具有石墨烯探测层的霍尔效应传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种具有石墨烯探测层的霍尔效应传感器和用于制造所述霍尔效应传感器的方法，在选择用于在BiCMOS工艺中集成的情况下，该传感器实现为各种几何结构，包括所谓的“全3-d”霍尔传感器的可能性。

【技术实现步骤摘要】
具有石墨烯探测层的霍尔效应传感器相关申请的交叉引用本申请要求于2013年10月16日提交的第61/891,484号美国临时申请的权益。
各种实施例主要涉及具有石墨烯探测层的霍尔效应传感器和用于制造所述霍尔效应传感器的方法，该石墨烯探测层在选择用于在BiCMOS工艺中集成的情况下以各种各样的几何结构实现。
技术介绍
当磁场垂直于电流定向时，会出现所谓的“霍尔效应”。磁场生成跨越导体的电势差，叫做霍尔电压，其方向与磁场方向和电流流动方向都垂直。通过测量霍尔电压，可以确定磁场分量的大小。典型的霍尔传感器通常包括有电流流过的导电材料的条或者板。当板被放置在磁场中使得磁场分量垂直于该板时，在板中生成霍尔电压，霍尔电压的方向与磁场方向和电流流动方向都垂直。利用当前技术制造的半导体霍尔效应传感器通常包括由硅制成的传感元件。这些器件的磁灵敏度直接涉及用于构建该传感元件的材料的电子迁移率μ，并且受该材料的电子迁移率限制。硅通常具有近似1500cm2/(V·s)的电子迁移率。相比之下，石墨烯可以具有在4500-40000cm2/(V·s)范围内的电子迁移率。因此，使用由石墨烯构建的传感元件的霍尔效应器件将具有比通常的硅基器件高得多的磁灵敏度。
技术实现思路
根据各种实施例，公开了一种用于形成具有石墨烯探测层的霍尔传感器的方法。所述方法可以包括：提供衬底；在所述衬底上形成金属籽晶层；以及在所述金属籽晶层上形成石墨烯探测层。所述石墨烯探测层可以根据给定应用的规格和需求，用各种几何构型实施。所述方法也可以包括配置所述石墨烯层的形貌使得形成全3D霍尔传感器。附图说明在附图中，贯穿所有不同视图，同样的参考标号通常指代相同的部件。附图不一定是按比例的，而是通常着重于说明本专利技术的原理。在下面的描述中，参照下列附图描述本专利技术的各种实施例，其中：图1A至图1J示出根据各种实施例的形成霍尔效应传感器的方法的透视流程图(perspectiveprogression)以及霍尔效应传感器的几种实施例；图2A至图2E示出根据各种实施例的形成霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及霍尔效应传感器的几种附加实施例；图3A至图3C描绘霍尔效应传感器的各种其它可能的特征和实施例；图4在截面图和顶视图二者中描绘其中封装传感元件的霍尔效应传感器的潜在实施例；图5A至图5C在截面图和顶视图二者中描绘形成霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及霍尔效应传感器的几种实施例；图6A和图6B图示可以实施于图4中示出的霍尔效应传感器的附加步骤和/或特征；图7A和图7B图示可以实施于图5A至图5C中示出的霍尔效应传感器的附加步骤和/或特征；图8A至图8D示出根据各种实施例的形成霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及霍尔效应传感器的几个附加实施例；图9A和图9B描绘根据各种实施例的形成3D霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及3D霍尔效应传感器的透视实施例；图10A至图10C描绘根据各种实施例的形成3D霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及3D霍尔效应传感器的透视实施例；图11A至图11C描绘根据各种实施例的形成3D霍尔效应传感器的方法的透视流程图以及3D霍尔效应传感器的透视实施例。具体实施方式下面的具体描述参照附图，附图通过图示的方式展示其中可以实施本专利技术的具体细节和实施例。“示例性”一词在这里用于表示“用作示例、实例、或者说明”。这里描述为“示例性”的任何实施例或者设计不一定被解释为相比于其它实施例或者设计是优选的或者是有利的。关于形成在侧面或者表面“上方”的沉积材料所使用的“上方”一词，可以在这里用于表示所述沉积材料可以“直接地”形成于所指侧面或者表面上，例如与所指的面或者表面直接接触。关于形成在侧面或者表面“上方”的沉积材料所使用的“上方”一词，可以在这里用于表示所述沉积材料可以“间接地”形成于所指侧面或者表面上，其中一个或者更多附加层被布置在所指侧面或者表面与所述沉积材料之间。在典型的霍尔传感器中，已知的影响灵敏度和剩余偏移(residualoffset)的因素包括絮凝、沉淀特性、应力、以及籽晶层和籽晶层与石墨烯之间的边界的影响。根据本公开，在金属籽晶层上沉积石墨烯层与移除金属籽晶层以制造表面微机械传感器结构的结合创建了具有优化性能(例如剩余偏移、应力和界面效应的减少)的传感器结构。