形成互连结构的方法及互连结构的制作方法

形成互连结构的方法及互连结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及形成互连结构的方法及互连结构。在存在于衬底表面上的含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层。在含铜结构上所述连续的石墨烯层的存在减少了铜氧化和铜离子的表面扩散，因此提高了所述结构的抗电迁移性。使用石墨烯可以获得这些优点而不增加含铜结构的电阻。
【专利说明】形成互连结构的方法及互连结构
【技术领域】
[0001]本公开涉及半导体结构及其形成方法。更具体地，本公开涉及后段制程(BE0L，back-end-of-the-1 ine)互连结构,该互连结构包括存在于铜(Cu)结构的暴露的侧壁表面和最上表面上的石墨稀。
【背景技术】
[0002]集成电路(IC)典型地包括多个半导体器件和互连布线。金属互连布线网络典型地连接半导体衬底的半导体部分中的半导体器件。衬底的半导体部分上方的多层级(level)金属互连布线连接到一起以形成后段制程(BEOL)互连结构。在这种结构内，金属线平行于衬底延伸并且金属过孔垂直于衬底延伸。
[0003]过去十年的两个发展对当代IC的性能增强做出了贡献。一个发展是使用铜作为BEOL互连结构的互连金属。铜是有利的，这是因为铜与其他传统上使用的互连金属(诸如，例如铝)相比具有更高的电导率。
[0004]第二个发展是在BEOL互连结构内采用低介电常数(低k)电介质材料和/或气隙(air-gap)ο与传统上使用的诸如例如二氧化娃的互连电介质材料相比,低k电介质材料和气隙具有更低的介电常数。
[0005]使用铜作为BEOL互连结构中的金属的一个问题是:铜在空气中非常活泼并且容易形成氧化铜。因此，需要对暴露的铜表面进行钝化。典型地，在现有技术的含铜BEOL互连结构中采用电介质和/或金属盖层。
[0006]当将铜用作互连结构中的金属时出现的另一个问题是，在使用期间铜离子趋向于扩散到互连电介质材料中。铜离子从金属特征向电介质材料中的扩散使得在BEOL互连结构的金属特征内形成孔隙。这些孔隙可导致IC的故障。因此，典型地将诸如例如TiN的扩散阻挡层用于减少铜离子向互连电介质材料中的扩散，并且因此减少铜从金属特征的电迁移。
[0007]尽管在现有技术中各种盖层和扩散阻挡层是已知的，但是仍需要在这种BEOL内提供能够提供与上述盖层和扩散阻挡层相同的功能但是降低铜金属的电阻率的备选材料。

【发明内容】

[0008]在存在于衬底表面上的含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的(contiguous)石墨烯层。在含铜结构上连续的石墨烯层的存在减少了铜氧化和铜离子的表面扩散，因此提高了所述结构的抗电迁移性。使用石墨烯可以获得这些优点而不增加含铜结构的电阻。
[0009]在本公开的一个方面中，提供了一种形成互连结构的方法。本公开的该方法包括在衬底的表面上形成牺牲电介质材料。接下来，在所述牺牲电介质材料中形成暴露所述衬底的表面的一部分的至少一个开口。在所述至少一个开口中以及所述衬底的表面的暴露部分形成含铜结构。去除所述牺牲电介质材料的剩余部分，之后在所述含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层。
[0010]在本公开的另一个方面中，提供了一种互连结构。所述互连结构包括位于衬底的表面上的至少一个含铜结构。本公开的所述结构还包括:连续的石墨烯层，其包括位于所述含铜结构的每个暴露的侧壁表面上的第一部分和位于所述至少一个含铜结构的最上表面上的第二部分，其中所述连续的石墨烯层的所述第一部分的最下表面与所述衬底的所述表面接触。
【专利附图】

【附图说明】
[0011]图1是(通过横截面视图)示例出能够在根据本公开的一个实施例中使用的衬底的图示。
[0012]图2是(通过横截面视图)示例出在衬底表面上形成牺牲电介质材料之后的图1的结构的图示。
[0013]图3是(通过横截面视图)示例出在所述牺牲电介质材料中形成暴露衬底表面的一部分的至少一个开口之后的图2的结构的图示。
