本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種微納機電開關(guān)及其制造方法。

背景技術(shù)：

互補金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)的出現(xiàn)為半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展提供了強大的動力，在制作微型化、快速、低成本的電子產(chǎn)品方面取得了巨大的成功。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，CMOS晶體管的特征尺寸進入納米級別，CMOS正面臨巨大的發(fā)展瓶頸，柵極泄漏、短溝道效應(yīng)、PN結(jié)泄漏等極大地阻礙了集成電路的進一步發(fā)展。但與此同時，微納機電開關(guān)的出現(xiàn)在很大程度上彌補了半導(dǎo)體開關(guān)的不足。微納機電開關(guān)具有體積小、速度快、功耗低等特點，由于物理氣隙的存在，其斷路時的泄漏電流幾乎為零，而且具有延遲效應(yīng)。隨著科技的進步，航空航天、通訊、計算機等高端前沿領(lǐng)域?qū)Φ凸奈⑿推骷男枨笞兊糜葹槠惹?，?dāng)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)已無法滿足這種需求的同時，微納機電關(guān)極可能擔(dān)當(dāng)起這一重要使命。

靜電驅(qū)動型微機電開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、控制方便，并且其功耗小、響應(yīng)頻率高、便于集成，是目前微納機電開關(guān)的研究熱點。閾值電壓是靜電型微納機電開關(guān)最重要的性能參數(shù)，同時也是制約微納機電開關(guān)發(fā)展的最大障礙。分析表明，氣隙(驅(qū)動電極與彈性梁之間的氣體間隙)是影響靜電微納機電開關(guān)的主要因素之一，在其它參數(shù)不變的情況下，氣隙值越小，閾值電壓越小。傳統(tǒng)的靜電微納機電開關(guān)多為縱向驅(qū)動，工藝復(fù)雜且不便于集成，閾值電壓高達幾十伏特甚至一百伏特以上。

因此，橫向驅(qū)動型的靜電微納機電開關(guān)成為目前的研究趨勢。對于橫向驅(qū)動型的靜電微納機電開關(guān)，氣隙多由光刻后刻蝕形成，因此光刻的精度成為影響氣隙值的主要因素，目前紫外光刻所能達到的最小尺寸在100nm以上，普通的紫外光刻甚至高達500nm，極大地阻礙了微納機電開關(guān)閾值電壓的降低。針對上述問題，研究人員將目光投向了更先進的電子束光刻技術(shù)，電子束光刻技術(shù)能寫出精度值在50nm左右的溝槽結(jié)構(gòu)，再小的結(jié)構(gòu)電子束光刻(例如小于20nm)也就無能為力了，而且，該技術(shù)的成本相對較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此如何進一步減小微納機電開關(guān)的氣隙成為亟待解決的工作重點。

針對上述情況，急需提供一種新穎的微納機電開關(guān)及其制造方法，解決目前光刻技術(shù)對氣隙值的限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明的實施例公開了一種微納機電開關(guān)，包括：半導(dǎo)體襯底；絕緣層，位于所述半導(dǎo)體襯底之上；位于絕緣層之上的浮置的懸梁臂；位于絕緣層之上的一對驅(qū)動電極和一對接觸電極，其中一對驅(qū)動電極位于懸梁臂的兩側(cè)并且與懸梁臂之間通過氣隙隔離，一對接觸電極位于懸梁臂的兩側(cè)并且與懸梁臂和驅(qū)動電極之間通過氣隙隔離。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，懸梁臂和電極的材料可以包括：多晶硅、摻雜多晶硅、SiGe、SiC、Al、Ti或TiAl中任一種或多種的組合。絕緣層可以包括氧化硅、氮化硅或者氮氧化硅。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，氣隙的大小可以為：1nm-100nm，例如可以是3nm，5nm、7nm或幾十nm。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，懸梁臂的兩端分別為第一端和第二端，其中第一端與錨區(qū)相接，并且錨區(qū)固定于絕緣層上，第二端靠近接觸電極。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，一對驅(qū)動電極包括第一驅(qū)動電極和第二驅(qū)動電極，一對接觸電極包括第一接觸電極和第二接觸電極，并且第一驅(qū)動電極和第一接觸電極位于懸梁臂的其中一側(cè)，第二驅(qū)動電極和第二接觸電極位于懸梁臂的另一側(cè)，一對驅(qū)動電極與懸梁臂之間的氣隙大小等于一對接觸電極與懸梁臂之間的氣隙大小。

