專利名稱：一種金屬互連結(jié)構(gòu)及其形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種金屬互連結(jié)構(gòu)及其形成方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，具有更高性能和更強(qiáng)功能的集成電路要求更大的元件密度，CMOS (互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體)器件和金屬互連的尺寸需要進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致了金屬互連的電阻越來(lái)越大。此外，在跨入納米時(shí)代以后，隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，金屬互連結(jié)構(gòu)，包括一體成型的通孔和金屬線，被具有更小電阻率和更高抗電遷移率的材料，如銅取代。然而銅離子很容易發(fā)生擴(kuò)散而惡化半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能。因此，有必要提出一種新型的金屬互連結(jié)構(gòu)及其形成方法，以解決上述問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法，包括，在半導(dǎo)體基底上形成層間介質(zhì)層；在所述層間介質(zhì)層中形成貫穿孔和/或凹槽，所述貫穿孔和/或凹槽暴露接觸區(qū)；在所述貫穿孔和/或凹槽中形成導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層包括η層金屬層和m層石墨烯層或碳納米管層，所述金屬層和所述石墨烯層或碳納米管層間隔排列，n、m > 1且 n+m ^ 3。本發(fā)明還提供了一種金屬互連結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底中形成有接觸區(qū)；層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層形成于所述半導(dǎo)體基底上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層貫穿所述層間介質(zhì)層且電連接于所述接觸區(qū)，所述導(dǎo)電層包括η層金屬層和m層石墨烯層或碳納米管層，所述金屬層和所述石墨烯層或碳納米管層間隔排列，n、m彡1且n+m彡3。由于相對(duì)于金屬層(如銅)而言，石墨烯材料具有高的載流子遷移率以及穩(wěn)定的單層碳原子結(jié)構(gòu)，通過(guò)使導(dǎo)電層包括間隔排列的金屬層和石墨烯層，可使導(dǎo)電層具有高的導(dǎo)電性及高抗電遷移率，進(jìn)而利于減小導(dǎo)電層的電阻以及減少導(dǎo)電層材料發(fā)生擴(kuò)散，從而得到優(yōu)質(zhì)的金屬互連結(jié)構(gòu)。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法流程圖；圖2-12示出了根據(jù)本發(fā)明的各實(shí)施例中不同形成階段對(duì)應(yīng)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下文的公開(kāi)提供了許多不同的實(shí)施例或例子用來(lái)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的不同結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)化本發(fā)明的公開(kāi)，下文中對(duì)特定例子的部件和設(shè)置進(jìn)行描述。當(dāng)然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發(fā)明。此外，本發(fā)明可以在不同例子中重復(fù)參考數(shù)字和/或字母。這種重復(fù)是為了簡(jiǎn)化和清楚的目的，其本身不指示所討論各種實(shí)施例和/或設(shè)置之間的關(guān)系。此夕卜，本發(fā)明提供了的各種特定的工藝和材料的例子，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以意識(shí)到其他工藝的可應(yīng)用性和/或其他材料的使用。結(jié)合圖1和圖2，在半導(dǎo)體基底上形成層間介質(zhì)層310。