專利名稱：一種金屬電感的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通訊器件領(lǐng)域，具體涉及一種金屬電感的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著無線通訊市場的迅速發(fā)展，人們對便攜式設(shè)備的需求不斷的增加，極大的推動了射頻集成電路的發(fā)展。同時，為滿足電路高性能和高集成度的要求，電感作為射頻電路中不可或缺的無源器件，通常需要在片上集成，而電感性能也成為影響射頻集成電路性能的重要因素。制備電感的金屬材料可以是鎢、鋁、銅等，但是目前比較常用和主流的片上集成電感材料是銅。致使金屬電感性能下降的原因主要有(I)金屬線圈在高電流密度時會發(fā)生的電遷移現(xiàn)象；(2)電感線圈中的電流存在趨膚效應(yīng)；(3)電感線圈中有渦流效應(yīng) 。 電遷移現(xiàn)象是指當電流密度高于某一臨界值時，會造成金屬原子移動，易造成金屬電感的金屬線圈在工作過程中產(chǎn)生斷路或短路，從而造成元件或電路的失效。電遷移而鋁線及銅線的抗電遷移率的臨界電流密度約為106A/cm2。趨膚效應(yīng)是指當導(dǎo)線半徑遠大于電磁波的透入深度時，電磁波在進入導(dǎo)休表面極薄層區(qū)域后就已衰竭，電場強度與磁場強度在表面處均有最大值，沿半徑進入導(dǎo)線內(nèi)部后，則其振幅逐漸衰減而趨于零，因而電流密度= Y E)、磁感應(yīng)強度(B= μ H)均在表面處有最大值，進入導(dǎo)體內(nèi)部后，兩者亦逐漸衰減為零， 這種現(xiàn)象稱之為趨膚效應(yīng)，趨膚效應(yīng)會造成金屬線的有效深度變小，從而電阻增大。所謂電感線圈中的渦流效應(yīng)是指電感線圈中電流密度分布的不均勻。在線圈靠近內(nèi)側(cè)的一邊，電流密度變大；在線圈靠近外側(cè)的一邊，電流密度變小。不管是電流趨膚效應(yīng)還是渦流效應(yīng)， 都會使得線圈的電阻變大使得電感的Q值變??；都會在線圈中的局部產(chǎn)生高電流密度，如果嚴重的話，將引起金屬線圈局部的溫度升高，很有可能導(dǎo)致金屬線圈熔化，向周圍滲透以及電遷移等情況，影響電感的可靠性，也有可能使得發(fā)熱線圈附近的介質(zhì)發(fā)生熱擊穿，影響整個電路的可靠性。目前提高鋁線抗電遷移能力的方法有采用含百分之二的硅或者百分之一的銅的鋁合金，增大鋁的晶粒尺寸，采用介質(zhì)膜覆蓋鋁線，介質(zhì)膜可以是SiNx、Al2O3等等。目前提高銅線抗電遷移能力的方法主要有通過在銅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，但是會增大互連線的電阻，從而降低電感Q值。另外，Chai等人通過用Cu/CNT 復(fù)合材料來代替銅，可以有效降低孔洞的生長速率，Cu/CNT復(fù)合材料中空洞生長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金屬電感的制備方法，可以提高電感線圈的可靠性。本發(fā)明提供的一種金屬電感的制備方法，制備工藝如下I)制備電感內(nèi)連線的下層金屬。下層金屬連線一般可以是鋁、銅、鎢和金等，也可以是表面包覆如NiWP，CuSiN, CoffP等覆蓋層的銅互連線，或者是利用本工藝制備的表面包覆石墨烯覆蓋層的金屬連線。這層金屬層與下面的介質(zhì)之間還需淀積一層擴散阻擋層，用以增加金屬與下面介質(zhì)的粘附性以及阻擋金屬向介質(zhì)中擴散，一般可以采用Cr，TI, TIW等材料。2)下層金屬連線上面淀積絕緣介質(zhì)。為盡量減小寄生電容，采用低k介質(zhì)層。這種低k介質(zhì)可以是SiO2, polimide, Benzocycloubutene (BCB)等有機聚合物以及多孔材料等。像polimide, Benzocycloubutene (BCB)可以采用旋涂的方式,然后加以烘烤而使之固化。并且同時刻蝕形成通孔，用以將電感內(nèi)端口連出。3)在通孔和介質(zhì)層表面淀積一層擴散阻擋層和金屬的種籽層。這層擴散阻擋層可以是Ti，Tiff, Cr，TaN/Ta等?？梢酝ㄟ^濺射淀積，物理氣相淀積(PVD)，也可以利用ALD等等方法生成。4)形成電感線圈，選擇性地在金屬線圈表面原位生長石墨烯采用化學(xué)氣相淀積 (CVD)的方法，在線圈表面生長一層石墨烯。用于生長石墨烯的碳源可以是氣態(tài)碳源，如 CH2, CH4等，也可以是液態(tài)碳源，如乙醇，還可以是固態(tài)碳源，如PMMA，油脂，各種含碳有機物等。制備的石墨烯覆蓋層可以是單層的，雙層或多層石墨烯。本發(fā)明的基本原理
