CN102935993A

CN102935993A - 二维电子材料单臂梁器件及其制备方法

Info

Publication number: CN102935993A
Application number: CN2012103316079A
Authority: CN
Inventors: 肖柯; 吕宏鸣; 伍晓明; 钱鹤; 吴华强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102935993B

Abstract

本发明提供一种二维电子材料单臂梁器件及其制备方法，器件包括：衬底；衬底上形成有第一金属电极图形；衬底和第一金属电极图形上形成有介质层，介质层形成有第一通孔图形；介质层上形成有第二金属电极图形，第二金属电极图形中的第二金属电极未覆盖第一通孔图形中的第一通孔；第二金属电极图形上形成有二维电子材料图形，二维电子材料图形中的二维电子材料层部分覆盖位于第一通孔一侧的第二金属电极上、且部分悬空于该第一通孔中；二维电子材料图形和第二金属电极图形上还形成有欧姆接触层图形，欧姆接触层图形中的欧姆接触层覆盖在二维电子材料层与第二金属电极重叠部位的上方、且该欧姆接触层与该第二金属电极接触。本发明器件制备工艺简单。

Description

二维电子材料单臂梁器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及微电子技术，特别是涉及一种二维电子材料单臂梁器件及其制备方法。

背景技术

二维电子材料，如石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是世上最薄却也是机械强度最高的纳米材料。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

基于石墨烯优异的机械、电学等性能，石墨烯在微电子领域的应用引起人们普遍的兴趣。如何合理设计电子器件的结构、以及如何改善工艺来减少如石墨烯等二维电子材料损坏和性能下降等问题，成为当今研究的热点问题。

发明内容

本发明提供一种二维电子材料单臂梁器件及其制备方法，用以简化制备工艺，提高单臂梁器件的性能。

一方面，本发明提供了一种二维电子材料单臂梁器件，包括：

衬底；

所述衬底上形成有第一金属电极图形；

所述衬底和第一金属电极图形上形成有介质层，所述介质层形成有第一通孔图形；

所述介质层上形成有第二金属电极图形，所述第二金属电极图形中的第二金属电极未覆盖所述第一通孔图形中的第一通孔；

所述第二金属电极图形上形成有二维电子材料图形，其中，所述二维电子材料图形中的二维电子材料层部分覆盖位于所述第一通孔一侧的第二金属电极上、且部分悬空于该第一通孔中；

所述二维电子材料图形和所述第二金属电极图形上还形成有欧姆接触层图形，所述欧姆接触层图形中的欧姆接触层覆盖在二维电子材料层与第二金属电极重叠部位的上方、且该欧姆接触层与该第二金属电极接触。

另一方面，本发明还提供了一种二维电子材料单臂梁器件的制备方法，包括：

步骤101：在衬底上形成第一金属电极图形；

步骤102：在所述衬底和所述第一金属电极图形上形成介质层，并通过光刻工艺对所述介质层进行图形化处理，以得到第一通孔图形；

步骤103：在所述介质层上形成第二金属电极图形，所述第二金属电极图形中的第二金属电极未覆盖所述第一通孔图形中的第一通孔；

步骤104：在所述第二金属电极图形上形成二维电子材料图形，其中，所述二维电子材料图形中的二维电子材料层部分覆盖位于所述第一通孔一侧的第二金属电极上、且部分悬空于该第一通孔中；

步骤105：在所述二维电子材料图形和所述第二金属电极图形上形成欧姆接触层图形，所述欧姆接触层图形中的欧姆接触层覆盖在二维电子材料层与第二金属电极重叠部位的上方、且该欧姆接触层与该第二金属电极接触。

本发明提供的二维电子材料单臂梁器件及其制备方法，器件制备过程工艺简单，由于在如金属电极制备之后如两金属电极制备之后才制备二维电子材料层，因此，可减少对二维电子材料可能造成损伤的工序，降低二维电子材料受损的几率，进而提高了器件性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的石墨烯单臂梁器件的结构示意图；