在半導(dǎo)體襯底200上形成器件結(jié)構(gòu)300或者形成器件結(jié)構(gòu)300和部分金屬互連結(jié)構(gòu)(本實(shí)施例，如，形成第一層間介質(zhì)層212及嵌入其中的接觸塞214)后獲得所述半導(dǎo)體基底。所述半導(dǎo)體襯底200包括硅襯底(例如晶片)，還可以包括其他基本半導(dǎo)體或化合物半導(dǎo)體，例如Ge、SiGe、GaAS、InP或Si:C等。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)公知的設(shè)計(jì)要求(例如ρ型襯底或者η型襯底)，所述半導(dǎo)體襯底200可以包括各種摻雜配置。此外，可選地，所述半導(dǎo)體襯底200可以包括外延層，也可以包括絕緣體上硅(SOI)結(jié)構(gòu)，還可以具有應(yīng)力以增強(qiáng)性能。所述器件結(jié)構(gòu)300可以包括晶體管、二極管或其他半導(dǎo)體組件、以及部分金屬互連結(jié)構(gòu)等。所述器件結(jié)構(gòu)300的形成方法可以包括，首先在半導(dǎo)體襯底200上依次形成柵介質(zhì)層202以及柵電極204。而后，進(jìn)行第一離子注入(如，傾角離子注入)，在半導(dǎo)體襯底 200內(nèi)形成源/漏延伸區(qū)208，或者可以進(jìn)一步形成暈環(huán)(Halo)注入?yún)^(qū)。而后，在環(huán)繞所述柵介質(zhì)層202和柵電極204的外側(cè)壁形成側(cè)墻206，并以柵電極204和側(cè)墻206為掩膜，進(jìn)行第二離子注入，在柵電極204兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成源/漏區(qū)210，并退火擴(kuò)散以激活注入的離子，從而在柵電極204兩側(cè)的半導(dǎo)體襯底200內(nèi)形成源/漏區(qū)210。而后，在所述源/漏區(qū)210上形成接觸層211 (如金屬硅化物層)。部分金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法包括形成覆蓋所述器件結(jié)構(gòu)300的第一層間介質(zhì)層212，再在位于源/漏區(qū)210的第一層間介質(zhì)層212內(nèi)形成接觸塞214。在另一個(gè)實(shí)施例中，參考圖3，還可以進(jìn)一步在所述第一層間介質(zhì)層212和接觸塞 214上形成第二層間介質(zhì)層216，并在第二層間介質(zhì)層216內(nèi)、所述接觸塞214上形成第一通孔215，以形成半導(dǎo)體基底。上述半導(dǎo)體基底的形成方法僅是示例，對(duì)本發(fā)明并不做任何限定。半導(dǎo)體基底還可以包括其他的半導(dǎo)體部件以及其他介質(zhì)層、其他的互聯(lián)結(jié)構(gòu)等，不再贅述。在步驟S02，在所述層間介質(zhì)層310中形成貫穿孔和/或凹槽，所述貫穿孔和/或凹槽暴露接觸區(qū)。其中，所述貫穿孔用以形成接觸塞(contact)或通孔(via)，所述凹槽用以形成金屬線。所述貫穿孔或凹槽320-2可采用單鑲嵌工藝形成(其他實(shí)施例，參考圖3和圖4)； 所述貫穿孔320-1和所述凹槽320-2可采用雙鑲嵌工藝形成(本實(shí)施例，參考圖5)，可以采用先形成貫穿孔320-1后形成所述凹槽320-2的工藝形成所述貫穿孔320-1和所述凹槽320-2 ；也可以采用先形成所述凹槽320-2后形成貫穿孔320-1的工藝形成所述貫穿孔 320-1和所述凹槽320-2。所述接觸區(qū)可包括接觸層211、柵電極204、接觸塞214、第一通孔 215或其他通孔及金屬線。
在形成所述貫穿孔320-1或所述凹槽320-2后，可以在其側(cè)壁上形成絕緣層(圖未示)，所述絕緣層可包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅或其他合適的材料，利于防止之后形成的導(dǎo)電層中的金屬離子擴(kuò)散至層間介質(zhì)層310及器件結(jié)構(gòu)300中。可以通過(guò)沉積-刻蝕工藝形成所述絕緣層。此外，在形成所述貫穿孔320-1和/或所述凹槽320-2后，或者在形成上述絕緣層后，還可以在所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的底壁和側(cè)壁上形成阻擋層330，參考圖 5?？梢酝ㄟ^(guò)沉積工藝，例如PVD (如蒸發(fā)或?yàn)R射)工藝，形成所述阻擋層330，所述阻擋層 330材料包括TaN、TiN, Ta、Ti、TiSiN、TaSiN、Tiff, WN或Ru中的任一種或其組合。