CN103964364B - 微纳尺度静电力开关及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微纳尺度静电力开关，包括：衬底，包括绝缘层与背电极；源电极与漏电极，位于衬底上，沿第一方向排列；支撑电极，位于衬底上，沿第二方向排列；石墨烯层，位于支撑电极上并与其电连接；源漏电极连接层，沿第一方向延伸，与源电极和漏电极电连接。依照本发明的微纳尺度静电力开关及其制造方法，采用石墨烯这种单晶薄层导电材料作为膜桥材料，利用电极和支撑电极之间的偏压产生静电力从而将膜桥下拉、形变之后通过金属层将源漏电极连接起来形成开关，开启电压小，不需要较大的驱动电路，能够缩小微纳机械开关的尺寸并与CMOS兼容。

Description

微纳尺度静电力开关及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统（MEMS）及其制造方法，特别是涉及一种可用于半导体集成的微纳尺度静电力开关及其制造方法。

背景技术

传统的微机电系统（MEMS）中通常需要使用微机械开关，以利用电信号操控MEMS构件来实现机械位移或变形。通常，微机械开关至少包括具有开口或凹槽的衬底、构建在衬底上的金属电极以及跨越衬底上金属电极的悬梁臂。悬梁臂通常由绝缘介质制成，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等及其组合。

然而，随着尺寸的缩小和半导体芯片的集成，现有的氮化硅悬臂梁和金属电极的微机械开关由于难以做到很小的尺度下的弯曲已难以满足半导体微机械设计的需求。传统的微机械开关均为几十到几百微米级，所占的面积相对较大，同时开启电压相对较大，一般为10V以上。

因此，亟需设计开启电压小、能够继续缩小尺寸并与CMOS兼容的微机电开关。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种使用石墨烯等单晶材料作为膜桥材料的微纳尺度静电力开关的结构。

具体地，本发明提供了一种微纳尺度静电力开关，包括：衬底，包括绝缘层与背电极；源电极与漏电极，位于衬底上，沿第一方向排列；支撑电极，位于衬底上，沿第二方向排列；石墨烯层，位于支撑电极上并与其电连接；源漏电极连接层，沿第一方向延伸，与源电极和漏电极电连接。

其中，石墨烯层包括单晶结构。

其中，背电极位于绝缘层上方或者下方。

其中，绝缘层和/或背电极上还具有钝化保护层。

其中，石墨烯层与源漏电极连接层之间还具有介质层。

其中，源电极、漏电极、背电极、或支撑电极包括掺杂多晶硅、金属、金属合金、金属氮化物及其组合。

本发明还提供了一种微纳尺度静电力开关的制造方法，包括：在绝缘层上方或者下方形成背电极；在绝缘层上形成支撑电极、源电极和漏电极；在支撑电极上形成石墨烯层，以及形成与源电极和漏电极电连接的源漏电极连接层。

其中，石墨烯层包括单晶结构。

其中，源电极、漏电极、背电极、或支撑电极包括掺杂多晶硅、金属、金属合金、金属氮化物及其组合。

其中，通过CVD、PVD形成源电极、漏电极、背电极、或支撑电极。

其中，石墨烯层通过转移或者直接生长方法形成。

其中，在形成石墨烯层之前还包括：在绝缘层上形成牺牲层；平坦化牺牲层使其与支撑电极齐平。

其中，平坦化牺牲层的工艺包括CMP、回刻、SOG回流。

其中，牺牲层材质与绝缘层不同。

其中，牺牲层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、DLC及其组合。

其中，通过CVD方法形成牺牲层。

其中，形成支撑电极之前进一步包括：在绝缘层和/或背电极上形成钝化保护层。

其中，进一步包括在石墨烯层和源漏电极连接层之间形成介质层。

其中，形成石墨烯层之后进一步包括：采用湿法腐蚀去除牺牲层。

依照本发明的微纳尺度静电力开关及其制造方法，采用石墨烯这种单晶薄层导电材料作为膜桥材料，利用电极和支撑电极之间的偏压产生静电力从而将膜桥下拉、形变之后通过金属层将源漏电极连接起来形成开关，开启电压小，不需要较大的驱动电路，能够缩小微纳机械开关的尺寸并与CMOS兼容。

