CN101213631B - 电容性射频微机电系统器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种包括垂直集成的去耦电容器(14)的电容性RF-MEMS。因此所述去耦电容器(14)不会占据额外的面积。另外，根据本发明的RF-MEMS需要更少的互连，这也节省了空间，并且减小了RF路径中的串联电感/阻抗。
Description
技术领域
本发明涉及电容性RF-MEMS(射频微机电系统)器件。更具体地，本发明涉及不要求大面积并且具有减小的串联电感/阻抗的RF-MEMS器件和用于制造这种器件的方法。
背景技术
MEMS(微机电系统)技术的发展使得可以在单个器件中制造机电和微电子部件。通过利用微小(微)尺度的机电结构，RF-MEMS开关结合了传统的机电开关的优点(低插损、高隔离度、超高线性度)和固态开关的优点(低功耗、低质量、长寿命)。RF-MEMS开关还具有在多种衬底上低成本集成的可能性的优势，所述衬底包括承担有源半导体器件的衬底。
RF-MEMS开关本质上是由两个导电片构成的可调电容器，一个在硅芯片的表面上，而另一个悬挂在其上面数个微米左右。通过向下刻蚀芯片上特别设计的导电层来产生所述悬挂片。通过使用所施加的静电场的吸引力以物理地上下移动所述悬挂片来改变这两个片之间的间隔来调节它们之间的电容。
例如，可以将这些微尺度可调电容器用于将移动电话的RF功率放大器与其天线动态地匹配，提供其中将能量损耗保持最小的最优电学条件。将更多功率传输至天线，改进了电话的质量。几乎不会浪费能量，减小了电池上的泄漏，因此改进了电话的通话时间。在现有的移动电话中，不得不使用并非电学完美的并且占据大量空间的传统半导体器件来执行该匹配功能。针对这些类型的开关的其他应用是无线网络装置(PDA、膝上型计算机等)、汽车、卫星通信、计算机等。
图1是传统电容性RF-MEMS开关或MEMS可开关电容器中的机械和电学连接的示意性说明。将第一或底部电极1固定到衬底2上，并且第二或顶部电极3在弹性力的作用下相对于衬底2是可移动的。如图1中所示的通过具有弹性常数k的弹簧4悬挂于盖子8上。因此，应该注意到的是盖子8通常可以与衬底2相同，并且弹簧4通常可以是面内的弯曲梁(flexural beam)。在固定的电极1的顶部上设置了电介质层5，具有gd的厚度和εd的介电常数。当弹簧4松弛时，在电介质层5的顶部和顶部电极3的底部之间存在具有距离g的空气隙6。
为了闭合开关DC，向顶部电极3施加DC电压Vdc，而将第一或底部电极1保持为接地电势(或者反之亦然，将底部电极1和顶部电极3彼此互换)。通过施加DC电压Vdc，顶部电极3和底部电极1之间的空气隙6变小，并且因此顶部电极3和底部电极1之间的距离变小。当电极1和3之间的距离g变小时，电容变大。
这种MEMS可开关或可调电容器可以用于射频(RF)信号电子电路。因为通常在RF电子器件中存在大DC电压不是所需的，需要设置DC去耦电容器C，这占据了相当可观的芯片面积。另一方面，为了防止RF电流通过dc驱动线泄漏，需要较大的电阻器R(或线圈L)。
因为去耦电容器C与MEMS电容器串联，这大大地增加了所需的总面积。例如，如果需要Cc＝10pF的闭合电容、MEMS电容密度是cMEMS＝75pF/mm2、并且固定电容器的电容密度是cfix＝150pF/mm2，那么可以示出通过MEMS电容器和去耦电容器C的串联组合实现的电容Cc的最小面积Atot为：
Atot＝AMEMS+Afix＝(cfix/cMEMS)1/2Afix+Afix
＝((cMEMS)1/2+(cfix)1/2)2Cc/(cMEMScfix)
＝((cMEMS/cfix)1/2+1)2Atot，没有C
对于给出的示例，总面积Atot是0.39mm2。如果不需要去耦电容器C，只需要面积Atot，没有C＝Cc/CMEMS＝0.13mm2，因此增加了总使用面积2.9个因子，正好是去耦电容器所需要的面积。
为了避免去耦电容器C的需要，可以将MEMS器件设计为具有分立的DC驱动电极(actuation electrode)7和RF电极1的继电器结构(relay structure)。这在图2中示意性地示出。尽管该结构节省了用 于固定电容器C的面积，DC驱动电极7需要额外的面积。通常这将意味着这种继电器将至少是Atot，没有C＝Cc/CMEMS的两倍。