所述阻擋層330利于防止之后形成的導(dǎo)電層中的金屬離子擴(kuò)散至層間介質(zhì)層310及器件結(jié)構(gòu)300 中。在步驟S03，在所述貫穿孔320-1和/或凹槽320_2中形成導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層包括η層金屬層340和m層石墨烯層350，所述金屬層340和所述石墨烯層350間隔排列，η、 m ^ 1 且 n+m ^ 3。以下步驟將以采用雙鑲嵌工藝形成金屬互連結(jié)構(gòu)的實(shí)施例進(jìn)行圖例并詳細(xì)描述。具體來(lái)說(shuō)，首先，參考圖6，可以采用CVD工藝，在所述阻擋層330上沉積第一金屬層340 (在未形成所述阻擋層330的實(shí)施例中，所述第一金屬層340可直接覆蓋所述貫穿孔 320-1和所述凹槽320-2的底壁和側(cè)壁上，如第一金屬層材料340為鈦鋁時(shí))，例如銅種子層，第一金屬層材料340還可以包括鋁、鎢、鎳、鈦鋁或其他合適的材料，而后在第一金屬層 340上形成第一石墨烯層350。此時(shí)，所述第一石墨烯層350可接于所述第一金屬層340 ；也可以只接于覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的底壁的所述第一金屬層340 (此時(shí)， 利于減少所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的深寬比，利于填充后續(xù)第二金屬層340)，即在形成所述第一石墨烯層350后，仍暴露覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的側(cè)壁的所述第一金屬層340。而后，在第一石墨烯層350上形成第二金屬層340(所述第一金屬層的材料和第二金屬層的材料可以相同或不同，采用同一標(biāo)號(hào)僅為標(biāo)示方便)，在一個(gè)實(shí)施例中，所述第二金屬層340也可為銅，可以采用PVD (如蒸發(fā)或?yàn)R射)結(jié)合電鍍的工藝，使銅填充部分溝槽， 如圖7所示。在另外的實(shí)施例中，所述第二金屬層340采用其他金屬材料時(shí)，可以采用濺射方法形成，如圖8所示。所述第二金屬層340可覆蓋所述第一石墨烯層350 (所述第一石墨烯層350接于所述第一金屬層340時(shí))，所述第二金屬層340也可覆蓋所述第一石墨烯層 350和覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的側(cè)壁的所述第一金屬層340 (所述第一石墨烯層350只接于覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的底壁的所述第一金屬層340 時(shí))。在其他實(shí)施例中，參考圖9和圖10，還可再在第二金屬層340上形成第二石墨烯層350(所述第一石墨烯層的材料和第二石墨烯層的材料可以相同或不同，采用同一標(biāo)號(hào)僅為標(biāo)示方便)，并在其上再形成第三金屬層340，例如銅(如圖9所示)或其他金屬材料 (如圖10所示)，即可以根據(jù)需要靈活地形成包括間隔排列的金屬層和石墨烯層的導(dǎo)電層， 并使所述導(dǎo)電層填滿所述貫穿孔320-1和/或所述凹槽320-2。其中，所述金屬層的層數(shù) η彡1，所述石墨烯層的層數(shù)m彡1，且n+m彡3，n、m為自然數(shù)。而后，進(jìn)行平坦化操作，例如采用CMP工藝，使所述導(dǎo)電層與所述層間介質(zhì)層310大致相平(即，二者的高度差在工藝誤差允許的范圍內(nèi))?？梢岳肅VD、熱分解法、微機(jī)械剝離法，以及鍵合轉(zhuǎn)移法或其他合適的方法來(lái)形成單層或多層的石墨烯層350。對(duì)于僅包括所述凹槽320-2的實(shí)施例，可以根據(jù)上述實(shí)施例的教導(dǎo)形成構(gòu)成金屬線的導(dǎo)電層，參考圖11或圖12。對(duì)于僅包括所述貫穿孔320-1的實(shí)施例，可以根據(jù)上述實(shí)施例的教導(dǎo)形成構(gòu)成接觸塞或通孔的導(dǎo)電層。此外，在其他實(shí)施例中，也可首先形成所述第一石墨烯層350，使所述第一石墨烯層350覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的底壁(此時(shí)，利于減少所述貫穿孔320-1 和/或凹槽320-2的深寬比，利于填充后續(xù)第一金屬層340)或底壁和側(cè)壁；再形成第一金屬層340，使所述第一金屬層340覆蓋所述第一石墨烯層350或所述第一石墨烯層350和所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的側(cè)壁；繼而，形成第二石墨烯層350，所述第二石墨烯層350覆蓋所述第一金屬層340或覆蓋所述貫穿孔320-1和/或凹槽320-2的底壁的所述第一金屬層340。