CN108336071B - 一种石墨烯电容及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容及其制作方法，其结构包括：绝缘层、上层氧化硅层、下层氧化硅层、上层石墨烯、下层石墨烯、上层石墨烯金属接触层、下层石墨烯金属接触层、上层金属通孔电极、下层金属通孔电极、上层金属凸块、下层金属凸块、上开口和下开口；基于硅上绝缘层（SOI）衬底通过晶圆键合将石墨烯封闭在器件内部，提高器件的质量和可靠性；该结构减少石墨烯电容器的寄生电容，提高电容的Q值，使其可以应用在高频电路中。
Description
技术领域
本发明涉及一种电容器结构，具体涉及一种基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容及其制作方法。
背景技术
现有集成电路中电容的电容器通常为金属-绝缘层-金属（MIM）结构的电容或金属-绝缘层-半导体层（MIS）结构的电容，提高电容器的容量和电极的导电性是提高集成电路中电容器件集成工的关键，减小电容结构中的寄生电容，提高电容的Q值是电容器应用于高频电路必须要解决的技术问题。
发明内容
基于解决上述问题，本发明提供了一种基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容，其结构由其包括：绝缘层、上层氧化硅层、下层氧化硅层、上层石墨烯、下层石墨烯、上层石墨烯金属接触层、下层石墨烯金属接触层、上层金属通孔电极、下层金属通孔电极、上层金属凸块、下层金属凸块、上开口和下开口组成；其中，所述上层石墨烯层与所述下层石墨烯层均为方形图案，并且设置在所述电容的结构的中心线上，所述两个图案均垂直于所述中心线，并且图案的边缘相互平行；所述上开口和所述下开口分别设置于所述石墨烯电容的上下表面，并分别从上下表面延伸至所述上层氧化硅层和所述下层氧化硅层，并且所述上开口和所述下开口在所上层氧化硅层和下层氧化硅层的宽度大于所述上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；所述上层石墨烯金属接触层与下层石墨烯金属接触层分别设置在所述中心线的两侧，并分别与上层石墨烯和下层石墨烯形成欧姆接触，分别通过上层金属通孔电极和下层金属通孔电极电连接至上下表面的上层金属凸块和下层金属凸块。
本发明还提供了一种形成基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容的方法，包括如下步骤：1）制备至少两个硅上绝缘层衬底：分别在两个硅衬底上形成通过通过热氧化形成氧化硅层；2）使用光刻、刻蚀氧化硅层形成用于沉积石墨烯金属接触层的凹槽；3）在凹槽内沉积石墨烯金属接触层；4）通过转移或CVD沉积在氧化硅层上形成电容的石墨烯电极；5）退火使石墨烯金属接触层与石墨烯形成欧姆接触；6）在石墨烯层一形成氮化硅钝化层，并在钝化层上再形成氧化硅层；7）采用化学机械抛光使氧化硅层具有平坦的外表面，并根据电容的大小控制氧化硅层的厚度；8）将所述步骤7）得到的两片石墨烯结构进行对准，其中，上层石墨烯金属接触层与下层石墨烯金属接触层分别设置在石墨烯电容器件中心线的两侧，进行键合，得到石墨烯电容结构；9）在石墨烯电容器件的上下表面上形成电极通孔，所述通孔分别从石墨烯电容的上下表面延伸到石墨烯金属接触层；10）在石墨烯电容器件的上下表面刻蚀形成上开口和下开口，所述上开口到达上层氧化硅层，所述下开口到达下层氧化硅层，并且所述上开口和所述下开口在所上层氧化硅层和下层氧化硅层的宽度大于所述上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；11）填充电极通孔形成上层金属通孔电极和下层金属通孔电极，并形成电连接至上下表面的上层金属凸块和下层金属凸块。
根据本发明的实施例，所述石墨烯为单层、双层或多层石墨烯形成电容的上下电极。
根据本发明的实施例，所述绝缘层为氮化硅或氮化硅与氧化硅叠层结构。
根据本发明的实施例，所述石墨烯金属接触层为Ti/Au 或者 Cr/Au，并具有300-1000nm的厚度。
