半導體器件及其制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導體器件及其制造方法。在一個實施例中，制造半導體器件的方法包括：提供包括形成在第一絕緣材料中的導電部件和設置在第一絕緣材料上方的第二絕緣材料的工件。第二絕緣材料具有在導電部件上方的開口。該方法包括：在第二導電材料中的開口內(nèi)的導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層，并且在第二絕緣材料中的開口的側壁上方形成基于碳的粘合層。在圖案化第二絕緣材料中的基于石墨烯的導電層和基于碳的粘合層上方形成碳納米管（CNT）。
【專利說明】半導體器件及其制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導體【技術領域】，更具體地來說，涉及半導體器件及其制造方法。
【背景技術】
[0002]半導體器件用于各種電子應用中使用，諸如，個人計算機、蜂窩電話、數(shù)碼相機以及其他電子設備。通常通過在半導體襯底上方順序地沉積絕緣或介電層、導電層以及半導體材料層，并且使用光刻圖案化多種材料層以在其上形成電路部件和元件來制造半導體器件。
[0003]半導體工業(yè)通過最小特征尺寸的不斷減小來持續(xù)改進多種電子部件(例如，晶體管、二極管、電阻器、電容器等)的集成密度，從而允許更多部件被集成到給定區(qū)域中。
[0004]諸如金屬或半導體的導電材料用于半導體器件中，以制作集成電路的電連接。多年來，鋁被用作電連接的導電材料的金屬，并且二氧化硅被用作絕緣體。然而，由于器件尺寸減小，不得不改變導體和絕緣體的材料，以改進器件性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種制造半導體器件的方法，所述方法包括:提供包括形成在第一絕緣材料中的導電部件和設置在所述第一絕緣材料上方的第二絕緣材料的工件，所述第二絕緣材料具有在所述導電部件上方的開口 ；在所述第二絕緣材料中的所述開口內(nèi)的所述導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層；在所述第二絕緣材料中的所述開口的側壁上方形成基于碳的粘合層；以及在圖案化的所述第二絕緣材料中的所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方形成碳納米管(CNT)。
[0006]該方法進一步包括:同時形成所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層。
[0007]在該方法中，形成所述基于石墨烯的導電層和形成所述基于碳的粘合層包括氣相生長工藝。
[0008]在該方法中，形成所述基于石墨烯的導電層和形成所述基于碳的粘合層包括選自基本由化學汽相沉積(CVD)、常壓CVD (APCVD)、次大氣壓力下的低壓CVD (LPCVD)、等離子體增強CVD (PECVD)、原子層CVD (ALCVD)及它們的組合所構成的組中的工藝。
[0009]在該方法中，形成所述基于石墨烯的導電層包括:形成多個石墨烯薄片(GS)。
[0010]在該方法中，形成所述基于碳的粘合層包括:形成無定形碳。
[0011]在該方法中，形成所述基于石墨烯的導電層包括:形成第一基于石墨烯的導電層，并且所述方法進一步包括:在所述CNT的頂面上形成第二基于石墨烯的導電層。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制造半導體器件的方法，所述方法包括:在工件上方形成第一絕緣材料；在所述第一絕緣材料中形成導電部件；在所述導電部件和所述第一絕緣材料上方形成第二絕緣材料；圖案化所述第二絕緣材料，以暴露所述導電部件的頂面的一部分；在所述導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層并且同時在圖案化的第二絕緣材料的側壁上形成基于碳的粘合層；以及在所述圖案化的第二絕緣材料中的所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方形成多個碳納米管(CNT)。
[0013]在該方法中，形成所述導電部件包括:鑲嵌工藝和金屬蝕刻工藝。
[0014]在該方法中，同時形成所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層包括使用CH4+H2+Ar。
