CN108352277A - 用于esd保护的自然闭合的mems开关 - Google Patents

Abstract

本公开总体涉及一种用于降低ESD的MEMS器件。使用接触开关来确保即使在没有施加偏置电压的情况下，两个电极之间也存在闭合的电接触。

Description

用于ESD保护的自然闭合的MEMS开关

本公开的背景

技术领域

本公开的实施例总体涉及用于降低静电放电(ESD)风险的微机电系统(MEMS)器件。

背景技术

已经设计和制造包含MEMS技术的器件以用于射频通信应用，在射频通信应用中在制造过程(例如组装)和器件的典型使用条件(例如暴露于带电人体)期间都存在静电放电的风险。特别地，例如开关和可调谐电容器等器件被用于实现用于最先进无线设备的可重构模拟和混合信号电路。

ESD保护装置和电路是实现电子部件和电路的固态技术的重要部分。当应用于射频部件时，这些解决方案具有显著的性能损失。当使用标准ESD保护技术时，诸如插入损耗、隔离度、线性度等关键度量显著降低。当应用于实现开关和可变电容器等射频部件时，MEMS技术可以实现前所未有的性能水平。但是传统的ESD保护技术会使这种性能退化到不可接受的水平。

业界需要新的ESD解决方案以用于能够保持高水平RF性能的基于MEMS的部件。

发明内容

本公开总体涉及一种用于降低ESD的MEMS器件。使用接触开关来确保即使在没有施加偏置电压的情况下，两个电极之间也存在闭合的电接触。

在一个实施例中，MEMS器件包括：衬底，在其中设置有第一锚电极和RF电极；开关元件，包括应力层、底层和顶层，其中底层在第一端耦接到顶层，底层在第二端耦接到锚电极，并且其中应力层处于拉应力下。

附图说明

为了能够详细理解本公开的上述特征，可以参照实施例获得以上简要概述的本公开的更详细的描述，所述实施例中的一些在附图中示出。然而，应注意的是，附图仅示出了本公开的典型实施例，因此不应被认为限制本公开的范围，因为本公开可以允许其他等效实施例。

图1A是MEMS自然闭合的开关的示意性俯视图。

图1B是开关单元的示意性俯视图，其具有多个并联运行的自然闭合的开关。

图1C是开关阵列的示意性俯视图，其包含多个并联运行的自然闭合的开关单元。

图2A和2B是自然闭合的开关以及其能够与RF MEMS器件如何结合以在任何一对模拟/RF IO之间提供ESD保护的示意图。

图3A是根据一个实施例的在无供电闭合状态下的MEMS自然闭合的开关的示意性横截面图。

图3B是根据一个实施例的在已供电的断开状态下的MEMS自然闭合的开关的示意性横截面图。

图4A-4G是根据一个实施例在各制造阶段的MEMS欧姆开关的示意图。

为了便于理解，在适当的情况下使用相同的附图标记来表示附图所共有的相同元素。应预期的是，在没有具体记载的情况下，在一个实施例中公开的元素可以有益地用于其它实施例。

具体实施方式

本公开总体涉及一种用于降低ESD的MEMS器件。使用接触开关来确保即使在没有施加偏置电压的情况下，两个电极之间也存在闭合的电接触。

图1A是自然闭合的欧姆MEMS开关100的示意性俯视图。开关100包含RF电极102、控制电极104和锚电极106。该开关在无供电状态下提供102和106之间的欧姆接触。可以通过向控制电极106施加足够高的电压来打破102和106之间的接触。

图1B是包含多个自然闭合的MEMS开关100的自然闭合的欧姆MEMS开关单元110的示意性俯视图。单元110中的所有MEMS开关100并联运行，并且共同地在电极102和106之间都具有更低的电阻。可以通过向控制电极施加足够高的电压来关闭所有开关。

图1C示出了自然闭合的欧姆MEMS开关阵列的示意性俯视图，其包含多个并联运行的开关单元110。每个单元的RF电极102在每个开关单元110的一端连接在一起，而锚电极106在每个开关单元110的另一端连接在一起。当所有单元都导通时，这导致RF电极102和锚电极106之间的电阻的进一步降低。同时，由于许多开关并联运行，总开关阵列可以处理更多的电流。可以通过向控制电极施加足够高的电压来共同关闭所有开关。

如果这种接触开关平行于RF MEMS器件(例如开关或可变电容器)布置，则该接触开关将提供电流通路以在处理和组装期间的条件下保护免受ESD事件的影响。一旦该器件在RF电路/系统内运行，就通过施加偏置电压断开该接触开关。将通过设计使断开的开关终端之间的残余电容耦合和泄漏最少化。这样，受保护的RF MEMS器件的RF性能几乎保持完整。与不可避免地降低要保护MEMS器件的RF性能的基于固态技术的其他传统ESD保护技术相比，这是最大的优点。

