CN103732526A - 用于在集成了cmos的mems电容性器件中优化电流密度的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本主题涉及使用电流分流和定线技术以在器件的多个层之间均匀地分配电流从而获得高品质因数。这种电流分流可以允许在维持高品质因数的同时使用相对狭窄的互连件和馈线。特别地，例如，一种微型机电系统（MEMS）器件可以包括金属层，其包括第一部分和与所述第一部分电隔离的第二部分。第一终端可以独立地连接至所述金属层的所述第一部分和所述第二部分中的每一个，其中所述第一部分限定了在所述金属层与所述第一终端之间的第一路径，并且所述第二部分限定了在所述金属层与所述第一终端之间的第二路径。

Description

用于在集成了CMOS的MEMS电容性器件中优化电流密度的系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年6月7日提交的第61/520,283号美国临时专利申请的权益，其公开通过全部引用合并于此。

技术领域

在此所公开的主题一般地涉及微型机电系统（MEMS）电容性器件的设计。更特别地，在此所公开的主题涉及在MEMS器件的材料层内的电流定线。

背景技术

在低电阻率硅片上使用标准的兼容于互补金属氧化物半导体（CMOS）的制造工艺而构建的无线频率（RF）MEMS器件由于下层的低电阻率硅而容易经受较高的基底损耗。为处理该问题，通常使用金属屏蔽体以在这些情况下将RF电路与有损耗的基底隔离。然而，这种金属屏蔽体会使由MEMS器件中的金属层和在该屏蔽体和该器件之间的层间电介质引起的MEMS电容器的分路寄生电容增加。这种寄生电容的增加激发了使MEMS器件的互连件（interconnect）、馈线（feed）和倒装芯片/接合焊点（bond pad）镀金属最小化从而使得寄生效应最小化的期望。由于RF器件的品质因数（Q factor）与馈线和互连件的镀金属成反比，因此，不管怎样，镀金属的减少可以反过来影响器件的品质因数。

其结果是，期望减小RF MEMS器件的最小电容（C_min）和/或寄生电容而不会相应地减小RF MEMS器件的品质因数。

发明内容

根据本公开，提供了用于在集成了CMOS的MEMS电容性器件中优化电流密度的系统和方法。在一个方案中，提供了一种微型机电系统（MEMS）器件，该MEMS器件可以包括金属层，该金属层包括第一部分和与所述第一部分电隔离的第二部分。第一终端（terminus）可以独立地连接至所述金属层的所述第一部分和所述第二部分中的每一个，其中所述第一部分限定了在所述金属层和所述第一终端之间的第一路径，并且所述第二部分限定了在所述金属层和所述第一终端之间的第二路径。

尽管在上文中陈述了在此公开的主题的一些方案，并且其通过目前已公开的主题全部地或部分地实现了，但是随着作为在下文中的最佳描述的连同附图的描述的进行，其他方面将变得显而易见。

