CN108292576B - 具有受控的接触着陆的mems rf开关 - Google Patents

具有受控的接触着陆的mems rf开关 Download PDF

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Abstract

一种MEMS开关包括位于衬底101上的RF电极102、下拉电极104和锚电极108。多个岛状物226被提供在下拉电极中，并且与其电隔离。RF电极的顶部上是RF触点206，在下拉状态中，MEMS桥212、214形成与该RF触点206的欧姆接触。下拉电极104覆盖有介电层202以避免桥和下拉电极之间短路。接触止挡块224设置在介电层202上的对应于岛状物226的位置处，并且在下拉状态中，在桥和介电层之间产生的间隙减少了电介质充电。在替代实施例中，接触止挡块被提供在介电层202内或设置在岛状物自身上并在介电层之下。开关提供了在宽电压工作范围上对MEMS开关的接触电阻的良好可控性。

Description

具有受控的接触着陆的MEMS RF开关
本公开的背景
技术领域
本公开的实施例总体上涉及用于获得在宽电压操作范围上对MEMS开关的接触电阻的良好可控性的技术。
背景技术
MEMS电阻开关包含通过将电压施加到致动电极而移动的可移动板。一旦电极电压达到一定的电压，通常称为咬合电压(snap-in voltage)，板就向电极移动。一旦电压降低到释放电压，板就会移回到原位。由于当板接近致动电极时的较高静电力，以及由于板与表面(板一旦移动接近电极就接触到该表面)之间的静摩擦，该释放电压通常低于咬合电压。MEMS器件的弹簧常数设定拉入电压和拉离电压的值。
当板被向下致动时，它着陆在与板进行欧姆接触的接触电极上。为了获得良好的欧姆接触电阻，这通常意味着在将足够高的电压施加到下拉电极的情况下使MEMS板与接触电极紧密接触。该电压能够使板二次着陆在位于下拉电极之上的介电层上，这是对器件操作的可靠性的关注点。它可能导致介电层的充电和致动电压的偏移。
由于工艺变化，MEMS器件的致动电压能够随晶片和批次而不同。这意味着要获得高成品率，实际操作电压必须高于MEMS驱动电压的最大预期变化。与在较高电压下致动的器件相比，在较低电压下致动的器件会经历更多的电压过驱动。这会引起MEMS器件和接触电极之间的接触力的大的变化，可能引起不希望的接触电阻的变化。
因此，本领域中需要一种MEMS开关，其能够具有大的操作范围，同时仍然具有受控的接触力和相应的接触电阻。
发明内容
本公开总体上涉及一种受控的MEMS器件着陆，其导致能够在大操作电压范围中操作的可靠的可重复的接触电阻。
在一个实施例中，一种MEMS器件包括：衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；开关元件，设置在衬底上方，开关元件电耦合到锚电极，并且能够从与RF电极间隔第一距离的第一位置和与RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，第二距离小于第一距离；介电层，设置在下拉电极上方；以及接触止挡块，设置在介电层上的对应于岛状物的位置处。
在另一个实施例中，一种MEMS器件包括：衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；开关元件，设置在衬底上方，开关元件电耦合到锚电极，并且能够从与RF电极间隔第一距离的第一位置和与RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，第二距离小于第一距离；接触止挡块，设置在岛状物上；以及介电层，设置在衬底、接触止挡块和下拉电极的上方。
在另一个实施例中，一种MEMS器件包括：衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；开关元件，设置在衬底上方，开关元件电耦合到锚电极，并且能够从与RF电极间隔第一距离的第一位置和与RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，第二距离小于第一距离；介电层，设置在下拉电极上方；以及接触止挡块，设置在介电层内的对应于岛状物的位置处。
附图说明
