專利名稱：多層石墨烯垂直互連結構制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于半導體及微傳感器制作技術領域，涉及芯片間垂直互連結構的制作方法，特別涉及一種多層石墨烯垂直互連結構制作方法。
背景技術：
芯片間的垂直互連是一種三維芯片集成技術。有別于傳統(tǒng)封裝技術，它可以提供垂直方向的電學信號互連，降低互連寄生參數(shù)，提高系統(tǒng)工作速度，降低系統(tǒng)功耗。芯片間垂直互連結構的制作方法主要包括在芯片上制作通孔、在通孔中淀積絕緣層以及通孔填充等工藝。填充通孔的導電材料一般是金屬，比如銅或鎢，也可以是摻雜多晶硅等材料。金屬銅填充通孔是最為普遍的做法，如美國專利US7498258中所揭露的，利用電鍍銅工藝，可以獲得低成本高性能的通孔填充。但金屬銅與硅襯底的熱膨脹系數(shù)失配較大， 存在可靠性問題，另外，銅填充垂直互連間的電感、電容耦合以及與硅襯底的耦合較大，對高頻電學性能有較大的影響。石墨烯由于其特有的彈道輸運機制，具有非常高的電導率，適合于用作芯片上的互連導電材料。如美國專利申請US20110101528中所揭露的，利用石墨烯制作芯片上的水平互連，而垂直互連仍采用傳統(tǒng)的金屬銅、鎢或鋁等材料。這樣雖然水平方向的互連具有非常高的電導率，但相對低電導率的垂直互連仍降低了整體電學性能，而且在水平石墨烯互連與垂直金屬互連的連接處會產生信號反射，對高頻電學性能有較大的影響。

發(fā)明內容
(一)要解決的技術問題本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術中的問題，提供一種多層石墨烯垂直互連結構制作方法，可以提高垂直互連結構的電信號傳輸性能。( 二 )技術方案為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供一種多層石墨烯垂直互連結構制作方法，包括步驟S101.在基片上制作垂直孔；S102.在所述基片的表面上制作催化層，所述催化層覆蓋所述垂直孔的內表面；S103.在所述催化層上制作石墨烯層；S104.重復制作催化層和石墨烯層，直到獲得所需的導電效果；S105.對垂直孔進行填充，直到獲得對垂直孔所需的填充效果。優(yōu)選地，在所述步驟S102制作催化層之前還包括步驟在所述基片的表面上制作絕緣層。優(yōu)選地，每次制作催化層和石墨烯層前還制作一層絕緣層。優(yōu)選地，每次重復制作若干層催化層和石墨烯層前還制作一層絕緣層。優(yōu)選地，所述垂直孔為通孔或盲孔。
優(yōu)選地，所述垂直孔為盲孔；所述步驟S105后還包括S106 對基片從盲孔不通的表面開始減薄至暴露出填充材料，并在該表面制作絕緣層和互連。優(yōu)選地，所述基片為不限于硅或鍺的單質半導體材料，或砷化鎵、磷化銦或氮化鎵的化合物半導體材料，或鈦、鉬、鎳、鉻、鎢或銅的金屬材料或其合金，或玻璃或石英的絕緣材料。優(yōu)選地，所述基片為裸片，或在基片的第一表面和/或第二表面上有制作完成有半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構，或設有焊盤或鈍化層；所述基片也可以是上述一種或幾種基片鍵合而成的。優(yōu)選地，在制作催化層之前先制作一層阻擋層，在制作阻擋層之前先制作一層粘附層。優(yōu)選地，制作出的石墨烯層只包含一層碳原子或包含多層碳原子。(三)有益效果根據(jù)本發(fā)明多層石墨烯垂直互連結構制作方法制作的基片，采用晶圓到晶圓 (Wafer to Wafer)、芯片到晶圓(Chip to Wafer)或芯片到芯片(Chip to Chip)的方式進行堆疊，形成基于多層石墨烯垂直互連的三維集成結構，可以提高垂直互連結構的電信號傳輸性能。1、石墨烯由于其特有的彈道疏運機制，具有非常高的電導率、電子遷移率以及電子飽和速率，有利于提高電信號傳輸性能，特別有利于高頻高速電信號的傳輸；2、單層石墨烯可以承載非常高的電流密度，多層石墨烯結構可以進一步提升其總體電流承載能力，有利于提高垂直互連結構的功率承載；3、石墨烯具有非常高的熱導率，多層石墨烯結構可以進一步提高其導熱能力，有利于提高芯片整體的熱傳導能力，芯片散熱效果好；4、石墨烯具有無電遷移問題的特點，可以在大電流密度下長時間工作，有利于提高垂直互連結構的電學可靠性；5、石墨烯具有良好的化學惰性，不會發(fā)生表面氧化反應，而且致密的石墨烯可以阻止大多數(shù)化學物質的滲透，有利于提高垂直互連結構在惡劣環(huán)境下的可靠性；6、通過在多層石墨烯間制作絕緣層，提供了一種多通道多層石墨烯垂直互連結構，可以在一個垂直孔中傳導多路電信號，有利于提高垂直電信號傳輸通路密度；7、多層石墨烯垂直互連結構可以和多層水平石墨烯互連結構同時制作，實現(xiàn)全石墨烯互連，在水平互連與垂直互連連接處沒有材料轉變或界面，特別有利于高頻高速電信號的傳輸。


圖1是本發(fā)明方法的流程圖；圖Ia是實施例1中在基片上制作通孔的示意圖；圖Ib是實施例1中在基片上制作絕緣層的示意圖；圖Ic是實施例1中在絕緣層上制作催化層的示意圖；圖Id是實施例1中在催化層上制作石墨烯的示意圖；圖Ie是實施例1中在石墨烯上接著制作催化層的示意圖；圖If是實施例1中在催化層上接著制作石墨烯的示意圖；圖Ig是實施例1中接著制作多層催化層和石墨烯的示意圖；圖Ih是實施例1中在對通孔進行填充的示意圖加是實施例2中在石墨烯上接著制作絕緣層的示意圖；圖2b是實施例2中在絕緣層上接著制作催化層的示意圖；圖2c是實施例2中在催化層上截至制作石墨烯的示意圖；圖2d是實施例2中接著制作多層絕緣層、催化層和石墨烯的示意圖；圖2e是實施例2中在對通孔進行填充的示意圖；圖3a是實施例3中在石墨烯上接著制作絕緣層的示意圖；圖北是實施例3中在絕緣層上接著制作多層催化層和石墨烯的示意圖；圖3c是實施例3中在對通孔進行填充的示意圖；圖如是實施例4中在基片上制作盲孔的示意圖；圖4b是實施例4中在基片上制作絕緣層的示意圖；圖如是實施例4中在絕緣層上制作催化層的示意圖；圖4d是實施例4中在催化層上制作石墨烯的示意圖；圖如是實施例4中在石墨烯上接著制作催化層的示意圖；圖4f是實施例4中在催化層上接著制作石墨烯的示意圖；圖4g是實施例4中接著制作多層催化層和石墨烯的示意圖；圖4h是實施例4中在對盲孔進行填充的示意圖；圖4i是實施例4中對基片正面進行平坦化并制作水平互連的示意圖；圖4j是實施例4中對基片背面進行減薄和拋光，并制作絕緣層和水平互連的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不是限制本發(fā)明的范圍。