一种基于铁电辅助的微机电器件

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1.本技术涉及微机电器件技术领域，具体涉及一种基于铁电辅助的微机电器件。

背景技术：

2.随着集成电路步入亚5纳米技术节点，晶体管工作电压受制于无法随器件尺寸同比例缩减的亚阈值特性，始终停留于0.7伏附近，因而导致了日益恶化的功耗特性。
3.微机电器件基于机械开关原理，可以在0.1～0.2伏电压范围内实现器件的开启，且关态电流为零，是高性能集成电路应用最具潜力的元器件结构之一。目前，受制于构建驱动间隙和接触间隙的材料和工艺技术。微机电器件尚需较高的工作电压实现器件的开关功能(工作电压：5～20伏)，导致了极大的额外静态功耗。如何降低微机电器件的工作电压，是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现要素：

4.本技术的目的是提供一种基于铁电辅助的微机电器件，在微机电器件中引入铁电材料，以实现微机电器件的低功耗和低工作电压性能。
5.本技术实施例提供一种基于铁电辅助的微机电器件，包括：
6.位于基底绝缘层上且共面的底栅、两对源/漏极和多个支撑电极；
7.顶栅，所述顶栅由多个支撑柱支撑于所述多个支撑电极上方，所述支撑柱接触所述支撑电极的一侧为预设厚度的铁电材料，铁电材料的预设厚度可调；
8.两个金属沟道，所述金属沟道通过绝缘层连接在所述顶栅的下方，一个金属沟道与一对源/漏极对应，且两者之间具有接触间隙；当所述微机电器件处于导通状态时，每个金属沟道与其对应的源/漏极接触。
9.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述顶栅包括驱动部、沟道部和多个支撑部；
10.所述驱动部位于所述底栅的上方，所述沟道部位于所述金属沟道上方，多个支撑部支撑于多个支撑柱上，一个支撑部与一个支撑柱对应。
11.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述支撑部为折叠弯曲梁结构。
12.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述支撑电极为金属电极。
13.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述顶栅的制作材料为多晶硅锗。
14.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述基底为硅基底。
15.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述绝缘层的制作材料为氧化铝。
16.在一种可能的实现方式中，在本技术提供的上述微机电器件中，所述支撑柱与所述支撑电极的数量相同且一一对应。
17.本技术与现有技术相比的优点在于：
18.本技术提供的基于铁电辅助的微机电器件，包括：位于基底绝缘层上且共面的底栅、两对源/漏极和多个支撑电极；顶栅，所述顶栅由多个支撑柱支撑于所述多个支撑电极上方，所述支撑柱接触所述支撑电极的一侧为预设厚度的铁电材料，铁电材料的预设厚度可调；两个金属沟道，所述金属沟道通过绝缘层连接在所述顶栅的下方，一个金属沟道与一对源/漏极对应，且两者之间具有接触间隙；当所述微机电器件处于导通状态时，每个金属沟道与其对应的源/漏极接触。相较于现有技术，本技术利用铁电材料的非易失偏置特性形成的偏置电压替代了在顶栅上施加的工作电压，使底栅工作电压仅需在极低电压范围内变化，实现微机电器件低功耗和低工作电压的性能。
附图说明
19.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
20.图1示出了本技术所提供的一种基于铁电辅助的微机电器件的示意图；其中，图1(a)示出了本技术所提供的一种基于铁电辅助的微机电器件的三维结构示意图；图1(b)为沿剖面线aa'的驱动部的横截面图；图1(c)为沿剖面线bb'的支撑部的横截面图；图1(d)为沿剖面线cc'的沟道部的横截面图。
具体实施方式
21.以下，将参照附图来描述本技术的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本技术的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本技术的概念。
22.在附图中示出了根据本技术实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
23.在本技术的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
24.为了解决上述现有技术中存在的问题，本技术实施例提供一种基于铁电辅助的微机电器件，下面结合附图进行说明。
25.图1示出了本技术所提供的一种基于铁电辅助的微机电器件的结构图；其中，图1(a)示出了本技术所提供的一种基于铁电辅助的微机电器件的三维结构示意图；图1(b)为沿剖面线aa'的驱动部的横截面图；图1(c)为沿剖面线bb'的支撑部的横截面图；图1(d)为
沿剖面线cc'的沟道部的横截面图，d
act
为驱动间隙，d
cont
为接触间隙。
26.如图1所示，本技术提供的上述微机电器件包括：位于基底绝缘层100上且共面的底栅200、两对源/漏极和多个支撑电极300。图1中s表示源极，d表示漏极。
