基于石墨烯的器件的制造技术

专利名称：基于石墨烯的器件的制造技术
方法
技术领域：
本发明的实施方式涉及基于石墨烯的器件的制造。具体而言，涉及基于石墨烯的电子设备或电路的制造和/或用于制造基于石墨烯的电子设备或电路的结构的制造。
背景技术：
电子设备和集成电路极其普通。使用基于硅的电子设备和集成电路是常见实践，因为用于生产基于硅的电子设备或电路的大规模制造技术在过去数十年持续发展。与硅相比，石墨烯具有潜在非常高的迁移率。因此希望大规模生产使用石墨烯而不是硅作为电流通道的电子设备或集成电路。但是，不可能将用于大规模生产基于硅的电子设备或电路的可升级大规模制造技术重新用于大规模生产基于石墨烯的电子设备或电路

发明内容
根据本发明的各种但无需全部实施方式，提供了一种器件，包括叠层结构，包括具有平坦表面的第一衬底；与该第一衬底的该平坦表面相邻的平坦第一石墨烯层；与该平坦第一石墨烯层相邻的平坦第二石墨烯层；以及 具有与该平坦第二石墨烯层相邻的平坦表面的第二衬底。根据本发明的各种但无需全部实施方式，提供了一种方法，包括在第一衬底上形成包括第一石墨烯层的第一组件；形成第二组件，包括在牺牲衬底上形成第二石墨烯层；在该第二石墨烯层上形成第二衬底；以及去除该牺牲衬底；以及接合所述第一组件和该第二组件，使得该第一衬底和该第二衬底在结果结构的相对的外表面上。根据本发明的各种但无需全部实施方式，提供了一种器件，包括叠层结构，包括具有平坦上表面的衬底；叠加在该衬底的该平坦上表面上并且包括至少一个图案化电极的平坦下图案化层；叠加在该平坦下图案化层上的平坦下石墨烯层；叠加在该平坦下石墨烯层上的平坦上石墨烯层；以及叠加在该平坦上石墨烯层上并且包括至少一个图案化电极的平坦上图案化层。根据本发明的各种但无需全部实施方式，提供了一种方法，包括
去除第一衬底以从叠层结构暴露第一石墨烯层，该叠层结构包括第一衬底；第一石墨烯层和第二石墨烯层，其中该第一石墨烯层与该第一衬底相邻；以及与该第二石墨烯层相邻的第二衬底；形成与第一石墨烯层相邻的第一图案化层；提供与该第一图案化层相邻的第三衬底；去除该第二衬底；
形成与该第二石墨烯层相邻的第二图案化层。


为了更好地理解本发明的实施方式的各种实例，现在仅通过实例的方式参考附图，其中图IA到图ID示意性地示出了制造可以作为电子器件或集成电路制造中的中间结构的器件的操作；图2A到图2E示意性地示出了从该中间结构开始制造该电子器件的操作；图3示意性地示出了在第一石墨烯层与第二石墨烯成之间插入电介质层的一个示例性实施方式；图4示意性地示出了环形振荡器的实例；以及图5示意性地示出了逆变器的实例。
具体实施例方式图1A、图1B、图IC和图ID示意性地示出了制造可以作为电子器件72的制造(图2E)中的中间结构的器件70的操作。电子器件72可以是集成电路。图IA示出了在第一衬底10上形成包括第一石墨烯层20的第一组件5。第一衬底10是用于形成第一石墨烯层20的牺牲衬底。第一衬底10出现在器件70的最终结构中但是随后在电子器件72的制造期间被去除(图2B)。第一衬底10可以是例如可以在其上形成石墨烯的任意合适的衬底。其可以是水晶或分子结构。其可以是金属例如铜箔或镍箔或铱箔。第一石墨烯层20可以是单层或者包括少数石墨烯层。可以不掺杂或者可替换地可以利用P型或η型掺杂剂来掺杂第一石墨烯层20。也可以“图案化”地完成该掺杂，其中，将第一石墨烯层20的一些部分用P型掺杂剂并且将其他部分用η型掺杂剂。第一石墨烯层20具有暴露的平坦表面50。图IB和图IC示出了在第二衬底12上形成包括第二石墨烯层21的第二组件7。在图IB处，在牺牲衬底30上形成第二石墨烯层21。然后在第二石墨烯层21上形成第二衬底12。牺牲衬底30用于形成第二石墨烯层21并且随后将在器件70的制造期间被去除(图1C)。牺牲衬底30可以是例如可以在其上形成石墨烯的任意合适的衬底。其可以是水晶或分子结构。其可以是金属例如铜箔或镍箔或铱箔。第二石墨烯层21可以是单层或者包括少数石墨烯层。可以不掺杂或者可替换地可以利用P型或η型掺杂剂来掺杂第二石墨烯层21。也可以“图案化”地完成该掺杂，其中将第二石墨烯层21的一些部分用P型掺杂并且将其他部分用η型掺杂。第二衬底12是出现在器件70的最终结构中的迁移衬底。其随后在电子器件72的制造期间(图2D)至少用于至少第一石墨烯层和第二石墨烯层的组合到第三衬底23的翻转迁移，其继而被去除。第二衬底12可以是可去除的支撑聚合体。在图IC处，去除牺牲衬底30以形成暴露第二石墨烯层21的平坦表面51的第二组件7。例如，如果牺牲衬底30是铜则通过蚀刻来去除。在图ID处，接合第一组件5和第二组件7，使得第一衬底10和第二衬底12在结果结构70的相对外表面上。从而第一组件5的第一石墨烯层20和第二组件7的第二石墨烯层21相互接触并且紧压在一起。这些石墨烯层由于范德瓦尔斯力而粘合。通过在各石墨烯层上使用丙酮液滴或其他液体并且在接合石墨烯层之前使它们干燥，可以改善层之间的粘合。可以使用加热和冷却来改善粘合。