如圖1所示，本發(fā)明所述的多層石墨烯垂直互連結構制作方法，包括步驟S101. 在基片上制作垂直孔；S102.在所述基片的表面上制作催化層，所述催化層覆蓋所述垂直孔的內表面；S103.在所述催化層上制作石墨烯層；S104.重復制作催化層和石墨烯層，直到獲得所需的導電效果；S105.對垂直孔進行填充，直到獲得對垂直孔所需的填充效果。在一實施例中，在所述步驟S102制作催化層之前還包括步驟在所述基片的表面上制作絕緣層。在另一實施例中，每次制作催化層和石墨烯層前都制作一層絕緣層。在又一實施例中，每次重復制作若干層催化層和石墨烯層前還制作一層絕緣層。在再一實施例中所述步驟S105后還包括S106 對基片從盲孔不通的表面開始減薄至暴露出填充材料，并在該表面制作絕緣層和互連。在本發(fā)明的實施例中，所述垂直孔為通孔或盲孔。實施例1 1)首先，如圖Ia所示，提供一基片110，制作通孔120?；梢允前雽w材料，如硅、鍺等單質半導體，或砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等化合物半導體；也可以是金屬材料，如鈦、 鉬、鎳、鉻、鎢、銅等或其合金；還可以是玻璃或石英等絕緣材料?；话闶菆A形，有為了區(qū)分或對準晶相而制作的缺口或對準邊，基片直徑常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300毫米、450毫米等?；梢允菢藴屎穸鹊?，從400微米到1000微米不等，也可以是經過減薄的，厚度從10微米到400微米不等?；?10有第一基片表面111和第二基片表面112， 第一基片表面111和/或第二基片表面112上可以有制作完成的半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構。第一基片表面111和/或第二基片表面112上還可以有焊盤或鈍化層。基片110包含一個及以上的通孔120，通孔120的直徑從1微米到1000微米不等，其橫截面一般是圓形或方形，也可以是長方形、六邊形或八邊形等其它形狀；其縱剖面可以是上下一樣寬的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形狀；通孔120的深度不小于其直徑，一般為其直徑的1倍到50倍。通孔120可以用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法制作。通孔120的側壁121可以是粗糙的或有波紋的，不一定是如圖所示光滑的表面。2)接著，如圖Ib所示，在第一基片表面111、第二基片表面112以及通孔側壁121 上制作絕緣層210 (此步驟為優(yōu)選的)。絕緣層210可以采用干氧熱氧化、濕氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化硅 Si02、氮化硅Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或復合絕緣層。對絕緣層210可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣Cl2、六氟化硫SF6、 四氟化碳C4F8、氫氟酸HF、磷酸H3P04、硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HCl、醋酸CH3C00H、雙氧水H202、氫氧化鉀KOH等，但并不限于上述幾種材料。3)接著，如圖Ic所示，在絕緣層210上制作催化層310。催化層310可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積 (PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、!^、CU、RU等，但并不限于上述幾種材料。催化層 310可以包含一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN,RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述幾種材料。催化層310還可以包含一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、 Pt、Cr、Au等，但并不限于上述幾種材料。對催化層310可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳 C4F8等，但并不限于上述幾種材料。4)接著，如圖Id所示，在催化層310上制作石墨烯410。石墨烯410可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、靜電沉積、激光沉積、襯底轉移、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷 CH4、氧氣02等，但并不限于上述幾種材料。石墨烯410的制作步驟還可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯410可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯410可以進行圖形化。圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣 C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
5)接著，如圖Ie所示，在石墨烯410上制作催化層320。催化層320的結構、制作方法和材料與催化層310相同。催化層320可以包含一層阻擋層和一層粘附層，在圖中沒有畫出。阻擋層和粘附層的制作方法和材料與催化層310包含的阻擋層和粘附層相同。對催化層320可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對催化層310進行圖形化的相同。
6)接著，如圖If所示，在催化層320上制作石墨烯420。石墨烯420的制作方法和材料與石墨烯410相同，石墨烯420的制作步驟同樣也可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯420可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯420可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對石墨烯410進行圖形化的相同。