27.具体的，基底绝缘层100可以为氧化铝，基底绝缘层100下为硅基底10，在基底绝缘层100上制作有底栅200、两对源/漏极和多个支撑电极300，图1中示出了4个支撑电极300。
28.具体的，支撑电极300为金属电极，例如钨极。
29.如图1所示，本技术提供的上述微机电器件还包括：顶栅400，所述顶栅400由多个支撑柱500支撑于所述多个支撑电极300上方，一个支撑柱500与一个支撑电极300对应，即支撑柱500与支撑电极300的数量相同且一一对应。
30.具体的，所述支撑柱500接触所述支撑电极300的一侧为预设厚度的铁电材料，铁电材料的预设厚度可调。也就是说，支撑柱500可以包括上下两部分，靠近顶栅400的上部分在制作时可以与顶栅一体成型，材料相同；靠近支撑电极300的下部分由铁电材料制作而成，并且铁电材料的厚度可以根据实际情况调整设定。
31.铁电材料具有非易失偏置特性。随着现代电子电路工艺的进步，半导体器件逐渐进入微纳米尺度，器件的发热及功耗过大严重制约了器件的性能。铁电材料在不加外电场时就具有自发极化现象，其自发极化的方向能够被外加电场反转或重新定向。在撤去外加电场后可保持一定的非易失性极化，利用其非易失极化特性产生的非易失偏置特性可降低器件的功耗，提升器件性能。
32.具体的，所述顶栅400包括驱动部、沟道部和多个支撑部。
33.具体的，如图1所示，所述驱动部位于所述底栅200的上方，剖面线aa'穿过所述驱动部，图1(b)为沿剖面线aa'的驱动部的横截面图。
34.具体的，如图1所示，所述沟道部位于所述金属沟道600上方，剖面线cc'穿过所述沟道部，图1(d)为沿剖面线cc'的沟道部的横截面图。
35.具体的，如图1所示，多个支撑部支撑于多个支撑柱500上，一个支撑部与一个支撑柱500对应。剖面线bb'穿过所述支撑部，图1(c)为沿剖面线bb'的支撑部的横截面图。具体的，如图1所示，所述支撑部可以为折叠弯曲梁结构，所述顶栅400由多个折叠弯曲梁结构悬挂于多个支撑柱500上方。
36.具体的，所述顶栅400的制作材料可以为多晶硅锗。
37.如图1(d)所示，本技术提供的上述微机电器件还包括：两个金属沟道600，所述金属沟道600通过绝缘层700连接在所述顶栅400的下方，一个金属沟道600与一对源/漏极对应，且两者之间具有接触间隙d
cont
；当所述微机电器件处于导通状态时，每个金属沟道600与其对应的源/漏极接触。
38.具体的，本技术中各绝缘层的制作材料均可以为氧化铝。
39.下面对本技术提供的基于铁电辅助的微机电器件的工作原理介绍如下。
40.基于铁电辅助的微机电器件在支撑顶栅的支撑柱的柱底引入铁电材料，并对其施加电压，由于铁电材料的非易失性，撤去电压后，铁电材料仍具有非易失性偏置电压vf，此时顶栅上电压为-vf，顶栅受静电力f
elec
作用向下移动，折叠弯曲梁的弹簧恢复力fs与之平衡，底栅与顶栅之间的间隙和金属沟道与源/漏电极之间的间隙缩小。铁电层的偏置电压可以保持一定的时间，时间过后再次对其施加电压即可。
41.当在底栅与顶栅之间施加驱动电压v
gb
时，静电力f
elec
增大，继续向下驱动顶栅，使金属沟道与源/漏电极接触，微机电器件处于导通状态。
42.驱动电压v
gb
的最小值称为开启电压v
on
。在导通状态下，金属沟道与接触的源/漏电极之间存在粘附力f
adh
，若要关闭微机电器件，驱动电压v
gb
必须降低到释放电压v
rl
以下，即fs》f
elec
+f
adh
。受粘附力f
adh
的影响，释放电压v
rl
总低于开启电压v
on
。两者差值vh＝v
on-v
rl
称为滞后电压。
43.上述基于铁电辅助的微机电器件可以用于开关、继电器等器件中。
44.相比于现有技术，本技术的有益效果如下：
45.基于铁电辅助的微机电器件利用铁电材料的非易失偏置特性形成的偏置电压替代了在顶栅上施加的工作电压，使栅极工作电压仅需在极低电压范围内变化，实现微机电器件低功耗和低工作电压的性能。
46.上文论述的组合件及结构可用于集成电路内(其中术语“集成电路”意指由半导体衬底支撑的电子电路)；且可被并入到电子系统中。此类电子系统可用于(例如)存储器模块、装置驱动器、电力模块、通信调制解调器、处理器模块及专用模块中，且可包含多层多芯片模块。电子系统可为广泛范围系统中的任何者，例如(举例来说)相机、无线装置、显示器、芯片集、机顶盒、游戏、发光装置、交通工具、时钟、电视机、手机、个人计算机、汽车、工业控制系统、飞机等。
47.除非另外指定，否则本技术描述的各种材料、物质、组合物等可用现在已知或尚待开发的任何合适的方法形成，包含(例如)原子层沉积(ald)、化学气相沉积(cvd)、物理气相沉积(pvd)等。
48.术语“电介质”及“绝缘”可用于描述具有绝缘电性质的材料。在本技术中，所述术语视为是同义的。在一些例子中，利用术语“电介质”，且在其它例子中，利用术语“绝缘”(或“电绝缘”)，在本技术内可提供语言变化以简化随附权利要求书内的前提基础，且不用于指示任何显著化学或电差异。
49.为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
50.以上对本技术的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本技术的范围。本技术的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本技术的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本技术的范围之内。

