CN105229764B - 用于改进mems dvc器件线性度的控制电极屏蔽 - Google Patents

用于改进mems dvc器件线性度的控制电极屏蔽 Download PDF

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Abstract

本发明一般性地涉及一种MEMS DVC，其具有在RF电极和使板移动的一个或更多个其他电极之间的屏蔽电极结构。该屏蔽电极结构可以接地，并且基本上阻挡或屏蔽RF电极以使其不受使板移动的一个或更多个电极影响。通过屏蔽RF电极，减少了RF电极到使板移动的一个或更多个电极的耦合并且减小或甚至消除了电容调节。

Description

用于改进MEMS DVC器件线性度的控制电极屏蔽
技术领域
本发明的实施例一般性地涉及微机电系统(MEMS)数字可变电容器(DVC)。
背景技术
Knipe等人的美国专利申请公布第2012/0068278 A1号公开了一种MEMS DVC，其具有RF电极、上拉电极、拉近电极和悬臂式电极。如在图1中示意性示出的，一些MEMS DVC器件基于可移动MEMS板(即可移动电极、板电极、悬臂式电极)，该板具有在其上的控制电极(即上拉电极或拉离电极或PU电极)和在其下的控制电极(牵拉电极或拉近电极或下拉电极或PD电极)。这些电极被顶部介电层和底部介电层覆盖。此外，在可移动的MEMS元件下面存在处于下拉电极之间或与下拉电极相邻的RF电极。在可移动板和RF电极之间存在间隙，所述间隙由施加到PU或PD电极的电压来调节。这些电压引起静电力，该静电力将可移动电极上拉或下拉至与介电层接触，以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。这样，从可移动板到RF电极的电容能够从当被拉向底部的高电容状态Cmax(见图2)变化到当被拉向顶部的低电容状态Cmin(见图3)。
如图4所示，存在于RF电极上的RF信号能够通过介电层耦合到PD电极，引起牵拉介电层之上的可移动电极的静电力。由于这些静电力板会变形，这会导致由RF信号调节Cmax。该电容调节导致RF信号的谐波失真。
因此，在本领域中需要具有RF信号的最少谐波失真或没有RF信号谐波失真的MEMSDVC器件。
发明内容
本发明一般性地涉及MEMS DVC，其具有在RF电极和使板移动的一个或更多个其他电极之间的屏蔽电极结构。该屏蔽电极结构可以接地，并且基本上阻挡或屏蔽RF电极以使其不受使板移动的一个或更多个电极影响。通过屏蔽RF电极，减少了RF电极到使板移动的一个或更多个电极的耦合并且减小甚至消除了电容调节。
在一个实施例中，一种MEMS DVC包括：第一介电层，其具有下拉电极、RF电极和布置在该介电层中的屏蔽电极，其中屏蔽电极被布置为与RF电极和下拉电极相邻，并且其中屏蔽电极接地；第二介电层，其被布置在下拉电极、RF电极和屏蔽电极之上；上拉电极，其被布置在可移动电极上，且下拉电极相对并且具有在上拉电极上的第三介电层；和可移动电极，其能够从与第二介电层接触的位置和与第三介电层接触的位置移动。
