一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构及其制造方法与流程

本发明涉及半导体器件的制造技术领域，尤其涉及一种采用碳纳米管作为垂直互连材料、石墨烯作为水平互连材料的互连结构及其制造方法。

背景技术：

集成电路工艺特征尺寸的持续缩小，使得集成电路单位面积上的器件数目每到一个新的技术节点就会增加一倍。而晶体管特征尺寸的缩小不仅提高了芯片的集成度，降低了晶体管的工作电压和功耗，并且还提高了晶体管的工作频率。但与此同时，由于金属晶粒间界和表面的电子散射效应增加，以铜和钨等材料为基础的互连金属层的电阻随着特征尺寸的缩小迅速增加，进而引起电信号传输的延迟增加，限制了集成电路的整体性能。另一方面，与晶体管直接接触的互连通孔和第一层互连线会承受较大的电流密度，在长期的工作中容易发生电迁移所导致的断裂失效问题。因此，需要进一步提高集成电路互连结构的性能，以解决当前互连材料和结构所面临的电阻增加和断裂失效等问题。

目前为了解决上述的问题，现有技术中提出了一种基于金属互连层上形成碳层和碳纳米管通孔的互连结构。但是由于金属层的应用，该互连结构的整体电流承受能力受到了限制，因此其无法从根本上解决接触电阻大的问题，特别是无法提高集成电路所需求的大电流承载能力。另外，对于石墨烯，虽然其是一种二维的碳基纳米材料，具有高电流承载能力，高载流子迁移率和高导热率等优点，但是，当其作为水平互连线材料来和金属结构的互连材料共同使用时，也同样具有接触电阻大的问题，而且对于单层石墨烯的电导，其难以和金属材料相比，以及其集成工艺的实现具有相当难度，因此，以石墨烯作为互连材料和现有的金属互连结构进行集成，这同样会面临接触电阻大和整体承载电流受限的问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构。

本发明的另一目的是提供一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法。

本发明所采用的技术方案是：一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔。

进一步，所述互连结构的个数为至少两个，所述至少两个互连结构从下至上依次叠加设置，其中，上下相邻的两个互连结构中，设置在下方互连结构中的碳纳米管互连通孔用于将设置在下方互连结构中的石墨烯互连层与设置在上方互连结构中的石墨烯互连层连通。

进一步，所述石墨烯互连层为多层石墨烯。

进一步，所述石墨烯互连层的厚度大于等于3nm。

进一步，所述互连介质层采用低介电常数的介质材料制造而成的。

本发明所采用的另一技术方案是：一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法，该方法所包括的步骤有：

S1、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层；

S2、在石墨烯层上制备有图形化的石墨烯互连线或石墨烯沟道，从而构成石墨烯互连层；

S3、在石墨烯互连层的通孔连接位置上淀积催化剂；

S4、在衬底或下方互连结构中的互连介质层上淀积互连介质层，令步骤S3中的石墨烯互连层嵌入设置在互连介质层的下表面；

S5、在互连介质层中制备通孔，所述通孔对应设置在石墨烯互连层的通孔连接位置上；

S6、基于所淀积的催化剂，在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列；

S7、对碳纳米管阵列进行介质填充后进行化学机械抛光工艺，从而形成碳纳米管互连通孔，其中，所述碳纳米管互连通孔用于互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通。

进一步，所述步骤S1中所述的在衬底上制备石墨烯层这一步骤，其具体为：

采用化学气相淀积合成石墨烯进行转移的方法以及金属薄膜热退火的方法，从而在衬底上制备石墨烯层。

进一步，所述步骤S1中所述的在下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层这一步骤，其具体为：

采用化学气相淀积方法和金属薄膜热退火方法，从而在下方互连结构中的互连介质层上制备石墨烯层。

进一步，所述步骤S6中所述在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列这一步骤，其具体为：

采用化学气相淀积方法，从而在石墨烯互连层的通孔连接位置上生长碳纳米管阵列。

进一步，所述催化剂为Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl中至少一种。

本发明的有益效果是：本发明所提出的互连结构是一种由石墨烯作为水平互连层及由碳纳米管作为垂直互连层的互连结构，其可以充分利用碳纳米管和石墨烯具有的高电流承载能力、高导电性和高导热率的优势，解决了现有技术中所无法避免的因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题。