也可在所述第二石墨烯層350上繼續(xù)形成第二金屬層340、第三石墨烯層350等，以形成導(dǎo)電層，S卩，形成包括間隔排列的金屬層和石墨烯層的導(dǎo)電層，并使所述導(dǎo)電層填滿所述貫穿孔320-1和/或所述凹槽320-2，不再贅述。其中，所述金屬層的層數(shù) η彡1，所述石墨烯層的層數(shù)m彡1，且n+m彡3，n、m為自然數(shù)。而后可以根據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)的工藝步驟，例如在其上形成另一金屬互連結(jié)構(gòu)，以及另一層間介質(zhì)層或其他部件。本發(fā)明還提供了一種金屬互連結(jié)構(gòu)，所述結(jié)構(gòu)包括半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底中形成有接觸區(qū)；層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層形成于所述半導(dǎo)體基底上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層貫穿所述層間介質(zhì)層且電連接于所述接觸區(qū)，所述導(dǎo)電層包括η層金屬層和m層石墨烯層，所述金屬層和所述石墨烯層間隔排列，n、m彡1且n+m彡3?？蛇x地，所述導(dǎo)電層和所述層間介質(zhì)層及所述接觸區(qū)之間夾有阻擋層?？蛇x地，所述導(dǎo)電層和所述層間介質(zhì)層之間夾有絕緣層。所述絕緣層和阻擋層利于防止導(dǎo)電層中的金屬離子擴(kuò)散至器件結(jié)構(gòu)或?qū)娱g介質(zhì)層中。涉及的半導(dǎo)體基底、接觸區(qū)、層間介質(zhì)層、導(dǎo)電層、金屬層和石墨烯層的定義、形成方法、材料選取等均與前述方法實(shí)施例中描述的相同，不再贅述。由于相對(duì)于金屬層(如銅)而言，石墨烯材料具有高的載流子遷移率以及穩(wěn)定的單層碳原子結(jié)構(gòu)，通過(guò)使導(dǎo)電層包括間隔排列的金屬層和石墨烯層，可使導(dǎo)電層具有高的導(dǎo)電性及高抗電遷移率，進(jìn)而利于減小導(dǎo)電層的電阻以及減少導(dǎo)電層材料發(fā)生擴(kuò)散，從而得到優(yōu)質(zhì)的金屬互連結(jié)構(gòu)。上述涉及石墨烯的實(shí)施例，均適用于碳納米管。根據(jù)上述實(shí)施例的教導(dǎo)，本領(lǐng)域技術(shù)人員可知如何采用碳納米管實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思，不再贅述。雖然關(guān)于示例實(shí)施例及其優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的精神和所附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行各種變化、替換和修改。對(duì)于其他例子，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)容易理解在保持本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)的同時(shí)，工藝步驟的次序可以變化。此外，本發(fā)明的應(yīng)用范圍不局限于說(shuō)明書(shū)中描述的特定實(shí)施例的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法及步驟。從本發(fā)明的公開(kāi)內(nèi)容，作為本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將容易地理解，對(duì)于目前已存在或者以后即將開(kāi)發(fā)出的工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟，其中它們執(zhí)行與本發(fā)明描述的對(duì)應(yīng)實(shí)施例大體相同的功能或者獲得大體相同的結(jié)果，依照本發(fā)明可以對(duì)它們進(jìn)行應(yīng)用。