本發(fā)明的基本原理是利用石墨烯獨特的晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的物理和化學(xué)特性，其為單原子層二維結(jié)構(gòu)薄膜，高電導(dǎo)率、高電流承受密度，優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性和化學(xué)穩(wěn)定性等。由于石墨烯可承受的電流密度可以高于108A/cm2。當金屬連線表面覆蓋有石墨烯時，一旦由于線圈內(nèi)電流過高而出現(xiàn)電遷移產(chǎn)生空洞，電流可通過覆蓋在線圈表面的石墨烯來傳導(dǎo)， 從而減緩了連線中空洞的生長速率，提高了線圈的抗電遷移能力以及壽命。同時覆蓋在線圈表面的石墨烯也起到了與擴散阻擋層相似的作用，阻止金屬向介質(zhì)層的滲透，降低了由此帶來的短路的風險。另外石墨烯的優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性以及對氣體不可滲透，讓包裹一層石墨烯的金屬電感在制備和使用過程中避免了被氧化。石墨烯具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，緩解了電感線圈因局部溫度過高而發(fā)生的導(dǎo)線熔斷或者是介質(zhì)擊穿的現(xiàn)象，而且石墨烯本身沒有電遷移現(xiàn)象，可減少整體銅互連線電遷移現(xiàn)象所致的性能退化。本發(fā)明的優(yōu)點由于單層石墨烯的厚度只有3.4A，即使是雙層或者是多層石墨烯，厚度也仍舊很薄，可以滿足覆蓋層厚度盡量薄的要求；石墨烯的高電導(dǎo)率使得即使增加了一層薄層覆蓋層，并不會使電感線圈的電阻增大很多。相反由于趨膚效應(yīng)和渦流效應(yīng)引起電流集中在表面流過，而表面的高電導(dǎo)率的石墨烯比之前金屬表面的電導(dǎo)率要大，在一定程度上減小了電感的電阻，提高了 Q值。石墨烯可承受的最大電流密度在108A/cm2量級，具有十分優(yōu)良的抗電遷移率能力。石墨烯的化學(xué)穩(wěn)定性好以及對氣體不可滲透，使得包裹一層石墨烯的金屬銅電感在制備過程中避免被氧化。石墨烯還具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性，緩解了電感線圈由于在局部溫度過高而發(fā)生的導(dǎo)線熔斷或者是介質(zhì)熱擊穿的現(xiàn)象。因此，石墨烯的各種優(yōu)良特性，保證了石墨烯覆蓋層用于金屬銅電感中的必要性和可靠性。


圖I (A) —圖I (G)為本發(fā)明制備方法的流程圖
具體實施例方式下面用實施例闡明本發(fā)明，但是這些實施例不應(yīng)被解釋為對本發(fā)明的限制。以銅電感為例(I)準備電阻率較高(大于10 Ω/cm)的P型硅襯底1，如圖I (A)所示。(2)在硅襯底上淀積一層氧化層2，如圖I (B)所示。用于隔離電感下層金屬與硅襯底。這層氧化層是SiO2,是通過CVD的方法生成。(3)蒸發(fā)形成第一層金屬銅，用于電感內(nèi)端口的引出互連線，并且實現(xiàn)圖形化。在淀積銅之前，先淀積一層Cr。然后選擇性的在金屬銅下層連線3表面用化學(xué)氣相淀積生長石墨烯層4 (如圖I (C)所示)，其具體生長工藝如下
