CN102007559A - 使用具有相变材料的mems的可调谐电容器和开关 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种MEMS，例如开发MEMS用于移动通信应用，例如开关、可调谐电容器、可调谐滤波器、移相器、多路复用器、电压控制振荡器以及可调谐匹配网络。相变层的体积变化用于MEMS器件的双稳态致动。MEMS器件包括至少可弯曲悬臂、相变层和电极。给出了一种实现该器件的工艺和一种使用方法。

Description

使用具有相变材料的MEMS的可调谐电容器和开关
技术领域
本发明涉及一种MEMS，开发MEMS用于例如移动通信应用(例如开关、可调谐电容器、可调谐滤波器、移相器、多路复用器、电压控制振荡器，以及可调谐匹配网络)。相变层的体积变化用于MEMS器件的双稳态致动。MEMS器件包括至少可弯曲悬臂、相变层和电极。给出了实现该器件的工艺和使用方法。
现有技术的一个例子是电容RF MEMS开关，电容RF MEMS开关可以获得相对大的电容的改变，这是由于电极之间的距离或面积的改变。然而，这些要求控制致动器且响应很慢。另一例子是使用铁电体或顺电材料的可调谐电容器。这些材料的介电常数可以通过施加电场来调谐。尽管这些对电场具有快速响应，但调谐比率相对较小。
背景技术
US 6,954,348 B1公开了可调谐电容器的多种实施例。一个实施例是以具有一对固定电容器电极的可调谐电容器的形式，固定电容器电极固定且布置在衬底上垂直维度上的相同距离。调谐元件通过提升系统悬挂在衬底上方，提升系统在垂直高度上调整调谐元件的运动。改变可调谐电容器的电容是通过在垂直维度上移动调谐元件来实现的。
我们注意到US 6,954,348 B1描述了可调谐MEMS电容器的多种结构。
然而，例如在图4c和4d中，使用了至少两个不同的材料用于提供预应力条件以弯曲梁。可调谐MEMS机械地移动梁用于调谐是公知的。此外，在该专利中没有提到用于移动梁的材料或方法(电的、热的...)。因此，梁具有受限的可调谐性和受限的精确性。
WO0161848 A1公开了一种用于收音机的集成可调谐谐振器的装置和用于生产所述装置的方法。具体地，涉及一种利用具有高Q(品质因数)值的微机械可调谐电容器来实现的RF谐振器以及一种用于制造该RF谐振器的方法。在装置的一个特别的实施例中，第一导电层形成第一电容器电极；和/或电极用于在可移动微机械结构上产生静电力；以及在电感器线圈和电容器电极之间的互联线。它体现了谐振器电路的线性、功耗、占据空间和可靠性的重大改进。
US2004012299 A1公开了一种可变电容的组件(assembly)以及一种操作组件的方法。在该组件中，至少一个第一和一个第二导电区的可变覆盖范围或可变距离形成了可变电容器。第一导电区配置在衬底上或衬底中，所述第二导电区配置在第一微机械致动器的致动元件上或致动动元件中。致动器布置在衬底上使得它可以执行致动元件的移动，第二区沿衬底的表面布置在相对于第一区的不同位置，在该位置上第二区与第一区至少部分地重叠。此外，提供了保持装置，保持装置能将不同位置上的致动元件拉或推至衬底或衬底上的机械制动(stop)，并且将其保持在这些位置上。该组件用于实现可变电容，可变电容表现在根据其相应设置的外部影响的抵抗力方面的高稳定性。
WO2007084070公开了一种具有高的导热性或导电性的热控开关。微系统技术制造方法对于包括形成在键合晶片叠层中的密封腔的开关是非常重要的，其中上部晶片包括薄膜组件，薄膜装配适应于与间隙布置在容纳结构中。适应于随温度改变体积的热致动材料，优选地是相变材料(例如石蜡)，填充空腔的一部分。在下部晶片与薄膜组件的刚性部分之间提供高传导性转移结构的导体材料填充空腔的另一部分。在温度改变时，放置薄膜组件并在间隙上架桥，提供了从下部晶片至容纳结构的高传导性接触。
