微纳尺度静电力开关及其制造方法技术

本发明专利技术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。依照本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
微纳尺度静电力开关及其制造方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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。依照本专利技术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专利技术的技术方案，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。具体实施方式本专利技术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专利技术的结构。下面结合附图对本专利技术的实施例进一步说明，本实施例在以本专利技术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，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。本专利技术提供了多个实施例，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（seedlayer），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，使得本专利技术具有开启电压小，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，因此位于本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂鹏飞，朱慧珑，粟雅娟，贾昆鹏，杨杰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11