石墨烯和金屬互連的制作方法
【專利說明】石墨燦和金屬互連
對相關申請的交叉引用
[0001]本申請要求于2012年12月17日提交的、題為“石墨烯和金屬互連”的美國專利申請序列號13/716,636的優(yōu)先權，該專利申請的內容通過引用全部合并于此。
技術領域
[0002]本發(fā)明一般地涉及半導體結構和形成半導體結構的方法的領域，更具體地說，本發(fā)明涉及主要包括石墨烯和金屬的后段制程(BEOL)互連結構。
【背景技術】
[0003]集成電路通常包括多個半導體器件和互連布線。金屬互連布線的網絡通常從半導體襯底的半導體部分將半導體器件連接起來。半導體襯底的半導體部分之上的多個金屬互連布線層連接在一起形成后段制程(BEOL)互連結構。在這一結構中，金屬線與襯底平行，金屬過孔與襯底的頂部垂直。
[0004]過去十年的兩項發(fā)展促成了同時代IC的性能提升。一項發(fā)展是使用銅作為BEOL互連結構的互連金屬。銅的優(yōu)勢在于，與其他傳統(tǒng)地使用的互連金屬，例如銷，相比，銅的傳導率更高。然而，與銅相比，諸如石墨烯的其他金屬具有出眾的電流運載能力以及熱傳導率，但是生產石墨烯的許多方法都具有諸多挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)阻礙了在當代的IC中包括石墨烯。

【發(fā)明內容】

[0005]根據本發(fā)明的一個方面，提供了單波紋或雙波紋石墨烯和銅互連結構及其制造方法。所述互連結構的石墨烯部分是使用石墨烯催化劑生長的多層石墨烯結構。所述多層石墨烯形成兩個或多個組件之間的電連接。所述組件可以是通孔或元件或通孔和元件的組合。通孔包括填充金屬，其中填充金屬的至少一部分被勢皇金屬包裹。所述元件可以是繞線軌跡、時鐘信號源、電源、電磁信號源、接地端子、晶體管、微單元及其組合。使用石墨烯催化劑來從液體和固體碳源，通過在300°C到400°C之間的化學氣相淀(CVD)來生長所述多層石墨烯。
[0006]根據另一方面，生成石墨烯和銅互連結構的方法包括刻蝕第一溝槽，從而去除第一通孔的頂端的至少一部分，繼而使得所述第一溝槽的第一端與所述第一通孔的頂部交叉。氮化鉭層被沉積到第一溝槽內。石墨烯催化劑層被沉積到第一溝槽內。通過化學機械平坦化來限定第一溝槽。在第一溝槽內生長多層石墨烯。沉積介電材料層以便在第一溝槽和第一通孔上形成蓋。
[0007]又一方面提供了從以上提到的廣泛方法得到的互連結構，該方法進一步包括在蓋的頂上施加襯底層?？涛g出第二溝槽以使得第二溝槽與所述填充有石墨烯的第一溝槽的第二端的至少一部分交叉并移除所述至少一部分。勢皇材料層被沉積到第二溝槽內。用填充金屬填充第二溝槽以便形成第二通孔。
[0008]示例性的方面還提供了從以上提到的廣泛方法得到的互連結構，該方法進一步包括在蓋的頂上施加襯底層?？涛g出第二溝槽以使得第二溝槽與所述填充有石墨烯的第一溝槽的第二端接觸。勢皇材料層被沉積到第二溝槽內。用填充金屬填充第二溝槽以便形成第二通孔。
[0009]另一方面還提供了從以上提到的廣泛方法得到的互連結構，該方法進一步包括在包括在互連結構內的給定VIA和元件之間形成電連接。
【附圖說明】
[0010]現(xiàn)在參照以下附圖，僅通過示例的方式來描述本發(fā)明的實施例:
[0011]圖1是根據本發(fā)明示例性實施例的初始石墨烯和金屬互連結構的側視圖，其包括使用波紋(damascene)方法制造的元件和通孔。
[0012]圖2是示出根據本發(fā)明示例性實施例地生成溝槽的側視圖，在該溝槽中將限定石墨稀和金屬互連結構。
