[發明專利]半導體器件及其制造方法

無效

• 申請號: 201210183119.8
• 申請日: 2012-06-05
• 公開（公告）號: CN103456677A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 符雅麗;張海洋
• 申請（專利權）人: 中芯國際集成電路制造（上海）有限公司
• 主分類號: H01L21/768
• 分類號: H01L21/768;H01L23/532
• 代理公司: 上海思微知識產權代理事務所(普通合伙) 31237
• 代理人: 屈蘅;李時云

技術領域

本發明涉及半導體制造領域，尤其涉及一種半導體器件及其制造方法。

背景技術

隨著CMOS技術的高速發展，芯片上器件的集成度不斷提高，芯片速度也越來越快。為了滿足器件集成度和速度的需求，半導體器件的銅互連結構逐漸取代傳統鋁互連結構成為主流，隨之互連的線寬也不斷減小，布線密度也越來越高。然而，隨著銅互連的線寬進一步減小，由晶界和表面引起的電子散射造成銅電阻率的大幅度上升，加劇了由電阻和電容引起的互連延遲(RC?Delay)，造成半導體器件的性能的整體下降。

半導體器件的延遲和互連的延遲共同決定著電路的最高工作頻率。隨著器件尺寸的不斷縮小，互連延遲已經超越了器件級延遲，成為影響電路工作頻率的主要因素；特別是線寬的縮小使銅互連線的電子輸運受到表面和晶粒間界的散射增強，100nm以下銅互連線電阻率急劇上升，這將極大地影響電路的性能。低介電常數(low-k)介質材料的使用可以降低互連引入的寄生電容，然而其應用也帶來很多其它問題，如集成問題、可靠性問題等等，同時低介電常數材料的介電常數1.5左右達到極限。預計電化學法或化學氣相沉積法淀積銅的技術和低介電常數材料的應用可以繼續到2020年，但后道銅互連技術，包括光互連、碳納米材料互連等技術的研發已刻不容緩。

石墨烯(Graphene)作為一種新材料，其實質是單原子層的石墨，是指由單層碳原子組成的六角型蜂巢晶格平面單層薄膜，是由一個碳原子層厚度組成的二維材料。石墨烯材料具有非常優異的性能，包括高載流子遷移率、高電流密度、高機械強度、高熱傳導性能等，且單層的石墨烯材料可以控制在納米級別以下。

碳納米管(Carbon?Nanotube)則是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子采取SP2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為碳納米管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個碳納米管的共軛π電子云。按照管子的層數不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細，只有納米尺度，而納米管的長度可以達到數百微米。碳納米管具有非常優異的機械和電學特性，也是一種應用于互連技術的極具潛力的納米材料，尤其是其沿催化劑的導向性生長特性。

因此碳納米管材料和石墨烯材料在半導體器件中，作為互連材料的應用成為業界高度關注的技術趨勢。

發明內容

本發明的目的是提供一種利用石墨烯和碳納米管作為互連線的半導體器件結構及其制造方法，以降低寄生電阻、寄生電容、有效降低互連RC延遲、提高器件性能。

為解決上述問題，本發明一種半導體器件的制造方法，包括以下步驟：

提供半導體襯底；

在所述半導體襯底上形成圖案化的金屬催化層；

在所述圖案化的金屬層上形成至少一層石墨烯層；

在所述石墨烯層和暴露的半導體襯底上覆蓋介質層；

利用光刻和刻蝕工藝，刻蝕部分介質層和石墨烯層，以在所述圖案化的金屬層上形成溝槽；

在所述溝槽中形成碳納米管材料層。

進一步的，所述圖案化的金屬催化層的形成步驟包括：

在所述半導體襯底上形成金屬催化層薄膜；

在所述金屬催化層薄膜上形成圖案化的光刻膠；

以所述圖案化的光刻膠為掩膜，刻蝕所述金屬催化層薄膜，以形成圖案化的金屬催化層；

去除所述圖案化的光刻膠。

進一步的，所述金屬催化層薄膜采用物理氣相沉積、化學氣相沉積、脈沖激光沉積法或原子層沉積法形成。

進一步的，所述金屬催化層薄膜的材質為鈷、鎳、鉑或釕。

進一步的，所述金屬催化層薄膜的材質為鎳。

進一步的，在刻蝕部分所述介質層和石墨烯層的步驟中，刻蝕物質包括溴化氫，氧氣和四氟化碳。

進一步的，所述石墨烯層采用低溫化學氣相沉積法或激光直寫方法形成。

進一步的，所述介質層的材質為氧化硅或低介電常數材料。

進一步的，所述介質層的介電常數為2.0～3.0。

進一步的，在刻蝕部分所述介質層和石墨烯層的步驟中，刻蝕物質包括溴化氫，氧氣和四氟化碳。

進一步的，所述碳納米管材料層的形成溫度低于500℃。

本發明還提供一種半導體器件，包括：半導體襯底；圖案化的金屬催化層，形成于所述半導體襯底上；介質層，位于所述圖案化的金屬層和暴露的半導體襯底上；碳納米管材料層，貫穿于所述介質層中；石墨烯層，位于所述介質層和所述圖案化的金屬層之間，并位于所述碳納米管材料層的底部側壁旁。