能。并且，所述制造方法與銅互連結(jié)構(gòu)步驟基本相同，能夠有效替代現(xiàn)有技術(shù)中的銅互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的工藝過程，控制芯片成本。
【專利說明】半導(dǎo)體器件及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體器件及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著CMOS技術(shù)的高速發(fā)展，芯片上器件的集成度不斷提高，芯片速度也越來越快。為了滿足器件集成度和速度的需求，半導(dǎo)體器件的銅互連結(jié)構(gòu)逐漸取代傳統(tǒng)鋁互連結(jié)構(gòu)成為主流，隨之互連的線寬也不斷減小，布線密度也越來越高。然而，隨著銅互連的線寬進(jìn)一步減小，由晶界和表面引起的電子散射造成銅電阻率的大幅度上升，加劇了由電阻和電容引起的互連延遲(RC Delay)，造成半導(dǎo)體器件的性能的整體下降。
[0003]半導(dǎo)體器件的延遲和互連的延遲共同決定著電路的最高工作頻率。隨著器件尺寸的不斷縮小，互連延遲已經(jīng)超越了器件級(jí)延遲，成為影響電路工作頻率的主要因素；特別是線寬的縮小使銅互連線的電子輸運(yùn)受到表面和晶粒間界的散射增強(qiáng)，IOOnm以下銅互連線電阻率急劇上升，這將極大地影響電路的性能。低介電常數(shù)(low-k)介質(zhì)材料的使用可以降低互連引入的寄生電容，然而其應(yīng)用也帶來很多其它問題，如集成問題、可靠性問題等等，同時(shí)低介電常數(shù)材料的介電常數(shù)1.5左右達(dá)到極限。預(yù)計(jì)電化學(xué)法或化學(xué)氣相沉積法淀積銅的技術(shù)和低介電常數(shù)材料的應(yīng)用可以繼續(xù)到2020年，但后道銅互連技術(shù)，包括光互連、碳納米材料互連等技術(shù)的研發(fā)已刻不容緩。
[0004]石墨烯(Graphene)作為一種新材料,其實(shí)質(zhì)是單原子層的石墨,是指由單層碳原子組成的六角型蜂巢晶格平面單層薄膜，是由一個(gè)碳原子層厚度組成的二維材料。石墨烯材料具有非常優(yōu)異的性能，包括高載流子遷移率、高電流密度、高機(jī)械強(qiáng)度、高熱傳導(dǎo)性能等，且單層的石墨烯材料可以控制在納米級(jí)別以下。
[0005]碳納米管(Carbon Nanotube)則是一種管狀的碳分子,管上每個(gè)碳原子采取SP2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個(gè)碳原子上未參與雜化的一對(duì)P電子相互之間形成跨越整個(gè)碳納米管的共軛η電子云。按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，而納米管的長度可以達(dá)到數(shù)百微米。碳納米管具有非常優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)特性，也是一種應(yīng)用于互連技術(shù)的極具潛力的納米材料，尤其是其沿催化劑的導(dǎo)向性生長特性。
[0006]因此碳納米管材料和石墨烯材料在半導(dǎo)體器件中，作為互連材料的應(yīng)用成為業(yè)界高度關(guān)注的技術(shù)趨勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種利用石墨烯和碳納米管作為互連線的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)及其制造方法，以降低寄生電阻、寄生電容、有效降低互連RC延遲、提高器件性能。
[0008]為解決上述問題，本發(fā)明一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括以下步驟:
[0009]提供半導(dǎo)體襯底；[0010]在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖案化的金屬催化層；
[0011]在所述圖案化的金屬層上形成至少一層石墨烯層；
[0012]在所述石墨烯層和暴露的半導(dǎo)體襯底上覆蓋介質(zhì)層；
[0013]利用光刻和刻蝕工藝，刻蝕部分介質(zhì)層和石墨烯層，以在所述圖案化的金屬層上形成溝槽；
[0014]在所述溝槽中形成碳納米管材料層。
[0015]進(jìn)一步的，所述圖案化的金屬催化層的形成步驟包括:
[0016]在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬催化層薄膜；
[0017]在所述金屬催化層薄膜上形成圖案化的光刻膠；
