本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件的制造技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用碳納米管作為垂直互連材料、石墨烯作為水平互連材料的互連結(jié)構(gòu)及其制造方法。

背景技術(shù)：

集成電路工藝特征尺寸的持續(xù)縮小，使得集成電路單位面積上的器件數(shù)目每到一個(gè)新的技術(shù)節(jié)點(diǎn)就會增加一倍。而晶體管特征尺寸的縮小不僅提高了芯片的集成度，降低了晶體管的工作電壓和功耗，并且還提高了晶體管的工作頻率。但與此同時(shí)，由于金屬晶粒間界和表面的電子散射效應(yīng)增加，以銅和鎢等材料為基礎(chǔ)的互連金屬層的電阻隨著特征尺寸的縮小迅速增加，進(jìn)而引起電信號傳輸?shù)难舆t增加，限制了集成電路的整體性能。另一方面，與晶體管直接接觸的互連通孔和第一層互連線會承受較大的電流密度，在長期的工作中容易發(fā)生電遷移所導(dǎo)致的斷裂失效問題。因此，需要進(jìn)一步提高集成電路互連結(jié)構(gòu)的性能，以解決當(dāng)前互連材料和結(jié)構(gòu)所面臨的電阻增加和斷裂失效等問題。

目前為了解決上述的問題，現(xiàn)有技術(shù)中提出了一種基于金屬互連層上形成碳層和碳納米管通孔的互連結(jié)構(gòu)。但是由于金屬層的應(yīng)用，該互連結(jié)構(gòu)的整體電流承受能力受到了限制，因此其無法從根本上解決接觸電阻大的問題，特別是無法提高集成電路所需求的大電流承載能力。另外，對于石墨烯，雖然其是一種二維的碳基納米材料，具有高電流承載能力，高載流子遷移率和高導(dǎo)熱率等優(yōu)點(diǎn)，但是，當(dāng)其作為水平互連線材料來和金屬結(jié)構(gòu)的互連材料共同使用時(shí)，也同樣具有接觸電阻大的問題，而且對于單層石墨烯的電導(dǎo)，其難以和金屬材料相比，以及其集成工藝的實(shí)現(xiàn)具有相當(dāng)難度，因此，以石墨烯作為互連材料和現(xiàn)有的金屬互連結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成，這同樣會面臨接觸電阻大和整體承載電流受限的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)制造方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)，包括至少一個(gè)互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)包括互連介質(zhì)層，所述互連介質(zhì)層的下表面嵌入設(shè)置有石墨烯互連層，所述互連介質(zhì)層中設(shè)置有用于將互連介質(zhì)層的上表面與石墨烯互連層連通的碳納米管互連通孔。

進(jìn)一步，所述互連結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為至少兩個(gè)，所述至少兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)從下至上依次疊加設(shè)置，其中，上下相鄰的兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)中，設(shè)置在下方互連結(jié)構(gòu)中的碳納米管互連通孔用于將設(shè)置在下方互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層與設(shè)置在上方互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層連通。

進(jìn)一步，所述石墨烯互連層為多層石墨烯。

進(jìn)一步，所述石墨烯互連層的厚度大于等于3nm。

進(jìn)一步，所述互連介質(zhì)層采用低介電常數(shù)的介質(zhì)材料制造而成的。

本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)制造方法，該方法所包括的步驟有：

S1、在襯底或下方互連結(jié)構(gòu)中的互連介質(zhì)層上制備石墨烯層；

S2、在石墨烯層上制備有圖形化的石墨烯互連線或石墨烯溝道，從而構(gòu)成石墨烯互連層；

S3、在石墨烯互連層的通孔連接位置上淀積催化劑；

S4、在襯底或下方互連結(jié)構(gòu)中的互連介質(zhì)層上淀積互連介質(zhì)層，令步驟S3中的石墨烯互連層嵌入設(shè)置在互連介質(zhì)層的下表面；

S5、在互連介質(zhì)層中制備通孔，所述通孔對應(yīng)設(shè)置在石墨烯互連層的通孔連接位置上；

S6、基于所淀積的催化劑，在石墨烯互連層的通孔連接位置上生長碳納米管陣列；

S7、對碳納米管陣列進(jìn)行介質(zhì)填充后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光工藝，從而形成碳納米管互連通孔，其中，所述碳納米管互連通孔用于互連介質(zhì)層的上表面與石墨烯互連層連通。

