CN105263853B - 具有均匀工作特性的mems数字可变电容器的非对称阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明一般性地涉及MEMS DVC。MEMS DVC具有RF电极并且形成于CMOS衬底之上。为了降低RF信号中的噪声，连接在波形控制器和MEMS元件的电极之间的多晶硅电阻器可以由被隔离的p阱或被隔离的n阱环绕。被隔离的阱耦合到被布置在多晶硅电阻器和MEMS元件之间的RF接地屏蔽层。由于存在环绕多晶硅电阻器的被隔离的阱，衬底电阻不影响MEMS DVC中的每个MEMS元件的动态特性，并且RF信号中的噪声被降低。

Description

具有均匀工作特性的MEMS数字可变电容器的非对称阵列
发明背景
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
相关技术的描述
如图1中示意性示出的，一些DVC器件基于可移动MEMS元件，具有在可移动MEMS元件之上的控制电极(即上拉或拉离或PU电极)和在可移动MEMS元件之下的控制电极(即拉近或下拉或PD电极)。另外，可移动MEMS元件(即板或悬臂或可移动板电极)之下存在RF电极。工作期间，电压被施加到PU或PD电极，这使得MEMS元件被上拉或下拉至接触以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。这样，从可移动元件到RF电极(位于可移动元件之下)的电容能够从当被拉至底部(见图2)时的高电容Cmax变化到当被拉至顶部时的低电容Cmin(见图3)。
图4示出了MEMS DVC器件是如何在互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的后端制程(即BEOL)中被集成的。连接到RFGND(即RF接地)的金属屏蔽层被置于MEMS DVC器件之下以屏蔽硅衬底使其不受MEMS DVC影响。这确保了硅中的损耗机制将不会负面地影响MEMS DVC器件的RF性能。金属屏蔽层通常被置于下金属层级(例如M1)中。金属屏蔽层和RF电极(在Mn中实施)之间的另外的金属层级M2…Mn-1确保了对RF和接地屏蔽层之间的寄生电容的限制。
图5示出了MEMS DVC单元的PD电极和RF电极的俯视图。在典型的MEMS DVC单元中，RF连接在MEMS DVC单元的侧A处建立，而其他连接(GND、PU、PD)在MEMS DVC单元的侧B处建立。
图6示出了为了最佳RF性能，多个MEMS DVC单元是如何绕着RF销被布置的。控制MEMS DVC器件状态的CMOS波形控制器被置于同一芯片中，要么在侧面，要么在MEMS单元之下。
图7示意性地示出了波形控制器到MEMS DVC单元的电连接。可移动元件通常在DC接地上，并且施加到PD电极的电压(Vbottom)和施加到PU电极的电压(Vtop)通常被控制以确保MEMS DVC器件的长寿命的稳定性能。电阻器Rpd和Rpu提供了存在于PU和PD电极上的RF信号与CMOS驱动器之间的隔离。这还确保了没有CMOS噪声被耦合到MEMS DVC单元的RF电极中。另外，这些电阻器提供了使MEMS器件在MEMS DVC单元内阻尼，这允许快速工作。通常，这些电阻器用高电阻率多晶硅产生并且这些电阻器的值为从50kΩ到10MΩ。
图8示出了MEMS DVC单元的侧B附近的MEMS DVC器件的横截面。多晶硅电阻器和PD电极之间建立连接，以允许CMOS波形控制器向每个MEMS DVC单元施加电压，同时维持RF信号和CMOS信号之间的隔离。在接地屏蔽层中生成孔以允许到多晶硅电阻器Rpd的连接。PU电极和多晶硅电阻器Rpu之间建立了类似连接。存在于CMOS衬底中的任何噪声都能够耦合到多晶硅电阻器中并且随后耦合到PD和PU电极中。该噪声随后能够耦合到RF电极中并且影响器件的RF性能。