因此，本發(fā)明所附權(quán)利要求旨在將這些工藝、機(jī)構(gòu)、制造、物質(zhì)組成、手段、方法或步驟包含在其保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法，包括， 在半導(dǎo)體基底上形成層間介質(zhì)層；在所述層間介質(zhì)層中形成貫穿孔和/或凹槽，所述貫穿孔和/或凹槽暴露接觸區(qū)； 在所述貫穿孔和/或凹槽中形成導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層包括η層金屬層和m層石墨烯層或碳納米管層，所述金屬層和所述石墨烯層或碳納米管層間隔排列，n、m彡1且n+m彡3。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，形成所述導(dǎo)電層的步驟包括形成第一石墨烯層或碳納米管層，所述第一石墨烯層或碳納米管層覆蓋所述貫穿孔和 /或凹槽的底壁或底壁和側(cè)壁；形成第一金屬層，所述第一金屬層覆蓋所述第一石墨烯層或碳納米管層或所述第一石墨烯層或碳納米管層和所述貫穿孔和/或凹槽的側(cè)壁；形成第二石墨烯層或碳納米管層，所述第二石墨烯層或碳納米管層覆蓋所述第一金屬層或覆蓋所述貫穿孔和/或凹槽的底壁的所述第一金屬層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，形成所述導(dǎo)電層的步驟包括形成第一金屬層，所述第一金屬層覆蓋所述貫穿孔和/或凹槽的底壁和側(cè)壁； 形成第一石墨烯層或碳納米管層，所述第一石墨烯層或碳納米管層接于所述第一金屬層或覆蓋所述貫穿孔和/或凹槽的底壁的所述第一金屬層；形成第二金屬層，所述第二金屬層覆蓋所述第一石墨烯層或碳納米管層或所述第一石墨烯層或碳納米管層和覆蓋所述貫穿孔和/或凹槽的側(cè)壁的所述第一金屬層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在形成所述貫穿孔和/或凹槽和形成所述導(dǎo)電層的步驟之間，還包括在所述貫穿孔和/或凹槽的底壁和側(cè)壁上形成阻擋層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在形成所述貫穿孔和/或凹槽和形成所述導(dǎo)電層的步驟之間，還包括在所述貫穿孔或凹槽的側(cè)壁形成絕緣層。
6.一種金屬互連結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底中形成有接觸區(qū)； 層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層形成于所述半導(dǎo)體基底上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層貫穿所述層間介質(zhì)層且電連接于所述接觸區(qū)，所述導(dǎo)電層包括η 層金屬層和m層石墨烯層或碳納米管層，所述金屬層和所述石墨烯層或碳納米管層間隔排列，n、m > 1 且 n+m ^ 3。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電層和所述層間介質(zhì)層及所述接觸區(qū)之間夾有阻擋層。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電層和所述層間介質(zhì)層之間夾有絕緣層。
全文摘要
一種金屬互連結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體基底，所述半導(dǎo)體基底中形成有接觸區(qū)；層間介質(zhì)層，所述層間介質(zhì)層形成于所述半導(dǎo)體基底上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層貫穿所述層間介質(zhì)層且電連接于所述接觸區(qū)，所述導(dǎo)電層包括n層金屬層和m層石墨烯層或碳納米管層，所述金屬層和所述石墨烯層或碳納米管層間隔排列，n、m≥1且n+m≥3。以及，一種金屬互連結(jié)構(gòu)的形成方法。利于得到優(yōu)質(zhì)的互連結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)H01L23/532GK102468220SQ201010539400
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2010年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月8日
發(fā)明者朱慧瓏, 梁擎擎, 鐘匯才, 駱志炯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所