[发明专利]一种集成电路金属互连结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米加工技术，具体是一种集成电路金属互连结构及其制备方法。

背景技术

随着集成电路的迅速发展，器件尺寸不断缩小，器件密度不断增大，器件之间及电路之间的互连线长度和层数越来越多，当前0.18μm高性能ULSI(例如CPU)已具有多达7层的铜互连线，互连线长度约达到4km。因为Cu有比Al低的电阻率(Al的电阻率为2.62μΩ·cm，而Cu为1.69μΩ·cm)和较高的抗电迁移性(可增加约两个数量级)，故Cu被普遍认为是深亚微米和纳米IC多层互连线的一种首选材料。但Cu对Si和SiO₂的粘附性较差且扩散系数很大，一旦进入硅片中会成为深能级受主杂质，使芯片性能退化甚至失效，因此必须在二者之间增加一层阻挡层，它起阻挡Cu热扩散进芯片有源区、并改善Cu与介电材料粘附性的双重作用，这在多层铜互连中尤为重要。目前研究的扩散阻挡层的材料包括TiW，TiN，Ta，TaN，Ta-Si-N等，其中Ta和TaN被认为是比较理想的阻挡层材料。但这些阻挡层具有比铜高得多的电阻率，其效果相当于从互连导线中“挤占”了部分铜导线的空间，由于铜的有效横截面积减小了，因此增大了导线电阻。因此阻挡层的选择要综合考虑多方面的因素，阻挡层需要在保持足够的阻挡效果外还要尽可能的薄。衡量阻挡层性能的主要指标包括粘附性，抗电迁移能力，扩散系数，薄层电阻，失效温度以及电学特性等。因此制备一种黏附性和阻挡性较好且厚度较薄的扩散阻挡层结构在Cu互连技术中具有重要意义。

目前研究的扩散阻挡层的材料包括TiW，TiN，Ta，TaN，Ta-Si-N等，其中Ta和TaN被认为是比较理想的阻挡层材料。为了确保互连线具有较高的可靠性，根据所用淀积方法的不同，所需阻挡层的厚度介于1到5纳米之间。假设导线宽度为60纳米，高度为120纳米，其中含厚度均匀分布的5纳米阻挡层材料，那么这条导线的有效电阻估计要比纯铜线约高20％。

发明内容

本发明的目的在于提出一种利用石墨烯制备集成电路金属互连结构及其制备方法。

本发明的基本原理：

由于石墨烯是碳原子是按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，其中所有sp²杂化的碳原子均饱和成键，结构非常稳定，从而使得石墨烯具有优良的热稳定性和化学稳定性，因此将石墨烯用做集成电路铜互连中的扩散阻挡层，可以有效阻止铜原子向硅和绝缘介质中扩散。

本发明提供的技术方案如下：

一种集成电路金属互连结构，其特征在于，包括上、下层金属连线以及连接上下层金属连线的通孔和上层金属连线的沟槽，在所述通孔的底部和侧壁沉积扩散阻挡层和金属种籽层，以及所述上层金属连线沟槽的底部和侧壁也沉积扩散阻挡层和金属种籽层，上述扩散阻挡层为单层，双层或多层石墨烯。

一种金属互连线结构的制备方法，具体步骤包括：

(1)在制备完下层金属连线的结构上面沉积介质层。

下层金属连线可以是钨，也可以是包覆覆盖层的铜线或铜的合金线。介质层可以是二氧化硅，掺杂二氧化硅，有机聚合物和多孔材料等低K介质材料。覆盖层可以是选择性的包覆在铜互连线表面的钴钨磷化物(CoWP)、钴钨硼化物(CoWB)、石墨烯等，也可以是覆盖在整个结构上面的介电材料层，如Si₃N₄或SiC等。

(2)在介质层中刻蚀出连接下层金属连线的通孔和上层金属互连线的沟槽。连接下层金属连线的通孔和上层金属互连线的沟槽可以是分两步形成的(单镶嵌工艺)，也可以是同时形成的(双镶嵌工艺)。

(3)在通孔和沟槽的底部和侧壁沉积石墨烯扩散阻挡层和金属种籽层。先在通孔和沟槽的底部和侧壁沉积石墨烯阻挡层，石墨烯的沉积方法可以是化学气相沉积的方法，也可以是其他的化学生长方法或物理组装方法。石墨烯可以是单层，双层或多层石墨烯，也可以是它们的混合体。然后在石墨烯阻挡层表面沉积铜种籽层。

(4)在通孔和沟槽中沉积金属，并用化学机械抛光的方法对上层金属连线和介质层表面平坦化。沉积金属的方法可以是物理气相沉积或化学气相沉积、电镀、化学镀等方法。

(5)在上层金属连线表面选择性地沉积钴钨磷化物(CoWP)、钴钨硼化物(CoWB)、石墨烯等覆盖层，或者在整个抛光完成的结构上面沉积一层Si₃N₄或SiC介电材料层。

(6)制备多层互连结构：重复上述(1～5)过程，则可以制备出用石墨烯做扩散阻挡层的多层铜互连结构。

本发明的优点如下：