進(jìn)一步，所述步驟S1中所述的在襯底上制備石墨烯層這一步驟，其具體為：

采用化學(xué)氣相淀積合成石墨烯進(jìn)行轉(zhuǎn)移的方法以及金屬薄膜熱退火的方法，從而在襯底上制備石墨烯層。

進(jìn)一步，所述步驟S1中所述的在下方互連結(jié)構(gòu)中的互連介質(zhì)層上制備石墨烯層這一步驟，其具體為：

采用化學(xué)氣相淀積方法和金屬薄膜熱退火方法，從而在下方互連結(jié)構(gòu)中的互連介質(zhì)層上制備石墨烯層。

進(jìn)一步，所述步驟S6中所述在石墨烯互連層的通孔連接位置上生長碳納米管陣列這一步驟，其具體為：

采用化學(xué)氣相淀積方法，從而在石墨烯互連層的通孔連接位置上生長碳納米管陣列。

進(jìn)一步，所述催化劑為Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl中至少一種。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明所提出的互連結(jié)構(gòu)是一種由石墨烯作為水平互連層及由碳納米管作為垂直互連層的互連結(jié)構(gòu)，其可以充分利用碳納米管和石墨烯具有的高電流承載能力、高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱率的優(yōu)勢，解決了現(xiàn)有技術(shù)中所無法避免的因碳納米管或石墨烯材料和金屬互連材料之間接觸而導(dǎo)致電阻高、互連結(jié)構(gòu)電流承載能力受限的問題。

本發(fā)明的另一有益效果是：通過使用本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)制造方法，能夠制造得出一種由石墨烯作為水平互連層及由碳納米管作為垂直互連層的互連結(jié)構(gòu)，其能充分利用碳納米管和石墨烯具有的高電流承載能力、高導(dǎo)電性和高導(dǎo)熱率的優(yōu)勢，解決了現(xiàn)有技術(shù)中所無法避免的因碳納米管或石墨烯材料和金屬互連材料之間接觸而導(dǎo)致電阻高、互連結(jié)構(gòu)電流承載能力受限的問題；而且由于本發(fā)明的制造方法是在石墨烯互連層上直接制備碳納米管，因此其所采用的制造方法令最終得到的互連結(jié)構(gòu)中完全去除了金屬催化劑材料，這樣能夠避免連接處因存在碳基材料和金屬材料的接觸而出現(xiàn)電阻高的問題；同時(shí)，對于碳納米管陣列，其所采用的制造方法可直接形成碳納米管和石墨烯的緊密接觸，消除了金屬的存在對界面的影響。因此由此可見，本發(fā)明所提出的集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)制造方法，其實(shí)現(xiàn)了兩種碳基材料的無縫連接，增強(qiáng)了兩種材料在接觸處的鍵合強(qiáng)度，可以獲得高電導(dǎo)率和高導(dǎo)熱率的互連結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)的一具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)的另一具體實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是在襯底上制備第一石墨烯層后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是將第一石墨烯層制備成第一石墨烯互連層后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是在第一石墨烯互連層上淀積催化劑后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是在襯底上制備第一互連介質(zhì)層后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7是在第一互連介質(zhì)層中制備通孔后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖8是在第一石墨烯互連層的通孔連接位置上生長了碳納米管陣列后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖9是制備第一碳納米管互連通孔后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖10是在第一互連介質(zhì)層上制備第二石墨烯層后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11是將第二石墨烯層制備成第二石墨烯互連層后所示的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12是在襯底上制備多層石墨烯的透射電鏡照片示意圖；

圖13是在多層石墨烯上制備催化劑后所示的表面掃描電鏡示意圖；

圖14是在多層石墨烯上生長碳納米管后所示的橫截面掃描電鏡照片示意圖。

具體實(shí)施方式

為了解決傳統(tǒng)因碳納米管或石墨烯材料和金屬互連材料之間接觸而導(dǎo)致電阻高、互連結(jié)構(gòu)電流承載能力受限的問題，本發(fā)明提出一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)，其包括至少一個(gè)互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)包括互連介質(zhì)層，所述互連介質(zhì)層的下表面嵌入設(shè)置有石墨烯互連層，所述互連介質(zhì)層中設(shè)置有用于將互連介質(zhì)層的上表面與石墨烯互連層連通的碳納米管互連通孔，即所述的碳納米管互連通孔，其一端與互連介質(zhì)層的上表面連通，另一端與石墨烯互連層的通孔連接位置連通。

對于本發(fā)明的至少一個(gè)互連結(jié)構(gòu)，其在應(yīng)用時(shí)，其是設(shè)置在襯底的上表面與頂端互連層的下表面之間，而最接近頂端互連層的互連結(jié)構(gòu)中的碳納米管互連通孔，其則用于將該互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層與頂端互連層連通；

當(dāng)互連結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為一個(gè)時(shí)，該互連結(jié)構(gòu)中的互連介質(zhì)層設(shè)置在襯底上表面與頂端互連層下表面之間，即該互連結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)置頂端互連層，并且該互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層設(shè)置在襯底的上表面且嵌入設(shè)置在互連介質(zhì)層的下表面，而該互連結(jié)構(gòu)中的碳納米管互連通孔，其設(shè)置在互連介質(zhì)層中，并且其一端與頂端互連層的通孔連接位置連通，另一端則與石墨烯互連層的通孔連接位置連通；

