用悬置石墨烯膜形成的纳米器件 |
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| 申请号 | CN201310030301.4 | 申请日 | 2013-01-25 | 公开(公告)号 | CN103227203B | 公开(公告)日 | 2016-05-18 |
| 申请人 | 国际商业机器公司; | 发明人 | 朱文娟; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及用悬置 石墨 烯膜形成的纳米器件。使用在 半导体 结构的开放腔之间悬置的 石墨烯 膜构造诸如 纳米探针 和纳米刀器件的半导体纳米器件。所述悬置的石墨烯膜用作机电膜，所述机电膜可被制造为非常薄，厚度为一个 原子 或数个原子的厚度，从而极大地提高了半导体纳米探针和纳米刀器件的灵敏度和可靠度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种半导体器件，包括： |
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| 说明书全文 | 用悬置石墨烯膜形成的纳米器件技术领域[0001] 本发明一般地涉及半导体纳米器件，更具体地说，涉及通过将纳米探针（nano-probe）或纳米刀安装于悬置石墨烯膜（suspended graphene membrane）上而构造的半导体纳米探针和纳米刀器件。 背景技术[0002] 纳米探针和纳米刀对于诸如医学诊断、外科手术以及科学实验的应用非常有用并用作工业传感器。典型地，纳米探针/刀安装于机电膜（electro-mechanical membrane）上。这些器件的机电膜典型地由金属膜或经蚀刻的硅层制成。为提高器件灵敏度，机电膜必须被制造为尽可能薄，这从结构观点来看会有问题，因为由金属膜和硅形成的机电膜在被制造为较薄时会变得非常易碎。 发明内容[0003] 本发明的方面包括半导体纳米器件，例如纳米探针和纳米刀器件，这些器件使用悬置的石墨烯膜构造。所述悬置的石墨烯膜用作机电膜，此机电膜可以被制造为非常薄，厚度为一个原子或数个原子的厚度，从而极大地提高了根据本发明的原理构造的半导体纳米探针和纳米刀器件的灵敏度和可靠度。 [0004] 在本发明的一个方面中，一种半导体器件包括底栅电极和被设置在所述底栅电极之上的第一绝缘层。所述第一绝缘层包括与所述底栅电极对准的第一开放腔。第二绝缘层被设置在所述第一绝缘层之上。所述第二绝缘层包括与所述第一开放腔对准的第二开放腔。石墨烯层被设置在所述第一和第二绝缘层之间，其中所述石墨烯层的一部分悬置在所述第一和第二开放腔之间。至少一个感测电极被设置在所述石墨烯层上并邻近所述第一和第二开放腔。细长纳米结构被安装到所述石墨烯层的悬置在所述第一和第二开放腔之间的所述一部分上。顶栅电极被设置在所述第二绝缘层之上。所述顶栅电极与所述底栅电极以及所述第一和第二开放腔对准。所述细长纳米结构可以为纳米刀结构或纳米探针结构。 [0005] 在本发明的另一方面中，一种形成半导体器件的方法包括在衬底中形成底栅电极，在所述衬底之上形成覆盖所述底栅电极的第一绝缘层，在所述第一绝缘层中蚀刻出第一腔，其中所述第一腔与所述底栅电极对准，用第二绝缘材料层填充所述第一腔，使用所述第一绝缘层作为蚀刻停止层，对所述第二绝缘材料层进行平面化以形成第一平面化表面，在所述第一平面化表面上形成石墨烯层，在所述石墨烯层上形成一个或多个感测电极，其中所述一个或多个感测电极被设置在所述石墨烯层上并邻近所述第一腔，使第三绝缘层形成在所述石墨烯层之上并覆盖所述一个或多个感测电极，在所述第三绝缘层中蚀刻出第二腔，其中所述第二腔与所述第一腔对准，用第四绝缘材料层填充所述第二腔，对所述第四绝缘材料层进行平面化并在所述第三绝缘层上停止以形成第二平面化表面，在所述第二平面化表面之上形成第五绝缘层，在所述第五绝缘层之上形成顶栅电极，所述顶栅电极与所述第一和第二腔对准，切割所述衬底以形成单独的半导体纳米结构，分别从所述第一和第二腔去除所述第二和第四绝缘材料层以形成第一和第二开放腔，以及将细长纳米结构安装到所述石墨烯层的悬置在所述第一和第二开放腔之间的部分上。 [0006] 在本发明的又一方面中，一种形成半导体器件的方法包括形成底栅电极，在所述底栅电极之上形成第一绝缘层，所述第一绝缘层包括与所述底栅电极对准的第一开放腔，在所述第一绝缘层之上形成石墨烯层，在所述石墨烯层上形成一个或多个感测电极，在所述石墨烯层之上形成第二绝缘层，所述第二绝缘层包括与所述第一腔对准的第二开放腔，在所述第二绝缘层之上形成顶栅电极，其中所述顶栅电极与所述第一和第二开放腔对准，以及将细长纳米结构安装到所述石墨烯层的悬置在所述第一和第二开放腔之间的部分上。 附图说明[0008] 图1是根据本发明的方面的半导体纳米器件的3D透视图；以及 [0009] 图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、2K、2L、2M、2N、2O和2P示意性地示例出根据本发明的方面在各制造阶段构造半导体纳米器件的方法，其中： [0010] 图2A是掺杂半导体衬底的区域以形成第一栅电极之后在初始制造阶段的半导体纳米器件的横截面图； [0011] 图2B是在衬底之上形成第一绝缘层并在第一绝缘层上形成蚀刻掩膜之后图2A的结构的横截面图； [0012] 图2C是使用蚀刻掩膜在第一绝缘层中蚀刻出腔之后图2B的结构的横截面图； [0013] 图2D是沉积第二绝缘材料层以填充腔之后图2C的结构的横截面图； [0014] 图2E是对结构向下进行平面化到第一绝缘材料层之后图2D的结构的横截面图； [0015] 图2F是在平面化表面上沉积石墨烯膜之后图2E的结构的横截面图； [0016] 图2G是在石墨烯膜上形成感测电极之后图2F的结构的横截面图； [0017] 图2H是在石墨烯膜和感测电极之上形成第三绝缘材料层之后图2G的结构的横截面图； [0018] 图2I是在第三绝缘材料层中蚀刻出与形成于第一绝缘层中的下伏腔（underlying cavity）对准的腔之后图2H的结构的横截面图； [0019] 图2J是沉积第四绝缘材料层以填充形成于第三绝缘材料层中的腔之后图2I的结构的横截面图； [0020] 图2K是对衬底表面向下进行平面化到第三绝缘材料层之后图2J的结构的横截面图； [0021] 图2L是在平面化表面之上沉积第五绝缘材料层之后图2K的结构的横截面图； [0022] 图2M是在第五绝缘材料层的顶上形成与形成于衬底中的底栅电极对准的顶栅电极之后图2L的结构的横截面图； [0023] 图2N是蚀刻第五和第三绝缘材料层的一部分以在顶栅电极的任意侧（either side）暴露感测电极之后图2M的结构的横截面图； [0024] 图2O是切割衬底以形成单独的半导体纳米结构并从下腔去除第二牺牲绝缘材料层、从上腔去除第四牺牲绝缘材料层之后图2N的结构的横截面图；以及 [0025] 图2P是将细长纳米结构安装在上下腔之间的石墨烯膜的表面上之后图2O的结构的横截面图。 具体实施方式[0026] 现在将参考诸如纳米探针和纳米刀器件的半导体纳米器件进一步详细地描述本发明的优选实施例，这些纳米器件使用由石墨烯制成的机电膜构造。例如，图1是根据本发明的方面的半导体纳米器件的3D透视图。一般而言，半导体纳米器件100包括体（bulk）衬底110、通过掺杂衬底100的区域形成的第一栅电极115（或底栅电极）、具有第一腔125（或下腔）的第一绝缘层120、石墨烯膜130、具有第二腔155（或上腔）的第二绝缘层150、第一感测电极140、第二感测电极142（其中第二感测电极是可选的）、第二栅电极160（或顶栅电极）和安装于石墨烯膜130的悬置在第一和第二绝缘层120和150各自的第一和第二腔125和155之间的区域上的细长纳米结构170。如图1所示，第一栅电极115、第一腔125、第二腔155和第二栅电极160彼此对准。应理解，当将不同层上的两个不同元件描述为彼此“对准”时，术语“对准”例如表示这两个不同的元件在不同层上彼此至少部分地重叠或完全重叠。下面将参考图2A-2P进一步详细地讨论用于制造诸如图1所示的半导体纳米器件的示例性方法和材料。 [0027] 应理解，图1的半导体纳米器件100可用于许多应用。