在另一实施例中，一种制造MEMS DVC的方法包括：在第一介电层上沉积导电层；使所述导电层图案化以形成下拉电极、RF电极、接地电极和屏蔽电极，其中所述屏蔽电极被布置为与所述RF电极和所述下拉电极相邻，其中所述屏蔽电极接地；其中所述屏蔽电极延伸到所述第一介电层中一定深度处，所述深度等于或者大于所述RF电极和所述下拉电极延伸到所述第一介电层中的距离；在所述第一介电层、所述下拉电极、所述RF电极、所述接地电极和所述屏蔽电极上沉积第二介电层；使所述第二介电层平面化以暴露所述下拉电极、所述RF电极、所述接地电极和所述屏蔽电极；在所暴露的电极和所述第二介电层上沉积第三介电层；在所述第三介电层上形成移动电极；在所述移动电极上形成第四介电层；并且在所述第四介电层上形成上拉电极，其中所述上拉电极被布置为与所述下拉电极相对，其中所述移动电极能够从与所述第三介电层接触的第一位置和与所述第四介电层接触的第二位置移动。
还包括在沉积所述导电层之前，在所述第一介电层中形成第一通孔以及在第一通孔中形成第一屏蔽通道。所述第一屏蔽通道耦合到所述屏蔽电极。
还包括在形成所述第一通孔之前，在所述第一介电层中形成下部屏蔽电极。
所述下部屏蔽电极耦合到所述第一屏蔽通道。
所述下部屏蔽电极耦合到所述接地电极。
还包括在所述第一介电层中形成第二通孔以暴露所述下部屏蔽电极并且在所述第二通孔内沉积导电材料以形成第二屏蔽通道，其中所述接地电极耦合到所述第二屏蔽通道。
附图说明
参照实施例能够详细地理解本发明的上述特征和上面简要总结的本发明的更具体的描述，在附图中图示了所述实施例中的一些。然而，应指出的是，附图仅图示了本发明的典型实施例，并且因此不应被认为限制了本发明的范围，这是因为本发明可以承认其他等同有效的实施例。
图1是在自由站立状态中的MEMS DVC的示意性横截面图。
图2是在Cmax状态中的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
图3是在Cmin状态中的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
图4是在Cmax状态中的MEMS DVC的示意性横截面图，其示出了RF信号电容耦合到控制电极的影响。
图5是根据一个实施例的MEMS DVC的示意性横截面图，所述MEMS DVC具有从RF电极到下拉电极的减小的耦合效应。
图6是根据另一实施例的MEMS DVC的示意性横截面图，所述MEMS DVC具有利用下拉电极之下的完全屏蔽获得的从RF电极到下拉电极的减小的耦合效应。
图7A是根据另一实施例的MEMS DVC的示意性横截面图，所述MEMS DVC具有利用下拉电极之下的部分屏蔽获得的从RF电极到下拉电极的减小的耦合效应。
图7B示出了图7A的RF电极和下拉电极之间的耦合。
为了便于理解，在可能的地方使用相同的附图标记来表示附图共有的相同的元素。可以预期的是，在一个实施例中公开的元素在没有特别说明的情况下可以有益地用在其他实施例中。
具体实施方式
本发明总体涉及一种MEMS DVC，其具有在RF电极和使板移动的一个或更多个其他电极之间的屏蔽电极结构。该屏蔽电极结构可以接地，并且基本上阻挡或屏蔽RF电极以使其不受使板移动的一个或更多个电极影响。通过屏蔽RF电极，减少了RF电极到使板移动的一个或更多个电极的耦合并且减小甚至消除了电容调节。
图5示出了第一实施例，其利用在RF电极和PD电极之间布置的侧向屏蔽电极SH，以减小RF和PD电极之间的电容耦合。大部分的电容耦合发生在RF电极和SH电极(例如屏蔽电极)之间。RF电极和PD电极之间的场线必须行进穿过介电层更长的距离，导致RF和PD之间的电容耦合减小。SH电极电连接到板(图5中未示出)，即在并联电容器的情况下SH电极是GND。该实施例导致与未屏蔽的解决方案相比3倍到5倍的耦合减少。
图6示出了第二实施例，其除了利用侧向屏蔽电极SH之外还利用了在PD电极下方的屏蔽电极SHU(例如下方屏蔽电极)。利用屏蔽通道SHV的阵列将SHU电极连接到SH。这样，在PD电极下方产生了屏蔽盒并且能够几乎完全消除RF电极和PD电极之间的耦合，导致与非屏蔽情况相比1000倍的改进。并且在这种情况下，屏蔽电极电连接到板。