為了解決上述問題，本發(fā)明的實施例還公開了一種微納機電開關(guān)的制造方法，包括：提供半導(dǎo)體襯底；在所述半導(dǎo)體襯底上形成絕緣層；在所述絕緣層上形成懸梁臂以及一對驅(qū)動和電極和一對接觸電極，其中懸梁臂的側(cè)壁和底部被犧牲層包圍，一對驅(qū)動電極位于懸梁臂的兩側(cè)并且與懸梁臂之間通過犧牲層隔離，一對接觸電極位于懸梁臂的兩側(cè)并且與懸梁臂和驅(qū)動電極之間通過犧牲層隔離；去除所述犧牲層從而形成浮置的懸梁臂，一對驅(qū)動電極與懸梁臂之間通過氣隙隔離，一對接觸電極與懸梁臂和驅(qū)動電極之間通過氣隙隔離。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，在所述絕緣層上形成懸梁臂以及一對驅(qū)動電極和一對接觸電極的步驟包括：在所述絕緣層上淀積第一導(dǎo)電層，并圖案化為需要的電極，包括一對驅(qū)動電極和一對接觸電極；在所述電極上淀積犧牲層；在犧牲層上淀積第二導(dǎo)電層，第二導(dǎo)電層嵌入所述一對驅(qū)動電極之間的區(qū)域和一對接觸電極之間的區(qū)域；對所述第二導(dǎo)電層、犧牲層以及電極進行平坦化處理，至電極、犧牲層和第二導(dǎo)電層同時露出，平坦化處理后的第二導(dǎo)電層形成為懸梁臂。其中平坦化處理的方法可以包括CMP。

根據(jù)本發(fā)明實施例的一個方面，一對驅(qū)動電極包括第一驅(qū)動電極和第二驅(qū)動電極，一對接觸電極包括第一接觸電極和第二接觸電極，并且第一驅(qū)動電極和第一接觸電極位于懸梁臂的其中一側(cè)，第二驅(qū)動電極和第二接觸電極位于懸梁臂的另一側(cè)，一對驅(qū)動電極與懸梁臂之間的氣隙大小等于一對接觸電極與懸梁臂之間的氣隙大小。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，犧牲層的厚度可以為1-100nm；犧牲層和絕緣層的材料包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面，第一導(dǎo)電層和第二導(dǎo)電層的材料可以包括：多晶硅、摻雜多晶硅、SiGe、SiC、Al、Ti或TiAl中任一種或多種的組合。

本發(fā)明立足于現(xiàn)有的工藝條件和手段，設(shè)計了一種橫向型靜電開關(guān)結(jié)構(gòu)，并利用創(chuàng)新性的工藝手段有效降低了微納機電開關(guān)的氣隙，減小了閾值電壓。針對上述情況，本發(fā)明結(jié)合犧牲層技術(shù)和CMP(化學(xué)機電研磨)技術(shù)，設(shè)計了一種新穎的工藝流程，解決了光刻技術(shù)對氣隙值的限制。利用該發(fā)明，可以將微納機電開關(guān)的氣隙值縮小到10nm之內(nèi)甚至接近于零。氣隙大小可以取決于犧牲層的厚度，其極限值由犧牲層制備工藝確定，非傳統(tǒng)工藝中通常由光刻工藝確定，后者的工藝窗口遠遠小于前者。

附圖說明

通過以下參照附圖對本公開實施例的描述，本公開的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點將更為清楚，在附圖中：

圖1示意性示出了根據(jù)本公開的一個實施例微納機電開關(guān)的示意圖。

圖2-7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明公開的實施例制造圖1所示的微納機電開關(guān)各個中間過程中的沿A-A’的切面示意圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來描述本公開的實施例。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本公開的范圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本公開的概念。

在附圖中示出了根據(jù)本公開實施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達的目的，放大了某些細節(jié)，并且可能省略了某些細節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實際所需可以另外設(shè)計具有不同形狀、大小、相對位置的區(qū)域/層。

在本公開的上下文中，當(dāng)將一層/元件稱作位于另一層/元件“上”時，該層/元件可以直接位于該另一層/元件上，或者它們之間可以存在居中層/元件。另外，如果在一種朝向中一層/元件位于另一層/元件“上”，那么當(dāng)調(diào)轉(zhuǎn)朝向時，該層/元件可以位于該另一層/元件“下”。

根據(jù)本發(fā)明公開的實施例，提供了一種微納機電開關(guān)及其制造方法，通過犧牲層將懸梁臂和之間進行隔離，之后再將犧牲層去除從而得到氣隙，由于犧牲層的厚度能夠有效調(diào)節(jié)，因此在將犧牲層去除后得到的氣隙寬度也可調(diào)節(jié)，這樣就避免了通過復(fù)雜的光刻技術(shù)得到氣隙，降低了工藝難度。

