CN102569183B - 多层石墨烯垂直互连结构制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种多层石墨烯垂直互连结构制作方法，包括步骤：S101.在基片上制作垂直孔；S102.在所述基片的表面上制作催化层，所述催化层覆盖所述垂直孔的内表面；S103.在所述催化层上制作石墨烯层；S104.重复制作催化层和石墨烯层，直到获得所需的导电效果；S105.对垂直孔进行填充，直到获得对垂直孔所需的填充效果。通过本发明可以提高垂直互连结构的电信号传输性能。

Description

多层石墨烯垂直互连结构制作方法

技术领域

本发明属于半导体及微传感器制作技术领域，涉及芯片间垂直互连结构的制作方法，特别涉及一种多层石墨烯垂直互连结构制作方法。

背景技术

芯片间的垂直互连是一种三维芯片集成技术。有别于传统封装技术，它可以提供垂直方向的电学信号互连，降低互连寄生参数，提高系统工作速度，降低系统功耗。芯片间垂直互连结构的制作方法主要包括在芯片上制作通孔、在通孔中淀积绝缘层以及通孔填充等工艺。填充通孔的导电材料一般是金属，比如铜或钨，也可以是掺杂多晶硅等材料。

金属铜填充通孔是最为普遍的做法，如美国专利US7498258中所揭露的，利用电镀铜工艺，可以获得低成本高性能的通孔填充。但金属铜与硅衬底的热膨胀系数失配较大，存在可靠性问题，另外，铜填充垂直互连间的电感、电容耦合以及与硅衬底的耦合较大，对高频电学性能有较大的影响。

石墨烯由于其特有的弹道输运机制，具有非常高的电导率，适合于用作芯片上的互连导电材料。如美国专利申请US20110101528中所揭露的，利用石墨烯制作芯片上的水平互连，而垂直互连仍采用传统的金属铜、钨或铝等材料。这样虽然水平方向的互连具有非常高的电导率，但相对低电导率的垂直互连仍降低了整体电学性能，而且在水平石墨烯互连与垂直金属互连的连接处会产生信号反射，对高频电学性能有较大的影响。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种多层石墨烯垂直互连结构制作方法，可以提高垂直互连结构的电信号传输性能。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种多层石墨烯垂直互连结构制作方法，包括步骤：

S101.在基片上制作垂直孔；

S102.在所述基片的表面上制作催化层，所述催化层覆盖所述垂直孔的内表面；

S103.在所述催化层上制作石墨烯层；

S104.重复制作催化层和石墨烯层，直到获得所需的导电效果；

S105.对垂直孔进行填充，直到获得对垂直孔所需的填充效果。

优选地，在所述步骤S102制作催化层之前还包括步骤：在所述基片的表面上制作绝缘层。

优选地，每次制作催化层和石墨烯层前还制作一层绝缘层。

优选地，每次重复制作若干层催化层和石墨烯层前还制作一层绝缘层。

优选地，所述垂直孔为通孔或盲孔。

优选地，所述垂直孔为盲孔；所述步骤S105后还包括S106：对基片从盲孔不通的表面开始减薄至暴露出填充材料，并在该表面制作绝缘层和互连。

优选地，所述基片为不限于硅或锗的单质半导体材料，或砷化镓、磷化铟或氮化镓的化合物半导体材料，或钛、钼、镍、铬、钨或铜的金属材料或其合金，或玻璃或石英的绝缘材料。

优选地，所述基片为裸片，或在基片的第一表面和/或第二表面上有制作完成有半导体器件、多层电学互连层或者微传感器结构，或设有焊盘或钝化层；所述基片也可以是上述一种或几种基片键合而成的。

优选地，在制作催化层之前先制作一层阻挡层，在制作阻挡层之前先制作一层粘附层。

优选地，制作出的石墨烯层只包含一层碳原子或包含多层碳原子。

(三)有益效果

根据本发明多层石墨烯垂直互连结构制作方法制作的基片，采用晶圆到晶圆(Wafer to Wafer)、芯片到晶圆(Chip to Wafer)或芯片到芯片(Chip to Chip)的方式进行堆叠，形成基于多层石墨烯垂直互连的三维集成结构，可以提高垂直互连结构的电信号传输性能。

