机电开关器件的制作方法

本发明总体涉及电子器件，并且在具体实施例中涉及机电开关器件及其形成方法。

背景技术：

半导体器件用于各种电子和其他应用。除了别的以外，半导体器件包括形成在半导体晶片上的集成电路或分立器件，这些集成电路或分立器件通过以下方式形成：在半导体晶片之上沉积一种或多种材料薄膜并且将材料薄膜图案化以形成集成电路。

功率半导体器件常常用于多种应用。用于比较功率器件的通用度量标准是特定导通电阻与击穿电压之间的关系。常规半导体功率器件具有用于给定类型器件衬底的折衷设计。换言之，超出该折衷设计的具有低导通电阻以及高击穿电压的器件是不能实现的。

已提议将纳米机电(NEM)继电器技术用于超低功率互补逻辑应用。

技术实现要素：

根据本发明实例，开关器件包括被布置在衬底上的开口。源极被布置成邻近开口并且具有与开口的侧壁平行的接触表面。漏极被布置成邻近开口并且具有与开口的侧壁平行的接触表面。可移动栅极堆叠包括沟道和栅极。可移动栅极堆叠被布置在开口之内。

根据本发明另一实施例，开关器件包括被布置在衬底中且具有第一侧壁和相对的第二侧壁的开口、被布置在开口中和/或之上的源极、被布置在开口中和/或之上的漏极、以及被布置在开口中的沟道。该沟道包括具有第一位置和第二位置的可移动导电元件。在第一位置中，可移动导电元件被配置成接触漏极和源极。在第二位置中，可移动元件配置成通过气隙与漏极区域和源极区域分离。

根据本发明另一实施例，集成电路包括多个开关器件。所述多个开关器件中的每个开关器件包括被布置在衬底中的开口、源极区域、漏极区域、沿着第一方向定向且包括被布置在开口内的可移动导电元件的栅极线。可移动导电元件被配置成在开关器件的第一状态下与源极区域和漏极区域接触，并且在开关器件的第二状态下与源极区域和漏极区域隔开。所述多个开关器件沿着第一方向布置成排并且沿着与第一方向垂直的第二方向布置成列。所述多个开关器件中的一个开关器件的第一栅极线通过位于第一栅极线之上的金属层(metal level)中的导线而与所述多个开关器件的位于相同排中的另一个开关器件的相邻第二栅极线耦合。

附图说明

为了更加完整地理解本发明及其优点，现在参照结合附图做出的下文描述，附图中：

图1示出了根据本发明实施例的机电开关的横截面图；

图2A-图2F示出了根据本发明实施例的可移动栅极层；

图3A-图3C示出了根据本发明实施例的附接至栅极堆叠的可移动沟道层的侧横截面图；

图4示出了呈现出集成在一起以形成单个器件的两个EMVCS器件的可替换实施例；

图5A示出了根据本发明实施例的仅仅具有三个端子节点的机电竖直沟道开关(EMVCS)器件的横截面图；

图5B示出了根据本发明实施例的其中接触节点全部位于衬底一侧上的三端子EMVCS器件的横截面图；

图5C示出了根据本发明的可选实施例的其中接触节点全部位于衬底一侧上的三端子EMVCS器件的横截面图；

图6A-图6E示出了根据本发明实施例的竖直机电开关，其中图6A和图6D-图6E为可替换横截面图，而图6B为顶部截面图且图6C为侧部截面图；

图7A-图7C示出了根据本发明实施例的竖直机电开关，其中图7A为横截面图，而图7B为顶部截面图且图7C为侧部截面图；

图8A示出了根据本发明可替换实施例的具有两个可移动栅极堆叠的机电开关器件的横截面图；

图8B示出了根据本发明可替换实施例的其中两个可移动栅极堆叠处于导通状态的机电开关器件的横截面图；

图9A示出了本发明一个实施例中在图8A中所示开关器件的顶视图，而图9B示出了呈现出开关器件的可移动机电部件的弯曲的对应机械示意图；

图10A示出了本发明一个实施例中在图8A中所示开关器件的顶视图，而图10B示出了呈现出开关器件的可移动机电部件的弯曲的对应机械示意图；

图11A示出了本发明一个实施例中在图8A中所示开关器件的顶视图，而图11B示出了呈现出开关器件的可移动机电部件的弯曲的对应机械示意图；

图12A示出了根据本发明实施例的在开口内包括台面(mesa)的竖直机电开关，其中图12A示出了横截面图，而图12B和图12C示出了图12A的竖直机电开关的顶部截面图；

图13A示出了根据本发明实施例的在开口内包括台面的竖直机电开关，其中图13A示出了横截面图，而图13B和图13C示出了图13A的竖直机电开关的顶部截面图；

图14A-图14D示出了根据本发明实施例的在开口内包括台面的竖直机电开关，其中图14A示出了横截面图，而图14B-图14D示出了图14A的竖直机电开关的顶部截面图；

图15A-图15B示出了根据本发明实施例的在开口内包括台面的竖直机电开关，其中图15A示出了横截面图，而图15B示出了图15A的竖直机电开关的顶部截面图；

图16A示出了根据本发明实施例的三端子竖直机电开关的横截面图；

图16B示出了根据本发明实施例的其中通过增大源极金属厚度来增大栅极与源极之间电容的三端子器件；

图17示出了根据本发明实施例的通过使用可移动机电部件而形成的集成电路的一部分；

图18示出了根据本发明实施例的具有包覆层的竖直机电开关器件的横截面图；以及

图19A-图19B示出了根据本发明实施例的处于制造过程中的竖直机电开关器件的横截面图。

具体实施方式

本发明实施例描述了一种竖直机电开关，其也可用作功率器件以及在需要高密度晶体管集成的应用(诸如逻辑、易失性存储器以及其他)中使用。机电开关的竖直结构相比于传统方案带来了多种优点。如将进一步在各个实施例中描述的，在竖直机电开关中，从源极节点到漏极节点的电流是沿着穿过可移动沟道的竖直方向的。