如图2所示的所述继电器结构的另一个缺点是将Vdc的静电力只施加到其中存在驱动电极7的点处。因为电极1位置处的力只是间接的，将不太强烈。这将具有两种主要缺点：
一在相同的DC电压下，RF电极1处的力将更小，这通常给出较低的电容密度。有时甚至空气隙6将保持存在于RF-MEMS开关的闭合状态中。
一通过RF电压引入的力可以引入较大的电容变化，因为该力位于电极1处。
可以通过修改工艺使得在电极1的位置处空气隙6更小来减小这两个问题。然而，这在保持较大面积的缺点的同时导致了工艺复杂性的增加。
发明内容
本发明的目的是提出一种改进的RF-MEMS，以及用于制造这种RF-MEMS器件的方法。根据本发明器件的优点是所述器件可以具有减小的芯片面积和减小的串联电感/阻抗。
以上目的是通过根据本发明的方法和器件实现的。
本发明的具体和优选方面在所附独立权利要求和从属权利要求中进行阐述。视情况而定，可以将来自从属权利要求中的特征与其他从属权利要求的特征进行组合，而不仅仅是权利要求明确提出的情形。
本发明提出了一种电容性RF-MEMS器件，包括：第一电极，固定到位于平面中的衬底上；以及第二电极，悬挂在第一电极上方，并且相对于衬底可移动。根据本发明的器件还包括驱动电极，沿与衬底平面实质上垂直的方向集成在第一和第二电极之间。空气隙存在于第一电极和驱动电极之间、或者存在于第二电极和驱动电极之间。可以通过使用所施加的静电场的吸引力以物理地上下移动作为悬挂电极的所述第二电极、因此改变了空气隙的厚度，来改变第一和第二电极之间的间隔来调节RF-MEMS器件的电容。
根据本发明的RF-MEMS器件与现有技术的RF-MEMS器件相比，具有显著减小的面积。另外，要求更少的互连，这再次导致面积减小，还导致减小的等效串联阻抗和减小的等效串联电感。
根据本发明的实施例，可以将所述驱动电极掩埋在第一电介质层和第二电介质层之间，从而形成叠层。
根据本发明的优选实施例，所述叠层可以位于第一电极的顶部上，在这种情况下在所述叠层和第二电极之间存在空气隙。在这种情况下，可以向驱动电极施加DC电压Vdc，并且可以在第一电极和第二电极之间施加RF电压Vrf。
在其他实施例中，第二电极可以具有朝向第一电极的底部，并且可以将所述叠层定位于第二电极的底部上，在这种情况下，在叠层和第一电极之间存在空气隙。
在另外的实施例中，第二电极具有朝向第一电极的底部，并且可以将第一电介质层定位于第一电极的顶部上，以及将驱动电极定位于位于第二电极的底部处的第二电介质层的底部处。在这种情况下，在驱动电极和第一电极顶部上的第一电介质层之间存在空气隙。
在另外的实施例中，第二电极具有朝向第一电极的底部，并且可以将驱动电极定位于位于第一电极的顶部上的第一电介质层的顶部上，以及第二电介质层可以位于第二电极的底部处。在这种情况下，在驱动电极和第二电极的底部处的第二电介质层之间存在空气隙。
第一电极可以具有第一面积，第二电极可以具有第二面积，并且驱动电极可以具有第三面积，所述第一、第二和第三面积沿与衬底平面实质上平行的方向延伸。在根据本发明的实施例中，所述第一、第二和第三面积可以实质上相等。在这种情况下，直接的静电力可以存在于整个电容器面积上。只要驱动电极不是最小的电极，即只要驱动电极比第一和第二电极大，直接的静电力将存在于整个RF电容器面积上。这解决了在未完全闭合的开关的现有技术MEMS器件中存在的问题，并且作为通过这种RF电压产生的电力的结果，大电容依赖于的RF电压而改变。在根据本发明的其他实施例中，第一、第二和第三面积的至少一个可以彼此不同。
根据本发明的实施例，所述第一、第二和驱动电极可以由相同的金属材料形成，例如由诸如铝或铝铜合金、金或铜之类的金属形成。
本发明还提出了一种制造电容性RF-MEMS器件的方法。所述方法包括：
设置固定到位于平面中的衬底的第一电极；
设置第二电极，所述第二电极相对于衬底可移动，
设置驱动电极，所述驱动电极沿与衬底平面实质上垂直的方向集成在第一和第二电极之间。
在本发明的实施例中，设置驱动电极可以包括设置第一电介质层和第二电介质层之间的驱动电极的叠层。
根据本发明的实施例，设置包括在第一电介质层和第二电介质层之间掩埋的驱动电极的叠层可以通过在第一电极的顶部上设置叠层来执行。
根据本发明的实施例，第二电极可以具有朝向第一电极的底部，其中设置包括在第一电介质层和第二电介质层之间掩埋的驱动电极的叠层可以通过在第二电极的底部处设置叠层来执行。