7)接著，如圖Ig所示，在石墨烯420上制作催化層330，在催化層330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化層340，在催化層340上制作石墨烯440。催化層330和 340的結構、制作方法和材料與催化層310相同。催化層330和340可以包含一層阻擋層和一層粘附層，在圖中沒有畫出。阻擋層和粘附層的制作方法和材料與催化層310包含的阻擋層和粘附層相同。對催化層330和340可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對催化層310進行圖形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料與石墨烯410相同， 石墨烯430和440的制作步驟同樣也可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯430和440可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對石墨烯410進行圖形化的相同。
8)接著，如圖Ih所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以采用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)、等離子增強化學氣相淀積(PECVD)或電鍍等方法制作。還可以包含一步化學機械拋光(CMP)將多于的填充材料去除。
9)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括鈍化層 (passivation)制作、重布線層(RDL)制作、焊盤(PAD)制作、微凸點(micro-bump)制作、劃片、三維堆疊(stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它硅通孔互連三維集成技術的制作工藝。在此不再贅述。
實施例2
1)根據(jù)實施例1的步驟1)至步驟4)，在基片上制作通孔，并依次制作絕緣層、催化層和石墨烯。接著，如圖加所示，在石墨烯410上制作絕緣層220。絕緣層220可以采用干氧熱氧化、濕氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化硅Si02、氮化硅Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚酰亞胺 (PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或復合絕緣層。對絕緣層220可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氫氟酸HF、磷酸H3P04、硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HCl、醋酸CH3C00H、雙氧水H202、氫氧化鉀KOH等，但并不限于上述幾種材料。
2)接著，如圖2b所示，在絕緣層220上制作催化層320。催化層320可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積 (PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、!^、CU、RU等，但并不限于上述幾種材料。催化層 320可以包含一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN,RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述幾種材料。催化層320還可以包含一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、 Pt、Cr、Au等，但并不限于上述幾種材料。對催化層320可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳 C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
3)接著，如圖2c所示，在催化層320上制作石墨烯420。石墨烯420可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、靜電沉積、激光沉積、襯底轉移、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷 CH4、氧氣02等，但并不限于上述幾種材料。石墨烯420的制作步驟還可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯420可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯420可以進行圖形化。圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、 激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣 C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
4)接著，如圖2d所示，在石墨烯420上制作絕緣層230，在絕緣層230上制作催化層330，在催化層330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作絕緣層M0，在絕緣層240上制作催化層340，在催化層340上制作石墨烯440。絕緣層230和MO的結構、制作方法和材料與絕緣層220相同。對絕緣層230和240可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對絕緣層220進行圖形化的相同。催化層330和340的結構、制作方法和材料與催化層 320相同。催化層330和340可以包含一層阻擋層和一層粘附層，在圖中沒有畫出。阻擋層和粘附層的制作方法和材料與催化層320包含的阻擋層和粘附層相同。對催化層330和 340可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對催化層320進行圖形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料與石墨烯420相同，石墨烯430和440的制作步驟同樣也可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯430 和440可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯430和440可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對石墨烯420進行圖形化的相同。
