CN104485310A - 一种形成石墨烯互连线的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种形成石墨烯互连线的方法，其包括以下步骤：提供目标衬底；接着在目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层；在碳源层上淀积金属催化层；然后在预设温度下采用退火工艺将淀积的碳源层转化为石墨烯层；随后去除金属催化层；最后采用光刻和刻蚀工艺对石墨烯层图案化，以形成石墨烯互连线。本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法，能够直接在目标衬底上制备出预设厚度的石墨烯互连线，无需额外的石墨烯转移工艺，解决了现有技术中石墨烯薄膜易损伤的问题，方法简单，与传统CMOS工艺相兼容，有利于石墨烯技术发展和应用。

Description

一种形成石墨烯互连线的方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造技术领域，更具体地，涉及一种形成石墨烯互连线的方法。
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。
在现有的研究技术中，石墨烯互连线的普遍制备工艺为先通过各种石墨烯制备工艺得到石墨烯薄膜，然后将石墨烯薄膜转移至目标衬底，然后再对石墨烯进行图形化形成石墨烯互连线。因此，石墨烯薄膜的转移工艺直接关系着石墨烯薄膜的最终质量和性质。
但上述方法中石墨烯薄膜的转移工艺很容易对最终的石墨烯互连线造成损伤，导致石墨烯作为互连线材料的优异特性损失。因此，本领域技术人员亟需提供一种形成石墨烯互连线的方法，以防止石墨烯薄膜受损。
发明内容
针对以上问题，为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种形成石墨烯互连线的方法，以解决现有技术中石墨烯薄膜易损伤的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种形成石墨烯互连线的方法，包括以下步骤：
步骤S01：提供一目标衬底；
步骤S02：在所述目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层；
步骤S03：在所述碳源层上淀积金属催化层；
步骤S04：对所述金属催化层、碳源层以及目标衬底进行退火工艺，以使所述碳源层在金属催化层的作用下转变成石墨烯层；
步骤S05：去除所述金属催化层；
步骤S06：对所述石墨烯层进行光刻和刻蚀工艺，在所述目标衬底上形成石墨烯互连线。
优选的，所述目标衬底还包括制作在所述目标衬底之上的包含晶体管在内的器件层以及铜互连结构。
优选的，所述步骤S02中，所述碳源层采用的制备方法为原子层淀积法或者化学气相沉积法。
优选的，所述碳源层的材料是无定型碳。
优选的，所述步骤S03中，所述金属催化层采用物理气相淀积方法制备。
优选的，所述物理气相淀积方法包括溅射法、电子束蒸发法或脉冲激光淀积法。
优选的，所述步骤S03中，所述金属催化层的材料是Cu、Ni、Co、Fe或Pt。
优选的，所述步骤S04中，所述退火工艺为尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺。
优选的，所述步骤S05中，去除所述金属催化层采用湿法刻蚀工艺或电化学工艺。
优选的，所述步骤S06中，对所述石墨烯层进行刻蚀工艺采用气体干法刻蚀工艺。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法，通过直接在目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层，然后在金属催化层的作用下将碳源层转化成石墨烯层，最后通过光刻、刻蚀工艺形成所需要的石墨烯互连线，解决了现有技术中石墨烯薄膜易损伤的问题，避免了额外的转移工艺，同时可得到可控厚度的石墨烯互连线，避免了转移过程中带来的各种工艺风险，有利于石墨烯技术发展和应用。
附图说明
结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：
图1是本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法的优选实施例的流程示意图；
图2a-2f是本发明提供的一种形成石墨烯互连线的优选实施例的结构示意图；
图3a-3f是本发明提供的一种金属/石墨烯混合互连线的形成方法的优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。
以下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法作进一步详细说明，需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
实施例一
请参阅图1，图1是本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法的优选实施例的流程示意图；同时，请对照参考图2a-2f，图2a-2f是本发明提供的一种形成石墨烯互连线的优选实施例的结构示意图。
本发明提供一种形成石墨烯互连线的方法，包括步骤S01至S06，具体如下：
如图2a所示，步骤S01：提供一目标衬底201；本实施例中，目标衬底201已经完成晶体管前道工艺和通孔互连的制备，目标衬底201包括制作在衬底之上的包含晶体管在内的器件层以及铜互连结构。
如图2b所示，步骤S02：在目标衬底201上形成均匀且厚度可控的碳源层202；该碳源层202采用的制备工艺优选为原子层淀积(ALD)或者化学气相沉积(CVD)，可精确地控制碳源层202的厚度和均匀性；其中，碳源层202的材料优选为无定型碳。本实施例中，可采用PECVD在目标衬底201上沉积的无定型碳层，且无定型碳层的厚度均匀。
如图2c所示，步骤S03：在碳源层202上淀积金属催化层203；金属催化层203可以采用溅射、电子束蒸发、脉冲激光淀积等物理气相淀积方法制备，金属催化层203的材料优选为Cu、Ni、Co、Fe或Pt等。本实施例中，可采用物理气相沉积方法淀积100nm的铜金属催化层，从而由上往下形成铜金属催化层、无定型碳层以及目标衬底的层叠结构。