根据结合附图的以下详细描述，本发明的以上和其他特点、特征和优点将是显而易见的，附图作为示例示出了本发明的原理。该描述只是作为示例给出，而不是限制本发明的范围。以下引用的参考图参见附图。
附图说明
图1是在传统的电容性RF-MEMS开关中的机械和电学连接的示意性说明。
图2是在传统继电器中的机械和电学连接的示意性说明。
图3是根据本发明第一实施例的MEMS器件的示意性说明。
图4是根据本发明第二实施例的MEMS器件的示意性说明。
图5和图6分别示出了根据本发明第三和第四实施例的MEMS器件的替代结构。
图7至图17示出了在根据本发明实施例的RF-MEMS开关的可能制造工艺中的连续步骤。
在不同的图中，相同的参考符号表示相同或类似的元件。
具体实施方式
现在将参考附图对本发明进行更全面地描述示例实施例，但是本发明不局限于此，而是只由权利要求限制。不应该将权利要求中的任意参考符号解释为限制所述范围。所述附图只是示意性的而不是限制性的。在图中，可以将一些元件的尺寸夸大，并且为了说明的目的没有按比例绘制。其中在该说明书和权利要求中使用的术语“包括”不排除其他元件或步骤。其中当指代单数形式的词语包括多个这种元件，除非特别声明。
另外，说明书和权利要求中的术语第一、第二和第三用于在类似元件之间进行区分，并且不必描述连续的或时间顺序。应该理解的是，所使用的术语在适当的情况下是可交换的，并且这里所述的本发明实施例能够按照于这里所述和所示不同的顺序操作。
此外，将说明书和权利要求中的术语顶部、底部、上面、下面等用于描述性目的，只是描述相对位置。应该理解的是所使用的术语在适当条件下是可互换的，并且这里所述的本发明的实施例能够在除了这里所述或所示之外的其他朝向操作。
应该注意的是在权利要求中使用的术语“包括”不应该解释为局限于随后所列的装置，它并不排除其他元件和步骤。因此可以将其解释为指定了所声明的特征、整体、步骤或部件的存在，但是不排除一个或更多其他特征、整体、步骤或部件及其组合的存在或添加。因此，表述“设备包括装置A和B”的范围不应该局限于只由部件A和B组成的设备。它意味着对于本发明，设备惟一相关的部件是A和B。
本发明提出了一种具有集成去耦电容器的RF-MEMS设备，以及一种制造这种RF-MEMS器件的方法。根据本发明的RF-MEMS器件具有减小的芯片面积和减小的串联电感/阻抗。
图3示出了根据本发明第一优选实施例的RF-MEMS器件中的机械和电学连接。根据该第一实施例，RF-MEMS器件可以包括定位于衬底12上面的第一电极11。例如，第一电极11可以由导电材料构成，例如诸如铝、 铝铜合金、铜或金之类的金属，并且可以具有50nm至2000nm的厚度，例如500nm。优选地，第一电极11可以是尽可能厚以便使RF阻抗最小，然而不能太厚以便防止发生台阶覆盖问题。第一电极11也成为固定电极，因为将其固定到衬底12上。在本发明的实施例中，术语“衬底”可以包括可以使用的或者在其上可以形成器件、电路或外延层的任意位于下面的材料(或多个材料)。在其他替代实施例中，该“衬底”可以包括诸如掺杂硅、砷化镓(GaAs)、砷化磷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)、或硅锗(SiGe)衬底之类的半导体衬底。例如，所述“衬底”衬底可以包括除了半导体衬底部分之外的SiO2或Si3N4层之类的绝缘层。因此，术语“衬底”也包括玻璃上的硅、蓝宝石衬底上的硅。因此，将术语“衬底”用于一般地限定位于感兴趣的一层或部分下面的层元件。同样，术语“衬底”可以是其上形成层的任意其他基底，例如玻璃或金属层。衬底12可以具有50μm和1000μm之间的厚度。