附图说明

从以下详细描述中，本主题的特点和优点将更加容易理解，该描述应当结合附图阅读，附图仅仅是通过说明性的方式和非限制性的示例给出，在附图中：

图1a是根据本公开主题的实施例的微型机电系统（MEMS）器件的侧剖面图；

图1B是根据本公开主题的实施例的在微型机电系统（MEMS）器件之内第一组电连接的局部的立体图；

图2A是根据本公开主题的实施例的微型机电系统（MEMS）器件的第一活动金属层的立体图；

图2B是根据本公开主题的实施例的在微型机电系统（MEMS）器件之内的第二组电连接的立体图；

图3A和图3B是根据本公开主题的实施例的用于微型机电系统（MEMS）器件的两种结构的侧剖面图；

图4A是根据本公开主题的实施例的微型机电系统（MEMS）器件的第一活动金属层的立体图；

图4B是根据本公开主题的实施例的在微型机电系统（MEMS）器件之内的第二组电连接的立体图；以及

图5是根据本公开主题的实施例的在微型机电系统（MEMS）器件的第一活动金属层与固定金属层之间的重叠的平面图。

具体实施方式

本主题涉及电流分流（splitting）和定线（routing）技术以在器件的多个层之中均匀地分配电流从而获得高品质因数。这种电流分流可以允许在维持高品质因数（Q）的同时使用相对狭窄的互连件和馈线。此外，由于器件具有固定的厚度，Q和Cmin不能独立地被优化，因此设计过程也可以将Q和Cmin一起有效地优化。因而，本主题可以有利地用于1）Cmin和/或寄生电容的优化；2）Q的最大化；3）基于材料的体积和电流路径的接合而最大化地均等地分配电流；以及4）由于误设计（mis-design）或体积失配而使电流划分不均匀的温度系数的最小化。因此，本主题可以帮助实现在有损耗的基底上的具有高品质因数的RF MEMS器件。此外，可以降低与器件关联的寄生现象，这可以导致在“关”或“开”状态下的较低的电容，可以进而增加在“关”或“开”状态之间的电容比。另外，可以设计并分析电流的分配，从而最小化热失配的自热效应。

为实现这些益处，可以将电流分流的概念应用至在RF MEMS器件中的多种载流结构中的任意一种。特别是，例如，在图1A和图1B中示出的一个方案中，可以在可变电容器中实施本主题，可变电容器被概括地指定为100。在图1A中示出的结构中，可变电容器100可以包括至少一个固定金属层（例如，固定的RF馈线），固定金属层被概括地指定为110，其定位在基底S上，并且活动件120可以与固定金属层110间隔开，活动件120包括第一活动金属层，第一活动金属层被概括地指定为130，第一活动金属层130电容性地耦合至固定金属层110，并且活动件120包括定位在第一活动金属层130上的结构介电层150。

此外，本领域技术人员将认识到可变电容器100的其他结构可以包括附加的结构。例如，可变电容器100可以进一步包括一个或更多在固定金属层110之下的附加金属层（例如，在基底S之内），并且附加金属层使用通路（via）连接至固定金属层110以形成复合固定的/底部的电极，固定金属电容器板定位在基底S上，固定介电层（例如，SiO2,SixNy,AlxOy）定位在固定金属电容器板和/或固定金属层110中的一个或两个上。活动介电层在第一活动金属层130与固定金属层之间（即，在第一活动金属层130之下）定位在活动件120上，或者在第一活动金属层130与多种其他材料层中的任意一种之间定位在活动件120上，这由可变电容器100的期望结构而定。

不考虑可变电容器100的具体结构，可以配置一个或更多的金属层以在器件之内限定多个电流路径。特别是，例如，参考图1A和1B中示出的结构，固定金属层110可以包括可以限定第一固定部分110a和第二固定部分110b的槽或者形成其他样式，第二固定部分110b与第一部分110a电地隔离。特别地，第一固定部分110a可以由具有足够宽度的槽（例如，宽度约为0.8μm）而与第二固定部分110b隔开以迫使分隔的电流流入到每一元件中。该槽可以设置在如图1A和图1B中示出的“水平”方向上（即，垂直于活动件120的长度），或者可以在“垂直”方向上（即，平行于活动件120的长度）划开固定金属层110，或者在期望的其他方向上。不考虑分流的特定方向，随着固定金属板110被划分为第一固定部分110a和第二固定部分110b，第一固定部分110a和第二固定部分110b可以独立地连接至第一终端，第一终端例如是第一倒装芯片焊点、接合焊点或其他端子结构，第一终端被概括地指定为115。

这样，不是通过单个电连接的方式从固定金属层110中传输所有电流至第一终端115，而是可以将电流分流使得第一路径被限定在第一固定部分110a与第一终端115之间，并且使得第二路径被限定在第二固定部分110b与第一终端115之间。其结果是，只需要提供相对狭窄的互连件和馈线以承载这些部分的电流负载中的每一个。这种在互连件金属面积上的减少可以有助于减小C_min并且增加Q。

