專利名稱：用懸置石墨烯膜形成的納米器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體納米器件，更具體地說(shuō)，涉及通過(guò)將納米探針(nano-probe)或納米刀安裝于懸置石墨烯膜(suspended graphene membrane)上而構(gòu)造的半導(dǎo)體納米探針和納米刀器件。
背景技術(shù)：
納米探針和納米刀對(duì)于諸如醫(yī)學(xué)診斷、外科手術(shù)以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用非常有用并用作工業(yè)傳感器。典型地,納米探針/刀安裝于機(jī)電膜(electro-mechanical membrane)上。這些器件的機(jī)電膜典型地由金屬膜或經(jīng)蝕刻的硅層制成。為提高器件靈敏度，機(jī)電膜必須被制造為盡可能薄，這從結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)來(lái)看會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)橛山饘倌ず凸栊纬傻臋C(jī)電膜在被制造為較薄時(shí)會(huì)變得非常易碎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的方面包括半導(dǎo)體納米器件，例如納米探針和納米刀器件，這些器件使用懸置的石墨烯膜構(gòu)造。所述懸置的石墨烯膜用作機(jī)電膜，此機(jī)電膜可以被制造為非常薄，厚度為一個(gè)原子或數(shù)個(gè)原子的厚度，從而極大地提高了根據(jù)本發(fā)明的原理構(gòu)造的半導(dǎo)體納米探針和納米刀器件的靈敏度和可靠度。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，一種半導(dǎo)體器件包括底柵電極和被設(shè)置在所述底柵電極之上的第一絕緣層。所述第一絕緣層包括與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)的第一開(kāi)放腔。第二絕緣層被設(shè)置在所述第一絕緣層之上。所述第二絕緣層包括與所述第一開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)的第二開(kāi)放腔。石墨烯層被設(shè)置在所述第一和第二絕緣層之間，其中所述石墨烯層的一部分懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間。至少一個(gè)感測(cè)電極被設(shè)置在所述石墨烯層上并鄰近所述第一和第二開(kāi)放腔。細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)被安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的所述一部分上。頂柵電極被 設(shè)置在所述第二絕緣層之上。所述頂柵電極與所述底柵電極以及所述第一和第二開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)。所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)可以為納米刀結(jié)構(gòu)或納米探針結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一方面中，一種形成半導(dǎo)體器件的方法包括在襯底中形成底柵電極，在所述襯底之上形成覆蓋所述底柵電極的第一絕緣層，在所述第一絕緣層中蝕刻出第一腔，其中所述第一腔與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)，用第二絕緣材料層填充所述第一腔，使用所述第一絕緣層作為蝕刻停止層，對(duì)所述第二絕緣材料層進(jìn)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層，在所述石墨烯層上形成一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極，其中所述一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極被設(shè)置在所述石墨烯層上并鄰近所述第一腔，使第三絕緣層形成在所述石墨烯層之上并覆蓋所述一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極，在所述第三絕緣層中蝕刻出第二腔，其中所述第二腔與所述第一腔對(duì)準(zhǔn)，用第四絕緣材料層填充所述第二腔，對(duì)所述第四絕緣材料層進(jìn)行平面化并在所述第三絕緣層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絕緣層，在所述第五絕緣層之上形成頂柵電極，所述頂柵電極與所述第一和第二腔對(duì)準(zhǔn)，切割所述襯底以形成單獨(dú)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)，分別從所述第一和第二腔去除所述第二和第四絕緣材料層以形成第一和第二開(kāi)放腔，以及將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的部分上。