如圖1所示，為根據(jù)本發(fā)明實施例得到的一個微納機電開關(guān)10的示意圖。這個微納機電開關(guān)10設(shè)置于半導(dǎo)體襯底100上，襯底100上優(yōu)選還有一層絕緣層200。在絕緣層200上有浮置的懸梁臂410。在懸梁臂410的兩側(cè)有至少一對驅(qū)動電極310和一對接觸電極320。其中，懸梁臂410和驅(qū)動電極310以及接觸電極320之間通過氣隙500隔離，位于同一側(cè)的驅(qū)動電極310和接觸電極320通過氣隙500隔離，懸梁臂410和絕緣層200之間也通過氣隙500隔離。懸梁臂410的其中一端與瞄區(qū)600相接，瞄區(qū)600一般固定于半導(dǎo)體襯底上；懸梁臂410的另一端靠近接觸電極320。

在本發(fā)明的實施例中，半導(dǎo)體襯底可以是單晶硅、多晶硅、SiGe、SiC或其他復(fù)合半導(dǎo)體材料，本發(fā)明的實施例對此不做限制。懸梁臂410、驅(qū)動電極310和接觸電極320電極的材料可以包括：多晶硅、摻雜多晶硅、SiGe、SiC、Al、Ti或TiAl中任一種或多種的組合。懸梁臂410和電極的材料可以選擇相同或者不同。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，懸梁臂410和電極的材料都為多晶硅。絕緣層200的材料可以包括氧化硅、氮化硅或氮氧化硅，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，絕緣層200的材料選擇SiO₂,可以通過熱氧化的辦法形成。氣隙的大小可以為：1nm到數(shù)十乃至數(shù)百nm，其厚度由犧牲層的生長厚度所決定，例如可以是1nm、10nm或100nm均可。

一對驅(qū)動電極310包括第一驅(qū)動電極和第二驅(qū)動電極，和一對接觸電極320包括第一接觸電極和第二接觸電極。其中第一驅(qū)動電極和第一接觸電極位于懸梁臂410的同一側(cè)，第二驅(qū)動電極和第二接觸電極位于懸梁臂410的另一側(cè)。一對驅(qū)動電極310與懸梁臂410之間的氣隙大小等于一對接觸電極320與懸梁臂410之間的氣隙大小。

該微納機電開關(guān)10的工作原理：初始狀態(tài)下，驅(qū)動電極310和懸梁臂410間無電位差，由于氣隙500的存在，開關(guān)處于斷開狀態(tài)。當(dāng)給驅(qū)動電極310和懸梁臂410之間施加上電壓之后，懸梁臂410在靜電力的驅(qū)動下向接觸電極320方向運動，直到與接觸電極320接觸，此時開關(guān)處于閉合狀態(tài)。在移除電壓后，懸梁臂410的彈力使其恢復(fù)到初始位置，開關(guān)重新回到斷開狀態(tài)。

以下將結(jié)合附圖2-7對本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例微納機電開關(guān)的制造方法進行詳細說明。

如圖2所示，首先提供一個半導(dǎo)體襯底100。半導(dǎo)體襯底100優(yōu)選為單晶硅，還可以是多晶硅、SiGe、SiC或其他復(fù)合半導(dǎo)體材料，本發(fā)明的實施例對此不做限制。接著在半導(dǎo)體襯底100上形成絕緣層200。形成的絕緣層可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者是其他介質(zhì)材料，在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，通過熱氧化的方法在硅襯底上形成SiO₂層200。

接著，如圖3所示，在所述絕緣層200上形成在所述絕緣層上淀積第一導(dǎo)電層300，并圖案化為需要的電極。第一導(dǎo)電層300的材料可以包括多晶硅、摻雜多晶硅、SiGe、SiC、Al、Ti或TiAl中任一種或多種的組合。圖案化第一導(dǎo)電層300的方法可以是常規(guī)的方法，例如，在第一導(dǎo)電層上形成預(yù)設(shè)的光刻膠圖案，然后對第一導(dǎo)電層300進行刻蝕，并最后去除光刻膠。第一導(dǎo)電層圖案化后成為需要的電極，包括一對驅(qū)動電極和一對接觸電極，并且一對驅(qū)動電極之間的區(qū)域和一對接觸電極之間的區(qū)域?qū)?yīng)要形成的懸臂梁。