本发明的另一有益效果是：通过使用本发明的互连结构制造方法，能够制造得出一种由石墨烯作为水平互连层及由碳纳米管作为垂直互连层的互连结构，其能充分利用碳纳米管和石墨烯具有的高电流承载能力、高导电性和高导热率的优势，解决了现有技术中所无法避免的因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题；而且由于本发明的制造方法是在石墨烯互连层上直接制备碳纳米管，因此其所采用的制造方法令最终得到的互连结构中完全去除了金属催化剂材料，这样能够避免连接处因存在碳基材料和金属材料的接触而出现电阻高的问题；同时，对于碳纳米管阵列，其所采用的制造方法可直接形成碳纳米管和石墨烯的紧密接触，消除了金属的存在对界面的影响。因此由此可见，本发明所提出的集成碳纳米管和石墨烯的互连结构制造方法，其实现了两种碳基材料的无缝连接，增强了两种材料在接触处的键合强度，可以获得高电导率和高导热率的互连结构。

附图说明

图1是本发明一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构的一具体实施例结构示意图；

图2是本发明一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构的另一具体实施例结构示意图；

图3是在衬底上制备第一石墨烯层后所示的结构示意图；

图4是将第一石墨烯层制备成第一石墨烯互连层后所示的结构示意图；

图5是在第一石墨烯互连层上淀积催化剂后所示的结构示意图；

图6是在衬底上制备第一互连介质层后所示的结构示意图；

图7是在第一互连介质层中制备通孔后所示的结构示意图；

图8是在第一石墨烯互连层的通孔连接位置上生长了碳纳米管阵列后所示的结构示意图；

图9是制备第一碳纳米管互连通孔后所示的结构示意图；

图10是在第一互连介质层上制备第二石墨烯层后所示的结构示意图；

图11是将第二石墨烯层制备成第二石墨烯互连层后所示的结构示意图；

图12是在衬底上制备多层石墨烯的透射电镜照片示意图；

图13是在多层石墨烯上制备催化剂后所示的表面扫描电镜示意图；

图14是在多层石墨烯上生长碳纳米管后所示的横截面扫描电镜照片示意图。

具体实施方式

为了解决传统因碳纳米管或石墨烯材料和金属互连材料之间接触而导致电阻高、互连结构电流承载能力受限的问题，本发明提出一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构，其包括至少一个互连结构，所述互连结构包括互连介质层，所述互连介质层的下表面嵌入设置有石墨烯互连层，所述互连介质层中设置有用于将互连介质层的上表面与石墨烯互连层连通的碳纳米管互连通孔，即所述的碳纳米管互连通孔，其一端与互连介质层的上表面连通，另一端与石墨烯互连层的通孔连接位置连通。

对于本发明的至少一个互连结构，其在应用时，其是设置在衬底的上表面与顶端互连层的下表面之间，而最接近顶端互连层的互连结构中的碳纳米管互连通孔，其则用于将该互连结构中的石墨烯互连层与顶端互连层连通；

当互连结构的个数为一个时，该互连结构中的互连介质层设置在衬底上表面与顶端互连层下表面之间，即该互连结构的上表面设置顶端互连层，并且该互连结构中的石墨烯互连层设置在衬底的上表面且嵌入设置在互连介质层的下表面，而该互连结构中的碳纳米管互连通孔，其设置在互连介质层中，并且其一端与顶端互连层的通孔连接位置连通，另一端则与石墨烯互连层的通孔连接位置连通；