在本發(fā)明的又一方面中，一種形成半導(dǎo)體器件的方法包括形成底柵電極，在所述底柵電極之上形成第一絕緣層，所述第一絕緣層包括與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)的第一開(kāi)放腔，在所述第一絕緣層之上形成石墨烯層，在所述石墨烯層上形成一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極，在所述石墨烯層之上形成第二絕緣層，所述第二絕緣層包括與所述第一腔對(duì)準(zhǔn)的第二開(kāi)放腔，在所述第二絕緣層之上形成頂柵電極，其中所述頂柵電極與所述第一和第二開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)，以及將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的部分上。當(dāng)結(jié)合附圖閱讀下面對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些和其他方面、特征和實(shí)施例將變得顯而易見(jiàn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的半導(dǎo)體納米器件的3D透視圖；以及圖 2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、21、2J、2K、2L、2M、2N、20 和 2P 示意性地示例出根據(jù)
本發(fā)明的方面在各制造階段構(gòu)造半導(dǎo)體納米器件的方法，其中:圖2A是摻雜半導(dǎo)體襯底的區(qū)域以形成第一柵電極之后在初始制造階段的半導(dǎo)體納米器件的橫截面圖；圖2B是在襯底之上形成第一絕緣層并在第一絕緣層上形成蝕刻掩膜之后圖2A的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2C是使用蝕刻掩膜在第一絕緣層中蝕刻出腔之后圖2B的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2D是沉積第二絕 緣材料層以填充腔之后圖2C的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2E是對(duì)結(jié)構(gòu)向下進(jìn)行平面化到第一絕緣材料層之后圖2D的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2F是在平面化表面上沉積石墨烯膜之后圖2E的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2G是在石墨烯膜上形成感測(cè)電極之后圖2F的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2H是在石墨烯膜和感測(cè)電極之上形成第三絕緣材料層之后圖2G的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖21是在第三絕緣材料層中蝕刻出與形成于第一絕緣層中的下伏腔(underlying cavity)對(duì)準(zhǔn)的腔之后圖2H的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2J是沉積第四絕緣材料層以填充形成于第三絕緣材料層中的腔之后圖21的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2K是對(duì)襯底表面向下進(jìn)行平面化到第三絕緣材料層之后圖2J的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2L是在平面化表面之上沉積第五絕緣材料層之后圖2K的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2M是在第五絕緣材料層的頂上形成與形成于襯底中的底柵電極對(duì)準(zhǔn)的頂柵電極之后圖2L的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖2N是蝕刻第五和第三絕緣材料層的一部分以在頂柵電極的任意側(cè)(eitherside)暴露感測(cè)電極之后圖2M的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；圖20是切割襯底以形成單獨(dú)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)并從下腔去除第二犧牲絕緣材料層、從上腔去除第四犧牲絕緣材料層之后圖2N的結(jié)構(gòu)的橫截面圖；以及
圖2P是將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)安裝在上下腔之間的石墨烯膜的表面上之后圖20的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將參考諸如納米探針和納米刀器件的半導(dǎo)體納米器件進(jìn)一步詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，這些納米器件使用由石墨烯制成的機(jī)電膜構(gòu)造。例如，圖1是根據(jù)本發(fā)明的方面的半導(dǎo)體納米器件的3D透視圖。