[发明专利]互连结构中的碳纳米结构生长的控制

说明书

技术领域

本发明涉及一种衬底上的互连结构，该衬底包括在衬底层上的或上方的至少两个互连层上的导电互连元件。本发明还涉及一种制造互连结构的方法，该互连结构具有对一个互连层上或衬底层上的第一导电互连元件和不同互连层上的第二互连元件进行连接的通孔。

背景技术

先进的集成电路器件要求具有改进的高频特性、可容许的热产生和改进的热传导的互连结构。JP-2005 072171-A提出了使用碳纳米管来降低连接不同互连层上的互连元件(诸如金属线)的导电通孔的电阻。碳纳米管是圆柱形碳纳米结构。碳纳米管是富勒烯(fullerene)结构家族的一员。

当制造包括碳纳米管的具有导电通孔材料的互连结构时，会出现的一个问题是通孔形态的控制，尤其是对通孔开口中的通孔材料的高度控制。

发明内容

本发明包括方法方面和器件方面。以下首先描述方法方面。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造互连结构的方法，该互连结构具有将一个互连层上或衬底层上的第一导电互连元件和不同互连层上的第二导电元件电连接的通孔。该方法包括以下步骤：

提供衬底，该衬底具有在一个互连层上或在该衬底层上的第一互连元件；

在第一互连元件上沉积电介质层；

在电介质层中，制造到达第一互连元件的通孔开口；

在电介质层上制造覆盖层段，该覆盖层段伸入通孔开口的横向延伸并且限定了通孔窗口；

在通孔开口中制造包含导电碳纳米结构的导电通孔材料；以及

制造与该通孔接触的第二互连元件。

在本发明的第一方面的方法中，将通孔窗口制造得足够小，从而防止碳纳米结构穿过通孔窗口。注意，在此将使用术语“纳米结构”作为“碳纳米结构”的缩写。

本发明的这个方法提供了能准确控制互连结构中的通孔区域处的碳纳米结构生长的精确工艺。该方法适于应用到当今以及尤其是未来的更高集成度的互连结构的工艺技术(诸如90nm、60nm和40nm技术)中。

该方法基于通过伸入通孔开孔的横向延伸的覆盖层段来缩窄通孔开口的横向延伸。采用该方法能导致通孔材料的后续制造，该通孔材料包含在通孔的期望横向面积中的导电碳纳米结构，该期望横向面积是由电介质层上的覆盖层段给出的窗口限定的。

能在高度方向上执行通孔开口中的通孔材料的制造，直到通孔材料达到覆盖层段为止。高度方向从衬底层指向较高的互连层，并且与衬底表面垂直，为了当前定义的目的，该衬底表面被假设为完全平坦。

到达预定高度之后，生长自动停止，这是因为在高度方向上不存在通孔材料进一步延伸的空间。因此限制了通孔材料高度，从而通孔开口的下表面上的覆盖层段高度准确地控制了该通孔材料高度。

通孔材料的这个生长限制是基于以下事实：将通孔窗口制造的足够小，从而能防止碳纳米结构穿过通孔窗口。

导电的圆柱形碳纳米结构例如是碳纳米管和碳纳米线。碳纳米线与碳纳米管的不同之处在于碳纳米线具有一维原子链(例如碳原子)，该一维碳原子链通过碳纳米管卷曲。两种碳纳米结构都是高效的热导体，从而能在互连结构的通孔中，甚至在横向尺寸非常小的通孔中提供良好的高频特性和良好的热传导。

术语“碳纳米结构”不仅包含单碳纳米管和单碳纳米线，而且还包含了碳纳米管和/或碳纳米线的聚集体。为了本发明的目的，还通过被弯曲或折叠的碳纳米管或碳纳米线来形成适当的圆柱形碳纳米结构，只要这种纳米结构有助于通孔材料的导电，即能够在从通孔底部到通孔顶部(或从通孔顶部到通孔底部)的方向上传输电荷即可。

碳纳米管能被制造成各种直径。单壁碳纳米管的直径介于大约1和15nm之间，而多壁纳米管的外径能达到30nm左右。而且，通过碳纳米或碳纳米线的聚集体可形成一些圆柱形碳纳米结构类型。这些聚集体能形成具有横向延伸的构造，该横向延伸超过了单碳纳米管或碳纳米线的横向延伸。还已证明通孔中的多个纳米管能一起生长，形成直径为几十纳米的较大的单纳米管。

因此，通孔窗口的适当横向延伸长度取决于导电的圆柱形碳纳米结构的类型，该导电的圆柱形碳纳米结构由通孔开口中的通孔材料制成。

用于通孔窗口的横向延伸长度的设计规则的简单示例是将通孔窗口制造为小于通孔材料中包含的圆柱形碳纳米结构的外径。如果通孔材料存在直径范围，则例如选择最小的纳米结构直径做为判断标准。另一方面，明显的是，窗口还可以大于纳米结构的直径，其中窗口下方的单独纳米结构的直径的横向的至少一部分由覆盖层段形成的窄部所阻挡。