CN103066098B - 一种石墨烯霍尔集成电路及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种石墨烯霍尔集成电路及其制备方法。本结构包括一硅基CMOS电路芯片、一石墨烯霍尔元件，芯片的核心电路区外围设有若干互连电极和压焊电极，芯片表面除互连电极、压焊电极之外的区域上方覆盖一钝化层，互连电极、压焊电极与芯片分别通过钝化层下的金属线电连接；芯片的核心电路区上方的钝化层上依次为有机分子层、石墨烯霍尔元件；石墨烯霍尔元件的电极分别通过金属互连线与互连电极连接。通过对霍尔集成电路表面覆盖一钝化层进行封装，只露出压焊电极，以便实际使用中方便和外电路连接。本发明的霍尔集成电路完全利用微加工手段制备，所需芯片面积小、制备效率高、成本低。

Description

一种石墨烯霍尔集成电路及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种霍尔集成电路及其制备方法，特别的，涉及一种由石墨烯霍尔元件和硅基CMOS集成电路集成在同一基底上的霍尔集成电路及其制备方法。其中，霍尔集成电路中的霍尔元件部分由石墨烯霍尔元件构成，霍尔元件后端所集成的信号处理电路由CMOS电路构成。

背景技术

霍尔集成电路是在磁敏感的霍尔元件基础上集成了放大器等单元后所组成的集成电路，又称磁传感集成电路、集成霍尔效应磁传感器等，可用于速度、加速度、角速度、电流、功率、位移等参数的测量，在机动车码表、汽车发动机点火装置、无刷电机、齿轮转速检测、过程控制中的无触点开关、定位开关等领域有着广泛的应用。其中，霍尔元件是霍尔集成电路的核心单元，它通常是一个由半导体材料和一对输入电极、一对输出电极相连构成的四端器件。霍尔集成电路中，霍尔元件的后端电路通常包含一个或多个放大器，稳压器、恒流源电路等，更复杂的还同时集成有温度补偿电路、施密特触发器、A/D转换器等，用于提高霍尔元件的灵敏度，增加功能。

通常霍尔集成电路有两种，一种是单片式霍尔集成电路(Monolithicintegratedcircuit，亦称单片霍尔集成电路，通常简称为霍尔集成电路)，一种是混合式霍尔集成电路(HybridHalleffectintegratedcircuits，亦称混合霍尔集成电路，有时简称为双芯片霍尔集成电路)。单片式霍尔集成电路通常是硅霍尔集成电路(如Honeywell公司公布的一种单片式硅基霍尔集成电路，美国专利US6,903,429B2)。单片式霍尔集成电路的霍尔元件部分和电路部分分布在同一个硅衬底上，用相同的工艺制备而成，并且霍尔元件和后端电路通过微纳加工手段集成在一起。尽管硅霍尔集成电路已经被广泛应用，但是其电路中处于核心地位的硅霍尔元件一般灵敏度较低、信噪比差，这主要是由于硅材料本身迁移率较低，由于霍尔元件灵敏度和迁移率成正比，因而硅霍尔元件灵敏度自然也较低。这导致即使在硅霍尔元件后端集成放大器形成霍尔集成电路后，其敏感度也相对有限，输出信号的信噪比也难以改善。而实际应用中，对于霍尔集成电路(磁传感集成电路)的灵敏度要求总是在不断提高，这导致了混合式霍尔集成电路的出现。所谓混合式霍尔集成电路是指该电路中封装有两个或多个独立的芯片，通常是两个芯片，一个是霍尔元件芯片，一个是集成电路芯片，这两个芯片在不同的衬底上，两者通过点焊等非微纳加工手段进行连接。混合式霍尔集成电路中，霍尔元件芯片将磁信号转换为电信号，集成电路芯片将霍尔元件输出的电信号进行放大等处理后输出。其中，霍尔元件芯片通常是迁移率高于硅材料的其他半导体材料，如InSb、InAs、GaAs等，这样可以得到更高的灵敏度；而集成电路芯片通常为硅基CMOS电路，这是由硅基CMOS电路的低成本、高集成度、高可靠性等不可替代的优势决定的。然而GaAs、InAs、InSb等霍尔元件很难通过微纳加工手段和硅基CMOS电路集成到一起，只能通过点焊等相对低效的技术实现连接，这就导致双芯片制作复杂、效率低、成本高、电路可靠性下降，且芯片尺寸较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种灵敏度高且能和硅基CMOS电路兼容的单片式石墨烯霍尔集成电路(例如，图1显示了一个石墨烯霍尔集成电路，其中石墨烯霍尔元件对磁场产生响应输出正比于磁场大小的霍尔电压信号，该霍尔电压信号被传输到下一级的差分放大器中，并由差分放大器输出放大后的电压信号；其中稳压器的作用在于给石墨烯霍尔元件提供一个稳定的电压激励)及其制备方法。该霍尔集成电路的霍尔元件部分为石墨烯霍尔元件，主要由石墨烯材料构成；霍尔元件的后端电路为硅基CMOS电路，可以是基于体硅的CMOS电路，也可以是基于SOI(silicononinsulator)的CMOS电路，石墨烯霍尔元件和CMOS电路通过微纳加工手段集成在同一芯片上。