[0014]图4是(通过横截面视图)不例出在所述至少一个开口以及衬底表面的暴露部分中形成含铜结构之后的图3的结构的图示。
[0015]图5是(通过横截面视图)示例出在去除牺牲电介质材料的剩余部分之后的图4的结构的图示。
[0016]图6A是(通过横截面视图)不例出在含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层之后的图5的结构的图示。
[0017]图6B是(通过横截面视图)示例出在存在于衬底上的含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层之后的另一结构的图示。
[0018]图7是(通过横截面视图)示例出在形成低k电介质材料并且回蚀刻该低k电介质材料之后的图6A的结构的图示。
[0019]图8是(通过横截面视图)示例出根据本公开的一个实施例的包含两个含铜结构的含气隙的互连结构的图示，所述两个含铜结构包括位于每个含铜结构的暴露表面上的连续的石墨稀层。
[0020]图9是(通过横截面视图)示例出根据本公开的一个实施例的包含两个含铜结构的含低k的互连结构的图示，所述两个含铜结构包括位于每个含铜结构的暴露表面上的连续的石墨稀层。
[0021]图1OA是(通过横截面视图)示例出能够利用本公开的基本处理步骤形成的示例性多层级互连结构的图示。
[0022]图1OB是(通过横截面视图)示例出能够利用本公开的基本处理步骤形成的另一示例性多层级互连结构的图示。
【具体实施方式】
[0023]现在将通过参考下面的讨论和本申请的附图，更详细地描述本公开，本公开提供了形成互连结构的方法以及由该方法形成的互连结构。注意，本申请的附图仅为了说明的目的而提供，因此它们未按比例绘制。在附图和后面的描述中，相似的元件用相似附图标记指代。为了下文的描述，词语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其
派生词应当涉及在本申请的附图中取向的部件、层和/或元件。
[0024]在下面的描述中，阐述了大量的特定细节，例如具体的结构、部件、材料、尺寸、处理步骤和技术，以便提供对本发明的彻底的理解。然而，本领域普通技术人员将理解，本公开可以在没有这些特定细节的情况下以可行的备选工艺选项来实施。在其它情况下，未详细描述公知的结构和处理步骤，以免使本公开的各种实施例模糊不清。
[0025]本公开提供了一种互连结构，该互连结构包括在存在于衬底表面上的含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成的连续的石墨烯层。在含铜结构上连续的石墨烯层的存在限制了铜的氧化，由此允许气隙/低k电介质材料BEOL集成而不增加铜电阻。此外，在含铜结构上连续的石墨烯层的存在限制了潜在地会降低铜的电迁移的铜原子表面扩散。贯穿本公开中用来描述石墨烯层的词语“连续的”表示:在形成于含铜结构的暴露表面上的石墨烯的各部分之间没有物理中断或界面。
[0026]参考图1，示例出了可以在本公开的一个实施例中使用的衬底12。衬底12可以包括半导体材料、绝缘体材料、导电材料或者包含多层的它们的任何组合。当衬底12由半导体材料构成时，可以使用诸如例如S1、SiGe, SiGeC, SiC, Ge合金、GaAs、InAs, InP及其它III/V或II/VI化合物半导体的任何半导体。除了所列出的这些类型的半导电材料，衬底12也可以是层叠的半导体衬底，诸如例如Si/SiGe、Si/SiC、绝缘体上硅(SOI)或者绝缘体上硅锗(SGOI)。
[0027]当衬底12包含半导体材料时，可以在其上制造一个或多个诸如例如互补金属氧化物半导体(CMOS)器件的半导体器件。
[0028]当衬底12是绝缘体材料时,该绝缘体材料可以是有机绝缘体、无机绝缘体或者包含多层的它们的组合。当衬底12是导电材料时，该衬底12可以包括例如多晶硅、元素金属、元素金属的合金、金属硅化物、金属氮化物或者包含多层的它们的组合。当衬底12包含绝缘体材料和导电材料的组合时，衬底12可以代表多层互连结构的第一互连层级。
[0029]参考图2，示例出了在衬底12的表面上形成牺牲电介质材料14之后的图1的衬底
