一种形成石墨烯互连线的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】-种形成石墨稀互连线的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体集成电路制造【技术领域】，更具体地，设及一种形成石墨締互连 线的方法。
【背景技术】
[0002] 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。在此过程中单晶娃材料发挥了 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巧片集成 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 服该一瓶颈，需要寻找更好的电子器件材料来代替单晶娃。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一石墨締上。
[0003] 石墨締是由一层密集的、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一几埃的量级。该种特殊结构蕴含了丰富而新奇 的物理现象，使石墨締表现出许多优异性质。例如，石墨締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 移率的铺化铜材料的两倍，超过商用娃片迁移率的10倍W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W制备基于石墨締的各种柔性电子器 件和功能复合材料。由于石墨締具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点，人们普 遍预测石墨締在电子、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。
[0004] 在现有的研究技术中，石墨締互连线的普遍制备工艺为先通过各种石墨締制备工 艺得到石墨締薄膜，然后将石墨締薄膜转移至目标衬底，然后再对石墨締进行图形化形成 石墨締互连线。因此，石墨締薄膜的转移工艺直接关系着石墨締薄膜的最终质量和性质。
[0005] 但上述方法中石墨締薄膜的转移工艺很容易对最终的石墨締互连线造成损伤，导 致石墨締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 締互连线的方法，W防止石墨締薄膜受损。
【发明内容】
[0006] 针对W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締 互连线的方法，W解决现有技术中石墨締薄膜易损伤的问题。
[0007] 为解决上述问题，本发明提供一种形成石墨締互连线的方法，包括W下步骤：
[000引步骤so 1 ;提供一目标衬底；
[0009] 步骤S02 ;在所述目标衬底上形成均匀且厚度可控的碳源层；
[0010] 步骤S03 ;在所述碳源层上淀积金属催化层；
[001U 步骤S04 ;对所述金属催化层、碳源层W及目标衬底进行退火工艺，W使所述碳源 层在金属催化层的作用下转变成石墨締层；
[001引步骤S05 ;去除所述金属催化层；
[0013] 步骤S06 ;对所述石墨締层进行光刻和刻蚀工艺，在所述目标衬底上形成石墨締 互连线。
[0014] 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W及铜互连结构。
[0015] 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。
[0016] 优选的，所述碳源层的材料是无定型碳。
[0017] 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。
[0018] 优选的，所述物理气相淀积方法包括瓣射法、电子束蒸发法或脉冲激光淀积法。
[0019] 优选的，所述步骤S03中，所述金属催化层的材料是化、Ni、Co、化或Pt。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 优选的，所述步骤S06中，对所述石墨締层进行刻蚀工艺采用气体干法刻蚀工艺。
[0023] 从上述技术方案可W看出，本发明提供的一种形成石墨締互连线的方法，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 成石墨締层，最后通过光刻、刻蚀工艺形成所需要的石墨締互连线，解决了现有技术中石墨 締薄膜易损伤的问题，避免了额外的转移工艺，同时可得到可控厚度的石墨締互连线，避免 了转移过程中带来的各种工艺风险，有利于石墨締技术发展和应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 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：
[0025] 图1是本发明提供的一种形成石墨締互连线的方法的优选实施例的流程示意图；
[0026] 图2a-2f是本发明提供的一种形成石墨締互连线的优选实施例的结构示意图；
[0027] 图3a-3f是本发明提供的一种金属/石墨締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】
[002引为使本发明的内容更加清楚易懂，W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W此作为对本发明的限定。 [0029] W下结合附图和具体实施例对本发明提供的一种形成石墨締互连线的方法作进 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W方 便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
[0030] 实施例一
[0031] 请参阅图1，图1是本发明提供的一种形成石墨締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締互连线 的优选实施例的结构示意图。
[0032] 本发明提供一种形成石墨締互连线的方法，包括步骤SOI至S06,具体如下：
[0033] 如图2a所示，步骤SOI ;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W及铜互连结构。
[0034] 如图化所示，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 采用阳CVD在目标衬底201上沉积100 A的无定型碳层，且无定型碳层的厚度均匀。
[0035] 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 W采用瓣射、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 优选为化、Ni、Co、化或Pt等。本实施例中，可采用物理气相沉积方法淀积100皿的铜金 属催化层，从而由上往下形成铜金属催化层、无定型碳层W及目标衬底的层叠结构。
[0036] 如图2d所示，步骤S04 ;对金属催化层203、碳源层202 W及目标衬底201进行退 火工艺，W使碳源层202在金属催化层203的作用下转变成石墨締层204 ;其中，退火工艺 可W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締层204,最后从上往下形成金属催化层203、石墨締层204 W 及目标衬底201的层叠结构，同时，退火工艺不会对石墨締层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°C，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完全转化成石墨締层204， 从而最终形成铜金属催化层203、石墨締层204 W及目标衬底201的层叠结构。
[0037] 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W采用湿 法刻蚀方法或者电化学方法去除，从而得到石墨締层204 W及目标衬底201的层叠结构。本 实施例中，可采用Imol/L的化C13溶液将铜金属催化层203完全去除，得到附着在目标衬 底201上的石墨締层204,即石墨締层204 W及目标衬底201的层叠结构。
[003引如图2f所示，步骤S06 ;利用光刻和刻蚀工艺将石墨締层204图形化形成石墨締 互连线205。本实施例中所形成的石墨締互连为独立的石墨締互连线205。
[0039] 实施例二
[0040] 实施例二中将介绍一种金属/石墨締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/石墨締混合互连线的形成方法的优选实施例的 结构示意图。
[0041] 与实施例一不同的是，在本实施例中，形成石墨締互连线的方法中可W选择性地 跳过实施例一中的步骤S03和S05,只有步骤SOI、S02、S04和S06,具体包括W下步骤：
[0042] 如图3a-c所不，步骤SOI ;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W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 ±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。
[0043] 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50 A的无定型碳层，所述无定型碳层的厚度均匀。
[0044] 如图3e所示，步骤S03 ;对碳源层304 W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°C，时间优选为0. Is,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締层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。
[0045] 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締的碳源层304 去除，最后形成金属互连/石墨締的复合互连线结构。
[0046] 综上所述，本发明提供的一种形成石墨締互连线的方法，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締层，最 后通过光刻、刻蚀工艺形成所需要的石墨締互连线，解决了现有技术中石墨締薄膜易损伤 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締互连线，避免了转移过程中 带来的各种工艺风险，有利于石墨締技术发展和应用。
[0047] 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"、"第立"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。
[0048] 可W理解的是，虽然本发明已W较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用W 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 W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。
【权利要求】
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SOI :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。
【文档编号】H01L21/768GK104485310SQ201410842215
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年12月25日 优先权日:2014年12月25日
【发明者】左青云, 康晓旭, 李铭 申请人:上海集成电路研发中心有限公司