CN102822931A - 集成式机电致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成式机电致动器和一种用于制造此类集成式机电致动器的方法。所述集成式机电致动器包括致动器电极之间的静电致动器间隙和接触电极之间的电接触间隙。在所述致动器电极与所述接触电极之间提供具有倾斜角的倾斜。此电接触间隙的厚度等于在制造过程中通过蚀刻被除去的牺牲层的厚度。

Description

集成式机电致动器

本发明涉及一种集成式机电致动器以及一种用于制造此类集成式机电致动器的方法。

背景技术

随着微电子应用中的功率和能源约束变得越来越具有挑战性，人们不断寻求备选且更具功率效率的切换和计算方法。半导体行业中使用的典型切换器件是CMOS晶体管。为了克服CMOS器件中与功率相关的瓶颈，研究了以根本不同的传输机制（例如隧道）工作的新型切换器件。然而，将高接通电流、非常低的截止电流、突然切换、高速度以及小占用空间的期望特性组合在可容易地与CMOS器件对接的器件中是一项具有挑战性的任务。诸如纳米机电开关（NEM开关）之类的机械开关是很有前景的器件，可满足这些类型的条件。电极之间具有窄间隙的纳米机电开关通过静电致动来控制。响应于静电力，接触电极可以弯曲以接触另一个电极，因此使开关闭合。在设计和操作纳米机电开关中，针对静电致动和电接触分离控制窄间隙是一个主要问题。NEM开关必须满足高切换速度和低致动电压这两个要求。通常，为了获得在1伏范围内的致动电压和接近1纳秒的切换速度，提供的电极之间的间隙必须在大约10纳米的范围内。然而，为了限定和控制10纳米的大小，即使当应用最新光刻技术时，调整电极之间的间隔也很困难。

发明内容

本发明提供了一种集成式机电致动器，包括：

致动器电极之间的静电致动器间隙，

接触电极之间的电接触间隙，

其中在所述致动器电极与所述接触电极之间提供具有倾斜角的倾斜。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述电接触间隙的厚度等于牺牲层的厚度g₀。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述静电致动器间隙的间隙g_A取决于所述电接触间隙的厚度和所述倾斜角α，如下所示：

g_A=g₀·cos(α)。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述机电致动器是面内（in-plane）致动器。

在根据本发明的集成式机电致动器的另一可能实施例中，所述机电致动器是面外（out-of-plane）致动器。

在根据本发明的集成式机电致动器的另一可能实施例中，所述机电致动器是垂直致动器。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述接触间隙的厚度在5-50纳米的范围内。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述倾斜角在15-60度的范围内。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述机电致动器包括至少一个机电开关。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个实施例中，在所述机电开关的已致动切换状态下，所述接触间隙闭合，以及在所述机电开关的未致动切换状态下，所述接触间隙未闭合。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个实施例中，在所述机电开关的已致动切换状态下，固定到接触电极的结构化接触梁弯曲或移动以响应由所述结构化接触梁与致动器电极之间的电场产生的静电力。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述结构化接触梁包括：挠性部分，其固定到所述接触电极；以及刚性部分，其连接到所述挠性部分并在其远端具有电接触表面，所述电接触表面通过所述电接触间隙而与另一接触电极的电接触表面分隔开。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个实施例中，所述结构化接触梁的所述挠性部分包括在0.1至10牛/米的范围内的弹性常数。

在根据本发明的集成式机电致动器的一个可能实施例中，所述机电致动器包括：

输入电极，其用于施加输入电压，

输出电极，其用于提供输出电压，

第一供给电压（supply voltage）电极，第一结构化接触梁固定到该第一供给电压电极，

第二供给电压电极，第二结构化接触梁固定到该第二供给电压电极，

其中如果施加于所述输入电极的输入电压对应于所述第一供给电压，则固定到所述第二供给电压电极的所述第二结构化接触梁弯曲或移动以响应由所述第二结构化接触梁与所述输入电极之间的电场产生的静电力，以便在所述第二供给电压电极和所述输出电极之间提供接触，

