互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種互連結(jié)構(gòu)，包括：位于襯底上的下層布線結(jié)構(gòu)；位于下層布線結(jié)構(gòu)上的屏蔽層，其中屏蔽層包括石墨烯；位于屏蔽層上的上層布線結(jié)構(gòu)。依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，采用石墨烯這種單晶薄層導(dǎo)電材料作為上下層金屬連線之間的屏蔽層，有效降低了小尺寸器件的連線噪聲，提高了器件信號(hào)精度。
【專利說(shuō)明】互連結(jié)構(gòu)及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，特別是涉及一種使用單層或者多層石墨烯的后端工藝及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著集成電路進(jìn)入納米尺度范圍，后端互聯(lián)線之間的串?dāng)_成為困擾電路設(shè)計(jì)的重要因素之一。串?dāng)_是兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。串?dāng)_產(chǎn)生的感應(yīng)噪音可從多方面影響信號(hào)的完整性和芯片性能，例如在受害信號(hào)處于穩(wěn)態(tài)O或穩(wěn)態(tài)I時(shí)會(huì)產(chǎn)生毛刺干擾。通常電路中的信號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí)間要比穩(wěn)態(tài)時(shí)間短得多，由于多數(shù)信號(hào)常常處于穩(wěn)態(tài)中，而毛刺噪音會(huì)破壞這種穩(wěn)態(tài)。
[0003]一般情況下芯片設(shè)計(jì)公司可在商用的集成電路布局CAD解決方案中集成四種降低串?dāng)_的方法:插入緩沖器、改變連線間距、門電路尺寸及屏蔽受害節(jié)點(diǎn)。但是這四種方法在納米尺度下均面臨了較大的困難，或者會(huì)降低芯片的性能參數(shù)。插入緩沖器在高速電路中會(huì)損害并降低芯片的工作頻率，改變連線間距，采用兩倍線間距和改變門電路尺寸會(huì)增加占用的布線資源，而傳統(tǒng)的屏蔽受害節(jié)點(diǎn)更會(huì)使布線更加復(fù)雜，更加難以用普通的EDA工具進(jìn)行布線，同時(shí)也增加了研發(fā)的周期和成本。
[0004]同時(shí)，使用傳統(tǒng)的金屬線會(huì)存在電遷移情況。電遷移通常是指在電場(chǎng)的作用下導(dǎo)電離子運(yùn)動(dòng)造成元件或電路失效的現(xiàn)象，會(huì)發(fā)生在芯片內(nèi)部互聯(lián)線金屬導(dǎo)體內(nèi)部的金屬化電子遷移，是芯片失效的一個(gè)重要原因。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種使用單晶石墨烯作為屏蔽層的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。
[0006]本發(fā)明提供了一種互連結(jié)構(gòu)，包括:位于襯底上的下層布線結(jié)構(gòu)；位于下層布線結(jié)構(gòu)上的屏蔽層，其中屏蔽層包括石墨烯；位于屏蔽層上的上層布線結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明還提供了一種互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括:在襯底上形成下層布線結(jié)構(gòu)；在下層布線結(jié)構(gòu)上形成屏蔽層，其中屏蔽層包括石墨烯；在屏蔽層上形成上層布線結(jié)構(gòu)。
[0008]其中，石墨烯為單晶結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
[0009]其中，下層布線結(jié)構(gòu)與上層布線結(jié)構(gòu)交錯(cuò)或者重合。
[0010]其中，形成下層布線結(jié)構(gòu)和/或上層布線結(jié)構(gòu)的步驟進(jìn)一步包括:形成第一絕緣層；在第一絕緣層上形成刻蝕停止層；在刻蝕停止層上形成第二絕緣層；刻蝕第二絕緣層、刻蝕停止層、第一絕緣層形成溝槽；在溝槽中依次填充形成擴(kuò)散阻擋層以及互連金屬。
[0011]其中，擴(kuò)散阻擋層包括T1、Ta、TiN、TaN ;互連金屬包括選自Co、N1、Cu、Al、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、T1、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La的金屬單質(zhì)、或這些金屬的合金以及這些金屬的氮化物。
[0012]本專利采用石墨烯這種單晶的薄層導(dǎo)電材料作為上下兩層的金屬連線直接的屏蔽層，具有如下的優(yōu)勢(shì)，解決的問(wèn)題如下:
[0013]1.在不通過(guò)在芯片設(shè)計(jì)中更復(fù)雜的走線且不占用更多的布線資源的情況下能夠滿足高速信號(hào)的設(shè)計(jì)要求。
[0014]2.解決了傳統(tǒng)金屬電遷移率的問(wèn)題，石墨烯作為單晶的導(dǎo)電材料，具有較強(qiáng)的導(dǎo)電特性的同時(shí)不具有電遷移特性，能夠在更小的互聯(lián)尺度下應(yīng)用。
[0015]3.在納米尺度下尤其是20nm設(shè)計(jì)光刻采用兩次光刻的情況下，布線規(guī)則改變的同時(shí)，通過(guò)工藝角度對(duì)串?dāng)_的抑制簡(jiǎn)化了集成電路布局的復(fù)雜度。
[0016]4.相對(duì)于傳統(tǒng)金屬來(lái)說(shuō)，石墨烯不需要考慮擴(kuò)散阻擋等相關(guān)問(wèn)題，而且由于石墨烯很薄，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的芯片流程中CMP的高度差可以忽略，因此也不需要復(fù)雜的額外工藝。