图7A示出了第三实施例，其利用减小型式的PD屏蔽。在这种情况下，屏蔽电极SHU不完全覆盖PD电极。该屏蔽方法能够正好与如图6所述的完全屏蔽技术一样有效。利用部分SHU屏蔽与利用完全SHU屏蔽相比优点在于SHU金属和周围介电层的较低应力水平，导致更稳健的制造工艺。
图7B示出了与仅使用侧向屏蔽SH的实施例(图5)相比，使用部分屏蔽电极时从RF到PD电极的场线必须在屏蔽电极周围行进长得多的距离。使用合适长度的SHU电极，能够获得与完全屏蔽SHU电极一样的性能。
为了制造MEMS DVC，可以在衬底上形成多个电极。对于图5到7B所示的实施例，通过在衬底上沉积导电层(例如铝、氮化钛)然后使所述导电层图案化并且对齐刻蚀以形成两个接地电极(用于耦合到可移动电极)、两个下拉电极、一个RF电极和两个屏蔽电极来形成电极。应理解的是，由于可以存在更多个或更少个电极，因此图5到7B所示电极的数量不是限制性的。
然后可以在衬底上沉积介电层和电极以填充电极之间的间隙。随后借助于化学机械抛光(CMP)使介电层平面化，以产生基本上平面的衬底，其中电极在顶部表面处被暴露并且电极之间的间隙填充有介电层。
然后可以在衬底和电极上沉积第二介电层。可以形成穿过介电层的开口以暴露会与移动电极电连接的接地电极。然后可以通过沉积一个或更多个牺牲层、形成穿过牺牲层的开口以暴露接地电极、在开口中、在所暴露的电极上以及在牺牲层之上沉积用于移动电极的材料来由导电材料(例如氮化钛)在介电层之上形成移动电极。可以在移动电极层之上沉积另外的牺牲层。牺牲材料可以最终被移除以释放可移动电极来使其在腔体内自由移动。
可以在最上面的牺牲层之上形成第三介电层并且可以沉积导电材料以形成上拉电极。在一个实施例中，导电材料包括氮化钛。在上拉电极之上形成密封层以密封腔体。如果在形成密封层之后移除牺牲材料，则可能需要另外的密封层。
应理解，虽然已经提及了衬底，但是衬底可以包括多个层，例如多个介电层。另外，应理解，衬底可以是指在其中具有许多结构的任何CMOS衬底。
如图5到7B中的每幅图所示，屏蔽电极在衬底内延伸至一定深度，所述深度基本上等于下拉电极和RF电极的深度。应理解，屏蔽电极可以延伸至一定深度，所述深度等于或大于RF电极和下拉电极延伸到衬底中的深度。另外，屏蔽通道、屏蔽电极和下部屏蔽电极可以包括相同或不同的导电材料。在一个实施例中，导电材料包括铝、氮化钛。
如图6的实施例所示，在形成接地电极、屏蔽电极、下拉电极和RF电极之前，下部屏蔽电极可以与用于将屏蔽电极与下部屏蔽电极连接的屏蔽通道一起形成在衬底中。另外，如图6所示，可以在衬底中形成屏蔽通道以将接地电极连接到下部屏蔽电极。
如本文中讨论的，用于屏蔽RF电极使其不受下拉电极影响的设计改进大大地减小了RF信号到控制电极的耦合，以消除由PD电极上的RF信号导致的电容调节。在一个实施例中，在RF和PD之间增加了侧向屏蔽电极SH。在另一实施例中，除了SH之外，还增加了PD电极下方的屏蔽电极(SHU)，其中PD电极下方的屏蔽电极(SHU)利用屏蔽通道(SHV)阵列连接到SH电极。在另一实施例中，PD电极下方的屏蔽电极仅覆盖PD电极最靠近RF电极的部分。
虽然以上描述针对本发明的实施例，但是在不脱离本发明基本范围的情况下可以设想本发明的其他和另外的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求确定。

