[发明专利]一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路技术领域，且特别涉及一种空气隙/石墨烯互连线结构及其制备方法。

背景技术

近年来,电子信息产业如计算机、通信、自动化等的高速发展给人们的生活带来了巨大的便利，电子产品微型化的同时性能也越来越好。在此过程中单晶硅材料发挥了巨大作用，但随着器件尺寸的不断缩小，极限问题随之出现，如特征线宽的缩小和芯片集成度的限制：一方面，工艺上很难继续达到更窄的线宽，主要体现在光刻精度的问题；另一方面，尺寸不断缩小，一些物理效应将影响器件的正常工作，最终导致器件失效。那么，为了克服这一瓶颈，需要寻找更好的电子器件材料来代替单晶硅。科学家和研究工作者将目光和研究焦点聚集在了明星材料—石墨烯上。

石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子组成，是世界上最薄的二维材料，其厚度仅为单层原子层的厚度—几埃的量级。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象，使石墨烯表现出许多优异性质。例如，石墨烯的强度是已测试材料中最高的，达130GPa，是钢的100多倍；其载流子迁移率达15000cm2/(V*s)，是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍，超过商用硅片迁移率的10倍以上，在特定条件下(如低温骤冷等)，其迁移率甚至可达250000cm2/(V*s)；其热导率可达5000W/(m*K)，是金刚石的3倍；还具有室温量子霍尔效应及室温铁磁性等特殊性质。由于其优良的机械和光电性质，结合其特殊的单原子层平面二维结构及其高比表面积，可以制备基于石墨烯的各种柔性电子器件和功能复合材料。由于石墨烯具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普遍预测石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命。

对于石墨烯在互补金属氧化物半导体（CMOS）电路领域的应用，一方面，由于石墨烯的高迁移率，采用石墨烯制作高频高速晶体管是石墨烯在CMOS器件方面的一个重要应用；另外一方面，由于石墨烯的良好散热和导电能力，学术界和工业界希望石墨烯能成为Cu互连的替代材料。随着集成电路线宽尺寸的不断缩小，相比于器件本身的延迟，互连线的延迟的影响已经变得越来越明显。降低互连线延迟的途径有两种，一种是降低互连线的电阻（从Al线演变为Cu线），另外一种就是降低互连线之间的耦合电容（从SiO₂到low-k材料）。现有的Cu线互连随着线宽尺寸的变小，Cu互连线的电阻率会急剧增大，因此寻找Cu互连线的替代材料也变得越来越重要和急迫。

在现有Cu互连工艺中，为了降低互连线延迟，研究如何减小互连线间的耦合电容是非常重要的。如附图1所示，明Mx 和Mx+1分别为第x层和第x+1层的互连线，via 为通孔，C//为平行互连线之间的耦合电容，C⊥为垂直互连线之间的耦合电容。由平行互连线之间的耦合电容C//和垂直互连线之间的耦合电容C⊥共同构成互联线间的耦合电容，并且前者的影响远大于后者。

现有技术中，由于平行互连线之间的耦合电容C//远大于垂直互连线之间的耦合电容C⊥，因此为了降低互连线之间的总的耦合电容主要是通过降低平行互连线之间的耦合电容C//，其中的一种方法是在互连线层中形成空气隙，但是该方法不能减小垂直互连线之间的耦合电容C⊥。

当使用石墨烯替代Cu作为互连材料时，由于石墨烯的厚度非常薄（几纳米，十层），因此平行互连线之间的耦合电容C//大大降低，此时垂直互连线之间的耦合电容C⊥影响增大，成为不可忽略的一部分。因此，需要一种结构不仅能够降低耦合电容C//，还能够降低耦合电容C⊥。

发明内容

针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明提供一种空气隙/石墨烯互连结构及其制备方法，旨在解决Cu互连在工艺尺寸进一步缩小过程中所遇到的电阻率升高的问题和有效地降低互连线的延迟时间，提升芯片性能。

为了达到上述目的，本发明提出一种空气隙/石墨烯互连结构，包括：

衬底；

位于所述衬底中的下层互连线；

位于所述衬底上的阻挡层；

位于所述阻挡层上的介质层；

位于所述介质层上的多孔介质层；

位于所述多孔介质层上的上层石墨烯纳米带互连线；

贯穿所述阻挡层、所述介质层和所述多孔介质层中的填充通孔；

所述的下层互连线与所述多孔介质层、所述上层石墨烯纳米带互连线通过位于介质层中的空气隙相隔离。

优选地，所述的上层石墨烯纳米带互连线的厚度小于10nm。

优选地，所述下层互连线，可以是单层互连线，也可以是多层互连线的任何一层。