一般而言，半導(dǎo)體納米器件100包括體(bulk)襯底110、通過(guò)摻雜襯底100的區(qū)域形成的第一柵電極115 (或底柵電極)、具有第一腔125 (或下腔)的第一絕緣層120、石墨烯膜130、具有第二腔155 (或上腔)的第二絕緣層150、第一感測(cè)電極140、第二感測(cè)電極142 (其中第二感測(cè)電極是可選的)、第二柵電極160 (或頂柵電極)和安裝于石墨烯膜130的懸置在第一和第二絕緣層120和150各自的第一和第二腔125和155之間的區(qū)域上的細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)170。如圖1所示，第一柵電極115、第一腔125、第二腔155和第二柵電極160彼此對(duì)準(zhǔn)。應(yīng)理解，當(dāng)將不同層上的兩個(gè)不同元件描述為彼此“對(duì)準(zhǔn)”時(shí)，術(shù)語(yǔ)“對(duì)準(zhǔn)”例如表示這兩個(gè)不同的元件在不同層上彼此至少部分地重疊或完全重疊。下面將參考圖2A-2P進(jìn)一步詳細(xì)地討論用于制造諸如圖1所示的半導(dǎo)體納米器件的示例性方法和材料。應(yīng)理解，圖1的半導(dǎo)體納米器件100可用于許多應(yīng)用。例如，在本發(fā)明的一個(gè)方面，半導(dǎo)體納米器件100可以是半導(dǎo)體納米探針器件，其中細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)170為由導(dǎo)電材料(例如硅、金屬、碳納米管等)制成的納米探針，用于測(cè)量目標(biāo)設(shè)備上的某一點(diǎn)處的電位。在本發(fā)明的另一方面，半導(dǎo)體納米器件100可以為半導(dǎo)體納米刀器件，其中細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)170為具有由金屬、娃或碳納米管材料制成的尖頭(sharp tip)的納米刀,可以使所述納米刀上下移動(dòng)并切割目標(biāo)樣本。一般而言，根據(jù)本發(fā)明的原理的半導(dǎo)體納米探針或納米刀器件通過(guò)對(duì)底柵電極115和/或頂柵電極160施加電壓以使石墨烯膜130的被設(shè)置在下腔125和上腔155之間的部分朝著底柵電極115或頂柵電極160上下移動(dòng)來(lái)執(zhí)行操作。在此方面，石墨烯膜130提供所需的機(jī)電特性。具 體而言，石墨烯膜130具有導(dǎo)電性，從而石墨烯膜130的(被設(shè)置在腔125和155之間的)自由部分將被吸引到對(duì)頂柵電極160和底柵電極115施加的電壓。而且，對(duì)于機(jī)電特性，可以使石墨烯膜130具有一個(gè)原子層那么小的厚度，同時(shí)提供必要的強(qiáng)度，以便在半導(dǎo)體納米器件100的連續(xù)操作期間耐受被上下彎曲(flex)。實(shí)際上，已知石墨烯的斷裂強(qiáng)度是鋼的斷裂強(qiáng)度的200倍。如上所述，在一個(gè)示例性操作模式中，半導(dǎo)體納米器件100可作為納米刀操作。在此操作模式中，第一和/或第二感測(cè)電極140和142可被連接到地電壓(例如，Vs=0)。可對(duì)頂柵電極160施加電壓,這在石墨烯膜130上誘發(fā)像電荷(image charge),從而使石墨烯膜130的被設(shè)置在腔155/125之間的部分受到吸引并被拉向頂柵電極160。在該例子中，安裝在石墨烯膜130上的細(xì)長(zhǎng)納米刀170也將向上移動(dòng)。然后可將樣本放在納米刀的尖頭下，然后從頂柵電極160去除電壓，并向底柵電極115施加電壓以使納米刀在石墨烯膜130被電吸引到底柵電極115的情況下向下移動(dòng)。以這種方式，通過(guò)協(xié)力掃描對(duì)底柵電極115和頂柵電極160施加的電壓，納米刀可因石墨烯膜130的上下彎曲而上下移動(dòng)。在另一示例性操作模式中，半導(dǎo)體納米器件100可作為納米探針操作。在此操作模式中，細(xì)長(zhǎng)納米探針170的尖頭被放置為與目標(biāo)樣本上的某個(gè)點(diǎn)接觸，并且調(diào)節(jié)感測(cè)端子上的電位以使流到感測(cè)端子的電流為O (Is=0)。在該條件下，施加到感測(cè)端子的電壓等于樣本在接觸點(diǎn)處的電位。通過(guò)這種方式，可檢測(cè)樣本在該點(diǎn)處的電位。為了測(cè)繪(map)樣本的其他點(diǎn)上的電位，可通過(guò)施加頂柵電壓或底柵電壓來(lái)向上或向下掃描納米探針并使用上述方法測(cè)量電位。圖 2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、21、2J、2K、2L、2M、2N、20 和 2P 示意性地示例出根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施例構(gòu)造半導(dǎo)體納米器件的方法。具體而言，圖2A、2B、2C、2D、2E、2F、2G、2H、21、2J、2K、2L、2M、2N、20和2P是圖1中的半導(dǎo)體納米器件100的一部分在各制造階段的橫截面圖。首先參考圖2A，示出了摻雜半導(dǎo)體襯底100的某個(gè)區(qū)域而形成底柵電極115之后在初始制造階段的半導(dǎo)體納米器件100的橫截面圖。襯底110可以是硅襯底、SOI (絕緣體上硅)襯底或用任何其他類型的襯底材料形成的襯底、或者在VLSI制造方法中常用的多個(gè)襯底材料層?？梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)的光刻和注入摻雜技術(shù)以注入諸如硼、磷或銻的摻雜劑或注入用于在硅襯底中形成高導(dǎo)電性P摻雜或η摻雜區(qū)域(用作第一(底)柵電極115)的其他類型摻雜劑，來(lái)形成底柵電極115。圖2Β是在襯底110之上形成第一絕緣層120并在第一絕緣層120上形成蝕刻掩膜200之后圖2Α的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。蝕刻掩膜200可以是使用公知的光刻方法形成的光致抗蝕劑掩膜。蝕刻掩膜200包括開(kāi)口 202，此開(kāi)口與第一柵電極115對(duì)準(zhǔn)，用于限定隨后在第一絕緣層120中蝕刻出的與第一柵電極115對(duì)準(zhǔn)的腔。第一絕緣層120可以使用在VLSI制造中常用的諸如氧化物和氮化物的各種類型的介電或絕緣材料形成，這些材料包括但不限于氮化硅、氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或這些材料的組合。第一絕緣層120可以使用公知的沉積技術(shù)形成。在優(yōu)選實(shí)施例中，第一絕緣層120的厚度在約0.20um至約10.0um的范圍內(nèi)。圖2C是使用蝕刻掩膜200在第一絕緣層120中蝕刻出腔125之后圖2B的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在此處理中，可使用諸如RIE (反應(yīng)離子蝕刻)的各向異性干法蝕刻工藝蝕刻第一絕緣層120的通過(guò)蝕刻掩膜 200的開(kāi)口 202暴露出的部分，從而形成腔125。用于蝕刻第一絕緣層120的蝕刻技術(shù)和環(huán)境將根據(jù)用于形成第一絕緣層120的材料而變化。腔125可被形成為具有在約0.1Oum至約4.0um的范圍內(nèi)的寬度并可被蝕刻到約0.05um至約3.0um的范圍內(nèi)的深度。圖2D是沉積第二絕緣材料層127以填充腔125并覆蓋第一絕緣材料層120之后圖2C的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在此處理中，第二絕緣材料層127用作暫時(shí)填充腔125的犧牲材料并提供這樣的表面:在該表面上沉積石墨烯層。在優(yōu)選實(shí)施例中，使用具有對(duì)形成第一絕緣材料層120的材料的高蝕刻選擇性的任何介電或絕緣材料形成第二絕緣材料層127。例如，第二絕緣材料層可以通過(guò)使用公知的沉積技術(shù)沉積氧化硅來(lái)形成。圖2E是將結(jié)構(gòu)向下平面化到第一絕緣材料層120之后圖2D的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。如圖2E所示，對(duì)表面進(jìn)行平面化以去除第二絕緣材料層127的位于第一絕緣材料層120的頂上的那部分。平面化工藝可以使用任何合適的CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)工藝實(shí)現(xiàn)，以使用第一絕緣材料層120 (例如，氮化硅)作為CMP工藝的蝕刻停止層，向下拋光第二絕緣材料層127 (例如，氧化硅)。如圖2E所示，CMP工藝的結(jié)果是平面化的表面，其中第二絕緣材料層127的剩余部分填充形成于第一絕緣材料層120中的腔125。
圖2F是在包括第一絕緣層120和第二絕緣層127的平面化表面之上沉積石墨烯膜130之后圖2E的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，石墨烯膜130在單獨(dú)的基底上形成并使用適合于給定應(yīng)用的任何公知技術(shù)而被轉(zhuǎn)移到平面化表面上。例如，在一種標(biāo)準(zhǔn)方法中，可在銅箔上通過(guò)化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)石墨烯薄膜。然后將聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)薄膜旋涂到石墨烯表面上。然后將PMMA/石墨烯/銅疊層浸入銅蝕刻劑中以去除銅。PMMA/石墨烯膜然后可被轉(zhuǎn)移到目標(biāo)襯底。接著可以使用丙酮去除PMMA。該處理的結(jié)果是在平面化表面上形成石墨烯膜130,從而石墨烯膜130將通過(guò)范德瓦斯(Van der Waals)相互作用力而充分附到平面化表面上。圖2G是在石墨烯膜130上形成感測(cè)電極140/142之后圖2F的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。感測(cè)電極140/412可由導(dǎo)電材料形成，所述導(dǎo)電材料包括但不限于鈦、鈀、金、鋁、多晶硅、TiN、TaN、鎢或此類材料中的一種或多種的疊層。例如，感測(cè)電極140/142可用Ti的第一籽晶層(約Inm厚)、Pd的第二層(約20-30nm厚)和金的第三層形成。籽晶層由Ti或在石墨烯層130上具有良好附著性的任何合適材料形成。第二層由用于與石墨烯層130的功函數(shù)匹配的諸如Pd的任何合適材料形成。優(yōu)選地，感測(cè)電極140、142的總體厚度在約0.03um至約2.0um的范圍內(nèi)。感測(cè)電極可使用諸如電子束、濺射、化學(xué)氣相沉積等的任何公知技術(shù)而被沉積，然后通過(guò)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)或“剝離”工藝而被構(gòu)圖。