[发明专利]互连结构及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种互连结构及其制造方法。

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。低介电常数（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，但后道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（graphene）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（锯齿形）边缘状态可以由半导体变化为导体，使得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（Carbon Nanotube）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。

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

本发明的目的在于提供一种互连结构及其制造方法，以有效地降低互连RC延迟，提高芯片性能，控制芯片成本。

为了解决上述问题，本发明提供一种互连结构的制造方法，包括以下步骤：

提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成有嵌套层，所述嵌套层包括位于中心的第一催化剂层、围绕所述第一催化剂层的第一介质层以及贯穿第一催化剂层的多个铜支撑柱；

在所述嵌套层上形成石墨烯纳米带；

去除所述第一催化剂层，所述石墨烯纳米带、铜支撑住、第一介质层以及半导体衬底形成密闭空腔；