图2A和2B是自然闭合的MEMS开关301以及其在一个封装件300中与RF MEMS器件和控制器303结合以通过在任何一对模拟/RF IO之间提供低电阻路径来提供ESD保护的方式的示意图。在图3A中，自然闭合的开关未被供电并且施加于控制线304的控制电压为0V。开关301提供所有模拟/RF IO之间的低欧姆路径。在图3B中，器件300被导通，并且控制器303在连接到每个开关301的控制电极的控制线304上施加足够高的电压。开关301现在处于断开状态，并且模拟/RF IO被断开。每个开关单元(图1B)中使用的开关(图1A)的数量和待使用的开关单元的数量可以根据所需的ESD保护进行调整。

MEMS技术开关具有如下的标准配置：通过设计，可以通过向一个或更多个端子施加偏置电压来使两电极之间的电接触闭合或断开。在没有施加任何偏置电压(无偏置条件)的情况下，电接触的状态是未定义的或断开的。在本公开中，描述了被称为“接触”开关的新型MEMS开关。即使在没有施加偏置电压时，该接触开关也给出了两个电极之间的闭合的电接触。这是通过MEMS器件的特定机械设计，通过在制备过程完成后控制悬置的MEMS膜片的内部应力和应变条件来实现的。

图3A示出了根据一个实施例的自然闭合的欧姆MEMS(接触)开关200的横截面示意图。接触开关200包含位于衬底202上的RF电极102和锚电极106。衬底被介电层204覆盖以保护位于同一衬底上的不同MEMS器件中的其他电极。用于电绝缘或介电层204的合适材料包括包含氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅的硅基材料。该层204的厚度通常为50nm至150nm，以限制介电层中的电场。在RF电极102的顶部是RF接触部206，开关体在闭合状态下形成到RF接触部206的欧姆接触。在锚电极106的顶部是锚接触部208，MEMS器件被固定到该锚接触部208。用于接触层206、208的典型材料包括Ti、TiN、TiAI、TiAIN、AIN、AI、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo及其组合。

开关元件包含由导电层210、212组成的悬臂，所述导电层利用通孔214在RF接触部206附近连接在一起。在下层210中形成悬置腿216，这降低了操作开关所需的电压。MEMS悬臂通过通孔222锚固到衬底。在下层210的下侧是应力层211，其具有比下层210更高的拉应力。这使得悬臂梁向下弯曲直至碰到RF接触部206。悬臂施加在RF接触部上的接触力可以与下层210和应力层211的尺寸以及这些层中的应力一起调整。

在MEMS悬臂上方有介电层224，其被金属上拉电极226(控制电极)盖住，该金属上拉电极用于将MEMS向上拉到顶部以实现断开状态。介电层224避免了处于向上致动状态下的MEMS悬臂和上拉电极226之间的短路，并且限制了电场以实现高可靠性。将器件移动到顶部有助于减小在断开状态下开关到RF电极102的电容。腔的顶部还包含额外的介电层228以实现机械强度。所述腔用介电层230密封，该介电层填充用于移除在制造过程中存在的牺牲层的刻蚀释放孔232。介电层230进入刻蚀释放孔232，并且为锚中的MEMS悬臂的顶层212提供进一步的机械支撑，同时还密封腔，使得在腔中存在低压环境。用于顶部介电层228、230的合适材料包括硅基材料，其包括氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅。

当下层210向下偏转时，上层212也在通孔214的位置向下移动。由于下层210在该位置处的偏转角度，腿216的位置附近的上层向上移动，这减小了控制电极与上层212之间的间隙。这允许接触开关在顶部电极226被施加了相对低的电位的情况下断开。如果上层212的长度足够长，则上层212可以在腿216的位置附近接触顶部介电层224。这进一步降低了将悬臂上拉至与顶部紧密接触所需的电压。

图3B示出了在处于致动关闭状态下的器件。足够高的电压施加到控制电极226，该控制电极将MEMS悬臂211、212向上拉向顶部，从而将RF电极102与锚电极106断开。

开关可以在一个顶部电压下断开，用于制造后的测试，然后再次闭合，以对封装的器件提供ESD保护，直到在最终应用中使用为止。通过向控制电极施加更高的电压，通过在顶部介电层224上顶层212中快速移动和增加接触面积，器件可以永久地处于断开状态。静摩擦力将使悬臂开关处于断开状态。