12。贯穿本公开中使用词语“牺牲电介质材料”用来表示任何这样的绝缘体材料，该绝缘体材料能够被选择性地从在衬底上形成含铜结构之后的结构去除而不对含铜结构或者衬底的完整性有任何不利影响。可以用作本公开的牺牲电介质材料14的绝缘体材料的示例性实例包括但不限于:气凝胶、光致抗蚀剂、类金刚石碳(DLC)、聚(甲基戊二酰亚胺KPGMI )、溶胶凝胶、重氮萘醌(DNQ)、以及诸如例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的热塑性聚合物。
[0030]牺牲电介质材料14可以利用任何沉积工艺形成，所述沉积工艺包括例如化学气相沉积、等离子体化学气相沉积、蒸镀、化学溶液沉积以及旋涂。
[0031]在本公开的一个实施例中，牺牲电介质材料14具有2nm-50nm的厚度。在另一个实施例中，牺牲电介质材料14具有20nm-200nm的厚度。在本公开中也可以采用在上述范围之下和/或之上的其它厚度。
[0032]参考图3，示例出了在牺牲电介质材料14中形成暴露衬底12的表面的一部分的至少一个开口 16之后的图2的结构。在图3中，附图标记14L、14R表示其中不存在所述至少一个开口 16的牺牲电介质材料的剩余部分。
[0033]在一些实施例中，可以在形成所述至少一个开口 16之前在所述牺牲电介质材料14顶上形成至少一种衬垫材料(pad material)(未示出)。在所述至少一种衬垫材料可以在随后形成所述至少一个开口 16时用作图形掩膜。当存在所述至少一种衬垫材料时，所述至少一种衬垫材料可以是氧化物、氮化物、氧氮化物或者它们的多层(例如，包括衬垫氧化物和衬垫氮化物的衬垫叠层)。所述至少一种衬垫材料典型地包括半导体氧化物、半导体氮化物和/或半导体氧氮化物。在一个实施例中，所述至少一种衬垫材料包括硅的氧化物和/或硅的氮化物。
[0034]在一些实施例中，所述至少一种衬垫材料可以利用任何常规的沉积工艺形成，所述常规沉积工艺包括，例如，CVD、PECVD、蒸镀、化学溶液沉积、物理气相沉积(PVD)和原子层沉积。在其它实施例中，所述至少一种衬垫材料可以通过诸如例如热氧化处理和/或热氮化处理的热处理形成。在另外的其它实施例中，所述至少一种衬垫材料可以利用沉积和热处理的组合形成。所述至少一种衬垫材料的厚度可以根据所采用的衬垫材料的数量以及用于形成其的技术而改变。典型地，所述至少一种衬垫材料的厚度为10nm-80nm。
[0035]然而，无论是否采用所述至少一种衬垫材料，都可以通过光刻和蚀刻在所述牺牲电介质材料14中形成所述至少一个开口 16。光刻步骤包括利用诸如例如CVD、PECVD和旋涂的常规沉积工艺在牺牲电介质材料14顶上形成光致抗蚀剂(有机的、无机的或者混合的)。在形成光致抗蚀剂之后，将光致抗蚀剂暴露于所需图形的辐射。接下来，利用常规抗蚀剂显影工艺对经曝光的光致抗蚀剂进行显影。
[0036]在显影步骤之后，执行蚀刻步骤，以将图形从经构图的光致抗蚀剂转移到牺牲电介质材料14中。当存在所述至少一种衬垫材料时，蚀刻步骤将图形从经构图的光致抗蚀剂转移到该至少一种衬垫材料中，并且之后转移到牺牲电介质材料14中。在这种实施例中，典型地利用诸如例如灰化的常规抗蚀剂剥离工艺从在将图形转移到所述至少一种衬垫材料中之后的结构的表面去除经构图的光致抗蚀剂。在其它实施例中，在将图形完全转移到牺牲电介质材料14中之后去除经构图的光致抗蚀剂。形成所述至少一个开口 16中使用的蚀刻步骤可以包括:干法蚀刻工艺(包括反应离子蚀刻、离子束蚀刻、等离子体蚀刻或者激光烧蚀)、湿法化学蚀刻工艺或其任何组合。典型地，使用反应离子蚀刻来形成所述至少一个开口 16。
[0037]在其中牺牲电介质材料14是光致抗蚀剂材料的一些实施例中，可以通过将牺牲电介质材料14暴露于所需图形的辐射并且对其进行显影，将图形直接形成到牺牲电介质材料14中。
[0038]在形成所述至少一个开口 16之后，在本公开的一些实施例中，在本公开的此时可以通过诸如例如化学机械抛光和/或研磨的常规平面化工艺，从结构去除所述至少一个衬垫材料的剩余部分。或者，所述至少一个衬垫材料的剩余部分可以保留在牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R顶上，并且在随后进行的在形成含铜结构时使用的平面化步骤期间被去除。