其中如果提供给所述输入电极的输入电压对应于所述第二供给电压，则固定到所述第一供给电压电极的第一结构化接触梁弯曲或移动以响应由所述第一结构化接触梁与所述输入电极之间的电场产生的静电力，以便在所述第一供给电压电极和所述输出电极之间提供接触。

本发明还提供了一种用于制造集成式机电致动器的方法，所述集成式机电致动器包括：

致动器电极之间的静电致动器间隙，

接触电极之间的电接触间隙，

其中在所述致动器电极与所述接触电极之间提供具有倾斜角的倾斜，

其中每个间隙通过蚀刻具有与所述电间隙对应的厚度的单个牺牲层来形成。

在根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的一个可能实施例中，所述牺牲层通过原子层沉积（ALD）来形成。

在根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的一个备选实施例中，所述牺牲层通过化学气相沉积（CVD）来形成。

在根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的另一实施例中，所述牺牲层通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）来形成。

在根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的一个可能实施例中，所述方法包括以下步骤：

蚀刻绝缘体上硅以提供梁体，

对所述梁体执行选择性硅化，

在所述梁体上沉积牺牲层，

执行金属沉积，

执行CMP，以及

蚀刻所述牺牲层和所述绝缘体以将所述梁体与衬底分离。

附图说明

以下参考附图描述了一种集成式机电致动器和一种用于制造此类集成式机电致动器的方法的可能实施例：

图1A、1B、1C示出了根据本发明的集成式机电致动器的一个可能

实施例；

图2A、2B示出了根据本发明的集成式机电致动器的另一实施例；

图3示出了根据本发明的集成式机电致动器的另一实施例的侧视图；

图4是示出根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的一个可能实施例的流程图；

图5A-G示出了根据本发明的用于制造集成式机电致动器的方法的一个可能实施例中的制造步骤。

具体实施方式

如可以从示出集成式机电致动器1的第一可能实施例的图1A中看到的，机电致动器1包括致动器电极和接触电极。图1A中示出的实施例是面内致动器，具体地说是面内机电切换器件。图1A中示出的面内拓扑是可以在衬底上提供的NEM开关的拓扑。图1A是从上面示出开关拓扑的顶视图。在示出的实施例中，作为切换器件的机电致动器1包括用于施加输入电压的输入电极2。机电致动器1还包括用于提供输出电压的输出电极3。此外，提供了第一供给电压电极4，可以对其施加第一供给电压V₁（例如VDD）。机电致动器1还包括第二供给电压电极5，可以对其施加第二供给电压V₂（例如GND）。如可在图1A中看到的，第一结构化接触梁6固定到第一供给电压电极4。以相同的方式，第二结构化接触梁7固定到第二供给电压电极5。如可以从图1A中看到的，如图1中所示的集成式机电致动器1包括对称结构。机电致动器1在所示实施例中包括两个结构化接触梁6、7。每个结构化接触梁6、7均包括挠性部分和刚性部分。在图1A的所示实施例中，结构化接触梁6包括固定到第一接触电极4的挠性部分6A。结构化接触梁6还包括刚性部分6B，所述刚性部分6B在其远端具有通过电接触间隙而与输出电极3的电接触表面3A分离的电接触表面6C。第二结构化接触梁7也包括固定到第二供给电压电极5的挠性部分7A和连接到挠性部分7A的刚性部分7B，刚性部分7B在其远端具有通过电接触间隙而与输出电极3的电接触表面3B分离的电接触表面7C。具有挠性部分6A、7A的结构化接触梁6、7均可以包括在0.1至10牛/米的范围内的预定弹性常数。在图1A中示出的实施例中，结构化接触梁6、7的每个挠性部分6A、7A均包括具有预定宽度w和高度h的彼此平行延伸的两个结构化杆（bar）。在一个可能的实施例中，可以通过静电力弯曲的两个平行挠性杆的宽度w与高度h之间的宽高比在1:1和1:5之间。

在图1A中示出的实施例中，如果施加于输入电极2的输入电压V_in对应于第一供给电压V₁（例如VDD），则固定到第二供给电压电极5的第二结构化接触梁7弯曲或移动以响应由第二结构化接触梁7与输入电极2之间的电场提供的静电力，以便在第二供给电压电极5与输出电极3之间提供接触。