[0017]依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，采用石墨烯這種單晶薄層導(dǎo)電材料作為上下層金屬連線之間的屏蔽層，有效降低了小尺寸器件的連線噪聲，提高了器件信號(hào)精度。【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]以下參照附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，其中:
[0019]圖1a顯示了依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中上下互連線交錯(cuò)；
[0020]圖1b顯示了依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中上下互連線重合；
[0021]圖2顯示了現(xiàn)有技術(shù)的互連結(jié)構(gòu)的剖視圖；
[0022]圖3顯示了依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下參照附圖并結(jié)合示意性的實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的特征及其技術(shù)效果，公開了能有效降低了小尺寸器件的連線噪聲的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。需要指出的是，類似的附圖標(biāo)記表示類似的結(jié)構(gòu)，本申請(qǐng)中所用的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修飾各種器件結(jié)構(gòu)或工藝步驟。這些修飾除非特別說(shuō)明并非暗示所修飾器件結(jié)構(gòu)或工藝步驟的空間、次序或?qū)蛹?jí)關(guān)系。
[0024]圖1a顯示了依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中上下互連線交錯(cuò)；圖1b顯示了依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)的頂視圖，其中上下互連線重合。
[0025]在上述圖1a以及圖1b中，I表示下層互連金屬層，2表示上層互連金屬層，層I與層2交錯(cuò)(如圖1a)或者重合(如圖1b)，4為互連通孔，3為石墨烯構(gòu)成的導(dǎo)電屏蔽層。其中，層3可以在下層的金屬線的擴(kuò)散阻擋層形成之后添加形成，然后通過(guò)一次光刻/刻蝕，在層3中形成連接到高層(頂層)的電源線VSS，從而通過(guò)導(dǎo)電的層3消除了互連線交錯(cuò)、重合時(shí)產(chǎn)生的串?dāng)_，實(shí)現(xiàn)上下金屬線之間的阻擋、屏蔽效果。
[0026]圖2所示為傳統(tǒng)的、現(xiàn)有技術(shù)中互連結(jié)構(gòu)的剖視圖，其中該結(jié)構(gòu)為雙大馬士革結(jié)構(gòu)?；ミB結(jié)構(gòu)包括在襯底(圖2中標(biāo)號(hào)8之下的層結(jié)構(gòu)，未標(biāo)號(hào)，其材質(zhì)可以是體S1、S01、

等各種常用的半導(dǎo)體襯底材料，并且優(yōu)選地在表面具有由鈍化層保護(hù)的焊墊)上的絕緣層介質(zhì)8，通常是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等及其組合，還可以是各種低k介質(zhì)。在絕緣層介質(zhì)8上形成刻蝕停止層7，層7與層8材料不同，但均可選自氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等組合。在層7之上再形成另一層的絕緣層介質(zhì)8’，其材質(zhì)可以與下層的層8相同。刻蝕層8’、層7以及層8直至暴露襯底，形成溝槽，在溝槽表面沉積金屬擴(kuò)散阻擋層5，其材質(zhì)例如TiN、TaN, T1、Ta及其組合。最后在溝槽剩余空間中填充沉積互連金屬6，并CMP平坦化直至露出上層的絕緣層介質(zhì)8’。層6的材料可以包括 Co、N1、Cu、Al、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、T1、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La 等金屬單質(zhì)、或這些金屬的合金以及這些金屬的氮化物。
[0027]在圖2所示結(jié)構(gòu)中，上下層的互連金屬之間僅有薄的刻蝕停止層，無(wú)法有效屏蔽信號(hào)串?dāng)_。通常在該傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上做出改進(jìn)，例如在上下層信號(hào)線之間插入直接連接電源VSS或者接地GND的另一層互連金屬。但是，該方案需要額外的布線層，器件小型化受限。
[0028]圖3所示為依照本發(fā)明的創(chuàng)新性的采用薄層材料作為互連屏蔽的互連結(jié)構(gòu)的剖視圖，其中，在圖2所示的傳統(tǒng)雙大馬士革的下層信號(hào)線6之上，再形成刻蝕停止層11。形成層11的方法例如是LPCVD、PECVD、HDPCVD、MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等，層11的材質(zhì)可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、類金剛石無(wú)定形碳(DLC)等及其組合。形成層11之后，再沉積單晶的薄層材料12，例如通過(guò)LPCVD、PECVD, HDPCVD, UHVCVD, MOCVD, MBE、ALD、蒸發(fā)、濺射等工藝，層12的材料例如是石墨烯并且優(yōu)選地形成為單晶結(jié)構(gòu)。此外，石墨烯層12不限于單層結(jié)構(gòu)，也可以是多個(gè)(單晶)層層疊構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。更優(yōu)選地，屏蔽層12除了石墨烯之外，還可以包含其他導(dǎo)電性材料而構(gòu)成多層結(jié)構(gòu)(也即構(gòu)成屏蔽層12的材料不限于石墨烯，而是只要包括/包含石墨烯即可)，只是在本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中僅完全采用石墨烯構(gòu)成屏蔽層112。