可以将第一电介质层13定位于第一电极11a的顶部上。优选地，第一电介质层13可以是SiN层，但是也可以由诸如SiO2之类的任意其他合适的电介质材料构成。第一电介质层13可以具有1nm和2000nm之间的厚度gd1，例如425nm，以及介电常数εd1。根据本发明的RF-MEMS器件还可以包括继电器电极(relay electrode)或驱动电极14，在第一实施例中所述继电器电极或驱动电极14可以定位于第一电介质层13的顶部上。继电器电极或驱动电极14还可以由导电材料构成，例如诸如铝、铝铜合金、铜或金之类的金属，并且可以具有50nm至2000nm之间的厚度，例如500nm。在本发明的一些实施例中，继电器电极或驱动电极14可以具有与第一电极11相同的厚度。然而在其他实施例中，继电器电极或驱动电极14和第一电极11可以具有不同的厚度。优选地，继电器电极或驱动电极14可以尽可能地薄，以便使通过衬底12、第一电极11、第一电介质层13、驱动电极14和第二电介质层15形成的叠层厚度最小。在继电器电极或驱动电极14的顶部上可以形成第二电介质层15。在根据本发明的优选实施例中，这可以通过沉积合适的电介质材料(例如，SiN)来进行。第二电介质层15可以具有1nm至2000nm之间的厚度gd2，例如425nm，并且可以具有介电常数εd2。在根据本发明的其他实施例中，第二电介质层15可以通过在继 电器电极或驱动电极14的顶部上形成的自然氧化物形成。
根据本发明的第一优选实施例的RF-MEMS器件还包括第二电极16，所述第二电极是通过例如弹簧17的可移动悬挂装置而受到相对于盖子或顶板25的反作用力的可移动电极。第二电极16可以由导电材料构成，例如诸如铝、铝铜合金、铜或金之类的金属，并且可以具有100nm至10μm之间的厚度，例如5000nm。优选地，可移动电极可以小于10μm，因为这可以给出太高的弹性常数。不希望第二电极16具有大于10μm的厚度的另一个原因是因为该层经常通过各向同性(湿法)刻蚀进行刻蚀，当所述层的厚度变得太大时，该层中的最小特征和孔尺寸变得非常大。这降低了设计分辨率。另外，厚的层需要花费更多的时间进行刻蚀。然而，对于某些应用，具有＞10μm的厚度可能是有用的。因此，依赖于应用，第二电极的厚度在某些情况下可以大于10μm。在第二电极16的底部16a(即朝向第一电极11的第二电极16的表面)和第二电介质层15的顶部15a(即朝向第二电极16的第二电介质层15的表面)之间存在具有厚度g的空气隙18。
根据本发明实施例的第一电极11、继电器电极或驱动电极14和第二电极16可以由相同材料构成。然而在其他实施例中，第一电极11、继电器电极或驱动电极14和第二电极16每一个均可以由不同材料形成。优选地，第一或固定电极11和第二或可移动电极16应该具有足够的厚度，以便使RF阻抗最小化，但是优选地不能太厚(参见上文)。为了进一步地使RF阻抗最小化，有利的是使用具有低阻抗的材料形成电极11、14、16。
如可以从图3中看出的，可以向继电器电极或驱动电极14施加用于闭合开关的DC电压Vdc。通过施加DC电压Vdc，第二电极16可以向驱动电极14移动。按照这种方式，减小了空气隙18以及因此减小了继电器电极或驱动电极14和第二电极11之间的距离，因此增加了电容。
尽管在图3中将全部三个电极11、14、16绘制为具有相等的面积，电极11、14、16也可以具有不同的面积，并且甚至可以是分段的。在优选实施例中，三个电极11、14、16的面积可以实质上相同，因为按照这种方式使用最小的面积。有效RF电容器面积通过第一电极11和第二电极16之间的重叠来确定。因此，如果一个比另一个大，这可能只是浪费面 积，因为这不会添加电容值。另外，已经讨论了优选地，驱动电极14不应该小于第一电极11和/或第二电极16，因为在这种情况下没有在整个RF电容器面积上施加静电力。然而，使电极14大于第一电极11和/或第二电极16是空间的浪费。因此，可以总结出使三个电极11、14、16面积相等在静电力和所要求的空间方面是最优的解决方案。
然而，第二或可移动电极16要求更多的孔，用于刻蚀和阻尼的减少。因此相对于第一或固定电极11减小了其面积。因此，根据本发明的其他实施例，这三个电极11、14、16可以具有不同的面积。如果制作继电器类型器件(参见图2)或者如果要求增加的功率处理，分段电极的使用对于减小空气阻尼是有利的(参见2004年10月27日递交的EP 04105342.2)。
在根据该实施例的RF-MEMS器件中，可以将继电器电极或驱动电极14掩埋在第一和第二电介质层13、15之间，因此在第一电极11的顶部上形成叠层13、14、15。将叠层13、14、15垂直地堆叠在第一电极11和第二电极16之间，即沿与衬底11的平面实质上垂直的方向堆叠。因此，不需要附加的芯片面积用于添加去耦电容器，这与图1和图2中所示的现有技术RF-MEMS器件不同。这还节省了互连，再次节省空间，并且减小了RF路径中固定串联电感/阻抗。现在静电DC电压将直接位于继电器电极或驱动电极14上面，允许电极之间的紧密接触力。
