CN102862949A

CN102862949A - 基于倒置工艺的双臂梁mems器件及其形成方法

Info

Publication number: CN102862949A
Application number: CN2012103316613A
Authority: CN
Inventors: 伍晓明; 肖柯; 吕宏鸣; 钱鹤; 吴华强
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2012-09-07
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2032-09-07
Also published as: CN102862949B

Abstract

本发明公开了一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件及其形成方法，该方法包括：提供衬底；依次在衬底上形成过渡层、底层电极和层间介质层；在层间介质层上形成上层电极层；刻蚀上层电极层和层间介质层以形成开口，露出底层电极的一部分，并且将上层电极层形成第一上层电极与第二上层电极；在第一上层电极与第二上层电极之上形成二维材料薄膜，其中，二维材料薄膜跨过开口；以及分别在二维材料薄膜两端上方形成第一金属接触和第二金属接触，其中，第一金属接触与第一上层电极的至少一部分相连，第二金属接触与第二上层电极的至少一部分相连。本发明的方法工艺成熟、易于实现，器件接触电阻小、稳定可靠。

Description

基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件及其形成方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件及其形成方法。

背景技术

近年来，石墨烯薄膜材料的力学性能研究成为研究热点。研究这类微尺寸材料力学性能的通常做法是，设计双臂梁MEMS器件并研究微尺寸材料在电场下的震动、形变、扭曲等力学形态，探索其基于力学性质的潜在应用。

现有的石墨烯薄膜双臂梁MEMS器件如图1所示，其形成方法为：在Si衬底100’上热氧化形成SiO₂层200’并开口；在开口上方转接石墨烯薄膜600’；随后制作两个电极301’和302’。现有技术方案中，具有如下困难：在石墨烯600’上难以直接形成金属电极301’和302’，并且最终得到的器件的接触电阻较大；在形成石墨烯薄膜600’后加工电极仍需多个工艺步骤，容易将石墨烯薄膜600’污染甚至损坏，对于保护其优良电学性能不利，工艺精确度难以得到保证。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，该方法具有易于实现、稳定可靠的优点。

本发明的实施例公开了一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底之上形成过渡层；在所述过渡层之上形成底层电极；在所述底层电极之上形成层间介质层，其中，所述层间介质层覆盖所述底层电极；在所述层间介质层上形成上层电极层；刻蚀所述上层电极层和所述层间介质层以形成开口，露出所述底层电极的一部分，并且将所述上层电极层形成第一上层电极与第二上层电极；在所述第一上层电极与第二上层电极之上形成二维材料薄膜，其中，所述二维材料薄膜跨过所述开口；以及分别在所述二维材料薄膜两端上方形成第一金属接触和第二金属接触，其中，所述第一金属接触与所述第一上层电极的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二上层电极的至少一部分相连。

在本发明形成方法的一个实施例中，还包括：在形成所述底层电极的同时形成底层电极引线；以及在形成所述第一上层电极和第二上层电极的同时形成上层电极引线。

在本发明形成方法的一个实施例中，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明形成方法的一个实施例中，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明形成方法的一个实施例中，所述二维材料薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。

在本发明形成方法的一个实施例中，所述二维材料薄膜为石墨烯薄膜时，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述石墨烯薄膜。

本发明的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，具有如下优点：（1）该方法首先在过渡层上依次形成底层电极、层间介质以及上层电极，工艺较成熟，可以保证器件结构的精度；（2）由于第一上层电极和第二上层电极在同一平面上，在形成二维材料薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的薄膜-电极接触，相比现有技术在薄膜上形成底电极更容易实现；（3）形成二维材料薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成欧姆接触，避免了复杂加工对二维材料薄膜的沾污或损害；（4）接触电阻因为金属-二维材料薄膜-金属两面夹的结构而阻值较小。

本发明的另一目的在于提出一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，该器件具有易于加工形成，稳定可靠的优点。

本发明的实施例还公开了一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，包括：衬底；形成在所述衬底之上的过渡层；形成在所述过渡层之上的底层电极；形成在所述底层电极之上的层间介质层，其中，所述层间介质层覆盖所述底层电极，且所述层间介质层具有开口，所述开口露出所述底层电极的一部分；形成在所述层间介质层上的第一上层电极和第二上层电极，其中所述第一上层电极和第二上层电极位于所述开口的两侧；形成在所述第一上层电极与第二上层电极之上的二维材料薄膜，其中，所述二维材料薄膜跨过所述开口；以及形成在所述二维材料薄膜两端上方的第一金属接触和第二金属接触，其中，所述第一金属接触与所述第一上层电极层的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二上层电极层的至少一部分相连。

