專利名稱：一種基于碳納米管的互連結構及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于碳納米管的互連結構及其制造方法。
背景技術：
銅互連技術指在半導體集成電路互連層的制作中采用銅金屬材料取代傳統(tǒng)鋁金屬互連材料的新型半導體制造工藝技術。傳統(tǒng)的銅互連結構如圖I所示，包括在半導體基底10上形成的低介電常數(shù)介質層11，在低介電常數(shù)介質層11中形成有互連通孔，覆蓋所述互連通孔的底壁和側壁形成有抗銅擴散阻擋層12，在所述互連通孔內所述抗銅擴散阻擋層12之上形成有銅互連線13。由于采用銅互連線可以降低互連層的厚度，使得互連層間的分 布電容降低，從而使頻率提高成為可能。另外，在器件密度進一步增加的情況下還會出現(xiàn)由電子遷移引發(fā)的可靠性問題，而銅在這方面比鋁也有很強的優(yōu)越性。然而隨著半導體器件尺寸的進一步縮小，銅互連正經(jīng)歷著非常嚴峻的挑戰(zhàn)，比如電遷移現(xiàn)象、互連功耗以及串擾的存在等，都使得銅互連在器件小型化以后暴露出越來越多的問題。此外，銅互連的工藝雖然比較成熟，但是仍然存在許多問題，比如需要使用抗銅擴散阻擋層防止銅在低介電常數(shù)介質中擴散，以防止漏電，而且當集成電路尺寸減小之后，如何在小空間內生長出致密性和一致性都很好的銅互連，也非常具有挑戰(zhàn)性。碳納米管的研究目前比較火熱。碳納米管具有優(yōu)越的電學、熱學和機械特性，并且可以負載高密度電流而不會有可靠性的問題，同時，碳納米管本身不具有擴散的特性，而且經(jīng)過研究，隨著集成電路尺寸的減小，為了保持電路的延遲特性，對碳納米管濃度的需求卻在逐漸降低。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種工藝簡單、可靠性高、功耗低的基于碳納米管的互連結構及其制備方法，從而可以解決銅互連技術所面對的問題。本發(fā)明所提供的一種基于碳納米管的互連結構，其主要包括
在半導體基底表面生長的絕緣介質層
在所述絕緣介質層中形成的互連通孔；
在所述互連通孔底部形成的底部金屬；
在所述互連通孔內并位于所述底部金屬上生長的碳納米管；
在所述互連通孔內并位于所述碳納米管周圍形成的密封層；
以及在所述碳納米管頂部形成的頂部金屬。如上所述的基于碳納米管的互連結構，在所述碳納米管的底部形成有用于生長碳納米管的催化劑薄膜，所述的催化劑為鐵，其厚度范圍為1-3納米。如上所述的基于碳納米管的互連結構，所述的密封層為低介電常數(shù)的金屬氧化物或者硅氧化物。
進一步地，本發(fā)明還提出了所述基于碳納米管的互連結構的制備方法，具體步驟如下
在提供的半導體基底表面生長第一層金屬；
在所述第一層金屬之上淀積第一層光刻膠并光刻形成圖形；
刻蝕掉沒有被光刻膠保護的所述第一層金屬，剩余的所述第一層金屬形成底部金屬接
觸；
剝除第一層光刻膠；
覆蓋所述底部金屬淀積第一層絕緣薄膜；
在所述第一層絕緣薄膜之上淀積第二層光刻膠并光刻定義出互連通孔的位置；
刻蝕掉沒有被光刻膠保護的所述第一層絕緣薄膜形成互連通孔；
剝除第二層光刻膠；
在所述互連通孔底部淀積一層用于生長碳納米管的催化劑；
在所述互連通孔內生長碳納米管；
在所述互連通孔內、所述碳納米管周圍生長金屬氧化物或硅氧化物密封層；
用化學機械拋光技術去除不需要的碳納米管；
在剩余的碳納米管頂部生長第二層金屬；
在所述第二層金屬之上淀積第三次光刻膠并光刻形成圖形；
