一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种互连结构及其制造方法，该结构包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔。该方法包括：在衬底或下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层；将石墨烯层构成石墨烯互连层；在石墨烯互连层上淀积催化剂；在衬底或下方互连结构中的互连介质层上淀积互连介质层；在互连介质层中制备通孔；在石墨烯互连层上生长碳纳米管阵列；将碳纳米管阵列形成碳纳米管互连通孔。本发明专利技术的互连结构及制造方法能够解决传统电阻高、互连结构电流承载能力受限等问题。本发明专利技术可广泛应用于半导体器件的制造领域。

【技术实现步骤摘要】
一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构及其制造方法
本专利技术涉及半导体器件的制造
，尤其涉及一种采用碳纳米管作为垂直互连材料、石墨烯作为水平互连材料的互连结构及其制造方法。
技术介绍
集成电路工艺特征尺寸的持续缩小，使得集成电路单位面积上的器件数目每到一个新的技术节点就会增加一倍。而晶体管特征尺寸的缩小不仅提高了芯片的集成度，降低了晶体管的工作电压和功耗，并且还提高了晶体管的工作频率。但与此同时，由于金属晶粒间界和表面的电子散射效应增加，以铜和钨等材料为基础的互连金属层的电阻随着特征尺寸的缩小迅速增加，进而引起电信号传输的延迟增加，限制了集成电路的整体性能。另一方面，与晶体管直接接触的互连通孔和第一层互连线会承受较大的电流密度，在长期的工作中容易发生电迁移所导致的断裂失效问题。因此，需要进一步提高集成电路互连结构的性能，以解决当前互连材料和结构所面临的电阻增加和断裂失效等问题。目前为了解决上述的问题，现有技术中提出了一种基于金属互连层上形成碳层和碳纳米管通孔的互连结构。但是由于金属层的应用，该互连结构的整体电流承受能力受到了限制，因此其无法从根本上解决接触电阻大的问题，特别是无法提高集成电路所需求的大电流承载能力。另外，对于石墨烯，虽然其是一种二维的碳基纳米材料，具有高电流承载能力，高载流子迁移率和高导热率等优点，但是，当其作为水平互连线材料来和金属结构的互连材料共同使用时，也同样具有接触电阻大的问题，而且对于单层石墨烯的电导，其难以和金属材料相比，以及其集成工艺的实现具有相当难度，因此，以石墨烯作为互连材料和现有的金属互连结构进行集成，这同样会面临接触电阻大和整体承载电流受限的问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构。本专利技术的另一目的是提供一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔。进一步，所述互连结构的个数为至少两个，所述至少两个互连结构从下至上依次叠加设置，其中，上下相邻的两个互连结构中，设置在下方互连结构中的碳纳米管互连通孔用于将设置在下方互连结构中的石墨烯互连层与设置在上方互连结构中的石墨烯互连层连通。进一步，所述石墨烯互连层为多层石墨烯。进一步，所述石墨烯互连层的厚度大于等于3nm。进一步，所述互连介质层采用低介电常数的介质材料制造而成的。本专利技术所采用的另一技术方案是：一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法，该方法所包括的步骤有：S1、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层；S2、在石墨烯层上制备有图形化的石墨烯互连线或石墨烯沟道，从而构成石墨烯互连层；S3、在石墨烯互连层的通孔连接位置上淀积催化剂；S4、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上淀积互连介质层，令步骤S3中的石墨烯互连层嵌入设置在互连介质层的下表面；S5、在互连介质层中制备通孔，所述通孔对应设置在石墨烯互连层的通孔连接位置上；S6、基于所淀积的催化剂，在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列；S7、对碳纳米管阵列进行介质填充后进行化学机械抛光工艺，从而形成碳纳米管互连通孔，其中，所述碳纳米管互连通孔用于互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通。进一步，所述步骤S1中所述的在衬底上制备石墨烯层这一步骤，其具体为：采用化学气相淀积合成石墨烯进行转移的方法以及金属薄膜热退火的方法，从而在衬底上制备石墨烯层。进一步，所述步骤S1中所述的在下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层这一步骤，其具体为：采用化学气相淀积方法和金属薄膜热退火方法，从而在下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层。进一步，所述步骤S6中所述在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列这一步骤，其具体为：采用化学气相淀积方法，从而在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列。