当RF-MEMS处于闭合状态时，将得到以下的电容密度：
cc＝1/(1/cd1+1/cd2)＝1/(gd1/εd1+gd2/εd2)
当RF-MEMS器件处于打开状态时，将可以得到以下的电容密度：
c0＝1/(gd1/εd1+gd2/εd2+g/ε0)
当将该情况与具有图1所示情况的情况相比时，电极1、3、7具有相等的面积，在闭合RF电容Cc的情况下，根据本发明的RF-MEMS器件所需的总面积可以由下式给出：
Atot＝[(cd1+cd2)/cd1cd2]·Cc
在cd1＝cfix＝150pF/mm2并且cd2＝cMEMS＝75pF/mm2的情况下，需要0.2mm2的总面积以制造10pF的闭合电容。因此，与图1的结构相比，通过使用该结构可以实现约2个因子的空间减小。实际上，因为需要少得多的互连(如MEMS器件和去耦电容器之间的电连接)，甚至可以更多地减小总空间。
RF-MEMS器件还包括电阻器R。电阻器R可以具有与如图2所示的传统装置相同的值。该电阻器R的目的是防止RF功率经由DC路径泄漏。可以容忍的功率泄漏量极大地依赖于应用。作为示例，可以考虑MEME器件+去耦电容器作为串联电容器。偏置线的阻抗应该远大于MEMS电容器的阻抗，这意味着电阻器R的阻抗＞＞1/(ωC)。例如，在1GHz并且对于1pF的电容器，这意味着R＞＞159Ω。可以用于电容器R的典型值是10000Ω。电阻器R太高的值可能使开关速度折衷，但是通常这不是问题，因为开关速度通常大于20μs。对于20pF的电容器，对于R＞1MΩ，RC时间刚超过了开关时间。应该注意的是，为了防止经由DC路径的RF功率泄漏以及减小开关功率，还可以将电阻器R用电感器(图中未示出)来代替。
在本发明的第二实施例中，可以将包括在第一电介质层13和第二电介质层15之间掩埋的继电器电极或驱动电极14的叠层13、14、15定位于第二电极16的底部16a处，而不是在固定或第一电极11的顶部上。在该实施例的MEMS器件中，可以向驱动电极14施加DC电压。
在图4中示意性地示出了根据该第二实施例的MEMS器件。相对于图3中所示的和在第一实施例中所述的MEMS器件，在功能上没有显著差别。然而，第二实施例的实现更难以形成，并且益处更少，因此不如第一实施例优选。可能的困难是去耦电容器在这种情况下是可移动的。由于在第二实施例中所需的刻蚀孔穿透了第一电介质层13、继电器电极或驱动电极14、第二电介质层15和第二电极16的全部，顶部上的可用面积比可移动电极下面的小。在图3的MEMS器件的情况下，所述孔只需要穿透第二电极16。所述孔减小了第一电极11和驱动电极之间的去耦电容器的电容面积。现在，可移动电极成为包括不同类型的多层来代替一种导电材料层，例如金属。由于应力和热膨胀系数中的差别，由于双金属效应可能使第二或可移动电极16弯曲，将难以保持所述叠层平坦。另外，因为现在通过第二电极16和叠层13、14、15形成的顶部电极比根据第一实施例的其中顶部电极只包括第二电极16的RF-MEMS器件更重，在根据第二实施例的RF-MEMS器件中开关可能更慢。
图5和图6示出了用于根据本发明的MEMS器件的并且分别在第一和第二实施例中所述的替代实现。
在图5的实施例中，第一电介质层13位于第一或固定电极11的顶部上，以及将继电器电极或驱动电极14定位于位于第二或可移动电极16的底部16a处的第二电介质层15的底部处。可以向驱动电极14施加DC电压。
在图6的实施例中，将继电器电极或驱动电极14定位于位于第一或固定电极11的顶部上的第一电介质层13上，并且第二电介质层15位于第二或可移动电极16的底部16a处。可以向继电器电极或驱动电极14施加DC电压。
然而，应该考虑的是，在图4和图5所示的实施例中，要求额外的可移动电极用于接触驱动电极。在图3中，弹簧17通常与第二电极16和Vrf之间的电连接相等。通常，可以将该弹簧17形成于与第二电极16相同的层中(参见图17)。在图5中，不应该使弹簧17只由电极16制成，而且由电极14和电介质15制成。在这种情况下，弹簧17包括两个电连接，即来自层16的一个和来自层14的一个。因此，可以设置两个可移动电连接(“电极”)。