5)接著，如圖加所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以采用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)、等離子增強化學氣相淀積(PECVD)或電鍍等方法制作。還可以包含一步化學機械拋光(CMP)將多于的填充材料去除。
6)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括鈍化層 (passivation)制作、重布線層(RDL)制作、焊盤(PAD)制作、微凸點(micro-bump)制作、劃片、三維堆疊(stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它硅通孔互連三維集成技術的制作工藝。在此不再贅述。
實施例3
1)根據(jù)實施例1的步驟1)至步驟6)，在基片上制作通孔，并依次制作絕緣層、催化層、石墨烯、催化層和石墨烯。接著，如圖3a所示，在石墨烯420上制作絕緣層250。絕緣層250可以采用干氧熱氧化、濕氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化硅Si02、氮化硅Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或復合絕緣層。對絕緣層250可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括氬氣Ar、 氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氫氟酸HF、磷酸H3P04、 硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HC1、醋酸CH3C00H、雙氧水H202、氫氧化鉀KOH等，但并不限于上述幾種材料。
2)接著，如圖北所示，在絕緣層250上制作催化層330，在催化層330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化層340，在催化層340上制作石墨烯440。催化層330和340 可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、!^、CU、RU等，但并不限于上述幾種材料。 催化層330和340可以包含一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以采用物理氣相淀積 (PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述幾種材料。催化層330 和340還可以包含一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但并不限于上述幾種材料。對催化層330和340可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、氟化氫HF、 六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述幾種材料。石墨烯430和440可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、靜電沉積、激光沉積、襯底轉移、化學氣相淀積(CVD) 或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷CH4、氧氣02等，但并不限于上述幾種材料。石墨烯430和440的制作步驟還可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯430和440可以進行圖形化。圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、 深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣 02、氮氣N2、氦氣He、氯氣Cl2、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
3)接著，如圖3c所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以采用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)、等離子增強化學氣相淀積(PECVD)或電鍍等方法制作。還可以包含一步化學機械拋光(CMP)將多于的填充材料去除。
4)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括鈍化層 (passivation)制作、重布線層(RDL)制作、焊盤(PAD)制作、微凸點(micro-bump)制作、劃片、三維堆疊(stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它硅通孔互連三維集成技術的制作工藝。在此不再贅述。
實施例4