在本发明器件的一个实施例中，还包括：底层电极引线和上层电极引线，其中，所述底层电极引线与所述底层电极同时形成，以及所述上层电极引线与所述第一上层电极和第二上层电极同时形成。

在本发明器件的一个实施例中，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明器件的一个实施例中，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明器件的一个实施例中，所述二维材料薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。

在本发明器件的一个实施例中，所述二维材料薄膜为石墨烯薄膜时，所述石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成。

本发明的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，具有如下优点：（1）该方法首先在过渡层上依次形成底层电极、层间介质以及上层电极，工艺较成熟，可以保证器件结构的精度；（2）由于第一上层电极和第二上层电极在同一平面上，在形成二维材料薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的薄膜-电极接触，相比现有技术在薄膜上形成底电极更容易实现；（3）形成二维材料薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成欧姆接触，避免了复杂加工对二维材料薄膜的沾污或损害；（4）接触电阻因为金属-二维材料薄膜-金属两面夹的结构而阻值较小。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术的石墨烯薄膜双臂梁MEMS器件的结构示意图；

图2-图9为本发明一个实施例的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法的示意图；和

图10为本发明一个实施例的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

下面参考图2至图10来具体阐述根据本发明实施例的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件及其形成方法。

本发明提出的一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件形成方法，包括以下步骤：

步骤S1，提供衬底100。

具体地，如图2所示，提供衬底100。衬底100可采用单面抛光的高阻Si衬底，晶向<100>，掺杂为N型。

步骤S2，在衬底100之上形成过渡层200。

具体地，如图3所示，对衬底100的上表面进行热氧化处理，使Si转变为SiO₂，作为过渡层200，厚度为0.7-1μm。

步骤S3，在过渡层200之上形成底层电极300。

具体地，首先通过溅射等方式在过渡层200上形成一层金属（例如：Al），厚度约0.7μm，随后通过光刻工艺刻蚀以形成底层电极300。

优选地，在过渡层200之上形成底层电极300的同时，还可以在过渡层200之上形成底层电极引线（图中未示出）。

步骤S4，在底层电极300之上形成层间介质层400，其中，层间介质层400覆盖底层电极300。

步骤S5，在层间介质层400上形成上层电极层500。

步骤S6，刻蚀上层电极层500和层间介质层400以形成开口，露出底层电极300的一部分，并且将上层电极层500形成第一上层电极501与第二上层电极502。

优选地，在光刻形成第一上层电极501与第二上层电极502的同时，还可以在层间介质400之上形成上层电极引线（图中未示出）。

步骤S7，在第一上层电极501与第二上层电极502之上形成二维材料薄膜600，其中，二维材料薄膜600跨过开口。其中，二维材料薄膜可为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜等等。

具体地，在一个优选实施例中，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移方法，在第一上层电极501与第二上层电极502之上形成石墨烯薄膜600。由于第一上层电极501与第二上层电极502处于同一平面上，因此沉积的石墨烯薄膜可以利用气压平整紧密地贴合在第一上层电极501与第二上层电极502顶部，有效避免了转移覆盖不紧密，达到紧密吸附的有益效果。

步骤S8，分别在二维材料薄膜600两端上方形成第一金属接触701和第二金属接触702，其中，第一金属接触层701与第一上层电极501的至少一部分相连，第二金属接触层702与第二上层电极502的至少一部分相连。

具体地，可以通过蒸发等工艺形成几十纳米（通常取经验值40nm）厚度的金属材料及金属材料的组合（例如：Ti+Au，Ti+Pd+Au，Pd+Au），以形成欧姆接触900。

综上，本发明的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件形成方法，首先制作两端电极及相应连线，随后对电极层以及层间介质层腐蚀开槽，随即平铺上二维薄膜材料，最后蒸镀金属后两端电极处形成金属-二维薄膜-金属的层夹结构，提高了强度。该方法具有如下优点：（1）该方法首先在过渡层上依次形成底层电极、层间介质以及上层电极，工艺较成熟，可以保证器件结构的精度；（2）由于第一上层电极和第二上层电极在同一平面上，在形成二维材料薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的薄膜-电极接触，相比现有技术在薄膜上形成底电极更容易实现；（3）形成二维材料薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成欧姆接触，避免了复杂加工对二维材料薄膜的沾污或损害；（4）接触电阻因为金属-二维材料薄膜-金属两面夹的结构而阻值较小。

