专利名称：一种形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法
技术领域：
本发明涉及集成电路互连技术领域，特别是一种形成碳纳米管通孔互连金属化接 触的方法。
背景技术：
随着电子元器件尺寸的不断缩小和IC集成度的提高，Cu布线以其低电阻率、抗电 迁移等优点于1998年成功替代了原有的铝布线工艺，十年来一直是器件互连领域的宠儿， 但随着特征尺寸的进一步微细化，互连线所承载的电流密度越来越大，正在挑战Cu互连线 的极限(106A/cm2)，尤其是ITRS预测技术时代进入32纳米后，互连线的电流承载密度将达 107A/cm2，这将超越Cu布线的导电能力，而且随着特征尺寸的微细化，电子散射和晶界散射 引起的电阻增大效应日益严重，迫使集成电路行业寻求新型互连材料。碳纳米管的高电流 密度、高导热性及电子输运的弹道效应等特性使得其成为新型互连材料的最佳选择。碳纳米管作为候选互连材料已经成为集成电路金属互连方面的研究热点。由 于碳纳米管是石墨烯的圆柱体，其末端通常是通过包括五元环的端帽而被闭合，无法直 接与金属接触形成有效的导电路径，从而导致了很大的接触电阻(有时候高达10kQ)， 严重影响了通孔互连的性能。日本早稻田大学与MIRAHelete联合研究小组采用改进 的等离子气相沉积系统制备出多壁碳纳米管，通过化学机械抛光(Chemicai mechanical planarization, CMP)工艺实现碳纳米管的互连与打开端口，但碳纳米管与金属接触问题仍 没改善，所获得的电阻比现在插塞常用的W大许多倍。CMP技术广泛应用集成电路互连当 中，可以使电介质层平坦化，实现高密度的多层布线。碳纳米管的极小的截面积与具有良好 接触相矛盾，而目前使用碳纳米管形成的常规互连结构并不能完全利用碳纳米管的全部电 流密度容量。英特尔公司的专利碳纳米管互连接触(CN 101208793A)只是提出了同一层 内碳纳米管互连接触的方法，而未能实现通孔即垂直互连接触。因此，如何通过工艺设计形 成通孔碳纳米管与金属层良好的接触是实现通孔互连的关键问题。本发明利用填充物对碳 纳米管束进行填充，利用集成电路互连工艺中的CMP工艺，对填充物与通孔周围电介质层 上方阻挡层选择性抛光，形成碳纳米管束顶端凹陷、凸起或平整的结构，不仅多壁碳纳米管 的外管和内管基本都可以参与导电，还将有效提高与金属的接触面积，提高电导能力。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种形成碳纳米管通孔互连金属化接触 的方法，该方法通过化学机械平坦化打开碳纳米管端口及形成镶嵌结构，从而降低通孔碳 纳米管与金属层的接触电阻，提高通孔电流密度的承载能力。本发明的技术方案一种形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，步骤如下1)在衬底上沉积下电介质层，在下电介质层上制备下导电层；2)在下电层上沉积一层催化剂，在下电介层和催化剂层上沉积上电介质层，然后对其进行刻蚀直至露出催化剂层，形成上方开口的通孔结构；3)在通孔内生长碳纳米管，碳纳米管垂直于衬底，碳纳米管的顶端高于通孔上端 50-200nm ；4)在上电介质层上表面、通孔内壁和底部上沉积一层阻挡层；5)用填充物填充通孔内剩余空隙和上电介质层的上表面；利用抛光液和化学机 械抛光工艺对填充物和阻挡层选择性抛光，实现碳纳米管顶端开口，同时形成凹陷、凸起或 平整三种结构；6)在碳纳米管开口上沉积导电金属层并与全部碳纳米管形成金属化接触。所述阻挡层为氮化钽、氮化钛、氧化硅、氮化硅、钛、氟硅酸盐、氟硅、SiCOH、有机硅 化物、聚对二甲苯或聚酰亚胺。所述填充物为氮化钽、氮化钛、氧化硅、氮化硅、氟硅酸盐、氟硅、SiCOH、有机硅化 物、Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W中的一种或两种以上任意比例的金属合 金，但不能与所述阻挡层的成份相同。所述填充物的填充方法为旋涂法、磁溅射法、离子束溅射法、化学气相沉积法、电 子束沉积法或原子层沉积法。所述导电金属为Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W 一种或两种以上任
意比例的金属合金。所述导电金属层的制作方法为磁溅射法、离子束溅射法、化学气相沉积法、电子束 沉积法或原子层沉积法。本发明的优点是将通孔外多余的碳纳米管用CMP去除的同时，就可以实现碳纳 米管端口的打开，且不会造成其他伤痕。利用抛光液和CMP工艺对在填充物和阻挡层可选 择性抛光去除的特点，可实现碳纳米管的凹陷、凸起或平整的三种结构，在此结构上沉积导 电金属层能够形成通孔碳纳米管良好的金属化接触。在形成金属化接触的过程中，不需要 增加其它的工艺步骤，其制作步骤简单且工艺兼容性好。
图1是本发明所述实施例的碳纳米管顶部凹陷剖面图。图2是本发明所述实施例的碳纳米管顶部凸起剖面图。图3是本发明所述实施例的碳纳米管顶部平整剖面图。
