具有石墨烯探測層的霍爾效應(yīng)傳感器的制造方法
【專利說明】具有石墨烯探測層的霍爾效應(yīng)傳感器
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年10月16日提交的第61/891，484號美國臨時申請的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]各種實施例主要涉及具有石墨烯探測層的霍爾效應(yīng)傳感器和用于制造所述霍爾效應(yīng)傳感器的方法，該石墨烯探測層在選擇用于在BiCMOS工藝中集成的情況下以各種各樣的幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。
【背景技術(shù)】
[0004]當(dāng)磁場垂直于電流定向時，會出現(xiàn)所謂的“霍爾效應(yīng)”。磁場生成跨越導(dǎo)體的電勢差，叫做霍爾電壓，其方向與磁場方向和電流流動方向都垂直。通過測量霍爾電壓，可以確定磁場分量的大小。典型的霍爾傳感器通常包括有電流流過的導(dǎo)電材料的條或者板。當(dāng)板被放置在磁場中使得磁場分量垂直于該板時，在板中生成霍爾電壓，霍爾電壓的方向與磁場方向和電流流動方向都垂直。利用當(dāng)前技術(shù)制造的半導(dǎo)體霍爾效應(yīng)傳感器通常包括由硅制成的傳感元件。這些器件的磁靈敏度直接涉及用于構(gòu)建該傳感元件的材料的電子遷移率μ，并且受該材料的電子遷移率限制。硅通常具有近似1500cm2/(V.s)的電子遷移率。相比之下，石墨烯可以具有在4500-40000cm2/(V.s)范圍內(nèi)的電子遷移率。因此，使用由石墨烯構(gòu)建的傳感元件的霍爾效應(yīng)器件將具有比通常的硅基器件高得多的磁靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]根據(jù)各種實施例，公開了一種用于形成具有石墨烯探測層的霍爾傳感器的方法。所述方法可以包括:提供襯底；在所述襯底上形成金屬籽晶層；以及在所述金屬籽晶層上形成石墨烯探測層。所述石墨烯探測層可以根據(jù)給定應(yīng)用的規(guī)格和需求，用各種幾何構(gòu)型實施。所述方法也可以包括配置所述石墨烯層的形貌使得形成全3D霍爾傳感器。
【附圖說明】
[0006]在附圖中，貫穿所有不同視圖，同樣的參考標(biāo)號通常指代相同的部件。附圖不一定是按比例的，而是通常著重于說明本發(fā)明的原理。在下面的描述中，參照下列附圖描述本發(fā)明的各種實施例，其中:
[0007]圖1A至圖1J示出根據(jù)各種實施例的形成霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖(perspective progress1n)以及霍爾效應(yīng)傳感器的幾種實施例；
[0008]圖2A至圖2E示出根據(jù)各種實施例的形成霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及霍爾效應(yīng)傳感器的幾種附加實施例；
[0009]圖3A至圖3C描繪霍爾效應(yīng)傳感器的各種其它可能的特征和實施例；
[0010]圖4在截面圖和頂視圖二者中描繪其中封裝傳感元件的霍爾效應(yīng)傳感器的潛在實施例；
[0011]圖5A至圖5C在截面圖和頂視圖二者中描繪形成霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及霍爾效應(yīng)傳感器的幾種實施例；
[0012]圖6A和圖6B圖示可以實施于圖4中示出的霍爾效應(yīng)傳感器的附加步驟和/或特征；
[0013]圖7A和圖7B圖示可以實施于圖5A至圖5C中示出的霍爾效應(yīng)傳感器的附加步驟和/或特征；
[0014]圖8A至圖8D示出根據(jù)各種實施例的形成霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及霍爾效應(yīng)傳感器的幾個附加實施例；
[0015]圖9A和圖9B描繪根據(jù)各種實施例的形成3D霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及3D霍爾效應(yīng)傳感器的透視實施例；
[0016]圖1OA至圖1OC描繪根據(jù)各種實施例的形成3D霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及3D霍爾效應(yīng)傳感器的透視實施例；
[0017]圖1lA至圖1lC描繪根據(jù)各種實施例的形成3D霍爾效應(yīng)傳感器的方法的透視流程圖以及3D霍爾效應(yīng)傳感器的透視實施例。
【具體實施方式】
[0018]下面的具體描述參照附圖，附圖通過圖示的方式展示其中可以實施本發(fā)明的具體細節(jié)和實施例。
[0019]“示例性”一詞在這里用于表示“用作示例、實例、或者說明”。這里描述為“示例性”的任何實施例或者設(shè)計不一定被解釋為相比于其它實施例或者設(shè)計是優(yōu)選的或者是有利的。
