用于低接触电阻碳纳米管互连件的装置和方法

用于低接触电阻碳纳米管互连件的装置和方法
【专利摘要】一种装置包括形成在衬底上方的第一介电层、嵌在第一介电层中的第一金属线、形成在第一介电层上方的第二介电层、嵌在第二介电层中的第二金属线、形成在第一金属线和第二金属线之间的互连结构、形成在第一金属线和互连结构之间的第一碳层以及形成在第二金属线和互连结构之间的第二碳层。本发明提供了用于低接触电阻碳纳米管互连件的装置和方法。
【专利说明】用于低接触电阻碳纳米管互连件的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体器件，具体而言，涉及互连结构。
【背景技术】
[0002]由于各种电子元件(例如，晶体管、二极管、电阻器、电容器等)的集成密度不断提高，半导体产业经历了快速增长。大多数情况下，集成密度的这种提高源于最小部件尺寸的不断减小，这实现了在给定的区域内集成更多的元件。近来，随着对更小的电子器件的需求的增长，需要进一步改善电子器件热性能的低电阻结构，诸如互连件。
[0003]半导体器件可以包括在衬底上形成的各种半导体结构，诸如晶体管、电容器、电阻器等。由金属、金属合金等形成的一个或多个导电层通过介电层隔开。在导电层之间形成有各种互连结构，从而使半导体结构互连起来，并在金属层和其邻近的金属层之间提供电连接。
[0004]已使用碳纳米管来形成低电阻互连结构。碳纳米管是由碳原子形成的管体结构。碳纳米管具有多种独特的性质，诸如高强度、高热导率、良好的导电性、良好的电迁移等。碳纳米管的电气特性可以随着它们的结构的差异而变化。根据它们的物理参数诸如长度、直径等，碳纳米管可以具有金属特性或半导体特性。
[0005]通过选择适当的物理参数诸如直径，碳纳米管可以是良好的导电材料。具体而言，尽管单个碳纳米管可能具有高电阻，但是平行生长的多个碳纳米管可以达到像铜一样低的电阻。鉴于此，碳纳米管可以是用于互连结构的良好材料，因为它们能够支持高电流密度。但是，由于碳纳米管和它们对应的金属线之间的高电阻接触件，由碳纳米管形成的互连结构可能具有高电阻。

【发明内容】

[0006]为了解决上述技术问题，一方面，本发明提供了一种装置，包括:第一金属线，形成在衬底上方；第一碳层，形成在所述第一金属线上方；碳纳米管互连件，形成在所述第一碳层上方；第二碳层，形成在所述碳纳米管互连件上方；以及第二金属线，形成在所述第二碳层上方。
[0007]所述的装置还包括:第一垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第一侧壁和在所述衬底上形成的第一介电层之间；以及第二垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第二侧壁和所述第一介电层之间。
[0008]所述的装置还包括:第一垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第一侧壁和在所述衬底上形成的第一介电层之间；以及第二垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第二侧壁和所述第一介电层之间，其中:所述第一垂直碳层的厚度为I纳米至10纳米；以及所述第二垂直碳层的厚度为I纳米至10纳米。
[0009]所述的装置还包括:围绕所述第一金属线的第一碳环；以及围绕所述第二金属线的第二碳环。[0010]所述的装置还包括:围绕所述第一金属线的第一碳环；以及围绕所述第二金属线的第二碳环，其中:所述第一碳环的厚度为2纳米至5纳米；以及所述第二碳环的厚度为2纳米至5纳米。
[0011]所述的装置还包括:形成在所述衬底上方的第一介电层，其中，所述第一金属线嵌在所述第一介电层中；以及形成在所述第一介电层上方的第二介电层，其中，所述第二金属线嵌在所述第二介电层中。
[0012]所述的装置还包括:形成在所述衬底上方的第一介电层，其中，所述第一金属线嵌在所述第一介电层中；以及形成在所述第一介电层上方的第二介电层，其中，所述第二金属线嵌在所述第二介电层中，其中:所述第一介电层由低k介电材料形成；以及所述第二介电层由低k介电材料形成。