图1示出了根据本发明实施例的竖直机电开关的横截面图。

图1示出了包括源极触头(S)、漏极触头(D)、本体触头(B)以及栅极触头(G)的四端子开关。

在各个实施例中，开关为机电竖直沟道开关(EMVCS)。相应地，机电竖直沟道开关的部件被布置在衬底1的开口T内。开口T可为沟槽或柱形开口。

EMVCS包括可通过本体层5而分离的源极层2和漏极层4。栅极层8通过栅极介电层3而与沟道层6隔开。

在各个实施例中，源极层2、漏极层4和本体层5沿着衬底1的开口T的侧壁布置。在各个实施例中，栅极层8、栅极介电层3以及沟道层6被布置在开口内并且是可移动部件。在一个或多个实施例中，它们设计成当在本体层5和栅极层8上施加合适的静电电势时朝向本体层5移动。源极层2和漏极层4的相对位置在可选实施例中是可以交换的。

沟道层6形成在栅极介电层3的另一侧上，并且通过栅极介电层3与栅极层8隔开。相应地，沟道层6不与端子节点接触并且保持浮动。沟道层6在一些实施例中可包括突起7(尖端)以建立电接触同时使与附着相关的问题最少。例如，沟道层6可包括深入的纸平面的打孔(perforations)或间断点(discontinuities)。

衬底1在一个实施例中可为绝缘衬底。可替换地，衬底1包括位于源极层2和本体层5下方的介电衬垫，以将漏极层4与本体层5和源极层2电绝缘。可替换地，开口T的一部分可设置在布置在衬底1之上的绝缘层内，从而将漏极层4与本体层5和源极层2电绝缘。

在一些实施例中，沟道层6可设计成避免对栅极层8屏蔽本体层5处的电势。沟道层6的一些实施例在图3A-图3C中示出。显然，为了发生静电致动，沟道层6必须在第三维度上(在图1的纸平面中，如图3A-图3C所示)中断。一个平面(闭合沟道)用于源极层2与漏极层4之间的导电，而另一平面(开放沟道)用于栅极层8与本体层5之间的静电吸引。

引入第四端子以偏压器件的本体结构允许器件操作过程中栅极的拉进(pull in)/阈值电压的动态改变。

源极层2、漏极层4、本体层5、栅极层8和沟道层6是导电的，并且由具有低电阻的金属材料或半导体材料形成。在各个实施例中，源极层2、漏极层4、本体层5和沟道层6包括钛、钨、钛氮化物、钨氮化物、钽、钽氮化物及其导电碳化物。

在各个实施例中，栅极层8包括提供弹性运动的弹性材料。在一些实施例中，栅极层8还包括与沟道层6相同的材料。然而，在多个实施例中，栅极层8包括硅或多晶硅并且可沿着开口T的侧部附接至衬底1。

EMVCS示出为竖直器件，该竖直器件在衬底1的顶部主表面处具有源极触头(S)并且在衬底的底部主表面处具有漏极触头(D)。然而，EMVCS还可实现为使得漏极触头(D)和源极触头(S)两者从顶部主表面制成。

现在将描述EMVCS的操作。EMVCS通常处于关断位置，因为源极层2与漏极层4彼此隔离。例如，在关断状态下，栅极层8和本体层5两者处于相同电势，例如处于接地电势。源极层2和漏极层4可在关断状态下偏压成不同的电压，然而其中没有电流流经EMVCS。

如果将EMVCS切换成接通状态，则在栅极层8与本体层5之间建立电势差。例如，这可通过相对于本体层5偏压栅极层8来完成。相应地，当栅极触头(G)相对于本体触头(B)偏压成相反电势时，整个气隙上的电势差推动栅极层8朝向本体层5(栅极层8的移动方向，由于该推动由图1的箭头所示)。静电力将悬置的栅极层8朝向本体层5推动和移动。当沟道层6物理接触源极层2和漏极层4时，EMVCS转变成接通状态并且接通电流流经开关。另外，接通状态电流不流经本体层5，因为本体层5与沟道层6分离。因此有利地，器件的致动要求电容性电流，其中不带有欧姆损耗。

当去除栅极层8与本体层5之间的吸引静电力时，EMVCS变成关断。特别地，保持可移动栅极堆叠的弹性锚点(elastic anchor)最终将沟道层6从源极层2和漏极层4推回，从而中断源极层2与漏极层4之间的电连接。

影响弹簧常数、拉进电压、击穿电压的设计参数包括开口的深度/高度，栅极层8的厚度，栅极介电层3的厚度，源极层2、漏极层4和沟道层6(以及突起7，如果存在的话)的材料，本体层5与栅极层8之间重复的面积，突起7与源极层2(或者漏极层4)之间的接通间隙d_接通，以及本体层5与栅极层8之间的致动间隙d_gp。

有利地，如果沟道层6由诸如金属材料的导电材料制成，则可忽略接通状态过程中的沟道电阻。相反，常规晶体管的沟道由半导体材料制成，这甚至在接通状态下提供对电流的阻抗，这是由于各种短沟道效应(诸如迁移率劣化)导致的。

在本发明实施例中，接通状态电阻(R_接通)主要由于电流路径中不同材料之间的接触电阻导致。类似地，关断状态电阻主要由于开口内气隙的间隙电阻导致。气隙的击穿电压可甚至比固有半导体区域大得多。因此，相比于常规场效应晶体管，EMVCS提供好得多的接通/关断特征(导通电阻与击穿电压的折衷)。另外，相比于平面型机械器件，电流的竖直特性和竖直可移动构件实现更高的集成度。因此，相比于常规场效应晶体管，可使用较短的覆盖区(foot print)来获得较高电流密度以及较高晶体管密度。

