CN102593098A - 一种集成电路金属互连结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成电路金属互连结构及其制备方法。本发明利用石墨烯本身独特的分子结构和电学特性，在集成电路金属互连结构的上层金属连线上表面包覆石墨烯覆盖层。由于石墨烯的抗电迁移电流密度可以达到10⁹A/cm²，在金属导线内一旦由于电迁移出现小空洞的时候，电流就有可能通过包覆在金属导线表面的石墨烯来传导，从而有效降低金属互连线中空洞的生长速率，提高金属互连线的抗电迁移能力及其寿命，同时包覆在金属互连线表面的石墨烯也可以有效阻止晶须的生长，从而降低因晶须生长而导致短路的风险；另外，此石墨烯覆盖层可有效隔绝金属导线与空气接触，减缓或消除金属互连线表面的氧化，从而提高集成电路互连线的可靠性。

Description

一种集成电路金属互连结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米加工技术，具体是一种集成电路金属互连结构及其制备方法。

背景技术

随着集成电路器件尺寸的不断按比例缩小，电路集成度不断提高，集成电路中金属互连线的性能成为影响集成电路可靠性的关键因素之一。而电迁移是造成金属互连线性能退化的主要原因。所谓电迁移，就是当电流密度达到某一值后，金属导体中的的质量输运现象，即当电流密度很高时，通过金属互连线的电子密度很高，这股“电子风”会对靠近阴极附近的带正电的金属离子施加一个很大的跟原电场力方向相反的力，当这个力足够大时，就可以使金属离子有足够大的动量来移动到邻近的空位，从而使金属原子向阳极的电迁移。电迁移能使集成电路中的互连引线在工作过程中产生断路或短路，从而引起集成电路失效，其表现为：①在互连引线中形成空洞，增加了电阻；②空洞长大，最终贯穿互连引线，形成断路；③在互连引线中形成晶须，甚至与临近的互连线搭接，造成层间短路；④晶须长大，穿透钝化层，产生腐蚀源。电迁移是引起集成电路失效的一种重要原因。目前集成电路的互连金属主要有铜、铝或铝的合金。其中铝线的抗电迁移的临界电流密度为2×10⁵A/cm²，超过这个值就会出现电迁移导致的电路失效。铜导线的抗电迁移的电流密度虽然比铝大，但是当电流密度超过10⁶A/cm²时也会出现明显的电迁移。研究表明电迁移主要发生在金属导线顶部表面。可能的解决办法是通过在铜互连线的表面沉积一层覆盖层可以使铜原子迁移受到限制，并且可以防止铜连线跟氧气接触，可以有效提高铜互连线的抗电迁移能力。这些覆盖层材料包括SiN_x，CoWB，CuSiN，CoWP等。这些覆盖层虽然能够有效的提高金属互连线的可靠性，但是会增大互连线的电阻。另外，Chai等人通过用Cu/CNT复合材料来代替铜，可以有效降低孔洞的生长速率，Cu/CNT复合材料中空洞生长速率约为纯铜材料的四分之一，但是同样的问题就是电阻率比纯铜电阻率增大了15％。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用石墨烯制备金属互连线结构的方法。

本发明的基本原理就是利用了石墨烯本身独特的分子结构和电学特性，包括原子尺度，高电导率，高的抗电迁移电流密度，优良的热稳定性和化学稳定性等，在集成电路金属互连结构的上层金属连线表面上包覆石墨烯覆盖层。由于石墨烯的抗电迁移电流密度可以达到10⁹A/cm²，在金属导线内一旦由于电迁移出现小空洞的时候，电流就有可能通过包覆在金属导线表面的石墨烯来传导，从而有效降低金属互连线中空洞的生长速率，提高金属互连线的抗电迁移能力及其寿命，同时包覆在金属互连线表面的石墨烯也可以有效阻止晶须的生长，从而降低因晶须生长而导致短路的风险；另外，此石墨烯覆盖层可有效隔绝金属导线与空气接触，减缓或消除金属互连线表面的氧化，从而提高集成电路互连线的可靠性。

本发明提供的技术方案如下：

一种集成电路金属互连结构，包括上、下层金属连线以及连接上下层金属连线的通孔，其特征在于，在上层金属连线的表面覆盖单层或多层石墨烯。

一种金属互连线结构的制备方法，具体步骤包括：

(1)制备下层金属连线，并在其结构之上沉积介质层。

下层金属连线可以是钨，也可以是表面包覆如NiWP、CuSiN、CoWP等覆盖层的铜，镍，铜的合金或镍的合金。在下层金属连线结构之上沉积介质层，介质层可以是二氧化硅，掺杂二氧化硅，有机聚合物和多孔材料等低K介质材料。

(2)制备连接下层金属连线的通孔和上层金属互连线的沟槽。连接下层金属连线的通孔和上层金属互连线的沟槽可以是分两步形成的(单镶嵌工艺)，也可以是同时形成的(双镶嵌工艺)，所谓镶嵌工艺就是指先刻蚀沟槽再填充金属的工艺。