刻蝕掉沒有被光刻膠保護的所述第二層金屬，剩余的所述第二層金屬形成頂部金屬接觸。如上所述的基于碳納米管的互連結構的制造方法，所述的催化劑為鐵，其厚度范圍為1_3納米。本發(fā)明使用碳納米管替代銅作為互連介質，工藝過程簡單，而且經(jīng)過一定的工藝處理可以在互連通孔中得到均勻且平行的碳納米管，不需要制備擴散阻擋層就可以有效防止漏電流的產生、減少電路的可靠性問題。同時，由于碳納米管具有良好的電學、熱學和機械特性，可以提高電路的電流密度、降低芯片功耗，也可以有效的解決銅互連在尺寸減小后遇到的電遷移和串擾噪聲等問題。


圖I為傳統(tǒng)技術的銅互連結構的截面圖
圖2為本發(fā)明所提出的基于碳納米管的互連結構的一個實施例的截面圖。圖3-圖9為本發(fā)明所提出的如圖I所示的基于碳納米管的互連結構的制造方法的一個實施例的工藝流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細的說明，在圖中，為了方便說明，放大或縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸。盡管這些圖并不能完全準確的反映出器件的實際尺寸，但是它們還是完整的反映了區(qū)域和組成結構之間的相互位置，特別是組成結構之間的上下和相鄰關系。圖2為本發(fā)明所提出的基于碳納米管的互連結構的一個實施例的截面圖，如圖2，基于碳納米管的互連結構包括在半導體基底表面生長的絕緣介質層101，在絕緣介質層101中形成有互連通孔，在所述互連通孔的底部形成有底部金屬102，在所述互連通孔內并位于底部金屬102之上生長有碳納米管104，在碳納米管104的底部并位于底部金屬102上形成有用于生長碳納米管的催化劑103，催化劑103為鐵。在互連通孔內、碳納米管104的周圍形成金屬氧化物密封層105，金屬氧化物密封層105比如為三氧化二鋁。在碳納米管104的頂部形成有頂部金屬106。本發(fā)明所提出的基于碳納米管的互連結構可以通過很多方法制造，以下所敘述的是本發(fā)明所公開的如圖2所示的基于碳納米管的互連結構的制造方法的一個實施例，圖3-9描述了制備如圖2所示的基于碳納米管的互連結構的一部分工序。首先，如圖3所示，使用物理氣相沉積(PVD)工藝在半導體基底200的表面生長一層約50納米厚的CuAl (Al所占比例為99%)合金薄膜，再在CuAl合金薄膜的表面淀積一 層光刻膠并光刻形成圖形，然后刻蝕掉沒有被光刻膠保護的CuAl合金薄膜，剩余的CuAl合金薄膜形成底部金屬接觸201，之后剝除光刻膠。所述半導體基底200的材質可以是單晶硅、多晶硅、非晶硅中的一種，也可以是絕緣體上的硅結構或硅上外延層結構。在所述半導體基底200中形成有半導體器件(未示出)，例如具有柵極、源極和漏極的金屬氧化物半導體器件。所述半導體基底200中還可以形成有金屬互連結構(未示出)，如銅的通孔或者互連線。接下來，使用化學氣相沉積(CVD)工藝在上述結構之上生長一層約600納米厚的絕緣介質層202，所述絕緣介質層可以是二氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃等，本實施絕緣介質層202采用的是二氧化硅。接著在二氧化硅薄膜202之上采用PVD工藝生長一層約50納米厚的TiN薄膜203，然后在TiN薄膜203之上淀積一層光刻膠301并掩膜、曝光、顯影定義出互連通孔的位置，如圖4所示。接下來，依次刻蝕掉沒有被光刻膠保護的TiN薄膜和二氧化硅薄膜形成互連通孔，剝除光刻膠301后如圖5所示。接下來，用稀的HF酸溶液清洗互連通孔的底部，接著使用PVD工藝在上述結構之上生長一層約2納米厚的鐵薄膜204，用作生長碳納米管的催化劑。之后將所形成的器件放入原子層淀積設備中并將腔體加熱到600°C，然后將C2H2、H2、He混合氣體通入到腔體內，在鐵薄膜表面生長碳納米管205，如圖6所示。為方便說明，在本發(fā)明實施例中只示出了在互連通孔中生長的碳納米管而未示出在互連通孔外的鐵薄膜上生長的碳納米管。