通过以各种几何结构配置石墨烯，剩余偏移能够被进一步减少并且性能可以被进一步优化。各种实施例主要涉及一种用于形成具有石墨烯探测层的霍尔效应传感器的方法。各种实施例进一步公开一种具有石墨烯作为探测层的霍尔效应传感器，该探测层以各种几何构型以及集成在BiCMOS(混合双极晶体管-CMOS)工艺中的选择提供优化的属性，其中至少一个石墨烯层悬置于在作为传感器元件的环境中形成/嵌入的腔中。至少一个实施例涉及霍尔元件的无应力安装，用于减少剩余偏移并且提高霍尔效应传感器的性能。进一步的实施例提供一种相比于目前可用技术对磁场具有高灵敏度同时减少空间需求的3D霍尔效应传感器。在至少一种实施例中，石墨烯探测层可以嵌入半导体衬底中以保护传感结构免受可能改变传感器效率、灵敏度和准确性的环境影响。在至少一种实施例中，石墨烯层可以被制成腔，该腔被盖元件覆盖并且被配置为使腔中形成部分真空。根据各种实施例，公开了一种具有所谓“霍尔棱锥”构型的霍尔传感器(也被称为霍尔效应传感器)。该霍尔传感器可以采用石墨烯层作为磁敏层。在至少一种实施例中，该石墨烯层可以大体上是棱锥形状。该棱锥形状允许一种可以以所谓“斩波模式”运行的全3D霍尔传感器。在进一步的实施例中，该霍尔传感器可以是选择具有底部接触或者顶部接触的棱锥形状。根据各种实施例，该石墨烯霍尔传感器可以被封装以更好地保护该霍尔传感器免受各种环境影响。根据各种实施例，该霍尔传感器可以通过在金属籽晶层上施加石墨烯层形成。该籽晶层可以包括或者基本由铜、镍、铜镍合金以及适用于给定应用的其他各种单质金属或者金属合金构成。根据各种实施例，该石墨烯层可以通过使用各种沉积技术形成，例如原位沉积、转移沉积比如通过液态介质转移或者薄膜转移等。根据各种实施例，如图1A所示的截面图，霍尔传感器可以包括衬底102，其中在衬底102上形成氧化层104，在氧化层104上形成金属层106，以及在氧化层104上形成石墨烯层108。根据各种实施例，衬底102可以是半导体衬底，例如硅衬底。根据至少一种实施例，衬底102可以包括或者基本由适用于给定应用的材料，例如半导体材料比如锗、锗硅、碳化硅、氮化镓、砷化镓、铟、铟镓氮、铟镓砷、氧化铟镓锌或者其它单质和/或化合物半导体构成。衬底102也可以包括适用于给定应用的其它材料或者材料组合，例如各种电介质、金属和聚合物。衬底102可以进一步包括或者基本由例如玻璃构成。根据至少一种实施例，衬底102可以是绝缘体上硅(SOI)载体。根据各种实施例，可以通过使用各种沉积技术比如物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积，以及各种形式的外延比如分子束外延和液相外延，在衬底102上形成氧化层104。氧化层104可以是适用于给定应用和/或获得期望特性的任何厚度。根据各种实施例，氧化层104可以包括或者基本由各种半导体氧化物例如二氧化硅构成。根据各种实施例，可以通过使用各种沉积技术例如物理气相沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构，包括：衬底，具有第一面；籽晶层，形成在所述第一面上；以及石墨烯层，形成在所述籽晶层的至少部分上方；其中位于所述衬底和所述石墨烯层之间的所述籽晶层的至少部分被移除，以从所述石墨烯层形成悬置的石墨烯结构。

【技术特征摘要】
2013.10.16 US 61/891,484;2014.10.15 US 14/514,4151.一种用于霍尔传感器的结构，包括：衬底，具有第一面；籽晶层，形成在所述第一面上；以及石墨烯层，形成在所述籽晶层的至少部分上方；其中位于所述衬底和所述石墨烯层之间的所述籽晶层的至少部分被移除，以从所述石墨烯层形成悬置的石墨烯结构。2.根据权利要求1所述的结构，进一步包括：支撑结构，形成在所述石墨烯层的部分上方；密封结构，形成在所述支撑结构的部分上方；其中所述密封结构、所述支撑结构和所述石墨烯层围成腔体。3.根据权利要求2所述的结构，其中所述腔体能够维持低压环境。4.根据权利要求2所述的结构，其中所述密封结构完全填满所述腔体。5.根据权利要求2所述的结构，所述密封结构包括硼磷硅酸盐玻璃。6.根据权利要求2所述的结构，其中所述密封结构包括高密度聚乙烯。7.一种用于制造霍尔传感器的方法，包括：提供具有第一面的衬底；在所述第一面上形成籽晶层；在所述籽晶层的至少部分上方形成石墨烯层；以及移除位于所述衬底和所述石墨烯层之间的所述籽晶层的部分，以从所述石墨烯层形成悬置的石墨烯结构。8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括对所述石墨...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·艾克金格，S·科尔布，A·德厄，G·鲁尔，
申请(专利权)人：英飞凌科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE