一种石墨烯复合膜片上电感的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种石墨烯复合膜片上电感，属于微电子器件技术领域。本发明中，位于衬底上方的片上电感采用石墨烯复合膜作为电感线圈材料，石墨烯复合膜由石墨烯层、绝缘介质层、金属导电层依次叠加组成。其中，石墨烯层和金属导电层共同组成片上电感的导电通道，有利于降低电感电阻值，提高电感品质因数；绝缘介质层位于石墨烯层与金属导电层之间，对石墨烯层和金属导电层主体进行隔离以降低金属导电层对石墨烯中电子输运的干扰,使石墨烯提供大动态电感，大幅增加片上电感电感值。因此，本发明提供的片上电感具有高品质因数、大电感值的特点，特别适用于射频集成电路。
【专利说明】一种石墨烯复合膜片上电感
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于微电子器件技术领域，涉及一种石墨烯复合膜片上电感。
【背景技术】
[0003]片上电感是射频集成电路的基础无源元件，实现电能到磁能的转换与存储，广泛应用于低噪声放大器、压控振荡器、混频器、滤波器等各类射频前端模块中，构成无线通信电路的基础。在更高频率、更低功耗等应用的驱动下，射频电路需要更高性能的电路元件。然而，与快速发展的有源器件相比，片上电感的发展却面临着两大困境。首先是面积过大，与已发展到22nm阶段的MOS器件相比，平面螺旋电感(InH感值)的平均边长始终徘徊在100μπι左右。为满足GHz频段内数nH电感值这一设计要求，片上平面螺旋电感的面积通常达到数百Mi X数百Mi，使得集成电感常占据射频电路模块50%以上面积，这样巨大的面积消耗对于密度越来越高的集成电路而言难以接受。另一个问题是性能过低，受金属自身的欧姆损耗、半导体硅衬底涡流损耗、介质耦合电容等众多寄生效应的作用，电感在高频下产生大量的热损耗以及电磁损耗，这些损耗随频率增加而迅速增大，导致表征器件磁能存储效率的关键参数一品质因数(Quality factor, Q)大大降低。目前，常见的CMOS集成电感Q值低于10。低Q值直接导致电路频率稳定性差，噪声水平高等问题，使整体电路性能大打折扣。这对于要求高性能、低损耗、低失真的射频集成电路而言十分不利。因此，缺乏足够小尺寸和足够高Q值的集成电感是当前射频集成电路发展主要瓶颈之一。
[0004]石墨烯是由碳原子基于单层结构形成的六角蜂窝状晶体，厚度只有0.344nm，是碳的一种新型二维同素异形体。由于其独特的原子结构，石墨烯具有高电子迀移率、高热导率、高电导率、高机械强度等优异的材料性能。在室温下，石墨烯理论上的电子迀移率达到200，000cm2/Vs，是硅的100倍以上，同时，其电阻率约为10—6Q.cm，比金属铜或银更低，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，导电密度是铜的一万倍。此外，石墨烯中电子输运机制为弹道输运，因而具有独特的大动态电感效应，应用于片上电感可大幅增强电感值，从而减小电感所占面积。由此可见，具有优良电学性能和大动态电感效应的石墨烯是构造新一代射频片上电感的理想材料。然而，在实际应用中，石墨烯微电感具有大电感值、低品质因数的特点，无法应用到实际电路中。这是由于具有最低电阻率的单层石墨烯厚度仅仅只有0.334nm，其方阻通常在几十欧以上，绝对电阻值比应用于片上电感的高维度金属导线(厚度通常在μπι以上)要高出几个数量级，因此，石墨烯电感的品质因数远远低于现有片上电感。
[0005]采用石墨烯与金属导线复合作为片上电感的导体材料有助于提高片上电感的品质因数。例如，北京大学提出的专利申请“一种金属电感的制备方法”(专利申请号:201210112738.8，专利公开号CN 102709155 Α)公开了一种金属电感，该专利申请通过在电感线圈的金属上包裹一层石墨烯，在一定程度上减小了电感的电阻，提高了Q值。但该申请直接将石墨烯包裹在金属线圈上，电感工作时，金属线圈内的电子与石墨烯中的电子发生强耦合，石墨烯内电子弹道输运机制变为散射输运机制，石墨烯的动态电感急剧下降，无法实现电感的大电感值。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种大电感值、高品质因数的片上电感。
[0007]为达到目的，本发明提供的技术方案如下:
一种石墨烯复合膜片上电感，采用石墨烯复合膜作为电感线圈材料;所述石墨烯复合膜由石墨烯层、绝缘介质层、金属导电层依次叠加组成；其中，所述石墨烯层和金属导电层在边缘处相连，所述绝缘介质层位于石墨烯层和金属导电层中间，宽度为石墨烯层或金属导电层宽度的十分之九，隔离石墨烯层和金属导电层主体部分，所述石墨烯层依附于衬底上。
[0008]所述金属导电层为铜、铝等高电导性金属材料。
[0009]所述绝缘介质层为高绝缘材料，如Al2O3,厚度在10nm-50nm，。
[0010]所述石墨烯层为掺杂的石墨烯或纯净的石墨烯，石墨烯膜的层数为一层到九层。[0011 ]所述衬底可采用柔性绝缘介质，如PET膜;或采用刚性绝缘基片，如石英片;或采用半导体基片，如硅片，但在半导体基片与石墨烯层间采用绝缘介质进行隔离，如二氧化硅等。
[0012]本发明的基本思想是引入高维度金属导线与石墨烯共同组成导电通道降低电感电阻值，提高电感品质因数;同时，采用与石墨烯具有弱电子耦合效应的绝缘介质层对金属导电层和石墨烯层主体进行隔离，降低金属导电层电子、声子对石墨烯中电子输运的干扰，保障石墨烯中电子的弹道输运机制，使得石墨烯维持大动态电感实现片上电感的大电感值，达到缩小电感尺寸的目的，而尺寸的缩小可进一步提升电感品质因数;此外，石墨烯具有弱趋肤效应，在超高频段下复合膜的电阻值受频率的影响很小，有利于电感在超高频率下仍保持高品质因数。
