專利名稱：基于倒置工藝的雙臂梁mems器件及其形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體技術領域，特別涉及一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件及其形成方法。
背景技術：
近年來，石墨烯薄膜材料的力學性能研究成為研究熱點。研究這類微尺寸材料力學性能的通常做法是，設計雙臂梁MEMS器件并研究微尺寸材料在電場下的震動、形變、扭曲等力學形態(tài)，探索其基于力學性質的潛在應用?，F(xiàn)有的石墨烯薄膜雙臂梁MEMS器件如圖I所示，其形成方法為在Si襯底100’上熱氧化形成SiO2層200’并開口 ；在開口上方轉接石墨烯薄膜600’ ；隨后制作兩個電極301’和302’?，F(xiàn)有技術方案中，具有如下困難在石墨烯600’上難以直接形成金屬電極 301’和302’，并且最終得到的器件的接觸電阻較大；在形成石墨烯薄膜600’后加工電極仍需多個工藝步驟，容易將石墨烯薄膜600’污染甚至損壞，對于保護其優(yōu)良電學性能不利，工藝精確度難以得到保證。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術缺陷之一。為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，該方法具有易于實現(xiàn)、穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。本發(fā)明的實施例公開了一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，包括以下步驟提供襯底；在所述襯底之上形成過渡層；在所述過渡層之上形成底層電極；在所述底層電極之上形成層間介質層，其中，所述層間介質層覆蓋所述底層電極；在所述層間介質層上形成上層電極層；刻蝕所述上層電極層和所述層間介質層以形成開口，露出所述底層電極的一部分，并且將所述上層電極層形成第一上層電極與第二上層電極；在所述第一上層電極與第二上層電極之上形成二維材料薄膜，其中，所述二維材料薄膜跨過所述開口 ；以及分別在所述二維材料薄膜兩端上方形成第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中，所述第一金屬接觸與所述第一上層電極的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二上層電極的至少一部分相連。在本發(fā)明形成方法的一個實施例中，還包括在形成所述底層電極的同時形成底層電極引線；以及在形成所述第一上層電極和第二上層電極的同時形成上層電極引線。在本發(fā)明形成方法的一個實施例中，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。在本發(fā)明形成方法的一個實施例中，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。在本發(fā)明形成方法的一個實施例中，所述二維材料薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。在本發(fā)明形成方法的一個實施例中，所述二維材料薄膜為石墨烯薄膜時，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成所述石墨烯薄膜。
本發(fā)明的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，具有如下優(yōu)點(1)該方法首先在過渡層上依次形成底層電極、層間介質以及上層電極，工藝較成熟，可以保證器件結構的精度；(2)由于第一上層電極和第二上層電極在同一平面上，在形成二維材料薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的薄膜-電極接觸，相比現(xiàn)有技術在薄膜上形成底電極更容易實現(xiàn)；(3)形成二維材料薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成歐姆接觸，避免了復雜加工對二維材料薄膜的沾污或損害；(4)接觸電阻因為金屬-二維材料薄膜-金屬兩面夾的結構而阻值較小。本發(fā)明的另一目的在于提出一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，該器件具有易于加工形成，穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。本發(fā)明的實施例還公開了一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，包括襯底；形成在所述襯底之上的過渡層；形成在所述過渡層之上的底層電極；形成在所述底層電極之上的層間介質層，其中，所述層間介質層覆蓋所述底層電極，且所述層間介質層具有開口，所述開口露出所述底層電極的一部分；形成在所述層間介質層上的第一上層電極和第二上層電極，其中所述第一上層電極和第二上層電極位于所述開口的兩側；形成在所述第一上層電極與第二上層電極之上的二維材料薄膜，其中，所述二維材料薄膜跨過所述開口 ；以及形成在所述二維材料薄膜兩端上方的第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中，所述第一金屬接觸與所述第一上層電極層的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二上層電極層 的至少一部分相連。在本發(fā)明器件的一個實施例中，還包括底層電極引線和上層電極引線，其中，所述底層電極引線與所述底層電極同時形成，以及所述上層電極引線與所述第一上層電極和第二上層電極同時形成。在本發(fā)明器件的一個實施例中，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。在本發(fā)明器件的一個實施例中，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。在本發(fā)明器件的一個實施例中，所述二維材料薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。在本發(fā)明器件的一個實施例中，所述二維材料薄膜為石墨烯薄膜時，所述石墨烯薄膜通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成。