(3)在通孔和沟槽的底部和侧壁沉积一层扩散阻挡层和金属种籽层。先在通孔和沟槽的底部和侧壁沉积一层扩散阻挡层，然后在阻挡层表面沉积金属种籽层。扩散阻挡层可以是TaN/Ta，WN，Ru等，沉积方法可以是物理气相沉积(PVD)的方法，也可以是原子层沉积(ALD)的方法。

(4)在通孔和沟槽中沉积金属，并用化学机械抛光的方法对上层金属连线和介质层表面平坦化。上层金属采用铜，镍，铜的合金或镍的合金。沉积金属的方法可以是物理气相沉积或化学气相沉积、电镀、化学镀等方法。

(5)选择性地在上层金属连线表面原位生长石墨烯：用化学气相沉积(CVD)的方法，在铜连线表面原位覆盖石墨烯层。用于生长石墨烯的碳源可以是含碳气体，如CH₂，CH₄等，也可以是含碳液体，如乙醇，还可以是含碳固体，如PMMA。制备的石墨烯覆盖层可以是单层，双层或多层石墨烯，也可以是混合体。

(6)制备多层互连结构：重复上述(1)～(5)过程，则可以制备出包覆石墨烯覆盖层的多层金属互连结构。

本发明的优点如下：

单层石墨烯的厚度只有0.34nm，每增加一层，厚度仅仅是增加了0.34nm，可以很好的满足覆盖层厚度要尽量薄的要求；石墨烯的高电导率，满足了低薄层电阻的要求；石墨烯可承受的最大电流密度在10⁹A/cm²量级，有效的保证了其强大的抗电迁移的能力；石墨烯优良的热稳定性和化学稳定性也保证了石墨烯覆盖层用于提高金属互连线可靠性的有效性和可靠性。

附图说明

图1-图6为在铜连线表面生长石墨烯覆盖层的示意图；

其中，1-下层铜互连线；2-NiWP覆盖层；3-二氧化硅介质层；4-扩散阻挡层；5-上层铜互连线；6-石墨烯覆盖层。

具体实施方式

具体实施例如下：

(1)制备下层铜互连线1：下层铜互连线1通过镶嵌工艺制备，其表面经化学机械抛光并覆盖有NiWP层，如图1所示。

(2)用PECVD的方法在下层铜互连线结构上面沉积厚度为1μm的二氧化硅介质层3，如图2所示。

(3)用反应离子刻蚀(RIE)的方法在二氧化硅介质层3中刻蚀出连接下层铜互连线1的通孔和上层铜互连线5的沟槽(双镶嵌工艺)，如图3、4所示。

(4)用原子层沉积的方法在通孔和沟槽的底部和侧壁沉积一层5nm厚的TaN做为扩散阻挡层4，紧接着在其上用CuCl₂做反应物，H₂做还原剂用原子层沉积的方法沉积5nm厚的铜籽晶层。

(5)用电化学镀(ECP)的方法在通孔和沟槽中沉积铜金属，并用化学机械抛光的方法使铜镀层5和介质层3表面平坦化，从而形成连接下层铜互连线1的通孔和上层铜互连线5，如图5所示。

(6)用化学气相沉积的方法，在上层连线表面生长石墨烯覆盖层6。

选择性地在上层铜互连线5的表面用化学气相沉积的方法生长石墨烯覆盖层6，其生长工艺如下：

(i)升温过程：在H₂和Ar气氛下，在60分钟内将炉温升至生长温度850℃。H₂流量控制在15sccm，Ar的流量控制在450sccm；

(ii)保温过程：在炉温升至生长温度后，继续在H₂和Ar的气氛下保持20分钟；

(iii)石墨烯生长过程：恒温过程之后，将甲烷引入炉内，流量控制在15sccm，温度继续保持恒定，生长时间为10分钟。

(iv)降温过程：在生长过程完成后，关闭CH₄气体，继续保持H₂和Ar流量的条件下开始降温，降温速度为20℃/min。

最后形成的结构如图6所示。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (7)

1.一种集成电路金属互连结构，包括上、下层金属互连线以及连接上下层金属互连线的通孔，其特征在于，在上层金属互连线的表面覆盖单层或多层石墨烯。

2.如权利要求1所述的集成电路金属互连结构，其特征在于，所述下层金属互连线是钨，或表面包覆NiWP、CuSiN、CoWP等覆盖层的铜，镍，铜的合金或镍的合金。

3.如权利要求1所述的集成电路金属互连结构，其特征在于，上层金属采用铜，镍，铜的合金或镍的合金。

4.一种金属互连线结构的制备方法，具体步骤包括：

1)制备下层金属连线结构，并在该金属连线结构之上沉积介质层；

2)形成金属互连线；用化学机械抛光的方法使结构表面平整化并使上层金属互连线表面露出；

3)在上层金属连线表面覆盖单层或多层石墨烯。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤1)中介质层是二氧化硅，或掺杂二氧化硅、有机聚合物，或者是多孔材料等低K介质材料。

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2)中形成金属互连线具体包括：

i)刻蚀形成连接下层金属连线的通孔和上层金属连线的沟槽；

ii)在上述通孔和沟槽的底部和侧壁沉积一层扩散阻挡层和金属种籽层，并沉积上层金属连线。

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤3)具体包括：用化学气相沉积方法在上层金属连线表面原位生长石墨烯层。

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