本发明的技术方案如下：

一种单片式霍尔集成电路，包括石墨烯霍尔元件和对霍尔元件输出的霍尔电压信号进行再处理的硅基CMOS电路。所述霍尔元件和CMOS电路通过微纳加工手段集成在同一个芯片上。

本发明集成电路中的石墨烯可以是单层的、双层的或者多层的石墨烯。所谓单层的石墨烯是指由呈正六边形排布的sp²杂化C原子构成的单原子层二维材料。相应的，双层石墨烯由两层单层石墨烯构成，多层石墨烯由多个单层石墨烯构成。

本发明中的硅基CMOS集成电路由硅基CMOS工艺制备而成，并留有和石墨烯霍尔元件相连接的金属电极，其他部分则通过SiO₂等绝缘层和石墨烯霍尔元件隔绝。

本发明中所用的石墨烯可以通过不同的方式制备得到，比如化学气相沉积(CVD)法、偏析法等都可以用来制备石墨烯。

本发明中所用的石墨烯在转移到硅基CMOS的芯片上之前，需要对载片进行有机分子层修饰，其作用在于：1、修饰上去的分子层对石墨烯起到掺杂作用；2、有机分子层可以降低CMOS芯片表面钝化层对石墨烯的散射作用；3、增加转移的成功率。修饰过程主要包括表面的亲水性处理和表面修饰两步。亲水性处理用紫外光照射或者氧等离子体清洗等方法完成。表面修饰主要通过将样品浸泡在含3-氨丙基三乙氧基硅烷(简称APTES)的溶液中进行，约10分钟后取出用去离子水冲洗即可。