1)首先，如圖如所示，提供一基片110，制作盲孔130?；梢允前雽w材料，如硅、鍺等單質半導體，或砷化鎵、磷化銦、氮化鎵等化合物半導體；也可以是金屬材料，如鈦、 鉬、鎳、鉻、鎢、銅等或其合金；還可以是玻璃或石英等絕緣材料?；话闶菆A形，有為了區(qū)分或對準晶相而制作的缺口或對準邊，基片直徑常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300 毫米、450毫米等?；梢允菢藴屎穸鹊?，從400微米到1000微米不等，也可以是經過減薄的，厚度從10微米到400微米不等。基片110有第一基片表面111和第二基片表面112， 第一基片表面111和/或第二基片表面112上可以有制作完成的半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構。第一基片表面111和/或第二基片表面112上還可以有焊盤或鈍化層?；?10包含一個及以上的通孔130，通孔130的直徑從1微米到1000微米不等，其橫截面一般是圓形或方形，也可以是長方形、六邊形或八邊形等其它形狀；其縱剖面可以是上下一樣寬的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形狀；盲孔130的深度不小于其直徑，一般為其直徑的1倍到50倍。盲孔130可以用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法制作。盲孔130的側壁131可以是粗糙的或有波紋的，不一定是如圖所示光滑的表面。盲孔130的底部132可以包含在基片內部(如圖加所示)，也可以是在第二基片表面112上制作的多層電學互連的互連線或焊盤(PAD)。
2)接著，如圖4b所示，在第一基片表面111以及盲孔側壁131和底部132上制作絕緣層210。絕緣層210可以采用干氧熱氧化、濕氧熱氧化、氫氧合成熱氧化、物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是無機物或有機物，其中無機物例如氧化硅Si02、氮化硅Si3N4、氧化鋁A1203，有機物例如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)或光刻膠，也可以是上述材料的混合物或復合絕緣層。對絕緣層210可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氫氟酸 HF、磷酸H3P04、硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HC1、醋酸CH3C00H、雙氧水H202、氫氧化鉀KOH 等，但并不限于上述幾種材料。
3)接著，如圖如所示，在絕緣層210上制作催化層310。催化層310可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積 (PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、!^、CU、RU等，但并不限于上述幾種材料。催化層310可以包含一層阻擋層，在圖中沒有畫出。阻擋層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述幾種材料。催化層310還可以包含一層粘附層，圖中沒有畫出。粘附層可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、 Pt、Cr、Au等，但并不限于上述幾種材料。對催化層310可以進行圖形化，圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳 C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
4)接著，如圖4d所示，在催化層310上制作石墨烯410。石墨烯410可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、靜電沉積、激光沉積、襯底轉移、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳C02、甲烷 CH4、氧氣02等，但并不限于上述幾種材料。石墨烯410的制作步驟還可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯410可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯410可以進行圖形化。圖形化可以采用反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、 激光燒蝕、濕法腐蝕或剝離等方法，使用的材料包括氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣 C12、氟化氫HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述幾種材料。
5)接著，如圖如所示，在石墨烯410上制作催化層320。催化層320的結構、制作方法和材料與催化層310相同。催化層320可以包含一層阻擋層和一層粘附層，在圖中沒有畫出。阻擋層和粘附層的制作方法和材料與催化層310包含的阻擋層和粘附層相同。對催化層320可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對催化層310進行圖形化的相同。
6)接著，如圖4f所示，在催化層320上制作石墨烯420。石墨烯420的制作方法和材料與石墨烯410相同，石墨烯420的制作步驟同樣也可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯420可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯420可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對石墨烯410進行圖形化的相同。
7)接著，如圖4g所示，在石墨烯420上制作催化層330，在催化層330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化層340，在催化層340上制作石墨烯440。催化層330和 340的結構、制作方法和材料與催化層310相同。催化層330和340可以包含一層阻擋層和一層粘附層，在圖中沒有畫出。阻擋層和粘附層的制作方法和材料與催化層310包含的阻擋層和粘附層相同。對催化層330和340可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對催化層310進行圖形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料與石墨烯410相同， 石墨烯430和440的制作步驟同樣也可以包括制作之前的表面活化處理，以及制作之后的表面修飾處理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一層碳原子，也可以包含若干層碳原子，一般小于9層，與制作的方法以及使用的催化層有關。對石墨烯430和440可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對石墨烯410進行圖形化的相同。
