CN103907166B - 具有增强的rf性能的mems可变电容器 - Google Patents
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Abstract
在MEMS装置中，膜着陆在RF电极上的方式可以影响装置性能。放置在RF电极上的凸块或限位器可以用于控制膜的着陆，从而控制MEMS装置的电容。可以调整凸块或限位器的形状和位置使之适应，使得即使在施加过电压时也确保膜的正确着陆。另外，凸块或限位器可以应用在膜本身上以控制膜在MEMS装置的顶部或上电极上的着陆。
Description
发明背景
技术领域
本发明的实施例通常涉及一种微电子机械系统(MEMS)可变电容器。
背景技术
驱动MEMS可变电容器的最常见的方式是通过使用静电力。通常，驱动所需的电压是大约10V到100V。使用这些电压意味着在所使用的亚微米尺寸中电场变得非常大。电场由等式E=V/间隙表示，其中‘V’表示两个电极之间的电压，而‘间隙’表示它们之间的距离。介电材料的属性在高电场下(例如充电)发生变化，在一些情况下对电介质有物理损坏。这些因素降低了MEMS数字可变电容器的使用寿命、性能和操作条件。
因此，本领域需要在MEMS着陆时降低MEMS可变电容器中电场的大小同时保持高电容状态。
另外，RF-MEMS可变电容器的互调性能是难以达到的规格。这是因为MEMS装置含有提供电容调谐的可移动部分。如果有任何剩余的间隙，则在两个电极之间的RF电压将MEMS可变电容器的两个板进一步吸引，促使进一步的电容变化。根据MEMS装置机电设计和预期应用互调规格，对于在可变电容器的两个板之间施加的几伏电压，最大允许的移动可能如几纳米一样小。
甚至平面处理、例如化学机械抛光(CMP)对于良好的互调性能也不充足的。例如，在化学机械抛光(CMP)之后，一些凸块可以在金属-电介质界面处出现。这些凸块可以对RF性能具有显著的影响，这是因为它们在膜挠曲的位置造成额外的间隙。另外，在CMP之后的氧化物表面本身可以相对于金属表面升起，导致膜和电极之间的间隙。另外，CMP凸块作为电场增强器，其再次降低部件的可靠性。
因此，本领域需要一种在处理可能的互调问题同时保持对长期可靠操作来说足够低的电场的方案。
发明内容
在MEMS装置中，膜着陆在RF电极上的方式可以影响装置性能。放置在RF电极上的凸块或限位器可以用于控制膜的着陆，从而控制MEMS装置的电容。可以调整凸块或限位器的形状和位置使之适应，使得即使在施加过电压时也确保膜的正确着陆。另外，凸块或限位器可以应用在膜本身上以控制膜在MEMS装置的顶部或上电极上的着陆。
在一个实施例中，MEMS可变电容器包含具有设置在其中的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极的衬底；上电极；和在衬底和上电极之间可移动的膜，其中衬底和膜中的一个或更多个具有形成于其上的凸块，以控制膜与上电极或与一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极两者之间的间隔。
在另一实施例中，公开了一种制造MEMS可变电容器的方法。所述方法包括：对形成在衬底上的第一介电层进行抛光以使嵌入在衬底内的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极暴露，所述抛光导致凸块形成在一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极的上表面边缘；沉积第二介电层；在第二介电层上沉积牺牲层；在牺牲层上形成膜；以及移除牺牲层使得膜可以从与第二介电层间隔开的位置移动到与第二介电层接触的位置。
在另一实施例中，一种操作MEMS装置的方法包括对嵌入衬底内的一个或更多个控制电极施加电偏压以使膜从与嵌入在衬底内的RF电极间隔开第一距离的第一位置移动到与RF电极间隔开第二距离的第二位置，其中第二距离小于第一距离；以及对RF电极施加直流电偏压以使膜移动到与RF间隔开的第三距离，其中第三距离小于第二距离。
附图说明
为了可以更详细地理解本发明的上述特征，可以通过参考实施例给出对以上简要概述的本发明的更具体的说明，所述实施例的一些在附图中进行说明。然而，应注意，附图仅说明本发明的典型实施例，因此不被认为限制其范围，这是因为本发明可以允许其他等效的实施例。