在所示实例中，第一石墨烯层20直接接触第二石墨烯层21。但是，在其他实施方式中，如图3中所示，电介质层25可以插入到第一石墨烯层20与第二石墨烯层21之间。由于与第二石墨烯层21独立地形成第一石墨烯层20，所以这些层可以具有任意的叠层次序。石墨烯层之间的特定的叠层次序是可选择的并且不对此做要求。第一石墨烯层20和第二石墨烯层21的点阵可以旋转并且移动随机的角度和位移，在石墨烯多层中这不是必须的。所示的结果器件70是叠层结构71，其包括具有平坦表面2的第一衬底10 ;与第一衬底10的平坦表面2相邻并且接触的平坦第一石墨烯层20 ;与平坦第一石墨烯层20相邻(并且可选择地接触)的平坦第二石墨烯层21 ;以及具有与平坦第二石墨烯层21相邻并且接触的平坦表面3的第二衬底12。平坦层以及各层之间的平面界面是制造过程的产物。图2Α到图2Ε示意性地示出了使用器件70作为如图2Α所示的开始结构来制造电子器件72的操作。在该实例中，器件72是集成晶体管设备。图2Α中所示的器件70与图ID中所示的器件相同。它是按次序叠层的结构71，其依次包括第一衬底10 ;平坦第一石墨烯层20 ;第二石墨烯层21以及第二衬底12。图2Β示出了去除第一衬底10以暴露具有平坦表面52的第一石墨烯层20。如果第一衬底是铜则可以通过蚀刻来去除。图2C示出了形成与第一石墨烯层20相邻并且接触的平坦第一图案化层22。第一图案化层22包括与第一石墨烯层20相关联的图案化栅极43、45，图案化栅极43,45与第一石墨烯层20之间的各自的电介质层42、44以及源极/漏极40。可以在电介质的选择性沉积以形成栅极电介质42、44以及传导材料的选择性沉积以形成底栅极43、45和源极/漏极40之前图案化石墨烯层20、21。图案化底栅极43、45中的每一个对于一个电子设备(传导通道)而言是本地的并且不是在全部集成电子设备/通道之间共用或共享的。第一图案化层22是具有与第一石墨烯层20的平坦表面52相邻的平坦表面和平坦暴露表面53的平面层。图2D示出了提供的与第一图案化层22相邻并且接触的下一个第三衬底23。然后翻转该结构，使得第三衬底23变成支撑基底。然后去除第二衬底12，暴露第二石墨烯层21的平坦表面55。图2E示出了形成与第二石墨烯层21相邻并且接触的平坦第二图案化层24。第二图案化层24包括与第二石墨烯层21相关联的图案化栅极63、65，图案化栅极63,65与第二石墨烯层21之间的各自的电介质层62、64以及源极/漏极60。电极、栅极和电介质层可以或可以不与第一图案化层22具有相同的形状并且处于相同的位置。可以使用电介质的选择性沉积来形成栅极电介质62、64并且可以使用传导材料的选择性沉积来形成顶栅极63、65和源极/漏极60。栅极电介质62、64可以小于IOnm厚。它们可以比底栅极的栅极电介质42、44更薄并且/或者可以具有更高的介电常数，或者它们可以与栅极电介质42、44相似以维持顶晶体管与底晶体管之间的对称性。图案化顶栅极63、65中的每一个对于一个或多个集成电子设备(传导通道)的每一个而言是本地的并且不是在全部集成电子设备(通道)之间共用或共享的。 第二图案化层24在该实例中是具有与第二石墨烯层21的平坦表面55相邻的平坦表面以及平坦暴露表面54的平面层。结果结构是器件72，其包括按次序叠层的结构74，其依次包括具有平坦上表面55的衬底23 ；叠加在衬底23的平坦上表面55上并且包括至少一个图案化电极40、43、45的平坦下图案化层22 ；叠加在平坦下图案化层22上的平坦下石墨烯层20 ；叠加在平坦下石墨烯层20上的平坦上石墨烯层21 ;以及叠加在平坦上石墨烯层21上并且包括至少一个图案化电极60、63、65的平坦上图案化层24。平坦层以及各层之间的平面界面是制造过程的产物。