专利名称：一种用于集成电路芯片的复合通孔互连结构及其制备方法
技术领域：
本发明涉及集成电路互连工艺技术领域，特别是一种用于集成电路芯片的复合通 孔互连结构及其制备方法。
背景技术：
随着微电子产业的飞速发展，半导体器件的特征尺寸不断减小，其金属导线上通 过的电流密度急剧上升。传统的半导体工艺是主要采用铝或铜作为金属互连材料，线宽的 减小，铜比铝有更好的电导率和抗电迁移能力，目前铜互连占主导地位。由于特征尺寸进一 步减少，晶粒边界散射和表面粗糙造成铜互连线的电阻增大，并且电迁移现象越来越明显， 其主导地位也面临着严峻的考验。让人欣喜的是，碳纳米管具有优良的导电性能，其中的电 子是以弹道的形式进行运输传递的(长度仅限于几微米之内)，电子在其中移动根本不会 受阻或者发散，故其电阻可以忽略，而且碳纳米管不会发生电迁移现象。由碳纳米管和铜构 成的复合材料也已经显示出比单独的铜具有更高的电导率和更高的电迁移阻力。德国hfineon在6inch晶圆上生长CNT，并在通孔中进行CNT填充生长，表明填充 密度不及3%，并指出工作挑战在于提高CNT束密度及互连接触特性。美国IBM公司的专 利利用碳纳米管复合互连通路的集成电路芯片(CN 1926680A)中的复合通孔互连结构， 以减小碳纳米管形成的密度来填充铜。碳纳米管是石墨烯卷曲形成的圆柱状结构，具有典 型的层状中空结构特征，直径一般为2 20nm，根本目前先进的集成电路工艺，通孔尺寸一 般为几十纳米；目前碳纳米管的生长过程中，金属性和半导体性的碳纳米管同时产生，而在 互连中只有金属性的碳纳米管具有良好的导电性。填充密度减小，通孔互连利用碳纳米管 形成的导电通路承载电流的密度也将减小。而碳纳米易弯曲，其生长后的垂直结构的维持 也是急需解决的问题。因此采用尽可能多个的碳纳米管填充通孔，能明显提高导电能力，用导电金属填 充通孔内的其余空隙，固定碳纳米管使其具有长期稳定性。
发明内容
本发明的目的是针对上述技术分析，提供一种用于集成电路芯片的复合通孔互连 结构及其制备方法，这种结构能够减小通孔互连电阻，提高承载电流的密度。本发明的技术方案—种用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，包括第一导电层、第二导电层、碳纳 米管束和填充的导电金属，第一导电层和第二导电层之间设有垂直通孔，碳纳米管束位于 垂直通孔内且与第一导电层垂直，导电金属为填充碳纳米管内的空隙和通孔内碳纳米管之 间的间隙。所述第一导电层和第二导电层均为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。所述碳纳米管束为束密度为(1000-8000) μ πΓ2的多壁碳纳米管束、束密度为(2000-10000) μ m_2的单壁碳纳米管束或束密度为(1000-10000) μ m_2的由单壁和多壁碳纳 米管以任意比例混合的碳纳米管束。所述导电金属为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。一种所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构的制备方法，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第一导电层；2)在第一导电层上沉积一层催化剂；3)在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，形成用 于生长碳纳米管且垂直于第一导电层的通孔结构；4)在催化剂层上生长由碳纳米管构成的碳纳米管束且生长的碳米管垂直于第一 导电层；5)用导电金属填充碳纳米管内的空隙及通孔内碳纳米管之间的间隙；6)在碳纳米管束顶端沉积一层金属形成第二导电层。所述催化剂为Ni、Fe、Co、Pt、Mo、W、Y、Au和Pd中的一种或两种以上任意比例的
^^ I^l 口 ^^ ο所述上电介质层和下电介质层为氧化硅、氮化硅、氟硅酸盐、氟硅、氮化钛、SiCOH, 掺氟氧化硅、掺碳氧化硅、有机硅化物、聚对二甲苯或聚酰亚胺。所述导电金属的填充方法为电镀法、电子束沉积法、原子层沉积法、磁溅射法或离 子束溅射法。本发明中的优点用高束密度的碳纳米管束填充通孔，能明显提高导电能力；用 导电金属填充通孔内的其余空隙，在提高通孔导电性的同时，还可以固定通孔中的碳纳米 管使其具有长期稳定性。
图1是本发明所述复合通孔互连结构的示意图。图2是所述实施例的工艺流程图。
具体实施例方式现在将参照实施例的附图对本发明进行详细的说明。实施例在硅衬底上沉积基本均勻的SW2形成下电介质层。根据所需第一导电层 铜的图案利用光致抗蚀剂图像光刻构图所沉积电介质的上表面，通过反应离子蚀刻去除未 掩模化的电介质部分以产生第一导电层槽的图案。在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物理气相沉积工艺沉积。TiN/ Ti层可以防止铜迁移到电介质层中并改善粘附性。通过化学机械抛光(Chemicalmechanical planarization，CMP)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第一导电层槽。