專利名稱：一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路技術(shù)領(lǐng)域，且特別涉及一種空氣隙/石墨烯互連線結(jié)構(gòu)及其制備方法。
背景技術(shù)：
近年來，電子信息產(chǎn)業(yè)如計算機、通信、自動化等的高速發(fā)展給人們的生活帶來了巨大的便利，電子產(chǎn)品微型化的同時性能也越來越好。在此過程中單晶硅材料發(fā)揮了巨大作用，但隨著器件尺寸的不斷縮小，極限問題隨之出現(xiàn)，如特征線寬的縮小和芯片集成度的限制一方面，工藝上很難繼續(xù)達到更窄的線寬，主要體現(xiàn)在光刻精度的問題；另一方面，尺寸不斷縮小，一些物理效應(yīng)將影響器件的正常工作，最終導(dǎo)致器件失效。那么，為了克 服這一瓶頸，需要尋找更好的電子器件材料來代替單晶硅。科學(xué)家和研究工作者將目光和研究焦點聚集在了明星材料一石墨烯上。石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子組成，是世界上最薄的二維材料，其厚度僅為單層原子層的厚度一幾埃的量級。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使石墨稀表現(xiàn)出許多優(yōu)異性質(zhì)。例如，石墨稀的強度是已測試材料中最聞的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達15000cm2/ (V*s)，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍，超過商用硅片遷移率的10倍以上，在特定條件下(如低溫驟冷等)，其遷移率甚至可達250000cm2/(V*s);其熱導(dǎo)率可達5000W/(m*K)，是金剛石的3倍；還具有室溫量子霍爾效應(yīng)及室溫鐵磁性等特殊性質(zhì)。由于其優(yōu)良的機械和光電性質(zhì)，結(jié)合其特殊的單原子層平面二維結(jié)構(gòu)及其高比表面積，可以制備基于石墨烯的各種柔性電子器件和功能復(fù)合材料。由于石墨烯具有性能優(yōu)異、成本低廉、可加工性好等眾多優(yōu)點，人們普遍預(yù)測石墨烯在電子、信息、能源、材料和生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用前景，可望在21世紀掀起一場新的技術(shù)革命。對于石墨烯在互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路領(lǐng)域的應(yīng)用，一方面，由于石墨烯的高遷移率，采用石墨烯制作高頻高速晶體管是石墨烯在CMOS器件方面的一個重要應(yīng)用；另外一方面，由于石墨烯的良好散熱和導(dǎo)電能力，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界希望石墨烯能成為Cu互連的替代材料。隨著集成電路線寬尺寸的不斷縮小，相比于器件本身的延遲，互連線的延遲的影響已經(jīng)變得越來越明顯。降低互連線延遲的途徑有兩種，一種是降低互連線的電阻(從Al線演變?yōu)镃u線)，另外一種就是降低互連線之間的耦合電容(從SiO2到low-k材料)。現(xiàn)有的Cu線互連隨著線寬尺寸的變小，Cu互連線的電阻率會急劇增大，因此尋找Cu互連線的替代材料也變得越來越重要和急迫。在現(xiàn)有Cu互連工藝中，為了降低互連線延遲，研究如何減小互連線間的耦合電容是非常重要的。如附圖I所示，明Mx和Mx+1分別為第X層和第x+1層的互連線，via為通孔，C//為平行互連線之間的耦合電容，C丄為垂直互連線之間的耦合電容。由平行互連線之間的耦合電容C//和垂直互連線之間的耦合電容C丄共同構(gòu)成互聯(lián)線間的耦合電容，并且前者的影響遠大于后者。
現(xiàn)有技術(shù)中，由于平行互連線之間的耦合電容C//遠大于垂直互連線之間的耦合電容C丄，因此為了降低互連線之間的總的耦合電容主要是通過降低平行互連線之間的耦合電容C//，其中的一種方法是在互連線層中形成空氣隙，但是該方法不能減小垂直互連線之間的耦合電容C丄。當使用石墨烯替代Cu作為互連材料時，由于石墨烯的厚度非常薄(幾納米，十層)，因此平行互連線之間的耦合電容C//大大降低，此時垂直互連線之間的耦合電容C丄影響增大，成為不可忽略的一部分。因此，需要一種結(jié)構(gòu)不僅能夠降低耦合電容C//，還能夠降低耦合電容C丄。

發(fā)明內(nèi)容
針對以上問題，為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種 空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，旨在解決Cu互連在工藝尺寸進一步縮小過程中所遇到的電阻率升高的問題和有效地降低互連線的延遲時間，提升芯片性能。為了達到上述目的，本發(fā)明提出一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，包括
襯底；
位于所述襯底中的下層互連線；
位于所述襯底上的阻擋層；