圖2H是在石墨烯膜130和感測(cè)電極140、142之上形成第三絕緣材料層151之后圖2G的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。第三絕緣材料層151可以是任何合適的介電或絕緣材料，例如氮化硅、氧化硅、氧化鉿、氧化鋯、氧化鋁、氮化鋁、氮化硼或這樣的材料的組合。在優(yōu)選實(shí)施例中，第三絕緣材料層151由氮化硅形成，因?yàn)榈杩梢赃m當(dāng)?shù)馗街绞┠?30的疏水性表面上。圖21是在第三絕緣材料層151中蝕刻腔152之后圖2H的結(jié)構(gòu)的橫截面圖，其中腔152與第一絕緣層120中的下伏腔125 (其被犧牲材料127填充)對(duì)準(zhǔn)。腔152可以使用上面針對(duì)形成下伏腔125討論的標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)形成。例如，首先在第三絕緣材料層151之上形成具有開(kāi)口的蝕刻掩膜，所述開(kāi)口限定與下伏腔125的寬度對(duì)準(zhǔn)的腔152的寬度。然后執(zhí)行蝕刻工藝以蝕刻第三絕緣材料層151的通過(guò)蝕刻掩膜中的限定的開(kāi)口而暴露出的部分，從而形成腔152。 圖2J是沉積第四絕緣材料層153以填充腔152并覆蓋第三絕緣材料層151之后圖21的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在此處理中，第四絕緣材料層153用作暫時(shí)填充腔152的材料并提供這樣的表面:在該表面上形成第五絕緣材料層。在優(yōu)選實(shí)施例中，第四絕緣材料層153用具有對(duì)形成第三絕緣材料層151的材料的高蝕刻選擇性的任何介電或絕緣材料形成。例如，第四絕緣材料層153可以通過(guò)使用公知的沉積技術(shù)沉積氧化硅來(lái)形成。圖2K是將結(jié)構(gòu)向下平面化到第三絕緣材料層151之后圖2J的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。如圖2K所示，對(duì)襯底表面進(jìn)行平面化以去除第四絕緣材料層153的位于第三絕緣材料層151的頂上的部分。平面化工藝可以使用任何合適的CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)工藝實(shí)現(xiàn)，以使用第三絕緣材料層151 (例如，氮化硅)作為CMP工藝的蝕刻停止層，向下拋光第四絕緣材料層153 (例如，氧化硅)。如圖2K所示，CMP工藝的結(jié)果是平面化的表面，其中第四絕緣材料層153的剩余部分填充腔152。圖2L是在平面化的襯底表面之上沉積第五絕緣材料層154之后圖2K的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在優(yōu)選實(shí)施例中，第五絕緣材料層154優(yōu)選地是與形成第三絕緣材料層151相同或相似的材料。例如，絕緣材料層151和絕緣材料層154 二者都可以由氮化娃形成。在優(yōu)選實(shí)施例中，第五絕緣材料層154由具有對(duì)于填充腔152的犧牲絕緣材料152的蝕刻選擇性的介電或絕緣材料形成，從而可以對(duì)形成第三絕緣材料層151和第五絕緣材料層154的材料選擇性地蝕刻腔152內(nèi)的犧牲絕緣材料153。圖2M是在第五絕緣材料層154的頂上形成頂柵電極160之后圖2L的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。頂柵電極160可以由導(dǎo)電材料形成，所述導(dǎo)電材料包括但不限于鈦、鈀、金、鋁、多晶硅、TiN, TaN、鎢或此類材料中的一種或多種的疊層。第二柵電極160的總體厚度在約0.03um至約2.0um的范圍內(nèi)。頂柵電極160可使用諸如沉積一個(gè)或多個(gè)金屬材料層以及執(zhí)行用于限定并形成頂柵電極160的各向異性蝕刻工藝或“剝離”工藝的任何公知技術(shù)形成。如圖2M所示，頂柵電極160被形成為與被填充的腔153和127以及形成于襯底110中的底柵電極115對(duì)準(zhǔn)。圖2N是蝕刻第五絕緣材料層154和第三絕緣材料層151的部分以在頂柵電極160的任意側(cè)(either side)暴露感測(cè)電極140/142之后圖2M的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如下執(zhí)行此處理:在襯底表面之上形成具有開(kāi)口的蝕刻掩膜，所述開(kāi)口暴露出第五絕緣材料層154和第三絕緣材料層151的形成于第一感測(cè)電極140和第二感測(cè)電極142之上的那些部分，然后執(zhí)行蝕刻工藝，以將第五絕緣材料層154和第三絕緣材料層151的暴露部分向下去除到第一感測(cè)電極140和第二感測(cè)電極142的頂部。如圖2M所示，經(jīng)蝕刻的第五絕緣材料層154和第三絕緣材料層151的剩余部分形成絕緣層150的結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。圖20是切割襯底以形成單獨(dú)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)并從下腔125去除第二絕緣材料層127的剩余部分且從上腔152去除第四絕緣材料層153的剩余部分之后圖2N的結(jié)構(gòu)的橫截面圖。如圖20所示，去除腔125中的犧牲絕緣材料127導(dǎo)致開(kāi)放的下腔125，該開(kāi)放的下腔125具有由石墨烯膜130限定的頂表面、由第一絕緣材料層120限定的底表面和側(cè)壁表面。