CN100527525C - Rf mems 开关的互联结构的实现方法 - Google Patents

Rf mems 开关的互联结构的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法，属于射频微机电开关(RF MEMS Switch)的技术领域。该方法利用一次多晶硅的生长，制备RF MEMS开关的驱动、互联结构和接触部分，其中，驱动和接触部分为掺杂的多晶硅，驱动和接触部分之间的互联结构为非掺杂多晶硅。本发明利用非掺杂的多晶硅作为RF MEMS开关驱动结构和接触结构之间的互联结构，在实现机械互联的同时，能够有效达到电学绝缘的效果。其方法简单实用、不需要额外淀积绝缘薄膜，避免了绝缘薄膜应力引入的翘曲变形，并提高互联结构的机械强度和可靠性。

Description

RF MEMS 开关的互联结构的实现方法
技术领域
本发明属于射频微机电开关(RF MEMS Switch)的技术领域，具体涉及一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法。
背景技术
射频微机电开关(RF MEMS Switch)作为近年来出现并逐渐受到重视的开关结构，具有插入损耗低、可与IC电路集成等优点，满足无线通讯技术高频化、微小型化的发展需求，具有广阔的应用前景。随着无线通讯(WirelessCommunication)技术进入射频尺度，射频微机电开关已逐渐取代传统的GaAsFET开关，成为射频开关(RF Switch)的发展方向。
近年来，人们开发了多种射频微机电开关结构。其中，利用表面硅工艺实现的横向开关(Lateral Switch)，通过电流加热多晶硅结构使之变形来实现开关驱动，具有驱动电压低(～3V)的优点，有利于实现和IC电路的集成，是具有实用化前景的优选方案之一。
然而，对于横向开关，驱动和接触结构之间的互联问题，是设计中的一大难点。目前，该互联主要通过额外淀积一层绝缘材料薄膜来实现，通常是氮化硅薄膜。这种方法存在两个严重问题：
1)氮化硅薄膜的应力会使开关结构发生翘曲变形，甚至使开关失效；
2)氮化硅薄膜和结构材料多晶硅之间的黏附性差，容易脱落，无法承受较高的机械力；从而会影响开关接触的稳定性，并降低开关的可靠性。
互联结构的设计难点，使开关加工工艺变得复杂，增加了成本，同时，降低了开关的工作性能和可靠性，严重影响该开关的应用前景和市场竞争力。
发明内容
本发明针对RF MEMS开关在驱动和接触区之间的互联问题，提供了一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法。该方法可避免互联部分翘曲变形，同时，简化加工工艺，提高了结构的机械强度和稳定性。
本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：
一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法，利用一次多晶硅的生长，实现了RF MEMS开关的驱动、互联结构和接触部分的同时制备，RF MEMS开关的驱动和接触部分为掺杂的多晶硅，驱动和接触部分之间的互联结构为非掺杂多晶硅。
具体实现步骤包括：
1)在Si片衬底上，淀积绝缘层和牺牲层，并图形化牺牲层结构；
2)淀积多晶硅薄膜；
3)在多晶硅膜上覆盖掩蔽层，并图形化掩蔽层；
4)对多晶硅进行注入掺杂，掩蔽层下区域形成非掺杂多晶硅，没有掩蔽层覆盖的区域形成掺杂多晶硅；
5)去除掩蔽层，在多晶硅上淀积一层SiO2膜；用退火激活掺杂杂质，然后去掉SiO2膜；
6)图形化多晶硅，形成RF MEMS开关的接触部分、互联结构和驱动。
绝缘层可采用MEMS工艺中常用的绝缘材料，如氮化硅薄膜。牺牲层可采用SiO2薄膜，生长方法可采用LPCVD或PECVD等。掩蔽层可选用光刻胶、SiO2薄膜、氮化硅薄膜或SiC薄膜等。注入掺杂可采用IC工艺中常用的掺杂杂质如磷、硼或砷等。图形化多晶硅可采用ICP或RIE等方法。
本发明RF MEMS开关的驱动方法可以采用热电式、静电式或电磁式。
本发明RF MEMS开关的接触可以采用向前接触或向后接触。
本发明的技术效果：
本发明利用非掺杂的多晶硅作为RF MEMS开关驱动结构和接触结构之间的互联结构，在实现机械互联的同时，能够有效达到电学绝缘的效果。其方法和结构简单实用，简化了开关的加工工艺。该方法不需要额外淀积绝缘薄膜，避免了绝缘薄膜应力引入的翘曲变形，并提高互联结构的机械强度和可靠性。
具体包括：
1)利用一次多晶硅的生长，同时实现整个开关结构，包括驱动部分、接触部分和它们之间的互联结构；
2)利用多晶硅实现驱动部分和接触部分之间的机械互联；
3)利用非掺杂条件的多晶硅的高阻特性实现驱动部分和接触部分之间的电学绝缘。
实验结果：
 