技术特征：

1.一种基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，包括：位于基底绝缘层上且共面的底栅、两对源/漏极和多个支撑电极；顶栅，所述顶栅由多个支撑柱支撑于所述多个支撑电极上方，所述支撑柱接触所述支撑电极的一侧为预设厚度的铁电材料，铁电材料的预设厚度可调；两个金属沟道，所述金属沟道通过绝缘层连接在所述顶栅的下方，一个金属沟道与一对源/漏极对应，且两者之间具有接触间隙；当所述微机电器件处于导通状态时，每个金属沟道与其对应的源/漏极接触。2.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述顶栅包括驱动部、沟道部和多个支撑部；所述驱动部位于所述底栅的上方，所述沟道部位于所述金属沟道上方，多个支撑部支撑于多个支撑柱上，一个支撑部与一个支撑柱对应。3.根据权利要求2所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述支撑部为折叠弯曲梁结构。4.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述支撑电极为金属电极。5.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述顶栅的制作材料为多晶硅锗。6.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述基底为硅基底。7.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述绝缘层的制作材料为氧化铝。8.根据权利要求1所述的基于铁电辅助的微机电器件，其特征在于，所述支撑柱与所述支撑电极的数量相同且一一对应。

技术总结

本申请提供一种基于铁电辅助的微机电器件，包括：位于基底绝缘层上且共面的底栅、两对源/漏极和多个支撑电极；顶栅，所述顶栅由多个支撑柱支撑于所述多个支撑电极上方，所述支撑柱接触所述支撑电极的一侧为预设厚度的铁电材料，铁电材料的预设厚度可调；两个金属沟道，所述金属沟道通过绝缘层连接在所述顶栅的下方，一个金属沟道与一对源/漏极对应，且两者之间具有接触间隙；当所述微机电器件处于导通状态时，每个金属沟道与其对应的源/漏极接触。相较于现有技术，本申请利用铁电材料的非易失偏置特性形成的偏置电压替代了在顶栅上施加的工作电压，使底栅工作电压仅需在极低电压范围内变化，实现微机电器件低功耗和低工作电压的性能。性能。性能。