[0018]以所述圖案化的光刻膠為掩膜，刻蝕所述金屬催化層薄膜，以形成圖案化的金屬催化層；
[0019]去除所述圖案化的光刻膠。
[0020]進(jìn)一步的，所述金屬催化層薄膜采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積法或原子層沉積法形成。
[0021]進(jìn)一步的，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鈷、鎳、鉬或釕。
[0022]進(jìn)一步的，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鎳。
[0023]進(jìn)一步的，在刻蝕部分所述介質(zhì)層和石墨烯層的步驟中，刻蝕物質(zhì)包括溴化氫，氧氣和四氟化碳。
[0024]進(jìn)一步的，所述石墨烯層采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成。
[0025]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的材質(zhì)為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
[0026]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的介電常數(shù)為2.0?3.0。
[0027]進(jìn)一步的，在刻蝕部分所述介質(zhì)層和石墨烯層的步驟中，刻蝕物質(zhì)包括溴化氫，氧氣和四氟化碳。
[0028]進(jìn)一步的，所述碳納米管材料層的形成溫度低于500°C。
[0029]本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件，包括:半導(dǎo)體襯底；圖案化的金屬催化層，形成于所述半導(dǎo)體襯底上；介質(zhì)層，位于所述圖案化的金屬層和暴露的半導(dǎo)體襯底上；碳納米管材料層，貫穿于所述介質(zhì)層中；石墨烯層，位于所述介質(zhì)層和所述圖案化的金屬層之間，并位于所述碳納米管材料層的底部側(cè)壁旁。
[0030]進(jìn)一步的，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鈷、鎳、鉬或釕。
[0031]進(jìn)一步的，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鎳。
[0032]進(jìn)一步的，所述石墨烯層采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成。
[0033]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的材質(zhì)為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
[0034]進(jìn)一步的，所述介質(zhì)層的介電常數(shù)為2.0?3.0。
[0035]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件及其制造方法，使用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅互連材料，使用碳納米管材料層作為互連的通孔或接觸孔的互連材料，使用石墨烯層作為局部互連的互連材料，大幅度降低現(xiàn)有技術(shù)中銅互連技術(shù)因局部互連尺寸較小而帶來的寄生電阻以及連線之間的寄生電容；利用低介電常數(shù)材料層能夠進(jìn)一步降低寄生電容，降低互連RC延遲，提高半導(dǎo)體器件的整體性能。并且，其形成過程與銅互連結(jié)構(gòu)步驟基本相同，從而能夠有效替代現(xiàn)有技術(shù)中的銅互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的工藝過程，控制芯片成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1為本發(fā)明一實(shí)施例中半導(dǎo)體器件的制造方法的流程示意圖。
[0037]圖2?圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中半導(dǎo)體器件的制造過程的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為使本發(fā)明的內(nèi)容更加清楚易懂，以下結(jié)合說明書附圖，對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步說明。當(dāng)然本發(fā)明并不局限于該具體實(shí)施例，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員所熟知的一般替換也涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
