TW200933816A - Interconnection structure and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

200933816

An interconnection manufacturing method is provided. The insulating amorphous carbon amorphous carbon or other low-k carbon-based material, which is above the patterned interfacial layer, is transferred to conductive carbon nanotube or carbon nanofiber by laser direct writing method. Consequently, a self-aligned carbon-based conducting wiring or via structure is formed. This invention can improve interconnection reliability, with the advantages of providing a self-aligned, simplified, and low-cost interconnect· 七、 指定代表圖： ® (一)本案指定代表圖為：第（圖2B)圖。 (二)本代表圖之元件符號簡單說明： 200 ·基底 208 :介電層 216 :含催化劑之介面金屬層 218 .碳材導線或插塞 八、 本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 無 ❹ 九、 發明說明： 【發明所屬之技術領域】 ，發明是有關於一種積體電路結構及其製作方法，且 特別是有關於一種内連線結構及其製作方法。 【先前技術】 在1¾積集度的半導體元件中，—般都具有兩層以上的 • f連線金屬層，稱為多重金屬内連線（multilevel in erconnects) ’其目的是用以適應元件的密度增加而形成 4 200933816 的立體的配線結構。 圖1A為習知一種内連線結構之剖面示意圖。請參照 圖’内連線結構1〇a包括基底1〇〇、銅導線1〇2、金屬 阻障層104、氮化矽阻障層106、介電層108以及銅插塞 110。銅導線1〇2配置於基底1〇〇中。介電層108配置於基 底100亡。氮化矽阻障層106配置於介電層108與基底100 之間。氮化矽阻障層1〇6與介電層1〇8中具有開口 1〇9， 開口 109暴露出銅導線102。銅插塞11〇配置於開口 109 中且與鋼導線102電性連接。金屬阻障層104配置於銅插 ^ 110與開口 109的侧壁與底部之間，以及基底100與銅 導線102之間。 然而’隨著科技的日益發展，積體電路之元件尺寸也 不斷縮小’使得開口 1〇9的直徑也隨著縮小。當開口 1〇9 的直徑越來越小時，流經銅插塞11〇中單位面積的電流會 越大而對元件造成财，進㈣致元㈣可#度降低。^ 外二金屬阻障層104的材料通常為钽(Ta)/氮化鈕(TaN)、钽 或氮化組，使得金屬阻障層1〇4的阻值比銅插塞高， 因此當兀件尺寸縮小時，導致金屬阻障層104對於銅插塞 110的比例相對增加，而造成插塞阻值增加的問題。 此外’還可以利用奈米碳管(carbon nanotube，CNT) 來取代銅插塞110，藉由奈米碳管的高電流承載密度(銅電 承載岔度的1000倍)來增進内連線結構的效能。圖】^為 習知之另一種内連線結構之剖面示意圖。請參照圖1B，内 連線結構10b包括基底1〇〇、銅導線1〇2、金屬阻障層1〇4、 介電層108、鈕阻障層ι14、鈷(或鎳)金屬層116以及奈米 碳管118。銅導線102配置於基底100中。金屬阻障層1〇4 配置於基底100與銅導線1〇2之間。介電層1〇8配置於基 底100上。钽阻障層U4配置於介電層108與基底ι〇〇之 間。介電層108中具有開口 109,開口 1〇9暴露出钽阻障 5 200933816 層114。鈷(或鎳)金屬層116配置於開口 1〇9中，且位於鈕 阻障層114上。奈米碳管118配置於開口 1〇9巾，且 鈷(或鎳)金屬層116上。 、 然而’在内連線結構1()b中，鈕阻障層114為導電層， 製作過程中是以沈積的方式形成在整個晶片上，會使得 ，於组阻障層114下方的解線1G2藉由姉障層114與 其他區域的導電結構電性連接，而產生短路的現象，但是 =因為το件密度的提高無法精確地將晶片上的钽阻障層

