CN101771022A - 采用石墨烯的电路结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及采用石墨烯的电路结构及其制造方法。电路结构采用石墨烯作为电荷载流子传输层。该结构包括多个石墨烯层。与所述多个石墨烯层中的一个层进行电接触，从而电荷载流子仅通过该一个层迁移。通过在多个石墨烯层内部或之上构造有源石墨烯层，有源石墨烯层保持必要的平坦性和结晶完整性，从而确保有源石墨烯层的高电荷载流子迁移率不受损害。

Description

采用石墨烯的电路结构及其制造方法
技术领域
本发明总体涉及纳米级电子电路，更具体而言，涉及采用支承在多层石墨烯结构上的石墨烯层的纳米电路。
背景技术
在追求更小的微电子器件的推动下，研究者们一直在寻求减小这些器件中电荷载体的尺寸。当电荷载体达到原子级时将实现器件的终极小型化。所感兴趣的用于减小这样的器件的尺寸的一种材料是石墨烯(graphene)。
石墨烯是排列成蜂房晶格(honeycomb lattice)的石墨碳原子的单原子片。它可以看作是巨大的二维富勒烯(Fullerene)分子、展开的单壁碳纳米管，或者仅是单层片状石墨晶体。在室温已经测量到的高达200,000cm2/Vs的电子迁移率值(Morozov et al.，PRL 100，016602，2008)使得该材料对于微电子应用极具有吸引力。然而，石墨烯的传输特性对于由晶格中的吸附物、缺陷和杂质导致的电子结构的改变非常敏感。利用石墨烯以维持其优异传输特性的方式构造器件是巨大的挑战，以致还没有实际器件利用石墨烯制造出来。因此，该材料的巨大潜力还没有完全实现。
发明内容
本发明提供一种电路结构，采用石墨烯作为电荷载流子传输层。该结构包括多个石墨烯层。与所述多个石墨烯层中的一个层进行电接触，从而电荷载流子仅通过该一个层迁移。通过在多个石墨烯层内部或之上构造有源石墨烯层，该有源石墨烯层保持必要的平坦性和结晶完整性，从而确保有源石墨烯层的高电荷载流子迁移率属性不受损害。
有源石墨烯层可形成在先前形成的石墨烯层堆叠的顶部，有源石墨烯层延伸超过下面的石墨烯堆叠。然后有源石墨烯层可在该延伸区域与电接触引线进行接触。
替代地，有源石墨烯层可位于石墨烯层堆叠的底部或内部，有源石墨烯层延伸超过堆叠中上面的层。可以通过掩模和蚀刻工艺使有源层延伸超过其它的、上面的层，并且可在有源层延伸超过上面的层的区域中进行有源层与导电引线层的接触。
本发明的这些和其它特征和优点将通过阅读结合附图的优选实施例的详细说明而明显，附图中相似的附图标记始终表示相似的元件。
附图说明
为了充分理解本发明的本质和优点以及应用的优选方式，应当结合附图参照下面的详细说明，附图不是按比例的。附图中：
图1是根据本发明一实施例的基于石墨烯的电路结构的示意剖视图；
图2-9是在制造的各中间阶段的电路结构的剖视图，示出了根据本发明一实施例的基于石墨烯的电路结构的制造方法；
图10-18是在制造的各中间阶段的电路结构的剖视图，示出了根据本发明一实施例的基于石墨烯的电路结构的制造方法；
图19是类似于图1的结构的图示，但使用双层石墨烯层用于电荷载流子的传输；
图20是类似于图9的结构的图示，但使用双层石墨烯层用于电荷载流子的传输；以及
图21是类似于图18的结构的图示，但使用双层石墨烯层用于电荷载流子的传输。
具体实施方式
下面的说明是目前想到的实施本发明的优选方式。进行该说明是用于说明本发明的一般原理，而不是意图限制这里提出的发明性构思。
本发明提供构造电子器件的能力，例如纳米级别的电子电路。本发明利用石墨烯作为电路中的电荷载流子的传输载体。石墨烯是排列成蜂房晶格(honeycomb lattice)的石墨碳原子的单原子片。它可以看作是二维富勒烯(Fullerene)分子、展开的单壁碳纳米管，或者仅是单层片状石墨晶体。在室温已经测量到高达200,000cm2/Vs的电子迁移率值。该结果已经由Morozov等描述过(PRL 100，016602，2008)。该极高的电子迁移率值使得该材料对于微电子应用极具吸引力。
遗憾的是，石墨烯的传输特性对于例如由晶格中的吸附物、缺陷和杂质导致的电子结构的改变非常敏感。这妨碍了石墨烯在任何实际的微电子应用中使用。