當(dāng)互連結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)為至少兩個(gè)時(shí)，所述至少兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)從下至上依次疊加設(shè)置，并且它們設(shè)置在襯底上表面與頂端互連層下表面之間，即所述至少兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)中，最上方的互連結(jié)構(gòu)的上表面設(shè)置頂端互連層，其中，所述至少兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)中，上下相鄰的兩個(gè)互連結(jié)構(gòu)中，設(shè)置在下方互連結(jié)構(gòu)中的碳納米管互連通孔用于將設(shè)置在下方互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層與設(shè)置在上方互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層連通。

對于上述至少一個(gè)互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層，其可為多層石墨烯，而此時(shí)，石墨烯互連層上制備有石墨烯互連線；優(yōu)選地，所述石墨烯互連層的厚度大于等于3nm。

而對于最接近襯底的互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層，其除了可為多層石墨烯，其也可為構(gòu)成晶體管溝道的單層或少層石墨烯材料，而此時(shí)，最接近襯底的互連結(jié)構(gòu)中的石墨烯互連層上制備有石墨烯溝道，優(yōu)選地，其厚度為單層或少層。

以下結(jié)合詳細(xì)實(shí)施例來對本發(fā)明的互連結(jié)構(gòu)做具體說明。

實(shí)施例1

當(dāng)互連結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)為1時(shí)，如圖1所示，一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)包括有一個(gè)互連結(jié)構(gòu)，所述互連結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底101上表面和頂端互連層110下表面之間；

具體地，所述互連結(jié)構(gòu)包括：

第一互連介質(zhì)層103，設(shè)置在襯底101上表面和頂端互連層110下表面之間；

第一石墨烯互連層102，設(shè)置在襯底101上表面且嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103的下表面；

第一碳納米管互連通孔104，嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103中，并且其一端與第一石墨烯互連層102的通孔連接位置連接，其另一端經(jīng)過第一互連介質(zhì)層103從而與頂端互連層110的通孔連接位置連接，即此時(shí)，所述第一碳納米管互連通孔104將第一互連介質(zhì)層103的上表面與第一石墨烯互連層102連通。其中，對于所述頂端互連層110，其實(shí)質(zhì)為一石墨烯互連層，即頂端石墨烯互連層。

作為本實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一石墨烯互連層102和頂端互連層110為多層石墨烯，而此時(shí)，所述第一石墨烯互連層102和頂端互連層110上均制備有石墨烯互連線；優(yōu)選地，所述第一石墨烯互連層102和頂端互連層110的厚度大于等于3nm。

而對于上述的第一石墨烯互連層102，其除了可為多層石墨烯，其也可為構(gòu)成晶體管溝道的單層或少層石墨烯材料，而此時(shí)，所述第一石墨烯互連層102上制備有石墨烯溝道，優(yōu)選地，其厚度為單層或少層。

作為本實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一互連介質(zhì)層103采用低介電常數(shù)的介質(zhì)材料制造而成的，其中，所述低介電常數(shù)的介質(zhì)材料包括但不限于多孔介質(zhì)材料、包含部分空氣隙的介質(zhì)材料等。

實(shí)施例2

當(dāng)互連結(jié)構(gòu)個(gè)數(shù)為兩個(gè)時(shí)，如圖2所示，一種集成碳納米管和石墨烯的互連結(jié)構(gòu)包括第一互連結(jié)構(gòu)和第二互連結(jié)構(gòu)，所述襯底101、第一互連結(jié)構(gòu)、第二互連結(jié)構(gòu)及頂端互連層110從下至上依次疊加設(shè)置，其中，所述第一互連結(jié)構(gòu)包括第一石墨烯互連層102、第一互連介質(zhì)層103及第一碳納米管互連通孔104，所述第二互連結(jié)構(gòu)包括第二石墨烯互連層105、第二互連介質(zhì)層106及第二碳納米管互連通孔107；

第一互連介質(zhì)層103，設(shè)置在襯底101上表面和第二互連介質(zhì)層106下表面之間；

第一石墨烯互連層102，設(shè)置在襯底101上表面且嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103的下表面；

第一碳納米管互連通孔104，嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103中，并且其一端與第一石墨烯互連層102的通孔連接位置連接，其另一端經(jīng)過第一互連介質(zhì)層103從而與第二石墨烯互連層105的通孔連接位置連接，即此時(shí)，所述第一碳納米管互連通孔104將第一互連介質(zhì)層103的上表面與第一石墨烯互連層102連通；

