專利名稱：采用石墨烯的電路結構及其制造方法
技術領域：
本發明總體涉及納米級電子電路，更具體而言，涉及采用支承在多層石墨烯結構
上的石墨烯層的納米電路。
背景技術：
在追求更小的微電子器件的推動下，研究者們一直在尋求減小這些器件中電荷載 體的尺寸。當電荷載體達到原子級時將實現器件的終極小型化。所感興趣的用于減小這樣 的器件的尺寸的一種材料是石墨烯(gr即hene)。 石墨烯是排列成蜂房晶格(honeycomb lattice)的石墨碳原子的單原子片。它可 以看作是巨大的二維富勒烯(Fullerene)分子、展開的單壁碳納米管，或者僅是單層片狀 石墨晶體。在室溫已經測量到的高達200，000cm7Vs的電子遷移率值(Morozov et al.， PRL 100， 016602， 2008)使得該材料對于微電子應用極具有吸引力。然而，石墨烯的傳輸特 性對于由晶格中的吸附物、缺陷和雜質導致的電子結構的改變非常敏感。利用石墨烯以維 持其優異傳輸特性的方式構造器件是巨大的挑戰，以致還沒有實際器件利用石墨烯制造出 來。因此，該材料的巨大潛力還沒有完全實現。
發明內容
本發明提供一種電路結構，采用石墨烯作為電荷載流子傳輸層。該結構包括多個
石墨烯層。與所述多個石墨烯層中的一個層進行電接觸，從而電荷載流子僅通過該一個層
遷移。通過在多個石墨烯層內部或之上構造有源石墨烯層，該有源石墨烯層保持必要的平
坦性和結晶完整性，從而確保有源石墨烯層的高電荷載流子遷移率屬性不受損害。 有源石墨烯層可形成在先前形成的石墨烯層堆疊的頂部，有源石墨烯層延伸超過
下面的石墨烯堆疊。然后有源石墨烯層可在該延伸區域與電接觸引線進行接觸。 替代地，有源石墨烯層可位于石墨烯層堆疊的底部或內部，有源石墨烯層延伸超
過堆疊中上面的層。可以通過掩模和蝕刻工藝使有源層延伸超過其它的、上面的層，并且可
在有源層延伸超過上面的層的區域中進行有源層與導電引線層的接觸。 本發明的這些和其它特征和優點將通過閱讀結合附圖的優選實施例的詳細說明 而明顯，附圖中相似的附圖標記始終表示相似的元件。
為了充分理解本發明的本質和優點以及應用的優選方式，應當結合附圖參照下面 的詳細說明，附圖不是按比例的。附圖中 圖1是根據本發明一實施例的基于石墨烯的電路結構的示意剖視圖； 圖2-9是在制造的各中間階段的電路結構的剖視圖，示出了根據本發明一實施例
的基于石墨烯的電路結構的制造方法； 圖10-18是在制造的各中間階段的電路結構的剖視圖，示出了根據本發明一實施例的基于石墨烯的電路結構的制造方法； 圖19是類似于圖1的結構的圖示，但使用雙層石墨烯層用于電荷載流子的傳輸；
圖20是類似于圖9的結構的圖示，但使用雙層石墨烯層用于電荷載流子的傳輸； 以及 圖21是類似于圖18的結構的圖示，但使用雙層石墨烯層用于電荷載流子的傳輸。
具體實施例方式
下面的說明是目前想到的實施本發明的優選方式。進行該說明是用于說明本發明 的一般原理，而不是意圖限制這里提出的發明性構思。 本發明提供構造電子器件的能力，例如納米級別的電子電路。本發明利用石墨烯 作為電路中的電荷載流子的傳輸載體。石墨烯是排列成蜂房晶格(honeycomb lattice)的 石墨碳原子的單原子片。它可以看作是二維富勒烯(Fullerene)分子、展開的單壁碳納米 管，或者僅是單層片狀石墨晶體。在室溫已經測量到高達200，000cm7Vs的電子遷移率值。 該結果已經由Morozov等描述過(PRL 100， 016602， 2008)。該極高的電子遷移率值使得該 材料對于微電子應用極具吸引力。 遺憾的是，石墨烯的傳輸特性對于例如由晶格中的吸附物、缺陷和雜質導致的電
子結構的改變非常敏感。這妨礙了石墨烯在任何實際的微電子應用中使用。 形成在普通襯底例如Si晶片襯底上的石墨烯結構的高分辨率成像顯示，懸浮的
石墨烯片不是完全平的，而是實際上表現出固有的微觀粗糙性，使得表面通常變化幾度并
且離面(out-of-plane)變形達lnm。這導致大大減小了電子傳輸。石墨烯層中的波紋
(ripple)導致形成電子池(electron pool)，這嚴重降低了石墨烯片在功能電子器件中的
實用性。 本發明允許形成能以實用方式用于微電子器件中的平坦的、高完整性的石墨烯
層。這通過在石墨烯多層結構中形成所感興趣的石墨烯層來實現。即，形成一系列石墨烯
層，與該系列中的層之一的電連接用于通過所接觸的層傳輸電荷載流子。 因此，所公開的用于構造電子器件的制造工藝采用形成在多個石墨烯層中的單層