形成在普通衬底例如Si晶片衬底上的石墨烯结构的高分辨率成像显示，悬浮的石墨烯片不是完全平的，而是实际上表现出固有的微观粗糙性，使得表面通常变化几度并且离面(out-of-plane)变形达1nm。这导致大大减小了电子传输。石墨烯层中的波纹(ripple)导致形成电子池(electron pool)，这严重降低了石墨烯片在功能电子器件中的实用性。
本发明允许形成能以实用方式用于微电子器件中的平坦的、高完整性的石墨烯层。这通过在石墨烯多层结构中形成所感兴趣的石墨烯层来实现。即，形成一系列石墨烯层，与该系列中的层之一的电连接用于通过所接触的层传输电荷载流子。
因此，所公开的用于构造电子器件的制造工艺采用形成在多个石墨烯层中的单层石墨烯片。构造这样的基于石墨烯的器件的挑战是需要隔离石墨烯单层。另外，需要用于该单层的刚性支承体。现有技术的用于支承单层石墨烯片的手段总是导致传输特性的劣化，这是由于界面效应导致的石墨烯片的电子特性的改变。
参照图1，示出了基于石墨烯的电路结构102，其中有源电荷传输石墨烯层104支承在一系列多个石墨烯层106上。有源石墨烯层与导电引线层108、110电连接，导电引线层108、110可由各种导电材料例如Au或Cu制成。
该系列石墨烯层106包括若干单独的层106(a)-106(d)，它们彼此可以形成为一个直接在另一个之上。单独的层106(a)-106(d)的数量可以根据设计和制造的要求改变。可以看出，该系列石墨烯层106在底部和侧部被电绝缘层112围绕，电绝缘层112可以是氧化物例如氧化铝或者可以是某些其它电绝缘材料。结构102可以形成在诸如Si晶片或某些其它合适衬底的衬底114上。
该系列石墨烯层为有源石墨烯层104提供最佳表面，确保最佳电荷传输特性。例如，该系列石墨烯层106提供了非常平坦的表面以用于支承有源石墨烯层，防止电荷池(charge pool)的形成，并防止会大大降低电荷载流子传输的角偏移(远离法线)。此外，石墨烯层与有源层104具有相同材料和结构，防止有源石墨烯层104和系列石墨烯层106之间的边界处的相互扩散。
石墨烯具有独特且有用的特性，流经石墨烯层104的电荷载流子沿层平面在二维平面中流过。结果，流经有源层104的电荷载流子不行进到下面的系列石墨烯支承层106中的层106(d)。如上所述，流经有源石墨烯层104的电荷载流子具有非常高的迁移率值，在室温下高达200,000cm2/Vs。
图1所示的电路结构仅用于图示和示例。在实际的电路结构中，有源石墨烯层104可具有任何所需构造(例如从A-A线的上下视图观察时)。另外，有源石墨烯层104可用于电互连各种电子器件中的任何器件，诸如固态放大器、开关、电容器、电阻器、电感器、传感器或者很多其它电子器件。
现在参照图2-9，描述根据本发明一实施例的用于制造基于石墨烯的电路结构的方法。具体参照图2，提供衬底202。该衬底可以是半导体晶片例如Si晶片，或者可以是某些其它材料。第一掩模结构204例如光刻构图的光致抗蚀剂层形成在衬底上。第一掩模结构204可以形成有开口206、208、210，开口206、208、210构造来限定用于多层石墨烯支承结构和接触焊盘位置的开口，下面将要说明的那样。
参照图3，可利用材料去除工艺例如反应离子蚀刻或离子研磨从未被掩模204覆盖的区域(即通过掩模204中的开口206、208、210暴露的部分)去除部分衬底材料，从而形成井304、306、308。内井306将限定多层石墨烯支承部，外井304、308将用于形成电接触焊盘，如下面将更清楚地说明的那样。
然后，参照图4，第二掩模结构402可形成在衬底202之上。第二掩模结构402可形成为覆盖内井306，并在外井304、308(接触焊盘井)之上具有开口404、406。然后，导电接触材料408例如Au、Cu或某些其它材料可沉积在掩模402之上并沉积到井304、308中。然后，掩模402可通过例如在热NMP溶液中浸泡而被顶离(lift off)，留下例如图5所示的结构，其中接触焊盘502、504通过图4中沉积的导电材料408形成。可选地，可以进行化学机械抛光工艺来平坦化导电接触焊盘502、504和衬底202的表面。
参照图6，可形成第三掩模结构602。如前面的掩模204、402那样，第三掩模602可由光刻构图的光致抗蚀剂形成。第三掩模602可形成为覆盖接触焊盘502、504并具有构造为暴露内井306的开口604。然后，参照图7，形成系列石墨烯层702。所形成的单独层的数量可取决于设计因素，诸如需要多少层来确保最上层的平坦表面。为了示范，图7示出了四个单独的石墨烯层702(a)-702(d)。然后，可以顶离掩模602，留下图8所示的结构。