[0013]另一方面，本发明提供了一种器件，包括:第一介电层，形成在衬底上方；第一金属线，嵌在所述第一介电层中；第二介电层，形成在所述第一介电层上方；第二金属线，嵌在所述第二介电层中；互连结构，形成在所述第一金属线和所述第二金属线之间；第一碳层，形成在所述第一金属线和所述互连结构之间；以及第二碳层，形成在所述第二金属线和所述互连结构之间。
[0014]在所述的器件中，所述互连结构包括多个碳纳米管。
[0015]在所述的器件中，所述互连结构被厚度为约I纳米至约10纳米的第一碳层围绕。
[0016]在所述的器件中，所述第一金属线被厚度为约2纳米至约5纳米的第二碳层围绕。
[0017]在所述的器件中，所述第二金属线被厚度为约2纳米至约5纳米的第三碳层围绕。
[0018]在所述的器件中，所述第一金属线由铜形成；以及所述第二金属线由铜形成。
[0019]在所述的器件中，所述第一介电层由低k介电材料形成；以及所述第二介电层由低k介电材料形成。
[0020]又一方面，本发明还提供了一种方法，包括:在衬底上方形成第一金属线；在所述第一金属线上方沉积第一碳层；在所述第一碳层上沉积多个催化垫；在所述催化垫上生长多个碳纳米管；沉积介电材料以填充所述碳纳米管之间的空闲空间从而形成互连层；在所述互连层上方沉积第二碳层；以及在所述第二碳层上方形成第二金属线。
[0021]所述的方法还包括:采用第一化学汽相沉积工艺在所述第一金属线上方沉积所述第一碳层；以及采用第二化学汽相沉积工艺在所述第二金属线上方沉积所述第二碳层。
[0022]所述的方法还包括:在沉积介电材料以填充所述碳纳米管之间的空闲空间从而形成互连层的步骤之后，实施化学机械抛光工艺以抛光所述互连层的表面。
[0023]所述的方法还包括:在所述衬底上方形成第一介电层，其中，所述第一金属线嵌在所述第一介电层中；以及在所述第一介电层上方形成第二介电层，其中，所述第二金属线嵌在所述第二介电层中。
[0024]所述的方法还包括:采用第一碳金属合金形成所述第一金属线；以及对所述第一金属线实施第一热工艺以形成围绕所述第一金属线的第一自然碳层。
[0025]所述的方法还包括:采用第二碳金属合金形成所述第二金属线；以及对所述第二金属线实施第二热工艺以形成围绕所述第二金属线的第二自然碳层。
【专利附图】

【附图说明】[0026]为了更全面地理解本发明及其优点，现在将参考结合附图所进行的以下描述，其中:
[0027]图1示出根据实施例的半导体器件的截面图；
[0028]图2示出根据实施例在形成碳层之前的半导体器件的截面图；
[0029]图3示出根据实施例在采用化学汽相沉积(CVD)工艺沉积碳层之后的图2中示出的半导体器件的截面图；
[0030]图4示出根据实施例在对图3中示出的半导体器件的开口实施催化CVD工艺之后的半导体器件的截面图；
[0031]图5示出根据实施例在对图4中示出的半导体器件实施另一 CVD工艺之后的互连结构的截面图；
[0032]图6示出根据实施例在对图5中示出的互连结构实施化学机械抛光(CMP)工艺之后的半导体器件的截面图；
[0033]图7示出根据实施例在对图6中示出的互连结构实施图案化工艺之后的半导体器件的截面图；
[0034]图8示出根据实施例在对图7中示出的互连结构实施碳沉积工艺和金属化工艺之后的半导体器件的截面图；
[0035]图9示出根据另一实施例的具有碳纳米管互连结构的半导体器件的截面图；以及
[0036]图10至图16示出根据实施例的制造图9中示出的互连结构的中间步骤。
[0037]除非另有说明，不同附图中的相应标号和符号通常是指相应部件。绘制附图用于清楚地示出各个实施例的相关方面而不必按比例绘制。
【具体实施方式】
[0038]在下面详细论述本实施例的制造和使用。然而，应该理解，本发明提供了许多可以在各种具体环境中实现的可应用的发明构思。所论述的具体实施例仅是制造和使用本发明的说明性具体方式，而不用于限制本发明的范围。
[0039]将参考具体情况下的实施例，S卩，具有碳纳米管互连件以及位于碳纳米管互连件和其邻近的金属层之间的碳层的半导体器件，对本发明进行描述。但是，本发明的实施例还可以应用于半导体器件的各种结构。在下文中，将参照附图对各个实施例进行详细说明。