[0015]在該方法中，形成所述多個CNT包括:形成通孔互連件。
[0016]在該方法中，形成所述基于石墨烯的導電層減小所述通孔互連件的接觸阻抗。
[0017]在該方法中，所述導電部件包括第一導電部件；所述方法進一步包括:在所述多個CNT和所述第二絕緣材料上方形成第三絕緣材料，圖案化所述第三絕緣材料以在所述多個CNT的每一個的頂面上方形成開口，以及在圖案化的第三絕緣材料中形成導電材料；并且所述圖案化的第三絕緣材料中的所述導電材料包括第二導電部件。
[0018]該方法進一步包括:在所述第二絕緣材料和所述多個CNT上方形成導電材料，并且形成所述導電材料包括:通過所述導電材料密封所述多個CNT。
[0019]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種半導體器件，包括:工件，包括設置在第一絕緣材料中的導電部件和設置在所述第一絕緣材料上方的第二絕緣材料，所述第二絕緣材料具有在所述導電部件上方的開口 ；基于石墨烯的導電層，在所述第二絕緣材料中的所述開口內(nèi)設置在所述導電部件的暴露頂面上方；基于碳的粘合層，設置在所述第二絕緣材料中的所述開口的側壁上方；以及碳納米管(CNT)，在圖案化的第二絕緣材料內(nèi)設置在所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方。
[0020]在該半導體器件中，所述導電部件包括選自基本由Cu、Fe、Co、N1、它們的合金及它們的組合所構成的組的材料。
[0021 ] 在該半導體器件中，所述導電部件包括第一導電部件，進一步包括設置在第三絕緣材料內(nèi)的第二導電部件，所述第二導電部件設置在所述CNT上方。
[0022]在該半導體器件中，所述第二導電部件包括選自基本由Au、Ag、Al、Cu、Fe、Co、N1、它們的合金以及它們的組合所構成的組的材料。
[0023]在該半導體器件中，所述基于石墨烯的導電層包括第一基于石墨烯的導電層，并且所述半導體器件進一步包括:設置在所述第二導電部件和所述CNT之間的第二基于石墨烯的導電層。
[0024]在該半導體器件中，所述CNT包括第一 CNT，并且所述半導體器件進一步包括設置在多個所述第三絕緣材料內(nèi)的多個所述第二導電部件，并且第二 CNT設置在多個所述第二導電部件中的相鄰第二導電部件之間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了更完整地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在將結合附圖所進行的以下描述作為參考，其中:
[0026]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例的包括多個碳納米管(CNT)的半導體器件的透視圖；
[0027]圖2至圖6是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件的方法的截面圖；
[0028]圖1是根據(jù)一些實施例的包括多個石墨烯薄片(GS)的基于石墨烯的導電層的透視圖；
[0029]圖8至圖10是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件的方法的截面圖；
[0030]圖11至圖13是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件的方法的截面圖；
[0031]圖14和圖15是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件的方法的截面圖；
[0032]圖16是根據(jù)一些實施例的半導體器件的截面圖；以及
[0033]圖17是根據(jù)一些實施例制造半導體器件的方法的流程圖。
[0034]除非另外指定，否則不同附圖中的相應的參考標號和符號通常指的是相應的部件。繪制附圖以清楚地示出實施例的相關方面并且不必按比例繪制附圖。
【具體實施方式】
[0035]以下詳細地論述本發(fā)明的一些實施例的制造和使用。然而，應該理解，本發(fā)明提供許多可以在各種具體環(huán)境中實現(xiàn)的可應用發(fā)明思想。所論述的具體實施例僅示出了制造和使用本發(fā)明的特定方式，而沒有限定本發(fā)明的范圍。