例如，在本发明的一个方面，半导体纳米器件100可以是半导体纳米探针器件，其中细长纳米结构170为由导电材料（例如硅、金属、碳纳米管等）制成的纳米探针，用于测量目标设备上的某一点处的电位。在本发明的另一方面，半导体纳米器件100可以为半导体纳米刀器件，其中细长纳米结构170为具有由金属、硅或碳纳米管材料制成的尖头（sharp tip）的纳米刀，可以使所述纳米刀上下移动并切割目标样本。 [0028] 一般而言，根据本发明的原理的半导体纳米探针或纳米刀器件通过对底栅电极115和/或顶栅电极160施加电压以使石墨烯膜130的被设置在下腔125和上腔155之间的部分朝着底栅电极115或顶栅电极160上下移动来执行操作。在此方面，石墨烯膜130提供所需的机电特性。具体而言，石墨烯膜130具有导电性，从而石墨烯膜130的（被设置在腔125和 155之间的）自由部分将被吸引到对顶栅电极160和底栅电极115施加的电压。而且，对于机电特性，可以使石墨烯膜130具有一个原子层那么小的厚度，同时提供必要的强度，以便在半导体纳米器件100的连续操作期间耐受被上下弯曲（flex）。实际上，已知石墨烯的断裂强度是钢的断裂强度的200倍。 [0029] 如上所述，在一个示例性操作模式中，半导体纳米器件100可作为纳米刀操作。在此操作模式中，第一和/或第二感测电极140和142可被连接到地电压（例如，Vs=0）。可对顶栅电极160施加电压，这在石墨烯膜130上诱发像电荷（image charge），从而使石墨烯膜130的被设置在腔155/125之间的部分受到吸引并被拉向顶栅电极160。在该例子中，安装在石墨烯膜130上的细长纳米刀170也将向上移动。然后可将样本放在纳米刀的尖头下，然后从顶栅电极160去除电压，并向底栅电极115施加电压以使纳米刀在石墨烯膜130被电吸引到底栅电极115的情况下向下移动。以这种方式，通过协力扫描对底栅电极115和顶栅电极160施加的电压，纳米刀可因石墨烯膜130的上下弯曲而上下移动。 [0030] 在另一示例性操作模式中，半导体纳米器件100可作为纳米探针操作。在此操作模式中，细长纳米探针170的尖头被放置为与目标样本上的某个点接触，并且调节感测端子上的电位以使流到感测端子的电流为0（Is=0）。在该条件下，施加到感测端子的电压等于样本在接触点处的电位。通过这种方式，可检测样本在该点处的电位。为了测绘（map）样本的其他点上的电位，可通过施加顶栅电压或底栅电压来向上或向下扫描纳米探针并使用上述方法测量电位。 [0031] 图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、2K、2L、2M、2N、2O和2P示意性地示例出根据本发明的示例性实施例构造半导体纳米器件的方法。具体而言，图2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、2I、2J、2K、2L、2M、2N、2O和2P是图1中的半导体纳米器件100的一部分在各制造阶段的横截面图。首先参考图2A，示出了掺杂半导体衬底100的某个区域而形成底栅电极115之后在初始制造阶段的半导体纳米器件100的横截面图。衬底110可以是硅衬底、SOI（绝缘体上硅）衬底或用任何其他类型的衬底材料形成的衬底、或者在VLSI制造方法中常用的多个衬底材料层。可以使用标准的光刻和注入掺杂技术以注入诸如硼、磷或锑的掺杂剂或注入用于在硅衬底中形成高导电性p掺杂或n掺杂区域（用作第一（底）栅电极115）的其他类型掺杂剂，来形成底栅电极115。 [0032] 图2B是在衬底110之上形成第一绝缘层120并在第一绝缘层120上形成蚀刻掩膜200之后图2A的结构的横截面图。蚀刻掩膜200可以是使用公知的光刻方法形成的光致抗蚀剂掩膜。蚀刻掩膜200包括开口202，此开口与第一栅电极115对准，用于限定随后在第一绝缘层120中蚀刻出的与第一栅电极115对准的腔。第一绝缘层120可以使用在VLSI制造中常用的诸如氧化物和氮化物的各种类型的介电或绝缘材料形成，这些材料包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硼或这些材料的组合。第一绝缘层120可以使用公知的沉积技术形成。