和混合式霍尔集成电路不同，本发明中的石墨烯霍尔元件直接在硅基CMOS电路所在基底上通过微纳加工技术制备。首先，通过CMOS工艺制备得到CMOS电路(例如，图1所示的稳压器和放大器电路)，其上留有和石墨烯霍尔元件相连接的金属互连电极和以及用于霍尔集成电路和外电路连接时所需的金属压焊电极(如图2(a)所示)，然后在所得到的CMOS电路芯片上制备石墨烯霍尔元件并实现石墨烯霍尔元件和CMOS电路的互连(俯视图如图2(b)所示，截面图如图3(a)-(c)所示)。其中，霍尔元件的输入电压由CMOS电路提供并通过预先设计好的金属互连电极传输到霍尔元件上；霍尔元件的两个输出电极分别和两个金属互连电极相连，并通过互连电极将信号输入到CMOS电路中。互连电极和压焊电极均通过金属引线和CMOS芯片的内部电路电连接；互连电极还和石墨烯霍尔元件通过金属互连线直接连接；压焊电极不和石墨烯霍尔元件有直接的金属线连接。互连电极的作用在于把图1中所示稳压器的电信号传输到石墨烯霍尔元件中作为霍尔元件的激励信号，并且把石墨烯霍尔元件输出的霍尔电压信号导入到CMOS芯片的内部电路中去；压焊电极则是霍尔集成电路和外电路电学连接的窗口，例如将外界电信号引入霍尔集成电路中并且将霍尔集成电路的输出信号导出。本发明提出通过微纳加工技术实现CMOS电路和石墨烯霍尔元件之间的互连，这使得本发明可以设计尺寸很小的互连电极用于和霍尔元件相连(例如可以设计成6微米×6微米的正方形，相互之间间距6微米)；相比之下，在传统的混合式霍尔集成电路中，霍尔元件和CMOS芯片之间的金属互连线是通过点焊技术将各自芯片上留有的压焊电极连接在一起，而点焊技术要求被连接的电极通常需要在60微米×60微米以上，并且被连接电极之间的间距在60微米以上，这就导致CMOS芯片上留有的电极必须在60微米×60微米以上并且它们之间的间距也在60微米以上。对于如图1和2所示的霍尔集成电路，如果通过传统的点焊方式实现霍尔元件和CMOS电路的连接，那么压焊电极以及这些电极间的面积将占据CMOS芯片总面积的10％，这对于面积就是金钱的CMOS芯片而言是极大的浪费。本发明所阐述的石墨烯霍尔集成电路在设计上和制备工艺上都很好的避免了这种浪费。上述石墨烯霍尔元件的制备包括如下步骤：1、通过化学气相沉积(CVD)法、偏析法、还原氧化石墨法等制备出石墨烯。2、将所得石墨烯转移到CMOS电路芯片表面。3、在CMOS电路芯片上利用微纳加工手段制备石墨烯霍尔元件，并制备霍尔元件和CMOS电路的金属互连线。步骤1中，CVD法和偏析法通常在Cu、Ni、Pt、Ru等金属衬底上进行。步骤2中，石墨烯首先通过气泡法从步骤1所述金属衬底上分离下来并悬浮在去离子水中，然后通过如下几步转移到CMOS芯片表面：(1)用紫外光照射或者等离子轰击的方法使芯片表面产生很好的亲水性；(2)将芯片浸泡在APTES溶液中进行分子修饰处理，使芯片表面形成一层3-氨丙基三乙氧基硅烷(简称APTES)分子薄膜(如图4(a)所示)；(3)将去离子水中的石墨烯贴合到芯片表面上，待石墨烯和芯片之间的水蒸发完全后用丙酮浸泡数分钟，然后用氮气吹干即可，此时整个芯片表面都将覆盖有石墨烯(如图4(b)所示)。这里APTES分子膜的主要作用在于：首先，该分子中的氨基基团可以对石墨烯起到化学掺杂作用，使本征的石墨烯沟道变成以电子导电为主的电子型沟道，从而能对磁场产生响应，否则未经任何掺杂处理的石墨烯霍尔元件在磁场下输出的霍尔电压将为0；其次，该分子膜避免了石墨烯和芯片表面的钝化层有直接接触，从而降低了钝化层对石墨烯的散射，同时该分子膜和石墨烯之间仅存在范德华相互作用，并不和石墨烯形成化学键，因而更有利于保持石墨烯高迁移率的特性；最后，该分子层还可以提高石墨烯转移到芯片表面的成功率，不修饰该分子层，转移成功率仅为20％以下，修饰该分子层可以把成功率提高到80％，从而也提高了石墨烯霍尔集成电路的成品率。步骤3中，具体制备过程主要包括如下几步：a、利用光学光刻或者电子束光刻并显影形成石墨烯霍尔元件接触电极图形及石墨烯霍尔元件和芯片金属互连电极之间的互连线图形；b、镀膜并剥离形成霍尔元件的接触电极和金属互连线；c、利用SU8胶进行光刻并显影形成霍尔元件沟道图形(如图4(c)所示)；d、用等离子体刻蚀将没有被SU8及接触金属和互连线覆盖的石墨烯刻蚀掉(如图4(d)所示)。

与现有技术相比，本发明的积极效果为：

1、基于石墨烯和硅基CMOS电路集成的单芯片霍尔集成电路灵敏度高。这主要得益于石墨烯是高迁移率材料，且其厚度只有几个纳米，其对磁场响应比硅、GaAs等材料更灵敏，因而所得到的霍尔集成电路也更灵敏。2、所述单芯片霍尔集成电路可靠性比混合式集成霍尔电路更好。这主要得益于石墨烯霍尔元件和CMOS电路之间的互连线通过微加工方式形成，而混合式霍尔集成电路中霍尔元件和CMOS电路之间通过点焊的方法实现互连，其可靠性相对较差。3、所述霍尔集成电路完全利用微加工手段制备，所需芯片面积小、制备效率高、成本低。

相比于硅霍尔集成电路而言，由于处于核心低位的石墨烯霍尔元件灵敏度通常是硅霍尔元件灵敏度5倍以上，因而在后端集成相同的CMOS电路后，本发明提供的霍尔集成电路灵敏度将明显优于硅霍尔集成电路。并且，通过选择合适的工艺流程，石墨烯霍尔元件和硅基CMOS电路可以通过微纳加工手段进行集成，集成工艺简单、效率高，成本低。因此，本发明提供的霍尔集成电路在性能上将明显优于硅霍尔集成电路，在制备效率上则远高于混合式霍尔集成电路。