如圖20所示，去除腔1 52中的犧牲絕緣材料153導(dǎo)致開(kāi)放的上腔155，該開(kāi)放的上腔155具有分別由第五絕緣材料層154和石墨烯膜130限定的頂表面和底表面、由第三絕緣材料層151限定的側(cè)壁表面。所述腔可被形成為具有在約0.1Oum至約4.0um的范圍內(nèi)的寬度并可被蝕刻到在約0.05um至約3.0um的范圍內(nèi)的深度。圖2P是將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)170安裝在位于開(kāi)放的上腔155和開(kāi)放的下腔125之間的石墨烯膜130的表面上之后圖20的橫截面圖。如上所述，細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)170可以是由諸如硅、金屬、碳納米管等的材料形成的納米刀或納米探針結(jié)構(gòu)。石墨烯130的表面涂有諸如聚合物的保護(hù)層。應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于在此示出和描述的特定材料、特征和處理步驟。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，對(duì)示例性實(shí)施例的修改將變得顯而易見(jiàn)。還應(yīng)該理解，附圖所示的各層和/或各區(qū)域并非按比例繪制，并且，為了易于說(shuō)明，可能沒(méi)有在給定的圖中明確地示出在此類集成電路中常用的類型的一個(gè)或多個(gè)半導(dǎo)體層和/或區(qū)域。特別是對(duì)于處理步驟，需要強(qiáng)調(diào)的是，在此提供的描述并非旨在包含形成功能集成半導(dǎo)體納米器件所需的所有處理步驟。而是，為了簡(jiǎn)化說(shuō)明，此處有目的地未描述在形成半導(dǎo)體器件時(shí)常用的特定處理步驟，例如，濕法清潔步驟和退火步驟。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員容易認(rèn)識(shí)到從這些概括說(shuō)明中省略了的那些處理步驟。盡管在此參考附圖描述了本發(fā)明的示例性實(shí)施例，但是應(yīng)該理解，本發(fā)明并不限于這些精確的實(shí)施例，并且，在不偏離所附權(quán)利要求的范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在此做出各種其他改變和 修改。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括: 底柵電極； 第一絕緣層，其被設(shè)置在所述底柵電極之上，所述第一絕緣層包括與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)的第一開(kāi)放腔； 第二絕緣層，其被設(shè)置在所述第一絕緣層之上，所述第二絕緣層包括與所述第一開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)的第二開(kāi)放腔； 石墨烯層，其被設(shè)置在所述第一和第二絕緣層之間，其中所述石墨烯層的一部分懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間； 至少一個(gè)感測(cè)電極，其被設(shè)置在所述石墨烯層上并鄰近所述第一和第二開(kāi)放腔；細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)，其被安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的所述一部分上；以及 頂柵電極，其被設(shè)置在所述第二絕緣層之上，所述頂柵電極與所述底柵電極以及所述第一和第二開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述底柵電極是在半導(dǎo)體襯底中形成的導(dǎo)電摻雜區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米刀結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米探針結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述至少一個(gè)感測(cè)電極包括與所述石墨烯層接觸的第一感測(cè)電極和第二感測(cè)電極，其中所述第一和第二感測(cè)電極被設(shè)置在所述第一和第二開(kāi)放腔的相反側(cè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述第一和第二腔具有范圍為約0.1Oum至約4.0um的寬度和范圍為約0.05um至約3.0um的深度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由硅形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由金屬材料形成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由碳納米管結(jié)構(gòu)形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的半導(dǎo)體器件，其中所述底柵電極、所述第一開(kāi)放腔、所述第二開(kāi)放腔和所述頂柵電極彼此至少部分地重疊。