根据以上描述，清楚的是根据本发明的RF-MEMS器件与现有技术的RF-MEMS器件相比具有显著减小的面积。另外，要求更少的互连，这再次导致面积减小，而且还导致减小的等效串联阻抗和减小的等效串联电感。如果紧邻所述MEMS器件安置去耦电容器，如同现有技术中的情况(参见图2)，在MEMS和去耦电容器之间要求电连接。该电连接具有至少是电容器一侧长度的长度。该连接还具有通常与其长度成比例的阻抗和与其长度近似成比例的电感。因此，该连接增加了串联阻抗和电感两者。该缺点是通过根据本发明的电容性RF-MEMS器件克服的，所述电容性RF-MEMS不要求这种连接，因此表现出减小的串联阻抗和串联电感。不要求这种电感连接的另一个优点是不会出现与其他部分的电感性串扰。
在根据本发明第一实施例的MEMS器件中，因为去耦电容器(通过第一电极11、第一电介质层13和继电器电极或驱动电极14形成)中作为第一电极11的底板与MEMS电容器的底板(即第一电极11)物理上是相同的，因此在它们之间不要求电连接，所以不存在MEMS器件和去耦电容器之间电连接。在根据第二实施例的MEMS器件中，去耦电容器的顶板(即第二电极16)与MEMS电容器的顶板(在该实施例中也是通过第二电极16形成 的)物理上是相同的，因此也不需要额外的电连接。
当这三个电极，即第一或固定电极11、继电器电极或驱动电极14和第二或可移动电极16全部具有相同的尺寸时，可以在整个电容器面积上存在直接的静电力。这克服了在不是完全闭合的开关和大电容变化的现有技术MEMS器件中存在的问题。只要驱动电极14不是最小的电极，即只要驱动电极14比第一电极11和第二电极16大，整个RF电容器面积上将存在直接的静电力。
不得不提及，在某些情况下，因为可能要求额外的金属层和电介质层，在RF-MEMS器件中引入集成的去耦电容器增加了一些工艺复杂性。因此，将需要一个额外的掩模。然而，在某些处理方法中，例如将在下文中描述的飞利浦所有的MEMS PASSI-II工艺，该额外的层已经存在，并且可以用于创建集成的去耦电容器。在后一种情况下，根据本发明的电容性RF-MEMS器件的制造方法不会变得更加复杂。
在下文中，将描述在根据本发明的RF-MEMS开关的可能制造工艺中的后续步骤。应该注意的是这只是特定示例，并且并非试图限制本发明。例如，可以使用除了在以下工艺中将描述的之外的其他材料或其他层厚度。另外，工艺步骤的以下顺序也只是特定的示例，并且在其他工艺中可以不同。此外，可以施加其他合适的技术，用于执行所建议的制造工艺的不同步骤。
图7至图1 7示出了用于制造根据本发明实施例的RF-MEMS器件的工艺中的后续步骤。
在第一步骤中，提供衬底12。在本发明的实施例中，术语“衬底”可以包括可以使用的或者可以在其上形成器件、电路或外延层的任何位于下面的材料(或多个材料)。在其他可选实施例中，该“衬底”可以包括诸如掺杂硅、砷化镓(GaAs)、砷化磷化镓(GaAsP)、磷化铟(InP)、锗(Ge)、或硅锗(SiGe)衬底之类的半导体衬底。例如，所述“衬底”可以包括除了半导体衬底部分之外的SiO2或Si3N4层之类的绝缘层。因此，术语衬底也包括玻璃上的硅、蓝宝石衬底上的硅。因此，将术语“衬底”用于一般地限定位于感兴趣的一层或部分下面的层元件。同样，术语“衬底”可以是其上形成层的任意其他基底，例如玻璃或金属层。
在该特定示例中，衬底12可以具有500μm的厚度。首先，可以使衬底12进行热氧化，直到获得具有10nm至1000nm之间的厚度tox(例如，50nm)的热氧化层为止。这如图7所示。
在下一个步骤中，例如可以将Ar离子注入到热氧化层19下面的衬底12的区域中，以便形成非晶区20(图8)。为此目的，可以使用Ne离子、Xe离子或电子注入。非晶区20可以具有10nm至500μm之间的厚度t非晶，并且在给定的示例中可以是90nm。可以通过本领域普通技术人员所公知的任意合适的技术来执行衬底12的非晶化或Ar离子的注入。
然后，可以沉积阻挡层21(参见图9)。在给定的示例中，阻挡层21可以是Al2O3层，并且可以具有10nm至1000nm之间的厚度t阻挡层，例如约100nm的厚度。可以通过例如反应溅射沉积来沉积阻挡层21。应该理解的是也可以使用任意其他合适的沉积方法。在MEMS器件的处理期间，阻挡层21可以用作刻蚀停止层(参见下文)。