如图2d所示，步骤S04：对金属催化层203、碳源层202以及目标衬底201进行退火工艺，以使碳源层202在金属催化层203的作用下转变成石墨烯层204；其中，退火工艺可以采用尖峰退火、闪光退火、激光退火等超快速退火工艺，退火后碳源层202在金属催化层203的作用下转变为石墨烯层204，最后从上往下形成金属催化层203、石墨烯层204以及目标衬底201的层叠结构，同时，退火工艺不会对石墨烯层204下面已经制备好的器件和结构造成损伤。本实施例中，可优选尖峰退火工艺，退火温度优选为1030℃，时间优选为10s。在铜金属催化层203作用下，退火完成后的无定型碳层202完全转化成石墨烯层204，从而最终形成铜金属催化层203、石墨烯层204以及目标衬底201的层叠结构。
如图2e所示，步骤S05：将金属催化层203去除；去除金属催化层203可以采用湿法刻蚀方法或者电化学方法去除，从而得到石墨烯层204以及目标衬底201的层叠结构。本实施例中，可采用1mol/L的FeCl3溶液将铜金属催化层203完全去除，得到附着在目标衬底201上的石墨烯层204，即石墨烯层204以及目标衬底201的层叠结构。
如图2f所示，步骤S06：利用光刻和刻蚀工艺将石墨烯层204图形化形成石墨烯互连线205。本实施例中所形成的石墨烯互连为独立的石墨烯互连线205。
实施例二
实施例二中将介绍一种金属/石墨烯混合互连线的形成方法。请对照参考图3a-3f，图3a-3f是本发明提供的一种金属/石墨烯混合互连线的形成方法的优选实施例的结构示意图。
与实施例一不同的是，在本实施例中，形成石墨烯互连线的方法中可以选择性地跳过实施例一中的步骤S03和S05，只有步骤S01、S02、S04和S06，具体包括以下步骤：
如图3a-c所示，步骤S01：提供一目标衬底301；具体的，目标衬底301已经完成晶体管前道工艺和通孔互连的制备，目标衬底包括制作在衬底之上的包含晶体管在内的器件层以及铜互连结构。本实施例中，在目标衬底上可形成金属间介质层302,接着采用单大马士革工艺形成金属互连线303，其中，金属介质层302的材质优选为铜。
如图3d所示，步骤S02:在目标衬底301上形成均匀且厚度可控的碳源层304；该碳源层304采用的制备工艺为原子层淀积(ALD)或者化学气相沉积(CVD)，可精确地控制碳源层304的厚度和均匀性；其中，碳源层304的材质优选为无定型碳。本实施例中，采用ALD在目标衬底301上沉积的无定型碳层，所述无定型碳层的厚度均匀。
如图3e所示，步骤S03：对碳源层304以及目标衬底301的层叠结构进行退火处理；本实施例中，优先采用激光退火工艺，退火温度优选为1050℃，时间优选为0.1s，退火后与铜互连线303接触的碳源层304在铜金属的催化作用下转变为石墨烯层305，而未与下层铜互连线接触的碳源层304由于不具有催化作用将不发生转化。
如图3f所示，步骤S04：利用光刻和刻蚀工艺将剩余未转化成石墨烯的碳源层304去除，最后形成金属互连/石墨烯的复合互连线结构。
综上所述，本发明提供的一种形成石墨烯互连线的方法，通过直接在目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层，然后在金属催化层的作用下将碳源层转化成石墨烯层，最后通过光刻、刻蚀工艺形成所需要的石墨烯互连线，解决了现有技术中石墨烯薄膜易损伤的问题，避免了额外的转移工艺，同时可得到可控厚度的石墨烯互连线，避免了转移过程中带来的各种工艺风险，有利于石墨烯技术发展和应用。
此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01：提供一目标衬底；
步骤S02：在所述目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层；
步骤S03：在所述碳源层上淀积金属催化层；
步骤S04：对所述金属催化层、碳源层以及目标衬底进行退火工艺，以使所述碳源层在所述金属催化层的作用下转变成石墨烯层；
步骤S05：去除所述金属催化层；
步骤S06：对所述石墨烯层进行光刻和刻蚀工艺，在所述目标衬底上形成石墨烯互连线。
2.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述目标衬底还包括制作在所述目标衬底之上的包含晶体管在内的器件层以及铜互连结构。
3.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S02中，所述碳源层采用的制备方法为原子层淀积法或者化学气相沉积法。
4.根据权利要求3所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述碳源层的材料为无定型碳。
5.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述金属催化层采用物理气相淀积方法制备。
6.根据权利要求5所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述物理气相淀积方法包括溅射法、电子束蒸发法或脉冲激光淀积法。
7.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S03中，所述金属催化层的材料是Cu、Ni、Co、Fe或Pt。
8.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述退火工艺为尖峰退火工艺、闪光退火工艺或激光退火工艺。
9.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S05中，去除所述金属催化层采用湿法刻蚀工艺或电化学工艺。
10.根据权利要求1所述的形成石墨烯互连线的方法，其特征在于，所述步骤S06中，对所述石墨烯层进行刻蚀工艺采用气体干法刻蚀工艺。
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