具有石墨烯组件的MEMS结构的制作方法

本公开涉及微机电系统（mems）结构。

背景技术：

例如陀螺仪、谐振器和加速度计之类的微机电系统（mems）利用微机械加工技术（即，光刻和其他精密制造技术）将机械组件减小到与微电子器件大体相当的尺度。mems典型地包括使用微机械加工技术从例如硅衬底制造或在例如硅衬底上制造的机械结构。

利用表面微机械加工，可以使用诸如化学气相沉积之类的工艺在硅衬底上构建mems器件结构。这些工艺允许mems结构包括小于几微米的层厚度与显著更大的平面内尺寸。通常，这些器件包括被配置为相对于器件的其他部分移动的部分。在该类型的器件中，可移动结构通常构建在牺牲材料层上。在形成可移动结构之后，可以通过在水氢氟酸（hf）中对牺牲层的选择性湿法蚀刻来释放可移动结构。在蚀刻之后，可以在去离子水中冲洗释放的mems器件结构以移除蚀刻剂和蚀刻产物。

归因于很多可移动结构的大的表面积与体积比，包括这类结构的mems器件在释放过程（释放粘附）或后续的器件使用（使用中粘附）期间易受层间或层到衬底粘附。该粘附现象更一般地称为粘滞。在mems器件的后释放处理期间或在使用期间后续暴露于空气期间，在硅表面上5-30埃厚的自然氧化物层的已经形成加剧了粘滞。氧化硅是亲水的，从而促进在自然氧化物表面上水层的形成，所述自然氧化物表面在小的层间间隙暴露于高湿度环境时可以表现出强的毛细力。此外，归因于某些有机残留物、氢键和静电力的存在，范德华力也有助于层间吸引。这些内聚力可以足够强而将独立释放层拉到与另一结构接触，从而引起不可逆的封锁并使mems器件不起作用。

已经尝试使用各种方案来最小化mems器件中的粘附。这些方案包括诸如冷冻升华和超临界二氧化碳干燥之类的干燥技术，所述干燥技术意图在释放过程期间防止液体形成，从而防止毛细塌陷和释放粘附。气相hf蚀刻通常用于缓解过程中的粘滞。其他方案涉及通过最小化接触表面积、设计在平面外方向上坚硬的mems器件结构以及气密封装来减小粘滞。

减小使用中的粘滞和粘附问题的方案是基于通过抗粘滞涂层的添加对器件的表面改性。通过添加材料涂层，改性表面理想地表现出低表面能，从而抑制释放的mems器件中的使用中粘附。大多数涂覆过程具有产生与自然氧化硅结合的薄表面层的目标，所述薄表面层向环境呈现疏水表面。具体地，已经示出了用具有疏水尾基的自组装单层（sam）涂覆mems器件表面在减小使用中粘附方面是有效的。sam已经典型地涉及在释放mems器件之后从非水溶液中沉积诸如十八烷基三氯硅烷和全氟癸基三氯硅烷之类的有机硅烷偶联剂。即使没有抗粘滞涂层，自然氧化物生成也会在硅表面上发生。

尽管有这些各种方案，但使用中粘附仍然是mems器件的严重可靠性问题。该问题的一个方面是即使在施加抗粘滞涂层时，下面的硅层也可能保留各种电荷。例如，硅本身不是导体。为了将硅结构改性为导电的，将物质掺杂到硅中。然而，归因于功能硅层中的诱导应力，可实现的掺杂水平受到限制。因此，在制造过程期间，电荷沉积在感测元件的硅表面上，并且电荷不会立即迁移。电荷包括归因于用于限定各种结构的沟槽形成过程的悬空键。在电容式感测器件中，那些电荷可能引起可靠性问题，这是由于它们并非全部受到局限。一些电荷具有一定的移动性，并且可能根据温度或老化而漂移。这可能导致例如电容式传感器的灵敏度或偏移量的不期望的漂移效应。因此，为了不积累表面电荷而在结构顶部上的高导电工作层（不可能w/硅）或至少高导电涂层将是合期望的。