[0040]图1示出根据实施例的半导体器件的截面图。半导体器件包括衬底102。在衬底102上方形成第一金属线112。在第一金属线112上方形成第二金属线116。如图1所不，可以在第一金属线112和第二金属线116之间形成碳纳米管互连结构114。此外，可以在互连结构114的底部和第一金属线112之间形成第一碳层122。同样,可以在互连结构114的顶面和第二金属线116之间形成第二碳层124。图1还示出互连结构114被碳环围绕以及第二金属线116被碳层部分围绕。
[0041]如图1所不，在衬底102上方形成第一介电层104。第一金属线112和互连结构114嵌在第一介电层104中。在第一介电层104上方沉积覆盖层(cap layer) 132。在覆盖层132上方形成第二介电层126。第二金属线116嵌在第二介电层126中。
[0042]衬底102可以由诸如硅、锗、金刚石等合适的半导体材料形成。可选地，还可以使用具有其他晶体取向的化合物材料，诸如硅锗、碳化硅、砷化镓、砷化铟、磷化铟、碳化硅锗、磷化镓砷、磷化镓铟、这些的组合等。此外，衬底102可以包括绝缘体上硅(SOI)衬底。通常，SOI衬底包括半导体材料(诸如外延硅、锗、硅锗、SO1、绝缘体上硅锗(SGOI)或它们的组合)的层。衬底102可以掺杂有诸如硼、铝、镓等P型掺杂物，然而衬底可以可选地掺杂有η型掺杂物，如本领域中所公知的那样。
[0043]第一金属线112和第二金属线116可以通过任何合适的形成工艺(例如,光刻与蚀刻、镶嵌、双镶嵌等)来制造并且可以采用诸如铜、铝、铝合金、铜合金等合适的导电材料形成。
[0044]根据实施例，第一金属线112可以通过镶嵌工艺形成，经由镶嵌工艺在第一介电层104的表面上沉积掩模，在表面中蚀刻出孔，以及导电材料(诸如钨或铜)用于填充孔。应当注意到，第一金属线112可以包括一个或多个导电材料层。例如，第一金属线112可以包括阻挡层、粘着层、多个导电层等。第二金属线116的形成与第一金属线112的形成类似，为了避免重复，因而不作详细论述。
[0045]根据实施例，第一介电层104和第二介电层126具有低介电常数(k值)，其优选小于约3.0。更优选地，第一介电层104和第二介电层126可以具有小于约2.5的k值，因而有时被称为超低k (ELK)介电层。第一介电层104和第二介电层126可以包含常用材料,诸如含碳的介电材料，并且还可以包含氮、氢、氧和它们的组合。多孔结构可以用于降低k值。
[0046]在第一介电层104的顶部上形成覆盖层132。覆盖层132是无氮的，并且包含诸如碳和氧的材料。覆盖层132还用作底部抗反射涂层(BARC)，其用于图案化随后形成的金属硬掩模。因此，覆盖层132可选地被称为无氮抗反射涂层(NFARC)。覆盖层132的形成方法包括化学汽相沉积(CVD)和物理汽相沉积(PVD)。但是，还可以使用其他方法，诸如原子层沉积(ALD)。
[0047]可以在覆盖层132的顶部上形成硬掩模(未示出)。硬掩模可以由诸如T1、TiN,Ta、TaN、Al等金属材料形成,然而在非金属硬掩模方案中,可以使用非金属材料,诸如Si02、SiC、SiN 和 SiON0
[0048]图2至图8示出根据实施例制造图1中示出的互连结构114的中间步骤。图2示出根据实施例在形成碳层之前的半导体器件的截面图。如图2所示，在衬底102上方形成第一金属线112。在衬底102上方形成第一介电层104。可以在第一介电层104中的第一金属线112的顶部上具有开口 202。开口 202可以是用于形成互连结构的沟槽。
[0049]根据实施例，第一介电层104可以由低k介电材料形成。为了保护低k介电材料不进行化学机械抛光(CMP)，在介电层104上方形成覆盖层132。覆盖层132可以由无氮抗反射涂层(NFARC)材料形成。可以采用诸如CVD、PVD、ALD等合适的制造工艺形成覆盖层132。为了进一步保护介电层104，可以在覆盖层132的顶部上形成硬掩模(未示出)。硬掩模可以由诸如T1、TiN、Ta、TaN、Al等金属材料形成。可选地，硬掩模可以由诸如Si02、SiC、SiN、SiON等非金属材料形成。
[0050]图3示出根据实施例在采用CVD工艺沉积碳层之后的图2中示出的半导体器件的截面图。在第一金属线112的顶部、开口 202的侧壁以及覆盖层132的顶面上沉积碳层122。根据实施例，可以采用诸如CVD、等离子体增强CVD(PECVD)等合适的制造技术沉积碳层 122。
