專利名稱：一種用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及集成電路互連工藝技術(shù)領域，特別是一種用于集成電路芯片的復合通 孔互連結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著微電子產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，半導體器件的特征尺寸不斷減小，其金屬導線上通 過的電流密度急劇上升。傳統(tǒng)的半導體工藝是主要采用鋁或銅作為金屬互連材料，線寬的 減小，銅比鋁有更好的電導率和抗電遷移能力，目前銅互連占主導地位。由于特征尺寸進一 步減少，晶粒邊界散射和表面粗糙造成銅互連線的電阻增大，并且電遷移現(xiàn)象越來越明顯， 其主導地位也面臨著嚴峻的考驗。讓人欣喜的是，碳納米管具有優(yōu)良的導電性能，其中的電 子是以彈道的形式進行運輸傳遞的(長度僅限于幾微米之內(nèi))，電子在其中移動根本不會 受阻或者發(fā)散，故其電阻可以忽略，而且碳納米管不會發(fā)生電遷移現(xiàn)象。由碳納米管和銅構(gòu) 成的復合材料也已經(jīng)顯示出比單獨的銅具有更高的電導率和更高的電遷移阻力。德國hfineon在6inch晶圓上生長CNT，并在通孔中進行CNT填充生長，表明填充 密度不及3%，并指出工作挑戰(zhàn)在于提高CNT束密度及互連接觸特性。美國IBM公司的專 利利用碳納米管復合互連通路的集成電路芯片(CN 1926680A)中的復合通孔互連結(jié)構(gòu)， 以減小碳納米管形成的密度來填充銅。碳納米管是石墨烯卷曲形成的圓柱狀結(jié)構(gòu)，具有典 型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，直徑一般為2 20nm，根本目前先進的集成電路工藝，通孔尺寸一 般為幾十納米；目前碳納米管的生長過程中，金屬性和半導體性的碳納米管同時產(chǎn)生，而在 互連中只有金屬性的碳納米管具有良好的導電性。填充密度減小，通孔互連利用碳納米管 形成的導電通路承載電流的密度也將減小。而碳納米易彎曲，其生長后的垂直結(jié)構(gòu)的維持 也是急需解決的問題。因此采用盡可能多個的碳納米管填充通孔，能明顯提高導電能力，用導電金屬填 充通孔內(nèi)的其余空隙，固定碳納米管使其具有長期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述技術(shù)分析，提供一種用于集成電路芯片的復合通孔互連 結(jié)構(gòu)及其制備方法，這種結(jié)構(gòu)能夠減小通孔互連電阻，提高承載電流的密度。本發(fā)明的技術(shù)方案—種用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，包括第一導電層、第二導電層、碳納 米管束和填充的導電金屬，第一導電層和第二導電層之間設有垂直通孔，碳納米管束位于 垂直通孔內(nèi)且與第一導電層垂直，導電金屬為填充碳納米管內(nèi)的空隙和通孔內(nèi)碳納米管之 間的間隙。所述第一導電層和第二導電層均為Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W
中的一種或兩種以上任意比例的金屬合金。所述碳納米管束為束密度為(1000-8000) μ πΓ2的多壁碳納米管束、束密度為(2000-10000) μ m_2的單壁碳納米管束或束密度為(1000-10000) μ m_2的由單壁和多壁碳納 米管以任意比例混合的碳納米管束。所述導電金屬為Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W中的一種或兩種以
上任意比例的金屬合金。一種所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)的制備方法，步驟如下1)在襯底上沉積下電介質(zhì)層，在下電介質(zhì)層上制備第一導電層；2)在第一導電層上沉積一層催化劑；3)在催化劑層上沉積上電介質(zhì)層，然后對其進行刻蝕直至露出催化劑層，形成用 于生長碳納米管且垂直于第一導電層的通孔結(jié)構(gòu)；4)在催化劑層上生長由碳納米管構(gòu)成的碳納米管束且生長的碳米管垂直于第一 導電層；5)用導電金屬填充碳納米管內(nèi)的空隙及通孔內(nèi)碳納米管之間的間隙；6)在碳納米管束頂端沉積一層金屬形成第二導電層。所述催化劑為Ni、Fe、Co、Pt、Mo、W、Y、Au和Pd中的一種或兩種以上任意比例的
^^ I^l 口 ^^ ο所述上電介質(zhì)層和下電介質(zhì)層為氧化硅、氮化硅、氟硅酸鹽、氟硅、氮化鈦、SiCOH, 摻氟氧化硅、摻碳氧化硅、有機硅化物、聚對二甲苯或聚酰亞胺。所述導電金屬的填充方法為電鍍法、電子束沉積法、原子層沉積法、磁濺射法或離 子束濺射法。本發(fā)明中的優(yōu)點用高束密度的碳納米管束填充通孔，能明顯提高導電能力；用 導電金屬填充通孔內(nèi)的其余空隙，在提高通孔導電性的同時，還可以固定通孔中的碳納米 管使其具有長期穩(wěn)定性。