位于所述阻擋層上的介質(zhì)層；
位于所述介質(zhì)層上的多孔介質(zhì)層；
位于所述多孔介質(zhì)層上的上層石墨烯納米帶互連線；
貫穿所述阻擋層、所述介質(zhì)層和所述多孔介質(zhì)層中的填充通孔；
所述的下層互連線與所述多孔介質(zhì)層、所述上層石墨烯納米帶互連線通過位于介質(zhì)層中的空氣隙相隔離。優(yōu)選地,所述的上層石墨烯納米帶互連線的厚度小于10nm。 優(yōu)選地，所述下層互連線，可以是單層互連線，也可以是多層互連線的任何一層。優(yōu)選地，所述空氣隙，位于所述上層石墨烯互連線和下層互連線的交疊區(qū)域，且與所述填充通孔不相交。優(yōu)選地，所述空氣隙的頂部面積不小于所述交疊區(qū)域的面積。同時，本發(fā)明還提出了上述空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，包括下列步驟 步驟SOl :在襯底中形成下層互連線；
步驟S02 :在所述襯底表面依次淀積阻擋層和介質(zhì)層；
步驟S03 :經(jīng)光刻、刻蝕，在所述介質(zhì)層上形成空氣隙圖形孔；
步驟S04 :在所述空氣隙圖形孔中淀積加熱可分解材料；
步驟S05 :在所述介質(zhì)層表面淀積多孔介質(zhì)層；
步驟S06 :經(jīng)光刻、刻蝕，形成貫穿多孔介質(zhì)層、介質(zhì)層和阻擋層的通孔；
步驟S07 :在通孔中淀積金屬，形成填充通孔；
步驟S08 :在介質(zhì)層中形成空氣隙；
步驟S09 :在多孔介質(zhì)層表面形成上層石墨烯納米帶互連線。優(yōu)選地，步驟S04中，淀積所述的加熱可分解材料所采用的方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)或旋涂法。在加熱可分解材料淀積之后，采用化學(xué)機械研磨或者刻蝕工藝對加熱可分解材料頂部的表面進行處理。優(yōu)選地，步驟S08中，對加熱可分解材料進行加熱使加熱可分解材料完全分解并通過多孔介質(zhì)層完全溢出，從而得到所述空氣隙。優(yōu)選地，加熱分解的溫度不高于500°C。優(yōu)選地，上層石墨烯互連線的形成包括如下步驟先通過薄膜轉(zhuǎn)移工藝將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到多孔介質(zhì)層上形成石墨烯層，然后經(jīng)刻蝕工藝對所述石墨烯層進行圖形化，形成石墨烯互連線。優(yōu)選地，石墨烯薄膜的制備方法為CVD法、SiC熱分解法、或氧化還原法。對所述石墨烯層進行圖形化是通過氣體干法刻蝕完成。
本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過采用石墨烯納米帶互連線替代傳統(tǒng)的Cu金屬互連，解決了 Cu互連在工藝尺寸進一步縮小過程中所遇到的電阻率升高的問題，由于石墨烯的厚度非常薄，因此平行互連線之間的耦合電容C//大大降低；·并且由于在上、下互連線之間形成空氣隙，能夠有效地降低耦合電容C丄，從而降低互連線的延遲時間，提聞了芯片性能。


圖I是通常情況下的互連線結(jié)構(gòu)及金屬互連線間耦合電容示意圖。圖2是本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的一個較佳實施例的截面圖。圖3是本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法的較佳實實施例的工藝流程圖。圖4-13是用以說明本發(fā)明的制作方法具體步驟時所形成的剖面圖。
具體實施例方式體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點的實施例將在后段的說明中詳細敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當做說明之用，而非用以限制本發(fā)明。以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法作進一步詳細說明需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實施例的目的。請參閱圖2，圖2為發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的一個較佳實施例的截面圖。如圖2所示，本發(fā)明的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，包括襯底401，下層互連線402，阻擋層403，介質(zhì)層404，空氣隙405，多孔介質(zhì)層406，填充通孔407，上層石墨烯納米帶互連線408。需要說明的是,石墨烯納米帶互連線408的厚度小于10nm。本實施例中的下層互連線402，可以是但不限于是單層互連線，也可以是多層互連線的任何一層。下層互連線402的材料可以是但不限于是銅，也可以是石墨烯，也可以是其它導(dǎo)電材料。還需要說明的是，空氣隙405位于上層石墨烯納米帶互連線408和下層互連線402的交疊區(qū)域，且與填充通孔407不相交?？諝庀?05的頂部面積不小于所述交疊區(qū)域的面積。