[0039]其次，本發(fā)明利用示意圖進(jìn)行了詳細(xì)的表述，在詳述本發(fā)明實(shí)例時(shí)，為了便于說明，示意圖不依照一般比例局部放大，不應(yīng)以此作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0040]本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括以下步驟:
[0041]步驟SOl:提供半導(dǎo)體襯底；
[0042]步驟S02:在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖案化的金屬催化層；
[0043]步驟S03:所述圖案化的金屬層上形成至少一層石墨烯層；
[0044]步驟S04:在所述石墨烯層和暴露的半導(dǎo)體襯底上覆蓋介質(zhì)層；
[0045]步驟S05:利用光刻和刻蝕工藝，刻蝕部分介質(zhì)層和石墨烯層，以在所述圖案化的金屬層上形成溝槽；
[0046]步驟S06:在所述溝槽中形成碳納米管材料層。
[0047]圖2?圖8為本發(fā)明一實(shí)施例中半導(dǎo)體器件的制造過程的結(jié)構(gòu)示意圖。以下結(jié)合圖2?圖8詳細(xì)說明本發(fā)明一實(shí)施例中半導(dǎo)體器件的制造方法的具體過程。
[0048]如圖2所示，在步驟SOl中，提供半導(dǎo)體襯底100 ;所述半導(dǎo)體襯底100的材質(zhì)可以為單晶硅、多晶硅、無定形硅、硅鍺化合物或絕緣體上硅(SOI)等，在所述半導(dǎo)體襯底100中形成器件結(jié)構(gòu)(圖中未標(biāo)示)，所述器件結(jié)構(gòu)可以包括有源器件或無源器件等，例如源區(qū)、漏區(qū)、隔離結(jié)構(gòu)等。
[0049]如圖3所示，在步驟S02中，在所述半導(dǎo)體襯底100上形成圖案化的金屬催化層102 ;所述圖案化的金屬催化層102的形成步驟包括:首先在所述半導(dǎo)體襯底100上形成金屬催化層薄膜，所述金屬催化層薄膜采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積法或原子層沉積法形成；接著在所述金屬催化層薄膜上形成圖案化的光刻膠(圖中未標(biāo)示)；接下來以所述圖案化的光刻膠為掩膜，刻蝕所述金屬催化層薄膜，可以采用干法或濕法刻蝕所述金屬催化層薄膜，其中刻蝕物質(zhì)包括氯氣(C12)，氮?dú)?N2)和氬氣(Ar)，環(huán)境氣壓為2mt?20mt (mTorr,毫托)，時(shí)間為IOs?30s,以形成圖案化的圖案化的金屬催化層102 ；最后去除所述圖案化的光刻膠。所述圖案化的金屬催化層102的材質(zhì)可選的為鈷(Co)、鎳(Ni)、鉬(Pt)或釕(Ru)，在較佳的實(shí)施例中，所述圖案化的金屬催化層102的材質(zhì)為鎳，采用鎳的圖案化的金屬催化層102能夠催化石墨烯層的生長，同時(shí)也可催化碳納米管材料的生長，即是兩種物質(zhì)的共有催化劑，且相比其他材料，鎳的催化效率最高。
[0050]接著，如圖4所示，在步驟S03中，在所述圖案化的金屬催化層102上形成至少一層石墨烯層104 ;所述石墨烯層104可以采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成，較佳的采用低溫化學(xué)氣相沉積法，該方法工藝更為成熟，成本相對(duì)較低。
[0051]所述石墨烯層104能夠選擇性的形成于圖案化的金屬催化層102上，所述石墨烯材料具有良好的電導(dǎo)特性、抗電遷移性能以及熱導(dǎo)性能能夠使器件具有更好的導(dǎo)電特性，石墨烯納米層104作為后續(xù)用于互連通孔(Via)或接觸孔(Contact)結(jié)構(gòu)局部互連的互連線，可以大幅度降低連線之間的寄生電阻，同時(shí)單層的石墨烯層為納米級(jí)別的厚度，因此石墨烯納米層104可以通過控制層數(shù)，單層或多層，以精確控制其厚度，精確控制電阻并有效控制寄生電阻。
[0052]接著，如圖5所示，在步驟S04中，在所述石墨烯層104和暴露的半導(dǎo)體襯底100上覆蓋介質(zhì)層106 ;所述介質(zhì)層106的材質(zhì)為氧化硅、低介電常數(shù)材料或超低介電常數(shù)材料。所述低介電常數(shù)材料為介電常數(shù)小于氧化硅的介電常數(shù)k(k = 3.9)的材料，例如多孔硅、SiOF, SiOC、有機(jī)聚合物、超小型泡沫塑料、包含有機(jī)聚合物的硅基絕緣體、摻雜了碳的硅氧化物和摻雜了氯的硅氧化物等，在較佳的實(shí)施例中，所述介質(zhì)層106的材質(zhì)選擇介電常數(shù)為2.0?3.0的介質(zhì)層，能夠更好的降低寄生電容，提高半導(dǎo)體器件的整體性能。