1、石墨烯由于其特有的弹道疏运机制，具有非常高的电导率、电子迁移率以及电子饱和速率，有利于提高电信号传输性能，特别有利于高频高速电信号的传输；2、单层石墨烯可以承载非常高的电流密度，多层石墨烯结构可以进一步提升其总体电流承载能力，有利于提高垂直互连结构的功率承载；3、石墨烯具有非常高的热导率，多层石墨烯结构可以进一步提高其导热能力，有利于提高芯片整体的热传导能力，芯片散热效果好；4、石墨烯具有无电迁移问题的特点，可以在大电流密度下长时间工作，有利于提高垂直互连结构的电学可靠性；5、石墨烯具有良好的化学惰性，不会发生表面氧化反应，而且致密的石墨烯可以阻止大多数化学物质的渗透，有利于提高垂直互连结构在恶劣环境下的可靠性；6、通过在多层石墨烯间制作绝缘层，提供了一种多通道多层石墨烯垂直互连结构，可以在一个垂直孔中传导多路电信号，有利于提高垂直电信号传输通路密度；7、多层石墨烯垂直互连结构可以和多层水平石墨烯互连结构同时制作，实现全石墨烯互连，在水平互连与垂直互连连接处没有材料转变或界面，特别有利于高频高速电信号的传输。

附图说明

图1是本发明方法的流程图；

图1a是实施例1中在基片上制作通孔的示意图；

图1b是实施例1中在基片上制作绝缘层的示意图；

图1c是实施例1中在绝缘层上制作催化层的示意图；

图1d是实施例1中在催化层上制作石墨烯的示意图；

图1e是实施例1中在石墨烯上接着制作催化层的示意图；

图1f是实施例1中在催化层上接着制作石墨烯的示意图；

图1g是实施例1中接着制作多层催化层和石墨烯的示意图；

图1h是实施例1中在对通孔进行填充的示意图；

图2a是实施例2中在石墨烯上接着制作绝缘层的示意图；

图2b是实施例2中在绝缘层上接着制作催化层的示意图；

图2c是实施例2中在催化层上截至制作石墨烯的示意图；

图2d是实施例2中接着制作多层绝缘层、催化层和石墨烯的示意图；

图2e是实施例2中在对通孔进行填充的示意图；

图3a是实施例3中在石墨烯上接着制作绝缘层的示意图；

图3b是实施例3中在绝缘层上接着制作多层催化层和石墨烯的示意图；

图3c是实施例3中在对通孔进行填充的示意图；

图4a是实施例4中在基片上制作盲孔的示意图；

图4b是实施例4中在基片上制作绝缘层的示意图；

图4c是实施例4中在绝缘层上制作催化层的示意图；

图4d是实施例4中在催化层上制作石墨烯的示意图；

图4e是实施例4中在石墨烯上接着制作催化层的示意图；

图4f是实施例4中在催化层上接着制作石墨烯的示意图；

图4g是实施例4中接着制作多层催化层和石墨烯的示意图；

图4h是实施例4中在对盲孔进行填充的示意图；

图4i是实施例4中对基片正面进行平坦化并制作水平互连的示意图；

图4j是实施例4中对基片背面进行减薄和抛光，并制作绝缘层和水平互连的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不是限制本发明的范围。

如图1所示，本发明所述的多层石墨烯垂直互连结构制作方法，包括步骤：S101.在基片上制作垂直孔；S102.在所述基片的表面上制作催化层，所述催化层覆盖所述垂直孔的内表面；S103.在所述催化层上制作石墨烯层；S104.重复制作催化层和石墨烯层，直到获得所需的导电效果；S105.对垂直孔进行填充，直到获得对垂直孔所需的填充效果。

