[发明专利]金属互连结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制作工艺，尤其涉及一种金属互连结构及其制作方法。

背景技术

金属互连工艺是在集成电路上淀积金属薄膜，并通过光刻刻蚀技术形成布线，以将互相隔离的元件按一定要求互连成所需电路的工艺。

对用于金属互连工艺的金属材料或别的导电材料的一般要求是：电阻率低，能与器件的电极形成良好的低欧姆接触；与二氧化硅层的粘附性要好；便于淀积和光刻加工形成布线等。

现常用的用于金属互连工艺的金属材料有：铝、铜、钨等。

其中，铝有如下一些缺点：铝-硅的接触电阻易于偏大、铝和硅间产生固-固扩散、铝的电迁徙现象、铝不能承受高温处理、铝-硅肖特基势垒高度不稳定等。

作为铝的替代物，铜导线可以降低互连阻抗，降低功耗和成本，提高芯片的集成度、器件密度和时钟频率。现在铜已经取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流互连技术。

由于对铜的刻蚀非常困难，因此铜互连采用双镶嵌工艺，又称双大马士革工艺（Dual Damascene）。双大马士革工艺的进行是这样的：首先在介质层内刻蚀出完整的通孔和沟槽，接着是溅射（PVD）扩散阻挡层（TaN/Ta）和铜种籽层（Seed Layer）。扩散阻挡层（TaN/Ta）的作用是增强与Cu的黏附性，种籽层是作为电镀时的导电层，之后就是铜互连线的电镀工艺，最后是退火和化学机械抛光（CMP），对铜镀层进行平坦化处理和清洗。

但是当芯片的特征尺寸变为45nm或者更小时，扩散阻挡层和铜种籽层的等比例缩小将面临严重困难。首先，铜种籽层必须足够薄，这样才可以避免在高纵宽比结构上沉积铜时出现顶部外悬结构，防止产生空洞；但是它又不能太薄。其次，相对于铜导线，阻挡层横截面积占整个导线横截面积的比例变得越来越大。但实际上只有铜才是真正的导体。例如，在65nm工艺时，铜导线的宽度和高度分别为90nm和150nm，两侧则分别为10nm。这意味着横截面为13，500nm²的导线中实际上只有8，400nm²用于导电，效率仅为62.2%。而扩散层如果减薄到一定厚度，将失去对铜扩散的有效阻挡能力。

目前最有可能解决以上问题的方法是ALD（原子层沉积）形成阻挡层和无种籽电镀。

有研究表明：与PVD阻挡层相比，ALD阻挡层可以降低导线电阻。因此ALD技术很有望会取代PVD技术用于沉积阻挡层。不过ALD目前的缺点是硬件成本高，沉积速度慢，生产效率低。

过渡金属-钌可以实现铜的无种籽电镀，在钌上电镀铜和普通的铜电镀工艺兼容。钌的电阻率（~7μΩ-cm），熔点（~2300℃），即使900℃下也不与铜发生互熔。钌是贵金属材料，不容易被氧化，但即使被氧化了，生成的氧化钌也是导体。由于钌对铜有一定的阻挡作用，在一定程度上起到阻挡层的作用，因此钌不仅有可能取代扩散阻挡层常用的Ta/TaN两步工艺，而且还可能同时取代电镀种籽层，至少也可以达到减薄阻挡层厚度的目的。况且，使用ALD技术沉积的钌薄膜具有更高的质量和更低的电阻率。但无种籽层电镀同时也为铜电镀工艺带来新的挑战，钌和铜在结构上的差异，使得钌上电镀铜与铜电镀并不等同，在界面生长，沉积模式上还有许多待研究的问题。

有鉴于此，需要一种新的适应不断缩小的芯片的关键尺寸的金属互连的制作方法。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种新的金属互连结构和制作方法，以适应45nm以下的关键尺寸的集成电路半导体器件的需求。

为解决上述问题，本发明包括一种金属互连结构，包括：

层间介质层；

开口，所述开口形成在所述层间介质层内；

金属材料，所述金属材料填充满所述开口；

形成在所述金属材料的表面以及所述金属材料与层间介质层之间的石墨烯层。

可选的，所述层间介质层为二氧化硅。

可选的，所述层间介质层为介电常数为4至2.2的低介电材料或介电常数小于2.2的超低介电材料。

可选的，所述金属材料为铜、铝或钨。

可选的，所述石墨烯层少于10个原子层。

可选的，所述开口是通孔或由通孔与沟槽组成的双镶嵌结构。

可选的，所述通孔的宽度小于45nm。

本发明还提供了一种金属互连结构的制作方法，包括：

提供半导体基底；

在所述半导体基底上形成牺牲层；

在所述牺牲层内形成开口；

在所述开口内填充金属材料；