CN107430963A - 利用锚固件中的mim的dvc - Google Patents

Abstract

本公开总地涉及一种MEMS DVC，其利用位于DVC的锚固件中的一个或更多个MIM电容器和位于RF电极上的欧姆接触部。所述MIM电容器与欧姆MEMS器件相结合，确保了通过所施加RF功率实现用于MEMS DVC的稳定电容。

Description

利用锚固件中的MIM的DVC

背景技术

技术领域

本公开的实施例一般性地涉及用于RF调谐和阻抗匹配的射频(RF)数字可变电容器(DVC)单元。

背景技术

MEMS电容器在作为电容器工作时能够表现出非线性特性。当在一个频率上传输的信号可能漏入其他频率的信道中时，这对于RF应用而言是个问题。对此的一个度量是IP3的值或输入值，在该输入下三阶非线性度乘以输入电压或电流等于一阶项乘以输入电压或电流。

对于MEMS电容器，随着RF线上的功率增大，产生了在RF线和MEMS悬臂之间的氧化物上的增大的电压降。即使MEMS器件可以与氧化层机械接触，但是在该分界面处的任何粗糙部或微凸体都能够导致(RF电极和MEMS器件之间的)间隙随着施加的功率的变化而产生小的变化。该间隙变化导致最大电容随着功率变化。因此，功率的调制能够导致频率的调制，并且导致在期望的频率窗之外发现更多信号。

因此，在本领域中需要具有稳定的电容与RF输入功率的MEMS DVC。

发明内容

本公开一般性地涉及利用一个或更多个MIM电容器的MEMS DVC。MIM电容器可以被集成到MEMS器件本身并且可以被布置在MEMS器件的锚固件上。

在一个实施例中，DVC包括：具有布置在其中的至少一个RF电极和至少一个锚固电极的衬底；布置在所述至少一个锚固电极上的绝缘层；布置在所述绝缘层上的导电层，其中所述至少一个锚固电极、绝缘层和导电层形成MIM电容器；布置在所述衬底之上并且耦接到所述导电层的至少一个MEMS桥，所述至少一个MEMS桥能够从与RF电极间隔第一距离的位置和与RF电极间隔第二距离的位置移动，所述第二距离小于所述第一距离。

在另一实施例中，制造DVC的方法包括：在衬底上形成多个电极，其中至少一个电极是锚固电极，并且至少一个电极是RF电极；在所述多个电极之上沉积绝缘层；移除所述绝缘层的至少一部分以暴露所述RF电极的至少一部分；在绝缘层和所暴露的RF电极之上沉积导电层；移除导电层的选定部分；在所述导电层的一部分之上形成欧姆接触部；形成与欧姆接触部接触的MEMS桥。

附图说明

以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，参照实施例可以获得上面简要总结的本公开的更具体的描述，在附图中示出了所述实施例中的一些。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应被认为限制了本公开的范围，这是因为本公开可以承认其他同等有效的实施例。

图1是根据一个实施例的MEMS DVC的示意性俯视图。

图2A和2B是图1的MEMS DVC的MEMS器件的示意性俯视图和横截面图。

图3A、3B和3C是图1的MEMS DVC的MEMS器件中的单个开关元件的示意性俯视图和横截面图。

图4是将用于图1的MEMS DVC的电阻和用于固定的MIM-cap的电阻进行对比的图表。

图5A-5E是根据一个实施例的、处于各个制造阶段的MEMS DVC的示意图。

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于其他实施例。

具体实施方式

本公开一般性地涉及利用一个或更多个MIM电容器的MEMS DVC。MIM电容器可以被布置在MEMS器件的锚固件上。

在本公开中，MEMS可变电容器被转化为电阻开关，所述电阻开关在金属-绝缘体-金属(MIM)电容器中切换，该MIM电容器具有在第一金属之上的适形绝缘体涂层以及其后的金属。这种电容器对高电压和由绝缘体上的电压降产生的高机械压力是更鲁棒的，这是因为力均匀地分布在分界面之上。在MEMS作为电阻开关的情况下，需要低电阻以获得良好的Q值。为了实现低电阻，通常需要能够向接触件施加大的力的大型MEMS器件。大型MEMS器件的问题在于其切换缓慢。每个MEMS开关还需要能够维持通过MIM电容器的电流。在MIM电容器的值很大的情况下，通过MEMS开关的电流能够变得非常高，这是潜在的可靠性问题。为了避免这种情况，能够使用许多并联的小型MEMS器件。每个MEMS器件连接到小型MIM电容器，并且只需要提供有限的电流。虽然每个接触件都具有适度的大电阻，但所有并联器件的总组合值很小。