在一些实施方式中，可以蚀刻穿透石墨烯层，使得在最终结构中至少一些源极/漏极60与至少一些底层源极/漏极40电接触。就是说，对于下图案化层22和上图案化层24存在共用的源极/漏极。可以使用结构72作为第一场效应设备，其具有通过向栅极45、63施加电压来控制的两个平行的通道20、21，该第一场效应设备与第二场效应设备串联，该第二场效应设备具有通过向栅极43、65施加电压来控制的两个平行的通道20、21。栅极63、65、43、45可以被配置为独立控制。可选择地，它们可以被配置为依从控制。例如，可以将栅极63、45互相连接，使得向两个栅极施加相同的输入电压Vin。在该实例中，可以有差别地掺杂各石墨烯层(层内差别掺杂)。可以用与由第一石墨烯层20提供的下通道的掺杂相反的类型(η或P)来掺杂由第二石墨烯层21提供的上通道。例如可以将栅极63、45互相连接，使得向两个栅极施加相反的输入电压。在该实例中，可以相似地掺杂石墨烯层可以用与由第一石墨烯层20提供的下通道的掺杂相同的类型(η或P)来掺杂由第二石墨烯层21提供的上通道。第一场效应设备和第二场效应设备可以被配置为对抗逆变器操作。在该配置中，第一石墨烯层20的掺杂在第一设备与第二设备之间改变，并且第二石墨烯层21的掺杂在第一设备与第二设备之间改变(层间差别掺杂)。可以将栅极63、65相互连接,使得向两个栅极63、65施加相同的输入电压Vin。可以将栅极43、45相互连接,使得向两个栅极63、65施加相同的输入电压,如果第一石墨烯层和第二石墨烯层被相似地掺杂则该输入电压与输入电压Vin相同，并且如果第一石墨烯层和第二石墨烯层被相反地掺杂则该输入电压与输入电压Vin不同。图5示意性地显示了逆变器81的一个实例。该逆变器包括第一晶体管91和第二晶体管92的串联组合。如参考图1A-1D和图2A-2E所述，可以将第一晶体管和第二晶体管形成为具有共用衬底23的集成电路。在该实例中，将顶栅极63、65相互连接，使得向两个顶栅极施加共用的输入电压Vin0在该实例中，第一晶体管91被配置为作为开/关晶体管来操作，并且第二晶体管92被配置为作为关/开晶体管来操作。当输入电压是Vl时，第一晶体管91打开并且第二晶体管92关闭。当输入电压是V2时，第一晶体管91关闭并且第二晶体管92打开。可以例如通过如下来实现第一晶体管91和第二晶体管92的对抗操作在第一晶体管91与第二晶体管92之间使用可以影响石墨烯层20、21中的一个或多个的差别通道掺杂，和/或向后栅极43、45施加不同的电压。图4示意性地示出了包括多个逆变器的环形振荡器的实例。在该实例中，将7个逆变器81串联成环路。提供每个逆变器81的输出作为到该串联中的下一个逆变器的输入。该串联中最后一个逆变器的输出不仅被提供作为该串联中的第一个逆变器81的输入而且还被提供作为到包括两个串联逆变器82的缓冲器82的输出信号。可以将逆变器81的串 联集成到单个电路中，使得它们共享共用衬底23。器件72是一个模块。如本文所使用的，“模块”涉及单元或器件，不排除可能由最终制造商或用户增加的某些部分/组件。附图中所示的方框可以表示方法中的操作。对于方框的具体次序的说明并不必然暗示对于这些方框存在要求的或优选的次序，并且可以改变方框的次序和布置。此外，有可能省略一些操作。虽然在前文的段落中参考各种实例描述了本发明的实施方式，但是应该认识到在不偏离所要求的本发明的范围的前提下可以做出所给出的实例的修改。可以在与明确描述的组合不同的组合中使用前文描述的特征。虽然参考特定特征描述了功能，但是可以由其他特征来执行这些功能，无论本文是否对其进行了描述。虽然参考特定实施例描述了特征，但是这些特征可以出现在其他实施方式中，无论本文是否对其进行了描述。虽然在前文的描述中努力将注意力集中在被确信对于本发明特别重要的那些特征，但是应该认识到申请人要求关于前文所涉及的并且/或者附图中所描述的任意可专利的特征或特征的组合的保护，而无论是否特别强调它们。
权利要求
1.一种器件，包括 叠层结构，包括 具有平坦表面的第一衬底； 与所述第一衬底的所述平坦表面相邻的平坦第一石墨烯层； 与所述平坦第一石墨烯层相邻的平坦第二石墨烯层；以及 具有与所述平坦第二石墨烯层相邻的平坦表面的第二衬底。
2.如权利要求I所述的器件，其中所述第一衬底是用于形成所述第一石墨烯层的牺牲衬底。
