基于纳米线的机械开关器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明的实施例涉及半导体器件工艺的领域，并且具体涉及基于纳米线的机械开 关器件。
【背景技术】
[0002] 今天的消费类电子市场往往需求需要非常错综复杂的电路的复杂功能。缩放成越 来越小的基本构建块（例如晶体管）已经使得能够在具有每个进步的一代的单个管芯上并 入更多错综复杂的电路。半导体封装件用于保护集成电路（1C)芯片或管芯，并且还用于为 管芯提供到外部电路的电气接口。随着对较小的电子设备的需求的增长，半导体封装件被 设计得更加紧凑并且必须支持较大的电路密度。例如，一些半导体封装件现在使用无芯基 板，该无芯基板不包括通常在常规基板中发现的厚树脂芯层。此外，对较高性能设备的需求 导致了需要改进的半导体封装件，该改进的半导体封装件使得与随后的组装工艺相兼容的 薄的封装轮廓以及低的整体翘曲成为可能。
[0003] 此外，对于过去的几年，微机电系统（MEMS)结构已经在消费类产品中扮演日益重 要的角色。例如，在从车辆中用于安全气囊触发器的惯性传感器到视觉艺术产业中用于显 示的微镜的产品中，以及最近在诸如用于高度感测的气压传感器之类的移动应用中可以发 现MEMS器件（例如传感器和致动器）。随着这些技术成熟，在MEMS结构精度和功能性上的 需求已经逐步上升。例如，最佳的性能可能依赖于对这些MEMS结构的各个组件的特性进行 微调的能力。此外，对于MEMS器件（内部器件和器件与器件两者）性能的一致性要求通常 指示用于制备这样的MEMS器件的工艺需要极其精细。
[0004] 然而，在MEMS(以及更小的）器件的制备和操作领域中，仍然需要显著的改进。
【附图说明】
[0005] 图1例示了根据本发明的实施例的（a)锚定在一侧上的纳米线继电器和（b)锚定 在两侧上的纳米线继电器的平面视图，以及（c)锚定在一侧上的纳米线继电器的第一制备 步骤和（d)锚定在一侧上的纳米线继电器的第二制备步骤的横截面视图。
[0006] 图2例示了根据本发明的实施例的（a)处于初始断开位置的纳米线继电器开关， (b)处于闭合位置的继电器，以及（c)处于替代的断开位置的继电器的平面视图。
[0007] 图3是根据本发明的实施例使源极-漏极接触具有lnm2面积的机械逻辑或功率 开关的I-V关系的模拟图。
[0008] 图4是根据本发明的实施例说明了纳机械开关从断开状态改变到闭合状态（在时 间=〇施加栅极电压）的瞬态行为的图示。
[0009] 图5是根据本发明的实施例说明了对于机械开关中lnm2的触点，力的关系与分隔 距离的图示。
[0010] 图6是根据本发明的实施例例示了具有接触电极被放置在末端处的继电器与具 有接触电极被放置于较接近固支边缘以加大弹簧回复力的继电器相比较的断开和闭合位 置的示意图。
[0011] 图7包括根据本发明的实施例的（a)致动电压相对于接触电极位置的图示以及 (b)弹簧回复力相对于接触电极位置的图示。
[0012] 图8包括根据本发明的实施例的具有机械停止件的非线性梁的示意图，以及说明 在未增加致动电压的情况下加大弹簧回复力的相对应的图示。
[0013]图9是根据本发明的实施例例示了对（a)不具有机械停止件的悬臂与（b)具有机 械停止件的悬臂进行比较的示意图。
[0014]图10是根据本发明的实施例示出了针对具有机械凸块的弹簧几何结构的分析结 果的图示。
[0015]图11是根据本发明的实施例例示了使用机械凸块的非线性弹簧可能的几何变化 的示意图。
[0016] 图12是根据本发明的实施例例示了互补型继电器反相器的示意图，其中（a)输入 断开并且输出闭合，以及（b)输入闭合并且输出断开。
[0017] 图13是根据本发明的实施例例示了利用每个继电器多个栅极（输入）的互补型 逻辑（a)NOR，（b)NAND，以及（c)XNOR继电器的示意图。
[0018]图14是根据本发明的实施例例示了在抓放结构中使用梁中所储存的能量来减小 致动电压和开关能量的优势的示意图。
[0019] 图15是根据本发明的实施例的抓放继电器的时序图和相对应的示意图。
[0020] 图16是根据本发明的实施例，根据针对单固支悬臂梁的抓放策略来对致动电压 的减小进行估计的图示。
[0021] 图17是根据本发明的实施例例示了混合式M0S-继电器晶体管（a)处于禁用状 态，（b)其中M0S栅极被激活并形成反型沟道，以及（c)其中纳米线与源极接触，启用晶体 管的示意图。
[0022] 图18是根据本发明的实施例，继电器控制功率到两个CMOS反相器的电路图。
[0023] 图19是根据本发明的实施例例示了机械NVM器件处于（a)存储单元的初始断开 状态，（b)位线连接到参考电压的闭合状态，以及（c)替代的断开状态的示意图。
[0024] 图20是根据本发明的实施例例示了几种电子隧穿继电器几何结构的示意图，其 中示意图的左边部分例示了继电器的断开状态，并且示意图的右边部分例示了继电器的闭 合状态。
[0025]图21是根据本发明的实施例的粘附力与继电器电流随着隧道结的距离变化的标 准化图示，隧道结的距离基于所包括的继电器示意图。
[0026] 图22是根据本发明的实施例例示了可用于增加电子隧穿的表面积的不同结的几 何结构的示意图。