特别是，例如，如图1B中所示，第一固定部分110a可以与第一通路111连通，第一通路111继而可以与第二通路112连通，第二通路112连接至第一终端115。比较而言，也可以设置第二固定部分110b与分立堆叠组合的第三通路113和第四通路114连通，第四通路114与第一终端115直接相连。这样，可以在固定金属层110（即，第一固定部分110a和第二固定部分110b）与第一终端115之间建立两个独立的电流路径。进一步在这点上，尽管以上论述只涉及固定金属层110被拆分一次，成为两个部分，本领域技术人员将认识到固定金属层110可以被拆分为三个或更多个不同的部分，这三个或更多个部分对应于三个或更多个到第一终端115的不同路径以进一步减小C_min并且增加Q。

在可变电容器100包括多层MEMS结构的情形下，这种多个电流路径的使用会牵涉到对穿过处于固定金属层110之上的多个金属层的电流进行定线。特别是，例如，在图1B中示出的结构中，可以描述固定金属层110为定位在可变电容器100的底层处并且可以描述第一终端115为定位在可变电容器100的顶层处。在固定金属层110中逐渐形成的电流的第一部分可以定线为通过第一通路111从第一固定部分110a到在顶层与底层之间的中间层，并且通过第二通路112从中间层到处于顶层的第一终端115。而第二路径可以直接定线为从第二固定部分110b通过第三通路113和第四通路114以最小行程穿过中间层到可变电容器100的顶层。进一步在这点上，例如通过在源极附近分流电流并且在第一终端115处或者第一终端115附近重新组合电流，有利于电流分流发生在遍布可变电容器的尽可能多的结构上，以最优地降低整个系统的阻抗。

尽管有不同的路径，但第一固定部110a和第二固定部110b可以被配置为传递大致相等的电流至第一终端115。这牵涉到将第一固定部和第二固定部110b定为大致相等的尺寸，或者它们可以具有不同的尺寸以使得容量不同。不管元件如何定尺寸，该配置的目的是使两个独立的路径具有大致匹配的感应系数从而获得在两个路径之间期望的电流分流，从而可以降低系统的有效阻抗。以这种方式平衡独立路径的感应系数可以防止电流只流经在两个感应系数中具有较低的感应系数的一个路径。

可选地或除了划分第一金属层110以限定多个电流路径之外，如以上指出的，关于固定金属层110的以上论述的电流分流的概念可以应用到可变电容器100中的多种其他载流结构中的任意一种上。例如，参考图2A和图2B，第一活动金属层130可以开有槽或形成其他样式从而第一活动金属层130包括第一活动部分130a和第二活动部分130b，第二活动部分130b与第一活动部分130a电隔离。特别地，例如，第一活动金属层130可以通过纵向槽（例如，大约0.8μm）大致地对半拆分。可选地，如上所述，第一活动金属层130可以被拆分成多于两个不同的部分。

如图2B所示，第一活动部分130a和第二活动部分130b中的每一个均可以独立地连接至第二终端140（例如，第二倒装芯片焊点、接合焊点或其他端子结构）。这样，第一活动部分130a可以限定在第一活动金属层130与第二终端140之间的第一路径，并且第二活动部分130b可以限定在第一活动金属层130与第二终端140之间的第二路径。从而，在第一活动金属层130中逐渐形成的电流可以被分配在这些到达第二终端140的路径的多个分离的路径中。