当互连结构的个数为至少两个时，所述至少两个互连结构从下至上依次叠加设置，并且它们设置在衬底上表面与顶端互连层下表面之间，即所述至少两个互连结构中，最上方的互连结构的上表面设置顶端互连层，其中，所述至少两个互连结构中，上下相邻的两个互连结构中，设置在下方互连结构中的碳纳米管互连通孔用于将设置在下方互连结构中的石墨烯互连层与设置在上方互连结构中的石墨烯互连层连通。

对于上述至少一个互连结构中的石墨烯互连层，其可为多层石墨烯，而此时，石墨烯互连层上制备有石墨烯互连线；优选地，所述石墨烯互连层的厚度大于等于3nm。

而对于最接近衬底的互连结构中的石墨烯互连层，其除了可为多层石墨烯，其也可为构成晶体管沟道的单层或少层石墨烯材料，而此时，最接近衬底的互连结构中的石墨烯互连层上制备有石墨烯沟道，优选地，其厚度为单层或少层。

以下结合详细实施例来对本发明的互连结构做具体说明。

实施例1

当互连结构个数为1时，如图1所示，一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构包括有一个互连结构，所述互连结构设置在衬底101上表面和顶端互连层110下表面之间；

具体地，所述互连结构包括：

第一互连介质层103，设置在衬底101上表面和顶端互连层110下表面之间；

第一石墨烯互连层102，设置在衬底101上表面且嵌入设置在第一互连介质层103的下表面；

第一碳纳米管互连通孔104，嵌入设置在第一互连介质层103中，并且其一端与第一石墨烯互连层102的通孔连接位置连接，其另一端经过第一互连介质层103从而与顶端互连层110的通孔连接位置连接，即此时，所述第一碳纳米管互连通孔104将第一互连介质层103的上表面与第一石墨烯互连层102连通。其中，对于所述顶端互连层110，其实质为一石墨烯互连层，即顶端石墨烯互连层。

作为本实施例的优选实施方式，所述第一石墨烯互连层102和顶端互连层110为多层石墨烯，而此时，所述第一石墨烯互连层102和顶端互连层110上均制备有石墨烯互连线；优选地，所述第一石墨烯互连层102和顶端互连层110的厚度大于等于3nm。

而对于上述的第一石墨烯互连层102，其除了可为多层石墨烯，其也可为构成晶体管沟道的单层或少层石墨烯材料，而此时，所述第一石墨烯互连层102上制备有石墨烯沟道，优选地，其厚度为单层或少层。

作为本实施例的优选实施方式，所述第一互连介质层103采用低介电常数的介质材料制造而成的，其中，所述低介电常数的介质材料包括但不限于多孔介质材料、包含部分空气隙的介质材料等。

实施例2

当互连结构个数为两个时，如图2所示，一种集成碳纳米管和石墨烯的互连结构包括第一互连结构和第二互连结构，所述衬底101、第一互连结构、第二互连结构及顶端互连层110从下至上依次叠加设置，其中，所述第一互连结构包括第一石墨烯互连层102、第一互连介质层103及第一碳纳米管互连通孔104，所述第二互连结构包括第二石墨烯互连层105、第二互连介质层106及第二碳纳米管互连通孔107；

第一互连介质层103，设置在衬底101上表面和第二互连介质层106下表面之间；

第一石墨烯互连层102，设置在衬底101上表面且嵌入设置在第一互连介质层103的下表面；

第一碳纳米管互连通孔104，嵌入设置在第一互连介质层103中，并且其一端与第一石墨烯互连层102的通孔连接位置连接，其另一端经过第一互连介质层103从而与第二石墨烯互连层105的通孔连接位置连接，即此时，所述第一碳纳米管互连通孔104将第一互连介质层103的上表面与第一石墨烯互连层102连通；