在各个实施例中，EMVCS可作为分立器件使用或者可为集成电路的多个器件的部分。可替换地，竖直开关可为由形成在衬底1内且并联耦合的多个这种器件形成的分立部件(即，单个晶体管)。

图2A-图2F示出了根据本发明实施例的可移动栅极层。

图2A-图2F所示实施例的源极层2、漏极层4和本体层5具有略微不同的位置。在该所示实施例中，源极层2、漏极层4和本体层5并排定位，而在图1的先前实施例中，它们堆叠在彼此之上。然而，下文描述的对于可移动栅极堆叠各种实施例的解释等同应用于图1以及图2A-图2F的实施例。

图2A示出了机电竖直沟道开关EMVCS的顶视图，示出了根据本发明实施例的栅极堆叠的弹性锚定。

在一个实施例中，包括栅极层8、栅极介电层3和沟道层6的可移动栅极堆叠沿着开口侧壁的侧部悬置。在一个实施例中，栅极层8可变窄成诸如纤薄区段11的纤薄区段，从而允许栅极堆叠自由移动。在一个实施例中，纤薄区段11还可附接至开口底表面。在一个或多个实施例中，栅极层8可从底部锚点12被支撑，该底部锚点可为刚性锚点或弹性锚点。

图2B和图2C示出了根据本发明实施例附接至开口侧壁的可移动栅极堆叠。图2B为顶视图，而图2C为仅示出弹簧的示意性横截面图。

参照图2B和图2C，在一个实施例中，侧部弹簧13用于将栅极层8与开口侧壁机械耦合，而竖直弹簧14用于将栅极层8与衬底1底表面机械耦合。弹簧的弹簧系数和延展方向可设计成使得允许栅极层8仅沿着单个方向上移动。例如，可允许栅极层8仅沿着方向d₈₅移动，也即朝着(或远离)本体层5移动。在其他实施例中，可仅使用侧部弹簧13或者仅使用竖直弹簧14中的一个或多个来附接栅极层8。

侧部弹簧13和/或竖直弹簧14还确保，在本体层5与栅极层8之间的静电力变成关断时，从本体层5拉回包括沟道层的栅极堆叠。该特征对于EMVCS的正确运作是非常关键的，因为否则当器件变成关断时，EMVCS将继续甚至在关断状态下传导电流。在这方面，侧部弹簧13和/或竖直弹簧14迫使栅极层回到参考关断位置。

侧部弹簧13和/或竖直弹簧14可由与栅极层8相同的材料(例如硅或多晶硅)制成。

在各个实施例中，侧部弹簧13和/或竖直弹簧14通过允许栅极层在接通状态过程中经受静电力时移动并且在静电力减少或被去除时拉回栅极层而对栅极层提供可移动功能。

图2D示出了机电竖直沟道开关EMVCS的顶视图，示出了根据本发明实施例包括内部弹性部件的可移动栅极堆叠。

在可替换实施例中，栅极堆叠自身可形成为弹簧，从而在栅极堆叠的结构中包括弹性弹簧。在一个实施例中，如图2D所示，弹性弹簧为栅极层8的一部分。

图2E示出了机电竖直沟道开关EMVCS的顶视图，示出了根据本发明实施例包括内部弹性部件从而允许栅极层在两个独立模式下移动的可移动栅极堆叠。

因此，如图2E所示，栅极层8可实现双侧移动，可利用该双侧移动形成图2E所示两个导电路径。每个导电路径独立于另一个导电路径，并且仅根据面向开口的顶部侧壁或底部侧壁的沟道层6的移动而变化。相应地，通过利用双导电路径的杠杆效应，可形成高密度开关器件。

图2F示出了根据本发明实施例包括旋转移动的竖直机电器件的横截面示意图。

在其他实施例中，源极和漏极可位于开口的相对侧上。源极层2的面积可相对于漏极层4增大，从而增大朝向源极层2的静电拉动。另外，可相对于源极层2和漏极层4的偏压来调节栅极层8的偏压，从而增大朝向源极层2的静电拉动，同时使朝向漏极层4的排斥最小。

图3A-图3C示出了根据本发明实施例的附接至栅极堆叠的可移动沟道层的侧部横截面视图。

图3A示出了与本体层5和栅极层8重叠的沟道层6。然而，将沟道层6的覆盖区保持为小，从而防止将栅极层8与本体层5之间的电场线屏蔽。然而，沟道层6包括足以避免显著沟道电阻的厚度。

图3B和图3C示出了可移动沟道层的可替换实施例。在图3B中，沟道层6的带形成于栅极堆叠上。在图3C中，沟道层6形成为栅格。

图4示出了可替换实施例，示出了集成在一起形成单个器件的EMVCS器件。

参照图4，EMVCS器件包括第一开关S1和第二开关S2。如在先前实施例中一样，它们中每一者具有单独开口，可移动栅极堆叠设置在该单独开口内。然而，源极节点S和漏极节点D可共用，使得两个开关以并联的方式电耦合。使用该实施例，由于公共源极/漏极区域的共用，获得了更高的每单位面积电流密度。

图5A示出了根据本发明实施例仅具有三个端子节点的机电竖直沟道开关(EMVCS)器件的横截面图。

本发明实施例还可应用于形成三端子机电开关。

在一个实施例中，如图5A所示，EMVCS器件包括源极层2和位于底部的漏极层4，该漏极层连接至位于器件底表面处的漏极节点D。在这样的实施例中，源极触头S和栅极触头G之间的静电力用于建立栅极堆叠的静电拉动。例如，在一个实例中，在关断状态下，源极触头(S)处于接地电势(Vss)，漏极触头(D)处于操作电压(例如VDD)，而栅极触头(G)处于接地电势。因此，栅极层8与源极层2之间不存在静电力。当EMVCS待切换成接通状态时，栅极触头(G)翻转成正电势，从而导致栅极堆叠朝向源极层2拉动。可替换地，当栅极触头(G)翻转成负电势时，EMVCS可切换成接通状态，使得栅极至源极电压超过器件的拉进电压。如先前实施例中一样，当沟道层物理接触源极层2和漏极层4时，EMVCS转变成接通状态并且开始传导接通状态电流。有利地，同样在该实施例中，仅需电容性电流来切换器件并使欧姆损耗最小。