US6624730 B1公开了一种形成在硅衬底晶片上的微继电器(relay)器件，用于在电路中接通和断开电流路径。一对导电闭锁梁的近端附着在衬底上的端子。梁的近端具有互补的形状，互补的形状可释放地适配在一起以闭锁梁并接通电路。一对形状记忆合金致动器选择地工作以改变形状，使一个梁在闭锁远端的方向上弯曲，或者使另一梁释放远端并且断开电路。微继电器在其两个位置上是双稳态的，并且仅在断开或接通它时提供给致动器功率。
形状记忆合金具有的缺点是必须为了致动而将它们保持在要求的温度上。这要求待机功率。精巧的设计可以允许双稳态，例如双金属致动器，可选择地也使用滞后效应等。
相变材料本身是公知的。相变材料在晶体相位转变期间极大地改变其体积。例如，如图1所示，当相位从非晶体相位变化到晶体相位时，在130-200℃范围的温度下典型的相变材料例如Ag5.5In6.5Sb59Te29、Ge2Sb2Te5和Ge4Sb1Te5的体积减小大约5-9％。
然而，包括MEMS、顶部电极和底部电极，以及可选择地包括至少一个可调谐电容器的现有技术半导体器件仍然存在多种缺点。
首先，MEMS没有高的可调谐性。
而且，现有技术电容器和MEMS具有相对大的尺寸。这种电容器还典型地不允许温度控制。如果控制温度则典型地需要额外系统来控制温度。
接下来，没有电和热调谐的组合。
因此仍需要包括MEMS的改进的半导体器件。
本发明旨在解决一个或多个上述缺点。
发明内容
本发明涉及一种包括至少一个可调谐电容器的半导体器件，该电容器包括MEMS、顶部电极、底部电极、形成具有包括相变材料的侧面的梁的体积，以及优选地位于相变材料与电极之间的绝缘体材料，本发明还涉及一种操作该半导体器件的方法，以及一种制造该半导体的方法。
在第一方面，本发明涉及一种半导体器件，包括MEMS、第一电极、第二电极以及形成包括形变材料的梁的体积，其中体积优选地包括与相变材料相接触的电介质材料并且优选地包括导电层，其中布置器件以电地并可控地通过从一个相位到另一个相位来改变相变材料的体积，因此使体积改变5-25％，优选地高于9％，例如高于15％，其中所述改变优选地发生在50-500℃的温度范围内，更优选地从80到350℃，更优选地从100到200℃，例如从130到170℃。
该MEMS本身作为微致动器，具有小尺寸且实现了一种工艺。例如它可以用于可调谐电容器中的开关，或者如果具有反射层则可用于反射面，或者它们的组合。附图中给出了MEMS结构的例子。应注意，MEMS可以小于1微米，因此还可以称作纳米类型MEMS，还可以称作NEMS。NEMS在热发散方面具有优点，如果NEMS相对较小则更好。例如，另一优点是NEMS或MEMS很容易集成在CMOS工艺中。
对于致动，需要第一和第二电极，第一电极作为电流的入口并且第二电极作为电流的出口，或反之亦然。有电流流过的材料的电阻率(相变材料的电阻率或导电材料的电阻率)使得PCM变热。优选地电流流过PCM。
PCM可以具有任何形式，例如，它可以是单一电返回或入口路径(典型地与传导层相结合)的形式、曲径结构的形式、u型电路径的形式、导体顶部的层的形式(导体通过施加电流间接地使PCM变热)，或它们的组合。
为了该MEMS或微致动器的有效使用，PCM的体积应该显著地改变。应注意，不论PCM，通常没有很多材料符合该目的，这是由于它们的从第一相位改变到第二相位的体积改变太小。此外，通常没有很多材料符合以可控方法来改变的要求，不论通过施加电流。例如改变还应当是可逆的，这是由于材料应该能够返回其初始状态，且体积没有改变。
该相变材料在特定温度下或在特定温度范围内改变其相位，从第一相位变到第二相位，例如从非晶体相位变到晶体相位，或反之亦然，或者从第一晶体相位变到第二晶体相位。
优选地通过施加电流或去除所述电流来实现相变，施加电流使得本相变材料变热，去除电流使得相变材料冷却。相变导致材料的热力学亚稳态或稳态，即在正常的可应用时间限制(例如分钟，或小时，甚至年)内其自身不会发生相变。作为致动的结果，该相变材料(PCM)的体积将已经改变。通过施加将PCM加热至要求的温度的电流，或通过冷却，本过程很好地可控。此外，本过程相对较快，即它在几微秒内发生。充分的设计使得允许甚至更短的开关时间。附图中给出了设计的例子。于是，已经实现大约几微秒数量级的开关时间。换言之，本发明涉及一种双稳态致动。它意味着不需要电压来维持梁的位置。电流脉冲足够实现目的。因此(双)稳态致动非常简单。可以通过例如局部晶体化来获得连续的致动。还可以通过分割相变层并致动部分的梁来获得连续的致动，例如通过多步骤致动、例如引起梁的多位置、或者例如引起阶梯式电容器。