[0039]所述至少一个开口 16可以包括过孔开口、线开口、组合的过孔和线开口、或它们的任何组合。当形成组合的过孔和线开口时，典型地使用光刻和蚀刻的第二次重复形成该组合的过孔和线开口。过孔开口典型地具有比线开口更窄的宽度。
[0040]参考图4，示例出了在所述至少一个开口 16中以及衬底12的表面的暴露部分形成含铜结构18之后的图3的结构。如图所示，含铜结构18形成于牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R之间。含铜结构18可以包括金属过孔、金属线或者组合的金属过孔和线、或者它们的任何组合。
[0041]在一个实施例中，含铜结构18可以由纯铜构成。在另一个实施例中，含铜结构18可以由铜合金构成。“纯铜”是指这样的铜层，其包含99%或更多的铜以及以1%或更少的量存在的其它杂质。术语“铜合金”表示包含铜和至少一种其它元素的化合物，所述其它元素诸如是例如Al、Be或Mg。
[0042]可以通过利用任何常规沉积工艺，首先沉积铜或铜合金层，在所述至少一个开口16中以及牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R之间形成含铜结构18，所述沉积工艺包括例如化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积、物理气相沉积、溅射、镀敷、化学溶液沉积以及无电镀。铜或铜合金层填充所述至少一个开口 16的整体并且延伸到牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R的顶上。
[0043]在沉积铜或铜合金层之后，使用平面化工艺来去除延伸到牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R的顶上的过量的铜或铜合金层。可以在本公开的此时使用的平面化工艺可以包括例如化学机械抛光和/或研磨。如图4所示，形成了这样的含铜结构18:其最上表面与牺牲电介质材料的每一个剩余部分14L、14R的最上表面共面。
[0044]在本公开的一些实施例中，可以在形成含铜结构18时使用的上述平面化步骤期间，去除保留在牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R的顶上的所述至少一个衬垫材料的剩余部分。
[0045]参考图5，示例出了在去除牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R之后的图4的结构。牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R从该结构的去除使得含铜结构18的侧壁表面20L、20R以及最上表面22暴露。
[0046]在一个实施例中，牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R从该结构的去除可以包括诸如例如反应离子蚀刻、离子束蚀刻和等离子体蚀刻的干法蚀刻工艺。在另一实施例中，牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R从该结构的去除可以包括其中采用化学蚀刻剂的湿法化学蚀刻工艺。在一个实施例中，在本公开中用来从该结构去除牺牲电介质材料的剩余部分14L、14R的化学蚀刻剂包括:氧、H2O和H2低功率RIE或者使用相同物种的低能等离子体工艺。
[0047]参考图6A，示例出了在含铜结构18的暴露的侧壁表面20L、20R以及最上表面22上形成连续的石墨烯层24之后的图5的结构。具体地，连续的石墨烯层24包括位于含铜结构18的每个暴露的侧壁表面20L、20R上的第一部分和位于含铜结构18的最上表面22上的第二部分，其中连续的石墨烯层24的第一部分的最下表面与衬底的最上表面接触。在附图中，连续的石墨烯层24的第一部分和第二部分没有明确标示出，这是因为本领域技术人员会从上文提供的描述中得知它们的位置。
[0048]贯穿本公开中使用的术语“石墨烯”表示以蜂巢晶格致密堆积的Sp2键合的碳原子的一个原子厚的平面薄片。在本公开中用作连续的石墨烯层24的石墨烯具有二维(2D)六角结晶学键合结构。