当栅极触头(G)再次切换回去且低于特定电压时，拉动栅极堆叠朝向源极层2的静电力减小，并且保持栅极堆叠的弹簧弹性将其拉回参考位置。

图5B示出了根据本发明实施例的其中所有触头节点均位于衬底一侧上的三端子EMVCS的横截面图。

在一个或多个实施例中，连通EMVCS器件的所有触头均从相同表面制成。在一个实例中，连续层形成源极或漏极并且内衬开口T的底表面和衬底1的顶表面。在图5B中，漏极层4内衬开口的底表面和衬底1的顶表面。

在其他实施例中，EMVCS器件可为三端子晶体管。相应地，栅极层8与源极层2之间的吸引力和/或栅极层8与漏极层4之间的排斥力可帮助将器件变成接通。栅极层8与漏极层4之间的排斥力可进一步帮助在器件切换成关断时使栅极堆叠稳定。例如，栅极堆叠可由于栅极层8与漏极层4之间的排斥力而受到抑制，因为在关断状态下，栅极层8向下(例如Vss)偏压，而漏极层4可继续在操作电压(例如VDD)下偏压。

图5C示出了根据本发明可替换实施例的其中所有触头节点均位于衬底一侧上的三端子EMVCS的横截面图。

在该实施例中，不同于先前的实施例，源极层2设置在开口T的底表面上。栅极堆叠非对称布置，使得朝向沟槽的包括漏极层4的侧壁的弹性拉动比朝向沟槽的不包括漏极层4的侧壁的弹性拉动大得多。电容器的弹性力不仅依据板之间的距离而变化，而且还依据板之间材料的介电常数而变化。在一些实施例中，第一距离a1大于第二距离a2。图5C为示意性图示，并且并非必然按比例绘制。在额外的实施例中，漏极层4通常在相邻器件之间共用。

图6A-图6E示出了根据本发明实施例的竖直机电开关。图6A和图6D-图6E为可替换横截面图，而图6B为顶部截面图且图6C为侧部截面图。图6A为可替换实施例的横截面图。

参照图6A，开关包括具有开口的衬底10，该开口在各个实施例中可为柱形开口或沟槽。该开口具有如所示出的宽度WT。沟槽的侧壁和底表面由第一导电层20覆盖。在一个或多个实施例中，通过使用由植入、等离子体掺杂或固态扩散过程形成的掺杂层，衬底10自身可充当该导电层20。

第一导电层20在一个或多个实施例中为金属层。第一导电层20耦合至源极接触衬垫，该源极接触衬垫在一个实施例中为连接至源极电势的节点并且因此充当开关器件的源极。

第一介电层40设置在第一导电层20之上。第一介电层40在衬底10的顶表面之上物理接触第一导电层20。第一介电层40还布置在开口内，但是通过气隙30而与第一导电层20的侧壁分离。

控制层50设置在第一介电层40之上。控制层50在一个实施例中可为多晶硅层、多晶硅锗。在另一实施例中，控制层50包括弹性金属层。

在一个或多个实施例中，第一介电层40为栅极电介质并且可为非常薄的层。如果第一介电层40弹性弱于控制层50，则第一介电层40可在转角处发生破裂(crack)，从而允许开关装置不受阻碍地操纵。例如，可使用初始出厂设置来形成这些裂纹。

在图6D所示可替换实施例中，至少部分地从控制层50之下移除第一介电层40。这允许控制层50在响应于弹性力方面具有更大灵活性。

第二导电层70沿着第一介电层40侧壁布置并且面向布置在衬底10之上的第三导电层80。第二导电层70通过源极/漏极-沟道间隙75而与第一导电层20和第三导电层80分离。

第二导电层70配置成形成竖直导电路径，用于当第二导电层70接触第一导电层20和第三导电层80时的电流传导。相应地，第二导电层70类似于电流沟道且第三导电层80与开关器件的源极或漏极类似地运行，而控制层50等同于开关器件的栅极。

在各个实施例中，第一距离a1和第二距离a2可调节为确保第二导电层70的静电拉动大于朝向第三导电层80(漏极)。

在一个实施例中，开关器件可为完整的竖直器件，其中源极/漏极触头中的一个在衬底10的底表面处制成，而源极/漏极触头中的另一个在衬底10的顶表面处制成。

在开口内可保留狭窄狭道60。该狭窄狭道60在一些实施例中如果需要的话可填充电介质材料。

在图6A所示实施例中，使用背侧金属化来接触第一导电层20，而与第三导电层80的接触从顶表面进行。该实施例在衬底10内引入电阻，并且如果需要在衬底10内降低漏极处的电势时可能是有用的。然而，该实施例还导致衬底10的显著加热，但是可用作输入/输出功率开关器件。

在额外实施例中，衬底10可为金属衬底。在这样的实施例中，第一导电层20可为衬底10的一部分。另外，在这样的实施例中，有利地，背侧金属化层110可省略。

图6B示出了开关器件的顶视图的实施例。

第二导电层70可保持浮动，同时第三导电层80通过触头90而被接触。类似地，还可接触控制层50。另外，第二导电层70示出为沿着图6B的器件长度L连续延伸。然而，在一些实施例中，第二导电层70可仅延伸器件长度L的一部分。