[0036]本發(fā)明的一些實施例涉及半導體器件及其制造方法。本文中將描述具有作為通孔互連的碳納米管(CNT)的新型半導體器件。
[0037]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例包括多個CNT 120的半導體器件100的透視圖。半導體器件100包括工件102和設置在工件102上方的絕緣材料104。根據(jù)一些實施例，導電部件106形成在絕緣材料104的一部分上方。在其他實施例中，在絕緣材料104的整個厚度內(nèi)形成導電部件106?；谑┑膶щ妼?10設置在導電部件106的至少一部分上方。多個CNT 120形成在絕緣材料(圖1中未示出；參見圖8所示的絕緣材料114)內(nèi)的基于石墨烯的導電層110上方。本發(fā)明的實施例包括形成基于石墨烯的導電層110，在絕緣材料114 (在圖1中也未示出；參見圖8所示的基于碳的粘合層112)中的開口的側壁上方形成基于碳的粘合層，以及形成CNT 120的方法，以在本文中進一步進行描述。
[0038]圖2至圖6是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件100的方法的截面圖。為了制造半導體器件100，首先，如圖2所示，提供工件102。例如，工件102可以包括含有硅或其他半導體材料的半導體襯底，并且可以被絕緣層覆蓋。工件102還可以包括未示出的其他有源部件或電路。例如，工件102可以包括單晶硅上方的氧化硅。工件102可以包括其他導電層或其他半導體元件，例如，晶體管、二極管等。作為實例，可以使用化合物半導體、GaAs、InP、Si/Ge或SiC代替硅。作為實例，工件102可以包括絕緣體上硅(SOI)或絕緣體上鍺(GOI)襯底。
[0039]也如圖2所示，第一絕緣材料104形成在工件102上方。作為實例，第一絕緣材料104可以包括二氧化硅、氮化硅、其他絕緣材料、或它們的組合或多層。在一些實施例中，第一絕緣材料104包括介電常數(shù)或k值小于二氧化硅的介電常數(shù)的低介電常數(shù)(k)絕緣材料，其介電常數(shù)約為3.9。在其他實施例中，第一絕緣材料104包括具有k值為約2.5或更小的超低-k (ELK)絕緣材料?？蛇x地，第一絕緣材料104可以包括其他材料并且可以包括其他k值。第一絕緣材料104包括約0.1nm至約20nm的厚度,但是可選地,第一絕緣材料104可以包括其他尺寸。作為實例，可以使用化學汽相沉積(CVD)、等離子體增強CVD (PECVD)或它們的組合來形成或沉積第一絕緣材料104?？蛇x地，其他方法可以用于形成第一絕緣材料104。在一些實施例中，例如，第一絕緣材料104包括通孔層金屬間電介質(MD)。
[0040]接下來，將描述用于在第一絕緣材料104內(nèi)形成導電部件106的鑲嵌工藝。使用光刻通過導電部件的圖案來圖案化第一絕緣材料104。例如，可以在第一絕緣材料104上方形成光刻膠層(未示出)，并且通過暴露至通過其上設置有期望圖案的光刻掩模傳送或從該光刻掩模反射的能量來圖案化光刻膠層。該光刻膠層被顯影，被曝光(或未被曝光，取決于該光刻膠層包括負性光刻膠還是正性光刻膠)并且使用蝕刻和/或灰化工藝被去除。然后，將該光刻膠層用作蝕刻掩模，以蝕刻掉第一絕緣材料104的多部分,在第一絕緣材料104內(nèi)形用于導電部件106的圖案。在一些實施例中，如圖2的104’處的陰影(例如，虛線)所示，僅圖案化或去除第一絕緣材料104的頂部。
[0041]也如圖2所示，在圖案化的第一絕緣材料104上方形成導電材料106。在一些實施例中，導電材料106包括Cu、Fe、Co、N1、它們的合金、或它們的組合或多層?？蛇x地,導電材料106可以包括其他材料。導電材料106填充第一絕緣材料104中的圖案并且還覆蓋第一絕緣材料104的頂面。可以使用CVD、物理汽相沉積(PVD)、電化學鍍(ECP)、非電鍍、它們的組合、或其他方法來形成導電材料106。
[0042]化學機械拋光(CMP)工藝和/或蝕刻工藝被用于從絕緣材料104的頂面上方去除導電材料106，如圖3所示，保留設置在絕緣材料104內(nèi)的導電部件106。在一些實施例中，導電部件106包括導線，該導線在所示的視圖中在紙張內(nèi)和外延伸預定距離。導電部件106可以可選地包括具有彎曲圖案(meandering pattern)的導線。還如圖3所示,在將CMP工藝和/或蝕刻工藝用于從絕緣材料104的頂面去除導電材料106期間被還去除絕緣材料104的頂部或使該絕緣材料104的頂部凹進?？蛇x地,絕緣材料104可以不凹進,并且包括導電部件106的導電材料106的頂面可以與絕緣材料104的頂面基本共面(附圖中未示出)。