附图说明

图1显示了一个霍尔集成电路的电路框图。

图2集成电路俯视图；

(a)显示了一个硅基CMOS芯片的俯视图，其中，1、整个CMOS芯片；2、芯片上的金属互连电极；11、芯片上的金属压焊电极。该俯视图中，芯片表面除金属互连电极和金属压焊电极之外的区域均被绝缘的钝化层覆盖(为了清楚起见，该钝化层并未明确画出，这一钝化层和其他部分的相对位置可参见图3(a)显示的截面图)。芯片的核心电路位于钝化层下方，其在片中的分布位置如图中虚线框所示；

(b)显示了一个已经集成了石墨烯霍尔元件的霍尔集成电路的俯视图。其中，1、整个CMOS芯片；2、芯片上的金属互连电极；3、石墨烯霍尔元件的接触电极以及霍尔元件和互连电极之间的互连线；4、SU8光刻胶薄膜；11、芯片上的金属压焊电极。该俯视图中，芯片表面除金属压焊电极之外的区域均被绝缘的钝化层覆盖(为了清楚起见，该钝化层并未明确画出，其和其他部分的相对位置可参见图3(a)显示的截面图)。

图3本发明霍尔集成电路截面图；

(a)显示了图2(b)沿AA’方向切开的截面图；

(b)显示了图2(b)沿BB’方向切开的截面图；

(c)显示了图2(b)沿CC’方向切开的截面图；

其中，5、CMOS芯片的硅衬底；6、芯片的核心电路层；7、芯片表面的钝化层；8、修饰在芯片钝化层上的有机分子层；9、石墨烯；10、石墨烯-硅基CMOS霍尔集成电路的钝化层。

图4本发明霍尔集成电路制备流程图；

(a)显示了修饰好有机分子层的CMOS芯片的一个截面图；

(b)显示了把石墨烯转移到芯片表面后得到的结构；

(c)显示了制作好石墨烯霍尔元件接触电极、金属互连线以及SU8光刻胶图形的结构；

(d)显示了经等离子刻蚀后形成的结构；

(e)封装后的霍尔集成电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。

如图4所示的石墨烯霍尔集成电路的具体制备步骤如下：

1、通过CMOS工艺制备得到CMOS电路芯片(如图2(a)所示)，芯片上留有和石墨烯相连接的金属压焊电极和金属互连电极，芯片其他部分为氧化硅和氮化硅构成的钝化层(氮化硅在芯片最外层)。芯片的核心电路在芯片内部，被钝化层所覆盖，金属压焊电极、金属互连电极分别和芯片电路通过钝化层下方的内部金属线连接在一起。

2、对钝化后的芯片表面进行单分子薄膜修饰处理(如图4(a)所示)。修饰过程包括以下几步：a、芯片表面的氧化和亲水性处理。可以用紫外光照射数分钟完成。b、表面修饰有机分子。主要通过将样品浸泡在含APTES的溶液中进行，约10分钟后取出用去离子水冲洗并吹干即可。

3、通过化学气相沉积或者金属偏析在金属上生长石墨烯，然后再将石墨烯转移到修饰好APTES的芯片表面(如图4(b)所示)。

4、通过光刻的方法在铺满石墨烯的芯片表面定义石墨烯霍尔元件电压输入电极、霍尔电极，以及石墨烯霍尔元件和CMOS互连电极之间的互连线图形，然后采用电子束蒸发或者热蒸发等镀膜方式沉积一层金属，通过剥离的方法形成接触电极和金属互连线。