图1示出了从顶部示出的电阻开关式数字可变电容器的一种可能实施。它包含小型混合欧姆-MIM单元3的阵列。连接到每个单元的RF连接部1和4位于相对的端部。每个单元都包含并联运行的(5至40个)小型欧姆-MIM开关5的阵列。单个单元3中的所有开关5同时被致动并且当断开时提供最小的电容或当接通时提供最大的电容。能够将多个单元分组以产生二进制控制方案，使得RF连接部1和4之间的总电容能够利用1到8位分辨率的数字控制来进行调谐。

图2A示出了在图1中被标记为3的欧姆-MIM单元的俯视图。所述单元包含欧姆-MIM开关5的阵列。在开关下方存在RF电极11和拉近电极12和13，以将开关驱动到向下的位置(开关闭合)。

图2B示出了具有用于将开关致动到向上的位置(开关打开)的上拉电极15、空腔16和下侧的衬底层17的侧视图。衬底能够包含用于互连的多个金属层以及用于操作器件的CMOS有源电路。

图3A示出了图1和图2A中被标记为5的、以阵列布置的开关中的一个的俯视图。拉近电极用12和13标记，RF电极用11标记。

图3B示出了所述开关的横截面图。开关元件包含由导电层20、22组成的刚性桥，导电层20、22利用通孔21的阵列结合在一起。层20可以不一直延伸到结构的端部，使得层20的长度比层22短。MEMS桥由形成在MEMS桥的下层22中的支架14悬挂，并且利用通孔23锚固在导体8上。这允许刚性板段和柔性支架提供高的接触力，同时将工作电压保持在可接受的水平。导体8和10与介电层9一起形成金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。MEMS桥通过锚固通孔23连接到MIM电容器的顶部金属8。该方案允许通过相应地调整锚固件中的MIM电容器的大小来设置开关的最大接通电容。开关的断开电容由小型RF电极11的尺寸控制，并且在很大程度上独立于由MIM设置的最大电容。

降落柱16是导电的并且与悬臂的导电底面接触。16B为导电柱上的表面材料，其提供良好导电性、对周围材料的低反应性以及用于长寿命的高熔融温度和硬度。虽然在这些图中未示出，但是在导电层20、22的顶面和底面之上可以存在绝缘层。能够在降落柱区域中的层22的底面上的绝缘体中形成孔，以露出用于在MEMS被下拉时与导电柱电接触的导电区域16C。用于接触层16、16B、16C的典型材料包括Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo及其组合。在致动的向下的状态下，MEMS桥的层22可以落在多个凸块15A、15B、15C和15D上，设置这些凸块以避免使MEMS桥落在拉近电极12、13上方的介电层9上(否则这能够导致可靠性问题)。这些凸块与MIM电容器的顶板8和降落柱16B、16C同时产生。

在MEMS桥上面存在被金属18覆盖的介电层19，其用于将MEMS上拉到顶以处于关闭状态。对于高可靠性，介电层19避免了在致动的向上的状态下的MEMS桥和上拉电极之间的短路并限制了电场。将所述器件移动到顶部有助于降低开关在关闭状态下的电容。利用介电层17来密封空腔，该介电层17填充用于移除牺牲层的刻蚀孔。介电层17进入这些孔并且帮助支承悬臂的端部，同时还密封空腔使得空腔中存在低压环境。

图3C示出了开关的替代实施例，其中MEMS桥由两个层20、22组成，层20、22利用中间介电层24和一些通孔21结合在一起以电连接层20和22。用于介电层24的合适的材料包括硅基材料，其包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。支架14再次被限定在MEMS桥的下层22中。这允许刚性板段和柔性支架提供高的接触力，同时将工作电压保持在可接受的水平。

在实现具有大量小型欧姆-MIM开关的整个器件方面具有多个优点。通常，将器件分解成每个都由欧姆开关形成的、具有串联的非常小的MIM电容器的大量支路缓解了对每个开关的欧姆电阻值的要求，以实现小的总等效串联电阻(ESR)和高的器件Q因子。而且，由于小型MIM电容器限制了通过每个开关的电流，因此，在给定的rms电压下，只有小RF电流会流过每个开关，从而将可靠性问题降至最低。另外，将小型MIM电容器定位在欧姆开关的锚固件中，这允许调整开关的闭合状态下的最大电容的大小，而在很大程度上独立于打开状态下的最小电容。

图4是仿真分析生成的图，所述仿真分析将仅由MIM电容器实施的器件(因此具有固定的电容值)与将串联的欧姆开关引入到所有MIM电容器以获得可编程C值的器件进行比较；MIM电容器的器件ESR为0.3欧姆；增加欧姆开关使ESR增大，但是为了具有小于0.1欧姆的ESR代价，使每个欧姆开关电阻小于60欧姆是足够的；这利用了由大量非常小的欧姆-MIM开关形成的架构中的并联化。