为了限制在衬底中在MEMS器件附近的噪声，能够避免MEMS DVC器件附近的衬底的地接触，使得在芯片中与MEMS器件相邻(见图6)的CMOS波形控制器中产生的任何CMOS噪声不得不在其到达多晶硅电阻器之前穿过CMOS衬底行进一段距离。由于在MEMS器件的区域中在硅衬底中不存在有源器件，因此在该区域中不需要衬底的地接触。
由于大值的多晶硅电阻器，来自该多晶硅电阻器的寄生电容能够影响施加到MEMS单元的信号的动态特性。多晶硅电阻器将使在其之上的RFGND屏蔽层和在其之下的衬底两者都具有寄生电容。图9示出了给定MEMS DVC单元的多晶硅电阻器Rpu、Rpd的简化的等效电路模型，其具有到RFGND屏蔽层的寄生电容器Cshield，并且具有到衬底的寄生电容器Csub。电压Vtop、Vbottom由CMOS波形控制器相对于同样连接到衬底的CMOS接地产生。通过Csub耦合到衬底的任何电流都必须在到达实际的CMOS接地参照点之前穿过衬底行进一段距离，即存在给定的串联电阻Rsub。耦合到RFGND屏蔽层的电流直接有效耦合到CMOS接地，这是因为RFGND在芯片(由虚线指出)内部或外部连接到CMOS GND。
在典型CMOS工艺中，多晶硅电阻器到衬底的耦合Csub能够大于多晶硅电阻器到多晶硅电阻器之上的金属屏蔽层的耦合Cshield。这意味着多晶硅电阻器的动态响应将依赖于Csub和Rsub的值。
图6中的每个MEMS单元都具有在单元的侧B附近的多晶硅电阻器以提供RF隔离和MEMS阻尼。由于每个MEMS单元都位于芯片内部的不同位置，因此Rsub的值能够从单元到单元变化很大。这意味着各个单元将表现出不同的RF隔离和阻尼，以及在芯片上的各个MEMS单元的不同的动态驱动。
本领域需要消除该变化并且进一步改善RF隔离。
发明内容
本发明一般性地涉及MEMS DVC。MEMS DVC具有RF电极并且形成于CMOS衬底之上。为了降低RF信号中的噪声，在波形控制器和MEMS元件的电极之间连接的多晶硅电阻器可以由被隔离的p阱或被隔离的n阱环绕。被隔离的阱耦合到布置在多晶硅电阻器和MEMS元件之间的RF接地屏蔽层。由于存在环绕多晶硅电阻器的被隔离的阱，衬底电阻不影响MEMS DVC中的每个MEMS元件的动态特性，并且RF信号中的噪声被降低。
在一个实施例中，MEMS DVC包括衬底；布置在衬底之上的MEMS器件，所述MEMS器件具有RF电极和一个或更多个其他电极；多晶硅电阻器，其布置在衬底和MEMS器件之间并且耦合到MEMS器件；RF接地屏蔽层，其布置在MEMS器件和多晶硅电阻器之间；p阱触头，其布置在衬底和多晶硅电阻器之间，其中p阱触头耦合到RF接地屏蔽层；被隔离的p阱，其耦合到p阱触头并且布置在衬底和多晶硅电阻器之间，其中p阱触头和被隔离的p阱环绕多晶硅电阻器；n阱触头，其布置在衬底和多晶硅电阻器之间，其中n阱触头耦合到RF接地屏蔽层；和n阱，其耦合到n阱触头并且布置在衬底和被隔离的p阱之间，其中n阱触头和n阱环绕p阱触头和被隔离的p阱。
在另一实施例中，MEMS DVC包括布置在衬底之上的MEMS器件，该MEMS器件具有一个或更多个电极；第一多晶硅电阻器，其耦合到一个或更多个电极中的至少一个；n阱，其环绕第一多晶硅电阻器；和RF接地屏蔽层，其耦合到n阱。
在另一实施例中，MEMS DVC包括衬底；深n阱，其嵌入在衬底内；第一被隔离的p阱，其布置在深n阱之上；第一多晶硅电阻器，其布置在被隔离的p阱之上并且耦合到MEMS器件；和RF接地屏蔽层，其布置在多晶硅电阻器和MEMS器件之间，其中深n阱和被隔离的p阱耦合到RF接地屏蔽层。
附图说明
因此以使得本发明的上述特征能够容易理解的方式，可以参照实施例获得以上概述的本发明更详细的描述，所述实施例中的一些在附图中被图示。然而，应注意的是，附图仅图示了本发明的典型实施例，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是处于自由站立状态的MEMS DVC的示意性横截面图。