因此，该PCM的体积改变使得允许一种设计，在该设计中可以通过施加电流以可控方法快速地开关梁。优选地，在相变时使用具有非常高的体积改变的相变材料，体积改变可以是负的或正的。更优选地，通过施加所述电流在可以是局部建立的温度下实现相变或体积改变，温度不是很高，也不是很低。过高的温度更难获得，不是很可控，不可靠并且还可以对半导体器件中存在的其他可选组件造成不利影响。通过环境条件(例如外部温度)可以已经获得过低的温度，使得开关的控制更难。
形成梁的体积可以是可弯曲悬臂。
相变层的体积改变用于MEMS器件的双稳态致动。
优选地，封装PCM以防止环境对材料的影响(例如氧化作用)，还能更好地控制相位转变。如果PCM熔化，它可以流动，而通过封装阻止这种流动。同样地，提高了寿命和循环时间。可以在相同申请人的共同待审的EP07115899的名为“An electronic component，and a method of manufacturing an electronic component”(内部参考81054762EP01)中找到如何制造这种配置的细节。因此这里的公开合并作为参考。
根据本发明的可调谐电容器和开关的优点是：
高可调谐性，高可调谐性可以取决于材料成分，例如具有大于5的εman/εmin，优选地大于10(例如大于20)，或甚至大于50(例如大于100)；
它保持电容的稳定状态；
它与由静电力致动的电容RF MEM开关(作为质量弹簧系统的电容RF MEMS)相比具有更小的尺寸，致动是电容和偏压的函数。为了具有大的电容改变，现有技术需要面对彼此的电极的大区域(参见作为其例子的例如US6,954,348 B1)。在本发明中，使用材料本身的非常高的应变(～9％变形)，这允许制造相对小的尺寸的器件。
可以控制温度。在本发明中通过穿过材料对梁施加电流来控制梁(包括相变材料)的温度。此外，可以使用用于为系统控制温度的相同或相似的系统，其中存在的阵列可以用作加热器，允许该可调谐电容器的高精确性和可靠性。应注意，典型地，温度不利地影响在本方面中的电特性，例如，材料的电阻率随温度增加，而通常半导体的电阻率随增加的温度而减小。因此，控制温度可以独立于环境提供精确的电响应，例如如图4所示，出现的一个电阻器或电容器可以是温度传感器。
本发明提供电和热调谐的组合。
在优选实施例中本发明涉及半导体器件，其中相变材料包括族Ⅴ和族Ⅵ元素，优选地成分包括Sb-M，其中M是从以下组中选择的一个或多个元素，以下组例如是Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn、Sn；Ag5.5In6.5Sb59Te29、Ge0.08-0.4Sb0.1-0.33Te0.5-0.66、Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7和Ge4Sb1Te5，以及它们的组合。这些材料具有大的体积改变，例如多于5％，体积改变是在相对低的温度(例如150℃)下实现的。此外，这些材料的相位转变是良好地控制的，例如通过施加电流，电流形成发热。还可以使用可以在与室温足够接近的温度下提供高的体积改变的任何相变材料，例如有机或聚合物材料，以及它们的组合。
在更优选的实施例中，本发明涉及一种半导体器件，还包括在相变材料的一个或多个侧面的底部或顶部电极；以及在电介质材料的一个或多个侧面上的一个电极，优选地在使得能够与第二电极电接触的侧面上。同样地，器件形成由电流操作的开关。例如见图2至4。
在更优选的实施例中，本发明涉及一种半导体器件，其中相变材料通过从一个相位改变负量或正量到另一个相位来改变体积。