第二互连介质层106，设置在第一互连介质层103上表面和顶端互连层110下表面之间；

第二石墨烯互连层105，设置在第一互连介质层103上表面且嵌入设置在第二互连介质层106的下表面；

第二碳纳米管互连通孔107，嵌入设置在第二互连介质层106中，并且其一端与第二石墨烯互连层105的通孔连接位置连接，其另一端经过第二互连介质层106从而与顶端互连层110的通孔连接位置连接，即此时，所述第二碳纳米管互连通孔107将第二互连介质层106的上表面与第二石墨烯互连层105连通。其中，对于所述顶端互连层110，其实质为一石墨烯互连层，即顶端石墨烯互连层。

作为本实施例的优选实施方式，所述第一石墨烯互连层102、第二石墨烯互连层105、顶端互连层110均为多层石墨烯，而此时，所述第一石墨烯互连层102、第二石墨烯互连层105、顶端互连层110上均制备有石墨烯互连线，优选地，所述第一石墨烯互连层102、第二石墨烯互连层105、顶端互连层110的厚度均大于等于3nm。

而对于上述的第一石墨烯互连层102，其除了可为多层石墨烯，其也可为构成晶体管沟道的单层或少层石墨烯材料，而此时，所述第一石墨烯互连层102上制备有石墨烯沟道，优选地，其厚度为单层或少层。

作为本实施例的优选实施方式，所述第一互连介质层103和第二互连介质层106采用低介电常数的介质材料制造而成的，其中，所述低介电常数的介质材料包括但不限于多孔介质材料、包含部分空气隙的介质材料等。

由本实施例2可知，当互连结构的个数大于2时，该结构设置则如上述类推便可。

实施例3

针对上述实施例1所述的互连结构的制造方法，其具体包括有：

S101、如图3所示，在衬底101上制备第一石墨烯层201，其中，所述衬底101可由半导体材料硅、锗硅、绝缘层上的硅衬底等构成，也可包括化合物半导体材料，如三五族、二六族、碳化硅等材料，以及新型二维半导体材料，如石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、黑磷等材料；

对于上述步骤S101，其可采用化学气相淀积合成石墨烯进行转移的方法以及金属薄膜热退火的方法，从而在衬底101上制备第一石墨烯层201；

在本实施例中，所述步骤S101具体为：

在一个额外的衬底上用溅射或蒸发方法淀积一层金属镍，厚度为50 nm-500 nm之间；然后将该衬底放入等离子气相淀积设备，在氢气气氛的保护下升温至900摄氏度，接着外加功率200W来用于激发等离子体，并通入甲烷等含有碳元素的气体源，根据厚度需要保持气体通入时间一般在10秒到5分钟之间；最后关闭含碳气体源、外加功率和加热功率，将衬底温度迅速下降至室温，从而可制备厚度在3nm以上的多层石墨烯；之后采用在石墨烯上旋涂光刻胶或聚合物作为机械支撑，将衬底放入稀硝酸等溶液中腐蚀掉镍金属层，这样漂浮在溶液表面的石墨烯层可以转移到目标衬底101上，去除机械支撑层；接着则对样品进行多次清洗或进行高温300摄氏度下退火，用于提升石墨烯的质量；

另外，对于上述在衬底101上制备第一石墨烯层201所采用的工艺过程，通过其制备参数的调整，也可在衬底101上制备出单层或少层石墨烯；

S102、如图4所示，通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第一石墨烯层201上制备有图形化的石墨烯互连线或石墨烯沟道，从而构成第一石墨烯互连层102；

对于所述的步骤S102，其具体为：根据所需导线的具体形状制造掩膜板，在石墨烯层上涂覆光刻胶；采用制造好的掩膜板进行曝光、显影和去胶等一系列步骤，将所需保留的石墨烯层用光刻胶覆盖；利用等离子体进行干法刻蚀，并去除光刻胶后得到第一石墨烯互连层102；其中，利用等离子体对第一石墨烯层进行干法刻蚀，即石墨烯的刻蚀采用干法等离子体刻蚀方法，这过程中所采用的气体可以是氧气、氩气、氢气、氮气、碳氢化合物或碳氟化合物，也可以是上述气体的混合物，而光刻中采用光刻胶作为掩膜，这可便于刻蚀后的去除，另外，其也可采用光刻胶结合其他硬掩膜（如金属、氮化硅等材料）来实现该掩膜；