在一实施例中，在所述步骤S102制作催化层之前还包括步骤：在所述基片的表面上制作绝缘层。

在另一实施例中，每次制作催化层和石墨烯层前都制作一层绝缘层。

在又一实施例中，每次重复制作若干层催化层和石墨烯层前还制作一层绝缘层。

在再一实施例中所述步骤S105后还包括S106：对基片从盲孔不通的表面开始减薄至暴露出填充材料，并在该表面制作绝缘层和互连。

在本发明的实施例中，所述垂直孔为通孔或盲孔。

实施例1：

1)首先，如图1a所示，提供一基片110，制作通孔120。基片可以是半导体材料，如硅、锗等单质半导体，或砷化镓、磷化铟、氮化镓等化合物半导体；也可以是金属材料，如钛、钼、镍、铬、钨、铜等或其合金；还可以是玻璃或石英等绝缘材料。基片一般是圆形，有为了区分或对准晶相而制作的缺口或对准边，基片直径常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300毫米、450毫米等。基片可以是标准厚度的，从400微米到1000微米不等，也可以是经过减薄的，厚度从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导体器件、多层电学互连层或者微传感器结构。第一基片表面111和/或第二基片表面112上还可以有焊盘或钝化层。基片110包含一个及以上的通孔120，通孔120的直径从1微米到1000微米不等，其横截面一般是圆形或方形，也可以是长方形、六边形或八边形等其它形状；其纵剖面可以是上下一样宽的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形状；通孔120的深度不小于其直径，一般为其直径的1倍到50倍。通孔120可以用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法制作。通孔120的侧壁121可以是粗糙的或有波纹的，不一定是如图所示光滑的表面。

2)接着，如图1b所示，在第一基片表面111、第二基片表面112以及通孔侧壁121上制作绝缘层210(此步骤为优选的)。绝缘层210可以采用干氧热氧化、湿氧热氧化、氢氧合成热氧化、物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是无机物或有机物，其中：无机物例如氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3，有机物例如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)或光刻胶，也可以是上述材料的混合物或复合绝缘层。对绝缘层210可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。

3)接着，如图1c所示，在绝缘层210上制作催化层310。催化层310可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、Fe、Cu、Ru等，但并不限于上述几种材料。催化层310可以包含一层阻挡层，在图中没有画出。阻挡层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述几种材料。催化层310还可以包含一层粘附层，图中没有画出。粘附层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但并不限于上述几种材料。对催化层310可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气C12、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

4)接着，如图1d所示，在催化层310上制作石墨烯410。石墨烯410可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、静电沉积、激光沉积、衬底转移、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳CO2、甲烷CH4、氧气O2等，但并不限于上述几种材料。石墨烯410的制作步骤还可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯410可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯410可以进行图形化。图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气C12、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

5)接着，如图1e所示，在石墨烯410上制作催化层320。催化层320的结构、制作方法和材料与催化层310相同。催化层320可以包含一层阻挡层和一层粘附层，在图中没有画出。阻挡层和粘附层的制作方法和材料与催化层310包含的阻挡层和粘附层相同。对催化层320可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对催化层310进行图形化的相同。

6)接着，如图1f所示，在催化层320上制作石墨烯420。石墨烯420的制作方法和材料与石墨烯410相同，石墨烯420的制作步骤同样也可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯420可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯420可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对石墨烯410进行图形化的相同。

7)接着，如图1g所示，在石墨烯420上制作催化层330，在催化层330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化层340，在催化层340上制作石墨烯440。催化层330和340的结构、制作方法和材料与催化层310相同。催化层330和340可以包含一层阻挡层和一层粘附层，在图中没有画出。阻挡层和粘附层的制作方法和材料与催化层310包含的阻挡层和粘附层相同。对催化层330和340可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对催化层310进行图形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料与石墨烯410相同，石墨烯430和440的制作步骤同样也可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯430和440可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对石墨烯410进行图形化的相同。

8)接着，如图1h所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是导电或不导电的有机物填充，如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)、光刻胶或导电胶等，也可以采用金属，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)或电镀等方法制作。还可以包含一步化学机械抛光(CMP)将多于的填充材料去除。

9)接着可以进行垂直互连的三维集成技术的其它工艺步骤，包括钝化层(passivation)制作、重布线层(RDL)制作、焊盘(PAD)制作、微凸点(micro-bump)制作、划片、三维堆叠(stacking)等步骤中的一步或若干步骤的任何顺序的组合，也可以是其它硅通孔互连三维集成技术的制作工艺。在此不再赘述。