[0020]關(guān)于形成在側(cè)面或者表面“上方”的沉積材料所使用的“上方”一詞，可以在這里用于表示所述沉積材料可以“直接地”形成于所指側(cè)面或者表面上，例如與所指的面或者表面直接接觸。關(guān)于形成在側(cè)面或者表面“上方”的沉積材料所使用的“上方”一詞，可以在這里用于表示所述沉積材料可以“間接地”形成于所指側(cè)面或者表面上，其中一個或者更多附加層被布置在所指側(cè)面或者表面與所述沉積材料之間。
[0021]在典型的霍爾傳感器中，已知的影響靈敏度和剩余偏移(residual offset)的因素包括絮凝、沉淀特性、應(yīng)力、以及籽晶層和籽晶層與石墨烯之間的邊界的影響。根據(jù)本公開，在金屬籽晶層上沉積石墨烯層與移除金屬籽晶層以制造表面微機械傳感器結(jié)構(gòu)的結(jié)合創(chuàng)建了具有優(yōu)化性能(例如剩余偏移、應(yīng)力和界面效應(yīng)的減少)的傳感器結(jié)構(gòu)。通過以各種幾何結(jié)構(gòu)配置石墨烯，剩余偏移能夠被進一步減少并且性能可以被進一步優(yōu)化。
[0022]各種實施例主要涉及一種用于形成具有石墨烯探測層的霍爾效應(yīng)傳感器的方法。各種實施例進一步公開一種具有石墨烯作為探測層的霍爾效應(yīng)傳感器，該探測層以各種幾何構(gòu)型以及集成在BiCMOS (混合雙極晶體管-CMOS)工藝中的選擇提供優(yōu)化的屬性，其中至少一個石墨烯層懸置于在作為傳感器元件的環(huán)境中形成/嵌入的腔中。至少一個實施例涉及霍爾元件的無應(yīng)力安裝，用于減少剩余偏移并且提高霍爾效應(yīng)傳感器的性能。進一步的實施例提供一種相比于目前可用技術(shù)對磁場具有高靈敏度同時減少空間需求的3D霍爾效應(yīng)傳感器。在至少一種實施例中，石墨烯探測層可以嵌入半導(dǎo)體襯底中以保護傳感結(jié)構(gòu)免受可能改變傳感器效率、靈敏度和準(zhǔn)確性的環(huán)境影響。在至少一種實施例中，石墨烯層可以被制成腔，該腔被蓋元件覆蓋并且被配置為使腔中形成部分真空。
[0023]根據(jù)各種實施例，公開了一種具有所謂“霍爾棱錐”構(gòu)型的霍爾傳感器(也被稱為霍爾效應(yīng)傳感器)。該霍爾傳感器可以采用石墨烯層作為磁敏層。在至少一種實施例中，該石墨烯層可以大體上是棱錐形狀。該棱錐形狀允許一種可以以所謂“斬波模式”運行的全3D霍爾傳感器。在進一步的實施例中，該霍爾傳感器可以是選擇具有底部接觸或者頂部接觸的棱錐形狀。
[0024]根據(jù)各種實施例，該石墨烯霍爾傳感器可以被封裝以更好地保護該霍爾傳感器免受各種環(huán)境影響。
[0025]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以通過在金屬籽晶層上施加石墨烯層形成。該籽晶層可以包括或者基本由銅、鎳、銅鎳合金以及適用于給定應(yīng)用的其他各種單質(zhì)金屬或者金屬合金構(gòu)成。根據(jù)各種實施例，該石墨烯層可以通過使用各種沉積技術(shù)形成，例如原位沉積、轉(zhuǎn)移沉積比如通過液態(tài)介質(zhì)轉(zhuǎn)移或者薄膜轉(zhuǎn)移等。
[0026]根據(jù)各種實施例，如圖1A所示的截面圖，霍爾傳感器可以包括襯底102，其中在襯底102上形成氧化層104，在氧化層104上形成金屬層106，以及在氧化層104上形成石墨烯層108。
[0027]根據(jù)各種實施例，襯底102可以是半導(dǎo)體襯底，例如硅襯底。根據(jù)至少一種實施例，襯底102可以包括或者基本由適用于給定應(yīng)用的材料，例如半導(dǎo)體材料比如鍺、鍺硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、銦、銦鎵氮、銦鎵砷、氧化銦鎵鋅或者其它單質(zhì)和/或化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。襯底102也可以包括適用于給定應(yīng)用的其它材料或者材料組合，例如各種電介質(zhì)、金屬和聚合物。襯底102可以進一步包括或者基本由例如玻璃構(gòu)成。根據(jù)至少一種實施例，襯底102可以是絕緣體上硅(SOI)載體。
[0028]根據(jù)各種實施例，可以通過使用各種沉積技術(shù)比如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積，以及各種形式的外延比如分子束外延和液相外延，在襯底102上形成氧化層104。氧化層104可以是適用于給定應(yīng)用和/或獲得期望特性的任何厚度。
[0029]根據(jù)各種實施例，氧化層104可以包括或者基本由各種半導(dǎo)體氧化物例如二氧化硅構(gòu)成。