(i)升溫過程在仏和々!·氣氛下，在60分鐘內(nèi)將爐溫升至生長溫度850°C。4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，生長時間為10分鐘。(iv)降溫過程在生長過程完成后，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。(4)用CVD的方法在生長完石墨烯的結(jié)構(gòu)上面沉積厚度為I μ m左右的二氧化硅介質(zhì)層5。并且同時用RIE刻蝕二氧化硅介質(zhì)層5形成下層金屬與銅電感的通孔。如圖I (D)所示。(5)利用濺射淀積的方法在通孔和二氧化硅介質(zhì)層5表面形成一層阻擋層TaN和銅的種籽層6。如圖I (E)所示。(6)在阻擋層TaN和銅的種籽層6上涂上一層PMMA，通過電子束曝光，將需要淀積銅的地方的光刻膠去除掉。通過電化學(xué)鍍(ECP)的方法在通孔和未被光刻膠覆蓋的地方淀積銅金屬。采用化學(xué)機械拋光(CPM)將表面平整化。去除掉光刻膠以及光刻膠下面的種籽層，最后形成所需的銅電感圖形7。如圖I (F)示。(7)在銅電感線圈上選擇性的原位生長一層石墨烯覆蓋層8。具體生長工藝與步驟3中一致。如圖I (G)示。以上通過優(yōu)選實施例詳細描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解，以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，在不脫離本發(fā)明實質(zhì)的范圍內(nèi)，凡依本發(fā)明權(quán)利要求所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
權(quán)利要求
1.一種金屬電感的制備方法，制備工藝如下 1)制備電感的下層金屬連線； 2)下層金屬連線上面淀積絕緣介質(zhì)層，并且同時刻蝕形成通孔，用以將電感內(nèi)端口連出； 3)在通孔和介質(zhì)層表面淀積一層擴散阻擋層和金屬的種籽層，制備金屬電感線圈； 4)在上述金屬電感線圈表面原位生長石墨烯材料層。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)中，下層金屬連線是鋁，銅，鎢和金，或是表面包覆如NiWP、CuSiN, CoffP覆蓋層的銅互連線，或者是表面包覆石墨烯覆蓋層的金屬連線。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟I)中，下層金屬連線與襯底上的介質(zhì)材料層之間淀積一層擴散阻擋層，該擴散阻擋層采用Cr、TI或TIW。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟2)中，絕緣介質(zhì)層采用低k介質(zhì)材料。低k介質(zhì)材料是Si02、polimide、BENZOCYCLOBUTENE有機聚合物以及多孔材料。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟3)中，擴散阻擋層是Ti、TiW、Cr、TaN/Ta。
6.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4)中，采用化學(xué)氣相淀積的方法，在金屬電感線圈表面生長一層石墨烯，用于生長石墨烯的碳源是氣態(tài)碳源，或是液態(tài)碳源，或者是固態(tài)碳源。
7.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，步驟4)中，制備的石墨烯覆蓋層是單層、雙層或多層石墨烯。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬電感的制備方法，屬于無線通訊器件領(lǐng)域。該方法利用石墨烯獨特的晶體結(jié)構(gòu)和物理特性，通過在電感線圈的金屬上包裹一層石墨烯，提高了線圈的抗電遷移能力以及壽命，減少整體銅互連線因電遷移現(xiàn)象所致的性能退化，避免金屬電感在制備及使用過程中被氧化。同時因石墨烯具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，緩解了電感線圈因局部溫度過高而發(fā)生的熔斷或者是介質(zhì)擊穿的現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/02GK102709155SQ201210112738
公開日2012年10月3日 申請日期2012年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月17日
發(fā)明者任黎明, 傅云義, 周夢杰, 張興, 李晨, 魏子鈞, 魏芹芹, 黃如 申請人:北京大學(xué)