而且，硅的受限导电性可能导致包括电容式传感器的电子评估电路中的不可接受的rc时间常数。具有例如10pf的总电容（c）和10kohm的总阻抗（r）的传感器元件可以限制为在大约1mhz的频率以下操作。然而，在某些应用中期望以更高频率操作，这是因为更高频率操作可以导致传感器的更好的信噪比性能。因此，mems器件中使得能够实现较低rc时间常数的增大的导电性将是有益的。

因此，仍然存在对mems器件的与mems制造过程兼容的可靠结构的需求，所述结构可以用于减小mems结构的粘滞力、表面电荷和/或电阻率。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施例，提供了一种微机电系统（mems）结构，包括：衬底；位于衬底上方的外延多晶硅盖；限定在衬底和外延多晶硅盖之间的第一腔体部分；以及第一石墨烯组件，其具有紧邻第一腔体部分的至少一个石墨烯表面。

在一个或多个实施例中，第一腔体部分在mems结构内垂直延伸，并且所述至少一个石墨烯表面包括限定第一腔体部分的垂直壁的垂直延伸的壁。

在一个或多个实施例中，mems结构包括朝第一腔体部分开放的第二水平延伸腔体部分，以及限定第二水平延伸腔体部分的下部的第二石墨烯组件。

在一个或多个实施例中，所述至少一个石墨烯表面是圆齿状垂直延伸的壁。

在一个或多个实施例中，所述至少一个石墨烯表面的第一表面紧接地在第一腔体部分下方，并且所述至少一个石墨烯表面的第二表面紧接地在第二腔体部分上方。

在一个或多个实施例中，第一石墨烯组件在包括第一腔体部分和第二腔体部分的腔体内可移动。

根据本公开的一个实施例，一种形成微机电系统（mems）结构的方法包括：提供衬底；在衬底上方形成外延多晶硅盖的第一部分；经由通过至少一个通气部的蒸汽释放来在衬底上方形成第一腔体部分，所述至少一个通气部延伸通过外延多晶硅盖的第一部分；使用氢烘烤将紧邻第一腔体部分的碳化硅部分转换成石墨烯；以及在转换碳化硅部分之后，利用外延多晶硅盖的第二部分密封所述至少一个通气部。

根据一个或多个实施例，提供衬底包括提供绝缘体上硅（soi）晶片，形成第一腔体部分包括使紧邻第一腔体部分的soi晶片的硅部分暴露，以及所述方法还包括在暴露的硅部分上共形地沉积二氧化硅部分。

根据一个或多个实施例，形成第一腔体部分包括深反应离子蚀刻完全通过soi晶片的硅层的沟槽，在共形地沉积二氧化硅部分之后用牺牲氧化物部分填充沟槽，以及使用氢氟酸蒸汽使二氧化硅部分暴露。

根据一个或多个实施例，共形地沉积二氧化硅部分包括在暴露的硅部分的圆齿状表面上共形地沉积二氧化硅部分，并且转换碳化硅部分包括将碳化硅部分转换成圆齿状石墨烯部分。

根据一个或多个实施例，在外延反应器中进行氢烘烤，并且在外延反应器中沉积外延多晶硅盖的第二部分。

根据一个或多个实施例，提供衬底包括在绝缘体层上提供碳化硅层，并且碳化硅部分是碳化硅层的部分。

根据一个或多个实施例，形成第一腔体部分包括深反应离子蚀刻完全通过碳化硅层的沟槽，用牺牲氧化物部分填充沟槽，以及使用氢氟酸蒸汽使碳化硅层的部分暴露。

根据一个或多个实施例，转换碳化硅部分包括将碳化硅层的区段完全转换成石墨烯。

根据一个或多个实施例，形成第一腔体部分包括释放碳化硅层的区段。

附图说明

图1描绘了简化的mems结构的横截面视图，所述简化的mems结构包括并入石墨烯组件的运动检测器和压力检测器；

图2描绘了根据一个实施例用于形成并入石墨烯的mems结构的绝缘体上硅（soi）晶片的横截面视图，所述mems结构诸如图1的mems结构，具有通过drie工艺形成的沟槽；