图2为本发明实施例二提供的石墨烯单臂梁器件的结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的石墨烯单臂梁器件的制备方法流程图；

图4为本发明实施例提供的制备衬底的工艺结构示例；

图5a-图5b为本发明实施例提供的制备第一金属电极层的工艺结构示例；

图6a-图6b为本发明实施例提供的制备介质层及通孔的工艺结构示例；

图7a-图7b为本发明实施例提供的制备第二金属电极层的工艺结构示例；

图8a-图8b为本发明实施例提供的制备石墨烯层的工艺结构示例；

图9a-图9b为本发明实施例提供的制备欧姆接触层的工艺结构示例；

图10为本发明实施例提供的在介质层形成第一通孔图形和第二通孔图形的工艺结构示例；

图11为本发明实施例提供的形成包括金属垫的石墨烯单臂梁器件的结构示例。

附图标记：

11-衬底； 111-硅衬底； 112-二氧化硅；

12-第一金属电极； 121-第一金属电极层； 13-介质层；

131-第一通孔； 132-第二通孔； 14-石墨烯；

15-欧姆接触层； 16-第二金属电极； 161-第二金属电极层；

17-金属垫。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的二维电子材料单臂梁器件及其制备方法中，二维电子材料可为但不限于：石墨烯、硫化钼等。下文以石墨烯作为二维电子材料的情形为例，详细说明本发明单臂梁器件及其制备方法的技术方案。相应的，二维电子材料图形为石墨烯图形，二维电子材料层为石墨烯。

需要说明的是：下文石墨烯单臂梁器件及其制备方法的各技术方案，同样适用与硫化钼单臂梁器件及其制备方法中，相应的，二维电子材料图形为硫化钼图形，二维电子材料层为硫化钼。当然，下文石墨烯单臂梁器件及其制备方法的各技术方案，还同样适用于其他二维电子材料的单臂梁器件及其制备方法中，不再赘述。

图1为本发明实施例一提供的石墨烯单臂梁器件的结构示意图。如图1所示，本实施例提供的石墨烯单臂梁器件包括：

衬底11。衬底11可为但不限于硅衬底，如N型硅衬底、高阻硅衬底等。为了实现衬底与其上形成的金属电极的良好接触，可选的，可对衬底的上部进行热氧化处理以在衬底的上部形成氧化层，例如：可对硅衬底的上部进行热氧化处理，以在硅衬底的上部形成经热氧化处理后的二氧化硅层。

衬底11上形成有第一金属电极图形。第一金属电极图形可包括一个或多个第一金属电极12，第一金属电极12作为石墨烯单臂梁器件的下极板。

衬底11和第一金属电极图形上形成有介质层13，介质层13形成有第一通孔图形。第一通孔图形可包括一个或多个第一通孔131，第一通孔131用于形成石墨烯单臂梁的悬空结构。

介质层13上形成有第二金属电极图形，其中，所述第二金属电极图形包括一个或多个第二金属电极16，第二金属电极16未覆盖第一通孔图形中的第一通孔131。

第二金属电极图形上形成有石墨烯图形，其中，所述石墨烯图形中的石墨烯14部分覆盖位于第一通孔131一侧的第二金属电极16上、且部分悬空于该第一通孔131中。

所述石墨烯图形和第二金属电极图形上还形成有欧姆接触层图形，所述欧姆接触层图形中的欧姆接触层15覆盖在石墨烯14与第二金属电极16重叠部位的上方、且该欧姆接触层15与该第二金属电极16接触。

本实施例通过将石墨烯部分悬空在第一通孔中而形成单臂梁器件结构，在实际使用过程中，第一金属电极作为下极板，第二金属电极作为上极板，当第一金属电极和第二金属电极之间形成直流或高频电场时，该电场作用在石墨烯悬空于第一通孔中的部分，使得该部分石墨烯的碳原子面弯曲变形或上下震动，通过对弯形变量或震动幅度进行表征，以研究石墨烯在一定电场中力学特性。