Ο 4圖案化’導朗連線結構1Qb在製程巾面臨無法 的問題。 在内連線結構i〇b中，日本富士通、德國Infine〇n等 ^九團隊已有不少研究，其製作方法為在基底1〇〇之導電 ，上利用微影技術、蝕刻技術形成鈷(或鎳)金屬層116。之 f f續在上職介電層1G8，此介電層108通常以氧化石夕 或/雜，他低介電常數材料之氧化矽為材料。在完成介電 層108後’再次利用微影技術及蚀刻的輔 在用化學氣相沉積等技術通入碳‘體成;1祕(或 j)金屬層116的催化而在開口 1〇9中形成奈米碳管118的 結構。 然而上述技術在形成開口 1〇9時，必須透過微影技術 及蝕刻的辅助，在製程上較為耗時耗費。此外在開口 1〇9 形成後，接者要成長奈米碳管118時，必須使用真空下操 ，的儀器，成本較高且製程溫度也較高。總結來說，目前 製作内連結構l〇b時，製程略微複雜且成本有降低的空 間。 【發明内容】 本發明的目的就是在提供一種内連線結構，可以增進 6 200933816 元件效能以及提高可靠度。 本發明的另一目的是提供一種内連線結構的製作方 法，具有定位及自動對準之優點，及可以簡化製程以及降 低生產成本。 Ο

本發明提出一種内連線結構，此内連線結構包括基 底、介面金屬層、介電層與碳材導線或插塞結構。介面金^ 層被圖形化配置於基底上，且此層内含鐵、鈷、或鎳等成 長奈米碳管或奈米碳纖維所需之催化劑。介電層配置於基底 上，並以絕緣非晶型碳或其他低介電常數碳衍生物為主要材 料。而以奈米碳管或奈米碳纖維所組成之碳材導線或插塞結 構配置於介電層中，且與介面金屬層電性連接，而形成一 自動對準之碳材導線或插塞結構。 依照本實施例所述之内連線結構，上述之基底可為導 電或絕緣材料，依以上各自不同特性之基底材料，可依序製 作成一自動對準之碳材插塞或導線結構。詳細的描述將在實 施例中說明。 依照本實施例所述之内連線結構，上述之導電基底材 料可為金屬、合金、導電高分子等習知的良好導電性的材 料。 依照本實施例所述之内連線結構，上述之絕緣基底材 料可為氧化矽、玻璃、絕緣高分子等習知之絕緣材料。-依照本實施例所述之内連線結構，上述之介面金屬層 =含鐵、鈷、鎳或其化合物、合金等成長碳材導線或插塞 結構所需之催化劑。 依照本實施例所述之内連線結構，上述之介電層由絕 緣非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料所組成。 俊照本實施例所述之内連線結構，上述之碳材導線或 結構的材料為奈米碳管、奈米碳纖維等具導電性之碳 7 200933816 描枇連線結構的製作方法，此方法是先 3:ίί 在基底上形成圖形化之介面金屬層，且 等成長奈米碳管或奈米碳纖維所需 劑° f者’於基底及覆蓋圖形化介面金屬層上形成 於介電層中形成—自動對準之碳材導線或插 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上 面金屬層中含鐵、鈷、鎳或其化合物、合 線或插塞結構㈣之催侧。 *料長碳材導

Ο 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之介 面金屬層的厚度小於一百奈米（100 nm)。 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之介 面金屬層的形成方法可為濺鍍、蒸鍍、化學氣相沉積、化 學溶液自組裝、離子束/電子束沉積等習知的方法。而其 形化可以微影及餘刻製程、掀式法、奈米壓印等 知之技術達成。 ' 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之介 電層由絕緣非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料所組成。1 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之介 電層的形成，可經由電漿（如：射頻、微波、電感式、電^ 迴旋共振）輔助化學氣相沉積、濺鍍、蒸鍍等可形成絕緣非 晶碳或其他低介電常數碳衍生材料之習知方法來達成。 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之介 電層的厚度小於一微来（1 μπι)。 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之後 材導線或插塞結構為奈米碳管、奈米碳纖維等具導電性之 碳材料。 依照本實施例所述之内連線結構製作方法，上述之奈 米碳管及奈米碳織維等材料可藉由雷射的直寫照射，將; 8 200933816 面金屬層上之非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料直接 換而來，而形成一自動對準之碳材插塞或導線。 【實施方式】 圖2A及圖2B為依照本發明實施例所繪示的内連線結 之製作流程剖面圖。首先，提供基底2⑻，此基底2〇〇可^ 體亦y為絕賴，在本實施例巾雜被實行，*聰性之基底 ^經由本實施例提出之製程，最後可得碳材插塞(如基底為導 電材料時)或導線(如基底為絕緣材料時)等不同結構2丨8，詳細 ❹ ❹ 於f面陳述。請參照®从，於基底上利賤鑛或化 學办液等方式將介面金屬層鍍上，之後再用微影與蝕刻製程 形成具有圖形化的介面金屬層216，圖形化步驟在此非常 =重要，因為它決定了之後冑2B巾碳材導線或插塞結構 218的位置。 在介面金層216中，可含有鈦等與基底相接的黏著金 μ^及必須有的鐵、鈷、或鎳等成長奈米碳管或奈米 钱維等所需之催化劑，藉以促進碳材導線或插塞結構218 之形成。上述介面金屬層中之催化層厚度為—百奈&〇〇 以下最佳為1〜1〇腹，如此可維持催化劑之活性，在 ^續雷射直寫時’可促進奈米碳管或奈米碳纖維生成，而製 f碳材導線或敏結構218，及符合未來削、化製程的需 求。 =成”面金屬層216後，利用電漿辅助化學氣相沉 ί I =、驗等沉積絕紐非晶碳或其他低介電常數碳 何生材料，作為形成介電層208，完成圖2Α的結構。此介 2 = 5厚度小於—微米（1μΠ1)’厚度的大小關係到之後 碳材導線或插塞結構218的形成與品質。 杯空2Β ’⑵下❾製程主要著重於導電性碳材導線或 播基抑構218的形成方法，是本實施例的特點之-。主要 9 200933816 由雷射直寫照射，使位於介面金屬層216上的介電層2〇8 獲得來自雷射的能量，合介面金屬層216中含有鐵、銘、 =等成長奈米碳管等所需之催化獅辅助，得崎介面金 上之介電層2G8 (即絕緣非晶型碳狀他低介電常 妷竹生物）’轉換成具導電性的奈米碳管或奈米碳纖維 等，而形成一自動對準之碳材導線插塞結構218〇 Ο