[0043]可選地，可以使用減成法工藝形成導電部件106 (附圖中也未示出)。例如，導電材料106可以形成在工件102上方，然后使用光刻工藝圖案化導電材料106。第一絕緣材料104形成在導電材料106上方,例如,介于相鄰導電部件106之間。在一些附圖中僅不出一個導電部件106 ;然而，在一些實施例中，在半導體器件100的工件102的整個表面上形成多個導電部件106 (參見圖16)。
[0044]再次參考圖3，在導電部件106和第一絕緣材料104上方形成第二絕緣材料114。第二絕緣材料114可以包括所述的用于第一絕緣材料104的類似材料，并且可以使用所述的用于第一絕緣材料104的類似方法來形成該第二絕緣材料114。第二絕緣材料114包括約Inm至約IOOnm的厚度,但是可選地,第一絕緣材料104可以包括其他尺寸。
[0045]如圖4所示，使用光刻工藝圖案化第二絕緣材料114，以在導電部件106的至少一部分上方形成開口，并且暴露導電材料106的頂面。
[0046]接下來，在第二絕緣材料114中的開口內(nèi)的導電部件106的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層110，并且如圖5所示，在第二絕緣材料114中的開口的側壁上方形成基于碳的粘合層112。在一些實施例中，同時形成導電部件106的暴露頂面上方的基于石墨烯的導電層110和圖案化的第二絕緣材料114的側壁上的基于碳的粘合層112。在一些實施例中，還在第二絕緣材料114的頂面上形成基于碳的粘合層112。在一些實施例中，使用碳沉積工藝116形成基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112。在一些實施例中，使用氣相生長工藝形成基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112。在一些實施例中，例如，使用CVD、常壓CVD (APCVD)、在次大氣壓力下的低壓CVD (LPCVD)、PECVD、原子層CVD(ALCVD)、或它們的組合來形成基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112。在一些實施例中，基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112使用CH4+H2+Ar形成?？蛇x地，其他方法可以用于形成基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112。
[0047]圖6是圖5所示的半導體器件100接近導電部件106的頂面的部分的更詳細截面圖。為了形成基于石墨烯的導電層110，將CH4+H2+Ar的氣流弓I入正處理半導體器件100的室中。在時間周期122處，在導電部件106的頂面上擴散CH4(例如，作為接近該表面的氣體層，位于反應控制區(qū)中)，并且到達導電部件106的頂面。在時間周期124處，CH4內(nèi)的C被吸附在導電部件106的表面上,并且C分子被分解為活性碳物質(active carbon species)?；钚蕴嘉镔|擴散至催化劑(例如，包括Cu、Fe、Co、N1、它們的合金或它們的組合的導電部件106的材料)的表面，或者活性碳物質擴散到接近導電部件106的頂面的催化劑中，以形成石墨烯薄片(GS)材料的石墨烯晶格。從該表面釋放諸如H的非活性物質(inactive species)并且形成分子氫。在時間周期126處，分子氫(H2)通過邊界層遠離導電部件106的頂面擴散并且通過大量氣流118清除。
[0048]圖7是根據(jù)一些實施例的包括多個石墨烯薄片(GS)的基于石墨烯的導電層110的透視圖。根據(jù)一些實施例，例如，基于石墨烯的導電層110包括形成在導電部件106的頂面上的一個或多個石墨烯薄片128。例如，在一些實施例中，基于石墨烯的導電層110包括通過選擇性生長所形成的幾層石墨烯薄片128。在一些實施例中，石墨烯薄片128是均勻和連續(xù)的，并且通過從下到上逐層生長形成該石墨烯薄片128。在一些實施例中，基于石墨烯的導電層110的厚度介于約0.1nm和約20nm之間?？蛇x地，基于石墨烯的導電層110可以包括其他材料和尺寸，并且可以使用其他方法形成該基于石墨烯的導電層110。