图1A至1C为用于在可变电容的下拉期间控制电场的方法的示意图。
图2A为用于具有顶部凸块的上电极和图案化了的上电极的电场控制实施的顶视图，图2B为其横截面图。
图3A为停留在锚固的上层上的下网格层的顶视图，图3B为其横截面图。
图4显示膜在控制电极上的二次着陆是可能的问题。
图5示出了限位器沿着膜避免下垂，从而改善IP3性能和可靠性。
图6A至6D示出了一种用于MEMS可变电容的简化制造方法，其中在进行CMP以使电极和电介质平整后，出现凹陷问题和凸块。
图7示出了与由于凸块而变形的底部电介质接触的MEMS梁。当施加RF电压时，膜如箭头所示移动，改变RF电容，从而降低RF性能。
图8A至8D示出了一种有槽的RF电极和控制电极实施的简化方法说明。
图9示出了组合的有槽的控制电极和RF电极缓解控制电极和RF电极上塌陷的膜。
图10A至10E示出了一种仅用于蚀刻解决方案的简化方法说明。
图11示出了蚀刻如何矫正控制电极和RF电极上塌陷的膜。
图12A示出了在沉积底部电介质之后所看到的凸块。图12B示出了使用蚀刻方法的结果。
图13示出了用于控制凸块和限位器上的电场的不同实施。
图14A至14D示出了一种设计，其利用降低的电场设计以通过RF信号与交流浮动控制电极的耦合来限制互调失真。
图15示出了一种设计，其利用偏压电阻器和耦合电容器来促进在RF电极区域的膜上施加直流力以拉动膜与RF电极紧密接触，以便限制互调失真。
为了有助于理解，在可能的情况下已经使用相同的附图标记来指示对附图是共同的相同元件。在没有特别说明的情况下，预期在一个实施例中所公开的元件可以有利地应用于其他实施例。
具体实施方式
在MEMS装置中，膜着陆在RF电极上的方式可以影响装置性能。放置在RF电极上的凸块或限位器可以用于控制膜的着陆，从而控制MEMS装置的电容。可以调整凸块或限位器的形状和位置，使之即使在施加过电压时也确保膜的正确着陆。另外，凸块或限位器可以应用在膜本身上以控制膜在MEMS装置的顶部或上电极上的着陆。
在图1A至1C中描述了三种用于在可变电容器的下拉期间控制电场的方法。三种模式的区别为当驱动时膜被迫采取的形状。在三种情况下，在电压最高时在驱动电极(即“控制电极”)上方有额外的间隙。调整驱动电极上的间隙的深度的大小，以显著降低电场并允许由RF电极引起的被迫的向下代替以接触到控制电极上的方式做出反应，所述间隙的宽度通常等于图1B中的板弯曲限位器和RF限位器的高度或等于图1A和1C中的RF限位器和板弯曲限位器的高度之间的距离。间隙的深度以下述方式选择：使得平均电场小于3MV/cm，并不明显增加驱动电压(由于增加的间隙)。如图1A至1C中所示，驱动电极上的间隙可以通过几种方式的晶圆加工来获得。一个实例为通过使用保护RF电极上的电介质的掩模来蚀刻驱动电极上的电介质。移除的电介质的厚度决定间隙的深度。另一方法为插入夹在RF电极上的电介质堆叠间的浮动金属。RF电极上的浮动金属的厚度决定驱动电极上的间隙的深度。第三方法为在RF电极正上方沉积并图案化另外的电介质层，从而在驱动电极上生成相等的间隙。
图1A至1C示出了利用RF限位器和板弯曲限位器高度组合的电场控制方法。图1A示出了迫使膜以“微笑”形状着陆的情况，这是因为RF限位器在衬底上比板弯曲限位器延伸较短的距离。图1B示出了膜平坦着陆的情况，这是因为板弯曲限位器在衬底上与RF限位器延伸相同的距离。图1C示出了迫使膜以“皱眉”形状着陆的情况，这是因为RF限位器在衬底上比板弯曲限位器延伸较长的距离。
电场在数字可变电容器的顶部操作中也能够降低。图2A、2B、3A和3B示出了两种用于其的方法。图2A和2B示出了一种方法，其中顶部凸块/限位器用于降低电场，上电极被图案化以使得凸块/限位器着陆在没有被施加电压的区域(即介电栓塞)，确保电场是低的。图2A为利用顶部凸块/限位器和图案化了的上电极对上电极实施电场控制的顶视图，图2B为其横截面图。如图2A和2B中所示，膜具有从其延伸并着陆在形成于上电极中的介电栓塞上的限位器。因此，限位器和介电栓塞两者都被策略地放置。与图1A至1C中限位器存在于衬底上而不在膜上相比，在图2A和2B中限位器在膜的顶部。可设想图1A至1C和2A至2B可以组合，使得当膜从衬底起朝向上电极移动时限位器不仅存在于衬底上(如在图1A至1C中)而且存在于膜的顶部(如在图2A至2B中)。