5、利用SU8光刻胶，通过光刻并显影的方法在石墨烯上定义石墨烯霍尔元件沟道图形(即SU8的图形)，如图4(c)所示。

6、通过等离子刻蚀的方法将没有被SU8、接触电极和金属互连线覆盖的石墨烯去除；如图4(d)所示。

7、通过化学气相沉积或者原子层沉积在制备好石墨烯霍尔元件的芯片表面沉积钝化层，所沉积钝化层可以为氮化硅或者氧化铝等材料。

8、通过光学光刻、显影及等离子刻蚀将芯片上压焊电极上方的钝化层刻蚀掉，使这些电极露出来，以便实际使用中方便和外电路连接；如图4(e)所示。

上述实施例是通过具体制备顺序来阐述本发明的霍尔集成电路，其中，步骤4和5顺序可以倒过来，即先利用SU8胶和光学光刻的方法形成SU8的图形，然后再制备接触电极和金属互连线其他步骤仍需按照上述过程进行。上述步骤中，SU8光刻胶的作用为：a、步骤5中SU8光刻胶图形定义了石墨烯霍尔元件沟道的图形；b、步骤6中SU8胶充当了刻蚀阻挡层的作用，保护下方的石墨烯不被刻蚀，从而有效地形成石墨烯霍尔元件的沟道；c、步骤7中，SU8胶充当了隔离石墨烯沟道和钝化层的作用，减弱钝化层对石墨烯中载流子的散射作用。

Claims (10)

1.一种石墨烯霍尔集成电路，其特征在于，包括一硅基CMOS电路芯片(1)、一石墨烯霍尔元件，硅基CMOS电路芯片的核心电路区外围设有若干金属互连电极(2)和若干金属压焊电极(11)，硅基CMOS电路芯片表面除所述金属互连电极、金属压焊电极之外的区域上方覆盖一第一钝化层(7)，所述金属互连电极、金属压焊电极与硅基CMOS电路芯片分别通过第一钝化层(7)下的金属线电连接；硅基CMOS电路芯片的核心电路区上方的钝化层上依次为有机分子层(8)、所述石墨烯霍尔元件；所述石墨烯霍尔元件的电极分别通过金属互连线与互连电极连接。

2.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于所述有机分子层(8)为一APTES分子薄膜。

3.如权利要求1所述的集成电路，其特征在于所述石墨烯霍尔元件沟道上方除被霍尔元件接触电极、所述金属互连线覆盖之外部分利用SU8光刻胶覆盖。

4.如权利要求1或2或3所述的集成电路，其特征在于所述集成电路除压焊电极之外的芯片表面覆盖一第二钝化层(10)。

5.如权利要求4所述的集成电路，其特征在于所述第一钝化层(7)包括氧化硅层和氮化硅层，其中，所述氮化硅层位于所述氧化硅层上方；所述第二钝化层(10)为氮化硅或氧化铝。

6.一种石墨烯霍尔集成电路制备方法，其步骤为：

1)制备硅基CMOS电路芯片(1)，并在硅基CMOS电路芯片(1)上留有若干金属互连电极(2)和金属压焊电极(11)；所述金属互连电极和金属压焊电极分别与硅基CMOS电路芯片电连接；

2)在硅基CMOS电路芯片(1)表面除所述金属互连电极和金属压焊电极之外的区域上方覆盖一第一钝化层(7)；

3)对步骤2)处理后的硅基CMOS电路芯片(1)表面进行修饰，制备一有机分子层(8)；

4)制备石墨烯，然后将石墨烯转移到所述有机分子层(8)上；

5)利用所述石墨烯制备石墨烯霍尔元件，以及石墨烯霍尔元件和所述金属互连电极之间的金属互连线。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述有机分子层(8)的制备方法为：首先对硅基CMOS电路芯片(1)表面进行氧化和亲水性处理，然后将硅基CMOS电路芯片(1)浸泡在含APTES的溶液中设定时间后取出，用去离子水冲洗并吹干，得到所述有机分子层。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于所述步骤5)的具体方法为：首先通过光刻的方法在所述石墨烯表面定义石墨烯霍尔元件电压输入电极、霍尔电极，以及石墨烯霍尔元件和所述金属互连电极之间的互连线图形；然后沉积一层金属电极，通过剥离的方法形成接触电极和金属互连线；然后利用SU8光刻胶，通过光刻并显影的方法在所述石墨烯上定义石墨烯霍尔元件沟道图形；将没有被SU8、接触电极和金属互连线覆盖的石墨烯去除，从而形成石墨烯霍尔元件中石墨烯沟道的形状。

9.如权利要求6或7或8所述的方法，其特征在于在制备有所述石墨烯霍尔元件的硅基CMOS电路芯片表面沉积一第二钝化层(10)；然后将所述金属压焊电极上方的第二钝化层(10)刻蚀掉，使所述金属压焊电极露出来。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所述第一钝化层(7)包括氧化硅层和氮化硅层，其中，所述氮化硅层位于所述氧化硅层上方；所述第二钝化层(10)为氮化硅或氧化铝。