为了能够详细理解本公开的上述特征，可以通过参考实施例来获得上面简要总结的本公开的更具体描述，实施例中的一些在附图中说明。然而，应该注意的是，附图仅说明了本公开的典型实施例，因此不应被认为是对本公开范围的限制，因为本公开可以允许其他等效实施例。
图1A是欧姆MEMS开关的示意性俯视图。
图1B是包含多个并联操作的MEMS开关的欧姆开关单元的示意性俯视图。
图1C是包含多个并联操作的开关单元的欧姆开关阵列的示意性俯视图。
图2A是根据一个实施例的欧姆MEMS开关的示意性横截面视图。
图2B是根据一个实施例的被向下致动的欧姆MEMS开关的示意性横截面视图。
图2C是根据一个实施例的欧姆MEMS的底部着陆表面的示意性俯视图。
图3A-3G是根据一个实施例的在各个制造阶段的MEMS欧姆开关的示意图。
为了便于理解，在可能的情况下使用相同的附图标记来表示附图中共有的相同元件。可以预期，在一个实施例中公开的元件可以有利地用于其他实施例而无需特定的叙述。
具体实施方式
本公开总体上涉及一种受控的MEMS器件着陆，其导致能够在大操作电压范围中操作的可靠的可重复的接触电阻。
图1A是欧姆MEMS开关100的示意性俯视图。它包含RF电极102、下拉电极104和锚电极108。当足够高的电压被施加到下拉电极104时，MEMS开关被向下致动并形成RF电极102和锚电极108之间的欧姆连接。
图1B是包含多个MEMS开关100的欧姆开关单元200的示意性俯视图。通过将足够高的电压施加在下拉电极104上，单元中的所有MEMS开关100同时开启。因为许多开关被并联操作，所以减小了RF电极102和锚电极108之间的电阻。
图1C示出了欧姆开关阵列的示意性俯视图。它包含多个并联操作的开关单元200。每个单元的RF电极102在每个开关单元200的一端处连接在一起，而锚电极108在每个开关单元200的另一端处连接在一起。当开启所有单元时，这导致RF电极102和锚电极108之间的电阻的进一步减小。同时，由于许多开关并联操作，总开关阵列能够处理更多电流。
图2A示出根据实施例的欧姆MEMS开关的横截面视图。本公开描述了一种在允许大的操作电压范围的同时在触点上产生受控的着陆力的方法。
MEMS开关包含位于衬底101上的RF电极102、下拉电极104和锚电极108。下拉电极覆盖有介电层202以避免MEMS开关与处于下拉状态的下拉电极之间短路。用于电绝缘层202的合适材料包括硅基材料，硅基材料包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。该层202的厚度通常为50nm到150nm以限制介电层中的电场。另外，器件包含另外的板着陆电极204，其能够不连接(如图所示)或连接到锚电极108。在RF电极102的顶部上是RF触点206，在下拉状态中，开关本体形成与该RF触点206的欧姆接触。在锚电极108的顶部上是锚触点208，MEMS器件锚定到该锚触点208。在板着陆电极106的顶部上是板着陆触点210。用于触点206、208、210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。
开关元件包含由导电层212、214组成的刚性桥，导电层212、214使用通孔阵列216联接在一起。这允许刚性板截面和柔性腿在将操作电压保持在可接受的水平的同时提供大的接触力。MEMS桥通过形成在MEMS桥的下层212中的腿216和形成在MEMS桥的上层214中的腿218被悬置。MEMS桥的上层214利用通孔220锚定到锚中的MEMS的下层212。MEMS桥的下层利用通孔222锚定到锚触点208。当MEMS开关被向下致动时，从RF触点206注入到MEMS桥中的电流通过MEMS桥和腿216、218在两个方向上流出到位于开关本体的任一侧上的锚电极108。因为这些腿不像在MEMS桥中那样利用通孔216联接在一起，这些腿的柔性仍然足够低以允许合理的操作电压来拉动MEMS桥212、214与RF触点206和板着陆触点210接触。
附加的接触止挡块224位于由下拉电极104包围的小岛状物226的上方。当将足够高的电压施加到下拉电极时，MEMS桥弯曲到其停在这些接触止挡块224上。接触止挡块224间隔得足够近，使得下拉电极上的电压能够大量增加而不引起MEMS板位移的显著增加。小岛状物226与下拉电极104电隔离，这减小了它们接触MEMS桥的接触区域224中的电场。