本实施例利用石墨烯具有薄、机械强度高、形变灵敏等优异的机械性能，将石墨烯引入到单臂梁器件中，单臂梁器件制备工艺简单，且在较后工序如金属电极制备之后才形成石墨烯，因此，可减少对石墨烯可能造成损伤的工序，降低石墨烯受损的几率，进而提高了器件性能。上述技术方案中，介质层可为但不限于二氧化硅。可选的，作为介质层的二氧化硅的厚度为0.4um-0.6um。

可选的，第一通孔131的尺寸可根据实际工艺条件设计，为了在保证器件基本性能的基础上降低工艺复杂性，第一通孔的最小孔径可为1.6um。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一金属电极图形包括：第一金属层图形和位于第一金属层图形上的第一抗反射层图形。第一金属层图形可包括一个或多个第一金属线层，第一金属线层可为但不限于Al；第一金属线层的线宽可根据实际工艺条件控制，如最细线宽可为1.5um；第一金属线层的厚度可为0.4um-0.6um。

可选的，第二金属电极图形包括：第二金属层图形和位于第二金属层图形上的第二抗反射层图形。第二金属层图形可包括一个或多个第二金属线层，第二金属线层可为但不限于Al；第二金属线层的线宽可根据实际工艺条件控制，如最细线宽可为1.5um；第二金属线层的厚度可为0.4um-0.6um。

进一步的，为了便于连接外部测试电路，可选的，如图2所示，介质层13还可形成有第二通孔图形，介质层13上还形成有金属垫图形。其中，所述第二通孔图形包括一个或多个第二通孔132，所述金属垫图形包括一个或多个金属垫（Metal Pad）17，金属垫17与第二金属电极12分离，且第一金属电极图形中的第一金属电极16通过第二通孔图形中的第二通孔132与金属垫17电连接，由此即可通过金属垫17与外部测试电路建立电连接。

下面结合附图对石墨烯单臂梁器件的制备方法的技术方案，进行详细说明。

图3为本发明实施例三提供的石墨烯单臂梁器件的制备方法流程图。如图3所示，本实施例提供的石墨烯单臂梁器件的制备方法可包括：

步骤100：对衬底的上部进行热氧化处理，以在所述衬底的上部形成氧化层。

本步骤为可选步骤，也就是说，如衬底满足实际使用要求，可无需对衬底进行处理。该衬底11可为但不限于硅衬底111，如N型硅衬底等。为了实现衬底与其上形成的金属电极的良好接触，可选的，可对硅衬底111上部进行热氧化处理，以在硅衬底111的上部形成一定厚度的二氧化硅层112，如图4所示。

步骤101：在衬底上形成第一金属电极图形。

可采用蒸镀法、等离子体增强化学气相沉积法（Plasma EnhancedChemical Vapor Deposition，简称PECVD）、溅射等方法，在衬底11上形成第一金属电极层121，如图5a所示。

之后，可采用接触式光刻、步进（Stepper）光刻等光刻工艺，对第一金属电极层121进行图形化处理，以在第一金属电极层121上形成第一金属电极图形，第一金属电极图形包括一个或多个第一金属电极12，如图5b所示。

步骤102：在所述衬底和所述第一金属电极上形成介质层，并通过光刻工艺对所述介质层进行图形化处理，以得到第一通孔图形。

可采用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition，简称CVD）等方法，在如图5b所示的结构上形成介质层13，如图6a所示。

之后，可采用接触式光刻、步进光刻等光刻工艺，对介质层13进行图形化处理，以在介质层13上形成第一通孔图形，如图6b所示，第一通孔图形可包括一个或多个第一通孔131，第一通孔131用于形成石墨烯单臂梁的悬空结构。

步骤103：在所述介质层上形成第二金属电极图形，所述第二金属电极图形中的第二金属电极未覆盖所述第一通孔图形中的第一通孔。

可采用蒸镀法、PECVD、溅射等方法，在如图6b所示的结构上形成第二金属电极层161，如图7a所示。

之后，可采用接触式光刻、步进光刻等光刻工艺，对第二金属电极层16进行图形化处理，以在第二金属电极层16上形成第二金属电极图形，第二金属电极图形包括一个或多个第二金属电极16，如图7b所示。