[0049]在形成基于石墨烯的導電層110的石墨烯薄片128的同時，由于將CH4+H2+Ar引入半導體器件100，所以在第二絕緣材料114中的圖案或開口的側壁上形成基于碳的粘合層112 (再次參考圖5)。在一些實施例中，基于碳的粘合層112包括厚度介于約0.1nm和約20nm之間的無定形碳?？蛇x地，基于碳的粘合層112可以包括其他材料和尺寸。
[0050]圖8至圖10是在圖5、圖6和圖7所示的制造步驟之后，根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件100的方法的截面圖。如圖8所示，在基于石墨烯的導電層110上方沉積催化劑111。催化劑111包括約Inm諸如Fe的材料，但是催化劑111可以可選地包括其他材料和尺寸。在第二絕緣材料114中的圖案或開口的底面中以及在第二絕緣材料114的頂面上，但是不在第二絕緣材料114中的圖案或開口的側壁上形成催化劑111。然后，還如圖8所示，在催化劑111上方以及在基于石墨烯的導電層110上方生長碳納米管(CNT)0化學機械拋光半導體器件100，以從第二絕緣材料114的頂面上方去除多余的CNT120材料和催化劑111。CNT 120可以包括延伸通過第二絕緣材料114的厚度的幾十或幾百個CNT。在一些實施例中，CNT 120是導電的并且包括空心導管。在一些實施例中，CNT120包括在下面的導電部件106和上面的導電部件136 (參見圖10)之間形成的通孔互連件。在一些實施例中，優(yōu)選地，基于石墨烯的導電層Iio減小包括通孔互連件的CNT 120的接觸電阻。
[0051]在一些實施例中，使用鑲嵌工藝形成上面的導電部件136。如圖9所示，在CNT 120和第二絕緣材料114上方形成第三絕緣材料124。在一些實施例中，通過用于在CNT 120的頂面上方形成的導電部件136的圖案來圖案化第三絕緣材料124。在一些實施例中，在圖案化第三絕緣材料124之后，濕清潔工藝用于清理半導體器件100。如圖9中的虛線所示，導電材料136沉積或形成在第三絕緣材料124上方。CMP工藝和/或蝕刻工藝用于從第三絕緣材料124的頂面上方去除多余的導電材料136，以如圖10所示，保留在CNT 120上方的第三絕緣材料124內(nèi)所形成的導電部件136。在一些實施例中，電化學鍍(ECP)工藝被用于形成導電部件136。在這些實施例中，可以不需要CMP工藝和/或蝕刻工藝。還可以使用金屬蝕刻(subtractive etch)工藝來形成導電部件136。在一些實施例中，如對于導電部件106所述的，導電部件136包括導線或跡線。在一些實施例中，在半導體器件100的表面上方形成多個導電部件136。例如，在一些實施例中，導電部件136包括Au、Ag、Al、Cu、Fe、Co、N1、它們的合金、或者使用用于導電部件106所述的類似方法形成的它們的組合或多層?？蛇x地，導電部件136可以包括其他材料，并且可以使用其他方法來形成該導電部件136。
[0052]再次參考圖1，示出在導電部件106上方所形成的多組CNT 120的透視圖?？梢缘诙^緣材料114內(nèi)的單個導電部件106的頂面上方形成多個圖案，并且在多個圖案中的每個內(nèi)均形成多個CNT 120。如圖1所示，可以在單個導電部件106上方形成CNT 120的圖案的陣列。例如，在半導體器件100的俯視圖中，CNT 120的陣列可以包括正方形或矩形形狀。在俯視圖中，可選地，陣列可以包括其他形狀，諸如，圓形、橢圓形、梯形、或其他形狀。
[0053]在圖10所示的實施例中，未填充包括空心導管的CNT 120的空隙。在其他實施例中，通過諸如金屬的導電材料填充CNT 120的空隙。例如，金屬密封CNT 120。圖11至圖13是根據(jù)本發(fā)明的一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件100的方法的截面圖，其中，通過諸如Cu或Cu合金的金屬來密封CNT 120，但是可以使用其他金屬。在圖8所示的制造工藝步驟之后，如圖11所示，使用ALD工藝或其他共形沉積工藝在CNT 120空隙內(nèi)形成包括金屬的導電材料136’。導電材料136’填充或密封圖8所示的CNT 120的空隙，以形成圖11所示的密封的CNT 140。使用CMP工藝從第二絕緣材料114的頂面上方去除導電材料136’和催化劑111的多余部分，并且在第二絕緣材料114和密封的CNT 140上方沉積或形成第三絕緣材料124。第三絕緣材料124被圖案化為用于導電部件136，并且如圖9和圖10所示的實施例所述，例如，使用ECP工藝或其他工藝在該圖案內(nèi)形成導電部件136。