[0013]本发明的有益效果:本发明以石墨烯复合膜作为片上电感的线圈材料，可实现高品质因数、大电感值和高频工作性能稳定的片上电感，且采用标准微电子工艺就可实现，易于应用到集成电路中，具有很强的实用性。
【附图说明】
[0014]图1为本发明石墨烯复合膜结构示意图；
图2为本发明基于石墨烯复合膜片上电感结构示意图；
图3为本发明石墨烯复合膜片上电感制备工艺流程图；
图4为本发明与同类型铜膜片上电感性能对比图。
[0015]其中，1-金属导电层;2-绝缘介质层;3-石墨烯层;4-衬底。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以下实施例并不构成对本发明的限定。
[0017]实施例1
1)准备一片PET膜，清洗，烘干;采用化学气相沉积法在镍箔上生长掺有氮杂质的九层石墨烯;采用石墨烯转移工艺将镍箔上的九层石墨烯转移至PET膜上，如图3(a)所示；
2)采用原子层沉积工艺在有石墨稀层的PET膜上淀积一层50nm的AI2O3层;采用剥离工艺将Al2O3层图形化，如图3(b)所示；
3)采用电子束蒸发工艺在AI2O3层上沉积一层Ium厚的Al膜，如图3(c)所示；
4)采用光刻工艺和湿法刻蚀工艺将Al膜刻蚀成电感线圈结构;采用氧等离子体刻蚀工艺对转移至PET膜上的石墨烯膜进行刻蚀，除Al电感线圈覆盖的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0018]通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯复合膜片上电感，如图3(d)所示。
[0019]实施例2
1)准备一片石英片，清洗，烘干;采用化学气相沉积法在铜箔上生长单层石墨烯;采用石墨烯转移工艺将铜箔上的单层石墨烯转移至石英片上，如图3(a)所示；
2)采用原子层沉积工艺在有石墨烯层的石英片上淀积一层20nm的Al2O3层;采用剥离工艺将Al2O3层图形化，如图3(b)所示；
3)采用电子束蒸发工艺在AI2O3层上淀积一层2um的招膜，如图3(c)所示；
4)采用光刻工艺和湿法腐蚀工艺将铝膜刻蚀成电感线圈结构;采用氧等离子体刻蚀工艺对转移至石英片上的石墨烯膜进行刻蚀，除Al电感线圈覆盖的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0020]通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯复合膜片上电感，如图3(d)所示。
[0021]实施例3
1)准备一片硅片，清洗，烘干，热氧化生长一层500nm厚的二氧化硅层;采用溅射工艺在二氧化硅上方沉积一层500nm厚的Cu膜，采用等离子增强化学气相沉积工艺在Cu膜上生长五层石墨烯;采用烯盐酸去除Cu膜，使石墨烯转移至二氧化硅层上，如图3(a)所示；
2)采用原子层沉积工艺在有石墨稀层的二氧化娃层上淀积一层1nm的AI2O3层;采用剥离工艺将AI2O3层图形化，如图3(b)所示；；
3)采用电子束蒸发工艺在AI2O3层上淀积一层2um的铜膜，如图3(c)所示；
4)采用光刻工艺和湿法腐蚀工艺将铜膜刻蚀成电感线圈结构;采用氧等离子体刻蚀工艺对转移至二氧化硅上的石墨烯膜进行刻蚀，除铜电感线圈覆盖的石墨烯外，其余石墨烯被去除。
[0022]通过以上具体步骤，可实现本发明提供的石墨烯复合膜片上电感，如图3(d)所示。
[0023]对于厚度为lum、外径为lOOum、单圈方形片上电感，与同类型铜膜片上电感比较，根据高频电磁场仿真工具HFSS计算结果，石墨烯复合膜片上电感的电感值提升50%以上，品质因数提升10%左右，如图4所示。
【主权项】
1.一种石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:采用石墨烯复合膜作为电感线圈材料;所述石墨烯复合膜由石墨烯层、绝缘介质层、金属导电层依次叠加组成；其中，所述石墨烯层和金属导电层在边缘处相连，所述绝缘介质层位于石墨烯层和金属导电层中间，宽度为石墨烯层或金属导电层宽度的十分之九，隔离石墨烯层和金属导电层主体部分，所述石墨烯层依附于衬底上。2.如权利要求1所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:金属导电层采用铜或铝。3.如权利要求1所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:绝缘介质层采用Al2O3，厚度在 10nm-50nm。4.如权利要求1所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:石墨烯层为掺杂的石墨烯或纯净的石墨烯，石墨烯层的层数为一层到九层。5.如权利要求1所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:所述衬底采用柔性绝缘介质或刚性绝缘基片或半导体基片。6.如权利要求5所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:所述柔性绝缘介质为PET膜。7.如权利要求5所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:所述刚性绝缘基片为石英片。8.如权利要求5所述的石墨烯复合膜片上电感，其特征在于:所述半导体基片为硅片，在半导体基片与石墨烯层间采用绝缘介质进行隔离。
【文档编号】H01L21/02GK105870101SQ201610355178
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】刘锋, 占必红
【申请人】武汉大学