[0030]根據(jù)各種實施例，可以通過使用各種沉積技術(shù)例如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積，以及各種形式的外延比如分子束外延，在氧化層104上形成金屬層106。金屬層106可以是適用于給定應(yīng)用和/或獲得期望特性的任何厚度。
[0031]根據(jù)各種實施例，所述霍爾效應(yīng)傳感器可以包括，如圖1B和圖1C所示，通過各種構(gòu)圖技術(shù)使金屬層106和石墨烯層108成形。例如,石墨烯層108可以通過光刻構(gòu)圖技術(shù)如圖1B和圖1C所示那樣形成。類似地，金屬層106可以通過各種刻蝕技術(shù)如圖1B和圖1C所示那樣形成，刻蝕技術(shù)例如各向同性氣相刻蝕、蒸汽刻蝕、濕法刻蝕、各向同性干法刻蝕、等尚子體刻蝕等。
[0032]根據(jù)各種實施例，金屬層106可以包括或者基本由各種金屬例如銅或者鎳構(gòu)成。可以根據(jù)各種實施例使用的一些其它金屬或者金屬合金包括:Ag、Al、Cu、N1、Sn、CuN1、CuAl和CnSn。金屬層106可以由任何適用于給定應(yīng)用的單質(zhì)金屬或者金屬合金形成。
[0033]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以包括氧化層104上方的構(gòu)圖層110，如圖1D至圖1F所示。在至少一種實施例中，構(gòu)圖層110可以是多晶硅層。該霍爾傳感器可以進一步包括通過構(gòu)圖工藝?yán)绻饪毯?或各種刻蝕技術(shù)，移除金屬層106的至少部分。在至少一種實施例中，如圖1E所示，該構(gòu)圖工藝可以使金屬層106成形使得形成接觸焊盤112并且石墨烯層108懸置于接觸焊盤112之間。
[0034]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以進一步包括，如圖1G和圖1H所示，將導(dǎo)線114連接到接觸焊盤112。在至少一種實施例中，該導(dǎo)線114可以被用于將接觸焊盤112電連接到其它結(jié)構(gòu)(未示出)。根據(jù)實施例，該導(dǎo)線114可以被用于將接觸焊盤112導(dǎo)線鍵合到所述其它結(jié)構(gòu)。
[0035]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以進一步包括，如圖1I所示，石墨烯層108可以被配置為各種幾何結(jié)構(gòu)，例如石墨烯層108可以是:八邊形或者大致是八邊形，三角形或者大致是三角形，四葉形或者大致是四葉形，或者圓形或者大致是圓形。類似地，取決于石墨烯層108的幾何結(jié)構(gòu)，可以更改接觸焊盤112的數(shù)目和相應(yīng)的導(dǎo)線114的數(shù)目，以適合于給定應(yīng)用。
[0036]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以如圖1G所示進一步包括減小應(yīng)力的安裝結(jié)構(gòu)116，該安裝結(jié)構(gòu)116被布置在石墨烯層108和接觸焊盤112之間。根據(jù)各種實施例，減小應(yīng)力的安裝結(jié)構(gòu)116可以形成于石墨烯層108的至少部分之外。
[0037]根據(jù)各種實施例，該霍爾傳感器可以如圖2A至圖2C所示進一步包括襯底202，其中外延層204被形成于該襯底202上,金屬層208形成于該外延層204上,石墨烯層210形成于該外延層204上，以及用構(gòu)圖層212覆蓋該外延層204。
[0038]根據(jù)各種實施例，該方法可以包括，如圖1A中的截面圖所示，提供襯底102，其中氧化層104形成于該襯底102上，金屬層106形成于該氧化層104上，以及石墨烯層108形成于該氧化層104上。
[0039]根據(jù)各種實施例，襯底102可以是半導(dǎo)體襯底，例如硅襯底。根據(jù)至少一種實施例，該襯底102可以包括或者基本由適用于給定應(yīng)用的材料，例如半導(dǎo)體材料比如鍺、鍺硅、碳化硅、氮化鎵、砷化鎵、銦、銦鎵氮、銦鎵砷、氧化銦鎵鋅或者其它單質(zhì)和/或化合物半導(dǎo)體構(gòu)成。襯底102也可以包括或者基本由其它材料或者材料組合，例如適用于給定應(yīng)用的各種電介質(zhì)、金屬和聚合物構(gòu)成。襯底102可以進一步包括或者基本由例如玻璃構(gòu)成。根據(jù)至少一種實施例，襯底102可以是絕緣體上硅(SOI)載體。
[0040]根據(jù)各種實施例，可以通過使用各種沉積技術(shù)比如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、電化學(xué)沉積，以及各種形式的外延比如分子束外延和液相外延，在襯底102上形成氧化層104。氧化層104可以是適用于給定應(yīng)用和/或者獲得期望特性的任何厚度。
[0041]根據(jù)各種實施例，氧化層104可以包括各種半導(dǎo)體氧化物例如二氧化硅，或者基本由各種半導(dǎo)體氧化物例如二氧化硅構(gòu)成。