在更优选的实施例中，本发明涉及一种半导体器件，其中布置梁以允许在水平方向或垂直方向上的移动。取决于要求，器件可以需要在水平或垂直方向或它们的组合上工作。
在第二方面，本发明涉及一种制造根据本发明的半导体器件的方法，包括以下步骤：
提供衬底，例如Si晶片，优选地(100)Si晶片；
沉积电介质层，优选地厚度是100nm-1000nm，例如500nm，优选地由Al2O3、Si3N4、SiO2形成；
沉积底部电极层，形成优选地具有厚度是30nm-300nm的层，例如100nm，优选地由导电材料形成，优选地由铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、金(Au)、铂(Pt)和它们的组合形成；
通过标准光刻法图案化所述层；
随后蚀刻所述层形成底部电极；
沉积牺牲层，优选地厚度是200nm-2μm，例如500nm，优选地由SiO2、Si3N4、有机材料(例如光致抗蚀剂)、低k电介质形成；
平面化牺牲层，优选地利用CMP；
图案化并蚀刻牺牲层以形成容器形状；
沉积并通过光刻和蚀刻来图案化侧面电极，优选地厚度是20nm-200nm，例如30nm，优选地是包括Cu、W、Al、Ti、TiN、Au、Pt和它们的组合的材料；
用相变材料填充容器形状，厚度是20nm-200nm，优选地使用可以提供如上述高的体积改变的相变材料或它们的组合；
沉积薄电介质绝缘层，优选地厚度是10-100nm，取决于使用哪种材料作为牺牲材料，优选地包括例如TiO2、Al2O3、Si3N4、SiO2和它们的组合的材料，并且通过光刻和蚀刻来开口侧面电极；
沉积顶部电极，优选地具有20-200nm的厚度，例如30nm，优选地包括例如Cu、W、Al、Ti、TiN、Au、Pt和它们的组合的材料，并且图案化；以及
移除牺牲层。
在第三方面，本发明涉及一种操作根据本发明的半导体器件的方法，包括以下步骤：
在第一电极和第二电极上施加电压差；
改变相变材料的体积，因此弯曲梁；以及
解除电压差。
优选地操作方法还包括在第一电极和第二电极上施加第二电压差的步骤，因此再结晶相变材料，并且解除第二电压差。
应注意，当相变材料退化得太快时，可以刷新脉冲。
通常致动或在第一电极和第二电极上施加电压差的步骤可以包括以下步骤：
1)彻底地加热PCM，之后快速冷却PCM，导致第一非晶体开关状态；
2)然后中度地加热，将PCM保持在给定温度片刻，导致第二晶体开关状态，然后为获得可选地梁的下一移动，
3)回到步骤(1)
这与对于标准相变开关是相似的。
通过以下附图和例子对本发明进行进一步说明，以下附图和例子不是限制本发明的范围。本领域技术人员将理解的是可以结合多种实施例。
附图说明
图1示出了关于相变材料的体积的温度依赖性。
图2a示出了所提出的可调谐电容器的结构，单一梁结构。(X截面)。
图2b示出了所提出的可调谐电容器的结构，单一梁结构。(X截面)。
图3示出了所提出的可调谐电容器的结构(从上向下)。
图4示出了用于水平移动的部分曲径梳状结构(X截面)。
图5示出了制造MEMS的方法。
图6示出了可选实施例的横截面。
图7示出了用于接触相变材料的可选实施例(顶视图)。
图8示出了工艺流程的变体。
具体实施方式
图1示出了关于相变材料的体积的温度依赖性。
如X射线反射法所测量的，AgInSbTe、Ge2Sb2Te5和Ge4Sb1Te5的薄膜厚度是增加的退火温度的函数。导致薄膜厚度突然减小的晶体化对于AgInSbTe在155℃观测到，对于Ge2Sb2Te5在130℃观测到，对于Ge4Sb1Te5在170℃观测到。为便于不同数据设置的比较，相对于作为沉积的薄膜的厚度归一化所有厚度。晶体化导致AgInSbTe的厚度减小5.5％，Ge2Sb2Te5的厚度减小6.5％，Ge4Sb1Te5的厚度减小9％。
图2a示出了所提出的可调谐电容器的结构，单一梁结构。(X截面)。