图6C示出了图6B所示器件的顶部截面图的侧部截面图。

如图6C所示，触头90可耦合至控制层50。在控制层50和第三导电层80之上设置绝缘层85，并且该绝缘层可用于分离相邻的触头90。绝缘层85在一个实施例中可为氧化物材料，诸如硅氧化物。在其他实施例中，绝缘层85包含硅氮化物、塑封化合物(包括树脂和环氧材料)、和其他。

图6E示出了可替换实施例的横截面图，示出了位于单个开口内的多个指状件。

第一介电层40和控制层50可包括一个或多个“U”形段，以增大可移动栅极堆叠的弹性。图6A出于示意的目的示出了单个“U”形段。图6E出于示意的目的示出了具有两个“U”形段的可替换实施例。

图7A-图7C示出了根据本发明实施例的竖直机电开关。图7A为横截面图，而图7B为顶部截面图且图7C为侧部截面图。

不同于图6A-图6D所示实施例，在该实施例中，所有触头均从衬底1的顶表面或相同侧制成。这避免如图6的先前实施例一样引入任何额外的衬底电阻。

参照图7A，衬底10的背侧不包括用于第一导电层20的触头。相反，第一导电层20从衬底10的前侧被接触，这在图7B和图7C中更好地看出。

如图6D中一样，第一介电层40在一个实施例中可以不再控制层50直线连续延伸。其他实施例可类似于图6A，其中第一介电层40在控制层50之下连续延伸。

现在将描述在各个实施例中描述的竖直机电开关器件的一些优点。有利地，其中漏极在上而源极在下的构造简化了触头的形成以及与源极和漏极的接触。此外，将弹簧功能竖直整合到开口内以及竖直沟道的使用通过减小覆盖区而节省了晶片区，并且允许超越其他常规技术的小型化。除了触头电阻之外，接通电阻还包括源极、沟道和漏极电阻，这些均通过使用金属材料来形成。相应地，相比于其他常规技术，接通电阻显著降低。

此外，不同于图6A的实施例，不存在由于衬底电阻而导致的接通电阻的增大。另外，重叠电容(密勒电容)可制成为小得多。在常规MOSFET器件中，重叠电容与接通电阻和接通电压相关。与竖直机电器件的各个实施例相反，栅极到源极重叠电容可设计成可忽略。在一些实施例中，源极和漏极位于开口的相同侧上，并且因此使得在整个源极或漏极层上不存在电势降。如果漏极和源极位于相对侧上，则电势降将使得使可移动机电部件81移动所需的拉进电压减小。

结构的低质量意味着外部器件加速难以产生足够的力以克服可移动机电部件81的内部弹簧力。

参照图7B，使用多个触头90A接触第一导电层20。由于运载至控制层50的电流更小，因此可使用可少数量的触头90B来接触控制层50。

如之后在图7C的侧部视图中示出的，第一导电层20通过绝缘层85和第一介电层40而与控制层50隔开。连通第一导电层20的触头90A可以与连通控制层50的触头90B不同。特别地，连通第一导电层20的触头90A可以比连通控制层50的触头90B更长。然而，在各个实施例中，它们可使用常用工艺在相同步骤中制造。

图8A示出了根据本发明实施例的具有两个可移动栅极堆叠的机电开关器件的横截面图。

在其他实施例中，栅极堆叠(或对应的导电沟道)可能能够接触开口侧壁的两侧。相应地，可在第一导电层20与第三导电层80之间建立两个单独的电流路径。在这样的实施例中，流经每个开口的电流密度加倍。可使用该优点以例如减小器件的面积。

如图8A所示，第一介电层40嵌入在设置在开口内的第二介电层210中。然而，在该实施例中，第二导电层包括第一部分70A和第二部分70B。第二导电层的第一部分70A和第二部分70B可电隔离或者它们可电耦合。

第一部分70A通过第一源极/漏极到栅极气隙75A而与第三导电层80的左侧部分分离，而第二部分70B通过第二源极/漏极到栅极气隙75B而与第三导电层80的右侧部分分离。

开口的纵横比(高度H与宽度WT的比)仔细选择以实现器件的正确运行。

图8B示出了根据本发明可替换实施例的其中两个移动栅极堆叠处于接通状态下的机电开关器件的横截面图。

如上所述，栅极堆叠通过第二介电层210而锚定在开口的底部处。当开关器件偏压至接通状态时，横过气隙30在控制层50左侧与第一导电层20左侧之间产生第一弹性力(F1)，并且横过气隙30在控制层50右侧与第一导电层20右侧之间产生第二弹性力(F2)。响应于第一弹性力F1和第二弹性力F2，第一部分70A和第二部分70B接触第一导电层20和第三导电层80，从而产生两个单独的竖直电流路径。

图9A示出了本发明一个实施例中在图8A中示出的开关器件的顶视图。图9B示出了对应的机械示意图，示出了开关器件的可移动机电部分的弯曲。

参照图9A，在一个实施例中，包括控制层50的可移动机电部件81可在中央区域中弯曲，而两端则固定至开口的侧壁。在开口为长沟槽的情况下，该实施例更为实用。在这样的实施例中，如图9B所示，可移动机电部分81向外弯曲，并且可移动机电部件81的中央区域接触对应的源极和漏极部件以形成导电路径。然而，可移动机电部件81仅有上部如所示出地向外弯曲，因为下部通过第二介电层210而锚定。

图10A示出了本发明一个实施例中在图8A中所示开关器件的顶视图。图10B示出了对应的机械示意图，示出了开关器件的可移动机电部件的弯曲。

在另一实施例中，可移动机电部件81可仅仅从一侧机械锚定。在这样的实施例中，中央开口82可将可移动机电部件81与相邻的可移动机电部件分离。相应地，如图10B所示，可移动机电部件81的端部向外弯曲的程度大得多。