[0049]连续的石墨烯层24可以包括:单层石墨烯(标称0.34nm厚)；少数层(few-layer)石墨烯(2-10个石墨烯层)；多层(mult1-layer)石墨烯(>10个石墨烯层)；单层、少数层和多层石墨烯的混合物；或者通过在低温(200° C到900° C)下石墨烯形成而得到的混合有无定形和/或无序碳相的石墨烯层的任何组合。如果需要，连续的石墨烯层24也可以包括取代(其中用被共价键合到次近邻(next nearest neighbor, nnn)原子的掺杂剂原子来取代石墨烯中的C原子)以及掺杂剂原子或分子，所述掺杂剂原子或分子不与石墨烯形成共价键并且位于石墨烯层顶上或者在少数层或多层插入的石墨烯的情况下位于石墨烯层之间。
[0050]在一个实施例中，连续的石墨烯层24可以利用选择性沉积工艺形成，所述选择性沉积工艺诸如是例如化学气相沉积(CVD)、等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)和紫外线(UV)辅助的CVD。可以在本公开中使用的选择性沉积工艺在含铜结构18的暴露表面上开始。连续的石墨烯层24在含铜结构18的暴露表面上的选择性沉积(即，催化生长)可以在最高为但不超过450° C的温度下进行。在一个实施例中，石墨烯的选择性生长发生在200° C到400° C的温度下。在另一个实施例中，石墨烯的选择性生长发生在350° C到400° C的温度下。注意，在含铜互连结构中不使用超过450° C的生长温度，这是因为在这么高的温度下，铜互连的整体性和使用寿命会受到负面影响。可以在本公开中用于石墨烯生长的选择性沉积工艺包括利用任何已知的碳源，所述碳源包括例如苯、丙烷、乙烷和其它碳氢化合物以及其它含碳气体。
[0051]如果需要使用更高质量的石墨烯来形成连续的石墨烯层24，则可以将最初生长在铜箔上的石墨烯转移到含铜结构18的暴露表面上，然后通过光刻和蚀刻选择性地构图该石墨烯。一个或多个连续的石墨烯层可以分别使用单步或多步转移工艺顺序地被转移。可以在转移工艺期间去除铜箔以及铜箔可能位于其上的任何基底。
[0052]现在参考图6B，示例出了在存在于衬底10的表面上的含铜结构18’的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层24之后的本公开的示例性结构。在图6B示例出的示例性结构中，含铜结构18’的形式为组合的金属过孔和金属线。
[0053]参考图7，示例出了在形成低k电介质材料并且回蚀刻该低k电介质材料之后的图6A的结构。在一些实施例中，省略该步骤，因此在相邻的含铜结构之间存在气隙。这种实施例在例如图8中示出。
[0054]低k电介质材料沉积和回蚀刻的处理步骤提供了与含铜结构18相邻并且通过连续的石墨烯层的第一部分而与含铜结构18分隔开的低k电介质材料部分26L、26R，所述连续的石墨烯层的第一部分存在于含铜结构18的侧壁20L、20R上。
[0055]贯穿本公开使用术语“低k电介质材料”来表示(在真空中测量的)介电常数小于二氧化硅的介电常数的绝缘体材料。可以在本公开中使用的低k电介质材料包括包含无机电介质或有机电介质的任何层级间或层级内电介质。该低k电介质材料可以是多孔的、无孔的，或者可以含有多孔的区域和/或表面以及可为无孔的其它区域和/或表面。可以用作低k电介质材料的合适电介质的一些例子包括但不限于:倍半娃氧烧(silsesquioxane),包含S1、C、O和H原子的掺C的氧化物(即，有机娃酸盐),热固性聚亚芳基醚(polyaryleneether)，或它们的多层。在本申请中使用术语“聚亚芳基”表示通过键、稠环或者惰性连接基团而被连接在一起的芳基部分(aryl moieties)或者惰性取代的芳基部分,所述惰性连接基团诸如是例如氧、硫、讽、亚讽、擬基等。
[0056]在本公开的一些实施例中，可以在本公开中使用的低k电介质材料具有大约3.8或更小的介电常数。在本公开的另一实施例中，可以在本公开中使用的低k电介质材料可以具有大约3.2或更小的介电常数。此处提及的所有介电常数都是相对于真空的，除非另外注明。与介电常数等于或大于二氧化硅的介电常数的电介质材料相比，低k电介质材料通常具有更低的寄生串扰。