步骤104：在所述第二金属电极图形上形成石墨烯图形，其中，所述石墨烯图形中的石墨烯部分覆盖位于所述第一通孔一侧的第二金属电极上、且部分悬空于该第一通孔中。

本步骤中石墨烯的形成方式不受限制，例如：可将外部制备好的石墨烯层直接转移到如图7b所示的结构上，以在介质层13上形成石墨烯14，如图8a所示。石墨烯可采用但不限于CVD等方法制备。

为了在石墨烯14与第二金属电极16之间形成紧密接触，可选的，可对石墨烯进行气压处理，例如：将形成有石墨烯的器件放置到一密封容器中，对该密封容器抽真空至预定真空度，并在预定时长之后将该器件从密封容器中取出。由于密封容器内外形成有一定的气压差，该气压差将石墨烯14压紧第二金属电极16，从而形成了石墨烯14与第二金属电极16的紧密接触。

之后，可采用氧等离子体光刻等光刻工艺对如图8a所示的石墨烯进行图形化处理，使得保留下的石墨烯14部分覆盖在位于第一通孔131一侧的第二金属电极16上、且部分悬空于该第一通孔131中，如图8b所示。

步骤105：在所述石墨烯图形和所述第二金属电极图形上再形成欧姆接触层图形，所述欧姆接触层图形中的欧姆接触层覆盖在石墨烯与第二金属电极重叠部位的上方、且该欧姆接触层与该第二金属电极接触。

可采用蒸镀法、溅射等方法，在如图8b所示的结构上形成一定厚度的欧姆接触层15（通常为金属材料），如图9a所示，之后，可采用电子束光刻、接触式光刻等光刻工艺，对欧姆接触层15进行图形化处理以得到欧姆接触层图形，欧姆接触层图形中保留下来的欧姆接触层15覆盖在石墨烯14与第二金属电极16重叠部位的上方、且该欧姆接触层15与该第二金属电极16接触，如图9b所示。

采用上述步骤可完成石墨烯单臂梁器件的制备，整个制备过程工艺简单，由于在较后工序如金属电极制备之后才制备石墨烯，因此，可减少对石墨烯可能造成损伤的工序，降低石墨烯受损的几率，进而提高了器件性能。

在上述技术方案的基础上，可选的，第一金属电极图形包括：第一金属层图形和位于第一金属层图形上的第一抗反射层图形。相应的，上述步骤101可包括：可采用蒸镀法、PECVD、溅射等方法，在所述衬底上依次形成第一金属层和第一抗反射层；通过接触式光刻、步进光刻等光刻工艺，对第一金属层和第一抗反射层进行图形化处理，得到第一金属层图形和第一抗反射层图形，所述第一金属层图形和所述第一抗反射层图形即为所述第一金属电极图形。

可选的，第二金属电极图形包括：第二金属层图形和位于第二金属层图形上的第二抗反射层图形。相应的，上述步骤103可包括：可采用蒸镀法、PECVD、溅射等方法，在完成步骤102的器件的介质层上依次形成第二金属层和第二抗反射层；通过接触式光刻、步进光刻等光刻工艺，对形成的第二金属层和第二抗反射层进行图形化处理，得到第二金属层图形和第二抗反射层图形，所述第二金属层图形和所述第二抗反射层图形即为所述第二金属电极图形。

为了便于连接外部测试电路，可选的，所述步骤102还包括：通过光刻工艺对介质层进行图形化处理形成第一通孔图形的过程中，还形成第二通孔图形。所述步骤103还包括：在所述介质层上形成第二金属电极图形的过程中，还形成金属垫图形。其中，所述第二通孔图形包括一个或多个第二通孔132；所述金属垫图形包括一个或多个金属垫17，金属垫17与第二金属电极12分离，且第一金属电极图形中的第一金属电极16通过第二通孔图形中的第二通孔132与金属垫17电连接，由此即可通过金属垫17与外部测试电路建立电连接；在此基础上，进一步形成石墨烯图形和欧姆介质层图形以完成器件的制备，所制备的器件结构示意图如图11所示。为了提高器件制备效率，可在同一次光刻工艺在介质层同时形成第一通孔图形和第二通孔图形；此外，金属垫和第二金属电极可采用相同的金属材料，并可在同一次光刻工艺中形成第二金属电极图形和金属垫图形。