圖3A與圖3B依序為本發明實施例所得之奈米碳管318之 ，描電子顯微鏡(SEM)及穿透式電子臟鏡(TEM)像。主要是 在Si〇2基底層300，鍍上含接著鈦Ti (7腿)及催化劑鎳Μ (1〇 =)之介Φ金屬層316 ’接著以電漿化靴相骑絕緣非晶碳 、，而後於大氣常壓下施以雷射直寫照射。出⑽從，1〇 s，26 mJ/cm2)而得之奈米碳管。 在本實施例可就不同特性之基底2〇〇經由本實施例提出 之製程’最後可得碳材導線或插塞之不同結構218，在此做 進二步詳細的說明：在導電之基底2〇〇上施與上述實施例 流程，此處之基底200可視為内連線先前技術中的導 ，’即參考圖1A& 1B巾之銅導線1()2，則最後形成的導 Ϊ性碳材料為碳材插塞結構218，相當於内連線先前技術 :的插塞，參考圖1A及1B中之銅插塞11〇 :另一方面， 若在非導電之基底上施與上述實施例之流程，貞彳最後形成 ，導電性碳材料為碳材導線結構。因此藉由本實施例的實 行，將可形成全碳材料的内連線結構。 在本實施例令，使用之雷射為脈衝雷射，其波長為一 百至五百奈米（1〇〇 nm〜500 nm)，頻率小於一百赫兹（1 叫，2能量密度介於十毫焦耳至十焦耳每平方公分（（1〇 mJ/cm〜iOJ/cm2)，照射時間小於四分鐘(4min)，照射的環 境為常壓常溫。 綜合上述，本發明提出一種新的内連線結構，一種介 電層208與導線、插塞結構218皆由碳所組成的内連線結 200933816 ?。„出-種成長導電碳材導線與插塞 法’利用含催化劑之介面金屬層216的圖形化定=的^ 二:射==== 小化趨勢的考驗。 个木凡什尺寸縮 雖財發明已以實關揭露如上，然其並非用以限 ίΓ月二習此技藝者’在不脫離本發明之精神和範 Ο ❹ 圍内，备可作些許之更動與潤飾，因此本發 當視後附之申.請專職圍所界定者為準和J之保遷範圍 【圈式簡單說明】 圖1Α為習知一種内連線結構之剖面示意圖。 圖1Β為習知另—種内連線結構之剖面示意圖。 圖圖2Β為依照本發明實施例所緣示的内連線結構 之製作流程剖面圖。 圖3今及3Β依序為本發明實施例所得之奈#碳管之掃描電 子顯微鏡(SEM)及穿透式電子顯微鏡(1綱像。主要是在絕緣 層Si〇2基底層300,鑛上含接著鈦Ti(7nm)及催化劑錄Ni(1〇 nm)之，面金屬層，接著以電漿化學氣相沉積絕緣非晶碳 膜’而後於大氣常壓下施以雷射直寫照射。Ηζρ*，1〇 §，26 mJ/cm )而得之奈米碳管。 11 200933816 【主要元件符號說明】 10a、10b、10c、20b :内連線結構 100、200 :基底 102 :銅導線 104 :金屬阻障層 106 :氮化矽阻障層 108、208 ··介電層 109 開口 110 銅插塞 112 磷化鈷鎢層 114 鈕阻障層 116 鈷(或鎳)金屬層 118 奈米碳管 216、316 :含催化劑之介面金屬層 218 ·碳材導線或插塞 300 :絕緣基底 318 :奈米碳管 十、申請專利範園： ❹ 1.一種内連線結構，包括： 一基底； 一介面金屬層，經由圖形化配置在基底上 一介電層，配置於該基底上； 一 屬插塞結構，配置於該介電層中且與該介面金 為導電1項賴之岐線轉，其巾該基底可 σ金導電ο子等習知之良好導電性的材 12

