一种基于垂直石墨烯互连结构的片上螺旋电感的制作方法

本发明属于电子器件技术领域，具体涉及一种基于垂直石墨烯互连结构的片上螺旋电感元器件。

背景技术：

目前的集成电路上嵌入了越来越多的电感元件，现有技术中一般采用片上螺旋电感结构，即通过由金属线绕制成电感线圈，并通过通孔传输通道将内部端口从金属层中引出。通常需要增加线圈数量来获得较高电感值。片上螺旋电感结构一般具有面积小、功耗低、易集成的特点。

近年来，石墨烯作为新兴的互连材料由于其非凡的物理特性受到了广泛的关注。与传统的铜互连相比，单层石墨烯的互连在较低线宽时可以提供更小的寄生电阻，系统稳定性增加，相比多层水平石墨烯互连，则其功耗明显增加。然而多层水平石墨烯由于顶端电极的不完全接触，导电性存在着一定的缺陷，且垂直方向的导热性比较差。

动电感是指把交替电动势中的移动电荷载流子的惯性质量的表现作为一种等效互连电感，是抵抗载流子惯性变化的特性，对电流的流动有着巨大的促进作用，仅取决于动量弛豫以及材料中的导电通道。石墨烯因为其独特的物理结构，致使其有着比传统金属更大的弛豫时间和更小的导电沟道数目，拥有着更显著的动电感特性。又由于动电感不依赖电感器的面积且没有相互的动态电感，因此利用石墨烯的动电感特性来提高电流密度、减小面积、优化集成电路布局，将会成为片上电感的缩放发展的一个重要趋势。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于垂直石墨烯互连结构的片上螺旋电感，具体为四匝螺旋石墨烯电感器，由垂直石墨烯制成电感元件，利用了相对较大的动电能电感和高导电率材料，以实现小外形和高电感值；石墨烯互连在顶层金属层实现，而中心抽头和激励源在低一层的金属层实现，此外，金属电极用作石墨烯互连的接触，最大程度地提高互感值，以获得高电感性的电感结构。

本发明包括基底、位于基底顶部的第二金属层、位于第二金属层顶部的第一金属层、第一通孔传输通道、第二通孔传输通道和位于第一金属层上且缠绕成四匝的十六根石墨烯互连线；所述第一石墨烯互连线的一端与第二石墨烯互连线一端通过金属电极连接，另一端与第一通孔传输通道位于第一金属层一端连接，所述第一通孔传输通道的另一端位于第二金属层；第二石墨烯互连线另一端与第三石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第三石墨烯互连线另一端与第四石墨烯互连线一端通过金属电极连接；所述的第一石墨烯互连线、第二石墨烯互连线、第三石墨烯互连线和第四石墨烯互连线形成最外环的第一匝；第四石墨烯互连线另一端与第五石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第五石墨烯互连线另一端与第六石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第六石墨烯互连线另一端与第七石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第七石墨烯互连线另一端与第八石墨烯互连线一端通过金属电极连接；所述的第五石墨烯互连线、第六石墨烯互连线、第七石墨烯互连线和第八石墨烯互连线形成靠近最外环的第二匝；第八石墨烯互连线另一端与第九石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第九石墨烯互连线另一端与第十石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第十石墨烯互连线另一端与第十一石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第十一石墨烯互连线另一端与第十二石墨烯互连线一端通过金属电极连接；所述的第九石墨烯互连线、第十石墨烯互连线、第十一石墨烯互连线和第十二石墨烯互连线形成靠近最内环的第三匝；第十二石墨烯互连线另一端与第十三石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第十三石墨烯互连线另一端与第十四石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第十四石墨烯互连线另一端与第十五石墨烯互连线一端通过金属电极连接；第十五石墨烯互连线另一端与第十六石墨烯互连线一端通过金属电极连接；所述的第十三石墨烯互连线、第十四石墨烯互连线、第十五石墨烯互连线和第十六石墨烯互连线形成最内环的第四匝；第十六石墨烯互连线另一端与第二通孔传输通道位于第一金属层一端连接，第二通孔传输通道另一端位于第二金属层。