图2a、2b示出了所提出的结构的X截面视图。梁由电介质绝缘所支撑，电介质绝缘可以是在牺牲层的移除期间有意留下的牺牲层。在梁中插入另一电介质层以将相变材料与电极相绝缘并且这一电脉冲(产生发热)可以通过相变材料而不干扰电极。应注意的是，由于电极典型地具有比相变材料低的电阻率，取而代之地电流将通过金属，而且最好通过例如电介质将金属从相变材料分离开以有效地加热相变材料。而且金属是好的发热导体，这对层的快速冷却是有利的。电流加热相变材料的线或柱形结构。相变材料收缩并在可选择的其他存在的层中引起收缩应力，具体地在20-500℃之间，应力取决于使用的材料。梁的非对称(双或多层)结构对于通过相变材料的张力应力和其他层的压缩应力来弯曲梁来说是至关重要的。层叠层中的非零应力变化率使得梁弯曲(图2(a2，b2))。为了最好的性能，中立平面(没有应力)应该在相变层外部。可以通过选择金属电极与相变材料之间适配的绝缘体来优化情况。该性能取决于梁的材料的成分、结构和梁的长度。
电流控制梁的弯曲并且因此控制电极之间的电容或开关性能。为逆转晶体相位，可以在500-600℃熔化相变材料，在熔化的材料的快速冷却之后形成非晶体相位。应注意的是，典型地这是缓慢且不可逆过程，尤其是当包含了大的体积改变和/或晶体晶格重组时。因此它受限于相对快地改变材料，例如本发明中所选择的这些材料。此外，相变可以取决于所选择的材料的尺寸。目前，梁的尺寸是纳米或微米级别，这允许快速的开关。本发明提供设计和材料以在少于一微秒的时间内开关。该时间足够设置和重置相位。相变材料由侧面电极或遮盖层(图8)支撑以当材料熔化时保持材料的形状。另一选择可以是在沟槽中沉积材料，这降低了蔓延得更低的风险，但牵涉了更复杂的处理步骤。可以最小化相变材料的面积和长度使得可以以特定速度完全熔化材料。例如，如果支撑绝缘层的厚度是从200nm到2μm，优选地从300nm到2μm，更优选的从300nm到1μm(例如500nm)。梁的总厚度是从50nm到500nm，优选地从70nm到500nm，更优选地从70nm到250nm(例如100nm)。相变材料的长度可以从1um到30μm，优选地从1um到10μm，更优选地例如大约3um，以在电极之间切换。模型计算已经进一步地确认了这些数字。在顶部电极和底部电极之间获得电容输出。电容器的集成与任何其他MEMS结构和相变材料相似，与标准IC工艺相兼容。图3示出了所提出的结构的从上向下视图；(a)仅一侧被支撑的梁的例子(单一梁结构)，(b)两侧都被支撑的梁。
图2b是所提出的可调谐电容器的结构，单一梁结构。(X截面)。
图3是所提出的可调谐电容器的结构(从上向下)。
图4是用于水平移动的部分曲径梳状结构(X截面)。
图5示出了一种制造MEMS的方法。在第一步骤中，在衬底(110)上沉积电介质材料(100)(例如Si)。然后形成底部电极(230)。在电介质层和底部电极的顶部沉积牺牲层(220)，典型地是电介质层。然后通过图案化和蚀刻牺牲层为侧面电极(330)形成容器，之后沉积导电材料。然后例如通过蚀刻和/或平面化来部分地移除导电材料。然后沉积并且之后平面化另一层(440)(例如相变材料层(PCM))。沉积、图案化并蚀刻另一绝缘体层(500)。然后沉积、图案化并且蚀刻形成部分顶部电极的另一导电层(530)。最后通过蚀刻来部分地移除牺牲层。通过金属化530来以与左电极的接触区相同的方法来制成右电极的接触区，但在梁的侧面。无论如何需要图案化层500和530使得在相同的掩膜和工艺步骤中制成接触区。顶部金属化530可以用于布线电流和信号以控制单元和信号脚。
图6示出了可选实施例的横截面(a)和顶视图(b)。它包含两个变体：1)相变材料环路(602)：可以节省一个金属层。MEMS层601可以是绝缘体或本征半导体。2)该选择使用流电串联接触603、605用于实现接触区。虚线604表示MEMS梁与衬底的连接。
图7示出了用于接触相变材料的可选实施例(顶视图)。相变层702形成比图6的设计低的绝对值的电阻器。图示范了合适的电极(703)和相变层形状可以将电阻与驱动电子器件相匹配。