图3描绘了在碳化硅已经共形地沉积在暴露的硅表面上之后图2的soi晶片的横截面视图；

图4描绘了在已经形成并图案化牺牲氧化物层并已经形成氮化物间隔件的部分之后，图3的soi晶片的横截面视图；

图5描绘了在已经形成外延多晶硅盖的第一部分和附加的氮化物间隔件部分之后，图4的结构的横截面视图；

图6描绘了在已经在外延多晶硅盖的第一部分中蚀刻通气孔之后，图5的结构的横截面视图；

图7描绘了在已经蚀刻氧化物部分以形成腔体并在器件层中释放工作结构之后，图6的结构的横截面视图；

图8描绘了在已经形成关闭通气部的外延多晶硅盖的第二部分之后，图7的结构的侧横截面视图；以及

图9描绘了在绝缘体晶片上使用碳化硅形成的mems结构的侧横截面视图，其允许图2-8的过程的简化并且可以提供固体石墨烯工作结构和电极。

具体实施方式

出于促进对本公开原理的理解的目的，现在将参考附图中图示的并在以下撰写的说明书中描述的实施例。应理解，没有由此对本公开的范围的限制意图。还应理解，如本公开所涉及领域的技术人员通常将想到的，本公开包括对说明的实施例的任何更改和修改，并且包括本公开原理的另外应用。

图1描绘了简化的mems结构100。该实施例中的mems结构100被描绘为绝缘体上硅（soi）晶片，所述绝缘体上硅晶片包括以硅处置层形式的衬底102、掩埋氧化硅层104和硅器件层106。器件层106上方是第二掩埋氧化硅层108和外延多晶硅盖层110。

在器件层106内，由沟槽114限定工作组件112。工作组件112通过连接器118连接到接触部116。沟槽114垂直地完全延伸通过器件层106并连接上腔体部分120和下腔体部分122以形成腔体124。电极126与工作组件112间隔开并通过连接器130连接到接触部128。连接器130通过间隔件132与连接器118电气隔离。

电极126和工作组件112至少部分地涂覆有石墨烯。水平延伸的石墨烯部分140跨紧邻上腔体部分120的工作组件112的上表面延伸，并且垂直延伸的石墨烯壁142/144沿着沟槽114并且紧邻沟槽114延伸。第二水平延伸的石墨烯部分146沿着紧邻上腔体部分120的电极126的上表面延伸。

石墨烯部分140/142/144/146提供减小的阻抗和减小的粘滞可能性。具体地，石墨烯是碳的同素异形体，其中每个碳原子与平面内的三个其他碳原子键合并且与垂直于该平面的氢原子键合。石墨烯表现出高导电性、高电子移动性、高持续电流、低机械摩擦、高透光性和高导热性。因此，石墨烯在其中期望减小的电气阻抗的应用中是合期望的。归因于非常弱的范德华力，石墨烯还具有非常低的表面能，并因此是非常好的抗粘滞层。

返回图1，电极126和工作组件112是平面内运动传感器148的部分。该实施例中的mems结构100还包括压力传感器160。压力传感器160通过间隔件162与平面内运动传感器148电气分离。压力传感器160包括以水平延伸的石墨烯部分166形式的下电极164。水平延伸的石墨烯部分166通过连接器170电气连接到接触部168，连接器170延伸通过外延多晶硅盖层110。通过间隔件162和间隔件174在外延多晶硅盖层110中限定上电极172。上电极172通过紧邻石墨烯部分166的腔体176与下电极164间隔开。为上电极172提供接触部178。

在不对已知制造技术和工艺进行过度修改的情况下，容易地完成将石墨烯并入到mems结构100中。作为举例，图2描绘了在一个实施例中用于形成mems结构100的soi晶片200。soi晶片包括衬底层202、掩埋氧化物层204和器件层206。在一些实施例中，层204和206在mems结构的制造过程期间形成，而在一些实施例中，soi晶片200是预先形成的。如图2中描绘的，然后使用深反应离子蚀刻工艺蚀刻完全通过器件层的沟槽208。该工艺导致沟槽208的圆齿状边缘。

转到图3，通过碳化硅的共形沉积而在暴露的表面上形成碳化硅层210。可以使用任何期望的共形沉积工艺（诸如lpcvd、pecvd、ald、外延沉积等）来完成碳化硅的沉积。

然后在碳化硅层210的上表面上沉积氧化物层212（图4）。氧化物层也用区段214填充沟槽208。然后形成通过碳化硅层和器件层206的沟槽，并且沉积并图案化氮化硅层以用氮化硅间隔件部分212填充沟槽。