[0054]在其他實施例中，如圖14和圖15所示，附加的基于石墨烯的導電層110’’包括在半導體器件100中，這兩幅附圖是根據(jù)一些實施例處于各個制造階段的制造半導體器件100的方法的截面圖。例如，基于石墨烯的導電層110在本文中還被稱為第一基于石墨烯的導電層110。在沉積第三絕緣材料124并且通過參考圖9所述的導電部件136的圖案圖案化第三絕緣材料124之后，如圖14所示，在導電部件136的圖案的底部中形成第二基于石墨烯的導電層110’’。在一些實施例中，使用PECVD形成第二基于石墨烯的導電層110’’。在多個CNT 120的頂面上方以及第三絕緣材料124的一部分的頂面上方形成第二基于石墨烯的導電層110’’。
[0055]在其他實施例中，使用如先前實施例所述的形成第一基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112的類似氣相生長工藝來形成第二基于石墨烯的導電層110’’。在一些實施例中，基于碳的粘合層112在本文中還被稱為第一基于碳的粘合層112。如圖14中的虛線所示，形成第二基于石墨烯的導電層HO’’導致在圖案化的第三絕緣材料124的側壁上形成第二基于碳的粘合層112’ ’。
[0056]然后，如果包括第二基于碳的粘合層112’’，則在第二基于石墨烯的導電層110’’或在第二基于石墨烯的導電層110’’和第二基于碳的粘合層112’’上方形成導電部件136。如圖15所示，導電部件136包括使用先前實施所述的類似方法形成的第二導電部件136。在一些實施例中，使用ECP工藝形成導電部件136。如先前實施例的其他方法也可以用于形成導電部件136。第二基于石墨烯的導電層110’’設置在CNT 120和第二導電部件136之間。
[0057]圖16是根據(jù)一些實施例的半導體器件100的截面圖。分別在半導體器件100的通孔層Vx和Vx+i中形成多個CNT 120和120’層或多個密封的CNT 140和140’層。CNT 120和120’或密封的CNT 140和140’中的通孔層Vx和Vx+1的每個都分別設置在兩個導線層Mx和Mx+1或Mx+1和Mx+2之間。圖16中僅示出了兩個通孔層Vx和Vx+1和三個導線層Mx、Mx+1和mx+2 ;可選地，更多通孔層和導線層可以包括在半導體器件100的互連結構中。在一些實施例中，在半導體器件100的后道工序(BEOL)工藝中形成包括通孔層Vx和Vx+1和導線層Mx、Mx+1、以及Mx+2的互連層。催化劑111 (在圖16中未示出；參見圖10)可以設置在基于石墨烯的導電層110和CNT 120或140之間。同樣地，例如，催化劑(未示出)還可以設置在基于石墨烯的導電層110’和CNT 120’或140’之間。
[0058]圖16所示的實施例還示出了可以使用雙鑲嵌工藝形成的導電部件106和136以及CNT 120或120’或密封的CNT 140或140’。例如，可以使用兩個圖案化步驟在單個絕緣材料114中形成導電部件106和CNT 120或密封的CNT 140的圖案，并且可以使用本文中所述的方法來處理和填充圖案化的絕緣材料114。同樣地，可以使用兩個圖案化步驟在單個絕緣材料124中形成導電部件136和CNT 120’或密封的CNT 140’的圖案，并且可以使用本文中所述的方法處理和填充圖案化的絕緣材料124。在單個絕緣材料134中形成導電部件136’的頂層?？蛇x地，可以在單獨的絕緣材料內(nèi)形成每個通孔層Vx和Vx+1和每個導線層MX、MX+1 和 Mx+2 (未示出)。
[0059]在一些實施例中，CNT 120之一包括第一 CNT 120。半導體器件100包括設置在多個第三絕緣材料124和134內(nèi)的多個第二導電部件136和136’。如圖16所示，第二 CNT120’設置在多個第二導電部件136和136’中的每個相鄰的第二導電部件之間。