根据本发明的实施例，所述经过化学机械抛光后的氧化硅层具100-600nm的厚度。
根据本发明的实施例，多个石墨烯电容通过并联形成电容可调整的电容阵列。
本发明的优点如下：
（1）使用SOI衬底并通过晶圆键合将石墨烯封闭在器件内部，提高器件的质量和可靠性；
（2）形成开口，减少石墨烯电容器的寄生电容，提高电容的Q值，使其可以应用在高频电路中；
（3）可选的，通过电容的并联可以调整电容阵列中电容的个数，根据电路需要来实现不同大小电容，具有一定的灵活性。
附图说明
图1基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容的器件结构；
图2制备硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容的器件结构的步骤的简图。
具体实施方式
第一实施例
参见图1，本发明的一种基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容，其结构由其包括：绝缘层1、上层氧化硅层4a、下层氧化硅层4b、上层石墨烯2a、下层石墨烯2b、上层石墨烯金属接触层3a、下层石墨烯金属接触层3b、上层金属通孔电极5a、下层金属通孔电极5b、上层金属凸块7a、下层金属凸块7b、上开口8a和下开口8b组成；其中，所述上层石墨烯层2a与所述下层石墨烯层2b均为方形图案，并且设置在所述电容的结构的中心线上，所述两个图案均垂直于所述中心线，并且图案的边缘相互平行；所述上开口8a和所述下开口8b分别设置于所述石墨烯电容的上下表面，并分别从上下表面延伸至所述上层氧化硅层4a和所述下层氧化硅层4b，并且所述上开口8a和所述下开口8b在所上层氧化硅层4a和下层氧化硅层4b的宽度大于所述上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；所述上层石墨烯金属接触层3a与下层石墨烯金属接触层3b分别设置在所述中心线的两侧，并分别与上层石墨烯层和下层石墨烯层形成欧姆接触，分别通过上层金属通孔电极5a和下层金属通孔电极5b电连接至上下表面的上层金属凸块7a和下层金属凸块7b。
所述石墨烯为单层、双层或多层石墨烯形成电容的上下电极。所述绝缘层为氮化硅或氮化硅与氧化硅叠层结构。所述石墨烯金属接触层为Ti/Au 或者 Cr/Au，并具有300-1000nm的厚度。
第二实施例
参见图2，本发明还提供了一种形成基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容的方法，参见图2中的（a）-（i）:包括如下步骤：1）制备至少两个硅上绝缘层衬底：分别在两个硅衬底上形成通过通过热氧化形成氧化硅层；2）使用光刻、刻蚀氧化硅层形成用于沉积石墨烯金属接触层的凹槽；3）在凹槽内沉积石墨烯金属接触层；4）通过转移或CVD沉积在氧化硅层上形成电容的石墨烯电极；5）退火使石墨烯金属接触层与石墨烯形成欧姆接触；6）在石墨烯层一形成氮化硅钝化层，并在钝化层上再形成氧化硅层；7）采用化学机械抛光使氧化硅层具有平坦的外表面，并根据电容的大小控制氧化硅层的厚度；8）将所述步骤7）得到的两片石墨烯结构进行对准，其中，上层石墨烯金属接触层与下层石墨烯金属接触层分别设置在石墨烯电容器件中心线的两侧，进行键合，得到石墨烯电容结构；9）在石墨烯电容器件的上下表面上形成电极通孔，所述通孔分别从石墨烯电容的上下表面延伸到石墨烯金属接触层；10）在石墨烯电容器件的上下表面刻蚀形成上开口和下开口，所述上开口到达上层氧化硅层，所述下开口到达下层氧化硅层，并且所述上开口和所述下开口在所上层氧化硅层和下层氧化硅层的宽度大于所述上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；11）填充电极通孔形成上层金属通孔电极和下层金属通孔电极，并形成电连接至上下表面的上层金属凸块和下层金属凸块，形成图1所示的电容结构。
所述石墨烯为单层、双层或多层石墨烯形成电容的上下电极。所述绝缘层为氮化硅或氮化硅与氧化硅叠层结构。所述石墨烯金属接触层为Ti/Au 或者 Cr/Au，并具有300-1000nm的厚度。所述经过化学机械抛光后的氧化硅层具100-600nm的厚度。