[0051]根据实施例，当使用CVD工艺时，使诸如CH4、C2H4、C2H2等碳氢化合物气体结晶以形成碳层122。碳层122的厚度为约I纳米至约10纳米。使用CVD工艺以形成碳层122的一个有利特征是CVD工艺能够在窄开口(诸如连接在两个导电层之间的窄通孔)中形成碳层122。
[0052]应当注意到，虽然图3示出碳层122的底部是涂布在第一金属线112的金属表面上的单碳层，碳层122的底部的碳含量可以与第一金属线112的金属反应。结果是，碳层122的底部可以是包含碳和金属的合金。
[0053]具有碳层122的一个有利特征是碳层122充当第一金属层112和形成在碳层122的顶部上的碳纳米管之间的粘合层(glue layer)。结果，改善了碳纳米管和金属线(例如，第一金属线112)之间的粘着性。此外，随着粘着性的改善，碳纳米管(未示出，但在图1中示出)和金属线112之间的界面电阻降低。
[0054]图4示出根据实施例在对图3中示出的半导体器件的开口实施催化CVD工艺之后的半导体器件的截面图。根据催化CVD工艺的制造工艺，在碳纳米管生长工艺之前，可以在开口(未示出，但在图3中示出)中形成多个催化垫(catalytic pad)。催化垫可以由催化金属(诸如包含Fe、Ni和Co的氧化铝(Al2O3))形成。可以采用合适的技术诸如剥离技术在底层的表面上沉积催化垫。
[0055]根据剥离技术的制造工艺，在底层上形成光刻胶层(未示出)。在图案化工艺之后，考虑到碳纳米管的预定位置，可以形成多个开口。可以在开口中沉积催化金属。在清洗工艺之后，去除光刻胶层。剥离催化金属位于光刻胶层表面上方的部分并且将其与光刻胶层一起洗掉。结果是，可以形成多个催化垫(未示出)。
[0056]可以通过CVD工艺生长纳米管402。根据实施例，图4中示出的半导体器件可以放置在包含诸如碳氢化合物气体/ArH2的混合气体的管式炉中。当管式炉的温度上升到诸如400度左右至约600度左右的高水平时，甲烷气体可以裂解并且碳原子可以在催化垫上结晶，从而形成碳纳米管402。
[0057]图5示出根据实施例在对图4中示出的互连结构实施另一 CVD工艺之后的半导体器件的截面图。可以用通过合适的制造技术制造的SiO2 (诸如通过CVD、PECVD等制造的原硅酸四乙酯(TEOS))填充图4中示出的邻近的碳纳米管402之间的空闲空间。结果，多个碳纳米管114可以嵌在SiO2中，如图5所示。
[0058]图6示出根据实施例在对图5中示出的互连结构实施CMP工艺之后的半导体器件的截面图。实施CMP工艺以去除图5中示出的碳纳米管114的多余部分，剩余部分是碳纳米管互连结构。
[0059]图7示出根据实施例在对图6中示出的互连结构实施图案化工艺之后的半导体器件的截面图。在第一低k介电层104的顶部上形成覆盖层132。在覆盖层132上方形成第二介电层126。根据实施例,第二介电层126可以包含低k介电材料。一旦形成了覆盖层132和第二介电层126,就可以对第二介电层126进行图案化。
[0060]根据实施例，可以米用例如光刻掩蔽和蚀刻工艺，在第二介电层上方形成光刻掩模(在图7中未示出)，然后暴露于图案化的光，对第二介电层126进行图案化。在曝光之后，去除所需部分的光刻掩模以暴露下面的介电层，然后可以对其进行蚀刻以去除暴露部分，从而图案化第二介电层126以形成图7中示出的开口 702。
[0061]图8示出根据实施例在对图7中示出的互连结构实施碳沉积工艺和金属化工艺之后的半导体器件的截面图。碳沉积工艺与上面参照图3描述的碳沉积工艺类似，为了避免重复，因而不进行更详细的论述。
[0062]可以通过采用合适的制造工艺，诸如镶嵌工艺，可以首先沉积导电晶种层，然后采用电沉积将诸如铜等导电材料填充到开口中来实施金属化工艺。在将导电材料填充到沟槽中之后，可以使用CMP工艺以抛光表面。
[0063]图9示出根据实施例的具有碳纳米管互连结构的半导体器件的截面图。图9的截面图与图1的截面图类似，除了碳纳米管互连结构114没有被碳层围绕。反而是，金属线(例如，第一金属线112)被碳层围绕。根据实施例，金属线(例如，第一金属线112和第二金属线116)由碳金属合金形成。通过合适的碳扩散工艺，诸如热工艺，碳金属合金的碳原子处于碳扩散状态。结果，围绕金属线(例如，第一金属线112)形成薄碳层。