图1B示出了在其中未对输入电极2施加电压信号的未致动状态下，致动器1的第二结构化接触梁7。如可以从图1B中看到的，在未致动状态下，在第二结构化接触梁7的接触表面7C与输出电极3的接触表面3B之间提供具有厚度g₀的电接触间隙。此外，提供了在输入电极2与第二结构化接触梁7的刚性部分7B之间具有距离g_A的静电致动器间隙。如可以从图1B中看到的，在未致动状态下，在固定到第二供给电压电极5的第二结构化接触梁7之间提供具有厚度g₀的静电致动器间隙，并在电极2与固定到第二供给电压电极5的第二结构化接触梁7之间提供具有距离g_A的静电致动器间隙。如可以从图1B看到的，在静电致动器间隙与电接触间隙之间提供具有倾斜角α的倾斜。

图1C示出了将第二供给电压电极5切换到输出电极3之后的已致动状态。如可以从图1C看到的，在致动之后，固定到第二供给电压电极5的第二结构化接触梁7之间的电接触间隙已经闭合，使得在第二结构化接触梁7的刚性部分7B的远端处的电接触表面7C接触输出电极3的接触表面3B。即使在致动之后，输入电极2与第二结构化接触梁7的刚性部分7B之间的静电致动器间隙也未闭合，如可在图1C中看到的。对输入电极2施加对应于第一供给电压V₁（例如VDD）的输入电压V_in时，在输入电极2与第二供给电压电极5之间提供静电场，对第二供给电压电极5施加第二供给电压V₂（例如GND）并且第二结构化接触梁7固定到第二供给电压电极5。具体地说，在第二结构化接触梁7的刚性部分7B与输入电极2之间的通过窄致动器间隙的静电场导致此挠性部分7A朝向输入电极2弯曲或移动，而未使输入电极2与第二结构化接触梁7之间的致动器间隙闭合，但是使刚性部分7B与输出电极3之间的接触间隙闭合，因此将第二供给电压电极5切换到输出电极3。

如果提供给输入电极2的输入电压对应于第二供给电压V₂（例如GND），则固定到第一供给电压电极4的第一结构化接触梁6弯曲或移动以响应由第一结构化接触梁6与输入电极2之间的电场产生的静电力，以便在第一供给电压电极4与输出电极3之间提供接触。因此，图1A中示出的实施例包括具有两个开关并且操作类似于电压反相器的集成式机电致动器1。如果施加于输入电极2的输入电压V_in是对应于第一高供给电压VDD的高输入电压，则输出电极3提供低输出电压V_in（例如GND）。相反，如果施加于输入电极2的输入电压为低并且对应于施加于第二供给电压电极5的第二低供给电压（GND），则第二供给电压电极4与在输出端处提供高输出电压的输出电极3接触。

两个间隙（即，致动器间隙g_A和接触间隙g₀）是在电极之间沿运动方向测量的间隙。接触电极和致动器电极的电极角度之间的差异是α。静电致动器间隙的间隙g_A取决于电接触间隙的厚度g₀和倾斜角α，如下所示：

g_A=g₀·cos(α)

通过选择预定倾斜角α，可以借助设计提供运动间隙差。

在一个优选实施例中，在制造工艺中，电接触间隙的厚度g₀等于牺牲层的厚度。在一个可能的实施例中，接触间隙的厚度g₀在5至50纳米的范围内。在一个优选实施例中，接触间隙的厚度g₀在5至15纳米的范围内，优选地约为10纳米。