样品 A B C D E
条件 多晶硅线掺杂40um 多晶硅线未掺杂10um 多晶硅线未掺杂20um 多晶硅线未掺杂40um 空气
电阻值(kOhm) 0.25 3.65e6 7.42e6 1.05e7 4.98e7
表1非掺杂多晶硅的绝缘特性测试结果
表1为非掺杂多晶硅的绝缘特性测试结果，测试设备采用IC工业里常用的参数分析仪。样品A、B、C、D都是宽8um高2um的多晶硅线条。其中，样品A和样品D的长度相等(40um)，区别在于，样品A的磷掺杂剂量为5×1015cm-2，而样品D未掺杂，比较看出，样品D的电阻值远大于样品A，说明非掺杂条件下多晶硅电阻值大大提高。样品E为对空气测量得到的电阻值，与样品D的电阻值比较可以看出，非掺杂条件下多晶硅的电阻值与空气相近，很好的满足了绝缘特性的要求。样品B、C的结果显示，长度10um和20um非掺杂多晶硅线条也满足绝缘特性的要求。总之，从结果看出，我们提出的利用非掺杂多晶硅做开关互联的方法，在实现机械互联的同时，能够有效达到电学绝缘的效果，验证了此方法的正确性。
附图说明
下面结合附图，对本发明做出详细描述。
图1为开关结构示意图；其中，1—接触结构；2—互联结构；3—驱动结构；4—信号线；5—锚点。
图2为互联结构的工艺流程图；
a)在Si片衬底上，淀积绝缘层、牺牲层，图形化牺牲层；
b)淀积多晶硅；
c)淀积并图形化掩蔽层；
d)注入掺杂，掩蔽层下区域形成非掺杂多晶硅区域；
e)去除掩蔽层，淀积SiO2膜，并退火；
f)去SiO2膜后，图形化多晶硅，形成互联结构；
g)形成金属接触区，去除牺牲层，释放开关；
图3为互联结构的形状示意图；
a)为直线型；
b)为网格型；
c)为弹簧型。
具体实施方式
本发明开关结构包括各类常见的RF MEMS开关结构，如利用多晶硅加热驱动的开关结构、静电驱动的开关结构、电磁力驱动的开关结构、加热和静电驱动结合的开关结构、加热和电磁力驱动结合的开关结构、静电和电磁力驱动结合的开关结构等。非掺杂条件包括各类微电子工艺常见的无掺杂和低掺杂条件，掺杂离子浓度范围包括(0～1×1010)cm-3，掺杂杂质类型包括硼、磷、砷等常用的微电子掺杂杂质类型。
实例1
互联结构的平面结构示意如图1。结构1、2、3分别为驱动结构、互联结构和接触结构，结构4、5分别为信号线和锚点。整个开关结构由一次多晶硅淀积形成，厚度为2um。
参考图2，开关的工艺流程如下：
1)选取N<100>Si片为Si衬底21，厚度400um，直径4寸。用LPCVD方法淀积氮化硅绝缘层22，厚度1000埃。用LPCVD方法淀积SiO2牺牲层23，厚度2um。光刻，并利用RIE刻蚀图形化牺牲层结构；
2)用LPCVD方法淀积2um厚度的多晶硅24；
3)甩胶并光刻，利用显影后剩余的光刻胶做注入掩蔽层25。在90℃下坚膜10分钟；
4)进行注入掺杂，杂质类型为31P+，注入能量80keV，注入剂量为1e15cm-2；
5)用丙酮去除光刻胶。用LPCVD方法淀积5000埃厚度的SiO2膜26，在退火炉中1000℃退火2小时；
6)用缓冲HF酸去除SiO2膜26，腐蚀时间15分钟，腐蚀温度为25℃。用ICP刻蚀的方法图形化多晶硅结构，形成RF MEMS开关的接触部分、互联结构和驱动，RF MEMS开关的驱动和接触部分为掺杂的多晶硅242，驱动和接触部分之间的互联结构为非掺杂多晶硅241；
7)溅射Au膜27，利用剥离工艺进行Au膜的图形化。用缓冲HF酸腐蚀20分钟，去除牺牲层释放开关结构，腐蚀温度为25℃。
实例2
互联结构的平面结构示意如图1。结构1、2、3分别为驱动结构、互联结构和接触结构，结构4、5分别为信号线和锚点。整个开关结构厚度为4um。
开关的工艺流程如下：
1)选取N<100>Si片为Si衬底，厚度400um，直径4寸。用LPCVD方法淀积氮化硅绝缘层，厚度500埃。用LPCVD方法淀积SiO2牺牲层，厚度2um。光刻，并利用RIE刻蚀图形化牺牲层结构；
2)用LPCVD方法淀积4um厚度的多晶硅；
3)用LPCVD方法淀积2um厚度SiO2作为掩蔽层，光刻并利用RIE刻蚀图形化SiO2膜；
4)进行注入掺杂，杂质类型为31P+，注入能量80keV，注入剂量为1e15cm-2；
5)用缓冲HF酸去除SiO2掩蔽层，腐蚀时间15分钟，腐蚀温度为25℃。在退火炉中1000℃退火2小时；
6)用ICP刻蚀的方法图形化多晶硅结构，形成互联结构，同时形成开关其他结构；
7)溅射Au膜，利用剥离工艺进行Au膜的图形化。用缓冲HF酸腐蚀20分钟，去除牺牲层释放开关结构，腐蚀温度为25℃。
参考图3，本发明利用非掺杂的多晶硅作为RF MEMS开关驱动结构和接触结构之间的互联结构，该互连结构为直线型、蜿蜒型、网格型或弹簧型。
综上所述，本发明公开了一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法。上面描述的应用场景和实施例，并非用于限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的更动和润饰，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (7)