8)接著，如圖4h所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是導電或不導電的有機物填充，如聚酰亞胺(PI)、聚對二甲苯(parylene)、聚苯并環(huán)丁烯(BCB)、光刻膠或導電膠等，也可以采用金屬，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)、等離子增強化學氣相淀積(PECVD)或電鍍等方法制作。
9)接著，如圖4i所示，對填充材料510、石墨烯440、430、420、410、催化層；340、 330、320、310進行平坦化，并制作互連610。平坦化可以采用研磨、拋光、化學機械拋光 (CMP)、反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括砂輪、砂紙、研磨液、拋光液、氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣C12、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氫氟酸HF、磷酸H3P04、硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HCl、醋酸CH3C00H、雙氧水 H202、氫氧化鉀KOH等，但并不限于上述幾種材料?；ミB610可以采用物理氣相淀積(PVD)、 原子層淀積(ALD)、化學氣相淀積(CVD)或等離子增強化學氣相淀積(PECVD)等方法制作， 材料可以是Al、Ni、Cu、Au、Pt、W、Ti、摻雜多晶硅等，但并不限于上述幾種材料?；ミB610 制作后也可以包含一步平坦化工藝?；ミB610可以制作多層。
10)接著，如圖4j所示，對基片110從第二表面112開始減薄至暴露出填充材料 510，并在第二基片表面112上制作絕緣層260和互連620。減薄可以采用研磨、拋光、化學機械拋光(CMP)、反應離子刻蝕(RIE)、深反應離子刻蝕(DRIE)、或濕法腐蝕等方法，使用的材料包括砂輪、砂紙、研磨液、拋光液、氬氣Ar、氧氣02、氮氣N2、氦氣He、氯氣Cl2、六氟化硫 SF6、四氟化碳C4F8、氫氟酸HF、磷酸H3P04、硫酸H2S04、硝酸HN03、鹽酸HCl、醋酸CH3C00H、 雙氧水H202、氫氧化鉀KOH等，但并不限于上述幾種材料。絕緣層沈0的結構、制作方法和材料與絕緣層210相同。對絕緣層260可以進行圖形化，圖形化使用的方法和材料與對絕緣層210進行圖形化的相同。互連620的制作方法和材料與互連610相同?；ミB620制作后也可以包含一步平坦化工藝?；ミB620也可以制作多層。
11)接著可以進行垂直互連的三維集成技術的其它工藝步驟，包括鈍化層 (passivation)制作、重布線層(RDL)制作、焊盤(PAD)制作、微凸點(micro-bump)制作、劃片、三維堆疊(stacking)等步驟中的一步或若干步驟的任何順序的組合，也可以是其它硅通孔互連三維集成技術的制作工藝。在此不再贅述。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種多層石墨烯垂直互連結構制作方法，其特征在于，包括步驟5101.在基片上制作垂直孔；5102.在所述基片的表面上制作催化層，所述催化層覆蓋所述垂直孔的內表面；5103.在所述催化層上制作石墨烯層；5104.重復制作催化層和石墨烯層，直到獲得所需的導電效果；5105.對垂直孔進行填充，直到獲得對垂直孔所需的填充效果。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步驟S102制作催化層之前還包括步驟在所述基片的表面上制作絕緣層。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，每次制作催化層和石墨烯層前還制作一層絕緣層。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，每次重復制作若干層催化層和石墨烯層前還制作一層絕緣層。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述垂直孔為通孔或盲孔。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，所述垂直孔為盲孔；所述步驟S105后還包括S106 對基片從盲孔不通的表面開始減薄至暴露出填充材料，并在該表面制作絕緣層和互連。
7.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述基片為不限于硅或鍺的單質半導體材料，或砷化鎵、磷化銦或氮化鎵的化合物半導體材料，或鈦、鉬、鎳、鉻、鎢或銅的金屬材料或其合金，或玻璃或石英的絕緣材料。
8.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其特征在于，所述基片為裸片，或在基片的第一表面和/或第二表面上有制作完成有半導體器件、多層電學互連層或者微傳感器結構，或設有焊盤或鈍化層；所述基片也可以是上述一種或幾種基片鍵合而成的。
9.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其特征在于，在制作催化層之前先制作一層阻擋層，在制作阻擋層之前先制作一層粘附層。
10.如權利要求1-6中任意一項所述的方法，其特征在于，制作出的石墨烯層只包含一層碳原子或包含多層碳原子。
全文摘要
本發(fā)明是一種多層石墨烯垂直互連結構制作方法，包括步驟S101.在基片上制作垂直孔；S102.在所述基片的表面上制作催化層，所述催化層覆蓋所述垂直孔的內表面；S103.在所述催化層上制作石墨烯層；S104.重復制作催化層和石墨烯層，直到獲得所需的導電效果；S105.對垂直孔進行填充，直到獲得對垂直孔所需的填充效果。通過本發(fā)明可以提高垂直互連結構的電信號傳輸性能。
文檔編號H01L21/768GK102569183SQ20121005368
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月2日 優(yōu)先權日2012年3月2日
發(fā)明者孫新, 方孺牛, 朱韞暉, 繆旻, 金玉豐, 陳兢, 馬盛林 申請人:北京大學