一种三维微/纳机电开关及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种三维微/纳机电开关及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微纳机电(MEMS/NEMS)开关是靠悬臂梁、梳齿或薄膜结构机械位移实现对电或射频信号的开断控制。高效、快速反应、准确、重复使用频率、高可靠性是现代电路系统对开关的特殊要求。与传统的场效应晶体管和PIN 二极管开关相比，低损耗、低功耗、高隔离度是MEMS/NEMS开关的主要特点。MEMS开关的出现为高科技电路系统的发展提供了有力的保障，它在通讯、传感等领域的电路控制方面有广泛的应用前景。
[0003]随着半导体加工技术的发展，传统半导体开关由于能耗和不断增加的漏电流而受到很大的局限，而MEMS/NEMS开关有望降低漏电流和增加微纳器件的集成度。例如把MEMS/NEMS开关集成到典型的CMOS工艺中，就可以在动态可配置的现场可编程门阵列或其它可重复配置电路技术中取得应用。
[0004]MEMS开关主要由接触部分和驱动部分组成。接触部分通常采用在氮化硅或二氧化硅、多晶硅上覆金形成。驱动部分多为柔性悬臂梁。随着器件的不断小型化，MEMS开关中的关键部分(如悬臂梁等)可达到纳米级或是采用微纳米线(微米线或纳米线)替代，从而形成纳机电(NEMS)开关。目前微机电开关结构类型以悬臂梁式、桥膜式和扭转摆式为主，其驱动部分主要依赖于高分辨的光刻、刻蚀以及薄膜生长技术来实现，工艺制作中需要克服很多苛刻的工艺条件要求。以光刻为例，工艺流程大体分为10步:硅片表面处理、涂胶、前烘、曝光、后烘、显影、清除残胶、竖膜、图形转移和去胶，其中每一步都必须对处理条件和参数进行严格的最优化控制，这样才能确保产品质量和大规模重复制作的可能。也有采用电子束光刻、原子层沉积、介电泳、CMOS以及纳米管/线的生长技术制作纳机电开关。
[0005]随着半导体技术的发展，MEMS开关的三维化成为必然的发展方向。三维微/纳机电开关根据接触类型可大致分为两类:直接接触式和电容式。直接接触式微机电开关是通过两个电极直接接触，电容式微机电开关是通过一非常薄的介电层联接两电极，电容式多应用在1GHz以上或是更高频率要求的条件下。
[0006]三维MEMS开关不仅体积小、集成度高，更重要的是三维结构的引入使其具有更为优越的性能。MEMS开关中的三维微纳驱动单元需要高精度的有序排列，目前的三维悬臂梁的制作如通过物理或化学气相沉积得到的通常是相互交联的微纳米线，特别是目前还不能同时控制微纳米线的尺寸、位置和取向。为实现三维取向，通常采用光刻技术在基底上方以水平取向制造悬臂梁，然后通过机械作用提拉形成准三维结构。如文献报道采用塑性变形磁装配技术(PDMA)来对包含有磁性材料的微米级结构进行三维操控，成功制作出三维结构可控、可大规模复制性制造的微机电系统。
[0007]但该方法要求操控对象必须要有磁性，在制备固定结构时首先要对其进行磁性材料包覆，在制作开关中可动结构时包覆磁性材料会对可动结构性质影响较大，且在工艺上更加复杂。通过直流等离子体增强的化学气相沉积技术在衬底电极上生长竖直碳纳米管也可形成由竖直平行碳纳米管开关，闭合电压高达25V左右。公开号为CN 101866781A中国专利中通过在衬底上进行深度刻蚀的方法来筑造三维悬臂梁结构，制造一种垂直集成电路开关，该开关具有较好的可靠性，但闭合电压在50V以上。
[0008]—般微机电开关都要求能够快速切换通路，机械式开关所有的功能元件都提供了惯性质量，力与加速度之间的线性关系意味着很大的力将会导致更快的反应。另外，接触的可靠性显著的受到触点压力的影响，小的触点压力产生高的接触电阻以及由电流引起的过热，小的力还会导致小的接触面积，实际的接触可能仅在表面上微小的凹凸不平处发生，这会导致器件的过早失效。因此，在开关工作时，产生相对大的致动力起到关键性作用，因为短开关时间、低接触电阻以及高可靠性是通过足够的静电引力来实现的，足够的静电引力将这些开关机械移动的结构加速的足够快速，产生足够的触点压力并克服在断开时的粘附力。