附图说明

以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：

图1为该微机电开关实例1的剖面图；

图2为该微机电开关实例1的俯视图；

图3为该微机电开关实施例2的剖面图；

图4为该微机电开关实施例2的俯视图。

具体实施方式

本发明通常涉及一种半导体器件及其制造方法。下文的公开提供了两个实施例用来实现本发明的结构。下面结合附图对本发明的实施例进一步说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供了多个实施例，以下根据不同实施例的实现方法详细介绍微纳机电开关的制造方法。

第一实施例

以下将详细介绍源漏连接层1在上的形成方法与结构。

在步骤S101，参考图1，在衬底上形成背电极。

首先，提供绝缘衬底6，例如具有、包含、包括绝缘层6。绝缘衬底的材质可以是氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、玻璃、PSG、BSG、PBSG、塑料、树脂、陶瓷等等及其组合，可以是单层也可以是多个材料层的层叠。绝缘衬底可以完全由上述材料制成，也可以在导电/导热衬底上层叠上述材料的表层，导电/导热衬底例如可以是硅、金属等及其组合。

其次，在绝缘衬底6形成背电极11。形成背电极11的方式可以是先通过PECVD、HDPCVD、UHVCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸发、溅射等方式形成金属材料层，然后再通过等离子体、反应离子刻蚀（RIE）等干法刻蚀来去除掩模图案之外的多余部分，在绝缘衬底6上形成金属材料的背电极11。背电极11的材质例如是Al、Cu、Ag、Au、Ti、Ta、Mo、W等金属及其组合，还可以是这些金属的合金、氮化物及其组合，此外还可以包括掺杂多晶硅。此外，形成背电极11的方式还可以是先在绝缘衬底6上通过上述方法形成较薄的种晶层（seed layer），然后再电镀或者化学镀形成较厚的金属层。在图1、图2中，背电极11位于源漏电极连接层1的下方，因此沿第一方向（垂直图1纸面方向，沿图2中纸面中的上下方向）延伸。

优选地，在绝缘衬底6以及背电极11上形成钝化保护层12，其材质例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、类金刚石无定形碳（DLC）及其组合。钝化保护层12如图2所示，位于整个绝缘衬底6上。

在步骤S102，参照图1，在绝缘衬底6上形成支撑电极4、源电极7和漏电极8。例如，刻蚀钝化保护层12形成若干开口，在开口中通过PECVD、HDPCVD、UHVCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸发、溅射等方式形成金属材料层，其材质例如与背电极11均选自Al、Cu、Ag、Au、Ti、Ta、Mo、W等金属及其组合，还可以是这些金属的合金、氮化物及其组合，此外还可以包括掺杂多晶硅，以用作各个电极。具体地，沿第二方向（图2中长度方向）具有两个支撑电极4，沿第一方向依次具有源电极7和漏电极8。

优选地，在整个器件上例如通过CVD、PVD等方式形成牺牲层5，并通过化学机械抛光（CMP）、回刻、旋涂玻璃（SOG）回流（reflow）等平坦化方法将其磨平。牺牲层5材质例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅及其组合，并且不同于钝化保护层12、绝缘衬底6，以便提高稍后刻蚀的选择性。

在步骤S103，在牺牲层5上以转移或者生长的方式依次形成石墨烯层3、介质层2以及源漏电极连接层1，并通过光刻/刻蚀完成图形化。

以上各层可以是PECVD、HDPCVD、UHVCVD、MOCVD、MBE、ALD、蒸发、溅射等CVD或PVD方式来生长形成，也可以是先生长在其他支撑衬底（未示出）上、然后再与带有牺牲层5的绝缘衬底6相键合并且剥离支撑衬底来转移形成。

其中，石墨烯层3优选是单晶的，但也可以是多晶、非晶等其他晶体结构与单晶层的层叠组合。使用石墨烯等单晶材料作为膜桥材料的微纳尺度静电力开关结构。优选地，使用CVD制备的单层或多层石墨烯引入作为弹性材料。由于石墨烯具有很薄的厚度和非常好的机械性能，在上下电极加入一个较小的电势差就能将上电极的石墨烯膜桥拉下来，同时石墨烯介质层上淀积的金属电极将前后的两个电极连接起来实现电路导通。因此，使得本发明具有开启电压小，开关电流比高，能够继续缩小尺寸以及与CMOS兼容的优势，可以广泛用于超大规模集成电路中。如图2所示，石墨烯层3用作膜桥、悬梁臂，因此位于两个支撑电极4之间并沿第二方向延伸。