在一个可能的实施例中，致动器电极与接触电极之间的倾斜角α在15至60度的范围内。在一个优选实施例中，倾斜角α在25至35度的范围内，具体地说约为30度。

结构化梁6、7的挠性部分6A、7A的平行杆可以包括约为1至2的宽高比，以便在致动时它们不执行旋转运动而仅执行平移运动。在一个可能的实施例中，电接触间隙的厚度g₀约为10纳米而倾斜角α为30度，以便静电致动器间隙的厚度g_A约为11.5纳米，从而电接触间隙的间隙g₀与静电致动器间隙的间隙g_A之间存在约1.5纳米的细微差异。通过常规的光刻方法很难产生此类细微差异。根据本发明的在致动器电极与接触电极之间具有倾斜角的集成式机电致动器1允许定义具有相同间隔的不同间隙。在一个可能的实施例中，输入电极2和输出电极3由铂电极形成。根据挠性梁部分6A、7A的长度L，可以调整结构化接触梁6、7的弹性常数，其可以在0.1至10牛/米的范围内变化。通过增加挠性部分的长度，将更容易地借由静电力弯曲或移动结构化接触梁。因此，通过增加挠性部分的长度L，可以降低必需的切换电压。在一个可能的实施例中，切换电压在0.5至5V的范围内。在一个优选实施例中，切换电压在低于1V的范围内。因此，在一个优选实施例中，用于执行致动（具体地说，切换）的致动电压小于1V。

图2A示出了根据本发明的集成式机电致动器1的另一可能实施例的侧视图。图2A示出了实施例的侧视图而图2B示出了顶视图。图2A、2B中示出的实施例是机电致动器的一个面外实施例。如可以从图2A、2B中看到的，可以将两个供给电压电极4、5放置在衬底8上，将结构化梁部分6、7固定到每个供给电压电极4、5，并可以根据施加于输入电极2的电压而致动每个供给电压电极4、5。如果施加于输入电极2的输入电压V_in对应于施加于第二供给电压电极5的低电压（GND），则结构化接触梁6的挠性部分之间的静电场使梁朝向输出电极3弯曲或移动，直到结构化接触梁6的接触表面6C接触输出电极3的接触表面3A。图2A、2B的实施例是面外机电致动器1，其中结构化接触梁6、7也包括挠性部分和刚性部分。在致动器电极与接触电极之间提供了具有倾斜角α的倾斜。结构化接触梁6、7的结构提供了在静电场影响下的平移运动，但是没有旋转运动。图2A示出了机电开关的未致动切换状态，其中接触间隙未闭合。在图2A中示出的机电开关的已致动切换状态下，表面3A、6C之间的接触间隙闭合。在机电开关的已致动切换状态下，固定到接触电极4的结构化接触梁6弯曲或移动以响应由结构化接触梁6与致动器电极（在此情况下由输入电极2形成）之间的电场产生的静电力。通过弯曲结构化接触梁6，接触电极之间的电接触间隙g₀闭合，但静电致动器间隙仅部分闭合而保持剩余间隙，因此避免接触。

图3示出了根据本发明的集成式机电致动器1的另一可能实施例。在图3的实施例中，集成式机电致动器1是垂直致动器。如可以在图3中看到的，在衬底8上提供集成式机电致动器1，其具有固定到第一供给电压电极4和第二供给电压电极5的两个垂直结构化接触梁6、7。结构化机电接触梁6、7均包括刚性部分6A、7A和挠性部分6B、7C。如果施加于输入电极2的输入电压V_in对应于施加于电极4的第一供给电压V₁（例如VDD），则固定到具有例如低电势GND的第二供给电压电极5的第二结构化接触梁7弯曲或移动以响应由第二结构化接触梁7与输入电极2之间的电场产生的静电力，以便在第二供给电压电极5与输出电极3之间提供接触。相比之下，如果施加于输入电极2的输入电压V_in对应于第二低供给电压（GND），则固定到第一供给电压电极4的第一结构化接触梁6移动以响应由第一结构化接触梁6与输入电极2之间的电场产生的静电力，以便在第一供给电压电极4与输出电极3之间提供接触。通过调整挠性部分6B、7B的长度L，可以例如在0.1至10牛/米的范围内调整弹性常数。

图4以及图5A、5G示出了根据本发明的用于制造集成式机电致动器1的方法的一个可能实施例。

在制造过程的第一步骤S1，蚀刻绝缘体上硅（SOI）以提供梁体。如可以在图5A中看到的，通过诸如氧化物之类的绝缘体（具体地说，SIO2）将硅与衬底分离。为了提供梁体，执行膜蚀刻，如图5B中所示。