图11A示出了本发明实施例中在图8A中所示开关器件的顶视图。图11B示出了对应的机械示意图，示出了开关器件的可移动机电部件的弯曲。

在另一实施例中，可移动堆叠可以不锚定至开口的底部，而是仅仅锚定在开口的端部处，如上文中在图9和图10中所示实施例中一样。相反，自由悬置的可移动堆叠对于上部和下部而言可自由移动，然而，上部的位移(示出为虚线70A_U和70B_U)很可能大于下部的位移(示出为虚线70A_L和70B_L)。

图12示出了根据本发明实施例在开口内包括台面的竖直机电开关。图12A示出了横截面图，而图12B和图12C示出了图12A的竖直机电开关的顶部截面图。

参照图12A，在其他实施例中，台面151附接至开口。台面151耦合至背侧金属化部分110并且因此能够从衬底10的背侧偏压。第一介电层40设置在衬底10之上。

第一导电层20设置在第一介电层40之上。相应地，在该实施例中，第一导电层20与衬底10隔离。因此，多个紧密堆叠的开关单元300可形成为彼此邻近。然而，相邻开关单元300通过共同控制器(台面151)耦合，该共同控制器耦合至共同衬底10。

第三介电层41设置在第一导电层20之上。第三导电层80设置在第三介电层41之上。

第一介电层40和第三介电层41在一个实施例中可包含相同材料。

该实施例的开关操作类似于先前实施例。可移动部件(包括台面151、第四介电层42和第二导电层70)朝向第一导电层20和第三导电层80倾斜。

该实施例的竖直机电开关可为三端子或四端子器件。如图12B和图12C是顶部截面图所示，本体板152可形成在实质上大的区域之上，以便在偏压切换成接通状态时使得可移动堆叠的静电拉动最大。

如图12B和图12C所示，第二导电层70并不覆盖台面151的全部，以防止屏蔽台面151与本体板152之间的静电力。另外，第二导电层70设计成避免接通状态下第二导电层70与本体板152的短接。相应地，在第二导电层70与本体板152之间添加保护间隙GG。

图13A示出了根据本发明实施例的在开口内包括台面的竖直机电开关。图13A示出了横截面图，而图13B和图13C示出了图13A的竖直机电开关的顶部截面图。

该实施例类似于图12A-图12C的实施例，除了本体板152与第一导电层20和第三导电层80的相对布置之外。在该实施例中，第一导电层20和第三导电层80中央定位，以确保与可移动第二导电层70最大的接触，该可移动第二导电层附接至台面151。

图14A-图14D示出了根据本发明实施例在开口内包括台面的竖直机电开关。图14A示出了横截面图，而图14B-图14D示出了图14A的竖直机电开关的顶部截面图。

在该实施例中，第五介电层43形成在第三导电层80之上，并且第四导电层153形成在第五介电层43之上。第四导电层153可耦合至本体节点并且因此用作器件的本体。台面151朝向第四导电层153拉动。

图15A-图15B示出了根据本发明实施例在开口内包括台面的竖直机电开关。图15A示出了横截面图，而图15B示出了图15A的竖直机电开关的顶部截面图。

在另一实施例中，源极、本体和漏极可并排定位并且可以不堆叠在彼此之上。相应地，如在图15B的顶部截面图中最佳示出的，第一导电层20和第三导电层80以及本体板152位于相同平面内，例如想成在金属化层的相同金属层中。与在先前实施例中一样，第二导电层70仅占据小的面积，以防止台面151与本体板152之间的屏蔽以及避免本体板152与第二导电层70之间的短接。

图16A示出了根据本发明实施例的三端子竖直机电开关的横截面图。

图16A示出了根据本发明实施例的其中栅极与源极之间电容增大的三端子器件。

在一个实施例中，第二导电层70与第一导电层20的重叠最少，以防止第二导电层70屏蔽控制层50。这可通过形成第一中间介电层401和第二中间介电层402来完成，随后在开口中去除该第一中间介电层和第二中间介电层以形成气隙30。

第三中间介电层403形成在第二中间介电层402之上。控制层50设置在第三中间介电层403上。第三导电层80通过第四中间介电层404而与第一导电层20分离。

图16B示出了根据本发明实施例其中通过增大源极金属厚度来增大栅极与源极之间的电容的三端子器件。

在该实施例中，可增大源极金属的厚度，以增大控制层50与源极之间的静电力，该源极包括具有第一层20A和第二层20B的第一导电层。示意而言，第二中间介电层可包括一个或多个层，诸如第一绝缘层402A和第二绝缘层402B。

图17示出了根据本发明实施例形成可移动机电部件的矩形开口。

本发明实施例可形成为方形或矩形开口。该实施例可用于形成标准单元电路，包括用于逻辑、存储器(诸如其他存储器架构中的SRAM以及选择/存取晶体管)和其他应用中的集成电路。在一个或多个实施例中，通过简单地改变在各个节点处施加的偏压条件，在各个实施例中描述的开关器件可制成为表现为NMOS或PMOS器件。例如，通过施加负的栅极到本体(或栅极到源极)电压和负的漏极到源极电压(例如源极和可选的本体处于接地并且漏极处于-VDD，而栅极偏压至-VDD(或其他负电压))，获得PMOS晶体管的行为。相应地，当在栅极上施加大的负偏压时，可移动沟道被吸引至源极(或本体)并且在漏极与源极之间形成导电路径。相反，通过施加正的栅极到本体(或栅极到源极)电压(+V_GS)和正的漏极到源极电压(+V_DS)，获得NMOS晶体管的行为。相应地，当在栅极上施加大的正偏压时，可移动沟道被吸引至源极(或本体)并且在漏极与源极之间形成导电路径。

如在各个实施例中描述的，形成了矩形开关单元221的阵列。每个矩形开关单元221均包括如在各个实施例中描述的矩形可移动机电部件222，该矩形可移动机电部件通过气隙AG而与一个或多个导电层(诸如第三导电层80)分离。

