[发明专利]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

说明书

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Infineon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：

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。

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)μm^-2的多壁碳纳米管束、束密度为(2000-10000)μm^-2的单壁碳纳米管束或束密度为(1000-10000)μm^-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金属合金。

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。

附图说明

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。

具体实施方式