[0060]圖17是根據(jù)一些實施例的制造半導體器件100的方法的流程圖160，在圖4、圖5和圖8中也示出了該方法。在步驟162中，提供工件102，該襯底包括形成在第一絕緣材料104中的導電部件106和設置在第一絕緣材料104上方的第二絕緣材料114，第二絕緣材料114具有位于導電部件106上方的開口(參見圖4)。在步驟164中，在第二絕緣材料114中的開口內(nèi)的導電部件106的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層110 (參見圖5)。在步驟166中，在第二絕緣材料114中的開口的側壁上方形成基于碳的粘合層112 (還參見圖5)。在步驟168中，在基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112上方的圖案化的第二絕緣材料114中形成CNT 120 (參見圖8)。
[0061]本發(fā)明的一些實施例包括形成半導體器件100的方法，并且還包括使用本文中所述的方法制造的半導體器件100。
[0062]本發(fā)明的一些實施例的優(yōu)點包括提供包括CNT 120或140的新型半導體器件100，CNT 120或140包括基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112。公開了新型CNT集成方案，其中，基于石墨烯的導電層110減小了由新型CNT 120或140所形成的通孔互連件的接觸電阻。由新型CNT 120或140形成的通孔互連件具有超低接觸電阻。包括CNT 120或140的通孔互連件具有大電流密度、優(yōu)良的抗電遷移(EM)、以及較好電、熱、以及機械性能。用于基于石墨烯的導電層110的形成方法導致共形和均勻沉積基于石墨烯的導電層110，從而隨后改進CNT 120或140的生長工藝。同時形成基于石墨烯的導電層110和基于碳的粘合層112的方法是簡單的、有效的以及可控制的。在一些實施例中，基于石墨烯的導電層110用作改進膜粘合性的導電膠層，從而導致減小導電部件106、基于石墨烯的導電層110、以及CNT 120或140的界面電阻。在一些實施例中，用于形成基于石墨烯的導電層110的制備方法包括CVD、APCVD, LPCVD, PECVD、或ALCVD方法，從而可非常好地控制且經(jīng)濟。而且，在制造工藝流程中可容易地實現(xiàn)新型半導體器件100結構和設計。
[0063]根據(jù)本發(fā)明的一些實施例，制造半導體器件的方法包括:提供包括形成在第一絕緣材料中的導電部件和設置在第一絕緣材料上方的第二絕緣材料的工件，第二絕緣材料具有在導電部件上方的開口。該方法包括:在第二導電材料中的開口內(nèi)的導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層，并且在第二絕緣材料中的開口的側壁上方形成基于碳的粘合層。在圖案化的第二絕緣材料中的基于石墨烯的導電層和基于碳的粘合層上方形成CNT。
[0064]根據(jù)其他實施例，制造半導體器件的方法包括:在工件上方形成第一絕緣材料，在第一絕緣材料中形成導電部件，以及在導電部件和第一絕緣材料上方形成第二絕緣材料。該方法包括:圖案化第二絕緣材料，以暴露導電部件的頂面的一部分，以及在導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層以及在圖案化的第二絕緣材料的側壁上形成基于碳的粘合層。在圖案化的第二絕緣材料中的基于石墨烯的導電層和基于碳的粘合層上方形成多個碳納米管(CNT)。
[0065]根據(jù)其他實施例，半導體器件包括:工件，包括設置在第一絕緣材料中的導電部件和設置在第一絕緣材料上方的第二絕緣材料，第二絕緣材料具有在導電部件上方的開口。基于石墨烯的導電層設置在第二絕緣材料中的開口內(nèi)的導電部件的暴露頂面上方。基于碳的粘合層設置在第二絕緣材料中的開口的側壁上方。在圖案化的第二絕緣材料內(nèi)將CNT設置在基于石墨烯的導電層和基于碳的粘合層上方。
[0066]雖然已經(jīng)詳細地描述了本發(fā)明的一些實施例，但是應該理解，在不背離由所附權利要求限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本文中可以作出多種改變、替換和更改。例如，本領域技術人員應該很容易地理解，本文中所述的多個特征、功能、工藝、以及材料可以改變，同時仍然保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。而且，本申請的范圍不旨在限于在說明書中描述的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法和步驟的特定實施例。本領域普通技術人員通過本發(fā)明容易地想到，可以根據(jù)本發(fā)明利用執(zhí)行與在本文中描述的相應實施例基本相同的功能或實現(xiàn)與其基本相同的結果的當前存在或隨后開發(fā)的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法、或步驟根據(jù)本發(fā)明可以被使用。因此，所附權利要求旨在包括在這樣的工藝、機器、制造、材料組分、裝置、方法、或步驟的范圍內(nèi)。