进一步，所述催化剂为Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl中至少一种。本专利技术的有益效果是：本专利技术所提出的互连结构是一种由石墨烯作为水平互连层及由碳纳米管作为垂直互连层的互连结构，其可以充分利用碳纳米管和石墨烯具有的高电流承载能力、高导电性和高导热率的优势，解决了现有技术中所无法避免的因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题。本专利技术的另一有益效果是：通过使用本专利技术的互连结构制造方法，能够制造得出一种由石墨烯作为水平互连层及由碳纳米管作为垂直互连层的互连结构，其能充分利用碳纳米管和石墨烯具有的高电流承载能力、高导电性和高导热率的优势，解决了现有技术中所无法避免的因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题；而且由于本专利技术的制造方法是在石墨烯互连层上直接制备碳纳米管，因此其所采用的制造方法令最终得到的互连结构中完全去除了金属催化剂材料，这样能够避免连接处因存在碳基材料和金属材料的接触而出现电阻高的问题；同时，对于碳纳米管阵列，其所采用的制造方法可直接形成碳纳米管和石墨烯的紧密接触，消除了金属的存在对界面的影响。因此由此可见，本专利技术所提出的集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法，其实现了两种碳基材料的无缝连接，增强了两种材料在接触处的键合强度，可以获得高电导率和高导热率的互连结构。附图说明图1是本专利技术一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构的一具体实施例结构示意图；图2是本专利技术一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构的另一具体实施例结构示意图；图3是在衬底上制备第一石墨烯层后所示的结构示意图；图4是将第一石墨烯层制备成第一石墨烯互连层后所示的结构示意图；图5是在第一石墨烯互连层上淀积催化剂后所示的结构示意图；图6是在衬底上制备第一互连介质层后所示的结构示意图；图7是在第一互连介质层中制备通孔后所示的结构示意图；图8是在第一石墨烯互连层的通孔连接位置上生长了碳纳米管阵列后所示的结构示意图；图9是制备第一碳纳米管互连通孔后所示的结构示意图；图10是在第一互连介质层上制备第二石墨烯层后所示的结构示意图；图11是将第二石墨烯层制备成第二石墨烯互连层后所示的结构示意图；图12是在衬底上制备多层石墨烯的透射电镜照片示意图；图13是在多层石墨烯上制备催化剂后所示的表面扫描电镜示意图；图14是在多层石墨烯上生长碳纳米管后所示的横截面扫描电镜照片示意图。具体实施方式为了解决传统因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题，本专利技术提出一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔，即所述的碳纳米管互连通孔，其一端与互连介质层的上表面连通，另一端与石墨烯互连层的通孔连接位置连通。对于本专利技术的至少一个互连结构，其在应用时，其是设置在衬底的上表面与顶端互连层的下表面之间，而最接近顶端互连层的互连结构中的碳纳米管互连通孔，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔。

【技术特征摘要】
1.一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔。2.根据权利要求1所述一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：所述互连结构的个数为至少两个，所述至少两个互连结构从下至上依次叠加设置，其中，上下相邻的两个互连结构中，设置在下方互连结构中的碳纳米管互连通孔用于将设置在下方互连结构中的石墨烯互连层与设置在上方互连结构中的石墨烯互连层连通。3.根据权利要求1或2所述一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：所述石墨烯互连层为多层石墨烯。4.根据权利要求3所述一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：所述石墨烯互连层的厚度大于等于3nm。5.根据权利要求1或2所述一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其特征在于：所述互连介质层采用低介电常数的介质材料制造而成的。6.一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法，其特征在于：该方法所包括的步骤有：S1、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层；S2、在石墨烯层上制备有图形化的石墨烯互连线或石墨烯沟道，从而构成石墨烯互连层；S3、在石墨烯互连层的通孔连接位置上淀积催化剂；S4、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上淀积互连介质层，令步骤S3中的石墨烯互连...

【专利技术属性】
技术研发人员：周长见，李斌，严伟，李国元，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44