MEMS DVC制造

图5A-5D是根据一个实施例的、处于各个制造阶段的MEMS DVC 1100的示意图。如图5A所示，衬底1102具有在其中形成的多个电极1104A-1104E。电极1104A、1104E将形成MIM电容器的底部金属，电极1104B、1104D将形成拉近电极，并且电极1104C将形成RF电极。

可以理解，衬底1102可以包括单层衬底或多层衬底，例如具有一个或更多个互连件层的CMOS衬底。此外，可以用于电极1104A-1104E的合适材料包括氮化钛、铝、钨、铜、钛及其包括不同材料的多层堆叠的组合。

如图5B所示，电绝缘层1106然后被沉积在电极1104A-1104E之上。用于电绝缘层1106的合适的材料包括硅基材料，其包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。如图5B所示，移除RF电极1104C之上的电绝缘层1106以暴露下层电极1104C。

如图5C所示，导电材料1108进而可以被沉积在电绝缘层1106之上。导电材料1108提供了到RF电极1004C的直接电连接。此外，导电材料1108提供了位于电极1104A、1104E上方的MIM电容器中的上部“金属”。可以用于导电材料1108的合适材料包括钛、氮化钛、钨、铝、它们与包括不同材料层的多层堆叠的组合。在导电材料1108的顶部，沉积有导电接触材料1110的薄层，其向落下状态下的MEMS桥提供欧姆接触部。可以用于导电接触材料1110的合适材料包括W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo。

在对导电材料1108、1110进行图案化的期间，还可以在电绝缘层1106之上形成多个电绝缘凸块1112。这些凸块为在致动的向下状态下的板提供额外的机械支撑。一旦对导电材料1108、1110进行了图案化，则可以进行其余的工序以形成如图5D所示的MEMS DVC1100或图5E中的在MEMS桥的2个板之间使用电介质加强件1125的替代实施例。

如上所述，开关元件1114可以具有涂布其底部表面的绝缘材料，并且因此可能存在将落在表面材料1110上的暴露的导电材料的区域1124。可以在拉离(即上拉)电极1120之上形成另外的电绝缘层1118，并且密封层1122可以密封整个MEMS器件，使得开关元件1114被布置在空腔内。在制造期间，牺牲材料被用于限定空腔的边界。

虽然以上描述针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开基本范围的情况下可以设想本公开的其他和另外的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (18)

1.一种DVC，包括：

衬底，其具有布置在其中的至少一个RF电极和至少一个锚固电极；

绝缘层，其布置在所述至少一个锚固电极上；

导电层，其布置在所述绝缘层上，其中，所述至少一个锚固电极、绝缘层和导电层形成MIM电容器；以及

至少一个MEMS桥，其布置在所述衬底之上并且耦接到所述导电层，所述至少一个MEMS桥能够从与所述RF电极间隔第一距离的位置和与所述RF电极间隔第二距离的位置移动，所述第二距离小于所述第一距离。

2.根据权利要求1所述的DVC，还包括布置在所述导电层上的欧姆接触层。

3.根据权利要求2所述的DVC，其中，所述至少一个MEMS桥耦接到所述欧姆接触层。

4.根据权利要求3所述的DVC，其中，所述绝缘层至少部分地布置在所述RF电极上。

5.根据权利要求4所述的DVC，其中，所述导电层的至少一部分布置在所述RF电极上。

6.根据权利要求5所述的DVC，其中，所述欧姆接触层包括选自W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo的材料。

7.根据权利要求1所述的DVC，其中，所述至少一个锚固电极包括两个锚固电极。

8.根据权利要求7所述的DVC，其中，每个锚固电极具有布置在其上的所述绝缘层的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的DVC，其中，所述导电层的至少一部分布置在每个锚固电极上。

10.根据权利要求1所述的DVC，其中，所述至少一个MEMS桥包括多个MEMS桥，并且其中，每个MEMS桥耦接到所述至少一个锚固电极。

11.根据权利要求10所述的DVC，其中，每个MEMS桥耦接到不同的导电层。

12.一种制造DVC的方法，包括：

在衬底之上形成多个电极，其中，至少一个电极是锚固电极，并且至少一个电极是RF电极；

在所述多个电极之上沉积绝缘层；

移除所述绝缘层的至少一部分，以暴露所述RF电极的至少一部分；

在所述绝缘层和所暴露的RF电极之上沉积导电层；

移除所述导电层的选定的部分；

在所述导电层的一部分之上形成欧姆接触部；以及

形成与所述欧姆接触部接触的MEMS桥。

13.如权利要求12所述的方法，其中，所述MEMS桥与所述RF电极间隔开。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述欧姆接触部的第一部分布置在与所述RF电极接触的所述导电层上。

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述MEMS桥与所述欧姆接触部的第一部分间隔开。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述欧姆接触部的第二部分布置在所述绝缘层上。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述MEMS桥与所述欧姆接触部的第二部分接触。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述欧姆接触部包括选自W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo的材料。