圖1是本發(fā)明所述復合通孔互連結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是所述實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式現(xiàn)在將參照實施例的附圖對本發(fā)明進行詳細的說明。實施例在硅襯底上沉積基本均勻的SW2形成下電介質(zhì)層。根據(jù)所需第一導電層 銅的圖案利用光致抗蝕劑圖像光刻構(gòu)圖所沉積電介質(zhì)的上表面，通過反應離子蝕刻去除未 掩?；碾娊橘|(zhì)部分以產(chǎn)生第一導電層槽的圖案。在下電介質(zhì)層的整個上表面包括槽內(nèi)沉積TiN/Ti阻擋層，TiN是第一層，Ti為第 二層，然后再沉積第一導電層銅。全部三層通過原子層沉積物理氣相沉積工藝沉積。TiN/ Ti層可以防止銅遷移到電介質(zhì)層中并改善粘附性。通過化學機械拋光(Chemicalmechanical planarization，CMP)去除除了槽以外 的銅剩余層和阻擋層，然后可通過反應離子蝕刻第一導電層槽。在CMP中使用對銅有選擇 性的蝕刻劑，使銅比電介質(zhì)層更快地被去除，在槽內(nèi)留下淺槽。然后在下電介質(zhì)層包括槽上 用離子束濺射3nm厚的鐵催化劑層。用化學機械拋光去除下電介質(zhì)層上表面的催化劑層，僅在淺槽中留有催化劑層。在拋光的下電介質(zhì)層上沉積氮化硅阻擋層，接著沉積SW2作為 上電介質(zhì)層，使用合適的光致抗蝕劑光刻構(gòu)圖，通過反應離子蝕刻去除上電介質(zhì)層中的未 被掩膜的部分，形成用于填充導電金屬銅不包括通孔的凹槽。再用光致抗蝕劑構(gòu)圖，通孔結(jié) 構(gòu)上方未被掩膜，用反應離子蝕刻去除通孔內(nèi)SiO2和下面的阻擋層，以形成通孔結(jié)構(gòu)，通孔 延深至催化劑層。去除上電介質(zhì)層上方的光致抗蝕劑。鐵在適當工藝條件下催化碳納米管形成，可得到較高束密度的碳納米管。在等子 體增強化學氣相沉積系統(tǒng)中，反應器內(nèi)和吐的氣體混合物，在約400-700°C的溫度下維 持2-10分鐘，將催化裂解形成碳納米管。C2H2*H2的比例約在1 2-1 4的范圍內(nèi)。選 用銅填充通孔，在暴露的表面上用原子層沉積法沉積阻擋層和銅籽晶層，用銅電鍍工藝將 銅填充在通孔及其上面的凹槽內(nèi)，形成銅填充結(jié)構(gòu)，同時第二導電層的沉積也在這一步中 完成了。第二導電層后，需用化學機械拋光去除多余的第二導電層和過長的碳納米管。以 此往上可構(gòu)建第三導電層等。其形成的復合通孔結(jié)構(gòu)的導電能力大于銅結(jié)構(gòu)。上述實施例，具體闡述了本發(fā)明所提供的用高束密度碳納米管和金屬復合填充通 孔的方法，但本領域技術(shù)人員應認識到，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)可以作出形式和細節(jié)上 的各種變型，其制備方法不限于實施例中所公開的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于包括第一導電層、第二 導電層、碳納米管束和填充的導電金屬，第一導電層和第二導電層之間設有垂直通孔，碳納 米管束位于垂直通孔內(nèi)且與第一導電層垂直，導電金屬為填充碳納米管內(nèi)的空隙和通孔內(nèi) 碳納米管之間的間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述第 一導電層和第二導電層均為Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W中的一種或兩種 以上任意比例的金屬合金。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述碳 納米管束為束密度為(1000-8000) μ m_2的多壁碳納米管束、束密度為Q000-10000) μ m_2的 單壁碳納米管束或束密度為(1000-10000) μ m_2的由單壁和多壁碳納米管以任意比例混合 的碳納米管束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導 電金屬為Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W中的一種或兩種以上任意比例的金屬合金。
5.一種如權(quán)利要求1所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征 在于步驟如下1)在襯底上沉積下電介質(zhì)層，在下電介質(zhì)層上制備第一導電層；2)在第一導電層上沉積一層催化劑；3)在催化劑層上沉積上電介質(zhì)層，然后對其進行刻蝕直至露出催化劑層，形成用于生 長碳納米管且垂直于第一導電層的通孔結(jié)構(gòu)；4)在催化劑層上生長由碳納米管構(gòu)成的碳納米管束且生長的碳米管垂直于第一導電層；5)用導電金屬填充碳納米管內(nèi)的空隙及通孔內(nèi)碳納米管之間的間隙；6)在碳納米管束頂端沉積一層金屬形成第二導電層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于所述催化劑為附工6、&)、？1110、1、￥、411和Pd中的一種或兩種以上任意比例的金屬合^^ O
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于所述上電介質(zhì)層和下電介質(zhì)層為氧化硅、氮化硅、氟硅酸鹽、氟硅、氮化鈦、SiCOH、摻氟 氧化硅、摻碳氧化硅、有機硅化物、聚對二甲苯或聚酰亞胺。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在 于所述導電金屬的填充方法為電鍍法、電子束沉積法、原子層沉積法、磁濺射法或離子束 濺射法。
全文摘要
一種用于集成電路芯片的復合通孔互連結(jié)構(gòu)，包括第一導電層、第二導電層、碳納米管束和填充的導電金屬，第一導電層和第二導電層之間設有垂直通孔，碳納米管束位于垂直通孔內(nèi)且與第一導電層垂直，導電金屬為填充碳納米管內(nèi)的空隙和通孔內(nèi)碳納米管之間的間隙。本發(fā)明中的優(yōu)點用高束密度的碳納米管束填充通孔，能明顯提高導電能力；用導電金屬填充通孔內(nèi)的其余空隙，在提高通孔導電性的同時，還可以固定通孔中的碳納米管使其具有長期穩(wěn)定性。
文檔編號H01L23/522GK102130091SQ201010593270
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月17日
發(fā)明者張勇, 張楷亮, 林新元, 胡凱, 袁育杰 申請人:天津理工大學