S103、如图5所示，在第一石墨烯互连层102的通孔连接位置上淀积催化剂401，其中，对于所述催化剂401，其形成的位置需要对应于后续步骤形成的第一碳纳米管互连通孔104的位置，而所述催化剂401可以是Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl等，也可以是上述材料的叠加；另外，所述催化剂401的制备，其可采用真空蒸发或溅射的方法来制备，制备出的催化剂401的厚度为0.5 nm到10nm之间；

S104、如图6所示，在衬底101上淀积第一互连介质层103，令步骤S3中的第一石墨烯互连层102嵌入设置在第一互连介质层103的下表面；

其中，所述第一互连介质层103可以为低介电常数的介质材料，所述低介电常数的介质材料包括但不限于多孔介质材料、包含部分空气隙的介质材料等；所述第一互连介质层103可通过气相淀积、溅射等方式来制备，而制备出的第一互连介质层103的厚度通常在200 nm到2μm之间，其也可以是在此范围之外来满足特殊应用需求；

S105、如图7所示，通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第一互连介质层103中制备通孔，所述通孔对应设置在第一石墨烯互连层的通孔连接位置上，其中，在第一互连介质层103中所制备的通孔，其的位置对应于图5所示的淀积了催化剂401的位置；

对于所述步骤S105，即形成通孔的制造过程，其具体为：

在第一互连介质层103上涂覆光刻胶后，进行光刻、曝光、显影，而所用掩膜板的图形用于使得在显影后获得漏出通孔处的介质层；之后采用干法等离子体进行刻蚀形成通孔；

由于，干法等离子体刻蚀后要确保金属催化剂未被刻蚀，因此在本实施例中，所采用的刻蚀工艺为：将电感耦合等离子体功率设为935 W，反应等离子体功率设为100 W，气体设为碳氟化合物10sccm和氢气8 sccm，并通入氦气174 sccm用于背面制冷；此工艺参数对金属材料具有较高的刻蚀选择比，并且结合了刻蚀终点的检测技术，这样在刻蚀完成后可以保留金属催化剂；

S106、如图8所示，基于所淀积的催化剂401，采用化学气相淀积方法，在第一石墨烯互连层102的通孔连接位置上直接生长碳纳米管701阵列，其中，所述化学气相淀积方法包括等离子体化学气相淀积方法、热化学气相淀积方法、微波等离子体化学气相淀积方法等，当采用等离子体化学气相淀积方法时，其生长温度可为350摄氏度到850摄氏度；

在本实施例中，化学气相淀积方法中所采用的气体和配比为甲烷30sccm：氮气35sccm：氢气40sccm，生长时间为1分钟，生长温度为650摄氏度；生长完成后关闭甲烷和氮气，在氢气气氛中降至室温；如图8所示，在生长过程中催化剂颗粒702位于碳纳米管701的顶部，而碳纳米管701的根部则直接与第一石墨烯互连层102相连接；生长后的碳纳米管701的长度并不完全一致，应通过控制生长时间使得大部分碳纳米管701长度高于第一互连介质层103的厚度；

S107、如图9所示，对碳纳米管701阵列进行介质填充后进行化学机械抛光工艺，从而形成第一碳纳米管互连通孔104，其中，所述第一碳纳米管互连通孔104用于第一互连介质层103的上表面与第一石墨烯互连层102连通；