石墨烯片。構造這樣的基于石墨烯的器件的挑戰是需要隔離石墨烯單層。另外，需要用于該
單層的剛性支承體。現有技術的用于支承單層石墨烯片的手段總是導致傳輸特性的劣化，
這是由于界面效應導致的石墨烯片的電子特性的改變。 參照圖l，示出了基于石墨烯的電路結構102，其中有源電荷傳輸石墨烯層104支 承在一系列多個石墨烯層106上。有源石墨烯層與導電引線層108U10電連接，導電引線 層108U10可由各種導電材料例如Au或Cu制成。 該系列石墨烯層106包括若干單獨的層106(a)-106(d)，它們彼此可以形成為一 個直接在另一個之上。單獨的層106 (a)-106(d)的數量可以根據設計和制造的要求改變。 可以看出，該系列石墨烯層106在底部和側部被電絕緣層112圍繞，電絕緣層112可以是氧 化物例如氧化鋁或者可以是某些其它電絕緣材料。結構102可以形成在諸如Si晶片或某 些其它合適襯底的襯底114上。 該系列石墨烯層為有源石墨烯層104提供最佳表面，確保最佳電荷傳輸特性。例 如，該系列石墨烯層106提供了非常平坦的表面以用于支承有源石墨烯層，防止電荷池(charge pool)的形成，并防止會大大降低電荷載流子傳輸的角偏移(遠離法線)。此外， 石墨烯層與有源層104具有相同材料和結構，防止有源石墨烯層104和系列石墨烯層106 之間的邊界處的相互擴散。 石墨烯具有獨特且有用的特性，流經石墨烯層104的電荷載流子沿層平面在二維 平面中流過。結果，流經有源層104的電荷載流子不行進到下面的系列石墨烯支承層106 中的層106(d)。如上所述，流經有源石墨烯層104的電荷載流子具有非常高的遷移率值，在 室溫下高達200， 000cm7Vs。 圖l所示的電路結構僅用于圖示和示例。在實際的電路結構中，有源石墨烯層104 可具有任何所需構造(例如從A-A線的上下視圖觀察時)。另外，有源石墨烯層104可用于 電互連各種電子器件中的任何器件，諸如固態放大器、開關、電容器、電阻器、電感器、傳感 器或者很多其它電子器件。 現在參照圖2-9，描述根據本發明一實施例的用于制造基于石墨烯的電路結構的 方法。具體參照圖2，提供襯底202。該襯底可以是半導體晶片例如Si晶片，或者可以是某 些其它材料。第一掩模結構204例如光刻構圖的光致抗蝕劑層形成在襯底上。第一掩模結 構204可以形成有開口 206、208、210，開口 206、208、210構造來限定用于多層石墨烯支承結 構和接觸焊盤位置的開口 ，下面將要說明的那樣。 參照圖3，可利用材料去除工藝例如反應離子蝕刻或離子研磨從未被掩模204覆 蓋的區域(即通過掩模204中的開口 206、208、210暴露的部分)去除部分襯底材料，從而 形成井304、306、308。內井306將限定多層石墨烯支承部，外井304、308將用于形成電接觸 焊盤，如下面將更清楚地說明的那樣。 然后，參照圖4，第二掩模結構402可形成在襯底202之上。第二掩模結構402可 形成為覆蓋內井306，并在外井304、308 (接觸焊盤井)之上具有開口 404、406。然后，導電 接觸材料408例如Au、 Cu或某些其它材料可沉積在掩模402之上并沉積到井304、308中。 然后，掩模402可通過例如在熱NMP溶液中浸泡而被頂離(lift off)，留下例如圖5所示的 結構，其中接觸焊盤502、504通過圖4中沉積的導電材料408形成。可選地，可以進行化學 機械拋光工藝來平坦化導電接觸焊盤502 、504和襯底202的表面。 參照圖6，可形成第三掩模結構602。如前面的掩模204、402那樣，第三掩模602 可由光刻構圖的光致抗蝕劑形成。第三掩模602可形成為覆蓋接觸焊盤502、504并具有構 造為暴露內井306的開口 604。然后，參照圖7，形成系列石墨烯層702。所形成的單獨層的 數量可取決于設計因素，諸如需要多少層來確保最上層的平坦表面。為了示范，圖7示出了 四個單獨的石墨烯層702(a)-702(d)。然后，可以頂離掩模602，留下圖8所示的結構。
現在參照圖9，可在襯底202、接觸焊盤502、504以及系列石墨烯層702 (其形成用 于單個石墨烯層902的支承部)之上形成單個石墨烯層902。單個石墨烯層902提供用于 從其傳輸電荷載流子的有源石墨烯層。通過在接觸焊盤504、502之間施加電壓，諸如電子 的電荷載流子可通過單原子單層石墨烯片902遷移，如線904所示。 圖10-18示出根據本發明另一可行實施例的用于制造基于石墨烯的電路結構的 方法。參照圖10，提供襯底1002。與上面描述的實施例相同，襯底1002可以是半導體襯底 例如Si晶片或者某些其它合適的材料。石墨烯層1004(a)-1004(d)的系列1004形成在襯 底1002之上。系列1004中單獨石墨烯層的數量是設計選擇的問題。