[0009]由此可见，低闭合电压和大静电引力是相互矛盾的，合理的优化设计和制作工艺仍然具备很大的挑战性。此外，电接触问题还要考虑接触材料的选择、熄弧等。目前制约MEMS/NEMS开关的主要问题是闭合电压过高、加工成本高昂，这些极大地限制了三维微纳开关的实际商业化应用。因此，目前急需开发工艺简单、制作周期短、成本低、材料选择范围宽的三维微纳结构加工工艺。
[0010]目前制约MEMS/NEMS开关的主要问题是闭合电压过高、加工成本高昂，这些极大地限制了三维微纳开关的实际商业化应用。因此，目前急需开发工艺简单、制作周期短、成本低、材料选择范围宽的三维微纳结构加工工艺。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的不足，本发明提供了一种三维微/纳机电开关及其制备方法。
[0012]—种三维微/纳机电开关，包括具有绝缘基底，所述绝缘基底上设有两个基底电极、各个基底电极上垂直连接有微纳米线，以所述微纳米线的顶端作为开关触点。
[0013]本发明中的微纳米线垂直连接指从整体整体趋势上开，微纳米线与绝缘基底垂直。
[0014]绝缘基底能够杜绝较大漏电流，通常也可采用硅、非结晶的体材料、绝缘体上硅(SOI)、锗化硅SiGe、蓝宝石、氧化铝、玻璃、砷化镓等基底，但为了保证低的漏电流和低能耗，所以要在基底上蒸镀一层绝缘层，绝缘层采用的材料可以是二氧化硅、氮化硅等类似物。
[0015]本发明三维微/纳机电开关的基底电极可采用与CMOS工艺兼容铜Cu、金Au等材料制作。
[0016]作为优选，基底电极的结构和形状可以采用维纳机电开关中常规结构，通常可采用带状结构，两个基底电极之间的连接方式一般有电容式和电阻式。在实际应用时可以根据应用需求选择合适的结构和连接方式。
[0017]本发明的三维微/纳机电开关的竖直平行线式结构主要利用竖直线式电容器两极之间的静电引力作为驱动开关闭合动力，利用竖直线结构的弹性应力作为开关打开的驱动力，同时还要考虑开关接触时的粘附力，合理控制这些力的大小关系到开关性能的好坏，除了材料的选择和结构样式设计外，开关各部分的具体尺寸也非常重要，由于不同应用需求，不同材料选择，所以在结构尺寸上会有一些差异。
[0018]本发明中要求微纳米线导电即可，作为优选，所述的微纳米线由金属材料制备得到。
[0019]本发明中微纳米线材料可以由一致型材料制备得到，即整个纳米线的材质相同，如碳纳米管等类似的具有特殊性质的材料构筑而成。通过单独的均一化生长的微纳米线结构(竖直平行线式结构)即可显现出良好的开关性能，此类构型更加简单，易于操作，但是相应的材料选择少(如铂、导电有机物以及一些合金类物质)。
[0020]为满足不同的应用需求，如解决触点因电弧粘附以及材料刚度不足以维持较好的开关性能，本发明中的微纳米材料可以为类似异质结材料制备得到，即整个微纳米线划分为若干段，不同段之间采用不同的材料。如此设计可以有效弥补不同材料间的性能不足，如刚度符合开关要求而触点处容易粘附，可在该材料的基础上再生长一小段高熔点(一般大于1500°C )材料来防止触点放电导致熔融粘附，致使开关失效，有利于提高机电开关的性能。作为优选，当为类似异质结材料时，由底端(固定于基底电极上的一端)至顶端，微纳米线的材质的杨氏模量和电导率逐渐减小，密度逐渐增大。
[0021]为便于制备，本发明中微纳米线采用能够实现电化学沉积的材料制备得到，例如金属单质金Au、银Ag、铜Cu、铀Pt、锌Zn、钯Pd、镍N1、锡Sn、络Cr、钼Mo、妈W、猛Mn、镓Ga、铟In、钴Co、锇Os、铱Ir、钌Ru、铑Rh、铼Re、锝Tc、铊Tl等金属中的一种或任意两种或两种以上的合金。微纳米线还可以为一些导电聚合物(如聚吡咯和聚苯胺)，半导体(Si微纳米线)等。
[0022]本发明的微纳米线可为直线型、也可以为螺旋弯曲型，所述的螺旋弯曲型可以是具有任意扭曲形状，如具有环形结构、也可以为螺旋型，使用时根据具体应用情况选择(包括微纳米线的形状参数)。
[0023]这些结构可以在硬度较高的材料中使用增加三维开关的弹簧系数，利于降低闭合电压。另外，只要有助于开关性能提升也可以多种结构自由组合。
[0024]当顶端距离非常小的时候(一般在Inm左右)，位于两不同基底电极上的微纳米线间会产生较大的隧穿电流，受外电路电阻的影响，致使两微纳米线间的电势差减小，使得静电引力减小，此时微纳米线受自身惯性作用继续靠拢，弹性力仍因形变加大而继续增加，隧穿电流增加，电势差继续减小，当静电引力等于