第三实施例
多个图1所示的石墨烯电容通过并联多个电容结构形成电容可调整的电容阵列。具体方法为，将实施例一中的电容结构，通过两线路分别电连接多个上层金属凸块7a以及电连接多个下层金属凸块7b，将电容阵列并联形成大小可调整的电容阵列。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容，其结构其包括：绝缘层、上层氧化硅层、下层氧化硅层、上层石墨烯、下层石墨烯、上层石墨烯金属接触层、下层石墨烯金属接触层、上层金属通孔电极、下层金属通孔电极、上层金属凸块、下层金属凸块、上开口和下开口；其中，所述上层石墨烯层与所述下层石墨烯层均为方形图案，并且设置在所述石墨烯电容的结构的中心线上，所述方形图案均垂直于所述中心线，并且所述方形图案的边缘相互平行；所述上开口和所述下开口分别设置于所述石墨烯电容的上下表面，并分别从上下表面延伸至所述上层氧化硅层和所述下层氧化硅层，并且所述上开口和所述下开口在所上层氧化硅层和下层氧化硅层的宽度大于所述上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；所述上层石墨烯金属接触层与下层石墨烯金属接触层分别设置在所述中心线的两侧，并分别与上层石墨烯和下层石墨烯形成欧姆接触，分别通过上层金属通孔电极和下层金属通孔电极电连接至上下表面的上层金属凸块和下层金属凸块。
2.根据权利要求1所述的石墨烯电容，其特征在于：其中所述上层石墨烯和下层石墨烯为单层、双层或多层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的石墨烯电容，其特征在于：所述绝缘层为氮化硅或氮化硅与氧化硅叠层结构。
4.根据权利要求1所述的石墨烯电容，其特征在于：所述上层和/或下层石墨烯金属接触层为Ti/Au 或者 Cr/Au，并具有300-1000nm的厚度。
5.一种形成基于硅上绝缘层（SOI）衬底的石墨烯电容的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）制备至少两个硅上绝缘层衬底：分别在两个硅衬底上形成通过热氧化形成氧化硅层；2）使用光刻、刻蚀氧化硅层形成用于沉积石墨烯金属接触层的凹槽；3）在凹槽内沉积石墨烯金属接触层；4）通过转移或CVD沉积在氧化硅层上形成电容石墨烯；5）退火使石墨烯金属接触层与石墨烯形成欧姆接触；6）在石墨烯一侧形成氮化硅钝化层，并在钝化层上再形成氧化硅层；7）采用化学机械抛光使氧化硅层具有平坦的外表面，并根据电容的大小控制氧化硅层的厚度，得到石墨烯结构；8）重复步骤1）-7），进而得到两片石墨烯结构，将其进行对准，其中，上层石墨烯金属接触层与下层石墨烯金属接触层分别设置在两片石墨烯结构中心线的两侧，进行键合，得到石墨烯电容结构；9）在石墨烯电容结构的上下表面上形成电极通孔，所述电极通孔分别从石墨烯电容结构的上下表面延伸到石墨烯金属接触层；10）在石墨烯电容结构的上下表面刻蚀形成上开口和下开口，所述上开口到达上层氧化硅层，所述下开口到达下层氧化硅层，并且所述上开口和所述下开口在所述上层氧化硅层和下层氧化硅层的宽度大于上层石墨烯和下层石墨烯图案的宽度；11）填充电极通孔形成上层金属通孔电极和下层金属通孔电极，并形成电连接至上下表面的上层金属凸块和下层金属凸块。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述上层和/或下层石墨烯为单层、双层或多层石墨烯。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述上层和/或下层石墨烯金属接触层为Ti/Au或者 Cr/Au，并具有300-1000nm的厚度。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，经过化学机械抛光后的所述氧化硅层具100-600nm的厚度。
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