第二互連介質(zhì)層106，設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103上表面和頂端互連層110下表面之間；

第二石墨烯互連層105，設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103上表面且嵌入設(shè)置在第二互連介質(zhì)層106的下表面；

第二碳納米管互連通孔107，嵌入設(shè)置在第二互連介質(zhì)層106中，并且其一端與第二石墨烯互連層105的通孔連接位置連接，其另一端經(jīng)過第二互連介質(zhì)層106從而與頂端互連層110的通孔連接位置連接，即此時(shí)，所述第二碳納米管互連通孔107將第二互連介質(zhì)層106的上表面與第二石墨烯互連層105連通。其中，對于所述頂端互連層110，其實(shí)質(zhì)為一石墨烯互連層，即頂端石墨烯互連層。

作為本實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一石墨烯互連層102、第二石墨烯互連層105、頂端互連層110均為多層石墨烯，而此時(shí)，所述第一石墨烯互連層102、第二石墨烯互連層105、頂端互連層110上均制備有石墨烯互連線，優(yōu)選地，所述第一石墨烯互連層102、第二石墨烯互連層105、頂端互連層110的厚度均大于等于3nm。

而對于上述的第一石墨烯互連層102，其除了可為多層石墨烯，其也可為構(gòu)成晶體管溝道的單層或少層石墨烯材料，而此時(shí)，所述第一石墨烯互連層102上制備有石墨烯溝道，優(yōu)選地，其厚度為單層或少層。

作為本實(shí)施例的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一互連介質(zhì)層103和第二互連介質(zhì)層106采用低介電常數(shù)的介質(zhì)材料制造而成的，其中，所述低介電常數(shù)的介質(zhì)材料包括但不限于多孔介質(zhì)材料、包含部分空氣隙的介質(zhì)材料等。

由本實(shí)施例2可知，當(dāng)互連結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)大于2時(shí)，該結(jié)構(gòu)設(shè)置則如上述類推便可。

實(shí)施例3

針對上述實(shí)施例1所述的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其具體包括有：

S101、如圖3所示，在襯底101上制備第一石墨烯層201，其中，所述襯底101可由半導(dǎo)體材料硅、鍺硅、絕緣層上的硅襯底等構(gòu)成，也可包括化合物半導(dǎo)體材料，如三五族、二六族、碳化硅等材料，以及新型二維半導(dǎo)體材料，如石墨烯、二硫化鉬、二硒化鎢、黑磷等材料；

對于上述步驟S101，其可采用化學(xué)氣相淀積合成石墨烯進(jìn)行轉(zhuǎn)移的方法以及金屬薄膜熱退火的方法，從而在襯底101上制備第一石墨烯層201；

在本實(shí)施例中，所述步驟S101具體為：

在一個(gè)額外的襯底上用濺射或蒸發(fā)方法淀積一層金屬鎳，厚度為50 nm-500 nm之間；然后將該襯底放入等離子氣相淀積設(shè)備，在氫氣氣氛的保護(hù)下升溫至900攝氏度，接著外加功率200W來用于激發(fā)等離子體，并通入甲烷等含有碳元素的氣體源，根據(jù)厚度需要保持氣體通入時(shí)間一般在10秒到5分鐘之間；最后關(guān)閉含碳?xì)怏w源、外加功率和加熱功率，將襯底溫度迅速下降至室溫，從而可制備厚度在3nm以上的多層石墨烯；之后采用在石墨烯上旋涂光刻膠或聚合物作為機(jī)械支撐，將襯底放入稀硝酸等溶液中腐蝕掉鎳金屬層，這樣漂浮在溶液表面的石墨烯層可以轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底101上，去除機(jī)械支撐層；接著則對樣品進(jìn)行多次清洗或進(jìn)行高溫300攝氏度下退火，用于提升石墨烯的質(zhì)量；

另外，對于上述在襯底101上制備第一石墨烯層201所采用的工藝過程，通過其制備參數(shù)的調(diào)整，也可在襯底101上制備出單層或少層石墨烯；

S102、如圖4所示，通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第一石墨烯層201上制備有圖形化的石墨烯互連線或石墨烯溝道，從而構(gòu)成第一石墨烯互連層102；

對于所述的步驟S102，其具體為：根據(jù)所需導(dǎo)線的具體形狀制造掩膜板，在石墨烯層上涂覆光刻膠；采用制造好的掩膜板進(jìn)行曝光、顯影和去膠等一系列步驟，將所需保留的石墨烯層用光刻膠覆蓋；利用等離子體進(jìn)行干法刻蝕，并去除光刻膠后得到第一石墨烯互連層102；其中，利用等離子體對第一石墨烯層進(jìn)行干法刻蝕，即石墨烯的刻蝕采用干法等離子體刻蝕方法，這過程中所采用的氣體可以是氧氣、氬氣、氫氣、氮?dú)?、碳?xì)浠衔锘蛱挤衔?，也可以是上述氣體的混合物，而光刻中采用光刻膠作為掩膜，這可便于刻蝕后的去除，另外，其也可采用光刻膠結(jié)合其他硬掩膜（如金屬、氮化硅等材料）來實(shí)現(xiàn)該掩膜；