[0057]可以利用任何常规沉积工艺形成可以在本公开的一些实施例中采用的低k电介质材料，所述沉积工艺包括但不限于化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积、蒸镀、化学溶液沉积和旋涂。
[0058]在沉积低k电介质材料之后，使用回蚀刻工艺来提供图7所示的结构。在一个实施例中，回蚀刻工艺包括诸如例如反应离子蚀刻、离子束蚀刻和等离子体蚀刻的干法蚀刻工艺。在另一个实施例中，回蚀刻工艺包括其中采用化学蚀刻剂的湿法化学蚀刻工艺。在一个实施例中，在回蚀刻工艺期间在本公开中采用的化学蚀刻剂包括室温的(20° C-40° C)草酸浴。这也可以是低温的经缓冲的低浓度硫酸浴。
[0059]参考图8，示例出了根据本公开的一个实施例的包含两个含铜结构18的含气隙的互连结构，所述两个含铜结构18包括位于每个含铜结构18的暴露表面上的连续的石墨烯层24。图8所示的该结构利用在本公开的上文中描述且在图1-6A中示例出的基本处理步骤形成。在图8中，附图标记28表示位于两个涂敷有石墨烯的含铜结构(18，24)之间的气隙。
[0060]参考图9，示例出了根据本公开的一个实施例的包含两个含铜结构18的含低k的互连结构，所述两个含铜结构18包括位于每个含铜结构18的暴露表面上的连续的石墨烯层24。图9所示的该结构利用在本公开的上文中描述且在图1-6A和7中示出的基本处理步骤形成。在图9中，附图标记26L、26M、26R表示低k电介质材料的可以位于相邻的涂敷有石墨烯的含铜结构(18，24 )之间的部分。
[0061]在本公开的一些实施例中，可以重复上述处理步骤以在本公开的图6A、6B、7、8和9中所示的互连层级的顶上形成其它互连层级。当在图6A、6B、7、8和9之一中所示的互连层级的顶上形成其它互连层级时，可以在重复本公开的各种处理步骤之前，在图6A、6B、7、8和9中所示的结构的顶上形成可选的电介质盖层或者其它类似材料。该电介质盖层可以包括例如SiC、Si4NH3^ SiO2、掺碳的氧化物、掺氮和氢的碳化硅或者它们的多层。可以利用任何已知的沉积工艺形成该电介质盖层，所述沉积工艺包括例如，化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积、化学溶液沉积、蒸镀和原子层沉积。在一个实施例中，电介质盖层的厚度典型地在IOnm-1OOnm的范围内。在另一个实施例中，电介质盖层的厚度典型地在20nm-50nm的范围内。
[0062]在形成电介质盖层后，在本公开的一些实施例中，可以重复上述处理步骤，以便在先前形成的互连层级的顶上形成另一互连层级。例如，该另一互连层级的形成可以包括:在所述电介质盖层的表面上形成另一牺牲电介质材料；在该另一牺牲电介质材料中形成暴露所述电介质盖层的表面的一部分的至少一个其它开口 ；在所述至少一个其它开口中以及所述电介质盖层的暴露表面形成另一含铜结构；去除该另一牺牲电介质材料的剩余部分；以及在所述另一含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成另一连续的石墨烯层。
[0063]参考图10A-10B，示例出了包括第一互连层级和第二互连层级的本公开的示例性互连结构。第一互连层级包括彼此横向间隔开的多个含铜结构18。每个含铜结构18都包括位于该含铜结构18的暴露的侧壁表面和最上表面上的连续的石墨烯层24。在图1OA所示例的实施例中，气隙28将每一个包含连续的石墨烯层24的含铜结构18分隔开。在图IOB中，电介质材料部分26L、26M和26R存在并且将第一互连层级中的每一个含铜结构分隔开。在第一互连层级的顶上可以存在电介质盖层或其它类似材料。在附图中，附图标记50表示可以位于第一互连层级的顶上的电介质盖层或其它类似材料。
[0064]第二互连层级位于层50顶上。第二互连层级包括多个其它含铜结构18u，所述多个其它含铜结构18ι!包括位于该多个其它含铜结构18u中每一个含铜结构的暴露表面上的另一连续的石墨烯层24’。在一些实施例中，每一个其它含铜结构18u可以与在下面的第一互连层级中的含铜结构18垂直重合。在其它实施例中，所述其它含铜结构18u不与在下面的第一互连层级中的含铜结构18垂直重合。在图1OA所示的实施例中，气隙28将每一个包含所述另一连续的石墨烯层24’的所述其它含铜结构18u分隔开。在图1OB中，电介质材料部分26L、26M和26R存在并且将第二互连层级中的每一个其它含铜结构18u分隔开。