3.如权利要求I或2所述的器件，其中所述第二衬底是用于至少所述第一石墨烯层和第二石墨烯层到第三衬底的翻转迁移的牺牲衬底。
4.如任一前述权利要求所述的器件，其中下石墨烯层和上石墨烯层是平面的。
5.如任一前述权利要求所述的器件，其中在所述石墨烯层之间存在中间层。
6.如权利要求5所述的器件，其中，所述中间层是电介质层。
7.如权利要求I到4中的任一所述的器件，其中所述第一石墨烯层直接接触所述第二石墨稀层。
8.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层被独立地形成并且关于彼此旋转和移位。
9.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第一石墨烯层是单层。
10.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第二石墨烯层是单层。
11.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第一石墨烯层和/或所述第二石墨烯层被掺杂。
12.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层被有差别地掺杂。
13.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第一石墨烯层被有差别地掺杂。
14.如任一前述权利要求所述的器件，其中所述第二石墨烯层被有差别地掺杂。
15.一种方法，包括 在第一衬底上形成包括第一石墨烯层的第一组件； 形成第二组件，包括 在牺牲衬底上形成第二石墨烯层； 在所述第二石墨烯层上形成第二衬底；以及 去除所述牺牲衬底；以及 接合所述第一组件和所述第二组件，使得所述第一衬底和所述第二衬底在结果结构的相对的外表面上。
16.如权利要求15所述的方法，包括接合所述第一组件和所述第二组件，使得所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层相接触。
17.如权利要求15所述的方法，包括在所述第一组件和所述第二组件之间的界面处形成电介质层。
18.如权利要求15到17中的任一所述的方法，还包括 去除所述第一衬底以暴露所述第一石墨烯层；形成与所述第一石墨烯层相邻的平坦第一图案化层； 提供与所述平坦第一图案化层相邻的第三衬底； 去除所述第二衬底；以及 形成与所述第二石墨烯层相邻的平坦第二图案化层。
19.一种器件,包括 叠层结构，包括 具有平坦上表面的衬底； 叠加在所述衬底的所述平坦上表面上并且包括至少一个图案化电极的平坦下图案化层； 叠加在所述平坦下图案化层上的平坦下石墨烯层； 叠加在所述平坦下石墨烯层上的平坦上石墨烯层；以及 叠加在所述平坦上石墨烯层上并且包括至少一个图案化电 极的平坦上图案化层。
20.如权利要求19所述的器件，其中所述平坦下图案化层是具有与所述第一石墨烯层相邻的平坦上表面和与所述衬底的平坦上表面相邻的平坦下表面的平面层。
21.如权利要求19或20所述的器件，其中所述平坦下图案化层包括与所述下石墨烯层相关联的图案化栅极。
22.如权利要求19到21中的任一所述的器件，其中所述平坦下图案化层包括在图案化栅极与所述下石墨烯层之间的电介质层。
23.如权利要求22所述的器件，其中所述图案化栅极对于一个电子设备而言是本地的并且不是多个电子设备共用的。
24.如权利要求19到23中的任一所述的器件，其中所述平坦下图案化层包括源极/漏极。
25.如权利要求19到24中的任一所述的器件，其中所述平坦上图案化层是具有平坦上表面和与所述平坦上石墨烯层相邻的平坦下表面的平面层。
26.如权利要求19到25中的任一所述的器件，其中所述平坦上图案化层包括与所述上石墨烯层相关联的图案化栅极。
27.如权利要求19到26中的任一所述的器件，其中所述平坦上图案化层包括在图案化栅极与所述上石墨烯层之间的栅极电介质层。
28.如权利要求27所述的器件，其中所述栅极电介质小于IOnm厚。
29.如权利要求19到28中的任一所述的器件，其中所述平坦上图案化层包括源极/漏极。
30.如权利要求19到29中的任一所述的器件，其中所述平坦上图案化层包括与所述下图案化层共用的源极/漏极。
31.如权利要求19到30中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层和所述下石墨烯层是平面的。