本發(fā)明的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，具有如下優(yōu)點(I)該方法首先在過渡層上依次形成底層電極、層間介質以及上層電極，工藝較成熟，可以保證器件結構的精度；(2)由于第一上層電極和第二上層電極在同一平面上，在形成二維材料薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的薄膜-電極接觸，相比現(xiàn)有技術在薄膜上形成底電極更容易實現(xiàn)；(3)形成二維材料薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成歐姆接觸，避免了復雜加工對二維材料薄膜的沾污或損害；(4)接觸電阻因為金屬-二維材料薄膜-金屬兩面夾的結構而阻值較小。本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為現(xiàn)有技術的石墨烯薄膜雙臂梁MEMS器件的結構示意圖；圖2-圖9為本發(fā)明一個實施例的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法的不意圖；和圖10為本發(fā)明一個實施例的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的結構示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內”、“外”等指示的方位 或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有規(guī)定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術語的具體含義。下面參考圖2至圖10來具體闡述根據(jù)本發(fā)明實施例的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件及其形成方法。本發(fā)明提出的一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件形成方法，包括以下步驟步驟SI，提供襯底100。具體地，如圖2所示，提供襯底100。襯底100可采用單面拋光的高阻Si襯底，晶向〈100〉，摻雜為N型。步驟S2，在襯底100之上形成過渡層200。具體地，如圖3所示，對襯底100的上表面進行熱氧化處理，使Si轉變?yōu)镾iO2,作為過渡層200，厚度為O. 7-1 μ m。步驟S3，在過渡層200之上形成底層電極300。具體地，首先通過濺射等方式在過渡層200上形成一層金屬(例如A1)，厚度約
O.7 μ m，隨后通過光刻工藝刻蝕以形成底層電極300。優(yōu)選地，在過渡層200之上形成底層電極300的同時，還可以在過渡層200之上形成底層電極引線(圖中未示出)。步驟S4，在底層電極300之上形成層間介質層400，其中，層間介質層400覆蓋底層電極300。步驟S5，在層間介質層400上形成上層電極層500。步驟S6，刻蝕上層電極層500和層間介質層400以形成開口，露出底層電極300的一部分，并且將上層電極層500形成第一上層電極501與第二上層電極502。 優(yōu)選地，在光刻形成第一上層電極501與第二上層電極502的同時，還可以在層間介質400之上形成上層電極引線(圖中未示出)。步驟S7，在第一上層電極501與第二上層電極502之上形成二維材料薄膜600，其中，二維材料薄膜600跨過開口。其中，二維材料薄膜可為單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜等等。具體地，在一個優(yōu)選實施例中，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移方法,在第一上層電極501與第二上層電極502之上形成石墨烯薄膜600。由于第一上層電極501與第二上層電極502處于同一平面上，因此沉積的石墨烯薄膜可以利用氣壓平整緊密地貼合在第一上層電極501與第二上層電極502頂部，有效避免了轉移覆蓋不緊密，達到緊密吸附的有益效果。步驟S8，分別在二維材料薄膜600兩端上方形成第一金屬接觸701和第二金屬接觸702，其中，第一金屬接觸層701與第一上層電極501的至少一部分相連，第二金屬接觸層702與第二上層電極502的至少一部分相連。 具體地，可以通過蒸發(fā)等工藝形成幾十納米(通常取經驗值40nm)厚度的金屬材料及金屬材料的組合(例如Ti+Au，Ti+Pd+Au，Pd+Au)，以形成歐姆接觸900。綜上，本發(fā)明的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件形成方法，首先制作兩端電極及相應連線，隨后對電極層以及層間介質層腐蝕開槽，隨即平鋪上二維薄膜材料，最后蒸鍍金屬后兩端電極處形成金屬-二維薄膜-金屬的層夾結構，提高了強度。該方法具有如下優(yōu)點(1)該方法首先在過渡層上依次形成底層電極、層間介質以及上層電極，工藝較成熟，可以保證器件結構的精度；(2)由于第一上層電極和第二上層電極在同一平面上，在形成二維材料薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的薄膜-電極接觸，相比現(xiàn)有技術在薄膜上形成底電極更容易實現(xiàn)；(3)形成二維材料薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成歐姆接觸，避免了復雜加工對二維材料薄膜的沾污或損害；(4)接觸電阻因為金屬-二維材料薄膜-金屬兩面夾的結構而阻值較小。本發(fā)明的還提出了一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，如圖10所示，包括襯底100 ;形成在襯底100之上的過渡層200 ;形成在過渡層200之上的底層電極300 ;形成在底層電極300之上的層間介質層400，其中，層間介質層400覆蓋底層電極300，且層間介質層400具有開口，開口露出底層電極300的一部分；形成在層間介質層400上的第一上層電極501和第二上層電極502,其中第一上層電極501和第二上層電極502位于開口的兩側；形成在第一上層電極501與第二上層電極502之上的二維材料薄膜600,其中，二維材料薄膜600跨過開口 ；以及形成在二維材料薄膜600兩端上方的第一金屬接觸701和第二金屬接觸702，其中，第一金屬接觸701與第一上層電極層501的至少一部分相連，第二金屬接觸702與第二上層電極層502的至少一部分相連。在本發(fā)明器件的一個實施例中，還包括底層電極引線和上層電極引線(圖中未示出)，其中，底層電極引線與底層電極300同時形成，以及上層電極引線與第一上層電極501和第二上層電極502同時形成。在本發(fā)明器件的一個實施例中，過渡層200為通過熱氧化形成的Si02。在本發(fā)明器件的一個實施例中，層間介質層400為通過沉積形成的Si02。在本發(fā)明器件的一個實施例中，二維材料薄膜600可為單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜等等。
在本發(fā)明器件的一個實施例中，二維材料薄膜600為石墨烯薄膜時，石墨烯薄膜通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成。本發(fā)明的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件中，二維薄膜材料下方的底層電極和上層電極為懸臂梁施加電場，整個器件用于研究二維薄膜材料在電場下的震動、形變、扭曲等力學形態(tài)，探索其基于力學性質的潛在應用。本發(fā)明的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，具有如下優(yōu)點(I)該方法首先在過渡層上依次形成底層電極、層間介質以及上層電極，工藝較成熟，可以保證器件結構的精度；(2)由于第一上層電極和第二上層電極在同一平面上，在形成二維材料薄膜的過程中，可利用氣壓形成平整、緊密的薄膜-電極接觸，相比現(xiàn)有技術在薄膜上形成底電極更容易實現(xiàn)；(3)形成二維材料薄膜之后的工序少，僅需要蒸發(fā)金屬以形成歐姆接觸，避免了復雜加工對二維材料薄膜的沾污或損害；(4)接觸電阻因為金屬-二維材料薄膜-金屬兩面夾的結構而阻值較小。在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。盡管已經示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領域的普通技術人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權利要求及其等同限定。
權利要求
1.一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，包括以下步驟 提供襯底； 在所述襯底之上形成過渡層； 在所述過渡層之上形成底層電極； 在所述底層電極之上形成層間介質層，其中，所述層間介質層覆蓋所述底層電極； 在所述層間介質層上形成上層電極層； 刻蝕所述上層電極層和所述層間介質層以形成開口，露出所述底層電極的一部分，并且將所述上層電極層形成第一上層電極與第二上層電極； 在所述第一上層電極與第二上層電極之上形成二維材料薄膜，其中，所述二維材料薄膜跨過所述開口 ；以及 分別在所述二維材料薄膜兩端上方形成第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中，所述第一金屬接觸與所述第一上層電極的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二上層電極的至少一部分相連。
2.如權利要求I所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，還包括在形成所述底層電極的同時形成底層電極引線；以及在形成所述第一上層電極和第二上層電極的同時形成上層電極引線。
3.如權利要求I所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。
4.如權利要求I所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。
5.如權利要求I所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述二維材料薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。
6.如權利要求5所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件的形成方法，其特征在于，所述二維材料薄膜為石墨烯薄膜時，通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成所述石墨烯薄膜。
7.一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，包括以下部分 襯底； 形成在所述襯底之上的過渡層； 形成在所述過渡層之上的底層電極； 形成在所述底層電極之上的層間介質層，其中，所述層間介質層覆蓋所述底層電極，且所述層間介質層具有開口，所述開口露出所述底層電極的一部分； 形成在所述層間介質層上的第一上層電極和第二上層電極，其中所述第一上層電極和第二上層電極位于所述開口的兩側； 形成在所述第一上層電極與第二上層電極之上的二維材料薄膜，其中，所述二維材料薄膜跨過所述開口 ；以及 形成在所述二維材料薄膜兩端上方的第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中，所述第一金屬接觸與所述第一上層電極層的至少一部分相連，所述第二金屬接觸與所述第二上層電極層的至少一部分相連。
8.如權利要求7所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，還包括底層電極引線和上層電極引線，其中，所述底層電極引線與所述底層電極同時形成，以及所述上層電極引線與所述第一上層電極和第二上層電極同時形成。
9.如權利要求7所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，所述過渡層為通過熱氧化形成的Si02。
10.如權利要求7所述的基于倒 置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，所述層間介質層為通過沉積形成的Si02。
11.如權利要求7所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，所述二維材料薄膜包括單層石墨烯、雙層石墨烯、多層石墨烯、硫化鑰薄膜或氮化硼薄膜。
12.如權利要求11所述的基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件，其特征在于，所述二維材料薄膜為石墨烯薄膜時，所述石墨烯薄膜通過Cu襯底上CVD后化學濕法轉移，或者Pt襯底上CVD后電化學法轉移以形成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于倒置工藝的雙臂梁MEMS器件及其形成方法，該方法包括提供襯底；依次在襯底上形成過渡層、底層電極和層間介質層；在層間介質層上形成上層電極層；刻蝕上層電極層和層間介質層以形成開口，露出底層電極的一部分，并且將上層電極層形成第一上層電極與第二上層電極；在第一上層電極與第二上層電極之上形成二維材料薄膜，其中，二維材料薄膜跨過開口；以及分別在二維材料薄膜兩端上方形成第一金屬接觸和第二金屬接觸，其中，第一金屬接觸與第一上層電極的至少一部分相連，第二金屬接觸與第二上層電極的至少一部分相連。本發(fā)明的方法工藝成熟、易于實現(xiàn)，器件接觸電阻小、穩(wěn)定可靠。
文檔編號B81B3/00GK102862949SQ20121033166
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月7日 優(yōu)先權日2012年9月7日
發(fā)明者伍曉明, 肖柯, 呂宏鳴, 錢鶴, 吳華強 申請人:清華大學