[0065]在本公开的一些实施例中，互连层级可以仅包括将每个相邻的涂敷有石墨烯的含铜结构分隔开的气隙。在其它实施例中，互连层级可以仅包括将每个相邻的涂敷有石墨烯的含铜结构分隔开的低k电介质材料。在另外的实施例中，互连层级可以包括将预先选择的相邻的涂敷有石墨烯的含铜结构分隔开的一些气隙以及将其它预先选择的相邻的涂敷有石墨烯的含铜结构分隔开的一些低k电介质材料。当存在多个互连层级时，所述多个互连层级可以包括包含将涂敷有石墨烯的含铜结构分隔开的气隙和/或低k电介质材料部分的结构的任何上述组合。
[0066]在本公开的各种实施例中，在含铜结构上连续的石墨烯层的存在减少了铜氧化以及铜离子的表面扩散，因此提高了该结构的抗电迁移性。使用石墨烯可以获得这些优点而不增加含铜结构的电阻。
[0067]尽管关于本公开的优选实施例具体示出和描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下可以做出前述和其它形式和细节上的变化。因此本公开旨在不 限于所描述和示例的确切形式和细节，而是落入所附权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种形成互连结构的方法，包括: 在衬底的表面上形成牺牲电介质材料； 在所述牺牲电介质材料中形成暴露所述衬底的表面的一部分的至少一个开口； 在所述至少一个开口中以及所述衬底的表面的暴露部分形成含铜结构； 去除所述牺牲电介质材料的剩余部分；以及 在所述含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述形成牺牲电介质材料包括选择绝缘体材料以及沉积所述绝缘体材料。
3.根据权利要求2的方法，其中，所述绝缘体材料包括:气凝胶、光致抗蚀剂、热塑性聚合物、聚(甲基戊二酰亚胺)、溶胶凝胶、重氮萘醌或者类金刚石碳。
4.根据权利要求1的方法，其中，所述形成至少一个开口包括光刻和蚀刻。
5.根据权利要求4的方法，其中，所述至少一个开口是过孔或线。
6.根据权利要求4的方法，其中，所述至少一个开口是组合的过孔和线。
7.根据权利要求1的方法，其中，所述形成含铜结构包括:在所述至少一个开口中沉积纯铜或铜合金；以及平面化所述纯铜或铜合金。
8.根据权利要求1的方法，其中，所述去除所述牺牲电介质材料的剩余部分包括干法蚀刻工艺。
9.根据权利要求1的方法，其中，所述去除所述牺牲电介质材料的剩余部分包括湿法化学蚀刻工艺。
10.根据权利要求1的方法，其中，所述在所述含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层包括选择性沉积工艺，所述选择性沉积工艺选自化学气相沉积、等离子体增强的化学气相沉积和紫外线辅助的化学气相沉积。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述选择性沉积工艺在最高为但是不超过450°C的沉积温度下进行。
12.根据权利要求11的方法，其中，所述沉积温度为200°C到400° C。
13.根据权利要求1的方法，其中，所述在所述含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成连续的石墨烯层包括:在铜箔上生长石墨烯；将所述石墨烯转移到所述含铜结构；以及去除所述铜箔。
14.根据权利要求1的方法，还包括:在形成所述连续的石墨烯层之后，形成具有小于二氧化硅的介电常数的电介质材料并且回蚀刻所述电介质材料。
15.根据权利要求1的方法，其中，所述形成至少一个开口包括在所述牺牲电介质材料中形成多个开口 ；并且所述在所述至少一个开口中形成含铜结构包括在所述多个开口中的每一个中形成含铜结构；并且所述形成连续的石墨烯层是在每一个所述含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上进行的。
