CN100464383C

CN100464383C - T形梁平行板微机械可变电容及其制造工艺

Info

Publication number: CN100464383C
Application number: CNB2004100419346A
Authority: CN
Inventors: 廖小平; 李锐
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2004-09-10
Filing date: 2004-09-10
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2024-09-10
Also published as: CN1598983A

Abstract

T形梁平行板微机械可变电容及其制造工艺是利用T形梁和平行板结构来实现一个微机械可变电容，该结构利用平行板之间电压变化的形式实现电容的变化，其层状结构从上到下顺序为：上级板铝(1)，介质层(2)，下极板铝(3)，绝缘层(4)，导电屏蔽层(5)，硅衬底(6)；在上级板铝(1)的外侧对称的设有T形梁(7)。具体的制造方法如下：衬底制备，氧化层的制备，在场氧上面淀积掺杂p+多晶硅薄膜，绝缘介质SiO₂膜的制备，淀积的第一层互连的金属铝层作为电容器的下极板，PSG牺牲层的制备，上级板铝的制备，牺牲层的释放，淀积钝化膜。本可变电容结构比较简单，可靠性比较高，制作工艺与主流CMOS工艺兼容。

Description

T形梁平行板微机械可变电容及其制造工艺

技术领域

本发明是利用T形梁和平行板结构来实现一个微机械可变电容，属于微电子器件制造的技术领域。

背景技术

由于在个人通讯和军事通讯领域系统体积小型化、高可靠性及降低成本的需求，在射频领域也开展了对MEMS(微机械)器件的研究。许多现代无线电系统需要能够在几千兆赫的频率范围内拥有宽调幅、低噪声的高质量电压控制振荡器(VCO)，其调节范围必须不低于工艺和温度变化所致的频率变化范围，可调性通常由一个可变电容提供。由于集成在芯片上的可变电容很难实现高的品质因素，可变电容通常用外部元件来实现。低噪声就意味着必须拥有高品质因素的电路，也就需要高品质因素的电感和可变电容，集成VCO通常依赖变容二极管实现频率调节，然而在低噪声应用中，集成变容二极管的品质因素不是足够大，因此，常常必须选择另一种可变电容。

长期以来由于T形梁平行板MEMS可变电容的结构特殊性，对该类器件的研究开发仅局限于科研领域。T形梁平行板MEMS可变电容结构应用于集成电路的大规模生产存在着与主流工艺不兼容、可重复性可靠性差、生产成本高等一系列障碍。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种运用集成电路工艺实现的T形梁平行板微机械可变电容及其制造工艺。该可变电容的性能比较好，且在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面都有较好的改善，为射频和微波电路提供了一种比较好的可变电容。

技术方案：T形梁平行板MEMS可变电容不同于传统的变容二极管的变容模式，本结构利用平行板之间电压变化的形式实现电容的变化，其层状结构从上到下顺序为：上级板铝，介质层，下极板铝，绝缘层，导电屏蔽层，硅衬底；在上级板铝的外侧对称的设有T形梁。T形梁由T形梁连接臂和T形梁锚区构成，在T形梁连接臂的中间开有一个“U”形的通槽，T形梁锚区位于该“U”形的通槽内，T形梁锚区的下部设有一个锚块。

本发明的T形梁平行板MEMS可变电容结构应用平行板电容的形式实现自上而下的T形梁平行板MEMS可变电容结构，该结构通过应用不同的刻蚀版图很容易实现不同的电容数目和位置，不论电容数目的多少和位置形状如何均通过一次光刻步骤即可确定。实现该结构的具体方法为(以CMOS为例)：

a、衬底制备：用通用的CMOS工艺制备衬底，

b、氧化层的制备：CMOS电路中场氧制备，厚度为0.2-3.0um，

c、在场氧上面淀积掺杂p+多晶硅薄膜即“多晶硅栅”作屏蔽层，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案，厚度为0.3-0.8um，电阻为10-100Ω/sq；

d、绝缘介质SiO₂膜的制备：即制备电路中用于多层布线之间的层间绝缘介质两层之间厚度为0.2-3.0um，淀积在绝缘膜上面起电路互连作用的金属引线全部刻蚀掉，最后确保SiO₂膜的厚度为0.5-8um；

e、淀积的第一层互连的金属铝层作为电容器的下极板，厚度为0.2-2.0um，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案，(电路中刻第一层铝金属互连线的同一块光刻板)

f、PSG(磷硅玻璃)牺牲层的制备：淀积PSG，厚度为0.2-3.5um，旋涂光刻胶，显影，把锚区刻蚀出来，锚区要做在SiO₂上以确保机械强度及避免受牺牲层释放的影响；