本发明的还提出了一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，如图10所示，包括：衬底100；形成在衬底100之上的过渡层200；形成在过渡层200之上的底层电极300；形成在底层电极300之上的层间介质层400，其中，层间介质层400覆盖底层电极300，且层间介质层400具有开口，开口露出底层电极300的一部分；形成在层间介质层400上的第一上层电极501和第二上层电极502，其中第一上层电极501和第二上层电极502位于开口的两侧；形成在第一上层电极501与第二上层电极502之上的二维材料薄膜600，其中，二维材料薄膜600跨过开口；以及形成在二维材料薄膜600两端上方的第一金属接触701和第二金属接触702，其中，第一金属接触701与第一上层电极层501的至少一部分相连，第二金属接触702与第二上层电极层502的至少一部分相连。

在本发明器件的一个实施例中，还包括：底层电极引线和上层电极引线（图中未示出），其中，底层电极引线与底层电极300同时形成，以及上层电极引线与第一上层电极501和第二上层电极502同时形成。

在本发明器件的一个实施例中，过渡层200为通过热氧化形成的SiO₂。

在本发明器件的一个实施例中，层间介质层400为通过沉积形成的SiO₂。

在本发明器件的一个实施例中，二维材料薄膜600可为单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜等等。

在本发明器件的一个实施例中，二维材料薄膜600为石墨烯薄膜时，石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成。

本发明的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件中，二维薄膜材料下方的底层电极和上层电极为悬臂梁施加电场，整个器件用于研究二维薄膜材料在电场下的震动、形变、扭曲等力学形态，探索其基于力学性质的潜在应用。本发明的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，具有如下优点：（1）该方法首先在过渡层上依次形成底层电极、层间介质以及上层电极，工艺较成熟，可以保证器件结构的精度；（2）由于第一上层电极和第二上层电极在同一平面上，在形成二维材料薄膜的过程中，可利用气压形成平整、紧密的薄膜-电极接触，相比现有技术在薄膜上形成底电极更容易实现；（3）形成二维材料薄膜之后的工序少，仅需要蒸发金属以形成欧姆接触，避免了复杂加工对二维材料薄膜的沾污或损害；（4）接触电阻因为金属-二维材料薄膜-金属两面夹的结构而阻值较小。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供衬底；

在所述衬底之上形成过渡层；

在所述过渡层之上形成底层电极；

在所述底层电极之上形成层间介质层，其中，所述层间介质层覆盖所述底层电极；

在所述层间介质层上形成上层电极层；

刻蚀所述上层电极层和所述层间介质层以形成开口，露出所述底层电极的一部分，并且将所述上层电极层形成第一上层电极与第二上层电极；

在所述第一上层电极与第二上层电极之上形成二维材料薄膜，其中，所述二维材料薄膜跨过所述开口；以及

分别在所述二维材料薄膜两端上方形成第一金属接触和第二金属接触，其中，所述第一金属接触与所述第一上层电极的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二上层电极的至少一部分相连。

2.如权利要求1所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，还包括：在形成所述底层电极的同时形成底层电极引线；以及在形成所述第一上层电极和第二上层电极的同时形成上层电极引线。

3.如权利要求1所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

4.如权利要求1所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

5.如权利要求1所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述二维材料薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。

6.如权利要求5所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述二维材料薄膜为石墨烯薄膜时，通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成所述石墨烯薄膜。

7.一种基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，包括以下部分：

衬底；

形成在所述衬底之上的过渡层；

形成在所述过渡层之上的底层电极；

形成在所述底层电极之上的层间介质层，其中，所述层间介质层覆盖所述底层电极，且所述层间介质层具有开口，所述开口露出所述底层电极的一部分；

形成在所述层间介质层上的第一上层电极和第二上层电极，其中所述第一上层电极和第二上层电极位于所述开口的两侧；

形成在所述第一上层电极与第二上层电极之上的二维材料薄膜，其中，所述二维材料薄膜跨过所述开口；以及

形成在所述二维材料薄膜两端上方的第一金属接触和第二金属接触，其中，所述第一金属接触与所述第一上层电极层的至少一部分相连，所述第二金属接触与所述第二上层电极层的至少一部分相连。

8.如权利要求7所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，还包括：底层电极引线和上层电极引线，其中，所述底层电极引线与所述底层电极同时形成，以及所述上层电极引线与所述第一上层电极和第二上层电极同时形成。

9.如权利要求7所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，所述过渡层为通过热氧化形成的SiO₂。

10.如权利要求7所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，所述层间介质层为通过沉积形成的SiO₂。

11.如权利要求7所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，所述二维材料薄膜包括单层石墨烯、双层石墨烯、多层石墨烯、硫化钼薄膜或氮化硼薄膜。

12.如权利要求11所述的基于倒置工艺的双臂梁MEMS器件，其特征在于，所述二维材料薄膜为石墨烯薄膜时，所述石墨烯薄膜通过Cu衬底上CVD后化学湿法转移，或者Pt衬底上CVD后电化学法转移以形成。