[0013]圖3是示出根據本發(fā)明示例性實施例地在石墨烯和金屬互連結構上沉積氮化鉭(TaN)層和釕(Ru)層的側視圖。
[0014]圖4是示出根據本發(fā)明示例性實施例的使用化學機械平坦化(CMP)生成的石墨烯和金屬互連結構的進一步限定的溝槽的側視圖。
[0015]圖5是示出根據本發(fā)明示例性實施例的石墨烯和金屬互連結構的溝槽的側視圖，所述溝槽填充有使用化學氣相淀(CVD)選擇性地生長的石墨烯。
[0016]圖6是示出根據本發(fā)明示例性實施例的完整的石墨烯和金屬互連結構的側視圖。
[0017]圖7是示出根據本發(fā)明示例性實施例的完整的石墨烯和金屬互連結構的側視圖。
【具體實施方式】
[0018]在集成電路芯片的制造/生產中，越來越期望在每個芯片中放入更多的器件和電路，并且期望更高級別的能量效率。因此，一直存在需要，不僅降低電路元件的尺寸，還降低互連到電路元件和布線和連接通孔的尺寸和阻抗，以及降低同一級別上的一個VIA(以及所連接的布線)到另一 VIA(以及所連接的布線)之間的留空(間距(pitch))。這些布線和VIA可以被放置在半導體襯底的頂部上形成的一個或多個金屬化層中。
[0019]半導體襯底優(yōu)選地，而不是必須地，由含有金屬的娃構成。含有金屬的娃包括，而不限于，娃，單晶娃，多晶娃，娃錯，單晶娃錯，多晶娃錯，碳慘雜的娃，無定型娃，或者其組合以及其構成的多個層。半導體襯底也可以由其他半導體材料構成，例如鍺，以及化合物半導體襯底，例如III/V族半導體襯底，例如GaAs。雖然半導體襯底通常被描述為體半導體襯底，但是絕緣體上半導體(SOI)襯底布置，例如絕緣體上硅襯底，也是用于集成電路芯片的合適襯底。
[0020]襯底可以包括一個或多個電路元件或器件，例如其上形成的晶體管、電容或電阻。在其他示例性實施例中，也可以使用其他類型的電路元件或器件。
[0021]金屬層是嵌入在介電材料中的布線(傳導線)。通常將多個金屬化層放置在一起，并且通過傳統(tǒng)的通孔互連，所述通孔穿過介電材料以接觸分離級別上的金屬布線。金屬化層在這里還可以被稱為金屬層、布線層或者布線級別。通孔、金屬層、布線層或者布線級別共同可被稱為互連結構或者后段制程(BEOL)布線級別。
[0022]介電層可以包括上半部分和下半部分，上半部分即形成布線的介電材料，下半部分即形成傳導通孔的介電材料。下半部分作為級間介電(ILD)層，上半部分作為金屬間介電(IMD)層。介電層可以是單層或者多層堆疊。例如，單層可以用作ILD和IMD，或者分離的層用作ILD和MD。在另一個示例中，刻蝕停止層(通常被放置在待刻蝕的材料下方以便停止刻蝕工藝的一層材料)可以被放置在ILD和MD之間。
[0023]用于生成布線(傳導線)的傳導材料可以是金屬，例如鎢、銅、鋁、各自的合金、或者其組合。傳導通孔可以由與布線相同或者不同的材料構成。通孔可以將傳導線連接到其下方的接觸區(qū)域。取決于介電層級別，接觸區(qū)域可以是下介電層中的另一傳導線，或者接觸區(qū)域可以是諸如擴散區(qū)域、晶體管柵極、或者電容平板的器件。
[0024]布線和通孔通常使用光刻處理制作。在傳統(tǒng)的光刻處理中，光阻掩膜材料(光刻膠)被放置在一個或多個介電材料上。進行掩膜步驟以便選擇性地從特定區(qū)域(即通孔洞的位置以及布線路徑)移除光阻材料，從而使其暴露。然后進行刻蝕工藝，其刻蝕掉介電材料的暴露部分，從而形成溝槽和通孔洞。金屬沉積工藝將這些部分用傳導材料填充，從而形成該層的布線和通孔。