然后，參照圖ll，第一掩模1102例如光刻構圖的光致抗蝕劑掩模1102形成在層 1004之上。第一掩模1102具有外邊緣1104，其定位為界定電路器件的外邊緣。然后可進 行諸如反應離子蝕刻或離子研磨的第一材料去除工藝來去除石墨烯層系列1004的未被第 一掩模保護的部分。可以進行該第一材料去除工藝直到到達襯底1002。
然后參照圖13，形成第二掩模結構1302，第二掩模結構1302具有從第一掩模結構 1102的外邊緣稍微向里的外邊緣1304。 然后，進行諸如反應離子蝕刻的第二材料去除工藝，去除層1004的未被第二掩模 結構保護的部分。然而，該第二材料去除工藝在去除底部石墨烯層1004(a)之前終止，得到 圖14所示的結構，其中底部石墨烯層1004(a)稍微超過其它層的邊緣1402延伸。這形成 了電接觸接片1404，如將在下面更好地理解的那樣。 隨著蝕刻的進行，可通過原位(in-situ)基于拉曼散射的技術或者通過監視石墨 烯的反射率改變，可以進行單個石墨烯層1004(a)的端點檢測。如果需要納米級的端點檢 測，可以采用稱為針尖增強拉曼光譜(Tip-enhancedRaman Spectroscopy)的方法。在該方 法中，原子力顯微鏡(AFM)的針尖涂覆有金屬，從而在頂點處誘發等離子體激元(plasmon) 諧振。這已經證實為是進行空間分辨率為大約20nm的拉曼光譜法的有效方法，因此可以用 作端點方法以用于以納米分辨率產生單層石墨烯。 現在參照圖15，如圖所示，可以形成第三掩模結構1502來僅覆蓋第一石墨烯層的 接觸接片1404，同時留下其它石墨烯層1004(b)-1004(d)未被覆蓋。如圖所示，掩模1502 可構造為具有懸伸部(overhang)的雙層掩模，從而利于頂離。然后可形成電絕緣材料層 1504例如薄氧化物層(例如氧化鋁)，如圖15所示。絕緣層1504優選地通過諸如原子層 沉積或化學氣相沉積的共形沉積法沉積，從而其沉積在層1004(b)-(d)的側部上以及在水 平表面上。然后，該第三掩模結構1502可被頂離，得到圖16所示的結構。
參照圖17，可形成可選的第四掩模結構1702來覆蓋僅層1004(d)和氧化物層 1504之上的區域，留下接觸接片1404未被覆蓋。然后，可沉積諸如Au或Cu的導電引線材 料1704。該導電引線材料1704覆蓋引線接片1404。然后，參照圖18，第四掩模結構1702 可被頂離，去除在工藝中形成在其上的導電材料1704。因此，該第四掩模結構1702用作釋 放層，用于從氧化物1504和石墨烯層1004(b)-(d)之上去除引線材料1704的不需要的部 分，同時留下位于引線接片1404上并與之接觸的引線材料1704。 盡管上述工藝公開了底層1404(a)作為結構的有源導電層，但這僅是示例。該 有源導電石墨烯層可以是石墨烯層系列1404內部的層，例如層1404(c)，僅對該層(例如 1404(c))制造電接觸。 已經發現，與單層石墨烯結構相比，通過使用雙層石墨烯結構可以實現信號噪聲 的很大降低。因此，為了降低信號噪聲，可修改任何上述結構使得電荷載流子流經雙層石 墨烯結構。使用雙層石墨烯結構的效果已經在題為"Strong Su卯ression of Electrical Noise in Bilayer Graphene Nano Devies，， (IBM石開究人員Yu_Ming Lin禾口 Phaedon Avouris， January 29,2008)的論文中討論過。 例如，圖19示出了類似于圖1的結構，除了電荷載流子流經包括第一和第二石墨 烯層102(a)和102(b)的雙層石墨烯結構之外。類似地，圖20示出了類似于圖9的結構， 除了電荷載流子通過包括層902(a)和902(b)的雙層石墨烯結構的兩層遷移之外。圖21示出了類似于圖18的結構，除了電荷載流子流經兩個石墨烯層140(a)和140(b)，而不是流 經僅單個石墨烯層之外。 盡管上面描述了各種實施例，但應理解它們僅是以舉例的方式給出而不是限制。 落在本發明范圍內的其它實施例對本領域技術人員也會是顯而易見的。因此，本發明的廣 度和范圍不應被上述示例性實施例限制，而應僅根據權利要求及其等價物定義。