優(yōu)選地，采用已知的光刻/刻蝕技術(shù)，在屏蔽層12中形成多個(gè)開口，這些開口包括圖3中層12對(duì)應(yīng)于上層布線的開口以及隨后將直接連接至VSS或者GND的電源連線開口。隨后，與下層信號(hào)線6形成方式類似(圖2所示)，通過(guò)沉積絕緣層-刻蝕停止層-絕緣層的堆疊結(jié)構(gòu)，在層12上形成類似的8’ -7-8的堆疊介質(zhì)結(jié)構(gòu)，采用類似的大馬士革工藝，依次刻蝕層8’、層7、層8以及層12和層11直至暴露下層信號(hào)線中的互連金屬層6，形成溝槽。在此溝槽中，依次沉積擴(kuò)散阻擋層10和金屬層9，并CMP平坦化，最終形成上層布線。其中，擴(kuò)散阻擋層10的材料可以包括T1、Ta、TiN、TaN及其組合，金屬層9的材料可以包括 Co、N1、Cu、Al、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、T1、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La 等金屬單質(zhì)、或這些金屬的合金以及這些金屬的氮化物。該方法雖然需要多使用一次光刻，但是抑制了金屬層之間的串?dāng)_，能夠有效的提聞互聯(lián)電路的速率。
[0029]依照本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法，采用石墨烯這種單晶薄層導(dǎo)電材料作為上下層金屬連線之間的屏蔽層，有效降低了小尺寸器件的連線噪聲，提高了器件信號(hào)精度。
[0030]盡管已參照一個(gè)或多個(gè)示例性實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以知曉無(wú)需脫離本發(fā)明范圍而對(duì)器件結(jié)構(gòu)和/或工藝流程做出各種合適的改變和等價(jià)方式。此外，由所公開的教導(dǎo)可做出許多可能適于特定情形或材料的修改而不脫離本發(fā)明范圍。因此，本發(fā)明的目的不在于限定在作為用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最佳實(shí)施方式而公開的特定實(shí)施例，而所公開的器件結(jié)構(gòu)及其制造方法將包括落入本發(fā)明范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種互連結(jié)構(gòu)，包括: 位于襯底上的下層布線結(jié)構(gòu)； 位于下層布線結(jié)構(gòu)上的屏蔽層，其中屏蔽層包括石墨烯； 位于屏蔽層上的上層布線結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中，石墨烯為單晶結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中，下層布線結(jié)構(gòu)與上層布線結(jié)構(gòu)交錯(cuò)或者重合。
4.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)，其中，下層布線結(jié)構(gòu)和/或上層布線結(jié)構(gòu)包括:第一絕緣層；位于第一絕緣層上的刻蝕停止層；位于刻蝕停止層上的第二絕緣層；穿透第二絕緣層、刻蝕停止層、第一絕緣層的溝槽，其中溝槽中填充具有擴(kuò)散阻擋層以及互連金屬。
5.如權(quán)利要求4的互連結(jié)構(gòu)，其中，擴(kuò)散阻擋層包括T1、Ta、TiN、TaN;互連金屬包括選自 Co、N1、Cu、Al、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、T1、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La 的金屬單質(zhì)、或這些金屬的合金以及這些金屬的氮化物。
6.一種互連結(jié)構(gòu)的制造方法，包括: 在襯底上形成下層布線結(jié)構(gòu)； 在下層布線結(jié)構(gòu)上形成屏蔽層，其中屏蔽層包括石墨烯； 在屏蔽層上形成上層布線結(jié)構(gòu)。
7.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，石墨烯為單晶結(jié)構(gòu)或多層結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求1的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，下層布線結(jié)構(gòu)與上層布線結(jié)構(gòu)交錯(cuò)或者重合。
9.如權(quán)利要求6的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，形成下層布線結(jié)構(gòu)和/或上層布線結(jié)構(gòu)的步驟進(jìn)一步包括:形成第一絕緣層；在第一絕緣層上形成刻蝕停止層；在刻蝕停止層上形成第二絕緣層；刻蝕第二絕緣層、刻蝕停止層、第一絕緣層形成溝槽；在溝槽中依次填充形成擴(kuò)散阻擋層以及互連金屬。
10.如權(quán)利要求9的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其中，擴(kuò)散阻擋層包括T1、Ta、TiN,TaN ;互連金屬包括選自 Co、N1、Cu、Al、Pd、Pt、Ru、Re、Mo、Ta、T1、Hf、Zr、W、Ir、Eu、Nd、Er、La 的金屬單質(zhì)、或這些金屬的合金以及這些金屬的氮化物。
【文檔編號(hào)】H01L21/768GK103943599SQ201310017093
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2013年1月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月17日
【發(fā)明者】聶鵬飛, 粟雅娟, 朱慧瓏, 趙超, 賈昆鵬, 楊杰 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所