Claims (17)

1.一种MEMS数字可变电容器(DVC)，其中改进包括：
第一介电层，其具有布置在该第一介电层中的下拉电极、RF电极、接地电极和屏蔽电极，其中所述屏蔽电极被布置在所述RF电极和所述下拉电极之间并且与所述RF电极和所述下拉电极相邻，并且其中所述屏蔽电极接地；其中所述屏蔽电极延伸到所述第一介电层中一定深度处，所述深度等于或者大于所述RF电极和所述下拉电极延伸到所述第一介电层中的距离；
第二介电层，其被布置在所述下拉电极、所述RF电极、所述接地电极和所述屏蔽电极上；
上拉电极，其被布置在可移动电极之上，与所述下拉电极相对并且具有在所述上拉电极上的第三介电层；和
所述可移动电极，其耦合到所述接地电极并且能够从与所述第二介电层接触的位置和与所述第三介电层接触的位置移动。
2.如权利要求1所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，其中所述屏蔽电极耦合到所述接地电极。
3.如权利要求2所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括布置在所述第一介电层内的下部屏蔽电极，其中所述下部屏蔽电极至少部分被布置在所述下拉电极下面并且通过所述第一介电层与所述下拉电极间隔开，并且其中所述屏蔽电极耦合到所述下部屏蔽电极。
4.如权利要求3所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括第一屏蔽通道，其将所述屏蔽电极耦合到所述下部屏蔽电极。
5.如权利要求4所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括耦合到所述下部屏蔽电极和所述接地电极的第二屏蔽通道。
6.如权利要求5所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，其中所述下拉电极、所述RF电极和所述屏蔽电极包括相同的材料。
7.如权利要求1所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括布置在所述第一介电层内的下部屏蔽电极，其中所述下部屏蔽电极至少部分被布置在所述下拉电极下面并且通过所述第一介电层与所述下拉电极间隔开，并且其中所述屏蔽电极耦合到所述下部屏蔽电极。
8.如权利要求7所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括第一屏蔽通道，其将所述屏蔽电极耦合到所述下部屏蔽电极。
9.如权利要求8所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，还包括耦合到所述下部屏蔽电极和所述接地电极的第二屏蔽通道。
10.如权利要求9所述的MEMS数字可变电容器(DVC)，其中所述下拉电极、所述RF电极和所述屏蔽电极包括相同的材料。
11.一种制造MEMS数字可变电容器(DVC)的方法，其中改进包括：
在第一介电层上沉积导电层；
使所述导电层图案化以形成下拉电极、RF电极、接地电极和屏蔽电极，其中所述屏蔽电极被布置为与所述RF电极和所述下拉电极相邻，其中所述屏蔽电极接地；其中所述屏蔽电极延伸到所述第一介电层中一定深度处，所述深度等于或者大于所述RF电极和所述下拉电极延伸到所述第一介电层中的距离；
在所述第一介电层、所述下拉电极、所述RF电极、所述接地电极和所述屏蔽电极上沉积第二介电层；
使所述第二介电层平面化以暴露所述下拉电极、所述RF电极、所述接地电极和所述屏蔽电极；
在所暴露的电极和所述第二介电层上沉积第三介电层；
在所述第三介电层上形成移动电极；
在所述移动电极上形成第四介电层；并且
在所述第四介电层上形成上拉电极，其中所述上拉电极被布置为与所述下拉电极相对，其中所述移动电极能够从与所述第三介电层接触的第一位置和与所述第四介电层接触的第二位置移动。
12.如权利要求11所述的方法，还包括在沉积所述导电层之前，在所述第一介电层中形成第一通孔以及在所述第一通孔中形成第一屏蔽通道。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一屏蔽通道耦合到所述屏蔽电极。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在形成所述第一通孔之前，在所述第一介电层中形成下部屏蔽电极。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述下部屏蔽电极耦合到所述第一屏蔽通道。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述下部屏蔽电极耦合到所述接地电极。
17.如权利要求16所述的方法，还包括在所述第一介电层中形成第二通孔以暴露所述下部屏蔽电极并且在所述第二通孔内沉积导电材料以形成第二屏蔽通道，其中所述接地电极耦合到所述第二屏蔽通道。
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