所述的各根垂直石墨烯互连线中垂直石墨烯层的生长过程如下：

步骤一，用化学气相沉积法在钛保护层上形成4nm厚度的钴催化剂层。

步骤二，用化学气相沉积法在钴催化剂层上生长出两层水平石墨烯层。

步骤三，用化学气相沉积法在底层水平石墨烯层和钴催化剂层之间生长出等间距设置的多层垂直石墨烯层。

步骤四，通过氩等离子体蚀刻去除两层水平石墨烯层。

步骤五，用深反应离子蚀刻技术，去除部分垂直石墨烯层，从而在所有垂直石墨烯层之间形成等距排布且大小相同的四个间隙。

步骤六，运用化学气相沉积法沉积电介质层，使电介质层包围住经步骤五处理后的所有垂直石墨烯层以及四个间隙。

步骤二中生长两层水平石墨烯层的过程具体为：首先在钴催化剂层上生长出底层水平石墨烯层，然后在底层水平石墨烯层上生长出顶层水平石墨烯层。

步骤二中的化学气相沉积法，使用乙炔和氩的混合物作为源气体，气压为1kpa，生长水平石墨烯层的环境温度为45℃，生长时间为30分钟。

所述的氩等离子体蚀刻中，氩气的压力为0.5pa，功率为400w。

本发明具有的有益效果是：

本发明利用了垂直石墨烯互连结构构造了片上螺旋电感元件，相比较传统电感，提高了电感密度，减小了面积，增强了整体电感值。其中，相比单层石墨烯的互连，多层垂直石墨烯的互连在较大宽度时体现出优势；相比较铜互连，减小了集成电路中信号传输时延，降低功耗；而相比较水平石墨烯互连，增强了垂直方向上的导热性，提高了性能。

附图说明

图1为多层水平石墨烯的结构图；

图2为本发明中多层垂直石墨烯的结构图；

图3a为钛保护层上形成钴催化剂层的结构图；

图3b为图3a的钴催化剂层上生长水平石墨烯层后的结构图；

图3c为图3b的水平石墨烯层下生长垂直石墨烯后的结构图；

图3d为图3c去除水平石墨烯后的结构图；

图3e为图3d去除部分垂直石墨烯层后的结构图；

图3f为图3e沉积电介质层后的结构图；

图4为本发明片上螺旋电感的结构示意图；

图5为本发明片上螺旋电感与水平石墨烯互连结构的片上螺旋电感之间的传输曲线仿真对比图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为多层水平石墨烯互连结构示意图，其中包括接触电阻rc和多个水平石墨烯层。由于材料的不同制造工艺，接触电阻的值存在着一定的变化范围。从图1中可见这种水平的石墨烯互连相比较传统的铜互连可以提供更好的可靠性和稳定性，但是由于在垂直方向上的低导热性，其散热性存在一定问题。

图2为多层垂直石墨烯互连结构示意图，其中包括接触电阻和多个垂直石墨烯层。从图2中可见这种垂直的石墨烯互连结构将会极大地增加散热的速率，同时还能保证可靠性和稳定性。

垂直石墨烯互连结构中垂直石墨烯层的生长过程如下：

步骤一，如图3a所示，用化学气相沉积法在钛保护层上形成4nm厚度的钴催化剂层。

步骤二，如图3b所示，用化学气相沉积法在钴催化剂层上生长出两层水平石墨烯层，具体为：首先在钴催化剂层上生长出底层水平石墨烯层，然后在底层水平石墨烯层上生长出顶层水平石墨烯层。