在CMP中使用对铜有选择 性的蚀刻剂，使铜比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下电介质层上表面的催化剂层，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SW2作为 上电介质层，使用合适的光致抗蚀剂光刻构图，通过反应离子蚀刻去除上电介质层中的未 被掩膜的部分，形成用于填充导电金属铜不包括通孔的凹槽。再用光致抗蚀剂构图，通孔结 构上方未被掩膜，用反应离子蚀刻去除通孔内SiO2和下面的阻挡层，以形成通孔结构，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催化碳纳米管形成，可得到较高束密度的碳纳米管。在等子 体增强化学气相沉积系统中，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，将催化裂解形成碳纳米管。C2H2*H2的比例约在1 2-1 4的范围内。选 用铜填充通孔，在暴露的表面上用原子层沉积法沉积阻挡层和铜籽晶层，用铜电镀工艺将 铜填充在通孔及其上面的凹槽内，形成铜填充结构，同时第二导电层的沉积也在这一步中 完成了。第二导电层后，需用化学机械抛光去除多余的第二导电层和过长的碳纳米管。以 此往上可构建第三导电层等。其形成的复合通孔结构的导电能力大于铜结构。上述实施例，具体阐述了本发明所提供的用高束密度碳纳米管和金属复合填充通 孔的方法，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
1.一种用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，其特征在于包括第一导电层、第二 导电层、碳纳米管束和填充的导电金属，第一导电层和第二导电层之间设有垂直通孔，碳纳 米管束位于垂直通孔内且与第一导电层垂直，导电金属为填充碳纳米管内的空隙和通孔内 碳纳米管之间的间隙。
2.根据权利要求1所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，其特征在于所述第 一导电层和第二导电层均为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。
3.根据权利要求1所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，其特征在于所述碳 纳米管束为束密度为(1000-8000) μ m_2的多壁碳纳米管束、束密度为Q000-10000) μ m_2的 单壁碳纳米管束或束密度为(1000-10000) μ m_2的由单壁和多壁碳纳米管以任意比例混合 的碳纳米管束。
4.根据权利要求1所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，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中的一种或两种以上任意比例的金属合金。
5.一种如权利要求1所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构的制备方法，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第一导电层；2)在第一导电层上沉积一层催化剂；3)在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，形成用于生 长碳纳米管且垂直于第一导电层的通孔结构；4)在催化剂层上生长由碳纳米管构成的碳纳米管束且生长的碳米管垂直于第一导电层；5)用导电金属填充碳纳米管内的空隙及通孔内碳纳米管之间的间隙；6)在碳纳米管束顶端沉积一层金属形成第二导电层。
6.根据权利要求5所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构的制备方法，其特征在 于所述催化剂为附工6、&)、？1110、1、￥、411和Pd中的一种或两种以上任意比例的金属合^^ O
7.根据权利要求5所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构的制备方法，其特征在 于所述上电介质层和下电介质层为氧化硅、氮化硅、氟硅酸盐、氟硅、氮化钛、SiCOH、掺氟 氧化硅、掺碳氧化硅、有机硅化物、聚对二甲苯或聚酰亚胺。
8.根据权利要求5所述用于集成电路芯片的复合通孔互连结构的制备方法，其特征在 于所述导电金属的填充方法为电镀法、电子束沉积法、原子层沉积法、磁溅射法或离子束 溅射法。
全文摘要
一种用于集成电路芯片的复合通孔互连结构，包括第一导电层、第二导电层、碳纳米管束和填充的导电金属，第一导电层和第二导电层之间设有垂直通孔，碳纳米管束位于垂直通孔内且与第一导电层垂直，导电金属为填充碳纳米管内的空隙和通孔内碳纳米管之间的间隙。本发明中的优点用高束密度的碳纳米管束填充通孔，能明显提高导电能力；用导电金属填充通孔内的其余空隙，在提高通孔导电性的同时，还可以固定通孔中的碳纳米管使其具有长期稳定性。
文档编号H01L23/522GK102130091SQ201010593270
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
发明者张勇, 张楷亮, 林新元, 胡凯, 袁育杰 申请人:天津理工大学