一種石墨烯復合膜片上電感的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種石墨烯復合膜片上電感，屬于微電子器件技術領域。本發明中，位于襯底上方的片上電感采用石墨烯復合膜作為電感線圈材料，石墨烯復合膜由石墨烯層、絕緣介質層、金屬導電層依次疊加組成。其中，石墨烯層和金屬導電層共同組成片上電感的導電通道，有利于降低電感電阻值，提高電感品質因數；絕緣介質層位于石墨烯層與金屬導電層之間，對石墨烯層和金屬導電層主體進行隔離以降低金屬導電層對石墨烯中電子輸運的干擾,使石墨烯提供大動態電感，大幅增加片上電感電感值。因此，本發明提供的片上電感具有高品質因數、大電感值的特點，特別適用于射頻集成電路。
【專利說明】一種石墨烯復合膜片上電感
[0001]
技術領域
[0002]本發明屬于微電子器件技術領域，涉及一種石墨烯復合膜片上電感。
【背景技術】
[0003]片上電感是射頻集成電路的基礎無源元件，實現電能到磁能的轉換與存儲，廣泛應用于低噪聲放大器、壓控振蕩器、混頻器、濾波器等各類射頻前端模塊中，構成無線通信電路的基礎。在更高頻率、更低功耗等應用的驅動下，射頻電路需要更高性能的電路元件。然而，與快速發展的有源器件相比，片上電感的發展卻面臨著兩大困境。首先是面積過大，與已發展到22nm階段的MOS器件相比，平面螺旋電感(InH感值)的平均邊長始終徘徊在100μπι左右。為滿足GHz頻段內數nH電感值這一設計要求，片上平面螺旋電感的面積通常達到數百Mi X數百Mi，使得集成電感常占據射頻電路模塊50%以上面積，這樣巨大的面積消耗對于密度越來越高的集成電路而言難以接受。另一個問題是性能過低，受金屬自身的歐姆損耗、半導體硅襯底渦流損耗、介質耦合電容等眾多寄生效應的作用，電感在高頻下產生大量的熱損耗以及電磁損耗，這些損耗隨頻率增加而迅速增大，導致表征器件磁能存儲效率的關鍵參數一品質因數(Quality factor, Q)大大降低。目前，常見的CMOS集成電感Q值低于10。低Q值直接導致電路頻率穩定性差，噪聲水平高等問題，使整體電路性能大打折扣。這對于要求高性能、低損耗、低失真的射頻集成電路而言十分不利。因此，缺乏足夠小尺寸和足夠高Q值的集成電感是當前射頻集成電路發展主要瓶頸之一。
[0004]石墨烯是由碳原子基于單層結構形成的六角蜂窩狀晶體，厚度只有0.344nm，是碳的一種新型二維同素異形體。由于其獨特的原子結構，石墨烯具有高電子迀移率、高熱導率、高電導率、高機械強度等優異的材料性能。在室溫下，石墨烯理論上的電子迀移率達到200，000cm2/Vs，是硅的100倍以上，同時，其電阻率約為10—6Q.cm，比金屬銅或銀更低，是目前已知的在常溫下導電性能最好的材料，導電密度是銅的一萬倍。此外，石墨烯中電子輸運機制為彈道輸運，因而具有獨特的大動態電感效應，應用于片上電感可大幅增強電感值，從而減小電感所占面積。由此可見，具有優良電學性能和大動態電感效應的石墨烯是構造新一代射頻片上電感的理想材料。然而，在實際應用中，石墨烯微電感具有大電感值、低品質因數的特點，無法應用到實際電路中。這是由于具有最低電阻率的單層石墨烯厚度僅僅只有0.334nm，其方阻通常在幾十歐以上，絕對電阻值比應用于片上電感的高維度金屬導線(厚度通常在μπι以上)要高出幾個數量級，因此，石墨烯電感的品質因數遠遠低于現有片上電感。
[0005]采用石墨烯與金屬導線復合作為片上電感的導體材料有助于提高片上電感的品質因數。例如，北京大學提出的專利申請“一種金屬電感的制備方法”(專利申請號:201210112738.8，專利公開號CN 102709155 Α)公開了一種金屬電感，該專利申請通過在電感線圈的金屬上包裹一層石墨烯，在一定程度上減小了電感的電阻，提高了Q值。但該申請直接將石墨烯包裹在金屬線圈上，電感工作時，金屬線圈內的電子與石墨烯中的電子發生強耦合，石墨烯內電子彈道輸運機制變為散射輸運機制，石墨烯的動態電感急劇下降，無法實現電感的大電感值。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題是提供一種大電感值、高品質因數的片上電感。