例如，参考图2B，第一活动部分130a可以连接至第一根级馈线131，第一根级馈线131与第五通路132连通，第五通路132继而连接至第二终端140。而第二活动部分130b可以形成为并未一路延伸至第一根级馈线131，而是设置第六通路133与第二活动部分130b连通，并且第六通路133可以连接至第二活动金属层160，第二活动金属层160定位在活动件120上并且通过结构介电层150与第一活动金属层130间隔。第六通路133可以定位在活动件120的根部附近（例如参见图3A），或者在沿活动件120的长度的一点处或一点附近（例如参见图3B），或者在沿第二活动部分130b的长度的其他任何点处。进一步与此相关地，如图4A和图4B所示，第六通路133可以定位在第二活动部分130b的电容性端部附近，使得在第一活动金属层130与第二终端140之间的第一路径可以沿第一活动金属层130的长度的相当一部分而跨越第一活动金属层130的宽度，并且在第一活动金属层130与第二终端140之间的第二路径可以沿第二活动金属层160的长度的相当一部分而延伸。第二活动金属层160随后可以连接至第二根级馈线161，第二根级馈线161与第二终端140连通。

不管具体结构如何，总原则保持不变：可设置多条电流路径用来对穿过可变电容器100的多个金属层的电流进行定线。例如，在图2A、图2B、图4A和图4B示出的特别的结构中，由第一活动金属层130所传导的电流只有一半被定线为穿过第一根级馈线131（即，经由第一活动部分130a），同时该电流的另一半被定线为穿过第二根级馈线161（即，经由第二活动部分130b、第六通路133以及第二活动金属层160）。其结果是，由于第一根级馈线131和第二根级馈线161分别只需要承载第一活动金属层130所传导的电流的一半，因此每个元件可以被减小至在常规系统中适合于第一活动金属层130的尺寸的宽度的大约一半。从而，这种在每个根级馈线的尺寸上的减少可以导致C_min降低而不显著地改变Q。

为实现在多个路径之间的期望的电流分配，第一活动部分130a和第二活动部分130b可以被配置为尺寸大致相等，或者第一活动部分130a和第二活动部分130b可以有不同的尺寸。不管具体如何定尺寸，第一活动部分130a和第二活动部分130b可以被配置为使得第一路径（即，在第一活动部分130a与第二终端140之间）和第二路径（即，在第二活动部分130b与第二终端140之间）具有大致相同的感应系数。

可选地，第一路径和第二路径中的每一个的相对的电流可以主要由在第一活动金属层130与固定金属层110之间的重叠区域来确定（例如，由于主电压降穿过该电容结构）。在这点上，如图5所示，图5中第一活动部分130a限定了第一电容部分，第一电容部分定位在固定金属层110的第一段的上方（例如，连续段或者包含多个部分的分离的段），并且第二活动部分130a限定了第二电容部分，第二电容部分定位在固定金属层110的第二段的上方（例如，连续段或者包含多个部分的分离的段），第一电容部分和第二电容部分可以设置尺寸为或者用其他方法被配置为分别创建定线为穿过第一路径的第一电流部分和定线为穿过第二路径的第二电流部分。（例如，通过分别控制第一电容部分和第二电容部分之间的电容以及固定金属层110的第一段和第二段之间的电容）此外，可分别被称作第一非电容部分和第二非电容部分的第一活动部分130a和第二活动部分130b的剩余部可以进一步设置尺寸为或者用其他方法被配置为使得第一路径和第二路径中的每一个的阻抗分别与第一电流部分和第二电流部分成反比。

在另一方案中，本主题可以进一步牵涉用于构建并入了上文论述的电流分流和定线技术的MEMS器件的方法。特别地，这种方法可以包括在基底S上定位或沉积固定金属层110并且将固定金属层110形成为限定第一固定部分110a和第二固定部分110b。固定金属层110的第一固定部分110a和第二固定部分110b可以连接至第一终端115（例如，分别通过第一通路111和第二通路112以及通过第三通路113和第四通路114），其中第一固定部分110a限定了固定金属层110与第一终端115之间的第一路径，并且第二固定部分110b限定了固定金属层110与第一终端115之间的第二路径。