在优选实施例中，第一绝缘层120的厚度在约0.20um至约 10.0um的范围内。 [0033] 图2C是使用蚀刻掩膜200在第一绝缘层120中蚀刻出腔125之后图2B的结构的横截面图。在此处理中，可使用诸如RIE（反应离子蚀刻）的各向异性干法蚀刻工艺蚀刻第一绝缘层120的通过蚀刻掩膜200的开口202暴露出的部分，从而形成腔125。用于蚀刻第一绝缘层120的蚀刻技术和环境将根据用于形成第一绝缘层120的材料而变化。腔125可被形成为具有在约0.10um至约4.0um的范围内的宽度并可被蚀刻到约0.05um至约3.0um的范围内的深度。 [0034] 图2D是沉积第二绝缘材料层127以填充腔125并覆盖第一绝缘材料层120之后图2C的结构的横截面图。在此处理中，第二绝缘材料层127用作暂时填充腔125的牺牲材料并提供这样的表面：在该表面上沉积石墨烯层。在优选实施例中，使用具有对形成第一绝缘材料层120的材料的高蚀刻选择性的任何介电或绝缘材料形成第二绝缘材料层127。例如，第二绝缘材料层可以通过使用公知的沉积技术沉积氧化硅来形成。 [0035] 图2E是将结构向下平面化到第一绝缘材料层120之后图2D的结构的横截面图。如图2E所示，对表面进行平面化以去除第二绝缘材料层127的位于第一绝缘材料层120的顶上的那部分。平面化工艺可以使用任何合适的CMP（化学机械抛光）工艺实现，以使用第一绝缘材料层120（例如，氮化硅）作为CMP工艺的蚀刻停止层，向下抛光第二绝缘材料层127（例如，氧化硅）。如图2E所示，CMP工艺的结果是平面化的表面，其中第二绝缘材料层127的剩余部分填充形成于第一绝缘材料层120中的腔125。 [0036] 图2F是在包括第一绝缘层120和第二绝缘层127的平面化表面之上沉积石墨烯膜130之后图2E的结构的横截面图。在一个优选实施例中，石墨烯膜130在单独的基底上形成并使用适合于给定应用的任何公知技术而被转移到平面化表面上。例如，在一种标准方法中，可在铜箔上通过化学气相沉积生长石墨烯薄膜。然后将聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）薄膜旋涂到石墨烯表面上。然后将PMMA/石墨烯/铜叠层浸入铜蚀刻剂中以去除铜。PMMA/石墨烯膜然后可被转移到目标衬底。接着可以使用丙酮去除PMMA。该处理的结果是在平面化表面上形成石墨烯膜130，从而石墨烯膜130将通过范德瓦斯（Van der Waals）相互作用力而充分附到平面化表面上。 [0037] 图2G是在石墨烯膜130上形成感测电极140/142之后图2F的结构的横截面图。感测电极140/412可由导电材料形成，所述导电材料包括但不限于钛、钯、金、铝、多晶硅、TiN、TaN、钨或此类材料中的一种或多种的叠层。例如，感测电极140/142可用Ti的第一籽晶层（约1nm厚）、Pd的第二层（约20-30nm厚）和金的第三层形成。籽晶层由Ti或在石墨烯层130上具有良好附着性的任何合适材料形成。第二层由用于与石墨烯层130的功函数匹配的诸如Pd的任何合适材料形成。优选地，感测电极140、142的总体厚度在约0.03um至约2.0um的范围内。感测电极可使用诸如电子束、溅射、化学气相沉积等的任何公知技术而被沉积，然后通过反应离子蚀刻（RIE）或“剥离”工艺而被构图。 [0038] 图2H是在石墨烯膜130和感测电极140、142之上形成第三绝缘材料层151之后图2G的结构的横截面图。第三绝缘材料层151可以是任何合适的介电或绝缘材料，例如氮化硅、氧化硅、氧化铪、氧化锆、氧化铝、氮化铝、氮化硼或这样的材料的组合。在优选实施例中，第三绝缘材料层151由氮化硅形成，因为氮化硅可以适当地附着到石墨烯膜130的疏水性表面上。 [0039] 图2I是在第三绝缘材料层151中蚀刻腔152之后图2H的结构的横截面图，其中腔152与第一绝缘层120中的下伏腔125（其被牺牲材料127填充）对准。腔152可以使用上面针对形成下伏腔125讨论的标准光刻技术形成。例如，首先在第三绝缘材料层151之上形成具有开口的蚀刻掩膜，所述开口限定与下伏腔125的宽度对准的腔152的宽度。然后执行蚀刻工艺以蚀刻第三绝缘材料层151的通过蚀刻掩膜中的限定的开口而暴露出的部分，从而形成腔152。 [0040] 图2J是沉积第四绝缘材料层153以填充腔152并覆盖第三绝缘材料层151之后图2I的结构的横截面图。在此处理中，第四绝缘材料层153用作暂时填充腔152的材料并提供这样的表面：在该表面上形成第五绝缘材料层。在优选实施例中，第四绝缘材料层153用具有对形成第三绝缘材料层151的材料的高蚀刻选择性的任何介电或绝缘材料形成。例如，第四绝缘材料层153可以通过使用公知的沉积技术沉积氧化硅来形成。 [0041] 图2K是将结构向下平面化到第三绝缘材料层151之后图2J的结构的横截面图。如图2K所示，对衬底表面进行平面化以去除第四绝缘材料层153的位于第三绝缘材料层151的顶上的部分。平面化工艺可以使用任何合适的CMP（化学机械抛光）工艺实现，以使用第三绝缘材料层151（例如，氮化硅）作为CMP工艺的蚀刻停止层，向下抛光第四绝缘材料层153（例如，氧化硅）。如图2K所示，CMP工艺的结果是平面化的表面，其中第四绝缘材料层153的剩余部分填充腔152。 [0042] 图2L是在平面化的衬底表面之上沉积第五绝缘材料层154之后图2K的结构的横截面图。在优选实施例中，第五绝缘材料层154优选地是与形成第三绝缘材料层151相同或相似的材料。例如，绝缘材料层151和绝缘材料层154二者都可以由氮化硅形成。在优选实施例中，第五绝缘材料层154由具有对于填充腔152的牺牲绝缘材料152的蚀刻选择性的介电或绝缘材料形成，从而可以对形成第三绝缘材料层151和第五绝缘材料层154的材料选择性地蚀刻腔152内的牺牲绝缘材料153。 [0043] 图2M是在第五绝缘材料层154的顶上形成顶栅电极160之后图2L的结构的横截面图。顶栅电极160可以由导电材料形成，所述导电材料包括但不限于钛、钯、金、铝、多晶硅、TiN、TaN、钨或此类材料中的一种或多种的叠层。第二栅电极160的总体厚度在约0.03um至约2.0um的范围内。顶栅电极160可使用诸如沉积一个或多个金属材料层以及执行用于限定并形成顶栅电极160的各向异性蚀刻工艺或“剥离”工艺的任何公知技术形成。如图2M所示，顶栅电极160被形成为与被填充的腔153和127以及形成于衬底110中的底栅电极115对准。 [0044] 图2N是蚀刻第五绝缘材料层154和第三绝缘材料层151的部分以在顶栅电极160的任意侧（either side）暴露感测电极140/142之后图2M的结构的横截面图。在一个优选实施例中，如下执行此处理：在衬底表面之上形成具有开口的蚀刻掩膜，所述开口暴露出第五绝缘材料层154和第三绝缘材料层151的形成于第一感测电极140和第二感测电极142之上的那些部分，然后执行蚀刻工艺，以将第五绝缘材料层154和第三绝缘材料层151的暴露部分向下去除到第一感测电极140和第二感测电极142的顶部。如图2M所示，经蚀刻的第五绝缘材料层154和第三绝缘材料层151的剩余部分形成绝缘层150的结构（如图1所示）。 [0045] 图2O是切割衬底以形成单独的半导体纳米结构并从下腔125去除第二绝缘材料层127的剩余部分且从上腔152去除第四绝缘材料层153的剩余部分之后图2N的结构的横截面图。如图2O所示，去除腔125中的牺牲绝缘材料127导致开放的下腔125，该开放的下腔125具有由石墨烯膜130限定的顶表面、由第一绝缘材料层120限定的底表面和侧壁表面。如图2O所示，去除腔152中的牺牲绝缘材料153导致开放的上腔155，该开放的上腔155具有分别由第五绝缘材料层154和石墨烯膜130限定的顶表面和底表面、由第三绝缘材料层151限定的侧壁表面。所述腔可被形成为具有在约0.10um至约4.0um的范围内的宽度并可被蚀刻到在约0.05um至约3.0um的范围内的深度。 [0046] 图2P是将细长纳米结构170安装在位于开放的上腔155和开放的下腔125之间的石墨烯膜130的表面上之后图2O的横截面图。如上所述，细长纳米结构170可以是由诸如硅、金属、碳纳米管等的材料形成的纳米刀或纳米探针结构。石墨烯130的表面涂有诸如聚合物的保护层。 |
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