图2B示出了处于向下致动状态的欧姆MEMS器件。MEMS桥搁置在RF触点206、板止挡块触点210和附加的接触止挡块224上。触点206、210的高度大于附加的接触止挡块224的高度。这导致MEMS桥在RF触点206周围弯曲，从而产生大的接触力。这对于良好的欧姆接触是必需的。
通过控制触点206、210和附加接触止挡块224之间的高度差，能够控制接触力(并且因此能够控制接触电阻)。施加的电压的进一步增加将不会显著增加RF触点206上的接触力，并且因此对于宽操作电压范围能够获得稳定的接触电阻。此外，通过控制附加接触止挡块224的高度，能够控制MEMS桥和下拉电极104之上的介电层之间的剩余间隙，这能够减小电介质充电的机会。
由于所有需要的高度都参考相同的参考表面(102、226、204的顶部)，因此能够获得稳定的处理范围。接触力由触点206、210的厚度以及附加止挡块224和介电层202的厚度来设定。由于所有这些厚度都是由沉积来控制的，所以能够获得对接触力的良好控制。
图2C示出MEMS开关的底部受控着陆表面的示意性俯视图。它示出了由下拉电极104包围的隔离岛状物226之上的附加接触止挡块224。因为这些附加止挡块224之间间隔得近，所以一旦着陆在这些止挡块上，MEMS板就不能被进一步下拉。这确保了在下拉电极之上的介电表面不会经历非常高的电场，从而阻止了引起致动电压偏移的介电层充电。
图3A-3F是根据一个实施例的在各个制造阶段的MEMS欧姆开关的底部受控着陆表面的示意图。图3A示出了MEMS开关的底板起始材料并且包含具有多个电极的衬底101，所述多个电极包括RF电极102、下拉电极104、隔离的岛状物226、板着陆电极204和锚电极108。应该理解，衬底101可以包括单层衬底或多层衬底，诸如具有一个层或更多个互连层的CMOS衬底。另外，可用于这些电极102、104、226、204、108的合适材料包括氮化钛、铝、钨、铜、钛以及包括不同材料的多层堆叠的它们的组合。
图3B示出了用附加的介电材料(例如二氧化硅)进行间隙填充并且对介电材料进行CMP(化学机械抛光)之后的结果。通常，电介质的表面位于金属电极102、104、226、204、108的表面之下。所有这些金属电极的顶部表面都处于相同的高度。
如图3C中所示，随后用附加的介电层202覆盖衬底，该介电层202将保护下拉电极。通常介电层202的厚度为50至150nm以限制该介电层中的电场。
在图3D中，沉积附加的层并且将其图案化，这将提供附加的机械止挡块224。这些止挡块224在尺寸上大于隔离的岛状物226。因为金属表面高于介电表面，所以将与着陆的MEMS桥接触的最终区域由隔离的岛状物226的大小确定。对止挡块224的材料的选择，使得能够相对于下面的介电层202以良好的选择性对其进行蚀刻。例如，它可以由像钛、氮化钛之类的金属或像氮化硅和氮氧化硅之类的电介质组成。通常止挡块224的厚度是20至50nm。
在图3E中，通过在介电层202中开出通孔并沉积接触材料来产生RF触点206、板触点210和锚触点208，该接触材料随后被图案化以形成触点206、208、210。用于接触层210、206、208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。根据需要产生什么样的接触力，该层的厚度通常使得其在止挡块224的上方突出20至80nm。
图3F示出了止挡块224被嵌入介电层202内部的替代实施例。利用该替代实施例，MEMS桥接触这些止挡块224之上的介电层202，而不是接触止挡块224本身。该嵌入式接触层通过在图3D中图案化接触止挡块224之后，在表面顶部上另外沉积介电层202而产生。为了在下拉电极104之上最终产生相同的总介电层202厚度，可以减小在图案化止挡块224之前和之后的电介质沉积的第一部分和第二部分的厚度。
图3G示出了又一个替代实施例，其中接触层被图案化以直接在金属岛状物226的顶部上形成止挡块224并且随后被介电层202覆盖。
之所以图3E、3F和3G的所有三个实施例给出了对触点高度的良好的控制，是因为它们都与处于相同高度的金属电极102、104、106的顶部表面相关。触点高度由用于形成介电层202、止挡块224和电极206、208、210的层的沉积厚度来设定，其能够在加工过程中被严格控制。
通过利用下拉电极内的岛状物以及二次着陆位置的不同高度，能够在宽电压操作范围上控制MEMS开关的接触电阻。
虽然前述内容针对本公开的实施例，但在不脱离本公开基本范围的情况下，可以设想出本公开的其它和进一步的实施例，并且其范围由所附权利要求确定。