本發(fā)明所公開的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法可以有很多種，以下所述的是本發(fā)明所公開的如圖2所示的空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法的一個實施例。盡管這些圖并不是完全準確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結(jié)構(gòu)之間的相互位置，特別是組成結(jié)構(gòu)之間的上下和相鄰關(guān)系。現(xiàn)結(jié)合附圖3-13，通過一個具體實施例對本發(fā)明形成圖2中所述的空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法進行逐步詳細說明。圖3為本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法的較佳實施例的工藝流程圖，空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法包括步驟S01-S09，步驟S01-S09分別通過附圖4-13以說明本發(fā)明圖3所述的制備方法具體步驟時所形成的剖面結(jié)構(gòu)。 請參閱圖3，如圖所示，在本發(fā)明的該實施例中，一種空氣隙/石墨烯互連機構(gòu)的制備方法，包括如下步驟
步驟SOl :請參閱圖4，在襯底401中形成下層互連線402 ；
需要說明的是，襯底401材料為半導(dǎo)體材料，可以是但不限于是硅。下層互連線402的制備可以但不限于通過光刻、填充金屬和化學(xué)機械研磨得到。步驟S02 :請參閱圖5，在襯底401表面依次淀積阻擋層403和介質(zhì)層404 ； 需要說明的是，在本實施例中采用化學(xué)氣相沉積法在襯底401表面淀積阻擋層403和
介質(zhì)層404，這不用于限制本發(fā)明的范圍。阻擋層403的材料可以為氮化硅、氮氧硅、或者碳化硅，其厚度可以為200-1000埃；介質(zhì)層404材料可以為SiO，F(xiàn)SG，SiOC等低k材料，其厚度可以為2000 -6000埃。步驟S03 :請參閱圖6，經(jīng)光刻和刻蝕，在介質(zhì)層404上形成空氣隙圖形孔409。具體地，對介質(zhì)層404進行光刻和刻蝕，在介質(zhì)層404中形成空氣隙圖形孔409 ；該空氣隙圖形孔409位于下層互連線402與上層石墨烯納米帶互連線408交疊區(qū)域，且與填充通孔407不相交。步驟S04 :請參閱圖7，在所述空氣隙圖形孔409中淀積加熱可分解材料410 ； 具體地，采用化學(xué)氣相沉積法或旋涂工藝在空氣隙圖形孔409中淀積加熱可分解材料
410，使加熱可分解材料410只形成于空氣隙圖形孔409中。步驟S05 :請參閱圖8，在介質(zhì)層404表面淀積一層多孔介質(zhì)層406。需要說明的是，在本實施例中，采用化學(xué)氣相沉積方法淀積多孔介質(zhì)層406。該多孔介質(zhì)層406的材料可以但不限于為SOG、SiOC, SiCOH, MSQ材料中的一中或多種，多孔介質(zhì)層406的厚度為100-1500埃，但這不用于限制本發(fā)明。步驟S06 :請參閱圖9，經(jīng)光刻和刻蝕，形成貫穿于多孔介質(zhì)層406、介質(zhì)層404和阻擋層403的通孔411。步驟S07 :請參閱圖10，在通孔411中淀積金屬形成填充通孔407。具體地，在本實施例中，所淀積的金屬可以但不限于是銅?？梢缘幌抻诓捎没瘜W(xué)機械拋光工藝對金屬頂部表面進行處理，從而使金屬頂部與多孔介質(zhì)層406的表面在同一平面上。步驟S08 :請參閱圖11，在介質(zhì)層404中形成空氣隙405 ;需要說明的是，形成空氣隙405的方法包括通過加熱將可熱分解材料410完全分解，并使其從多孔介質(zhì)層406中完全溢出，從而在介質(zhì)層404中形成空氣隙405。
步驟S09 :請參閱圖12，將制備好的石墨烯薄膜采用薄膜轉(zhuǎn)移工藝轉(zhuǎn)移到多孔介質(zhì)層406上，然后采用光刻和刻蝕工藝對石墨烯薄膜進行圖形化，請參閱圖13，在多孔介質(zhì)層406表面形成石墨烯納米帶互連線408。需要說明的是，石墨烯薄膜的制備方法可以但不限于是化學(xué)氣相沉積法、SiC熱分解法，和氧化還原法。石墨烯薄膜可以是但不限于是單層或多層石墨烯。在對石墨烯薄膜進行圖形化的光刻和刻蝕工藝中，所采用的氣體可以是但不限于是H2、O2、和CxFy氣體。綜上所述，本發(fā)明提供的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，通過采用石墨烯納米帶互連線替代傳統(tǒng)的Cu金屬互連，解決了 Cu互連在工藝尺寸進一步縮小過程中所遇到的電阻率升高的問題，由于石墨烯的厚度非常薄，簡化了工藝，平行互連線之間的耦合電容C//大大降低；并且由于在上、下互連線之間形成空氣隙，能夠有效地降低耦合電容C丄，從而降低互連線的延遲時間，提高了芯片性能?！?br> 雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當可作各種的更動與潤飾。因此，本發(fā)明的保護范圍當視權(quán)利要求書所界定者為準。