16.根据权利要求15的方法，其中，在相邻的包含所述连续的石墨烯层的含铜结构之间存在气隙。
17.根据权利要求15的方法，其中，在相邻的包含所述连续的石墨烯层的含铜结构之间存在具有小于二氧化硅的介电常数的电介质材料部分。
18.根据权利要求1的方法，其中，所述连续的石墨烯层包含位于所述含铜结构的每个暴露的侧壁表面上的第一部分，其中，所述连续的石墨烯层的所述第一部分的最下表面与所述衬底的所述表面接触。
19.根据权利要求1的方法，还包括:在包含所述连续的石墨烯层的所述含铜结构的顶上形成电介质盖层。
20.根据权利要求19的方法，还包括: 在所述电介质盖层的表面上形成另一牺牲电介质材料； 在所述另一牺牲电介质材料中形成暴露所述电介质盖层的表面的一部分的至少一个其它开口 ； 在所述至少一个其它开口中以及所述电介质盖层的表面的暴露部分形成另一含铜结构； 去除所述另一牺牲电介质材料的剩余部分；以及 在所述另一含铜结构的暴露的侧壁表面和最上表面上形成另一连续的石墨烯层。
21.—种互连结构,包括: 位于衬底的表面上的至少一个含铜结构；以及 连续的石墨烯层，其包括位于所述至少一个含铜结构的每个暴露的侧壁表面上的第一部分以及位于所述至少一个含铜结构的最上表面上的第二部分，其中所述连续的石墨烯层的所述第一部分的最下表面与所述衬底的所述表面接触。
22.根据权利要求21的互连结构，其中，所述含铜结构包含纯铜。
23.根据权利要求21的互连结构，其中，所述至少一个含铜结构包含铜合金。
24.根据权利要求21的互连结构，其中，所述至少一个含铜结构是金属过孔或金属线。
25.根据权利要求21的互连结构，其中，所述至少一个含铜结构是组合的金属过孔和金属线。
26.根据权利要求21的互连结构，其中，所述连续的石墨烯层包括单层石墨烯、少数层石墨烯或多层石墨烯。
27.根据权利要求21的互连结构，其中，所述连续的石墨烯层包括混合有无定形和/或无序碳相的石墨稀。
28.根据权利要求21的互连结构，其中，所述至少一个含铜结构包括多个含铜结构，并且所述多个含铜结构中的每个含铜结构包括位于所述多个含铜结构中的每个含铜结构的每个暴露的侧壁表面和最上表面上的所述连续的石墨烯层。
29.根据权利要求28的互连结构，其中，气隙位于每个相邻的包含所述连续的石墨烯层的含铜结构之间。
30.根据权利要求28的互连结构，其中，具有小于二氧化硅的介电常数的电介质材料部分位于每个相邻的包含所述连续的石墨烯层的含铜结构之间。
31.根据权利要求30的互连结构，其中，所述电介质材料部分选自:倍半硅氧烷，包含S1、C、O和H原子的掺C的氧化物，热固性聚亚芳基醚，或它们的多层。
32.根据权利要求21的互连结构，其中，所述衬底至少包括具有位于其上的至少一个半导体器件的半导体材料。
33.根据权利要求21的 互连结构，还包括电介质盖层，所述电介质盖层位于包含所述连续的石墨烯层的所述至少一个含铜结构的顶上。
34.根据权利要求33的互连结构，还包括位于所述电介质盖层的顶上的另外的至少一个含铜结构，其中，所述另外的至少一个含铜结构包括:另一连续的石墨烯层，其包括位于所述另外的至少一个含铜结构的每个暴露的侧壁表面上的第一部分以及位于所述另外的至少一个含铜结构的最上表面上的第二部分，其中，所述另一连续的石墨烯层的所述第一部分的最下表面与所述电介质盖层的表面接触。
35.根据权利要求34的互连结构，其中，所述另外的至少一个含铜结构包括多个其它含铜结构，并且所述多个其它含铜结构中的每个含铜结构包括位于所述多个其它含铜结构中的每个含铜结构的每个暴露的侧壁表面和最上表面上的所述另一连续的石墨烯层。
36.根据权利要求35的互连结构，其中，气隙位于所述多个其它含铜结构中的每个相邻的含铜结构之间。
37.根据权利要求35的互连结构,其中，具有小于二氧化娃的介电常数的电介质材料部分位于所述多个其它含铜结构中的每个相邻的含铜结构之间。
【文档编号】H01L21/768GK103579097SQ201310300339
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年7月17日 优先权日:2012年7月18日
【发明者】J·A·奥特, A·A·伯尔 申请人:国际商业机器公司