在进一步的步骤S2中，执行选择性硅化，如图5C中所示。在梁体上，沉积金属层并选择性地使用硅形成硅化物，通过蚀刻除去剩余金属。金属可以是形成PtSi硅化物的铂（Pt）。施加导电但不会氧化的层。

在进一步的步骤S3中，在梁体上沉积牺牲层，也如图5D中所示。在一个可能的实施例中，牺牲层通过原子层沉积ALD形成。在一个优选实施例中，牺牲层的厚度对应于机电致动器1的已限定间隙，其可以在5至50纳米的范围内，优选地约为10纳米。在一个可能的实施例中，通过原子层沉积ALD形成的牺牲层是AL₂O₃。在备选实施例中，牺牲层也可以通过化学气相沉积CVD或等离子体增强化学气相沉积形成。

在进一步的步骤S4中，执行金属沉积，也如图5E中所示。在结构上沉积诸如铂（Pt）之类的金属。

在进一步的步骤S5a中，执行CMP步骤，即机械抛光步骤，如图5F中所示，以获得平坦表面。

最后，在步骤S6，蚀刻在步骤S3中沉积的牺牲层以及SOI结构的绝缘体以将机电致动器的梁体与衬底分隔开，如可以在图5G中看到的。在一个可能的实施例中，这通过气相HF蚀刻执行。如可以在图5G中看到的，可以形成集成式机电致动器1的第一和第二结构化接触梁6、7的结构化梁体能够沿横向被致动或移动以使电极间隙闭合。

根据本发明的可以通过如图4、5中所示制造工艺制造的集成式机电致动器1允许高接通电流和非常低的截止电流。此外，可以以高切换速度执行切换。根据本发明的集成式机电致动器1在器件中占用很小空间，并且可以很容易与其他电子器件（具体地说，CMOS器件）对接。此外，根据本发明的机电致动器1具有几乎为零的漏电流和陡峭的亚阈值斜率，并具有纳秒级的机械延迟。此外，集成式机电致动器1可以很容易地制造，如通过图4、5的制造工艺所示。机电致动器1的另一优势在于机电致动器1的设计可以通过调整相应参数（例如，除其他事项外，根据挠性部分的长度L调整结构化接触梁6、7的挠性部分的弹性常数）而适应特定应用。根据本发明的机电致动器1可以采用对牺牲层厚度的变化相对不敏感的制造工艺来制造。对于倾斜角α=30°，10%的牺牲厚度可变性导致间隙差异变化也为10%。

尽管参考特定实施例描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的情况下，可以做出各种更改并且可以代之以等同物。此外，可以对本发明的教导做出许多修改以适应特定情况或材料而不偏离其范围。因此，并非旨在将本发明限于所公开的特定实施例，而是旨在本发明将包括所有落入所附权利要求的范围内的实施例。例如，不必通过牺牲层获得间隙。此外，在各实施例中，所述静电致动器间隙的设计可以不考虑所述电接触间隙的厚度和所述倾斜角。所述间隙仍可取决于这两个量，但不一定遵循定律g_A=g₀·cos(α)。此外，致动器可以具有面内、面外或垂直之外的配置。同样，在各实施例中，所述接触间隙的厚度不一定在5-50纳米的范围内，倾斜角不一定需要在15-60度的范围内，这取决于特定的应用要求。此外，接触间隙的实际闭合程度取决于具体环境。此外，可以借助除结构化接触梁之外的手段。然而，如果使用接触梁（或接触件等），则对于其确切结构，可以构想各种设计。更一般地，根据本发明的集成式机电致动器的各实施例可以在数字电子电路或计算机硬件中实现。

Claims (15)

