[发明专利]石墨烯压力传感器

说明书

技术领域

本领域一般涉及用于感测压力的半导体纳米器件，具体地，涉及使用薄石墨烯（graphene）膜构造的半导体纳米压力传感器器件。

背景技术

通常，半导体纳米压力传感器器件被用来测量例如气体或液体的压力，且被用于各种控制和实时监控应用。半导体纳米压力传感器器件也可被间接用来测量其他变量，例如流体流量（fluid flow）、气体流量（gas flow）、速度、水位和海拔。常用的压力传感器实施应变仪（strain gauge）装置，该装置具有由硅（单晶）、多晶硅薄膜、接合的金属箔、厚膜或溅射的薄膜等制成的活动膜（active membrane）。典型地，活动膜越薄，膜材料响应于外部压力的变形就越大，由此提供越高的灵敏度和精确度。但是，由于材料的易碎性，要制造供压力传感器器件使用的超薄硅膜非常有挑战性。

发明内容

本发明的方面包括用于感测压力的半导体纳米器件，特别地，使用薄石墨烯膜构造的半导体纳米压力传感器器件。悬置的石墨烯膜用作用于感测压力的活动机电膜（electro-mechanical membrane），且可被制造为非常薄，从约1个原子层到约10个原子层厚度，从而大大改善半导体压力传感器器件的灵敏度和可靠度。

例如，在本发明的一方面中，一种半导体压力传感器器件包括设置在半导体衬底上的绝缘层，其中在所述绝缘层中形成凹腔。第一石墨烯膜被设置在所述绝缘层的表面上，完全覆盖所述凹腔。第一感测电极和第二感测电极被设置在所述第一石墨烯膜的相反侧上的所述绝缘层上且与所述第一石墨烯膜接触。密封环围绕所述第一和第二感测电极以及所述第一石墨烯膜的外侧壁而形成密封件（seal）。

在本发明的另一方面中，所述半导体压力传感器器件还包括被设置在与所述第一石墨烯膜邻近的区域中的所述绝缘层的表面上的第二石墨烯膜。第三感测电极和第四感测电极被设置在所述第二石墨烯膜的相反侧上的所述绝缘层上且与所述第二石墨烯膜接触。第二密封环围绕所述第三和第四感测电极以及所述第二石墨烯膜的外侧壁而形成密封件。

在本发明的又一方面中，一种形成半导体压力传感器器件的方法包括在半导体衬底上形成绝缘层，在所述绝缘层中形成凹腔，在所述绝缘层的表面上形成完全覆盖所述凹腔的第一石墨烯膜，在所述第一石墨烯膜的相反侧上的所述绝缘层上形成与所述第一石墨烯膜接触的第一感测电极和第二感测电极，以及围绕所述第一和第二感测电极以及所述第一石墨烯膜的外侧壁而形成密封环。

在本发明的再一方面中，所述方法还包括在与所述第一石墨烯膜邻近的区域中的所述绝缘层的表面上形成第二石墨烯膜，在所述第二石墨烯膜的相反侧上的所述绝缘层上形成与所述第二石墨烯膜接触的第三感测电极和第四感测电极；以及围绕所述第三和第四感测电极以及所述第二石墨烯膜的外侧壁而形成第二密封环。

通过结合附图阅读对优选实施例的以下详细描述，本发明的这些和其他方面、特征和实施例将变得显而易见。

附图说明

图1A是根据本发明一方面的半导体纳米压力传感器器件的示意性俯视平面图；

图1B是沿着图1A的线1B-1B截取的半导体纳米压力传感器器件的示意性侧视图；

图1C是沿着图1A的线1C-1C截取的半导体纳米压力传感器器件的示意性侧视图；

图2A和2B示意性地示例出根据本发明各方面的半导体纳米压力传感器器件的操作方法；

图3A、3B、3C、3D、3E、3F和3G示意性地示例出根据本发明一方面的在各个制造阶段构造石墨烯压力传感器器件的方法，其中：

图3A是示出在半导体衬底上形成绝缘层之后在初始制造阶段的半导体纳米器件的横截面图；

图3B是在绝缘层中蚀刻出腔之后图3A的结构的横截面图；

图3C是在绝缘层之上形成石墨烯层并在该石墨烯层之上形成第二蚀刻掩模之后的图3B的结构的横截面图；

图3D是在蚀刻石墨烯层以形成支撑的石墨烯膜和悬置的石墨烯膜之后的图3C的结构的横截面图；

图3E是在石墨烯膜和绝缘层之上形成导电材料层并形成蚀刻掩模以限定感测电极之后的图3D的结构的横截面图；

图3F是在蚀刻导电材料层的暴露部分以形成感测电极之后的图3E的结构的横截面图；

图3G是在沉积密封材料的毯覆层（blanket layer）并形成限定密封环的蚀刻掩模之后的图3F的结构的横截面图，其中密封环是通过蚀刻密封材料层而形成的。

具体实施方式