[0053]如圖6所示，在步驟S05中，利用光刻和刻蝕工藝，刻蝕部分介質(zhì)層106和石墨烯層104，直至暴露所述圖案化的金屬催化層102，以在所述圖案化的金屬催化層102上形成溝槽202，刻蝕物質(zhì)包括溴化氫(HBr)，氧氣(O2)和四氟化碳(CF4)，上述刻蝕物質(zhì)對(duì)金屬材料的刻蝕選擇比較高，該溝槽202作為后續(xù)互連的通孔或接觸孔，其尺寸根據(jù)工藝要求確定。
[0054]如圖6和圖7所示，在步驟S06中，在所述溝槽202中形成碳納米管材料層108。所述碳納米管材料層108在圖案化的金屬催化層102的催化條件下形成，其形成溫度低于500°C。在所述溝槽202中暴露圖案化的金屬催化層102，暴露圖案化的金屬催化層102可直接催化碳納米管層108的生長，生長過程能夠根據(jù)圖案化的金屬催化層102，能夠更加有序地從底部往上生長，因此比同時(shí)在側(cè)壁上形成金屬催化材料生長更加有序。碳納米管具有良好的電學(xué)特性，并且具有優(yōu)異的機(jī)械特性，并且能夠沿著圖案化的金屬催化層102的導(dǎo)向性生長，易于控制，能夠大幅降低半導(dǎo)體器件的寄生電阻和寄生電容。
[0055]至此形成了半導(dǎo)體器件的一層互連層，使用碳納米管材料層108作為互連的通孔或接觸孔的互連材料，使用石墨烯層104作為局部互連的互連材料，大幅度降低現(xiàn)有技術(shù)中銅互連技術(shù)因局部互連尺寸較小而帶來的寄生電阻以及連線之間的寄生電容；利用低介電常數(shù)材料層能夠進(jìn)一步降低寄生電容，降低互連RC延遲，提高半導(dǎo)體器件的整體性能。并且，其形成過程與銅互連結(jié)構(gòu)步驟基本相同，從而能夠有效替代現(xiàn)有技術(shù)中的銅互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的工藝過程。
[0056]此后，如圖6和圖8所示，在所述溝槽202中形成碳納米管材料層108的步驟之后，還包括在所述介質(zhì)層106和碳納米管材料層108上形成新一層金屬催化層110。所述新一層金屬催化層110可以作為下一層間互連層的起始層，多次重復(fù)步驟SOl?步驟S07，從而能夠形成具有多層層間互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件。
[0057]結(jié)合上述制造方法，本發(fā)明還提供一種半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)，如圖7所示，所述半導(dǎo)體器件包括:
[0058]半導(dǎo)體襯底100 ；
[0059]圖案化的金屬催化層102，形成于所述半導(dǎo)體襯底100上；[0060]介質(zhì)層106,位于所述圖案化的金屬催化層102和暴露的半導(dǎo)體襯底100上；
[0061]碳納米管材料層108，貫穿于所述介質(zhì)層106中；
[0062]石墨烯層104，位于所述介質(zhì)層106和所述圖案化的金屬催化層102之間，并位于所述碳納米管材料層104的底部側(cè)壁旁。
[0063]其中，所述圖案化的金屬催化層102的材質(zhì)為鈷、鎳、鉬或釕。在較佳的實(shí)施例中，所述圖案化的金屬催化層102的材質(zhì)為鎳。所述石墨烯層104可以采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成。所述介質(zhì)層106的材質(zhì)為氧化硅或低介電常數(shù)材料。所述介質(zhì)層106的介電常數(shù)為2.0?3.0。
[0064]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的半導(dǎo)體器件及其制造方法，使用碳納米管代替?zhèn)鹘y(tǒng)的銅互連材料，使用碳納米管材料層作為互連的通孔或接觸孔的互連材料，使用石墨烯層作為局部互連的互連材料，大幅度降低現(xiàn)有技術(shù)中銅互連技術(shù)因局部互連尺寸較小而帶來的寄生電阻以及連線之間的寄生電容；利用低介電常數(shù)材料層能夠進(jìn)一步降低寄生電容，降低互連RC延遲，提高半導(dǎo)體器件的整體性能。并且，其形成過程與銅互連結(jié)構(gòu)步驟基本相同，從而能夠有效替代現(xiàn)有技術(shù)中的銅互連結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件的工藝過程，控制芯片成本。