图2是处于Cmax状态的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
图3是处于Cmin状态的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
图4是MEMS DVC器件的示意性横截面图，该MEMS DVC器件在MEMS器件之下具有M1接地屏蔽层以屏蔽硅衬底使其不受RF的影响。
图5是MEMS DVC单元的示意性俯视图，该MEMS DVC单元在其第一侧上具有RF连接并且在其相对侧上具有接地和下拉连接。
图6是DVC芯片的示意性俯视图，其中MEMS DVC单元围绕RF销布置并且CMOS波形控制器位于同一芯片上。
图7是MEMS DVC与多晶硅电阻器Rpu和Rpd的电连接的示意图。
图8是在下拉电极连接到多晶硅电阻器的情况下在单元的侧部附近的MEMS DVC的示意性横截面图。
图9是图8的MEMS DVC的电路图。
图10是在MEMS DVC中在多晶硅电阻器之下的、被隔离的p阱的示意性横截面图。
图11A是根据一个实施例的、具有被隔离的p阱的多晶硅电阻器的示意性俯视图。
图11B是根据另一实施例的、具有被隔离的p阱的多晶硅电阻器的示意性俯视图。
图12是图10的MEMS DVC的电路图。
图13是在MEMS DVC中在多晶硅电阻器之下的、被隔离的n阱的示意性横截面图。
图14是根据一个实施例的、具有被隔离的n阱的多晶硅电阻器的示意性俯视图。
图15是图13的MEMS DVC的电路图。
为了便于理解，在可能的地方使用相同的附图标记表示为附图所共用的相同的元素。应预期的是，在没有具体叙述的情况下在一个实施例中公开的元素可以有益地被用在其他实施例上。
具体实施方式
本发明一般性地涉及MEMS DVC。MEMS DVC具有RF电极并且形成于CMOS衬底之上。为了降低RF信号中的噪声，连接在波形控制器和MEMS元件的电极之间的多晶硅电阻器可以由被隔离的p阱或被隔离的n阱环绕。被隔离的阱耦合到被布置在多晶硅电阻器和MEMS元件之间的RF接地屏蔽层。由于存在环绕多晶硅电阻器的被隔离的阱，衬底电阻不影响MEMSDVC中的每个MEMS元件的动态特性，并且RF信号中的噪声被降低。如本文中所讨论的，改善了RF和CMOS之间的隔离，由此改善了RF信号中的寄生噪声。另外，每个MEMS单元在编程/擦除位时将具有相同的动态性能，这使得更容易地在阵列中的单元之间匹配切换次数，这样允许更容易优化的MEMS单元的切换次数。
图10示出了本发明的一个实施例，其中使用了在多晶硅电阻器之下的被隔离的p阱，所述被隔离的p阱电连接到位于多晶硅电阻器之上的金属1RFGND屏蔽层。为了简便起见，已省略上面的金属层，但是应理解的是，可以存在另外的金属层，例如图4中示出的那些。被隔离的p阱普遍用在三阱CMOS工艺中。多晶硅电阻器被完整的N阱保护环环绕。深N阱植入被用于构建被隔离的P阱，所述被隔离的P阱在底部上和侧部上被N区域环绕。这允许被隔离的P阱从下面的P衬底被单独偏置。这促进了被隔离的P阱到RFGND屏蔽层的连接。N阱和深N阱也连接到RFGND屏蔽层，有效缩短了被隔离的p阱和N阱保护环的pn二极管。
图11A示出了位于被隔离的P阱之上的多晶硅电阻器的俯视图。金属1RFGND屏蔽层(为了清楚起见在图11A中被省略)连接到N阱保护环的N+有源连接以及连接到被隔离的P阱的P+有源连接。其包括孔以提供到多晶硅电阻器连接的通路(Vtop、Vbottom、Vpu、Vpd)。
P+有源被隔离的P阱连接环绕每个多晶硅电阻器以拾取耦合到被隔离的P阱中的任何电流并且将该电流重新定向到金属1RFGND屏蔽层。DVC单元的两个多晶硅电阻器(Rpu、Rpd)共用同一个被隔离的P阱。在图11B中示出的替代实施中，每个电阻器还能够被定位在单独的被隔离的P阱内部。