该方法可以进一步包括在固定金属层110上沉积牺牲层，并且在该牺牲层上沉积第一活动金属层130。可以将第一活动金属层130形成为限定第一活动部分130a和与第一活动部分130a电隔离的第二活动部分130b。可以将结构介电层150沉积在第一活动金属层130上，可以在结构介电层150中形成并蚀刻第六通路133以与第二活动部分130b连通，并且可以将第二活动金属层160沉积在结构介电层150上。第一活动部分130a和第二活动部分130b可以连接至第二终端140，其中第一活动部分130a限定了在第一活动金属层130与第二终端140之间的第一路径（例如，经由第一根级馈线131和第五通路132），并且第二活动部分130b限定了在第一活动金属层130与第二终端140之间的第二路径（例如，经由第六通路133和第二活动金属层160）。可以随后移除牺牲层以允许活动件120移动并且使活动件120电容性地耦合在固定金属层110与第一活动金属层130之间。

在此公开的任一结构、器件、系统以及方法可以用于降低使用分离电极的RF MEMS器件的总有效阻抗。如上所述，通过匹配在两个独立金属层上的两个独立路径的感应系数，可以实现阻抗的降低，致使得到在这两个层之间的期望的和/或预定的电流分流，以使Q因数最大化。这样，这些原理的使用可以用于创建使用了金属厚度限制CMOS/MEMS工艺的高Q、低寄生的RF MEMS器件。

可以以不背离本主题的精神和基本特性的其他形式实现本主题。因此所描述的实施例在各方面应被认为是说明性的并且非限制性的。尽管根据某些优选实施例描述了本主题，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例同样在本主题的范围之间。例如，尽管公开的实施例主要涉及可变电容器的设计，本领域技术人员将意识到可以将在此公开的电流分流和定线技术应用到多个相关的部件、器件和/或系统中的任一个上。

Claims (22)

1.一种微型机电系统（MEMS）器件，包括：

固定金属层，其包括第一固定部分和与所述第一固定部分电隔离的第二固定部分；

活动件，其与所述固定金属层间隔开，所述活动件包括电容性地耦合至固定金属层的第一活动金属层；以及

第一终端，其独立地连接至所述固定金属层的所述第一固定部分和所述第二固定部分中的每一个；

其中所述第一固定部分限定了在所述固定金属层与所述第一终端之间的第一路径，并且所述第二固定部分限定了在所述固定金属层与所述第一终端之间的第二路径。

2.根据权利要求1的器件，其中所述固定金属层和所述第一活动金属层中的一个或两个包括槽或形成其他样式。

3.根据权利要求1的器件，其中所述固定金属层包括固定RF馈线。

4.根据权利要求1的器件，其中所述第一固定部分和所述第二固定部分具有大致相等的尺寸。

5.根据权利要求1的器件，其中所述第一固定部分和所述第二固定部分具有不同的尺寸。

6.根据权利要求1的器件，其中在所述固定金属层与所述第一终端之间的第一路径具有第一感应系数，并且在所述固定金属层与所述第一终端之间的第二路径具有第二感应系数；并且

其中所述第一固定部分和所述第二固定部分被配置为使得所述第一感应系数和所述第二感应系数大致相似。

7.根据权利要求1的器件，其中所述第一活动金属层包括第一活动部分和与所述第一活动部分电隔离的第二活动部分，所述第一活动部分和所述第二活动部分中的每一个独立地连接至第二终端；并且