碳納米管生長完成之后，在互連通孔內碳納米管205的周圍生長金屬氧化物作為密封層206，如圖7所示。所述的金屬氧化物可以為氧化鋁、氧化硅、氧化鋅，也可以為其它具有低介電常數(shù)值的金屬氧化物。本發(fā)明實施例以氧化鋁示出，其工藝過程為在350°C的腔體溫度下，分別使用三甲基鋁(TMA)和水作為前驅體和氧化劑，采用原子層淀積工藝在碳納米管205的周圍生長Al2O3薄膜。生長好密封層之后，用化學機械拋光的方法將表面的TiN、Al2O3和多出的碳納米管以及鐵薄膜去除掉，如圖8所示。最后，用45°C的HF酸溶液(HF酸的濃度為O. 05%)清洗經(jīng)過拋光的器件表面，接著在所形成的器件表面淀積一層金屬薄膜，金屬薄膜比如為Ti或者Pt，然后在所形成的金屬薄膜之上繼續(xù)淀積一層光刻膠并光刻形成圖形，然后刻蝕掉沒有被光刻膠保護的的金屬薄膜，剩余的金屬薄膜形成頂部金屬接觸207，剝除光刻膠后如圖9所示。
如上所述，在不偏離本發(fā)明精神和范圍的情況下，還可以構成許多有很大差別的實施例。應當理解，除了如所附的權利要求所限定的，本發(fā)明不限于在說明書中所述的具體實例。
權利要求
1.一種基于碳納米管的互連結構，其特征在于，包括 在半導體基底表面生長的絕緣介質層； 在所述絕緣介質層中形成的互連通孔； 在所述互連通孔底部形成的底部金屬； 在所述互連通孔內并位于所述底部金屬上生長的碳納米管； 在所述互連通孔內并位于所述碳納米管周圍形成的密封層； 以及在所述碳納米管頂部形成的頂部金屬。
2.如權利要求I所述的基于碳納米管的互連結構，其特征在于，在所述碳納米管的底部并位于所述底部金屬之上形成有用于生長碳納米管的催化劑薄膜，所述的催化劑為鐵，其厚度范圍為1-3納米。
3.如權利要求I所述的基于碳納米管的互連結構，其特征在于，所述的密封層為低介電常數(shù)的金屬氧化物或者硅氧化物。
4.一種如權利要求I所述的基于碳納米管的互連結構的制造方法，包括 在提供的半導體基底表面生長第一層金屬并刻蝕形成所述第一層金屬形成底部金屬接觸； 在所述半導體基底表面并覆蓋所述底部金屬形成第一層絕緣薄膜； 刻蝕所述第一層絕緣薄膜形成互連通孔； 在所述互連通孔底部淀積一層用于生長碳納米管的催化劑； 在所述互連通孔內生長碳納米管； 在所述互連通孔內、所述碳納米管周圍生長密封層； 用化學機械拋光技術去除不需要的碳納米管； 在剩余的碳納米管頂部生長第二層金屬并刻蝕所述第二層金屬形成頂部金屬接觸。
5.如權利要求4所述的基于碳納米管的互連結構的制造方法，其特征在于，所述的密封層為低介電常數(shù)的金屬氧化物或者硅氧化物。
6.如權利要求4所述的基于碳納米管的互連結構的制造方法，其特征在于，所述的催化劑為鐵，其厚度范圍為1-3納米。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路技術領域，具體涉及一種基于碳納米管的互連結構及其制造方法。本發(fā)明使用碳納米管替代銅作為互連介質，工藝過程簡單，而且經(jīng)過一定的工藝處理可以在互連通孔中得到均勻且平行的碳納米管，不需要制備擴散阻擋層就可以有效防止漏電流的產生、減少電路的可靠性問題。同時，由于碳納米管具有良好的電學、熱學和機械特性，可以提高電路的電流密度、降低芯片功耗，也可以有效的解決銅互連在尺寸減小后遇到的電遷移和串擾噪聲等問題。
文檔編號H01L23/532GK102842568SQ201210359199
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月24日 優(yōu)先權日2012年9月24日
發(fā)明者孫清清, 房潤辰, 張衛(wèi), 王鵬飛, 周鵬 申請人:復旦大學