图12示出了多晶硅电阻器Rpu、Rpd的简化的等效电路模型，其具有到RFGND屏蔽层的寄生电容器Cshield和到下面的被隔离的P阱的寄生电容器Cpwell。从多晶硅电阻器穿过Cpwell耦合到被隔离的P阱的任何电流现在通过被隔离的P阱触头直接耦合到RFGND。因为RFGND在芯片(由虚线指出)内部或外部连接到CMOS接地，所以衬底电阻Rsub不再影响动态特性，并且每个DVC单元将不依赖于其在芯片中的位置地相似地工作。因此衬底触头能够位于芯片的CMOS区域中并且不需要被置于MEMS单元附近。
衬底中的任何CMOS噪声必须在其到达每个DVC单元的多晶硅区域之前穿过Rsub行进一段距离。其将通过在衬底和N阱/深N阱区域之间的二极管Dnwell耦合到被隔离的P阱中。然而，由于被隔离的p阱和N阱/深N阱耦合到RFGND并且在芯片外部直接耦合到CMOS接地，因此该耦合对DVC器件的RF电极中的寄生噪声没有影响。因此，被隔离的P阱还提供了DVC器件的改善的噪声性能。
图13示出了本发明的另一实施例，其中在多晶硅电阻器之下的被隔离的P阱不存在，而是使用了N阱。N阱连接到位于多晶硅电阻器之上的金属1RFGND屏蔽层。为了简便起见，已省略上面的金属层，但是应理解的是，可以存在另外的金属层，例如图4中示出的那些。该布置允许N阱从下面的P衬底被单独偏置，这促进了N阱到RFGND屏蔽层的连接。如图13所示，n阱具有使两个多晶硅电阻器彼此隔离的内壁。
图14示出了位于N阱之上的多晶硅电阻器的俯视图。金属1 RFGND屏蔽层(为了清楚起见在图14中被省略)包括孔以提供到多晶硅电阻器连接的通路(Vtop、Vbottom、Vpu、Vpd)。图14还示出了耦合到N阱的表面植入区域。该表面植入区域是非常浅的表面n+植入区域，其提供了到N阱的低欧姆连接。
图15示出了多晶硅电阻器Rpu、Rpd的简化的等效电路模型，其具有到RFGND屏蔽层的寄生电容器Cshield和到下面的N阱的寄生电容器Cnwell。从多晶硅电阻器穿过Cnwell耦合到n阱的任何电流现在直接耦合到RFGND。因为RFGND在芯片(由虚线指出)内部或外部连接到CMOS接地，所以衬底电阻Rsub不再影响动态特性，并且每个DVC单元将不依赖于其在芯片中的位置地相似地工作。因此衬底触头能够位于芯片的CMOS区域中并且不需要被置于MEMS单元附近。
衬底中的任何CMOS噪声必须在其到达每个DVC单元的多晶硅区域之前穿过Rsub行进一段距离。其将通过二极管Dnwell耦合到N阱中。然而，由于N阱耦合到RFGND并且在芯片外部直接耦合到CMOS接地，因此该耦合对DVC器件的RF电极中的寄生噪声没有影响。因此，在没有被隔离的P阱的情况下的N阱本身也提供了DVC器件的改善的噪声性能。
通过使N阱耦合到RF接地或使N阱和深N阱以及被隔离的P阱都耦合到RF接地，极大改善了RF和CMOS之间的隔离，并且显著减小乃至消除了RF信号上的任何噪声。另外，每个MEMS单元将具有相同的动态性能。
虽然前述内容针对的是本发明的实施例，但是在不脱离本发明基本范围的情况下可以设想其他的和另外的实施例，并且本发明的范围由所附权利要求确定。

Claims (20)

1.一种MEMS数字可变电容器，包括：
MEMS器件，其布置在衬底之上，所述MEMS器件具有一个或更多个电极；
第一多晶硅电阻器，其耦合到所述一个或更多个电极中的至少一个；
n阱，其环绕所述第一多晶硅电阻器；和
RF接地屏蔽层，其耦合到所述n阱。
2.权利要求1所述的MEMS数字可变电容器，其中所述第一多晶硅电阻器耦合到波形控制器。
3.权利要求2所述的MEMS数字可变电容器，其中所述第一多晶硅电阻器耦合到所述MEMS器件的第一电极。
4.权利要求1所述的MEMS数字可变电容器，还包括第二多晶硅电阻器，其耦合到所述MEMS器件的第二电极。
5.权利要求4所述的MEMS数字可变电容器，其中，要么：
所述n阱环绕所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器两者；要么