在各个实施例中，特别需要小心以避免将可移动机电部件222锚定。如果可移动机电部件222沿着第一方向定向，则必须通过上金属化层来执行第一方向上栅极触头之间的接触。例如，在不包括气隙AG的情况下形成覆盖层。金属层可形成在这样的覆盖层之上。这种覆盖层的示意图参见图18。如图17所示，上金属线223可连接沿着栅极线的方向定向的相邻栅极。

相反，相邻排中的相邻栅极可连接在与栅极线相同的金属层内或者连接在上金属层中。图17示出了在与连接相邻单元221中栅极的控制层50相同的层中的互连224。

图17的实施例可应用于上述任何实施例。

图18示出了根据本发明实施例的具有包覆层的竖直机电开关器件的横截面图。

在各个实施例中，在任一先前实施例中描述的竖直机电开关器件被包覆，用于开关器件的正确运行。否则，湿气、灰尘和其他颗粒将进入腔体，从而防止可移动部件进行移动。

图18示出了对竖直机电开关器件进行包覆的一种方式。介入结构511形成在衬底10之上。该介入结构511设计成从所有的方向围绕开口，并且设计成增大/延长开口的高度。

盖部512附接至介入结构511，使得腔体513完全封闭，从而将源极/漏极-沟道间隙75和气隙30密封。另外，在一些实施例中源极/漏极-沟道间隙75和气隙30可排空并且在包覆之前引入不同的气体。在一个示例性实施例中，可使用气体填充物(例如SF₆)来减少火花形成并且避免相关可靠性问题。

在一些实施例中，介入结构511和盖部512由相同材料制成。包括介入结构511和盖部512的集成结构可通过使用常规技术附接至衬底10。

图19A-图19B示出了根据本发明实施例的处于制造阶段过程中的竖直几点开关器件的横截面图。

参照图19A，在衬底10内形成开口T。衬底10在一个实施例中可为硅衬底。可替换地，在其他实施例中，衬底10可为硅碳化物(SiC)。在一个实施例中，衬底10可包括镓氮化物(GaN)。在可替换实施例中，衬底10可包括半导体或绝缘体衬底(诸如SOI)以及化合物半导体(诸如GaAs、InP、InSb、SbInP和其他)。在其他实施例中，衬底10可为金属材料并且可包括例如钨衬底。

衬底10可包括外延层，包括异质外延或同质外延层。衬底10的一些实例为块体单晶硅衬底(或者生长于其上或者以其他方式形成于其中的层)、(100)硅晶片上(110)硅的层、绝缘体上硅(SOI)晶片的层、或者绝缘体上锗(GeOI)晶片的层。在其他实施例中，可使用其他半导体作为衬底10，这些半导体诸如为硅锗、锗、镓砷化物、铟砷化物、镓砷化物、铟锑化物或其他。

在其中不存在经过衬底10的电流路径或电流流动(例如图16A-图16B)的实施例中，衬底10还可包括绝缘材料。这样的绝缘衬底的实例包括石英衬底或其他耐火材料。

开口T可为沟槽或柱形/矩形开口。开口T可使用常规平版印刷技术形成，例如通过沉积硬膜、光阻剂，在曝光之后使光阻剂显影，以及将硬膜图案化。通过将硬膜用作蚀刻掩膜，形成开口T。

第一导电层20沉积在衬底10(包括开口T的开放侧壁和底表面)之上。可通过使用常规沉积工艺沉积第一导电层20，这些常规沉积工艺包括溅射、物理气相沉积、化学气相沉积、蒸发、原子层沉积、印刷和其他。第一导电层20包括金属并且可包括钨、钛、钽、铝、钌、钴、镍及其硅化物、导电氮化物导电碳化物。第一导电层20可包括多层，诸如金属内衬和/或屏障层(之后是金属沉积)。

参照图19B，在开口T内形成牺牲层171。牺牲层171包括能够根据第一导电层20和随后形成的第一介电层40以良好的选择性轻易蚀刻的材料。例如，如果第一介电层40包括硅氮化物，则牺牲层171可包括硅氧化物。类似的，例如，如果第一介电层40包括硅氧化物，则牺牲层171可包括硅氮化物。在其他实施例中，牺牲层171可包括其他介电材料(包括旋涂玻璃)和其他低-k电介质(诸如无定形碳、氢化硅(Si:H)、氢化硅氧化物(SiO:H)、氢化硅氮化物(SiN:H)和其他)。

随后的层形成于牺牲层171之上。例如，第一介电层40、控制层50、第二导电层70和第三导电层80全部可通过使用平版印刷、沉积、蚀刻、硅化工艺来形成。还可形成接触焊盘和其他结构。如果需要的话，还执行背侧金属化。

在一个实施例中，第一导电层20、第二导电层70和/或第三导电层80可包括硅化物材料，诸如钛硅化物、镍硅化物、钴硅化物。在其他实施例中，用于第一导电层20、第二导电层70和/或第三导电层80的块体导电材料可涂覆由薄的保护性介电层(例如TiO₂)用于降低与静摩擦相关的失效或者火花形成，所述块体导电材料可包括诸如多晶硅的半导体材料或者诸如钨的金属材料。

随后，在完成工艺步骤之后，在释放蚀刻中去除牺牲层171。释放蚀刻设计成形成可移动部件。如上所述，释放蚀刻在一些实施例中不会去除底层的第一导电层20和上层的第一介电层40。然而，在一些实施例中，朝向第一介电层40的选择性可能较低，并且可去除第一介电层40中的一些。这可能是有利的，如上文参照图6D所描述的。

