[发明专利]一种互连结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，特别涉及一种互连结构及其制作方法。

背景技术

现在社会信息量急剧增加，对信息的处理、传输和存储提出越来越高的要求。作为信息产业的支柱，半导体产业尤其是CMOS技术在这一需求的推动下，一直按摩尔定律高速发展，成为近50年发展最迅猛的产业。

随着CMOS技术的高速发展，芯片上器件的集成度不断提高，芯片速度也越来越快。为了满足器件集成度和速度的需求，Cu互连逐渐取代传统Al互连成为主流，同时互连的线宽也不断减小，布线密度也越来越高。然而随着Cu互连线宽的进一步减小，由晶界和表面引起的电子散射将造成铜电阻率的大幅度上升，加剧了由电阻和电容(RC)引起的互连延迟，造成芯片整体性能的下降。

器件的延迟和互连的延迟共同决定着电路的最高工作频率。随着器件尺寸的不断缩小，互连延迟已经超越了器件级延迟，成为影响电路工作频率的主要因素；特别是线宽的缩小使Cu线电子输运受到表面和晶粒间界的散射增强，100nm以下Cu线电阻率急剧上升，这将极大地影响电路的性能。low-k介质的使用可以降低互连引入的寄生电容，然而其应用也带来很多其它问题，如集成问题、可靠性问题等等，同时low-k材料介电常数也将在1.5左右达到极限。预计电化学法或CVD法淀积Cu的技术和low-k材料的应用可以继续到2020年，但后Cu互连技术(包括光互连、碳纳米材料互连等技术)的研发已刻不容缓。

石墨烯是一种新颖的材料，它其实是单原子层的石墨，是指由单层碳原子组成的六角型蜂巢晶格平面单层薄膜，是由一个碳原子层厚度组成的二维材料。而石墨烯纳米带则是带状石墨烯，或者可以理解为展开的单壁碳纳米管，或者图形化后的石墨烯结构。石墨烯材料具有非常优异的性能，包括高载流子迁移率、高电流密度、高机械强度、高热传导性能等。

石墨烯纳米带具有了石墨烯材料的优异性能及其自身的独特特性，包括：

1、高电导特性：有报道称其平均自由程可以有几百纳米，高电子迁移率近几个微米；多层石墨纳米带的并联能大幅降低电阻，改善性能，小尺寸特性远远优于铜互连；

2、抗电迁移性能优越：其相邻碳原子依靠SP2价键形成键合，机械强度和抗电迁移特性非常优越10E9A/cm²对比与Cu的10E6A/cm²，能够承载更大的电流密度；

3、热导性能更优越：单层石墨烯的热导有报道为5300W/mK，应用到互连技术中时，可以具有更为优异的散热特性，从而提高互连的可靠性性能；

4、电阻率随不同GNR边缘状态可以由半导体变化为导体，如图1所示，其中Zigzag边缘结构11为导体，而另外一种armchair边缘结构12则是半导体，可以针对不同边界结构来设计其不同的应用范围。

碳纳米管则是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，而纳米管的长度可以达到数百微米。

碳纳米管具有非常优异的机械和电学特性，也是一种应用于互连技术的极具潜力的纳米材料，尤其是其沿催化剂的导向性生长特性。

碳基纳米材料的优异特性逐渐被业界所关注，Yuji Awano等人早在IEDM2009上发表文章指出石墨烯互连和碳纳米管互连将是后CMOS时候互连技术的一种极具潜力的技术。

现有先进CMOS技术中一般定义互连为3个类型的层次，分别是局部互连、中间互连和全局互连，其中局部互连为尺寸较小的层次，处于互连结构的底层，包括contact、metal1、via1、metal2、via2等层次，因其尺寸较小布线密度较高，更容易受到小尺寸Cu互连中寄生电阻和寄生电容以及热散失引起的性能和可靠性影响；而中间互连和全局互连尺寸比较大，布线密度较低，故而受到小尺寸效应的影响相对较小。

发明内容

本发明的目的是提供一种互连结构及其制作方法，以有效地降低互连RC延迟，提高芯片性能，控制芯片成本。

本发明提供一种互连结构，包括衬底上的互连介质，所述互连介质自下而上包括第一互连介质层和第二互连介质层，还包括贯穿第一互连介质层和第二互连介质层的多个接触孔或通孔，所述第二互连介质层上有用于连接碳纳米管的石墨烯互连线，所述第一互连介质层和碳纳米管之间包括空腔，所述空腔顶部为第二互连介质层，所述空腔底部为衬底。