[0007]為達到目的，本發明提供的技術方案如下:
一種石墨烯復合膜片上電感，采用石墨烯復合膜作為電感線圈材料;所述石墨烯復合膜由石墨烯層、絕緣介質層、金屬導電層依次疊加組成；其中，所述石墨烯層和金屬導電層在邊緣處相連，所述絕緣介質層位于石墨烯層和金屬導電層中間，寬度為石墨烯層或金屬導電層寬度的十分之九，隔離石墨烯層和金屬導電層主體部分，所述石墨烯層依附于襯底上。
[0008]所述金屬導電層為銅、鋁等高電導性金屬材料。
[0009]所述絕緣介質層為高絕緣材料，如Al2O3,厚度在10nm-50nm，。
[0010]所述石墨烯層為摻雜的石墨烯或純凈的石墨烯，石墨烯膜的層數為一層到九層。[0011 ]所述襯底可采用柔性絕緣介質，如PET膜;或采用剛性絕緣基片，如石英片;或采用半導體基片，如硅片，但在半導體基片與石墨烯層間采用絕緣介質進行隔離，如二氧化硅等。
[0012]本發明的基本思想是引入高維度金屬導線與石墨烯共同組成導電通道降低電感電阻值，提高電感品質因數;同時，采用與石墨烯具有弱電子耦合效應的絕緣介質層對金屬導電層和石墨烯層主體進行隔離，降低金屬導電層電子、聲子對石墨烯中電子輸運的干擾，保障石墨烯中電子的彈道輸運機制，使得石墨烯維持大動態電感實現片上電感的大電感值，達到縮小電感尺寸的目的，而尺寸的縮小可進一步提升電感品質因數;此外，石墨烯具有弱趨膚效應，在超高頻段下復合膜的電阻值受頻率的影響很小，有利于電感在超高頻率下仍保持高品質因數。
[0013]本發明的有益效果:本發明以石墨烯復合膜作為片上電感的線圈材料，可實現高品質因數、大電感值和高頻工作性能穩定的片上電感，且采用標準微電子工藝就可實現，易于應用到集成電路中，具有很強的實用性。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明石墨烯復合膜結構示意圖；
圖2為本發明基于石墨烯復合膜片上電感結構示意圖；
圖3為本發明石墨烯復合膜片上電感制備工藝流程圖；
圖4為本發明與同類型銅膜片上電感性能對比圖。
[0015]其中，1-金屬導電層;2-絕緣介質層;3-石墨烯層;4-襯底。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和具體的實施例對本發明的技術方案作進一步描述，以下實施例并不構成對本發明的限定。
[0017]實施例1
1)準備一片PET膜，清洗，烘干;采用化學氣相沉積法在鎳箔上生長摻有氮雜質的九層石墨烯;采用石墨烯轉移工藝將鎳箔上的九層石墨烯轉移至PET膜上，如圖3(a)所示；
2)采用原子層沉積工藝在有石墨稀層的PET膜上淀積一層50nm的AI2O3層;采用剝離工藝將Al2O3層圖形化，如圖3(b)所示；
3)采用電子束蒸發工藝在AI2O3層上沉積一層Ium厚的Al膜，如圖3(c)所示；
4)采用光刻工藝和濕法刻蝕工藝將Al膜刻蝕成電感線圈結構;采用氧等離子體刻蝕工藝對轉移至PET膜上的石墨烯膜進行刻蝕，除Al電感線圈覆蓋的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0018]通過以上具體步驟，可實現本發明提供的石墨烯復合膜片上電感，如圖3(d)所示。
[0019]實施例2
1)準備一片石英片，清洗，烘干;采用化學氣相沉積法在銅箔上生長單層石墨烯;采用石墨烯轉移工藝將銅箔上的單層石墨烯轉移至石英片上，如圖3(a)所示；
2)采用原子層沉積工藝在有石墨烯層的石英片上淀積一層20nm的Al2O3層;采用剝離工藝將Al2O3層圖形化，如圖3(b)所示；