[0027] 图23是根据本发明的实施例例示了使用（a)锚定在一侧上以及（b)锚定在两侧 上的纳米线的机械谐振振荡器的示意图。
[0028] 图24包括根据本发明的实施例的（a)纳机械谐振器的小信号电气等同电路图，以 及（b)针对被锚定在一侧上并具有从50nm到1ym的各长度和5nm与10nm厚度的纳米线 的固有频率（第1种和第2种模式）的计算结果的图示。
[0029] 图25包括根据本发明的实施例的（a)对于锚定在一侧（A-F)上和锚定在两侧 (A-A)上的线，小信号谐振频率（第1种模式）相对于DC极化电压的图示，以及（b)对于A-A结构，AC电流幅度的频率响应的图示。
[0030] 图26是根据本发明的实施例例示了栅极偏置如何在继电器与栅极电极之间引入 引力的示意图，在继电器与栅极电极之间引入引力改变了机械梁的应变并调制电流通过梁 和源极/漏极电极。
[0031] 图27是根据本发明的实施例例示了两种情形的示意图，其中（结构A)使源极/漏 极电极进入压缩应变的状态，梁将"扣住"以缓解应变，并且当施加电压时，梁变直并呈现压 缩应变，以及其中（结构B)使源极/漏极电极进入压缩应变（但没有足够的压力来扣住） 的状态，并且当施加电压时，梁变直并呈现跨沟道的应变减小。
[0032] 图28包括根据本发明的实施例说明了对于不同的掺杂和晶体取向，10nm宽并且 5nm厚的硅纳继电器的电阻随着所施加的DC电压变化的图示，以及说明了在纳继电器的机 械谐振频率附近，电阻随着频率变化的图示。
[0033] 图29例示了根据本发明的一个实施例的计算设备。
【具体实施方式】
[0034] 描述了基于纳米线的机械开关器件。在下面的描述中，阐述了许多具体细节（例 如纳米机电系统的MEMS的具体工作模式），以便提供对本发明实施例的透彻理解。对本领 域技术人员来说将显而易见的是，没有这些具体细节也可以实施本发明的实施例。在其它 实例中，在其它实例中，并没有详细描述公知的特征（例如集成工艺制备流程），以使得不 会不必要地混淆本发明的实施例。此外，要理解的是，在附图中所示出的各个实施例是例示 的表示，而不是必须要按比例绘制。
[0035] 本发明的一个或多个实施例涉及基于纳米线的机械开关器件。应用包括（但不限 于）微/纳机电系统，非易失性存储设备、射频振荡器、继电器和开关器件。
[0036] 为了提供背景，已经使用现代的纳制备技术将静电致动的机械器件（并且尤其是 继电器）按比例缩小到几百纳米。与现有方法相比，本发明的实施例通过以下继电器中的 一个或多个继电器与以往研究中所展示的继电器不同：（1)本文所描述的继电器使用纳米 线制备工艺来制备，（2)本文所描述的继电器与前端CMOS工艺兼容，或者（3)本文所描述 的继电器使用封盖和钝化工艺来制备，覆盖和钝化工艺容许在继电器制备之后继续后端工 艺。此外，本文描述了独特类型的器件和应用。
[0037] 通常，本发明的一个或多个实施例涉及纳机械结构（例如，独立的纳米线），该纳 机械结构可以借助静电力来移动，并且可以使该纳机械结构进入或退出与导电表面接触的 状态。该结构可以使用用于CMOS晶体管沟道制备的相同的硅层来制备，容许单片集成。这 种纳机械结构或这样的器件可以以使用当前CMOS工艺高容量可制造的方式来促进应用， 这些应用包括继电器（例如，机械闭合-断开开关）、非易失性存储（NVM)设备以及振荡 器。机械器件超过类似的CMOS器件的大体优势可以包括（但不限于）由于切换器件状态 而引起的显著降低的能量损失，以及在器件的断开状态中几乎零泄漏。如本文所描述的可 与CMOS单片集成的机械器件的优势可以包括（但不限于）使用已建立的高容量CMOS制造 来在具有小几何结构的大阵列中制备纳机械器件，并且可以构造混合CMOS/机械器件，其 可以提供能量消耗的优势。与机械继电器的先前工作相比，本文所描述的器件可以具有以 下优势，例如（但不限于）与半导体前端集成的兼容性、根据Si或SiGe纳米线工艺的器件 制备（其容许与CMOS器件的无缝集成）。至于可扩展性，随着器件接近纳米尺寸的域，粘附 力变得显著并限制致动电压的缩放。使用如本文所描述的半导体材料，出现在金属-金属 结中的粘附力被最小化。一个或多个实施例在设计中包括电子隧穿器件以及缓和粘附力的 "塌陷模式"的继电器。应用可以包括（但不限于）可用于非易失性存储器、用于电路应用 的振荡器以及混合CMOS-机械晶体管的独特的基于继电器的解决方案。此外，在一个或多 个实施例中，描述了针对互补型逻辑门的继电器拓扑结构。
[0038] 更具体地来说，在实施例中，本文所描述的纳继电器结构可适用于（但不限于） CMOS功率门控、非易失性存储器和振荡器。下面更详细地分别详述了针对每种应用的纳继 电器器件的优势。
[0039] 关于纳继电器结构针对非易失性存储器的应用，在实施例中，非易失性通过将存 储器编码为机械元件的位置来实现，并利用界面的粘附和表面之间的功函数差，非易失性 可以在没有持续能量输入的情况下保持存储状态。在一个或多个实施例中，用于实现实际 的非易失性存储器的方法包括与CMOS读取和写入电路进行细粒度集成、制造大阵列的存 储设备，对于这种机械存储设备与诸如闪存或熔丝