Claims (1)

1. 200933816 【主要元件符號說明】 10a、10b、10c、20b :内連線結構 100、200 :基底 102 :銅導線 104 :金屬阻障層 106 :氮化矽阻障層 108、208 ··介電層 109 開口 110 銅插塞 112 磷化鈷鎢層 114 鈕阻障層 116 鈷(或鎳)金屬層 118 奈米碳管 216、316 :含催化劑之介面金屬層 218 ·碳材導線或插塞 300 :絕緣基底 318 :奈米碳管 十、申請專利範園： ❹ 1.一種内連線結構，包括： 一基底； 一介面金屬層，經由圖形化配置在基底上 一介電層，配置於該基底上； 一 屬插塞結構，配置於該介電層中且與該介面金 為導電1項賴之岐線轉，其巾該基底可 σ金導電ο子等習知之良好導電性的材 12 200933816 料。 4·如申請專利範圍第2項所述之内連線結構，其中該非導體 材料為氡化石夕、玻璃、絕緣高分子等習知之絕緣材料。 5·如申叫專利範圍第^項所述之内連線結構，其中介面金屬 ，中含鐵、銘、錦或其化合物、合金等成長奈米碳管或奈 米碳纖維所需之催化劑。 ” 6. 如申請專利範圍第1項所述之内連線結構，其中介電層由 絕緣j生非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料所組成。 7. 如申明專利範圍第1項所述之内連線結構，其中碳材導線

   或插塞結構的材料為奈米碳管、奈米碳纖維等具導電性之 碳材料。 8. —種連線結構的製作方法，包括： 提供一基底； 於該基底上成長圖形化介面金屬層； 於該"面金屬層與未覆蓋介面金屬的基底上形成介電層； 於該介電層中形成碳材導線或插塞結構。 ’ 9.如申請專利範圍第8項所述之内連線結構製作方法，其中 介面金f層中含鐵、鈷、鎳或其化合物、合金及其他i長 奈米碳管或奈米碳纖維所需之催化劑。 10·如申請專利範圍第9項所述之内連線結構製作方法，其 中介面金屬層的厚度小於一百奈米（100nm)。 、 11.如申請專利範圍第8項所述之内連線結構製作方法，其 中介面金屬層的製作方法，可為濺鍍、蒸鍍、化學氣相^ 積、化學溶液自組裝、離子束/電子束沉積等習知之方法形 成。而其圖形化可以微影及蝕刻製程、掀式法④姐力均、 奈米壓印等習知之技術達成。 12·如申請專利範圍第8項所述之内連線結構製作方法，其 5 層由絕緣性非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料 13 200933816 13. 如申請專利範圍第12項所述之内連線結構製作方法其 中介電層的製作，可經由電漿(如：射頻、微波、電'感式、' 電子迴旋共振）辅助化學氣相沉積、錢鑛、蒸鍍等習知可形 成非晶碳或其他低介電常數碳衍生材料之方法達成。 14. 如申請專利範圍第12項所述之内連線結構製作方法，其 中介電層的厚度小於一微米（1μιη)。 、 15. 如申請專利範圍第8項所述之内連線結構製作方法，其 中碳材導線或插塞結構為奈米碳管、奈米碳纖維等具導^ 性夕成好撼。 ❹ 16.如申專利範圍第15項所述之内連線結構製作方法，其 ΪίίΪΐί奈：碳纖維等碳材料，可藉由雷射直寫照射 二之、緣性非晶碳或其他低介電常數碳衍生 材料而來。