S103、如圖5所示，在第一石墨烯互連層102的通孔連接位置上淀積催化劑401，其中，對于所述催化劑401，其形成的位置需要對應(yīng)于后續(xù)步驟形成的第一碳納米管互連通孔104的位置，而所述催化劑401可以是Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl等，也可以是上述材料的疊加；另外，所述催化劑401的制備，其可采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射的方法來制備，制備出的催化劑401的厚度為0.5 nm到10nm之間；

S104、如圖6所示，在襯底101上淀積第一互連介質(zhì)層103，令步驟S3中的第一石墨烯互連層102嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103的下表面；

其中，所述第一互連介質(zhì)層103可以為低介電常數(shù)的介質(zhì)材料，所述低介電常數(shù)的介質(zhì)材料包括但不限于多孔介質(zhì)材料、包含部分空氣隙的介質(zhì)材料等；所述第一互連介質(zhì)層103可通過氣相淀積、濺射等方式來制備，而制備出的第一互連介質(zhì)層103的厚度通常在200 nm到2μm之間，其也可以是在此范圍之外來滿足特殊應(yīng)用需求；

S105、如圖7所示，通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第一互連介質(zhì)層103中制備通孔，所述通孔對應(yīng)設(shè)置在第一石墨烯互連層的通孔連接位置上，其中，在第一互連介質(zhì)層103中所制備的通孔，其的位置對應(yīng)于圖5所示的淀積了催化劑401的位置；

對于所述步驟S105，即形成通孔的制造過程，其具體為：

在第一互連介質(zhì)層103上涂覆光刻膠后，進(jìn)行光刻、曝光、顯影，而所用掩膜板的圖形用于使得在顯影后獲得漏出通孔處的介質(zhì)層；之后采用干法等離子體進(jìn)行刻蝕形成通孔；

由于，干法等離子體刻蝕后要確保金屬催化劑未被刻蝕，因此在本實(shí)施例中，所采用的刻蝕工藝為：將電感耦合等離子體功率設(shè)為935 W，反應(yīng)等離子體功率設(shè)為100 W，氣體設(shè)為碳氟化合物10sccm和氫氣8 sccm，并通入氦氣174 sccm用于背面制冷；此工藝參數(shù)對金屬材料具有較高的刻蝕選擇比，并且結(jié)合了刻蝕終點(diǎn)的檢測技術(shù)，這樣在刻蝕完成后可以保留金屬催化劑；

S106、如圖8所示，基于所淀積的催化劑401，采用化學(xué)氣相淀積方法，在第一石墨烯互連層102的通孔連接位置上直接生長碳納米管701陣列，其中，所述化學(xué)氣相淀積方法包括等離子體化學(xué)氣相淀積方法、熱化學(xué)氣相淀積方法、微波等離子體化學(xué)氣相淀積方法等，當(dāng)采用等離子體化學(xué)氣相淀積方法時(shí)，其生長溫度可為350攝氏度到850攝氏度；

在本實(shí)施例中，化學(xué)氣相淀積方法中所采用的氣體和配比為甲烷30sccm：氮?dú)?5sccm：氫氣40sccm，生長時(shí)間為1分鐘，生長溫度為650攝氏度；生長完成后關(guān)閉甲烷和氮?dú)?，在氫氣氣氛中降至室溫；如圖8所示，在生長過程中催化劑顆粒702位于碳納米管701的頂部，而碳納米管701的根部則直接與第一石墨烯互連層102相連接；生長后的碳納米管701的長度并不完全一致，應(yīng)通過控制生長時(shí)間使得大部分碳納米管701長度高于第一互連介質(zhì)層103的厚度；

S107、如圖9所示，對碳納米管701陣列進(jìn)行介質(zhì)填充后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光工藝，從而形成第一碳納米管互連通孔104，其中，所述第一碳納米管互連通孔104用于第一互連介質(zhì)層103的上表面與第一石墨烯互連層102連通；

其中，所填充的介質(zhì)可以為二氧化硅、氮化硅和氧化鋁等，而介質(zhì)填充的方法可為原子層淀積技術(shù)、化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積技術(shù)等；在進(jìn)行介質(zhì)填充時(shí)，需根據(jù)碳納米管的間距來設(shè)定填充介質(zhì)的厚度，通常填充介質(zhì)的厚度為10nm～50nm范圍，而進(jìn)行介質(zhì)填充后則采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝來去除高出第一互連介質(zhì)層103的碳納米管部分，形成第一碳納米管互連通孔104；