所述n阱包括环绕所述第一多晶硅电阻器的第一n阱和环绕所述第二多晶硅电阻器的第二n阱。
6.权利要求5所述的MEMS数字可变电容器，其中所述第二多晶硅电阻器耦合到波形控制器。
7.权利要求6所述的MEMS数字可变电容器，其中，所述n阱环绕所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器两者，并且其中，所述MEMS数字可变电容器还包括表面植入区域，其与所述n阱不同，但是耦合到所述n阱，其中所述表面植入区域在所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器之间延伸。
8.权利要求1所述的MEMS数字可变电容器，其中所述RF接地屏蔽层被布置在所述第一多晶硅电阻器和所述MEMS器件之间。
9.权利要求1所述的MEMS数字可变电容器，其中，所述n阱包括：
n阱触头，其耦合到所述RF接地屏蔽层；
在所述第一多晶硅电阻器之下嵌入所述衬底内的n阱；和
n+连接，其耦合在所述n阱和所述n阱触头之间。
10.权利要求9所述的MEMS数字可变电容器，还包括第二多晶硅电阻器，其耦合到所述MEMS器件的第二电极。
11.权利要求10所述的MEMS数字可变电容器，其中，要么：
所述n阱环绕所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器两者；要么
所述n阱包括环绕所述第一多晶硅电阻器的第一n阱和环绕所述第二多晶硅电阻器的第二n阱。
12.权利要求11所述的MEMS数字可变电容器，其中，所述n阱环绕所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器两者，并且其中，所述MEMS数字可变电容器还包括表面植入区域，其与所述n阱不同，但是耦合到所述n阱，其中所述表面植入区域在所述第一多晶硅电阻器和所述第二多晶硅电阻器之间延伸。
13.权利要求12所述的MEMS数字可变电容器，其中，所述第一多晶硅电阻器具有第一端部和第二端部，其中所述第一端部耦合到所述MEMS器件的电极。
14.权利要求13所述的MEMS数字可变电容器，其中，所述第二多晶硅电阻器具有第一端部和第二端部，其中所述第一端部耦合到所述MEMS器件的另一电极。
15.权利要求14所述的MEMS数字可变电容器，其中所述第一多晶硅电阻器耦合到波形控制器。
16.权利要求15所述的MEMS数字可变电容器，其中所述第二多晶硅电阻器耦合到所述波形控制器。
17.一种MEMS数字可变电容器，包括：
衬底；
MEMS器件，其布置在所述衬底之上，所述MEMS器件具有RF电极和一个或更多个其他电极；
多晶硅电阻器，其布置在所述衬底和所述MEMS器件之间并且耦合到所述MEMS器件；
RF接地屏蔽层，其布置在所述MEMS器件和所述多晶硅电阻器之间；
p阱触头，其布置在所述衬底和所述多晶硅电阻器之间，其中所述p阱触头耦合到所述RF接地屏蔽层；
被隔离的p阱，其耦合到所述p阱触头并且布置在所述衬底和所述多晶硅电阻器之间，其中所述p阱触头和所述被隔离的p阱环绕所述多晶硅电阻器；
n阱触头，其布置在所述衬底和所述多晶硅电阻器之间，其中所述n阱触头耦合到所述RF接地屏蔽层；和
n阱，其耦合到所述n阱触头并且布置在所述衬底和所述被隔离的p阱之间，其中所述n阱触头和所述n阱环绕所述p阱触头和所述被隔离的p阱。
18.权利要求17所述的MEMS数字可变电容器，还包括耦合到所述多晶硅电阻器的波形控制器。
19.权利要求18所述的MEMS数字可变电容器，还包括深n阱，其耦合到所述n阱并且布置在所述被隔离的p阱之下，其中所述深n阱和所述n阱使所述p阱与所述衬底隔离。
20.权利要求17所述的MEMS数字可变电容器，其中所述多晶硅电阻器耦合到所述MEMS器件的一个或更多个其他电极中的电极。
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