可使用密封工艺将所形成的机电器件密封和包覆。

一个一般方面包括开关器件，该开关器件包括设置在衬底中的第一开口。第一源极设置成邻近第一开口并且具有与第一开口的侧壁平行的接触表面。第一漏极设置成邻近第一开口并且具有与第一开口的侧壁平行的接触表面。第一可移动栅极堆叠可包括设置在第一开口内的第一沟道和第一栅极。实施方式可包括以下特征中的一个或多个。开关器件可进一步包括设置成邻近第一开口并且具有与第一开口的侧壁平行的接触表面的本体。该开关器件，其中开关器件包括导通状态和断开状态，并且其中第一可移动栅极堆叠配置成在导通状态下朝向本体拉动。该开关器件，其中开关器件包括导通状态和断开状态，并且其中第一可移动栅极堆叠配置成在导通状态下朝向第一源极拉动。该开关器件，其中开关器件包括导通状态和断开状态，其中开关器件配置成在导通状态下导电，其中在断开状态下，第一可移动栅极堆叠处于第一参考位置，其中在导通状态下，第一可移动栅极堆叠从第一参考位置发生位移并且接触第一源极和第一漏极，从而通过第一沟道提供第一源极与第一漏极之间的第一导电路径。该开关器件，其中第一可移动栅极堆叠弹性耦合至第一开口的侧壁。该开关器件，其中第一可移动栅极堆叠弹性耦合至第一开口的底表面。该开关器件，其中第一可移动栅极堆叠包括弹性部件。开关器件可进一步包括耦合至第一源极的源极接触焊盘；以及耦合至第一漏极的漏极接触焊盘，其中源极接触焊盘和漏极接触焊盘设置在衬底的相同侧之上。开关器件可进一步包括耦合至第一源极的源极接触焊盘；以及耦合至第一漏极的漏极接触焊盘，其中源极接触焊盘和漏极接触焊盘设置在衬底的相对侧之上。开关器件可进一步包括设置在衬底中的第二开口；设置成邻近第二开口且具有与第二开口的侧壁平行的接触表面的第二源极；设置成邻近第二开口且具有与第二开口的侧壁平行的接触表面的第二漏极；以及包括设置在第二开口内端第二沟道和第二栅极的第二可移动栅极堆叠。该开关器件，其中第一源极和第二源极耦合至共用源极节点，并且第一漏极和第二漏极耦合至共用漏极节点。该开关器件，其中第一源极和第二源极通过衬底的共用区域而分离。

另一一般方面包括开关器件，该开关器件包括设置在衬底中且包括第一侧壁和相对的第二侧壁的开口、设置在开口中和/或之上的源极、设置在开口中和/或之上的漏极、以及设置在开口中的沟道。沟槽包括具有第一位置和第二位置的第一可移动导电元件。在第一位置中，第一可移动导电元件配置成接触第一漏极区域和源极。在第二位置中，第一可移动导电元件配置成通过第一气隙而与第一漏极区域和源极分离。实施方式可包括以下特征中的一个或多个。开关器件可进一步包括设置在源极之上的介电层，介电层包括第一主表面和相对的第二主表面；设置在源极与介电层之间的第二气隙；以及沿着介电层的第一主表面设置的栅极。该开关器件，其中沟道沿着介电层的第二主表面设置。该开关器件，源极沿着开口的第一侧壁的第一部分设置，其中漏极包括沿着开口的第一侧壁的第二部分设置的第一漏极区域，其中源极进一步沿着开口的第二侧壁的第一部分设置，其中漏极包括沿着开口的第二侧壁的第二部分设置的第二漏极区域。该开关器件，其中沟道包括具有第一位置和第二位置的第二可移动导电元件。在第一位置中，第一可移动导电元件配置成接触第二漏极区域和源极，其中在第二位置中，第二可移动导电元件配置成通过第二气隙而与第二漏极区域和源极分离。该开关器件，其中沟道机械耦合至栅极，栅极锚定至开口的底表面。该开关器件，其中衬底包括半导体或金属衬底。开关器件可进一步包括设置在半导体衬底的主表面之上的隔离介电层，其中源极通过该隔离介电层而与漏极电隔离。

另一一般方面包括集成电路，该集成电路包括多个开关器件。所述多个开关器件中的每个开关器件包括设置在衬底中的开口、源极区域、漏极区域、沿着第一方向定向且包括设置在开口内的可移动导电元件的栅极线。可移动导电元件配置成在开关器件的第一状态下接触源极区域和漏极区域，并且配置成在开关器件的第二状态下与源极区域和漏极区域隔离。所述多个开关器件沿着第一方向布置成排并且沿着与第一方向垂直的第二方向布置成列。所述多个开关器件中的一个开关器件的第一栅极线通过位于第一栅极线之上的金属层中的导线而与所述多个开关器件的位于相同排中的另一个开关器件的相邻第二栅极线耦合。实施方式可包括以下特征中的一个或多个。该电路，其中第一栅极线通过位于与第一栅极线相同层中的导线而耦合至位于相同列中的相邻第三栅极线。该电路，其中开口为矩形的。该电路，其中集成电路可包括CMOS器件。该电路，其中集成电路可包括存储器器件。

如在各个实施例中所描述的，包括金属的材料可例如为纯金属、金属合金、金属化合物、半金属、金属间化合物及其他，也即包括金属原子的任何材料。例如，铜可为纯铜或者包括铜的任何材料，包括但不限于铜合金、铜化合物、铜金属间化合物、包括铜的绝缘体、以及包括铜的半导体。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，然而本说明书不旨在以限制性的意义来解释。通过参照本说明书，对于本领域技术人员而言，示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例是显而易见的。示意而言，在图1A-图18B中描述的实施例可在可替换实施例中彼此组合。因此旨在的是，所附权利要求包含任何这样的修改或实施例。

尽管已参照示例性实施例描述了本发明，然而本说明书不旨在以限制性的意义来解释。通过参照本说明书，对于本领域技术人员而言，示例性实施例的各种修改和组合以及本发明的其他实施例是显而易见的。因此意图在于所附权利要求包含任何这样的修改或实施例。