Claims (18)

1.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物，其中所述多个岛状物与所述下拉电极电隔离；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
介电层，设置在所述下拉电极上方；以及
接触止挡块，设置在所述介电层上的对应于所述岛状物的位置处。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括：
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度。
3.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
介电层，设置在所述下拉电极上方；
接触止挡块，设置在所述介电层上的对应于所述岛状物的位置处；
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度，其中，所述接触止挡块和介电层共同延伸到所述衬底之上的第二高度，其中，所述第二高度小于所述第一高度，其中，所述岛状物与所述下拉电极电隔离。
4.根据权利要求3所述的MEMS器件，还包括设置在所述衬底中的、在所述锚电极和所述下拉电极之间的板着陆电极。
5.根据权利要求4所述的MEMS器件，还包括设置在所述板着陆电极上的板着陆触点。
6.根据权利要求5所述的MEMS器件，其中，所述板着陆触点在所述衬底之上延伸所述第一高度。
7.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物，其中所述多个岛状物与所述下拉电极电隔离；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
接触止挡块，设置在所述岛状物上；以及
介电层，设置在所述衬底、接触止挡块和下拉电极的上方。
8.根据权利要求7所述的MEMS器件，还包括：
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度。
9.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
接触止挡块，设置在所述岛状物上；
介电层，设置在所述衬底、接触止挡块和下拉电极的上方；
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度，其中，所述接触止挡块和介电层共同延伸到所述衬底之上的第二高度，其中，所述第二高度小于所述第一高度，其中，所述岛状物与所述下拉电极电隔离。
10.根据权利要求9所述的MEMS器件，还包括设置在所述衬底中的、在所述锚电极和所述下拉电极之间的板着陆电极。
11.根据权利要求10所述的MEMS器件，还包括设置在所述板着陆电极上的板着陆触点。
12.根据权利要求11所述的MEMS器件，其中，所述板着陆触点在所述衬底之上延伸所述第一高度。
13.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物，其中所述多个岛状物与所述下拉电极电隔离；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
介电层，设置在所述下拉电极上方；以及
接触止挡块，设置在所述介电层内的对应于所述岛状物的位置处。
14.根据权利要求13所述的MEMS器件，还包括：
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度。
15.一种MEMS器件，包括：
衬底，至少具有设置在其中的锚电极、RF电极和下拉电极，其中，所述下拉电极具有设置在其中的多个岛状物；
开关元件，设置在所述衬底上方，所述开关元件电耦合到所述锚电极，并且能够从与所述RF电极间隔第一距离的第一位置和与所述RF电极间隔第二距离的第二位置移动，其中，所述第二距离小于所述第一距离；
介电层，设置在所述下拉电极上方；
接触止挡块，设置在所述介电层内的对应于所述岛状物的位置处；
锚触点，设置在所述锚电极上并且延伸到所述衬底之上的第一高度；以及
RF触点，设置在所述RF电极上并且延伸到所述衬底之上的所述第一高度，其中，所述接触止挡块和介电层共同延伸到所述衬底之上的第二高度，其中，所述第二高度小于所述第一高度，其中，所述岛状物与所述下拉电极电隔离。
16.根据权利要求15所述的MEMS器件，还包括设置在所述衬底中的、在所述锚电极和所述下拉电极之间的板着陆电极。
17.根据权利要求16所述的MEMS器件，还包括设置在所述板着陆电极上的板着陆触点。
18.根据权利要求17所述的MEMS器件，其中，所述板着陆触点在所述衬底之上延伸所述第一高度。
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