g、上级板铝的制备：淀积最后一层铝，厚度为0.2-1.5um，填满锚区，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案。(电路中刻第二层铝金属互连线的同一块光刻板)中间设置有许多小孔，以便于牺牲层的释放；

h、牺牲层的释放；使用磷硅玻璃腐蚀工艺腐蚀牺牲层；

i、淀积钝化膜：采用CMOS标准工艺淀积。

基于该结构独创性的发明和该发明的众多优越特性，区分是否为该结构的标准如下：

(a)利用平行板的形式实现电容的变化，从上到下分别为上级板-介质层(或空气层或空气和介质混合层)-下极板-绝缘层-导电屏蔽层-硅衬底。

(b)连接梁部分为新颖的T形梁结构。

(c)制造工艺与硅CMOS工艺兼容，制造简单且可大批量。

满足以上三个条件的结构即为该T形梁平行板MEMS可变电容的结构。

当在上下级板之间加一定电压的时候，上级板由于静电吸引力的作用向下运动一定的距离，从而使得电容值发生改变。纵观整个实现该T形梁平行板MEMS可变电容结构的工艺过程，其中没有任何的特殊材料也未引进任何的复杂特殊的工艺，完全与主流的CMOS、BiCMOS工艺相兼容。因此，应用本发明中的T形梁平行板MEMS可变电容结构可以改进传统的变容二极管在集成电路中使用的性能，进而能够推动集成电路产业的发展。

有益效果：本发明中的T形梁平行板MEMS可变电容结构，基于主流CMOS、BiCMOS工艺的实现方法，可重复性可靠性都有较大的提高，生产成本大幅降低。同时，T形梁平行板MEMS可变电容结构能够较以往方法更方便的实现可变电容，而且实现所有类型电容的数目和位置的确定仅需一次光刻步骤，真正实现了统一主体结构下电容数目和位置的方便有效控制。

因此，用MEMS技术来实现可调电容具有突出的优点。易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本，很好的满足集成电路对器件的基本要求。所以，MEMS可调电容的结构具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

T形梁平行板MEMS可变电容具有以下主要优点：一、本结构比较简单，可靠性比较高，易于实现；二、本器件的制作工艺与主流CMOS工艺兼容，在集成电路中不需附加特殊工艺即可实现此结构，便于和电路一起制造，从而使整个电路大为缩小，只需在最后加以一道简单的后处理工序，从而使得本器件的制造不影响电路的性能；三、本结构体积微小，只有几百微米，电学长度比较小，从而适合极高频率的射频和微波信号的模拟处理，特别适合构成射频和微波信号的载波和本振信号的发生电路及多频段滤波电路。

附图说明

图1是T形梁平行板MEMS可变电容的机械结构示意图。

图2是T形梁平行板MEMS可变电容厚度方向的局部结构剖面示意图。

图3是T形梁平行板MEMS可变电容的等效电路结构示意图。

图4是基于CMOS工艺实现的T形梁平行板MEMS可变电容的T形梁部分的结构示意图。

图5是T形梁平行板MEMS可变电容的调节特性图。

以上的图中有：上级板铝1，介质层2，下极板铝3，绝缘层4，导电屏蔽层5，硅衬底6，T形梁7，T形梁连接臂7.1，T形梁锚区7.2，“U”形的通槽7.3，锚块7.21。

具体实施方式

本发明的T形梁平行板MEMS可变电容结构，我们已经提出了基于CMOS工艺的实现方法，该结构利用平行板之间电压变化的形式实现电容的变化，其层状结构从上到下顺序为：上级板铝1，介质层2，下极板铝3，绝缘层4，导电屏蔽层5，硅衬底6；在上级板铝1的外侧对称的设有T形梁7。T形梁7由T形梁连接臂7.1和T形梁锚区7.2构成，在T形梁连接臂7.1的中间开有一个“U”形的通槽7.3，T形梁锚区7.2位于该“U”形的通槽7.3内。形梁锚区7.2的下部设有一个锚块7.2.1。

我们已设计出基于CMOS工艺的T形梁平行板MEMS可变电容的具体工艺，并将运用该工艺制造具有较好特性的T形梁平行板MEMS可变电容。

如图2。具体工艺步骤和参数如下：

1、衬底制备及电路的制造为典型的CMOS工艺；

2、氧化层的制备，(CMOS电路中场氧制备)，厚度为0.2-3.0um，典型值为0.7um；

3、在场氧上面淀积掺杂p+多晶硅薄膜(多晶硅栅)，在本电容器中作屏蔽层。旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案。(电路中刻多晶硅栅的同一块光刻板)厚度为0.3-0.8um，典型值为0.5um；电阻为10-100Ω/sq，典型值为30Ω/sq；