然后图案化并蚀刻氧化物层214和碳化硅层212，结果产生图4的配置，其中器件层206的部分220、222和224被暴露。氮化硅间隔件部分212的上表面也被暴露。

然后，在剩余氧化物层212、氮化物间隔件部分216和部分220、222和224的上表面上形成外延多晶硅盖的第一部分230（图5）。然后对第一部分230进行开槽，并沉积和图案化第二氮化硅层，结果产生氮化硅间隔件部分232、234、236和238。形成通过外延多晶硅盖的第一部分230的通气孔242（图6）。然后使用氢氟酸通过通气孔242蒸汽蚀刻所有暴露的氧化物部分，结果产生图7的配置。

在图7中，已经形成使碳化硅层210的部分暴露的腔体244和246。腔体244包括通过沟槽部分252接合的上腔体部分248和下腔体部分250。因此，除了锚定部分（未示出）之外，从器件层206的剩余部分释放器件层206的区段254。

所述结构现在经受氢烘烤。氢烘烤在外延反应器中进行。将温度控制在1050℃以上，并优选在1050℃和1300℃之间。以该温度，来自腔体的所有有机和其他杂质（包括任何自然二氧化硅）被移除，结果产生非常干净的环境。

氢烘烤的高温还使来自暴露的碳化硅层的硅升华，从而在外表面处开始沉淀石墨烯层。足够长的烘烤将使整个碳化硅层210转换成如图8中描绘的石墨烯256。

有利地，碳化硅保护下面的硅免受烘烤。具体地，drie工艺创建圆齿状表面。在正常烘烤中，导致光滑的垂直壁表面和光滑表面的硅回流增大粘滞问题的可能性。相比之下，由二氧化硅形成石墨烯防止下面的硅回流。因此，石墨烯形成有圆齿状表面，所述圆齿状表面减小粘滞的可能性。此外，石墨烯表面使mems结构中的静电换能效率增大若干数量级。

一旦氢烘烤已维持期望的时间量，就使用用于形成石墨烯的相同外延反应器形成外延多晶硅盖部分258。这将mems结构气密地密封在典型为大约1-10帕斯卡的纯净高真空环境中。这辅助使石墨烯保持原始以优化石墨烯的量子、电子和热属性，这是因为石墨烯容易受污染。

一旦mems结构被密封，就按期望形成电气隔离空间和电气接触部，结果产生图1中的mems结构100的配置。虽然上面已经讨论了用于形成平面内传感器连同压力传感器的过程，但是其他实施例仅在mems结构内形成单个传感器或器件。这类方法典型地将减小处理步骤的数量。此外，可以容易地修改上面描述的方法以提供其他类型的传感器和传感器的其他组合。这类传感器包括平面内加速度计、陀螺仪、平面外加速度计、组合的平面内/平面外加速度计、压力传感器、麦克风、谐振结构、磁场传感器、角速率传感器等。

此外，虽然上面的描述通过硅上的共形涂层的方式提供二氧化硅，但可以以其他方式提供二氧化硅。作为举例，图9描绘了mems结构270的简化描绘，其包括衬底层272、掩埋氧化物层274、器件层276、氧化物层278和外延多晶硅盖280。mems结构270与mems结构100不同之处主要在于器件层276被提供为直接位于掩埋氧化物层274上的单片二氧化硅层。

因此，一旦经受了如上面描述的氢烘烤，器件层276的工作部分282和电极284/286就已经使用上面描述过程的修改形式而完全转换成石墨烯，而器件层276的部分288保留为二氧化硅。因此，石墨烯工作部分282紧接地在腔体292的下部290上方。因此，形成腔体292导致石墨烯工作部分282的释放。

因此，通过在绝缘体晶片上使用碳化硅，可以实现悬浮的全石墨烯器件（mems或其他）。这允许使用上面描述的过程制造用于压力传感器、麦克风等以及甚至谐振微结构的石墨烯膜。所述结构还可以用在电子和光子器件中。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本公开，但应当将其视为特性上是说明性的而非限制性的。应理解，仅已给出了优选实施例，并且期望保护落入本公开的精神内的所有改变、修改和另外的应用。