介质层2的材质与绝缘衬底6、钝化保护层12类似或相同，在此不再赘述，但是不同于牺牲层5。介质层2形成在石墨烯层3的上方，以实现石墨烯层3（可以导电）与源漏电极连接层1之间的绝缘隔离。因此，介质层2大体也沿第二方向延伸，并且在第一方向上的宽度/长度要大于石墨烯层3。

源漏电极连接层1的材质与支撑电极4、背电极11类似，均可以选自Al、Cu、Ag、Au、Ti、Ta、Mo、W等金属及其组合，还可以是这些金属的合金、氮化物及其组合，此外还可以包括掺杂多晶硅。源漏电极连接层1沿第一方向延伸，其在第二方向上的宽度/长度要小于介质层2，以便良好绝缘隔离。

最终，在步骤S104，选择性刻蚀去除牺牲层5，完成器件制作，得到如图1、2所示的实施例1的器件结构。选择性刻蚀的方法例如是湿法腐蚀，针对氧化硅材料可以选用HF基刻蚀液，例如稀释HF酸（dHF）、缓释刻蚀剂（dBOE）；针对氮化硅材质可以选用热磷酸；其他材料可以选用强酸（硫酸、硝酸）与强氧化剂（双氧水、臭氧）的组合，并调节配比以提高刻蚀选择性。

最终得到的器件结构如图1、图2所示，包括绝缘衬底6，绝缘衬底6上支撑电极4、源漏电极7/8与背电极11，支撑电极4上的石墨烯层3，石墨烯层3上的介质层2和源漏电极连接层1。其中，石墨烯层3用作开关的悬梁臂，具有很薄的厚度和非常好的机械性能，在上下电极加入一个较小的电势差就能将上电极的石墨烯膜桥拉下来，同时石墨烯介质层上淀积的金属电极将前后的两个电极连接起来实现电路导通。因此，使得本发明具有开启电压小，开关电流比高，能够继续缩小尺寸以及与CMOS兼容的优势，可以广泛用于超大规模集成电路中。

第二实施例

与实施例1类似，以下将详细介绍源漏连接层1在下的形成方法与结构。

在步骤S201，提供具有绝缘层6和半导体层13（例如Si、Ge、SiGe、SiC、GaAs等半导体材料）的衬底。绝缘层6材质可以是氮化硅、氮氧化硅、氧化硅、玻璃、PSG、BSG、PBSG、塑料、树脂、陶瓷等等及其组合，可以是单层也可以是多个材料层的层叠。绝缘层6可以通过CVD、PVD等方式沉积在半导体层13上，也可以键合在其上。如图3所示，绝缘层6可以具有开口，以形成下凹的空腔。

在半导体层13背面执行离子注入，掺入B、P、C、N、S、As等杂质并退火激活，使得半导体层13构成背电极13。此外，也可以将半导体层13替换为金属材料，执行构成背电极13。

优选地，在绝缘层6以及背电极13上形成钝化保护层12，其材质例如是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、类金刚石无定形碳（DLC）及其组合。钝化保护层12如图3所示，位于绝缘层6上、侧面以及背电极13上。

在步骤S202，与实施例1类似，在绝缘层6上的钝化保护层12上形成支撑电极4、源电极7和漏电极8。并通过CVD的方式淀积上牺牲层5并通过化学机械平坦化等方法将其磨平，牺牲层5的上表面与支撑电极4上表面齐平。各层形成工艺、材料、布局位置与实施例1相同。

在步骤S203，与实施例1类似，以转移或者生长的方式顺序完成源漏电极连接层1、石墨烯层3和介质层2的形成，通过光刻/刻蚀完成图形化。各层形成工艺、材料、布局位置与实施例1相同，只是顺序不同，也即：在实施例1中，先形成石墨烯层3、再形成介质层2、最后形成源漏电极连接层1；而在实施例2中，先形成源漏电极连接层1（在牺牲层5中刻蚀形成第一凹槽并沉积导电材料）、再形成介质层2（在牺牲层5中刻蚀形成第二凹槽并沉积介质材料）、最后形成石墨烯层3（在牺牲层5上沉积）。各层的平面几何关系如图4所示，与图2所示类似，源漏电极连接层1沿第一方向延伸并接触源漏电极7/8，介质层2大体沿第二方向延伸、位于源漏电极连接层1上方、并在第二方向上宽度大于源漏电极连接层1，石墨烯层3位于介质层2上方、沿第二方向延伸、在第一方向上宽度小于介质层2。