图8示出了工艺流程的变体：具有惰性层806的覆盖相变材料。更多的变体是可能的：例如，分割相变层以避免大的区，这可以最小化金属迁移的风险。

Claims (8)

1.一种半导体器件，包括：MEMS、第一电极、第二电极以及形成包括相变材料的梁的体积，其中梁优选地包括与相变材料相接触的电介质材料并且优选地包括导电层，所述器件被布置为电学地且可控地通过从一个相位到另一相位来改变相变材料的体积，由此将体积改变1-25％，优选是改变5-20％，其中所述改变优选地发生在50-500℃的温度范围内，更优选是从80-350℃，更优选是从100-200℃，例如从130-170℃。
2.根据权利要求1所述的半导体器件，其中相变材料包括族V和族Ⅵ元素，优选地成分包括：Sb-M，其中M是从以下组选择的一个或多个元素，以下组是例如Ge、In、Ag、Ga、Te、Zn、Sn；Ag5.5In6.5Sb59Te29、Ge0.08-0.4Sb0.1-0.33Te0.5-0.66、Ge2Sb2Te5、Ge1Sb2Te4、Ge1Sb4Te7和Ge4Sb1Te5，以及它们的组合。
3.根据权利要求1或2所述的半导体器件，还包括位于相变材料的一个或多个侧面上的底部或顶部电极、以及在电介质材料的一个或多个侧面上的一个电极，所述一个电极优选是在使得能够与第二电极电接触的侧面上。
4.根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的半导体器件，其中通过从一个相位改变负量或正量到另一相位来改变相变材料的体积。
5.根据权利要求1至4中任一项权利要求所述的半导体器件，其中梁被布置为允许在水平方向或垂直方向上的移动。
6.一种制造根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的半导体器件的方法，包括以下步骤：
提供衬底，例如Si晶片；
沉积电介质层，优选地厚度是100nm-1000nm，例如500nm，优选地由Al2O3、Si3N4、SiO2形成；
沉积底部电极层，形成优选地具有厚度是30nm-300nm的层，例如100nm，优选地由导电材料形成，优选是由铜(Cu)、钨(W)、铝(Al)、钛(Ti)、氮化钛(TiN)、金(Au)、铂(Pt)和它们的组合形成；
通过标准光刻法图案化所述层；
随后蚀刻所述层形成底部电极；
沉积牺牲层，优选地厚度是200nm-2μm，例如500nm，优选地由SiO2、Si3N4、有机材料(例如光致抗蚀剂)、低k电介质形成；
平面化牺牲层，优选地利用CMP；
图案化并蚀刻牺牲层以形成容器形状；
沉积并通过光刻和蚀刻来图案化侧面电极，优选地厚度是20nm-200nm，例如30nm，优选地是包括Cu、W、Al、Ti、TiN、Au、Pt和它们的组合的材料；
用相变材料填充容器形状，厚度是20nm-200nm，优选地使用可以提供如上述的高的体积改变的相变材料或它们的组合；
沉积薄电介质绝缘层，优选地厚度是10-100nm，取决于使用哪种材料作为牺牲材料，优选地包括例如TiO2、Al2O3、Si3N4、SiO2和它们的组合的材料，并且通过光刻和蚀刻来开口侧面电极；
沉积顶部电极，优选地具有20-200nm的厚度，例如30nm，优选地包括例如Cu、W、Al、Ti、TiN、Au、Pt和它们的组合的材料，并且图案化；以及
移除牺牲层。
7.一种制造根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的半导体器件的方法，包括以下步骤：
在第一电极和第二电极上施加电压差；
改变相变材料的体积，由此弯曲梁；以及
解除电压差。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括步骤：在第一电极和第二电极上施加第二电压差，由此再结晶相变材料；以及解除第二电压差。
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