其中，所填充的介质可以为二氧化硅、氮化硅和氧化铝等，而介质填充的方法可为原子层淀积技术、化学气相淀积或物理气相淀积技术等；在进行介质填充时，需根据碳纳米管的间距来设定填充介质的厚度，通常填充介质的厚度为10nm～50nm范围，而进行介质填充后则采用化学机械抛光工艺来去除高出第一互连介质层103的碳纳米管部分，形成第一碳纳米管互连通孔104；

S108、如图10所示，在第一互连介质层103上制备第二石墨烯层901，此实施例中，第二石墨烯层901实质为顶端石墨烯层，即相当于第一互连介质层103和第一碳纳米管互连通孔104上制备顶端石墨烯层；

对于步骤S108，采用化学气相淀积方法和金属薄膜热退火方法，以直接生长的方式，从而在第一互连介质层103上形成第二石墨烯层901，其与第一碳纳米管互连通孔104直接连通；

在本实施例中，所述第二石墨烯层901的制备步骤具体为：在第一互连介质层103上淀积一层金属Ni，厚度为50 nm～500 nm；然后准备碳源材料，执行淀积一层碳层、淀积类金刚石薄膜、离子注入碳材料等步骤；接着在保护气体中对金属Ni进行热退火处理，温度为600摄氏度～1000摄氏度；其后使用稀硝酸等溶液去除上层金属Ni，在Ni与第一互连介质层103的界面处生长有多层的第二石墨烯层901；

S109、通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第二石墨烯层901上制备有图形化的石墨烯互连层，从而构成顶端互连层110，此时，第一碳纳米管互连通孔104将第一石墨烯互连层102与顶端互连层110连通；对于步骤S109中的顶端互连层110的制备过程，其与步骤S102中第一石墨烯互连层102的制备过程相同；

通过上述制造步骤，其最后制备得出的互连结构如图1所示。

实施例4

针对上述实施例2所述的互连结构的制造方法，其具体包括有：

S201、如图3所示，在衬底101上制备第一石墨烯层201，其中，所述衬底101可由半导体材料硅、锗硅、绝缘层上的硅衬底等构成，也可包括化合物半导体材料，如三五族、二六族、碳化硅等材料，以及新型二维半导体材料，如石墨烯、二硫化钼、二硒化钨、黑磷等材料；

对于上述步骤S201，其可采用化学气相淀积合成石墨烯进行转移的方法以及金属薄膜热退火的方法，从而在衬底101上制备第一石墨烯层201；

在本实施例中，所述步骤S201具体为：

在一个额外的衬底上用溅射或蒸发方法淀积一层金属镍，厚度为50 nm-500 nm之间；然后将该衬底放入等离子气相淀积设备，在氢气气氛的保护下升温至900摄氏度，接着外加功率200W来用于激发等离子体，并通入甲烷等含有碳元素的气体源，根据厚度需要保持气体通入时间一般在10秒到5分钟之间；最后关闭含碳气体源、外加功率和加热功率，将衬底温度迅速下降至室温，从而可制备厚度在3nm以上的多层石墨烯；之后采用在石墨烯上旋涂光刻胶或聚合物作为机械支撑，将衬底放入稀硝酸等溶液中腐蚀掉镍金属层，这样漂浮在溶液表面的石墨烯层可以转移到目标衬底101上，去除机械支撑层；接着则对样品进行多次清洗或进行高温300摄氏度下退火，用于提升石墨烯的质量；

另外，对于上述在衬底101上制备第一石墨烯层201所采用的工艺过程，通过其制备参数的调整，也可在衬底101上制备出单层或少层石墨烯；

S202、如图4所示，通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第一石墨烯层201上制备有图形化的石墨烯互连线和石墨烯沟道，从而构成第一石墨烯互连层102；