接著，如圖4所示，在整個半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上淀積一層犧牲層700。犧牲層的厚度可以是1nm到數(shù)十乃至數(shù)百nm，其厚度由犧牲層的生長厚度所決定，例如可以是1nm、10nm或100nm均可。。犧牲層700的材料可以是氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或者其他能夠通過干法刻蝕掉的材料，在本發(fā)明的實施例中優(yōu)選采用SiO₂。后續(xù)該機電開關(guān)氣隙的大小主要由犧牲層700的厚度決定，而目前SiO₂的生長工藝已經(jīng)十分成熟，能夠生長小于5nm的SiO₂薄膜。這里完全可以根據(jù)需要的氣隙大小生長合適厚度的SiO₂薄膜。

然后，如圖5所示，在犧牲層700上淀積第二導(dǎo)電層400。第二導(dǎo)電層400嵌入所述一對驅(qū)動電極之間的區(qū)域和一對接觸電極之間的區(qū)域，用于形成懸梁臂，材料可以是多晶硅、摻雜多晶硅、SiGe、SiC、Al、Ti或TiAl中任一種或多種的組合。在本發(fā)明的實施例中，第二導(dǎo)電層400優(yōu)選采用多晶硅。

接著如圖6所示，對所述第二導(dǎo)電層400、犧牲層700以及電極圖案300進行平坦化處理，直至電極300、犧牲層700和第二導(dǎo)電層400同時露出后停止平坦化處理。平坦化處理后的第二導(dǎo)電層400形成為懸梁臂410，電極300也成為了驅(qū)動電極310和接觸電極320。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，采用CMP(化學(xué)機械研磨)技術(shù)進行平坦化處理，平坦化至電極的頂部以下即可。

最后，如圖7所示，通過干法刻蝕將剩余的犧牲層700去除，這樣，最后形成的懸梁臂410將浮置于半導(dǎo)體襯底100之上，并且位于至少一對驅(qū)動電極310和一對接觸電極320之間。一對驅(qū)動電極310包括第一驅(qū)動電極和第二驅(qū)動電極，和一對接觸電極320包括第一接觸電極和第二接觸電極。其中第一驅(qū)動電極和第一接觸電極位于懸梁臂410的同一側(cè)，第二驅(qū)動電極和第二接觸電極位于懸梁臂410的另一側(cè)。一對驅(qū)動電極310與懸梁臂410之間的氣隙大小等于一對接觸電極320與懸梁臂410之間的氣隙大小。

為了盡可能的減小氣隙，本發(fā)明提出了一種工藝流程，創(chuàng)新性地將CMP和犧牲層技術(shù)結(jié)合在一起，有效降低了微納機電開關(guān)的氣隙。

本發(fā)明的工藝發(fā)明的關(guān)鍵點是利用化學(xué)機械研磨技術(shù)和側(cè)向犧牲層技術(shù)形成橫向驅(qū)動微納機電開關(guān)的氣隙，利用i-line光刻形成的氣隙極限值為500nm，電子束光刻的極限值則為數(shù)十納米，而本發(fā)明的工藝方法能夠突破光刻技術(shù)的限制，氣隙值僅與側(cè)向犧牲層厚度有關(guān)，按照目前犧牲層淀積的工藝加工水平，可將氣隙值降至個位納米級別甚至小于1nm，能夠極大提高微納機電開關(guān)的性能。

本發(fā)明設(shè)計的工藝方法工藝簡單，用到的均是半導(dǎo)體/MEMS領(lǐng)域最常用工藝手段，不需要特殊的設(shè)備和苛刻的條件，能夠?qū)庀兜拇笮∵M行自由調(diào)整而不再受光刻工藝的限制，該發(fā)明可以得到很小的氣隙值，有效降低靜電微納機電開關(guān)的閾值電壓，有助于進一步提高微納機電開關(guān)的性能。

在以上的描述中，對于各層的構(gòu)圖、刻蝕等技術(shù)細節(jié)并沒有做出詳細的說明。但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以通過各種技術(shù)手段，來形成所需形狀的層、區(qū)域等。另外，為了形成同一結(jié)構(gòu)，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以設(shè)計出與以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，盡管在以上分別描述了各實施例，但是這并不意味著各個實施例中的措施不能有利地結(jié)合使用。

以上對本公開的實施例進行了描述。但是，這些實施例僅僅是為了說明的目的，而并非為了限制本公開的范圍。本公開的范圍由所附權(quán)利要求及其等價物限定。不脫離本公開的范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以做出多種替代和修改，這些替代和修改都應(yīng)落在本公開的范圍之內(nèi)。