在图10所示的随后步骤中，可以通过溅射沉积或任意其他合适的沉积技术沉积第一导电层，例如在给定的示例中可以是铝层的金属层。所述金属层可以具有50nm和2000nm之间的厚度，例如500nm的厚度。然后可以通过选择性刻蚀对所述金属层进行构图，从而形成第一电极或固定电极11和电连接22。因此，电连接22具有作为图3中的16和Vrf之间的电连接线的功能，并且还具有作为支撑点(类似于图3中的参考数字25)的功能。
在已构图的金属层11、22的顶部上，然后可以沉积第一电介质层13(图11)。在给定的示例中，第一电介质层13可以是SiN:H层，并且可以具有10nm至2000nm之间的厚度，例如425nm的厚度。根据该实施例，可以通过等离子体增强型化学气相沉积(PECVD)来沉积第一电介质层13。
在下一个步骤中，可以沉积第二导电层，例如第二金属层。第二金属层可以是铝层，并且可以具有50nm和2000nm之间的厚度，例如500nm的厚度。可以通过任意合适的沉积技术来沉积第二金属层，例如溅射沉积。然后可以对第二金属层进行刻蚀以便形成继电器电极或驱动电极14(参见图12)。
然后，可以将牺牲层23沉积到已构图的第二金属层14的顶部上。牺 牲层23可以由电介质材料构成，例如SiN:H层，并且可以具有50nm至2000nm之间的厚度，例如425nm的厚度。随后，可以执行晕圈(corona)氧化物半导体反应离子刻蚀(COS RIE)步骤，以便获得图13所示的结构，即具有刻蚀通过牺牲层23和第一电介质层13直到电连接或固定点22为止的孔。
接下来，可以通过溅射沉积来沉积第三导电层，例如金属层。第三金属层可以是铝层，并且可以具有100nm和10000nm之间的厚度，例如5000nm的厚度。要求这样的厚度，以便减小阻抗并在仍然可移动的同时保持足够的强度。可以对第三金属层进行刻蚀以便形成如图14所示的第二电极或可去除电极16。
然后，将抗蚀剂图案24应用于图12所示的结构。这如图15所示。抗蚀剂图案的厚度可以在500nm至10000nm之间，例如是5000nm的厚度。
将该抗蚀剂图案24用于在例如CF4(5％氧)圆筒型刻蚀器(barreletcher)中执行牺牲层23(例如，SiN:H层)的刻蚀，如图16所示。考虑到准时停止SiN刻蚀，因为否则在第一或固定电极11和继电器电极或驱动电极14之间的第一电介质层13也将完全刻蚀掉。因此，刻蚀时间可以在5分钟至5小时之间，并且典型地可以是1小时。在去除抗蚀剂图案24之后，获得了根据本发明实施例的器件，具有如图17所示的可自由移动的第二电极16。
对于以上特定实施例，应该注意的是第二电介质层15不是通过电介质材料的沉积形成的。该示例中的第二电介质层15可以通过在继电器电极或驱动电极14的顶部上形成的自然Al2O3氧化物来形成。然而在其他实施例中，优选地，可以将合适的电介质材料沉积在继电器电极或驱动电极上的顶部上以及牺牲层23下面，以便形成第二电介质层15。
上述方法是用于形成根据本发明的第一实施例的器件。然而，本领域普通技术人员应该理解，所述方法也可以应用于制造根据本发明第二实施例的电容性RF-MEMS器件，提供了制造步骤的某些修改。
应该理解的是，尽管这里已经针对根据本发明的器件讨论了优选实施例、特定结构和配置以及材料，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以进行形式和细节上的各种变化或修改。
Claims (16)
1.一种电容性射频微机电系统器件，包括：第一电极(11)，固定到位于平面中的衬底(12)上；以及第二电极(16)，悬挂在第一电极(11)上方，并且相对于衬底(11)可移动，
其中，所述器件还包括驱动电极(14)、第一电介质层(13)、以及第二电介质层(15)，该驱动电极(14)、第一电介质层(13)、以及第二电介质层(15)沿与衬底(12)平面实质上垂直的方向集成在第一和第二电极(11、16)之间，驱动电极(14)位于第一电介质层(13)与第二电介质层(15)之间，
其中向驱动电极(14)施加直流电压(Vdc)，并且在第一电极(11)和第二电极(16)之间施加射频电压(Vrf)。
2.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述驱动电极(14)掩埋在第一电介质层(13)和第二电介质层(15)之间，从而形成叠层(13、14、15)。