现在参照图9，可在衬底202、接触焊盘502、504以及系列石墨烯层702(其形成用于单个石墨烯层902的支承部)之上形成单个石墨烯层902。单个石墨烯层902提供用于从其传输电荷载流子的有源石墨烯层。通过在接触焊盘504、502之间施加电压，诸如电子的电荷载流子可通过单原子单层石墨烯片902迁移，如线904所示。
图10-18示出根据本发明另一可行实施例的用于制造基于石墨烯的电路结构的方法。参照图10，提供衬底1002。与上面描述的实施例相同，衬底1002可以是半导体衬底例如Si晶片或者某些其它合适的材料。石墨烯层1004(a)-1004(d)的系列1004形成在衬底1002之上。系列1004中单独石墨烯层的数量是设计选择的问题。
然后，参照图11，第一掩模1102例如光刻构图的光致抗蚀剂掩模1102形成在层1004之上。第一掩模1102具有外边缘1104，其定位为界定电路器件的外边缘。然后可进行诸如反应离子蚀刻或离子研磨的第一材料去除工艺来去除石墨烯层系列1004的未被第一掩模保护的部分。可以进行该第一材料去除工艺直到到达衬底1002。
然后参照图13，形成第二掩模结构1302，第二掩模结构1302具有从第一掩模结构1102的外边缘稍微向里的外边缘1304。
然后，进行诸如反应离子蚀刻的第二材料去除工艺，去除层1004的未被第二掩模结构保护的部分。然而，该第二材料去除工艺在去除底部石墨烯层1004(a)之前终止，得到图14所示的结构，其中底部石墨烯层1004(a)稍微超过其它层的边缘1402延伸。这形成了电接触接片1404，如将在下面更好地理解的那样。
随着蚀刻的进行，可通过原位(in-situ)基于拉曼散射的技术或者通过监视石墨烯的反射率改变，可以进行单个石墨烯层1004(a)的端点检测。如果需要纳米级的端点检测，可以采用称为针尖增强拉曼光谱(Tip-enhancedRaman Spectroscopy)的方法。在该方法中，原子力显微镜(AFM)的针尖涂覆有金属，从而在顶点处诱发等离子体激元(plasmon)谐振。这已经证实为是进行空间分辨率为大约20nm的拉曼光谱法的有效方法，因此可以用作端点方法以用于以纳米分辨率产生单层石墨烯。
现在参照图15，如图所示，可以形成第三掩模结构1502来仅覆盖第一石墨烯层的接触接片1404，同时留下其它石墨烯层1004(b)-1004(d)未被覆盖。如图所示，掩模1502可构造为具有悬伸部(overhang)的双层掩模，从而利于顶离。然后可形成电绝缘材料层1504例如薄氧化物层(例如氧化铝)，如图15所示。绝缘层1504优选地通过诸如原子层沉积或化学气相沉积的共形沉积法沉积，从而其沉积在层1004(b)-(d)的侧部上以及在水平表面上。然后，该第三掩模结构1502可被顶离，得到图16所示的结构。
参照图17，可形成可选的第四掩模结构1702来覆盖仅层1004(d)和氧化物层1504之上的区域，留下接触接片1404未被覆盖。然后，可沉积诸如Au或Cu的导电引线材料1704。该导电引线材料1704覆盖引线接片1404。然后，参照图18，第四掩模结构1702可被顶离，去除在工艺中形成在其上的导电材料1704。因此，该第四掩模结构1702用作释放层，用于从氧化物1504和石墨烯层1004(b)-(d)之上去除引线材料1704的不需要的部分，同时留下位于引线接片1404上并与之接触的引线材料1704。
尽管上述工艺公开了底层1404(a)作为结构的有源导电层，但这仅是示例。该有源导电石墨烯层可以是石墨烯层系列1404内部的层，例如层1404(c)，仅对该层(例如1404(c))制造电接触。
已经发现，与单层石墨烯结构相比，通过使用双层石墨烯结构可以实现信号噪声的很大降低。因此，为了降低信号噪声，可修改任何上述结构使得电荷载流子流经双层石墨烯结构。使用双层石墨烯结构的效果已经在题为“Strong Suppression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nano Devies”(IBM研究人员Yu-Ming Lin和Phaedon Avouris，January 29，2008)的论文中讨论过。