以上所述的僅為本發(fā)明的實施例，所述實施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，因此凡是運用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 襯底； 位于所述襯底中的下層互連線； 位于所述襯底上的阻擋層； 位于所述阻擋層上的介質(zhì)層； 位于所述介質(zhì)層上的多孔介質(zhì)層； 位于所述多孔介質(zhì)層上的上層石墨烯納米帶互連線； 貫穿所述阻擋層、所述介質(zhì)層和所述多孔介質(zhì)層的填充通孔； 所述的下層互連線與所述多孔介質(zhì)層、所述上層石墨烯納米帶互連線之間通過位于所述介質(zhì)層中的空氣隙相隔離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述空氣隙，位于所述上層石墨烯納米帶互連線和下層互連線的交疊區(qū)域，且與所述填充通孔不相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述上層石墨烯納米帶互連線的厚度小于10nm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述下層互連線，是單層互連線，或多層互連線的任何一層。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)，其特征在于所述空氣隙的頂部面積不小于所述交疊區(qū)域的面積。
6.一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于，包括下列步驟 步驟SOl :在襯底中形成下層互連線； 步驟S02 :在所述襯底表面依次淀積阻擋層和介質(zhì)層； 步驟S03 :經(jīng)光刻、刻蝕，在所述介質(zhì)層上形成空氣隙圖形孔； 步驟S04 :在所述空氣隙圖形孔中淀積加熱可分解材料； 步驟S05 :在所述介質(zhì)層表面淀積多孔介質(zhì)層； 步驟S06 :經(jīng)光刻、刻蝕，形成貫穿所述多孔介質(zhì)層、所述介質(zhì)層和所述阻擋層的通孔； 步驟S07 :在所述通孔中淀積金屬，形成填充通孔； 步驟S08 :在所述介質(zhì)層中形成空氣隙； 步驟S09 :在所述多孔介質(zhì)層表面形成上層石墨烯納米帶互連線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S04中，淀積所述的加熱可分解材料所采用的方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)或旋涂法。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S04中，在所述的加熱可分解材料淀積之后，還包括采用化學(xué)機械研磨或者刻蝕工藝對所述加熱可分解材料頂部的表面進行處理。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S08中，對所述加熱可分解材料進行加熱后所述加熱可分解材料完全分解并通過所述多孔介質(zhì)層完全溢出，從而得到所述空氣隙。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于步驟S08中，所述加熱分解的溫度不高于500°C。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述石墨烯互連線的形成包括如下步驟先通過薄膜轉(zhuǎn)移工藝將石墨烯薄膜轉(zhuǎn)移到所述多孔介質(zhì)層上形成石墨烯層，然后經(jīng)刻蝕工藝對所述石墨烯層進行圖形化，形成所述上層石墨烯納米帶互連線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于所述石墨烯薄膜的制備方法為CVD法、SiC熱分解法、或氧化還原法。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于對所述石墨烯層進行圖形化是通過氣體干法刻蝕完成。
全文摘要
本發(fā)明提出一種空氣隙/石墨烯互連結(jié)構(gòu)及其制備方法，其包括先在襯底中形成下層互連線，依次淀積阻擋層和介質(zhì)層，然后在介質(zhì)層中形成空氣隙圖形孔，在空氣隙圖形孔中淀積加熱可分解材料，再在介質(zhì)層表面淀積多孔介質(zhì)層，接著經(jīng)光刻刻蝕形成通孔，再在通孔中淀積金屬，將加熱可分解材料經(jīng)加熱分解從而在介質(zhì)層中形成空氣隙，最后經(jīng)薄膜轉(zhuǎn)移工藝和光刻刻蝕形成上層石墨烯納米帶互連線。因此，本發(fā)明的方法中通過采用石墨烯納米帶互連線替代傳統(tǒng)的Cu金屬互連，簡化了制造工藝，并且在上、下層互連線交疊位置形成空氣隙，能夠有效地降低耦合電容，從而減少RC的延遲時間，提高了芯片性能。
文檔編號H01L21/768GK102956611SQ201210449288
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者左青云, 李銘, 曾紹海 申請人:上海集成電路研發(fā)中心有限公司