其中所述第一活动部分限定在所述第一活动金属层与所述第二终端之间的第一路径，并且所述第二活动部分限定在所述第一活动金属层与所述第二终端之间的第二路径。

8.根据权利要求7的器件，其中所述第一活动部分和所述第二活动部分具有大致相等的尺寸。

9.根据权利要求7的器件，其中所述第一活动部分和所述第二活动部分具有不同的尺寸。

10.根据权利要求7的器件，其中所述活动件包括：

结构介电层，其定位在所述第一活动金属层上；以及

第二活动金属层，其定位在所述结构介电层上，所述第二活动金属层通过在所述结构介电层中的通路而电连接至所述第一活动部分，并且所述第二活动金属层电连接至所述第二终端；

11.根据权利要求7的器件，其中所述第二终端包括第二倒装芯片焊点、接合焊点或其他端子结构。

12.根据权利要求1的器件，其中所述第一终端包括第一倒装芯片焊点、接合焊点或其他端子结构。

13.一种微型机电系统（MEMS）器件，包括：

固定金属层，其定位在基底上；

活动件，其与所述固定金属层间隔开，所述活动件包括电容性地耦合至所述固定金属层的第一活动金属层，所述第一活动金属层至少包括第一活动部分和与所述第一活动部分电隔离的第二活动部分；以及

终端，其独立地连接至所述第一活动金属层的所述第一活动部分与所述第二活动部分中的每一个；

其中所述第一活动部分限定在所述第一活动金属层与所述终端之间的第一路径，并且所述第二活动部分限定在所述第一活动金属层与所述终端之间的第二路径。

14.根据权利要求13的器件，其中所述固定金属层和所述第一活动金属层中的一个或两个包括槽或形成其他样式。

15.根据权利要求13的器件，其中所述活动件包括：

结构介电层，其定位在所述第一活动金属层上；以及

第二活动金属层，其定位在所述结构介电层上，所述第二活动金属层通过在所述结构介电层中的通路而电连接至所述第一活动部分，并且所述第二活动金属层电连接至所述第二终端。

16.根据权利要求13的器件，其中所述第一活动部分和所述第二活动部分具有大致相等的尺寸。

17.根据权利要求13的器件，其中所述第一活动部分和所述第二活动部分具有不同的尺寸。

18.根据权利要求13的器件，其中第一活动金属层的第一电容部分定位在所述固定金属层的第一段的上方，并且所述第二活动金属层的第二电容部分定位在所述固定金属层的第二段的上方；并且

其中所述第一活动部分和所述第二活动部分被配置为使得所述第一电容部分与所述第一段的重叠处和所述第二电容部分与所述第二段的重叠处分别创建定线为穿过所述第一路径的第一电流部分和定线为穿过所述第二路径的第二电流部分。

19.根据权利要求18的器件，其中在所述第一活动金属层与所述终端之间的所述第一路径具有第一阻抗，并且在所述第一活动金属层与所述终端之间的所述第二路径具有第二阻抗；并且

其中所述第一活动部分和所述第二活动部分被配置为使得所述第一阻抗和所述第二阻抗分别与定线为穿过第一路径的第一电流部分和定线为穿过第二路径的第二电流部分成反比。

20.一种用于构建微型机电系统（MEMS）器件的方法，所述方法包括：

在基底上沉积固定金属层；

将所述固定金属层形成为限定第一固定部分和第二固定部分；

将所述第一固定部分和所述第二固定部分独立地连接至第一终端，其中所述第一固定部分限定在所述固定金属层与所述第一终端之间的第一路径，并且所述第二固定部分限定在所述固定金属层与所述第一终端之间的第二路径；

在所述固定金属层上沉积牺牲层；以及

在所述牺牲层上沉积第一活动金属层。

21.根据权利要求20的方法，其中在所述固定金属层与所述第一终端之间的所述第一路径具有第一感应系数，并且在所述固定金属层与所述第一终端之间的所述第二路径具有第二感应系数；并且

其中所述固定金属层的形成包括：将所述第一固定部分和所述第二固定部分形成为使得所述第一感应系数和所述第二感应系数大致相似。

22.根据权利要求20的方法，包括：形成所述第一活动金属层以限定第一活动部分和与所述第一活动部分电隔离的第二活动部分；以及

将所述第一活动部分和所述第二活动部分独立地连接至第二终端；

其中所述第一活动部分限定在所述第一活动金属层与所述第二终端之间的第一路径，并且所述第二活动部分限定在所述第一活动金属层与所述第二终端之间的第二路径。

Images