具体实施例方式实施例在硅衬底上沉积基本均勻的S^2作为下电介质层。根据所需下导电层铜的图案 利用光致抗蚀剂图像光刻构图所沉积的下电介质的上表面，通过反应离子蚀刻去除未掩模 化的电介质部分以产生下导电层槽的图案。在SW2下电介质层的整个上表面包括槽内沉积TiN/Ti阻挡层，TiN是第一层，Ti 为第二层，然后再沉积第一导电层铜。全部三层通过原子层沉积和物理气相沉积工艺沉积。 TiN/Ti层可以防止铜迁移到下电介质层中并改善粘附性。通过化学机械抛光去除除了槽以外的铜剩余层和阻挡层，然后可通过反应离子蚀刻下导电层槽。在CMP中使用对铜有选择性的蚀刻剂，使铜比下电介质层更快地被去除，在 槽内留下浅槽。然后在下电介质层包括槽上用离子束溅射3nm厚的铁催化剂层。用化学机 械抛光去除S^2下电介质层表面的催化剂层，仅在浅槽中留有催化剂层。在抛光的下电介 质层上沉积氮化硅阻挡层，接着沉积上电介质层SiO2，使用合适的光致抗蚀剂光刻构图，通 过反应离子蚀刻去除SW2的未被掩膜的部分，形成通孔，通孔延深至催化剂层。去除上电 介质层上方的光致抗蚀剂。铁在适当工艺条件下能够催化形成碳纳米管。本实施例用等子体增强化学气相 沉积法生长碳纳米管。反应器内和吐的气体混合物，在约400-700°C的温度下维持 2-10分钟，将催化裂解形成比通孔上端高50-200nm的碳纳米管。C2H2和H2的比例约在 1:2-1: 4的范围内。选择原子层沉积法在上电介质层、通孔壁和通孔底部沉积TiN/Ti 阻挡层，然后用SOG填充通孔及上电介质层的上表面。利用抛光液和化学机械抛光工艺对SOG层及阻挡层抛光去除速率的不同，去除阻 挡层，形成碳纳米管凹陷(图1)、凸起(图2)或平整(图3)结构。综合考虑平坦化效果， 将CMP分成两步进行，第一步先对顶层较厚的碳纳米管及SW2上电介质层上表面的SOG层 进行去除，并形成碳纳米管的开口结构；第二步采用不同抛光液进行选择性平坦化，实现低 压平坦化(< 2psi，以满足未来GLSI中低介电常数材料要求低压抛光的要求)，并形成碳 纳米管凸起、凸起或平整结构，注意每次CMP后的表面清洗。在碳纳米管顶端用物理气相沉 积工艺沉积金属钯形成碳纳米管金属化接触，最后抛光钯表面。以上通过详细实施例描述了本发明所提供一种利用CMP使碳纳米管束顶端形成 金属化接触的方法，但本领域技术人员应认识到，在所附权利要求的范围内可以作出形式 和细节上的各种变型；其制备方法不限于实施例中所公开的内容。
权利要求
1.一种形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于步骤如下1)在衬底上沉积下电介质层，在下电介质层上制备下导电层；2)在下电层上沉积一层催化剂，在下电介层和催化剂层上沉积上电介质层，然后对其 进行刻蚀直至露出催化剂层，形成上方开口的通孔结构；3)在通孔内生长碳纳米管，碳纳米管垂直于衬底，碳纳米管的顶端高于通孔上端 50-200nm ；4)在上电介质层上表面、通孔内壁和底部上沉积一层阻挡层；5)用填充物填充通孔内剩余空隙和上电介质层的上表面；利用抛光液和化学机械抛 光工艺对填充物和阻挡层选择性抛光，实现碳纳米管顶端开口，同时形成凹陷、凸起或平整 三种结构；6)在碳纳米管开口上沉积导电金属层并与全部碳纳米管形成金属化接触。
2.根据权利要求1所述形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于所述 阻挡层为氮化钽、氮化钛、氧化硅、氮化硅、钛、氟硅酸盐、氟硅、SiCOH、有机硅化物、聚对二 甲苯或聚酰亚胺。
3.根据权利要求1所述形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于所述 填充物为氮化钽、氮化钛、氧化硅、氮化硅、氟硅酸盐、氟硅、SiCOH、有机硅化物、Cu、Al、Au、 Pt、Pd、Rh, Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W中的一种或两种以上任意比例的金属合金，但不能与所述 阻挡层的成份相同。
4.根据权利要求1所述形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于所述 填充物的填充方法为旋涂法、磁溅射法、离子束溅射法、化学气相沉积法、电子束沉积法或 原子层沉积法。
5.根据权利要求1所述形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于所述 导电金属为Cu、Al、Au、Pt、Pd、Rh、Ru、Os、Ag、Ir、Ti和W 一种或两种以上任意比例的金属α全口巫ο
6.根据权利要求1所述形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，其特征在于所述 导电金属层的制作方法为磁溅射法、离子束溅射法、化学气相沉积法、电子束沉积法或原子 层沉积法。
全文摘要
一种形成碳纳米管通孔互连金属化接触的方法，步骤如下在衬底上沉积电介质层，形成上方开口的通孔结构；在通孔内生长碳纳米管；在电介质层上表面、通孔内壁和底部上沉积一层阻挡层；用填充物填充通孔内剩余空隙和电介质层的上表面；利用抛光液和化学机械抛光工艺对填充物和阻挡层选择性抛光，实现碳纳米管顶端开口，同时形成凹陷、凸起或平整三种结构；在碳纳米管开口上沉积导电金属层并与全部碳纳米管形成金属化接触。本发明的优点是将通孔外多余的碳纳米管用CMP去除的同时，就可以实现碳纳米管端口的打开，且不会造成其他伤痕。在形成金属化接触的过程中，不需要增加其它的工艺步骤，其制作步骤简单且工艺兼容性好。
文档编号H01L21/321GK102130040SQ20101059327
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张楷亮, 强晓永, 王世伟, 王芳, 胡凯 申请人:天津理工大学