4、绝缘介质SiO₂膜的制备(电路中用于多层布线之间的层间绝缘介质)两层之间厚度为0.2-3.0um，典型值为1um；淀积在绝缘膜上面起电路互连作用的金属引线全部刻蚀掉(由电路工艺决定)，最后确保SiO₂膜的厚度为0.5-8um，典型值为4um；

5、淀积的第一层互连的金属铝层作为电容器的下极板，厚度为0.2-2.0um，典型值为0.6um；旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案。(电路中刻第一层铝金属互连线的同一块光刻板)；

6、PSG牺牲层的制备。淀积PSG，厚度为0.2-3.5um，典型值为1.5um，旋涂光刻胶，显影，把锚区刻蚀出来。锚区要做在SiO₂上以确保机械强度及避免受牺牲层释放的影响；

7、上级板铝的制备。淀积最后一层铝。厚度为0.2-1.5um，典型厚度为0.6um。填满锚区，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案。(电路中刻第二层铝金属互连线的同一块光刻板)。中间设置有许多小孔，以便于牺牲层的释放；

8、牺牲层的释放；使用磷硅玻璃腐蚀工艺腐蚀牺牲层；

9、淀积钝化膜：采用CMOS标准工艺淀积。

本发明提出一种新的“T”型梁结构的平行板MEMS可调电容，具有高Q值和宽调节范围的特点。由微机械，可移动的，金属平板组成的压控可变电容提供了足够的片内可变电容性能的提高。易于实现器件的高可靠性、高重复性、低生产成本，很好的满足集成电路对器件的基本要求。因此，T形梁平行板MEMS可变电容具有较好的应用价值和广阔的市场潜力。

本可变电容结构比较简单，可靠性比较高，本器件的制作工艺与主流CMOS工艺兼容，在集成电路中不需附加特殊工艺即可实现此结构，便于和电路一起制造，从而使整个电路大为缩小，只需在最后加以一道简单的后处理工序，从而使得本器件的制造不影响电路的性能，体积微小，只有几百微米，电学长度比较小，从而适合极高频率的射频和微波信号的模拟处理。

Claims

1.一种T形梁平行板微机械可变电容，其特征在于该结构利用平行板之间电压变化的形式实现电容的变化，其层状结构从上到下顺序为：上级板铝(1)，介质层(2)，下极板铝(3)，绝缘层(4)，导电屏蔽层(5)，硅衬底(6)；在上级板铝(1)的四个转角处对称的设有T形梁(7)。

2.根据权利要求1所述的T形梁平行板微机械可变电容，其特征在于T形梁(7)由T形梁连接臂(7.1)和T形梁锚区(7.2)构成，在T形梁连接臂(7.1)的中间开有一个“U”形的通槽(7.3)，T形梁锚区(7.2)位于该“U”形的通槽(7.3)内，T形梁锚区(7.2)的下部设有一个锚块(7.2.1)。

3.一种如权利1所述的T形梁平行板微机械可变电容的制造方法，其特征在于具体的制造方法如下：

a、衬底制备：用通用的CMOS工艺制备衬底，

b、氧化层的制备：CMOS电路中场氧制备，厚度典型值为0.2-3.0um，

c、在场氧上面淀积掺杂p+多晶硅薄膜即“多晶硅栅”作屏蔽层，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案，厚度典型值为0.3-0.8um，电阻为10-100Ω/sq；

d、绝缘介质SiO₂膜的制备：即制备电路中用于多层布线之间的层间绝缘介质两层之间厚度典型值为0.2-3.0um，淀积在绝缘膜上面起电路互连作用的金属引线全部刻蚀掉，最后确保SiO₂膜的厚度为0.5-8um；

e、淀积的第一层互连的金属铝层作为电容器的下极板，厚度典型值为0.2-2.0um，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案，

f、磷硅玻璃牺牲层的制备：淀积PSG，厚度为0.2-3.5um，旋涂光刻胶，显影，把锚区刻蚀出来，锚区要做在SiO₂上以确保机械强度及避免受牺牲层释放的影响；

g、上级板铝的制备：淀积最后一层铝，典型厚度为0.2-1.5um，填满锚区，旋涂光刻胶，显影，刻蚀成规定的图案，中间设置有许多小孔，以便于牺牲层的释放；

h、牺牲层的释放，使用磷硅玻璃腐蚀工艺腐蚀牺牲层；

i、淀积钝化膜，采用CMOS标准工艺淀积。