3.根据权利要求2所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述叠层(13、14、15)位于第一电极(11)的顶部上。
4.根据权利要求2所述的电容性射频微机电系统器件，所述第二电极(16)具有朝向第一电极(11)的底部(16a)，其中所述叠层(13、14、15)位于第二电极(16)的底部(16a)。
5.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述第二电极(16)具有朝向第一电极(11)的底部(16a)，第一电介质层(13)位于第一电极(11)的顶部上，并且驱动电极(14)位于在第二电极(16)的底部(16a)设置的第二电介质层(15)的底部。
6.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述第二电极(16)具有朝向第一电极的底部(16a)，驱动电极(14)位于在第一电极(11)的顶部上设置的第一电介质层(13)的顶部上，并且第二电介质层(15)位于第二电极(16)的底部(16a)。
7.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述第一电极(11)具有第一面积，所述第二电极(16)具有第二面积，并且所述驱动电极(14)具有第三面积，所述第一、第二和第三面积沿与衬底(12)平面实质上平行的方向延伸，并且所述第一、第二和第三面积实质上相等。
8.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，所述第一电极(11)具有第一面积，所述第二电极(16)具有第二面积，并且所述驱动电极(14)具有第三面积，所述第一、第二和第三面积沿与衬底(12)平面实质上平行的方向延伸，并且所述第一、第二和第三面积的至少一个与其他面积不同。
9.根据权利要求1所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述第一电极(11)、驱动电极(14)和第二电极(16)由相同的材料形成。
10.根据权利要求9所述的电容性射频微机电系统器件，其中所述第一电极(11)、驱动电极(14)和第二电极(16)由铝或铝铜合金、铜或金形成。
11.一种制造电容性射频微机电系统器件(20)的方法，所述方法包括：
设置固定到位于平面中的衬底(12)上的第一电极(11)；
设置第二电极(16)，所述第二电极(16)相对于衬底(12)可移动；
设置驱动电极(14)、第一电介质层(13)、以及第二电介质层(15)，所述驱动电极(14)、第一电介质层(13)、以及第二电介质层(15)沿与衬底(12)平面实质上垂直的方向集成在第一和第二电极(11、16)之间，驱动电极(14)位于第一电介质层(13)与第二电介质层(15)之间，
其中向驱动电极(14)施加直流电压(Vdc)，并且在第一电极(11)和第二电极(16)之间施加射频电压(Vrf)。
12.根据权利要求11所述的方法，其中设置驱动电极(14)包括在第一电介质层(13)和第二电介质层(15)之间设置驱动电极(14)的叠层。
13.根据权利要求12所述的方法，其中设置包括在第一电介质层(13)和第二电介质层(15)之间掩埋的继电器电极或驱动电极(14)的叠层(13、14、15)通过在第一电极(11)的顶部上设置叠层(13、14、15)来执行。
14.根据权利要求12所述的方法，所述第二电极(16)具有朝向第一电极(11)的底部(16a)，其中设置包括在第一电介质层(13)和第二电介质层(15)之间掩埋的继电器电极或驱动电极(14)的叠层(13、14、15)通过在第二电极(16)的底部设置叠层(13、14、15)来执行。
15.根据权利要求11所述的方法，所述第二电极(16)具有底部(16a)，其中设置驱动电极(14)通过在设置于第二电极(16)的底部的电介质层(15)的底部设置驱动电极(14)来执行。
16.根据权利要求11所述的方法，其中设置驱动电极(14)通过在设置于第一电极(11)的顶部上的电介质层(13)的顶部上设置驱动电极(14)来执行。
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