1.一种集成式机电致动器（1），包括：

-致动器电极，在所述致动器电极之间具有静电致动器间隙，

-接触电极，在所述接触电极之间具有电接触间隙，

其中在所述致动器电极与所述接触电极之间提供具有倾斜角的倾斜。

2.根据权利要求1的集成式机电致动器，

其中所述电接触间隙的厚度等于牺牲层的厚度。

3.根据权利要求1和2的集成式机电致动器，

其中所述静电致动器间隙的间隙（g_A）取决于所述电接触间隙的厚度（g₀）和所述倾斜角（α），如下所示：

g_A=g₀·cos(α)。

4.根据权利要求1至3的集成式机电致动器，

其中所述机电致动器（1）包括：

面内致动器，

面外致动器，或

垂直致动器。

5.根据权利要求1至4的集成式机电致动器，

其中所述接触间隙的厚度（g₀）在5-50纳米的范围内。

6.根据权利要求1至5的集成式机电致动器，

其中所述倾斜角（α）在15-60度的范围内。

7.根据权利要求1至6的集成式机电致动器，

其中所述机电致动器（1）包括至少一个机电开关。

8.根据权利要求7的集成式机电致动器，

其中在所述机电开关的已致动切换状态下，所述接触间隙闭合，以及

其中在所述机电开关的未致动切换状态下，所述接触间隙未闭合。

9.根据权利要求8的集成式机电致动器，

其中在所述机电开关的已致动切换状态下，固定到接触电极（4、5）的结构化接触梁（6、7）弯曲以响应由所述结构化接触梁（6、7）与致动器电极（2）之间的电场产生的静电力。

10.根据权利要求9的集成式机电致动器，

其中所述结构化接触梁（6、7）包括：

挠性部分（6A、7A），其固定到所述接触电极（4、5），以及刚性部分（6B、7B），其连接到所述挠性部分并在其远端具有电接触表面（6C、7C），所述电接触表面（6C、7C）通过所述电接触间隙而与另一接触电极（3）的电接触表面分隔开。

11.根据权利要求10的集成式机电致动器，

其中所述结构化接触梁（6、7）的所述挠性部分（6A、7A）包括在0.1至10牛/米的范围内的弹性常数。

12.根据权利要求7的集成式机电致动器，

其中所述机电致动器（1）包括：

输入电极（2），其用于施加输入电压，

输出电极（3），其用于提供输出电压，

第一供给电压电极（4），第一结构化接触梁（6）固定到该第一供给电压电极（4），

第二供给电压电极（5），第二结构化接触梁（7）固定到该第二供给电压电极（5），

其中如果施加于所述输入电极（2）的输入电压对应于所述第一供给电压，则固定到所述第二供给电压电极（5）的所述第二结构化接触梁（7）弯曲以响应由所述第二结构化接触梁（7）与所述输入电极（2）之间的电场产生的静电力，以便在所述第二供给电压电极（5）和所述输出电极（3）之间提供接触，

其中如果提供给所述输入电极（2）的输入电压对应于所述第二供给电压，则固定到所述第一供给电压电极（4）的第一结构化接触梁（6）弯曲以响应由所述第一结构化接触梁（6）与所述输入电极（2）之间的电场产生的静电力，以便在所述第一供给电压电极（4）和所述输出电极（3）之间提供接触。

13.一种用于制造集成式机电致动器（1）的方法，所述集成式机电致动器（1）包括：

-致动器电极，在所述致动器电极之间具有静电致动器间隙、

-接触电极，在所述接触电极之间具有电接触间隙，

其中在所述致动器电极与所述接触电极之间提供具有倾斜角（α）的倾斜，

其中每个间隙优选地通过蚀刻具有与所述间隙的厚度对应的厚度的牺牲层来形成。

14.根据权利要求13的用于制造集成式机电致动器的方法，

其中所述牺牲层通过原子层沉积（ALD）、化学气相沉积（CVD）或等离子体增强化学气相沉积来形成。

15.根据权利要求14的用于制造集成式机电致动器的方法，

包括以下步骤：

蚀刻（S1）绝缘体上硅以提供梁体，

对所述梁体执行（S2）选择性硅化，

在所述梁体上形成（S3）牺牲层，

执行（S4）金属沉积，

执行（S5）CMP，

蚀刻（S6）所述牺牲层和所述绝缘体以将所述梁体与衬底分离。

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