图3A和图3B示出了膜的下层撞上从锚固体延伸的上层的方法。这通过在膜与顶部之间强行设置间隙来防止膜与顶部(在图3B中显示为上电极)接触。该设计的另一个特征是使用顶部凸块/限位器和/或图案化了的上电极(如图2A至2B中所示)来确保即使膜发生接触，发生接触的位置也是低/无电压区域，从而降低电场。图3A为停留在上锚固层上的下网格层的顶视图，图3B为其横截面图。可设想图1A至1C、2A至2B和3A至3B可以组合，使得当膜从衬底起朝向上电极移动时(如在图2A至2B和3A至3B中)限位器不仅存在于衬底上(如在图1A至1C中)，而且存在于膜的顶部上(如图2A至2B和)和锚固体的上层(如图3A至3B中所示)。
图4中示出该方法(适合于顶部操作和底部操作两者)可能的问题。在这种情况下，膜塌陷到控制电极，在塌陷的位置存在大的电场，危害装置的可靠性并降低互调性能(在RF电极上方产生间隙)。图5中呈现一种该问题的解决方案，当沿着膜设置凸块时，确保了操作电压和塌陷电压之间的余裕足够高，并使在RF电极上产生的间隙最小化。为了降低在限位器区域中的电场，控制电极应从这些限位器的下方移除。凸块和限位器可以放置在以下之上：(1)接地的电极，(2)金属浮动电极片，或(3)在电介质上并与控制电极间隔开，如图13中所示。选项(1)和(3)降低凸块上的电场，选项(2)用于获得对凸块/限位器高度的更好的控制。
控制RF MEMS可变电容器上的电场具有优点。具体地，电介质在高电场下不会承受压力。另外，显著地改善装置的可靠性。然而，吸合区域中的额外的间隙允许膜下垂并最终二次着陆在控制电极区域上，因此RF间隙可以变化，从而降低互调性能，但是沿着控制电极添加短截线/凸块会缓解该问题。
图6A至6D示出了一种用于MEMS可变电容的简化制造方法，其中在进行CMP以利用电介质使电极平整后，出现凹陷问题和凸块。图12A中示出了TEM图证实该问题。这些凸块转化到沉积在控制电极顶部的介电层，如图7中所示，在电介质上的这些特征允许膜在RF电压下挠曲，这降低互调性能。在这里讨论两个解决方案。一个解决方案为利用有槽的RF电极和控制电极。另一解决方案为蚀刻凸块。
如图6A至6D中所示，衬底具有设置于其中的两个控制电极和RF电极以及形成于其上的介电层。介电层可以使用CMP方法或其他技术例如研磨来抛光，以暴露控制电极和RF电极。在这样做的情况下，凸块/限位器形成在电极的上表面边缘处。凸块/限位器由介电材料形成。之后，另一介电层可以沉积于其上，但是在如此形成的情况下，凸块/限位器继续维持使得凸块/限位器不存在于当前沉积的介电层中。之后，牺牲层可以形成于其上，并且膜可以形成于其上。最终会移除牺牲层，使得膜可以从与介电层间隔开的位置移动到与介电层接触的位置。当对控制电极施加电偏压时膜会移动。另外，膜可以挠曲(如图7中所示)，但是对RF电极施加RF电压。
有槽的RF电极和控制电极
图8A至8D中所示的有槽的RF和控制解决方案基于增加凸块之间的膜的刚度，这可以通过缩短两个连续凸块之间的距离来实现。在电极上开槽来提供该解决方案。如图9中所示，膜在两个连续凸块之间的部分更短，因此对于给定电压的挠曲与在凸块间具有较大距离的设计相比更小。
如图8A至8D中所示，衬底具有设置于其中的两个有槽的控制电极和有槽的RF电极以及形成于其上的介电层。电极是“有槽的”而不是单个的大电极，即电极被分割为由介电材料间隔开的几个小块。介电层可以使用CMP方法或其他技术例如研磨来抛光，以暴露有槽的控制电极和有槽的RF电极。在这样做的情况下，凸块/限位器形成在有槽的电极的上表面边缘处。凸块/限位器由介电材料形成。之后，另一介电层可以沉积于其上，但是在如此形成的情况下，凸块/限位器继续维持使得凸块/限位器不存在于当前沉积的介电层中。之后，牺牲层可以形成于其上，并且膜可以形成于其上。最终会移除牺牲层，使得膜可以从与介电层间隔开的位置移动到与介电层接触的位置。当对控制电极施加电偏压时膜会移动。另外，膜可以挠曲(如图9中所示)，但是对有槽的RF电极施加RF电压。