32.如权利要求19到31中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层和所述下石墨烯层被独立地形成。
33.如权利要求19到33中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层是单层。
34.如权利要求19到34中的任一所述的器件，其中所述下石墨烯层是单层。
35.如权利要求19到34中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层和/或所述下石墨烯层被掺杂。
36.如权利要求19到35中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层和所述下石墨烯层被有差别地掺杂。
37.如权利要求19到36中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层被有差别地掺杂。
38.如权利要求19到37中的任一所述的器件，其中所述下石墨烯层被有差别地掺杂。
39.如权利要求19到38中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层直接叠加在所述下石墨稀层上。
40.如权利要求19到38中的任一所述的器件，其中所述上石墨烯层和所述下石墨烯层通过电介质层分隔。
41.如权利要求19到40中的任一所述的器件，被包括在具有由所述平坦上图案化层形成的顶栅极和由所述平坦下图案化层形成的底栅极的晶体管中。
42.如权利要求41所述的器件，其中，所述顶栅极和所述底栅极相互连接。
43.如权利要求19到40中的任一所述的器件，其包括在逆变器中。
44.如权利要求19到40中的任一所述的器件，其包括在包括多个逆变器的环形振荡器中。
45.一种方法，包括 去除第一衬底以从叠层结构暴露第一石墨烯层，所述叠层结构包括 第一衬底； 第一石墨烯层和第二石墨烯层，其中所述第一石墨烯层与所述第一衬底相邻；以及 与所述第二石墨烯层相邻的第二衬底； 形成与第一石墨烯层相邻的第一图案化层； 提供与所述第一图案化层相邻的第三衬底； 去除所述第二衬底； 形成与所述第二石墨烯层相邻的第二图案化层。
46.如权利要求45所述的方法，其中层之间的界面是平面的。
47.如权利要求45或46所述的方法，其中所述第一衬底是牺牲衬底。
48.如权利要求45、46或47所述的方法，包括 在提供与所述第一图案化层相邻的第三衬底之后并且在去除所述第二衬底之前，翻转所述结构，使得所述第三衬底是支撑基底。
49.如权利要求45到48中的任一所述的方法，其中，所述第二衬底是助于翻转的迁移衬底。
50.如权利要求45到49中的任一所述的方法，包括通过以下步骤形成所述叠层结构 在第一衬底上形成包括第一石墨烯层的第一组件； 形成第二组件，包括 在牺牲衬底上形成第二石墨烯层； 在所述第二石墨烯层上形成第二衬底；以及 去除所述牺牲衬底；以及接合所述第一组件和所述第二组件，使得所述第一衬底和所述第二衬底在结果结构的相对的外表面上。
51.如权利要求50所述的方法，包括接合所述第一组件和所述第二组件，使得所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层相接触。
52.如权利要求51所述的方法，包括在所述第一组件和所述第二组件之间的界面处形成电介质层。
全文摘要
一种器件，包括叠层结构，该叠层结构包括具有平坦表面的第一衬底；与该第一衬底的该平坦表面相邻的平坦第一石墨烯层；与该平坦第一石墨烯层相邻的平坦第二石墨烯层；以及具有与该平坦第二石墨烯层相邻的平坦表面的第二衬底。一种器件，包括叠层结构，该叠层结构包括具有平坦上表面的衬底；叠加在该衬底的该平坦上表面上并且包括至少一个图案化电极的平坦下图案化层；叠加在该平坦下图案化层上的平坦下石墨烯层；叠加在该平坦下石墨烯层上的平坦上石墨烯层；以及叠加在该平坦上石墨烯层上并且包括至少一个图案化电极的平坦上图案化层。
文档编号H01L29/417GK102934230SQ201180023806
公开日2013年2月13日 申请日期2011年5月12日 优先权日2010年5月13日
发明者P·帕萨南, M·K·沃蒂莱南 申请人:诺基亚公司