步骤三，如图3c所示，用化学气相沉积法在底层水平石墨烯层和钴催化剂层之间生长出多层间距为δ的垂直石墨烯层。

步骤四，如图3d所示，通过氩等离子体蚀刻去除两层水平石墨烯层。

步骤五，如图3e所示，用深反应离子蚀刻技术，去除部分垂直石墨烯层，从而在所有垂直石墨烯层之间形成等距排布且大小相同的四个间隙。

步骤六，如图3f所示，运用化学气相沉积法沉积电介质层，使电介质层包围住经步骤五处理后的所有垂直石墨烯层以及四个间隙。

步骤二中的化学气相沉积法，使用乙炔和氩的混合物作为源气体，气压为1kpa，生长水平石墨烯层的环境温度为45℃，生长时间为30分钟。

氩等离子体蚀刻中，氩气的压力为0.5pa，功率为400w。

图4为本发明片上螺旋电感的结构图。其中，左端为输入端口激励源，右端为输出端口中心抽头。本发明片上螺旋电感，包括基底、位于基底顶部的第二金属层、位于第二金属层顶部的第一金属层、第一通孔传输通道、第二通孔传输通道和位于第一金属层上且缠绕成四匝的十六根石墨烯互连线；第一石墨烯互连线101一端与第二石墨烯互连线102一端通过金属电极连接，第二石墨烯互连线102另一端与第三石墨烯互连线103一端通过金属电极连接；第三石墨烯互连线103另一端与第四石墨烯互连线104一端通过金属电极连接；第一石墨烯互连线101、第二石墨烯互连线102、第三石墨烯互连线103和第四石墨烯互连线104形成最外环的第一匝；第四石墨烯互连线104另一端与第五石墨烯互连线105一端通过金属电极连接；第五石墨烯互连线105另一端与第六石墨烯互连线106一端通过金属电极连接；第六石墨烯互连线106另一端与第七石墨烯互连线107一端通过金属电极连接；第七石墨烯互连线107另一端与第八石墨烯互连线108一端通过金属电极连接；第五石墨烯互连线105、第六石墨烯互连线106、第七石墨烯互连线107和第八石墨烯互连线108形成靠近最外环的第二匝；第八石墨烯互连线108另一端与第九石墨烯互连线109一端通过金属电极连接；第九石墨烯互连线109另一端与第十石墨烯互连线110一端通过金属电极连接；第十石墨烯互连线110另一端与第十一石墨烯互连线111一端通过金属电极连接；第十一石墨烯互连线111另一端与第十二石墨烯互连线112一端通过金属电极连接；第九石墨烯互连线109、第十石墨烯互连线110、第十一石墨烯互连线111和第十二石墨烯互连线112形成靠近最内环的第三匝；第十二石墨烯互连线112另一端与第十三石墨烯互连线113一端通过金属电极连接；第十三石墨烯互连线113另一端与第十四石墨烯互连线114一端通过金属电极连接；第十四石墨烯互连线114另一端与第十五石墨烯互连线115一端通过金属电极连接；第十五石墨烯互连线115另一端与第十六石墨烯互连线116一端通过金属电极连接；第十三石墨烯互连线113、第十四石墨烯互连线114、第十五石墨烯互连线115和第十六石墨烯互连线116形成最内环的第四匝；第一石墨烯互连线101另一端与第一通孔传输通道位于第一金属层一端连接，第一通孔传输通道位于第二金属层一端与位于第二金属层的激励源连接；第十六石墨烯互连线116另一端与第二通孔传输通道位于第一金属层一端连接，第二通孔传输通道位于第二金属层一端与位于第二金属层的中心抽头连接。

本发明片上螺旋电感的工作过程：电流首先从第二金属层的激励源通过第一通孔传输通道流到第一金属层，然后依次经第一金属层的第一石墨烯互连线101、第二石墨烯互连线102、第三石墨烯互连线103、第四石墨烯互连线104、第五石墨烯互连线105、第六石墨烯互连线106、第七石墨烯互连线107、第八石墨烯互连线108、第九石墨烯互连线109、第十石墨烯互连线110、第十一石墨烯互连线111、第十二石墨烯互连线112、第十三石墨烯互连线113、第十四石墨烯互连线114、第十五石墨烯互连线115和第十六石墨烯互连线116后通过第二通孔传输通道重新流到第二金属层，最后经中心抽头流出。本发明中各石墨烯互连线反复缠绕以增长电流路径，采用垂直石墨烯螺旋电感结构可提供较大的动电感值，同时降低电路的功耗、提高散热速率，从而达到优化电路性能目的。

图5为利用matlab仿真软件得到的本发明基于垂直石墨烯互连结构的片上螺旋电感与水平石墨烯互连结构的片上螺旋电感之间的传输曲线仿真对比图，vgnr代表垂直石墨烯，hgnr代表水平石墨烯，w代表互连线的宽度，ef代表费米能级。可见，相比较水平石墨烯互连而言，本发明很好实现了功耗的降低，提高了散热性和器件的性能，增加了系统的稳定性。