[0025]更具體地，所進行的掩膜步驟包括將光通過掩膜圖像聚焦在光阻層的表面。由于聚焦和光波長限制，對于圖像能夠被形成為多小是有限制的。
[0026]為了以更小的關鍵尺寸(⑶)，例如小于40nm，以及更緊密的間距，例如小于80nm，
生成布線和通孔，必須在亞光刻尺度上生成掩膜圖像(即具有小于能夠使用傳統(tǒng)光刻工藝生產的尺寸)。此外，更小的CD和更緊密的結團對形成通孔和連接布線中的誤差容錯更小。因此，期望有這樣一種工藝，其中通孔在產生期間自對準到其對應的金屬線。
[0027]最初，鋁是用于制造/生產集成電路芯片的許多方法中對金屬的選擇。然而，鋁具有比銀或者銅更高的電阻，銀或者銅的阻抗接近鋁的一半。開銷和使用方便性使得銅是制造/生產集成電路芯片的更好選擇。然而，銅帶來若干新的挑戰(zhàn)。由于缺乏不穩(wěn)定的銅化合物，銅不能被光刻膠掩膜和離子刻蝕等成功用于鋁的技術所構圖。不能使用離子刻蝕銅要求對金屬構圖工藝進行重大的重新構思，這種重新鉤子的結果是稱為添加構圖，或者“波紋”或“雙波紋”工藝的工藝。
[0028]在這個工藝中，下方的硅氧化物絕緣層被構圖為開放的溝槽，其中導體位于溝槽中。厚的銅鍍層被沉積在絕緣體上，所述厚的銅鍍層顯著地充滿所述溝槽，然后用化學機械平坦化(CMP，也稱為化學機械拋光)來去除銅直到絕緣層頂部的級別。凹陷在絕緣層的溝槽中的銅沒有被去除，從而成為經構圖的導體。多次應用該工藝后，可以構建若干層以形成復雜的結構。
[0029]參照圖1，根據示例性實施例，示出了用于本發(fā)明實施例的襯底10和12。類似地，在圖6和圖7中展示的層32示出襯底。襯底10、12和32可以包括半導體材料、絕緣體材料、傳導材料或者任何包括多個層的組合。當襯底10、12和32由半導體材料構成時，可以使用任何半導體，例如 Si, SiGe, SiGeC, SiC, Ge alloys, GaAs, InAs, InP和其他 III/V或 11/VI化合物半導體。除了這些所列出的半導體材料類型以外，襯底10、12和32也可以是分層半導體襯底，例如Si/SiGe，Si/SiC，絕緣體上硅(SOIs)或者絕緣體上硅鍺(SGOIs)。
[0030]根據示例性實施例，當襯底10、12和32包括半導體材料時，可以在其上制造一個或多個半導體器件，例如互補金屬氧化物半導體(CMOS)器件。
[0031]根據示例性實施例，當襯底10、12和32是絕緣體材料時，絕緣體材料可以是有機絕緣體、無機絕緣體或者包括多個層的組合。當襯底10、12和32是傳導材料時，襯底10、12和32可以包括例如多晶硅、金屬元素、金屬元素的合金、金屬硅化物、金屬氮化物或者包括多個層的組合。當襯底10、12和32包括絕緣體材料和傳導材料的組合時，襯底10、12和32可以代表多層互連結構的第一個互連級別。
[0032]如圖1所示，根據示例性實施例，層14和24是可以在本發(fā)明的一個實施例中用到的刻蝕停止(或刻蝕抑制)層。類似的，如圖6和圖7所展示的層25和44示出刻蝕停止層。在本公開中，停止層可以由硅碳氮(SiCN)、銅鈍化和刻蝕停止材料構成。一般來說，一層“刻蝕停止”材料典型地被放置于待刻蝕材料的下方，以便停止刻蝕工藝?？涛g停止層14、24、25和44的每一個都包括本領域所知的與待刻蝕材料(例如襯底12)具有不同的刻蝕特性的材料。
[0033]在示例性實施例中，襯底10包括元件20。一般來說，元件20是要求繞線到或者連接到互連的結構。元件20在本實施例中是連接到豎直互連接入(VIA) 16的底部的微單元。VIA 16由三面包裹勢皇金屬18的銅芯構成。在本示例中，元件20也由勢皇金屬(19