可以理解，在本发明上述各实施例中，实施例的序号仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本发明的装置和方法等实施例中，显然，各部件或各步骤是可以分解、组合和/或分解后重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本发明的等效方案。同时，在上面对本发明具体实施例的描述中，针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、要素、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、要素、步骤或组件的存在或附加。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本发明的公开内容将容易理解，根据本发明可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims

1.一种二维电子材料单臂梁器件，其特征在于，包括：

衬底；

所述衬底上形成有第一金属电极图形；

2.根据权利要求1所述的二维电子材料单臂梁器件，其特征在于，

所述介质层厚度为0.4um-0.6um；

和/或，所述第一通孔的最小孔径为1.6um；

和/或，所述二维电子材料图形为石墨烯图形或硫化钼图形，所述二维电子材料层为石墨烯或硫化钼。

3.根据权利要求1所述的二维电子材料单臂梁器件，其特征在于，

所述第一金属电极图形包括：第一金属层图形和位于所述第一金属层图形上的第一抗反射层图形；

和/或，所述第二金属电极图形包括：第二金属层图形和位于所述第二金属层图形上的第二抗反射层图形。

4.根据权利要求1所述的二维电子材料单臂梁器件，其特征在于，所述衬底的上部经热氧化处理形成有氧化层。

5.根据权利要求1-4任一所述的二维电子材料单臂梁器件，其特征在于，所述介质层还形成有第二通孔图形，所述介质层上还形成有金属垫图形，其中，所述金属垫图形中的金属垫与第二金属电极分离，且所述第一金属电极图形中的第一金属电极通过所述第二通孔图形中的第二通孔与所述金属垫电连接。

6.一种二维电子材料单臂梁器件的制备方法，其特征在于，包括：

步骤101：在衬底上形成第一金属电极图形；

7.根据权利要求6所述的二维电子材料单臂梁器件的制备方法，其特征在于，在所述步骤101之前，所述方法还包括：

8.根据权利要求6所述的二维电子材料单臂梁器件的制备方法，其特征在于，

所述步骤101具体包括：在所述衬底上依次形成第一金属层和第一抗反射层；通过光刻工艺对所述第一金属层和第一抗反射层进行图形化处理，得到第一金属层图形和第一抗反射层图形，所述第一金属层图形和所述第一抗反射层图形即为所述第一金属电极图形；

和/或，

所述步骤103具体包括：在所述介质层依次形成第二金属层和第二抗反射层；通过光刻工艺对所述第二金属层和第二抗反射层进行图形化处理，得到第二金属层图形和第二抗反射层图形，所述第二金属层图形和所述第二抗反射层图形即为所述第二金属电极图形。

9.根据权利要求6所述的二维电子材料单臂梁器件的制备方法，其特征在于，

所述步骤104具体包括：在所述第二金属电极图形上铺设二维电子材料层，之后将完成二维电子材料层铺设的器件放入到一密封容器中，对所述密封容器抽真空至预定真空度，并在预定时长后将所述器件从所述密封容器中取出；通过光刻工艺对所述二维电子材料层进行图形化处理以得到所述二维电子材料图形。

10.根据权利要求6-9任一所述的二维电子材料单臂梁器件的制备方法，其特征在于，

所述步骤102还包括：通过光刻工艺对介质层进行图形化处理形成第一通孔图形的过程中，还形成第二通孔图形；

所述步骤103还包括：在所述介质层上形成第二金属电极图形的过程中，还形成金属垫图形，其中，所述金属垫图形中的金属垫与第二金属电极分离，且所述第一金属电极图形中的第一金属电极通过所述第二通孔图形中的第二通孔与所述金属垫电连接。