11.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括: 在襯底中形成底柵電極； 在所述襯底之上形成覆蓋所述底柵電極的第一絕緣層； 在所述第一絕緣層中蝕刻出第一腔，其中所述第一腔與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)； 用第二絕緣材料層填充所述第一腔； 使用所述第一絕緣層作為蝕刻停止層，對(duì)所述第二絕緣材料層進(jìn)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層； 在所述石墨烯層上形成一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極，其中所述一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極被設(shè)置在所述石墨烯層上并鄰近所述第一腔； 使第三絕緣層形成在所述石墨烯層之上并覆蓋所述一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極； 在所述第三絕緣層中蝕刻出第二腔，其中所述第二腔與所述第一腔對(duì)準(zhǔn)；用第四絕緣材料層填充所述第二腔； 對(duì)所述第四絕緣材料層進(jìn)行平面化并在所述第三絕緣層上停止，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絕緣層； 在所述第五絕緣層之上形成頂柵電極，所述頂柵電極與所述第一和第二腔對(duì)準(zhǔn)； 切割所述襯底以形成單獨(dú)的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)； 分別從所述第一和第二腔去除所述第二和第四絕緣材料層，以形成第一和第二開(kāi)放腔；以及 將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的部分上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中形成所述底柵電極包括在半導(dǎo)體襯底中形成摻雜區(qū)域，其中所述摻雜區(qū)域用作所述底柵電極。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米刀結(jié)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米探針結(jié)構(gòu)。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由硅形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由金屬材料形成。
17.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)由碳納米管結(jié)構(gòu)形成。
18.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中形成石墨烯層包括從這樣的基底轉(zhuǎn)移石墨烯膜:所述石墨稀I吳生長(zhǎng)在該基底上。
19.一種形成半導(dǎo)體器件的方法，包括: 形成底柵電極； 在所述底柵電極之上形成第一絕緣層，所述第一絕緣層包括與所述底柵電極對(duì)準(zhǔn)的第一開(kāi)放腔； 在所述第一絕緣層之上形成石墨烯層； 在所述石墨烯層上形成一個(gè)或多個(gè)感測(cè)電極； 在所述石墨烯層之上形成第二絕緣層，所述第二絕緣層包括與所述第一腔對(duì)準(zhǔn)的第二開(kāi)放腔； 在所述第二絕緣層之上形成頂柵電極，其中所述頂柵電極與所述第一和第二開(kāi)放腔對(duì)準(zhǔn)；以及 將細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)安裝到所述石墨烯層的懸置在所述第一和第二開(kāi)放腔之間的部分上。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米刀結(jié)構(gòu)。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其 中所述細(xì)長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)為納米探針結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用懸置石墨烯膜形成的納米器件。使用在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的開(kāi)放腔之間懸置的石墨烯膜構(gòu)造諸如納米探針和納米刀器件的半導(dǎo)體納米器件。所述懸置的石墨烯膜用作機(jī)電膜，所述機(jī)電膜可被制造為非常薄，厚度為一個(gè)原子或數(shù)個(gè)原子的厚度，從而極大地提高了半導(dǎo)體納米探針和納米刀器件的靈敏度和可靠度。
文檔編號(hào)H01L29/06GK103227203SQ20131003030
公開(kāi)日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月27日
發(fā)明者朱文娟 申請(qǐng)人:國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司