S108、如圖10所示，在第一互連介質(zhì)層103上制備第二石墨烯層901，此實(shí)施例中，第二石墨烯層901實(shí)質(zhì)為頂端石墨烯層，即相當(dāng)于第一互連介質(zhì)層103和第一碳納米管互連通孔104上制備頂端石墨烯層；

對于步驟S108，采用化學(xué)氣相淀積方法和金屬薄膜熱退火方法，以直接生長的方式，從而在第一互連介質(zhì)層103上形成第二石墨烯層901，其與第一碳納米管互連通孔104直接連通；

在本實(shí)施例中，所述第二石墨烯層901的制備步驟具體為：在第一互連介質(zhì)層103上淀積一層金屬Ni，厚度為50 nm～500 nm；然后準(zhǔn)備碳源材料，執(zhí)行淀積一層碳層、淀積類金剛石薄膜、離子注入碳材料等步驟；接著在保護(hù)氣體中對金屬Ni進(jìn)行熱退火處理，溫度為600攝氏度～1000攝氏度；其后使用稀硝酸等溶液去除上層金屬Ni，在Ni與第一互連介質(zhì)層103的界面處生長有多層的第二石墨烯層901；

S109、通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第二石墨烯層901上制備有圖形化的石墨烯互連層，從而構(gòu)成頂端互連層110，此時(shí)，第一碳納米管互連通孔104將第一石墨烯互連層102與頂端互連層110連通；對于步驟S109中的頂端互連層110的制備過程，其與步驟S102中第一石墨烯互連層102的制備過程相同；

通過上述制造步驟，其最后制備得出的互連結(jié)構(gòu)如圖1所示。

實(shí)施例4

針對上述實(shí)施例2所述的互連結(jié)構(gòu)的制造方法，其具體包括有：

S201、如圖3所示，在襯底101上制備第一石墨烯層201，其中，所述襯底101可由半導(dǎo)體材料硅、鍺硅、絕緣層上的硅襯底等構(gòu)成，也可包括化合物半導(dǎo)體材料，如三五族、二六族、碳化硅等材料，以及新型二維半導(dǎo)體材料，如石墨烯、二硫化鉬、二硒化鎢、黑磷等材料；

對于上述步驟S201，其可采用化學(xué)氣相淀積合成石墨烯進(jìn)行轉(zhuǎn)移的方法以及金屬薄膜熱退火的方法，從而在襯底101上制備第一石墨烯層201；

在本實(shí)施例中，所述步驟S201具體為：

在一個(gè)額外的襯底上用濺射或蒸發(fā)方法淀積一層金屬鎳，厚度為50 nm-500 nm之間；然后將該襯底放入等離子氣相淀積設(shè)備，在氫氣氣氛的保護(hù)下升溫至900攝氏度，接著外加功率200W來用于激發(fā)等離子體，并通入甲烷等含有碳元素的氣體源，根據(jù)厚度需要保持氣體通入時(shí)間一般在10秒到5分鐘之間；最后關(guān)閉含碳?xì)怏w源、外加功率和加熱功率，將襯底溫度迅速下降至室溫，從而可制備厚度在3nm以上的多層石墨烯；之后采用在石墨烯上旋涂光刻膠或聚合物作為機(jī)械支撐，將襯底放入稀硝酸等溶液中腐蝕掉鎳金屬層，這樣漂浮在溶液表面的石墨烯層可以轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底101上，去除機(jī)械支撐層；接著則對樣品進(jìn)行多次清洗或進(jìn)行高溫300攝氏度下退火，用于提升石墨烯的質(zhì)量；

另外，對于上述在襯底101上制備第一石墨烯層201所采用的工藝過程，通過其制備參數(shù)的調(diào)整，也可在襯底101上制備出單層或少層石墨烯；

S202、如圖4所示，通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第一石墨烯層201上制備有圖形化的石墨烯互連線和石墨烯溝道，從而構(gòu)成第一石墨烯互連層102；

對于所述的步驟S202，其具體為：根據(jù)所需導(dǎo)線的具體形狀制造掩膜板，在石墨烯層上涂覆光刻膠；采用制造好的掩膜板進(jìn)行曝光、顯影和去膠等一系列步驟，將所需保留的石墨烯層用光刻膠覆蓋；利用等離子體進(jìn)行干法刻蝕，并去除光刻膠后得到第一石墨烯互連層102；其中，利用等離子體對第一石墨烯層進(jìn)行干法刻蝕，即石墨烯的刻蝕采用干法等離子體刻蝕方法，這過程中所采用的氣體可以是氧氣、氬氣、氫氣、氮?dú)?、碳?xì)浠衔锘蛱挤衔?，也可以是上述氣體的混合物，而光刻中采用光刻膠作為掩膜，這可便于刻蝕后的去除，另外，其也可采用光刻膠結(jié)合其他硬掩膜（如金屬、氮化硅等材料）來實(shí)現(xiàn)該掩膜；