[0065]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，包括: 提供半導(dǎo)體襯底； 在所述半導(dǎo)體襯底上形成圖案化的金屬催化層； 在所述圖案化的金屬催化層上形成至少一層石墨烯層； 在所述石墨烯層和暴露的半導(dǎo)體襯底上覆蓋介質(zhì)層； 利用光刻和刻蝕工藝，刻蝕部分所述介質(zhì)層和石墨烯層，以在所述圖案化的金屬催化層上形成溝槽； 在所述溝槽中形成碳納米管材料層。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述圖案化的金屬催化層的形成步驟包括: 在所述半導(dǎo)體襯底上形成金屬催化層薄膜； 在所述金屬催化層薄膜上形成圖案化的光刻膠； 以所述圖案化的光刻膠為掩膜，刻蝕所述金屬催化層薄膜，以形成圖案化的金屬催化層； 去除所述圖案化的光刻膠。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述金屬催化層薄膜采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、脈沖激光沉積法或原子層沉積法形成。
4.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鈷、鎳、鉬或釕。
5.如權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述金屬催化層薄膜的材質(zhì)為鎳。
6.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在刻蝕所述金屬催化層薄膜的步驟中，刻蝕物質(zhì)包括氯氣，氮?dú)夂蜌鍤?，環(huán)境氣壓為2mt-20mt，時(shí)間為IOs-30so
7.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述石墨烯層采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成。
8.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述介質(zhì)層的材質(zhì)為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
9.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述介質(zhì)層的介電常數(shù)為 2.0 -3.0。
10.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，在刻蝕部分所述介質(zhì)層和石墨烯層的步驟中，刻蝕物質(zhì)包括溴化氫，氧氣和四氟化碳。
11.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于，所述碳納米管材料層的形成溫度低于500 °C。
12.—種半導(dǎo)體器件，包括: 半導(dǎo)體襯底； 圖案化的金屬催化層，形成于所述半導(dǎo)體襯底上； 介質(zhì)層，位于所述圖案化的金屬催化層和暴露的半導(dǎo)體襯底上； 碳納米管材料層，貫穿于所述介質(zhì)層中；石墨烯層，位于所述介質(zhì)層和所述圖案化的金屬催化層之間，并位于所述碳納米管材料層的底部側(cè)壁旁。
13.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述圖案化的金屬催化層的材質(zhì)為鈷、鎳、鉬或釕。
14.如權(quán)利要求13所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述圖案化的金屬催化層的材質(zhì)為鎳。
15.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述石墨烯層采用低溫化學(xué)氣相沉積法或激光直寫方法形成。
16.如權(quán)利要求12所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述介質(zhì)層的材質(zhì)為氧化硅或低介電常數(shù)材料。
17.如權(quán)利要求16所述的半導(dǎo)體器件，其特征在于，所述介質(zhì)層的介電常數(shù)為2.0-·3.0。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK103456677SQ201210183119
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2012年6月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月5日
【發(fā)明者】符雅麗, 張海洋 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司