權利要求
一種電路結構，包括一個形成在另一個上的多個石墨烯層；以及第一和第二電接觸，所述第一和第二電接觸二者都與所述多個石墨烯層中的單個石墨烯層電連接。
2. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述單個石墨烯層位于所述多個石墨烯層的頂部。
3. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述單個石墨烯層位于所述多個石墨烯層的底部。
4. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述單個石墨烯層位于所述多個石墨烯層的內 部，被夾在相鄰的石墨烯層之間。
5. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述多個石墨烯層包括至少三個石墨烯層。
6. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述多個石墨烯層形成在襯底上。
7. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述多個石墨烯層形成在Si襯底上。
8. 如權利要求1所述的電路結構，其中所述多個石墨烯層的至少一部分具有界定第一 和第二側面的第一和第二邊緣，且其中所述單個石墨烯層延伸超過所述第一和第二側面。
9. 如權利要求8所述的電路結構，其中所述單個石墨烯層在超過所述第一和第二側面 的區域中與所述第一和第二電接觸進行接觸。
10. 如權利要求8所述的電路結構，還包括形成在所述第一和第二側面上的電絕緣層。
11. 如權利要求9所述的電路結構，還包括形成在所述第一和第二側面的每個與相鄰 的一個所述電接觸之間的電絕緣材料。
12. —種制造電路結構的方法，包括 形成第一和第二導電接觸焊盤；形成多個石墨烯層，所述多個石墨烯層與所述第一和第二導電接觸層電分離；以及 在所述多個石墨烯層上形成單個石墨烯層，所述單個石墨烯層延伸超過所述多個石墨 烯層從而接觸所述第一和第二導電接觸。
13. 如權利要求12所述的方法，還包括在形成所述第一和第二導電接觸之前且在形 成所述石墨烯層之前，提供襯底并在所述襯底中形成第一、第二和第三井；且其中所述第一和第二導電接觸形成在所述第一和第三井中，所述多個石墨烯層形成在 所述第二井中。
14. 如權利要求13所述的方法，其中所述單個石墨烯層在所述襯底、所述多個石墨烯 層以及所述第一和第二導電接觸之上延伸。
15. 如權利要求13所述的方法，其中所述襯底包括Si。
16. —種制造電路結構的方法，包括 形成多個石墨烯層； 在所述多個石墨烯層上形成掩模結構；對所述多個石墨烯層的未被所述掩模保護的部分執行材料去除工藝，留下至少一個石 墨烯層保持原樣；以及形成接觸所述至少一個保持原樣的石墨烯層的導電引線結構。
17. 如權利要求16所述的方法，還包括在執行所述材料去除工藝之后且在形成所述導電引線結構之前，形成電絕緣材料來覆蓋所述石墨烯層的去除部分，同時留下所述至少 一個保持原樣的石墨烯層的部分被暴露。
18. 如權利要求16所述的方法，其中所述導電引線結構接觸所述至少一個保持原樣的 石墨烯層的所述暴露部分。
19. 如權利要求17所述的方法，其中所述電絕緣材料是氧化物層。
20. 如權利要求16所述的方法，其中所述至少一個保持原樣的石墨烯層是設置在所述 多個石墨烯層的底部的單個石墨烯層。
21. —種電路結構，包括一個形成在另一個上的多個石墨烯層，所述多個石墨烯層包括超過兩個石墨烯層；以及第一和第二電接觸，所述第一和第二電接觸二者都與所述多個石墨烯層中的兩個相鄰 的石墨烯層電連接，所述兩個相鄰的石墨烯層形成雙層石墨烯結構。
全文摘要
本發明涉及采用石墨烯的電路結構及其制造方法。電路結構采用石墨烯作為電荷載流子傳輸層。該結構包括多個石墨烯層。與所述多個石墨烯層中的一個層進行電接觸，從而電荷載流子僅通過該一個層遷移。通過在多個石墨烯層內部或之上構造有源石墨烯層，有源石墨烯層保持必要的平坦性和結晶完整性，從而確保有源石墨烯層的高電荷載流子遷移率不受損害。
文檔編號H01L23/482GK101771022SQ200910262509
公開日2010年7月7日 申請日期2009年12月29日 優先權日2008年12月30日
發明者歐內斯托·E·馬里內羅 申請人:日立環球儲存科技荷蘭有限公司