[0064]图10至图16示出根据实施例制造图9中示出的互连结构的中间步骤。图10至图16与图2至图8类似，除了省略掉碳沉积步骤。替代为使用包含碳金属合金的金属线以在金属线和碳纳米管结构之间形成碳界面层。具体而言，使用热工艺以实现碳金属合金的碳原子进入碳扩散状态。结果，形成如图11所示的薄碳层。
[0065]根据实施例，图10中示出的半导体器件可以放置在温度上升至400度的腔室内。结果，碳原子扩散出来并且形成如图11所示的薄碳层。根据实施例，薄碳层的厚度为约2纳米至约5纳米。
[0066]尽管已经详细地描述了本发明的实施例及其优点，但应该理解，可以在不背离所附权利要求限定的本发明主旨和范围的情况下，在其中做各种不同的改变、替换和更改。
[0067]此外，本申请的范围并不仅限于说明书中描述的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法和步骤的特定实施例。作为本领域普通技术人员根据本发明将很容易理解，根据本发明可以利用现有的或今后开发的用于执行与根据本文所述相应实施例基本上相同的功能或获得基本上相同结果的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。因此，所附权利要求应该在其范围内包括这样的工艺、机器、制造、材料组分、装置、方法或步骤。
【权利要求】
1.一种装置，包括: 第一金属线，形成在衬底上方； 第一碳层，形成在所述第一金属线上方； 碳纳米管互连件，形成在所述第一碳层上方； 第二碳层，形成在所述碳纳米管互连件上方；以及 第二金属线，形成在所述第二碳层上方。
2.根据权利要求1所述的装置，还包括: 第一垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第一侧壁和在所述衬底上形成的第一介电层之间；以及 第二垂直碳层，形成在所述碳纳米管互连件的第二侧壁和所述第一介电层之间。
3.根据权利要求2所述的装置，其中: 所述第一垂直碳层的厚度为I纳米至10纳米；以及 所述第二垂直碳层的厚度为I纳米至10纳米。
4.根据权利要求`1所述的装置，还包括: 围绕所述第一金属线的第一碳环；以及 围绕所述第二金属线的第二碳环。
5.根据权利要求4所述的装置，其中: 所述第一碳环的厚度为2纳米至5纳米；以及 所述第二碳环的厚度为2纳米至5纳米。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括: 形成在所述衬底上方的第一介电层，其中，所述第一金属线嵌在所述第一介电层中；以及 形成在所述第一介电层上方的第二介电层，其中，所述第二金属线嵌在所述第二介电层中。
7.一种器件，包括: 第一介电层，形成在衬底上方； 第一金属线，嵌在所述第一介电层中； 第二介电层，形成在所述第一介电层上方； 第二金属线，嵌在所述第二介电层中； 互连结构，形成在所述第一金属线和所述第二金属线之间； 第一碳层，形成在所述第一金属线和所述互连结构之间；以及 第二碳层，形成在所述第二金属线和所述互连结构之间。
8.根据权利要求7所述的器件，其中，所述互连结构包括多个碳纳米管。
9.根据权利要求7所述的器件，其中: 所述互连结构被厚度为约I纳米至约10纳米的第一碳层围绕； 所述第一金属线被厚度为约2纳米至约5纳米的第二碳层围绕；或者 所述第二金属线被厚度为约2纳米至约5纳米的第三碳层围绕。
10.一种方法，包括: 在衬底上方形成第一金属线；在所述第一金属线上方沉积第一碳层；在所述第一碳层上沉积多个催化垫；在所述催化垫上生长多个碳纳米管；沉积介电材料以填充所述碳纳米管之间的空闲空间从而形成互连层；在所述互连层上方沉积第二碳层；以及在所述第二碳层上方 形成第二金属线。
【文档编号】H01L21/768GK103515354SQ201210460900
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2012年6月14日
【发明者】吴宪昌, 李香寰, 眭晓林 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司