1、一种RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：利用一次多晶硅的生长，实现了RF MEMS开关的驱动、互联结构和接触部分的同时制备，其中，驱动和接触部分为掺杂的多晶硅，驱动和接触部分之间的互联结构为非掺杂多晶硅。
2、如权利要求1所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：具体实现步骤包括：
1)在Si片衬底上，淀积绝缘层和牺牲层，并图形化牺牲层结构；
2)淀积多晶硅薄膜；
3)在多晶硅膜上覆盖掩蔽层，并图形化掩蔽层；
4)对多晶硅进行注入掺杂，掩蔽层下区域形成非掺杂多晶硅，没有掩蔽层覆盖的区域形成掺杂多晶硅；
5)去除掩蔽层，用退火激活掺杂杂质；
6)图形化多晶硅，形成RF MEMS开关的接触部分、互联结构和驱动。
3、如权利要求1或2所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：注入掺杂的掺杂杂质采用磷、硼或砷。
4、如权利要求2所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：牺牲层采用SiO2薄膜，生长方法采用LPCVD或PECVD。
5、如权利要求2所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：掩蔽层选用光刻胶、SiO2薄膜、氮化硅薄膜或SiC薄膜。
6、如权利要求2所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：图形化多晶硅采用ICP或RIE方法。
7、如权利要求1或2所述的RF MEMS开关的互联结构的实现方法，其特征在于：互联结构为直线型、蜿蜒型、网格型或弹簧型。
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