图14A至14D示出了一种设计，其利用降低的电场设计以通过RF信号与交流浮动控制电极的耦合来限制互调失真。图14A示出了处于对下电极施加阈值电压的MEMS装置的理想状况：膜在RF电极限位器顶部完全平坦，这是因为阈值静电力Ft与膜的恢复力完美地平衡。实际上，由于对控制电极施加的一些过电压总是会被施加以用于稳定的操作，该状况不可能存在。该情况示于图14B中：由于所施加的过电压导致的额外的静电力Fo引起在控制电极上方的膜的下沉，从而引起在RF限位器顶部的膜的隆起。在图14C中，施加RF功率：由于rms电压，一些有效的静电力Frf会被施加到在RF限位器上方的膜。在接触点周围的扭矩效应会在控制电极上方的膜上产生反向力F'rf，因此膜会变得更平。RF功率导致的膜的该变形是互调失真的来源，这是因为其调制了电容。在图14D中，设计提供用于RF功率的一部分与驱动电极的电容性耦合，所述驱动电极通过使用一系列电阻器而交流浮动。该耦合的交流信号在控制电极上方产生静电力Fc，以及由于接触点周围的扭矩导致的RF限位器上方的反向力F'c。该力部分地补偿由RF功率引起的变形：膜的变形受到限制，因此互调失真也降低。
图15示出了一种设计，其利用偏压电阻器和耦合电容器来促进在RF电极区域中的膜上施加直流力以拉动膜与RF电极紧密接触，以便限制互调失真。
偏压电阻器Rrf提供RF信号的隔离，而耦合电容器Crf允许RF信号耦合到MEMS可变电容器装置的RF电极中。在RF电极上施加直流偏压导致拉动膜与RF电极紧密接触的静电力Fdc。这确保在所施加的RF功率下不会进一步调制电容，这改善了互调失真。
蚀刻掉凸块
蚀刻凸块完全地解决了问题。在图10A至10E中的方法说明显示了蚀刻步骤如何在膜下留下清洁/平整的特征(图11)，并因此改善MEMS数字可变电容器的互调性能。可想到有槽的RF电极和控制电极两者以及刻蚀可以组合使用。图12B示出了使用蚀刻方法之后的TEM结果。
如图10A至10E中所示，衬底具有设置于其中的两个控制电极和RF电极以及形成于其上的介电层。介电层可以使用CMP方法或其他技术例如研磨来抛光，以暴露控制电极和RF电极。在这样做的情况下，凸块/限位器形成在有槽的电极的上表面边缘处。凸块/限位器由介电材料形成。接着，发生电介质蚀刻过程以将介电层进一步回蚀到低于控制电极和RF电极的水平。蚀刻还移除凸块/限位器。之后，另一介电层可以沉积于其上，但是在如此形成的情况下，介电层被共形地沉积使得介电层在RF电极和控制电极上基本上是平的。之后，牺牲层可以形成于其上，并且膜可以形成于其上。最终会移除牺牲层，使得膜可以从与介电层间隔开的位置移动到与介电层接触的位置。当对控制电极施加电偏压时膜会移动。当其朝衬底移动时，膜会靠着设置在控制电极和RF电极上的介电层保持基本上平整。因此，当对RF电极施加RF电压时，膜发生很少挠曲或不发生挠曲(如图11中所示的)。
尽管上文针对本发明的实施例，但是可以设计本发明的其他和另外的实施例，而不脱离其基本范围，其范围由所附的权利要求来确定。
Claims (22)
1.一种MEMS可变电容器，其包含：
衬底，其具有设置在其中的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极；
上电极；和
在所述衬底和所述上电极之间可移动的膜，其中所述衬底和所述膜中的一个或更多个具有形成于其上的凸块，以控制所述膜与所述上电极或与所述一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极两者之间的间隔，
其中所述凸块形成在所述衬底上，
其中至少一个凸块直接形成在所述一个或更多个RF电极上。
2.如权利要求1所述的MEMS可变电容器，其中所述一个或更多个控制电极包括一个或更多个有槽的控制电极。
3.如权利要求2所述的MEMS可变电容器，其中所述一个或更多个RF电极包括一个或更多个有槽的RF电极。
4.如权利要求3所述的MEMS可变电容器，其中设置在所述一个或更多个有槽的RF电极上的凸块在所述衬底上延伸如下距离，该距离等于设置在所述一个或更多个有槽的控制电极上的凸块延伸的距离。
5.如权利要求1所述的MEMS可变电容器，其中第一凸块覆盖整个RF电极，并在所述一个或更多个控制电极上产生等于所述第一凸块的厚度的间隙。
6.如权利要求1所述的MEMS可变电容器，其中所述凸块形成在所述膜上。
7.一种MEMS可变电容器，其包含：
衬底，其具有设置在其中的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极；