实施例2：

1)根据实施例1的步骤1)至步骤4)，在基片上制作通孔，并依次制作绝缘层、催化层和石墨烯。接着，如图2a所示，在石墨烯410上制作绝缘层220。绝缘层220可以采用干氧热氧化、湿氧热氧化、氢氧合成热氧化、物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是无机物或有机物，其中：无机物例如氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3，有机物例如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)或光刻胶，也可以是上述材料的混合物或复合绝缘层。对绝缘层220可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。

2)接着，如图2b所示，在绝缘层220上制作催化层320。催化层320可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、Fe、Cu、Ru等，但并不限于上述几种材料。催化层320可以包含一层阻挡层，在图中没有画出。阻挡层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述几种材料。催化层320还可以包含一层粘附层，图中没有画出。粘附层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但并不限于上述几种材料。对催化层320可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

3)接着，如图2c所示，在催化层320上制作石墨烯420。石墨烯420可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、静电沉积、激光沉积、衬底转移、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳CO2、甲烷CH4、氧气O2等，但并不限于上述几种材料。石墨烯420的制作步骤还可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯420可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯420可以进行图形化。图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

4)接着，如图2d所示，在石墨烯420上制作绝缘层230，在绝缘层230上制作催化层330，在催化层330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作绝缘层240，在绝缘层240上制作催化层340，在催化层340上制作石墨烯440。绝缘层230和240的结构、制作方法和材料与绝缘层220相同。对绝缘层230和240可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对绝缘层220进行图形化的相同。催化层330和340的结构、制作方法和材料与催化层320相同。催化层330和340可以包含一层阻挡层和一层粘附层，在图中没有画出。阻挡层和粘附层的制作方法和材料与催化层320包含的阻挡层和粘附层相同。对催化层330和340可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对催化层320进行图形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料与石墨烯420相同，石墨烯430和440的制作步骤同样也可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯430和440可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对石墨烯420进行图形化的相同。

5)接着，如图2e所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是导电或不导电的有机物填充，如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)、光刻胶或导电胶等，也可以采用金属，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)或电镀等方法制作。还可以包含一步化学机械抛光(CMP)将多于的填充材料去除。

6)接着可以进行垂直互连的三维集成技术的其它工艺步骤，包括钝化层(passivation)制作、重布线层(RDL)制作、焊盘(PAD)制作、微凸点(micro-bump)制作、划片、三维堆叠(stacking)等步骤中的一步或若干步骤的任何顺序的组合，也可以是其它硅通孔互连三维集成技术的制作工艺。在此不再赘述。

实施例3：

1)根据实施例1的步骤1)至步骤6)，在基片上制作通孔，并依次制作绝缘层、催化层、石墨烯、催化层和石墨烯。接着，如图3a所示，在石墨烯420上制作绝缘层250。绝缘层250可以采用干氧热氧化、湿氧热氧化、氢氧合成热氧化、物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是无机物或有机物，其中：无机物例如氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3，有机物例如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)或光刻胶，也可以是上述材料的混合物或复合绝缘层。对绝缘层250可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。

2)接着，如图3b所示，在绝缘层250上制作催化层330，在催化层330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化层340，在催化层340上制作石墨烯440。催化层330和340可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、Fe、Cu、Ru等，但并不限于上述几种材料。催化层330和340可以包含一层阻挡层，在图中没有画出。阻挡层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述几种材料。催化层330和340还可以包含一层粘附层，图中没有画出。粘附层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但并不限于上述几种材料。对催化层330和340可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。石墨烯430和440可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、静电沉积、激光沉积、衬底转移、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳CO2、甲烷CH4、氧气O2等，但并不限于上述几种材料。石墨烯430和440的制作步骤还可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯430和440可以进行图形化。图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

3)接着，如图3c所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是导电或不导电的有机物填充，如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)、光刻胶或导电胶等，也可以采用金属，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)或电镀等方法制作。还可以包含一步化学机械抛光(CMP)将多于的填充材料去除。

4)接着可以进行垂直互连的三维集成技术的其它工艺步骤，包括钝化层(passivation)制作、重布线层(RDL)制作、焊盘(PAD)制作、微凸点(micro-bump)制作、划片、三维堆叠(stacking)等步骤中的一步或若干步骤的任何顺序的组合，也可以是其它硅通孔互连三维集成技术的制作工艺。在此不再赘述。