S203、如圖5所示，在第一石墨烯互連層102的通孔連接位置上淀積催化劑401，其中，對于所述催化劑401，其形成的位置需要對應(yīng)于后續(xù)步驟形成的第一碳納米管互連通孔104的位置，而所述催化劑401可以是Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl等，也可以是上述材料的疊加；另外，所述催化劑401的制備，其可采用真空蒸發(fā)或?yàn)R射的方法來制備，制備出的催化劑401的厚度為0.5 nm到10nm之間；

S204、如圖6所示，在襯底101上淀積第一互連介質(zhì)層103，令步驟S3中的第一石墨烯互連層102嵌入設(shè)置在第一互連介質(zhì)層103的下表面；

其中，所述第一互連介質(zhì)層103可以為低介電常數(shù)的介質(zhì)材料，所述低介電常數(shù)的介質(zhì)材料包括但不限于多孔介質(zhì)材料、包含部分空氣隙的介質(zhì)材料等；所述第一互連介質(zhì)層103可通過氣相淀積、濺射等方式來制備，而制備出的第一互連介質(zhì)層103的厚度通常在200 nm到2μm之間，其也可以是在此范圍之外來滿足特殊應(yīng)用需求；

S205、如圖7所示，通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第一互連介質(zhì)層103中制備通孔，所述通孔對應(yīng)設(shè)置在第一石墨烯互連層的通孔連接位置上，其中，在第一互連介質(zhì)層103中所制備的通孔，其的位置對應(yīng)于圖5所示的淀積了催化劑401的位置；

對于所述步驟S205，即形成通孔的制造過程，其具體為：

在第一互連介質(zhì)層103上涂覆光刻膠后，進(jìn)行光刻、曝光、顯影，而所用掩膜板的圖形用于使得在顯影后獲得漏出通孔處的介質(zhì)層；之后采用干法等離子體進(jìn)行刻蝕形成通孔；

由于，干法等離子體刻蝕后要確保金屬催化劑未被刻蝕，因此在本實(shí)施例中，所采用的刻蝕工藝為：將電感耦合等離子體功率設(shè)為935 W，反應(yīng)等離子體功率設(shè)為100 W，氣體設(shè)為碳氟化合物10sccm和氫氣8 sccm，并通入氦氣174 sccm用于背面制冷；此工藝參數(shù)對金屬材料具有較高的刻蝕選擇比，并且結(jié)合了刻蝕終點(diǎn)的檢測技術(shù)，這樣在刻蝕完成后可以保留金屬催化劑；

S206、如圖8所示，基于所淀積的催化劑401，采用化學(xué)氣相淀積方法，在第一石墨烯互連層102的通孔連接位置上直接生長碳納米管701陣列，其中，所述化學(xué)氣相淀積方法包括等離子體化學(xué)氣相淀積方法、熱化學(xué)氣相淀積方法、微波等離子體化學(xué)氣相淀積方法等，當(dāng)采用等離子體化學(xué)氣相淀積方法時(shí)，其生長溫度可為350攝氏度到850攝氏度；

在本實(shí)施例中，化學(xué)氣相淀積方法中所采用的氣體和配比為甲烷30sccm：氮?dú)?5sccm：氫氣40sccm，生長時(shí)間為1分鐘，生長溫度為650攝氏度；生長完成后關(guān)閉甲烷和氮?dú)?，在氫氣氣氛中降至室溫；如圖8所示，在生長過程中催化劑顆粒702位于碳納米管701的頂部，而碳納米管701的根部則直接與第一石墨烯互連層102相連接；生長后的碳納米管701的長度并不完全一致，應(yīng)通過控制生長時(shí)間使得大部分碳納米管701長度高于第一互連介質(zhì)層103的厚度；

S207、如圖9所示，對碳納米管701陣列進(jìn)行介質(zhì)填充后進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光工藝，從而形成第一碳納米管互連通孔104，其中，所述第一碳納米管互連通孔104用于第一互連介質(zhì)層103的上表面與第一石墨烯互連層102連通；

其中，所填充的介質(zhì)可以為二氧化硅、氮化硅和氧化鋁等，而介質(zhì)填充的方法可為原子層淀積技術(shù)、化學(xué)氣相淀積或物理氣相淀積技術(shù)等；在進(jìn)行介質(zhì)填充時(shí)，需根據(jù)碳納米管的間距來設(shè)定填充介質(zhì)的厚度，通常填充介質(zhì)的厚度為10nm～50nm范圍，而進(jìn)行介質(zhì)填充后則采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝來去除高出第一互連介質(zhì)層103的碳納米管部分，形成第一碳納米管互連通孔104；

