[发明专利]用于电且机械连接的单片集成晶体管和MEMS/NEMS器件的结构和方法

说明书

相关申请数据

本申请主张2010年12月1日提交、申请号为61/418467的美国临时专利申请的优先权；所有与上述专利有关的文档都整体地在此引用以供参考。

联邦资助的研究或开发

根据由NSF授予的基金No.DMR0520404，美国政府在本发明中具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及JFET，具体地，涉及被设计成适用于有助于控制NEMS/MEMS级机械（这里被称为“NEMS/MEMS机械”，还参见定义部分中的“NEMS/MEMS级”）的JFET。本发明还涉及到包括NEMS/MEMS机械和至少某些用于控制NEMS/MEMS机械运行的电路的器件（参见定义一节）。NEMS/MEMS机械硬件组和至少一部分它的控制电路（例如，JFET）的这些组合有时在此被称为“NEMS/MEMS器件”。

背景技术

如图1所示，传统的SOI-NEMS/MEMS器件（参见定义节中的SOI的定义）100包括：电子芯片102，其主要包含互补金属氧化物（“CMOS”）半导体晶体管，但通常还包括有源电子晶体管；键合的传导路径112；和NEMS/MEMS芯片113。电子芯片102包括：接触焊盘104、110；解调器/滤波器/预放大器/基准模块106；和放大器108。NEMS/MEMS芯片113包括；机械弹簧和质量块114；通常被使用于静电驱动的梳指116；固定锚118；检测质量块119；和接触焊盘120。子组件114（包括检测质量块119）沿箭头D1和D2指示的方向移动：以便(i)生成电信号；和/或(ii)响应电信号。这类传统的NEMS/MEMS器件是许多商业化产品和/或所提出的产品的一部分，诸如加速度计、陀螺仪、电子开关、谐振器、定时器装置、光学开关、光栅和微流体装置。许多商业化的NEMS/MEMS器件使用较厚的悬空部件制成，以便得到较大的质量和较大的传感电容值。这已经通过使用SOI晶片并且然后使用DRIE处理技术来蚀刻它们来得到。即使不用SOI基片，而是通过使用诸如SCREAM那样的处理，高深宽比的NEMS/MEMS也是商业上可行的。

有两种主要结构体系用于电连接NEMS/MEMS机械与与它相关的晶体管（例如，场效应晶体管或“FET”，其用于感测运动特性（参见定义一节））。这两种用于电连接晶体管与NEMS/MEMS机械的主要结构体系如下：(i)将NEMS/MEMS机械和晶体管分别放置在两个不同的芯片衬底上，并且通过具有“导体键合”（参见定义一节）的导电路径来电连接它们；和(ii)将NEMS/MEMS机械和晶体管放置在同一芯片上，这样，NEMS/MEMS机械和晶体管仅通过使用非键合的导电路径而互相电连接。结构体系（i）有时在这里被称为“混合技术”(或“混合结构”)。结构体系(ii)有时在这里被称为“单片集成”。混合技术被显示于图1，其中集成电路和NEMS和/或MEMS机械部件被独立地制作，并且通常地被引线键合或被倒装芯片键合在一起。

大多数商业化的MEMS传感器解决方案使用混合集成处理，以用于电连接和信号调节。混合技术常常被证明为一种减少CMOS与NEMS/MEMS集成复杂度的有效方法。利用高度复杂的电子技术，诸如多级互连的现有水平的CMOS技术，进行的单片集成可能是昂贵的。这是因为，相比于对于传感器信号调节所需要的晶体管来说，NEMS/MEMS部件常常占用大得多的芯片面积。因此，购买单独的晶体管信号调节芯片，并把它连接到单独的低复杂性NEMS/MEMS芯片上常常是低成本的。虽然混合技术提供了集成电路和NEMS制作处理流程的独立地最优化的优点，但是传统上认为用于组装和封装的成本可能会大于单片集成的成本。以前，各种不同的研究小组将MOSFET集成到NEMS/MEMS器件中以用于信号转换。焦点通常是在与CMOS晶体管的单片集成，假设人们可以将传统的现有水平超微CMOS技术与NEMS/MEMS处理集成在一起。由于为得到有效的信号调节所需要的晶体管的数目，在NEMS/MEMS制作流程内共同集成晶体管可以使得NEMS/MEMS的成本/性能比最优化。最近的工作集中在将MOS结构集成在NEMS/MEMS内，部分归因于MOS晶体管中的直流功耗可以很低的事实，这是由于MOS晶体管具有高I_or/I_off比值和非常低的栅极泄漏电流。然而，由于沿氧化层-硅界面的载流子含有噪声的导通，MOS器件受困于较高的输入参考噪声。广泛认为，对于MOS晶体管，其闪烁噪声不如JFET或结型场效应晶体管，其也称为结型栅极场效应晶体管。