对于所述的步骤S202，其具体为：根据所需导线的具体形状制造掩膜板，在石墨烯层上涂覆光刻胶；采用制造好的掩膜板进行曝光、显影和去胶等一系列步骤，将所需保留的石墨烯层用光刻胶覆盖；利用等离子体进行干法刻蚀，并去除光刻胶后得到第一石墨烯互连层102；其中，利用等离子体对第一石墨烯层进行干法刻蚀，即石墨烯的刻蚀采用干法等离子体刻蚀方法，这过程中所采用的气体可以是氧气、氩气、氢气、氮气、碳氢化合物或碳氟化合物，也可以是上述气体的混合物，而光刻中采用光刻胶作为掩膜，这可便于刻蚀后的去除，另外，其也可采用光刻胶结合其他硬掩膜（如金属、氮化硅等材料）来实现该掩膜；

S203、如图5所示，在第一石墨烯互连层102的通孔连接位置上淀积催化剂401，其中，对于所述催化剂401，其形成的位置需要对应于后续步骤形成的第一碳纳米管互连通孔104的位置，而所述催化剂401可以是Fe、Ni、Co、FeAl、NiAl等，也可以是上述材料的叠加；另外，所述催化剂401的制备，其可采用真空蒸发或溅射的方法来制备，制备出的催化剂401的厚度为0.5 nm到10nm之间；

S204、如图6所示，在衬底101上淀积第一互连介质层103，令步骤S3中的第一石墨烯互连层102嵌入设置在第一互连介质层103的下表面；

其中，所述第一互连介质层103可以为低介电常数的介质材料，所述低介电常数的介质材料包括但不限于多孔介质材料、包含部分空气隙的介质材料等；所述第一互连介质层103可通过气相淀积、溅射等方式来制备，而制备出的第一互连介质层103的厚度通常在200 nm到2μm之间，其也可以是在此范围之外来满足特殊应用需求；

S205、如图7所示，通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第一互连介质层103中制备通孔，所述通孔对应设置在第一石墨烯互连层的通孔连接位置上，其中，在第一互连介质层103中所制备的通孔，其的位置对应于图5所示的淀积了催化剂401的位置；

对于所述步骤S205，即形成通孔的制造过程，其具体为：

在第一互连介质层103上涂覆光刻胶后，进行光刻、曝光、显影，而所用掩膜板的图形用于使得在显影后获得漏出通孔处的介质层；之后采用干法等离子体进行刻蚀形成通孔；

由于，干法等离子体刻蚀后要确保金属催化剂未被刻蚀，因此在本实施例中，所采用的刻蚀工艺为：将电感耦合等离子体功率设为935 W，反应等离子体功率设为100 W，气体设为碳氟化合物10sccm和氢气8 sccm，并通入氦气174 sccm用于背面制冷；此工艺参数对金属材料具有较高的刻蚀选择比，并且结合了刻蚀终点的检测技术，这样在刻蚀完成后可以保留金属催化剂；

S206、如图8所示，基于所淀积的催化剂401，采用化学气相淀积方法，在第一石墨烯互连层102的通孔连接位置上直接生长碳纳米管701阵列，其中，所述化学气相淀积方法包括等离子体化学气相淀积方法、热化学气相淀积方法、微波等离子体化学气相淀积方法等，当采用等离子体化学气相淀积方法时，其生长温度可为350摄氏度到850摄氏度；

在本实施例中，化学气相淀积方法中所采用的气体和配比为甲烷30sccm：氮气35sccm：氢气40sccm，生长时间为1分钟，生长温度为650摄氏度；生长完成后关闭甲烷和氮气，在氢气气氛中降至室温；如图8所示，在生长过程中催化剂颗粒702位于碳纳米管701的顶部，而碳纳米管701的根部则直接与第一石墨烯互连层102相连接；生长后的碳纳米管701的长度并不完全一致，应通过控制生长时间使得大部分碳纳米管701长度高于第一互连介质层103的厚度；

S207、如图9所示，对碳纳米管701阵列进行介质填充后进行化学机械抛光工艺，从而形成第一碳纳米管互连通孔104，其中，所述第一碳纳米管互连通孔104用于第一互连介质层103的上表面与第一石墨烯互连层102连通；