S208、如圖10所示，在第一互連介質(zhì)層103上制備第二石墨烯層901，此實(shí)施例中，第二石墨烯層901實(shí)質(zhì)為用于制備第二互連結(jié)構(gòu)中的第二石墨烯互連層105，即相當(dāng)于第一互連介質(zhì)層103和第一碳納米管互連通孔104上制備第二石墨烯層901；

對于步驟S208，采用化學(xué)氣相淀積方法和金屬薄膜熱退火方法，以直接生長的方式，從而在第一互連介質(zhì)層103上形成第二石墨烯層901，其與第一碳納米管互連通孔104直接連通；

在本實(shí)施例中，所述第二石墨烯層901的制備步驟具體為：在第一互連介質(zhì)層103上淀積一層金屬Ni，厚度為50 nm～500 nm；然后準(zhǔn)備碳源材料，執(zhí)行淀積一層碳層、淀積類金剛石薄膜、離子注入碳材料等步驟；接著在保護(hù)氣體中對金屬Ni進(jìn)行熱退火處理，溫度為600攝氏度～1000攝氏度；其后使用稀硝酸等溶液去除上層金屬Ni，在Ni與第一互連介質(zhì)層103的界面處生長有多層的第二石墨烯層901；

S209、如圖11所示，通過光刻和刻蝕等工藝步驟，在第二石墨烯層901上制備有圖形化的石墨烯互連層，從而構(gòu)成第二石墨烯互連層105，此時(shí)，第一碳納米管互連通孔104將第一石墨烯互連層102與第二石墨烯互連層105連通；對于步驟S209中的第二石墨烯互連層105的制備過程，其與步驟S202中第一石墨烯互連層102的制備過程相同；

S210、采用步驟S203至步驟S207的制備過程來實(shí)現(xiàn)第二互連介質(zhì)層106和第二碳納米管互連通孔107的制備；

S211、采用步驟S208的石墨烯層制備過程來實(shí)現(xiàn)在第二互連介質(zhì)層106上制備出第三石墨烯層，此時(shí)，所述的第三石墨烯層為頂端石墨烯層，然后，采用步驟S209的石墨烯互連層制備過程來實(shí)現(xiàn)將頂端石墨烯層制備成頂端互連層110；

通過上述制造步驟，其最后制備得出的互連結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由上述實(shí)施例4的互連結(jié)構(gòu)制造方法步驟可得，當(dāng)互連結(jié)構(gòu)的個(gè)數(shù)大于2時(shí)，則在制備完第一互連結(jié)構(gòu)之后，以及在制備頂端互連層110之前，重復(fù)執(zhí)行步驟S208~210的制備過程，構(gòu)成相應(yīng)層數(shù)的互連結(jié)構(gòu)便可。

實(shí)施例5

當(dāng)采用本發(fā)明制造方法來在襯底上制備多層石墨烯，且襯底材料為硅上的氧化層襯底時(shí)，制備得出的在襯底上的多層石墨烯，其透射電鏡照片如圖12所示。其中，圖中標(biāo)號111標(biāo)識的是硅上的氧化層襯底，而標(biāo)號112所標(biāo)識的是多層石墨烯。

實(shí)施例6

當(dāng)采用本發(fā)明制造方法在多層石墨烯上濺射制備2nm的Fe催化劑，然后在化學(xué)氣相淀積設(shè)備中進(jìn)行高溫退火后的表面掃描電鏡圖如圖13所示。在圖13中可得出，在高溫退火后，淀積的Fe薄膜形成納米顆粒，這可用于后續(xù)步驟的碳納米管生長。

實(shí)施例7

圖14所示為在多層石墨烯上直接生長的碳納米管的橫截面掃描電鏡圖片。其中，生長采用Fe催化劑2 nm，生長溫度700攝氏度，生長時(shí)間為3分鐘，而通過此具體方法所生長的碳納米管具有良好的垂直取向，能滿足碳納米管互連通孔的要求。另外，由于催化劑顆粒在生長后位于碳納米管頂部，在后續(xù)拋光步驟中可以去除，因此在最終制造出的互連結(jié)構(gòu)中，在互連介質(zhì)層之間的界面處完全去除了金屬材料的影響，實(shí)現(xiàn)了碳納米管和石墨烯的無縫連接。

以上是對本發(fā)明的較佳實(shí)施進(jìn)行了具體說明，但本發(fā)明創(chuàng)造并不限于所述實(shí)施例，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不違背本發(fā)明精神的前提下還可做作出種種的等同變形或替換，這些等同的變形或替換均包含在本申請權(quán)利要求所限定的范圍內(nèi)。