3)采用電子束蒸發工藝在AI2O3層上淀積一層2um的招膜，如圖3(c)所示；
4)采用光刻工藝和濕法腐蝕工藝將鋁膜刻蝕成電感線圈結構;采用氧等離子體刻蝕工藝對轉移至石英片上的石墨烯膜進行刻蝕，除Al電感線圈覆蓋的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0020]通過以上具體步驟，可實現本發明提供的石墨烯復合膜片上電感，如圖3(d)所示。
[0021]實施例3
1)準備一片硅片，清洗，烘干，熱氧化生長一層500nm厚的二氧化硅層;采用濺射工藝在二氧化硅上方沉積一層500nm厚的Cu膜，采用等離子增強化學氣相沉積工藝在Cu膜上生長五層石墨烯;采用烯鹽酸去除Cu膜，使石墨烯轉移至二氧化硅層上，如圖3(a)所示；
2)采用原子層沉積工藝在有石墨稀層的二氧化娃層上淀積一層1nm的AI2O3層;采用剝離工藝將AI2O3層圖形化，如圖3(b)所示；；
3)采用電子束蒸發工藝在AI2O3層上淀積一層2um的銅膜，如圖3(c)所示；
4)采用光刻工藝和濕法腐蝕工藝將銅膜刻蝕成電感線圈結構;采用氧等離子體刻蝕工藝對轉移至二氧化硅上的石墨烯膜進行刻蝕，除銅電感線圈覆蓋的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0022]通過以上具體步驟，可實現本發明提供的石墨烯復合膜片上電感，如圖3(d)所示。
[0023]對于厚度為lum、外徑為lOOum、單圈方形片上電感，與同類型銅膜片上電感比較，根據高頻電磁場仿真工具HFSS計算結果，石墨烯復合膜片上電感的電感值提升50%以上，品質因數提升10%左右，如圖4所示。
【主權項】
1.一種石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:采用石墨烯復合膜作為電感線圈材料;所述石墨烯復合膜由石墨烯層、絕緣介質層、金屬導電層依次疊加組成；其中，所述石墨烯層和金屬導電層在邊緣處相連，所述絕緣介質層位于石墨烯層和金屬導電層中間，寬度為石墨烯層或金屬導電層寬度的十分之九，隔離石墨烯層和金屬導電層主體部分，所述石墨烯層依附于襯底上。2.如權利要求1所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:金屬導電層采用銅或鋁。3.如權利要求1所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:絕緣介質層采用Al2O3，厚度在 10nm-50nm。4.如權利要求1所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:石墨烯層為摻雜的石墨烯或純凈的石墨烯，石墨烯層的層數為一層到九層。5.如權利要求1所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:所述襯底采用柔性絕緣介質或剛性絕緣基片或半導體基片。6.如權利要求5所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:所述柔性絕緣介質為PET膜。7.如權利要求5所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:所述剛性絕緣基片為石英片。8.如權利要求5所述的石墨烯復合膜片上電感，其特征在于:所述半導體基片為硅片，在半導體基片與石墨烯層間采用絕緣介質進行隔離。
【文檔編號】H01L21/02GK105870101SQ201610355178
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】劉鋒, 占必紅
【申請人】武漢大學