在步骤S204，与实施例1类似，腐蚀去除掉牺牲层5，在上方的石墨烯层3与下方的钝化保护层12之间留下空腔，完成器件的制作。

最终得到的器件结构如图3、图4所示，包括背电极13，背电极13上的绝缘层6，绝缘层6上的支撑电极4、源漏电极7/8与背电极11，支撑电极4上的石墨烯层3，石墨烯层3下方的介质层2和源漏电极连接层1。其中，石墨烯层3用作开关的悬梁臂，具有很薄的厚度和非常好的机械性能，在上下电极加入一个较小的电势差就能将上电极的石墨烯膜桥拉下来，同时石墨烯介质层上淀积的金属电极将前后的两个电极连接起来实现电路导通。因此，使得本发明具有开启电压小，开关电流比高，能够继续缩小尺寸以及与CMOS兼容的优势，可以广泛用于超大规模集成电路中。

通过采用本发明的主要思路和方法，使微机电开关能够在更小的亚微米尺度下完成加工，并能够有效降低开启电压，从而使微机电传感器和逻辑芯片的集成，实现片上系统成为了可能。

依照本发明的微纳尺度静电力开关及其制造方法，采用石墨烯这种单晶薄层导电材料作为膜桥材料，利用电极和支撑电极之间的偏压产生静电力从而将膜桥下拉、形变之后通过金属层将源漏电极连接起来形成开关，开启电压小，不需要较大的驱动电路，能够缩小微纳机械开关的尺寸并与CMOS兼容。

虽然关于示例实施例机器优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神及其附属权利要求限定的保护范围的情况下，可对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应该容易理解在保持本发明保护范围的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易的理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (17)

1.一种微纳尺度静电力开关，包括：

衬底，包括绝缘层与背电极；

源电极与漏电极，位于衬底上，沿第一方向排列；

支撑电极，位于衬底上，沿第二方向排列；

石墨烯层，位于支撑电极上并与其电连接；

源漏电极连接层，沿第一方向延伸，与源电极和漏电极电连接；

介质层，在石墨烯层与源漏电极连接层之间。

2.如权利要求1的微纳尺度静电力开关，其中，石墨烯层包括单晶结构。

3.如权利要求1的微纳尺度静电力开关，其中，背电极位于绝缘层上方或者下方。

4.如权利要求1的微纳尺度静电力开关，其中，绝缘层和/或背电极上还具有钝化保护层。

5.如权利要求1的微纳尺度静电力开关，其中，源电极、漏电极、背电极、或支撑电极包括掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合。

6.一种微纳尺度静电力开关的制造方法，包括：

在绝缘层上方或者下方形成背电极；

在绝缘层上形成支撑电极、源电极和漏电极；

在支撑电极上形成石墨烯层，以及形成与源电极和漏电极电连接的源漏电极连接层，

其中，进一步包括在石墨烯层和源漏电极连接层之间形成介质层。

7.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，石墨烯层包括单晶结构。

8.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，源电极、漏电极、背电极、或支撑电极包括掺杂多晶硅、金属、金属氮化物及其组合。

9.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，通过CVD、PVD形成源电极、漏电极、背电极、或支撑电极。

10.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，石墨烯层通过转移或者直接生长方法形成。

11.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，在形成石墨烯层之前还包括：在绝缘层上形成牺牲层；平坦化牺牲层使其与支撑电极齐平。

12.如权利要求11的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，平坦化牺牲层的工艺包括CMP、回刻、SOG回流。

13.如权利要求11的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，牺牲层材质与绝缘层不同。

14.如权利要求11的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，牺牲层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、DLC及其组合。

15.如权利要求11的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，通过CVD方法形成牺牲层。

16.如权利要求11的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，形成石墨烯层之后进一步包括：采用湿法腐蚀去除牺牲层。

17.如权利要求6的微纳尺度静电力开关的制造方法，其中，形成支撑电极之前进一步包括：在绝缘层和/或背电极上形成钝化保护层。