实施例4：

1)首先，如图4a所示，提供一基片110，制作盲孔130。基片可以是半导体材料，如硅、锗等单质半导体，或砷化镓、磷化铟、氮化镓等化合物半导体；也可以是金属材料，如钛、钼、镍、铬、钨、铜等或其合金；还可以是玻璃或石英等绝缘材料。基片一般是圆形，有为了区分或对准晶相而制作的缺口或对准边，基片直径常用的有50毫米、100毫米、200毫米、300毫米、450毫米等。基片可以是标准厚度的，从400微米到1000微米不等，也可以是经过减薄的，厚度从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导体器件、多层电学互连层或者微传感器结构。第一基片表面111和/或第二基片表面112上还可以有焊盘或钝化层。基片110包含一个及以上的通孔130，通孔130的直径从1微米到1000微米不等，其横截面一般是圆形或方形，也可以是长方形、六边形或八边形等其它形状；其纵剖面可以是上下一样宽的矩形、上面大下面小或上面小下面大的梯形或其它形状；盲孔130的深度不小于其直径，一般为其直径的1倍到50倍。盲孔130可以用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法制作。盲孔130的侧壁131可以是粗糙的或有波纹的，不一定是如图所示光滑的表面。盲孔130的底部132可以包含在基片内部(如图2a所示)，也可以是在第二基片表面112上制作的多层电学互连的互连线或焊盘(PAD)。

2)接着，如图4b所示，在第一基片表面111以及盲孔侧壁131和底部132上制作绝缘层210。绝缘层210可以采用干氧热氧化、湿氧热氧化、氢氧合成热氧化、物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是无机物或有机物，其中：无机物例如氧化硅SiO2、氮化硅Si3N4、氧化铝Al2O3，有机物例如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)或光刻胶，也可以是上述材料的混合物或复合绝缘层。对绝缘层210可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。

3)接着，如图4c所示，在绝缘层210上制作催化层310。催化层310可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Co、Ni、Fe、Cu、Ru等，但并不限于上述几种材料。催化层310可以包含一层阻挡层，在图中没有画出。阻挡层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是TaN、TiN、RuN、WN、Ta、Ti、Ru、W等，但并不限于上述几种材料。催化层310还可以包含一层粘附层，图中没有画出。粘附层可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Ta、Ti、Ru、Pt、Cr、Au等，但并不限于上述几种材料。对催化层310可以进行图形化，图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

4)接着，如图4d所示，在催化层310上制作石墨烯410。石墨烯410可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、静电沉积、激光沉积、衬底转移、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，使用的材料包括石墨、二氧化碳CO2、甲烷CH4、氧气O2等，但并不限于上述几种材料。石墨烯410的制作步骤还可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯410可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯410可以进行图形化。图形化可以采用反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、激光烧蚀、湿法腐蚀或剥离等方法，使用的材料包括氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、氟化氢HF、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8等，但并不限于上述几种材料。

5)接着，如图4e所示，在石墨烯410上制作催化层320。催化层320的结构、制作方法和材料与催化层310相同。催化层320可以包含一层阻挡层和一层粘附层，在图中没有画出。阻挡层和粘附层的制作方法和材料与催化层310包含的阻挡层和粘附层相同。对催化层320可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对催化层310进行图形化的相同。

6)接着，如图4f所示，在催化层320上制作石墨烯420。石墨烯420的制作方法和材料与石墨烯410相同，石墨烯420的制作步骤同样也可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯420可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯420可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对石墨烯410进行图形化的相同。

7)接着，如图4g所示，在石墨烯420上制作催化层330，在催化层330上制作石墨烯430，在石墨烯430上制作催化层340，在催化层340上制作石墨烯440。催化层330和340的结构、制作方法和材料与催化层310相同。催化层330和340可以包含一层阻挡层和一层粘附层，在图中没有画出。阻挡层和粘附层的制作方法和材料与催化层310包含的阻挡层和粘附层相同。对催化层330和340可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对催化层310进行图形化的相同。石墨烯430和440的制作方法和材料与石墨烯410相同，石墨烯430和440的制作步骤同样也可以包括制作之前的表面活化处理，以及制作之后的表面修饰处理。制作出的石墨烯430和440可以只包含一层碳原子，也可以包含若干层碳原子，一般小于9层，与制作的方法以及使用的催化层有关。对石墨烯430和440可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对石墨烯410进行图形化的相同。