【權利要求】
1.一種制造半導體器件的方法，所述方法包括: 提供包括形成在第一絕緣材料中的導電部件和設置在所述第一絕緣材料上方的第二絕緣材料的工件，所述第二絕緣材料具有在所述導電部件上方的開口 ； 在所述第二絕緣材料中的所述開口內(nèi)的所述導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層； 在所述第二絕緣材料中的所述開口的側壁上方形成基于碳的粘合層；以及在圖案化的所述第二絕緣材料中的所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方形成碳納米管(CNT )。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，進一步包括:同時形成所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層。
3.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述基于石墨烯的導電層和形成所述基于碳的粘合層包括氣相生長工藝。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述基于石墨烯的導電層和形成所述基于碳的粘合層包括選自基本由化學汽相沉積(CVD)、常壓CVD (APCVD)、次大氣壓力下的低壓CVD (LPCVD)、等離子體增強CVD (PECVD)、原子層CVD (ALCVD)及它們的組合所構成的組中的工藝。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述基于石墨烯的導電層包括:形成多個石墨烯薄片 (GS)。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述基于碳的粘合層包括:形成無定形碳。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其中，形成所述基于石墨烯的導電層包括:形成第一基于石墨烯的導電層，并且所述方法進一步包括:在所述CNT的頂面上形成第二基于石墨烯的導電層。
8.—種制造半導體器件的方法，所述方法包括: 在工件上方形成第一絕緣材料； 在所述第一絕緣材料中形成導電部件； 在所述導電部件和所述第一絕緣材料上方形成第二絕緣材料； 圖案化所述第二絕緣材料，以暴露所述導電部件的頂面的一部分； 在所述導電部件的暴露頂面上方形成基于石墨烯的導電層并且同時在圖案化的第二絕緣材料的側壁上形成基于碳的粘合層；以及 在所述圖案化的第二絕緣材料中的所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方形成多個碳納米管(CNT)。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，其中，形成所述導電部件包括:鑲嵌工藝和金屬蝕刻工藝。
10.一種半導體器件，包括: 工件，包括設置在第一絕緣材料中的導電部件和設置在所述第一絕緣材料上方的第二絕緣材料，所述第二絕緣材料具有在所述導電部件上方的開口 ； 基于石墨烯的導電層，在所述第二絕緣材料中的所述開口內(nèi)設置在所述導電部件的暴露頂面上方； 基于碳的粘合層，設置在所述第二絕緣材料中的所述開口的側壁上方；以及碳納米管(CNT)，在圖案化的第二絕緣材料內(nèi)設置在所述基于石墨烯的導電層和所述基于碳的粘合層上方 。
【文檔編號】H01L23/532GK103996651SQ201310182466
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年5月16日 優(yōu)先權日:2013年2月19日
【發(fā)明者】楊士億, 李明翰, 李香寰, 吳憲昌 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司