上电极；和
在所述衬底和所述上电极之间可移动的膜，其中所述衬底和所述膜中的一个或更多个具有形成于其上的凸块，以控制所述膜与所述上电极或与所述一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极两者之间的间隔，
其中所述凸块形成在所述膜上，
其中所述上电极在与形成在所述膜上的所述凸块对应的位置处具有设置在其中的一个或更多个介电栓塞，使得当所述膜移动去接触所述上电极时，所述凸块会接触所述介电栓塞。
8.如权利要求7所述的MEMS可变电容器，其中所述凸块还另外形成在所述衬底上。
9.如权利要求8所述的MEMS可变电容器，其中至少一个凸块直接形成在所述一个或更多个RF电极上。
10.如权利要求9所述的MEMS可变电容器，其中所述一个或更多个控制电极包括一个或更多个有槽的控制电极，并且所述一个或更多个RF电极包括一个或更多个有槽的RF电极，设置在一个或更多个有槽的RF电极上的凸块在所述衬底上延伸如下距离，该距离等于设置在所述一个或更多个有槽的控制电极上的凸块延伸的距离。
11.一种MEMS可变电容器，其包含：
衬底，其具有设置在其中的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极；
上电极；和
在所述衬底和所述上电极之间可移动的膜，其中所述衬底和所述膜中的一个或更多个具有形成于其上的凸块，以控制所述膜与所述上电极或与所述一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极两者之间的间隔，
其进一步包含连接到所述一个或更多个RF电极的直流电源。
12.一种制造MEMS可变电容器的方法，其包括：
对形成在衬底上的第一介电层进行抛光以使嵌入在所述衬底内的一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极暴露，所述抛光导致凸块形成在所述一个或更多个控制电极和所述一个或更多个RF电极的上表面边缘；
沉积第二介电层；
在所述第二介电层上沉积牺牲层；
在所述牺牲层上形成膜；以及
移除所述牺牲层，使得所述膜能够从与所述第二介电层间隔开的位置和与所述第二介电层接触的位置移动。
13.如权利要求12所述的方法，其进一步包括，在所述抛光后，蚀刻所述第一介电层和所述凸块，使得所述一个或更多个控制电极和所述一个或更多个RF电极在所述第一介电层上延伸。
14.如权利要求13所述的方法，其中所述一个或更多个控制电极包括两个控制电极。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述一个或更多个控制电极为有槽的控制电极。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述一个或更多个RF电极为有槽的RF电极。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述一个或更多个控制电极包括两个控制电极。
18.如权利要求17所述的方法，其中所述一个或更多个控制电极为有槽的控制电极。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述一个或更多个RF电极为有槽的RF电极。
20.如权利要求12所述的方法，其中设置在所述一个或更多个RF电极上的凸块在所述衬底上延伸如下距离，该距离等于设置在所述一个或更多个控制电极上的凸块延伸的距离。
21.一种操作MEMS装置的方法，其包括：
对嵌入在衬底内的一个或更多个控制电极施加电偏压以使膜从与嵌入在所述衬底内的RF电极间隔开第一距离的第一位置移动到与所述RF电极间隔开第二距离的第二位置，其中所述第二距离小于所述第一距离；以及
对所述RF电极施加直流电偏压以使所述膜移动到与所述RF电极间隔开的第三距离，其中所述第三距离小于所述第二距离。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述衬底具有形成于其上的凸块以控制所述膜与所述一个或更多个控制电极和一个或更多个RF电极之间的间隔。
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