8)接着，如图4h所示，在通孔中填充材料510。填充材料510可以是导电或不导电的有机物填充，如聚酰亚胺(PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚苯并环丁烯(BCB)、光刻胶或导电胶等，也可以采用金属，如Cu、Ag、W、Ti等材料。填充材料510可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)、等离子增强化学气相淀积(PECVD)或电镀等方法制作。

9)接着，如图4i所示，对填充材料510、石墨烯440、430、420、410、催化层340、330、320、310进行平坦化，并制作互连610。平坦化可以采用研磨、抛光、化学机械抛光(CMP)、反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括砂轮、砂纸、研磨液、抛光液、氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。互连610可以采用物理气相淀积(PVD)、原子层淀积(ALD)、化学气相淀积(CVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)等方法制作，材料可以是Al、Ni、Cu、Au、Pt、W、Ti、掺杂多晶硅等，但并不限于上述几种材料。互连610制作后也可以包含一步平坦化工艺。互连610可以制作多层。

10)接着，如图4j所示，对基片110从第二表面112开始减薄至暴露出填充材料510，并在第二基片表面112上制作绝缘层260和互连620。减薄可以采用研磨、抛光、化学机械抛光(CMP)、反应离子刻蚀(RIE)、深反应离子刻蚀(DRIE)、或湿法腐蚀等方法，使用的材料包括砂轮、砂纸、研磨液、抛光液、氩气Ar、氧气O2、氮气N2、氦气He、氯气Cl2、六氟化硫SF6、四氟化碳C4F8、氢氟酸HF、磷酸H3PO4、硫酸H2SO4、硝酸HNO3、盐酸HCl、醋酸CH3COOH、双氧水H2O2、氢氧化钾KOH等，但并不限于上述几种材料。绝缘层260的结构、制作方法和材料与绝缘层210相同。对绝缘层260可以进行图形化，图形化使用的方法和材料与对绝缘层210进行图形化的相同。互连620的制作方法和材料与互连610相同。互连620制作后也可以包含一步平坦化工艺。互连620也可以制作多层。

11)接着可以进行垂直互连的三维集成技术的其它工艺步骤，包括钝化层(passivation)制作、重布线层(RDL)制作、焊盘(PAD)制作、微凸点(micro-bump)制作、划片、三维堆叠(stacking)等步骤中的一步或若干步骤的任何顺序的组合，也可以是其它硅通孔互连三维集成技术的制作工艺。在此不再赘述。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多层石墨烯垂直互连结构制作方法，其特征在于，包括步骤：

S101.在基片上制作垂直孔，所述垂直孔为通孔；

S102.在所述基片的表面上制作催化层，所述催化层覆盖第一基片表面、第二基片表面以及通孔侧壁；

S103.在所述催化层上制作石墨烯层；

S104.重复制作催化层和石墨烯层，直到获得所需的导电效果；

S105.对垂直孔进行填充，直到获得对垂直孔所需的填充效果，采用晶圆到晶圆、芯片到晶圆或芯片到芯片的方式进行堆叠，形成基于多层石墨烯垂直互连的三维集成结构；

步骤S104中每次重复制作若干层催化层和石墨烯层前还制作一层绝缘层。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述步骤S102制作催化层之前还包括步骤：在所述基片的表面上制作绝缘层。

3.如权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述基片为不限于硅或锗的单质半导体材料，或砷化镓、磷化铟或氮化镓的化合物半导体材料，或钛、钼、镍、铬、钨或铜的金属材料或其合金，或玻璃或石英的绝缘材料。

4.如权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述基片为裸片，或在基片的第一表面和/或第二表面上有制作完成有半导体器件、多层电学互连层或者微传感器结构，或设有焊盘或钝化层；所述基片是上述一种或几种基片键合而成的。

5.如权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，在制作催化层之前先制作一层阻挡层，在制作阻挡层之前先制作一层粘附层。

6.如权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，制作出的石墨烯层只包含一层碳原子或包含多层碳原子。