其中，所填充的介质可以为二氧化硅、氮化硅和氧化铝等，而介质填充的方法可为原子层淀积技术、化学气相淀积或物理气相淀积技术等；在进行介质填充时，需根据碳纳米管的间距来设定填充介质的厚度，通常填充介质的厚度为10nm～50nm范围，而进行介质填充后则采用化学机械抛光工艺来去除高出第一互连介质层103的碳纳米管部分，形成第一碳纳米管互连通孔104；

S208、如图10所示，在第一互连介质层103上制备第二石墨烯层901，此实施例中，第二石墨烯层901实质为用于制备第二互连结构中的第二石墨烯互连层105，即相当于第一互连介质层103和第一碳纳米管互连通孔104上制备第二石墨烯层901；

对于步骤S208，采用化学气相淀积方法和金属薄膜热退火方法，以直接生长的方式，从而在第一互连介质层103上形成第二石墨烯层901，其与第一碳纳米管互连通孔104直接连通；

在本实施例中，所述第二石墨烯层901的制备步骤具体为：在第一互连介质层103上淀积一层金属Ni，厚度为50 nm～500 nm；然后准备碳源材料，执行淀积一层碳层、淀积类金刚石薄膜、离子注入碳材料等步骤；接着在保护气体中对金属Ni进行热退火处理，温度为600摄氏度～1000摄氏度；其后使用稀硝酸等溶液去除上层金属Ni，在Ni与第一互连介质层103的界面处生长有多层的第二石墨烯层901；

S209、如图11所示，通过光刻和刻蚀等工艺步骤，在第二石墨烯层901上制备有图形化的石墨烯互连层，从而构成第二石墨烯互连层105，此时，第一碳纳米管互连通孔104将第一石墨烯互连层102与第二石墨烯互连层105连通；对于步骤S209中的第二石墨烯互连层105的制备过程，其与步骤S202中第一石墨烯互连层102的制备过程相同；

S210、采用步骤S203至步骤S207的制备过程来实现第二互连介质层106和第二碳纳米管互连通孔107的制备；

S211、采用步骤S208的石墨烯层制备过程来实现在第二互连介质层106上制备出第三石墨烯层，此时，所述的第三石墨烯层为顶端石墨烯层，然后，采用步骤S209的石墨烯互连层制备过程来实现将顶端石墨烯层制备成顶端互连层110；

通过上述制造步骤，其最后制备得出的互连结构如图2所示。

由上述实施例4的互连结构制造方法步骤可得，当互连结构的个数大于2时，则在制备完第一互连结构之后，以及在制备顶端互连层110之前，重复执行步骤S208~210的制备过程，构成相应层数的互连结构便可。

实施例5

当采用本发明制造方法来在衬底上制备多层石墨烯，且衬底材料为硅上的氧化层衬底时，制备得出的在衬底上的多层石墨烯，其透射电镜照片如图12所示。其中，图中标号111标识的是硅上的氧化层衬底，而标号112所标识的是多层石墨烯。

实施例6

当采用本发明制造方法在多层石墨烯上溅射制备2nm的Fe催化剂，然后在化学气相淀积设备中进行高温退火后的表面扫描电镜图如图13所示。在图13中可得出，在高温退火后，淀积的Fe薄膜形成纳米颗粒，这可用于后续步骤的碳纳米管生长。

实施例7

图14所示为在多层石墨烯上直接生长的碳纳米管的横截面扫描电镜图片。其中，生长采用Fe催化剂2 nm，生长温度700摄氏度，生长时间为3分钟，而通过此具体方法所生长的碳纳米管具有良好的垂直取向，能满足碳纳米管互连通孔的要求。另外，由于催化剂颗粒在生长后位于碳纳米管顶部，在后续抛光步骤中可以去除，因此在最终制造出的互连结构中，在互连介质层之间的界面处完全去除了金属材料的影响，实现了碳纳米管和石墨烯的无缝连接。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。