例如，图19示出了类似于图1的结构，除了电荷载流子流经包括第一和第二石墨烯层102(a)和102(b)的双层石墨烯结构之外。类似地，图20示出了类似于图9的结构，除了电荷载流子通过包括层902(a)和902(b)的双层石墨烯结构的两层迁移之外。图21示出了类似于图18的结构，除了电荷载流子流经两个石墨烯层140(a)和140(b)，而不是流经仅单个石墨烯层之外。
尽管上面描述了各种实施例，但应理解它们仅是以举例的方式给出而不是限制。落在本发明范围内的其它实施例对本领域技术人员也会是显而易见的。因此，本发明的广度和范围不应被上述示例性实施例限制，而应仅根据权利要求及其等价物定义。

Claims (21)

1.一种电路结构，包括：
一个形成在另一个上的多个石墨烯层；以及
第一和第二电接触，所述第一和第二电接触二者都与所述多个石墨烯层中的单个石墨烯层电连接。
2.如权利要求1所述的电路结构，其中所述单个石墨烯层位于所述多个石墨烯层的顶部。
3.如权利要求1所述的电路结构，其中所述单个石墨烯层位于所述多个石墨烯层的底部。
4.如权利要求1所述的电路结构，其中所述单个石墨烯层位于所述多个石墨烯层的内部，被夹在相邻的石墨烯层之间。
5.如权利要求1所述的电路结构，其中所述多个石墨烯层包括至少三个石墨烯层。
6.如权利要求1所述的电路结构，其中所述多个石墨烯层形成在衬底上。
7.如权利要求1所述的电路结构，其中所述多个石墨烯层形成在Si衬底上。
8.如权利要求1所述的电路结构，其中所述多个石墨烯层的至少一部分具有界定第一和第二侧面的第一和第二边缘，且其中所述单个石墨烯层延伸超过所述第一和第二侧面。
9.如权利要求8所述的电路结构，其中所述单个石墨烯层在超过所述第一和第二侧面的区域中与所述第一和第二电接触进行接触。
10.如权利要求8所述的电路结构，还包括形成在所述第一和第二侧面上的电绝缘层。
11.如权利要求9所述的电路结构，还包括形成在所述第一和第二侧面的每个与相邻的一个所述电接触之间的电绝缘材料。
12.一种制造电路结构的方法，包括：
形成第一和第二导电接触焊盘；
形成多个石墨烯层，所述多个石墨烯层与所述第一和第二导电接触层电分离；以及
在所述多个石墨烯层上形成单个石墨烯层，所述单个石墨烯层延伸超过所述多个石墨烯层从而接触所述第一和第二导电接触。
13.如权利要求12所述的方法，还包括：在形成所述第一和第二导电接触之前且在形成所述石墨烯层之前，提供衬底并在所述衬底中形成第一、第二和第三井；且
其中所述第一和第二导电接触形成在所述第一和第三井中，所述多个石墨烯层形成在所述第二井中。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述单个石墨烯层在所述衬底、所述多个石墨烯层以及所述第一和第二导电接触之上延伸。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述衬底包括Si。
16.一种制造电路结构的方法，包括：
形成多个石墨烯层；
在所述多个石墨烯层上形成掩模结构；
对所述多个石墨烯层的未被所述掩模保护的部分执行材料去除工艺，留下至少一个石墨烯层保持原样；以及
形成接触所述至少一个保持原样的石墨烯层的导电引线结构。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：在执行所述材料去除工艺之后且在形成所述导电引线结构之前，形成电绝缘材料来覆盖所述石墨烯层的去除部分，同时留下所述至少一个保持原样的石墨烯层的部分被暴露。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述导电引线结构接触所述至少一个保持原样的石墨烯层的所述暴露部分。
19.如权利要求17所述的方法，其中所述电绝缘材料是氧化物层。
20.如权利要求16所述的方法，其中所述至少一个保持原样的石墨烯层是设置在所述多个石墨烯层的底部的单个石墨烯层。
21.一种电路结构，包括：
一个形成在另一个上的多个石墨烯层，所述多个石墨烯层包括超过两个石墨烯层；以及
第一和第二电接触，所述第一和第二电接触二者都与所述多个石墨烯层中的两个相邻的石墨烯层电连接，所述两个相邻的石墨烯层形成双层石墨烯结构。
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