接触开关的机械设计基于在制造过程结束时悬置膜片内的残余绝对应力和梯度应力的工程学设计。沉积出具有不同残余应力条件的材料堆叠导致最终的内置梯度应力，这导致悬置膜片的期望变形。

图4A-4G是根据一个实施例的在各制造阶段的MEMS欧姆开关200的示意图。图4A示出了MEMS开关的背板原始材料，包含具有多个电极的衬底202，所述多个电极包括RF电极102和锚电极106。应该理解的是，衬底202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层的CMOS衬底。另外，可用于电极102、106的合适材料包括氮化钛、铝、钨、铜、钛及其组合，包括不同材料的多层堆叠。衬底被电绝缘层204覆盖，以保护位于同一衬底上的不同器件的其他电极。用于电绝缘层204的合适材料包括包含氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅的硅基材料。在RF电极的顶部是RF接触部206，在锚电极106的顶部是锚接触部208。用于接触部206、208的典型材料包括Ti、TiN、TiAI、TiAIN、AIN、AI、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO₂、ITO和Mo及其组合。

图4B示出了MEMS悬臂的下层210，其通过沉积牺牲层302、沉积和图案化应力层211、在牺牲层302中开出通孔222、沉积和图案化包括腿216的下悬臂部分而形成在背板上。MEMS悬臂通过位于悬臂一侧上的通孔222锚固到锚接触部208。应力层211的底侧可以被绝缘层覆盖，该绝缘层在RF接触部层206上被部分移除，以便形成欧姆接触。

图4C示出了MEMS悬臂的上层212的形成。沉积另外的牺牲材料302，并且在落在MEMS下层210上的通孔220、214的位置中产生开口。MEMS上层212被沉积和图案化，以形成通过通孔214连接在一起的整个MEMS悬臂210、211、212，包括腿216和锚通孔220、222。

图4D示出了通过沉积另外的牺牲材料302和绝缘介电层224来形成上拉电极。用于电绝缘层224的合适材料包括包含氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅的硅基材料。将介电层224和牺牲材料302图案化以形成腔的轮廓，从而暴露下MEMS悬臂层的部分238和上MEMS悬臂层的部分236以及锚接触层208的一部分。

图4E示出了上拉(控制)电极226的形成以及侧壁电连接234的形成，该侧壁电连接234连接到上MEMS悬臂层的暴露部分236、下MEMS悬臂层的暴露部分238和锚接触部208，从而提供了与锚通孔220、222并联的从MEMS悬臂210、212到锚接触部208的额外的电流路径。

图4F示出了通过沉积介电材料228来形成腔的顶部。用于电绝缘层228的合适材料包括包含氧化硅、二氧化硅、氮化硅和氮氧化硅的硅基材料。该层为顶部提供了额外的机械强度。刻蚀释放孔232被打开，暴露出腔中的牺牲材料。

图4G示出了在牺牲层已经通过释放孔232被移除并且用介电层230密封之后的MEMS开关。介电层230也沉积在刻蚀释放孔232内部，并落在上MEMS层212上，为锚提供额外的机械强度。由于应力层211具有比下悬臂层210更高的拉应力，悬臂将向下偏转直到其碰到RF接触部206并且开关提供了102到106之间的欧姆接触。

通过利用接触开关，避免了对封装中的其它MEMS器件的ESD损坏。接触开关自然处于闭合状态，并且在施加电压时断开。因此，对于使用这些ESD保护器件的MEMS器件几乎没有损坏。

虽然前述内容针对的是本公开的实施例，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来确定。

Claims (16)

1.一种MEMS器件，包括：

衬底，所述衬底中设置有第一锚电极和RF电极；

开关元件，其包括应力层、底层和顶层，其中所述底层在第一端耦接到所述顶层，所述底层在第二端耦接到所述锚电极，并且其中所述应力层处于拉应力下，并且其中所述应力层与所述底层的底表面接触。

2.如权利要求1所述的MEMS器件，还包括设置在所述锚电极和所述底层之间的锚接触部。

3.如权利要求1所述的MEMS器件，还包括第二锚电极，其中所述开关元件与所述第二锚电极间隔开并且电隔离，使得所述开关元件自然地朝向所述RF电极向下偏转。

4.如权利要求1所述的MEMS器件，还包括设置在所述RF电极上的RF接触部，其中所述应力层在与所述RF接触部接触的位置和与所述RF接触部间隔开的位置之间移动。

5.如权利要求4所述的MEMS器件，还包括设置在所述应力层的底表面上的绝缘层，其中所述绝缘层在对应于所述RF接触部的位置处具有开口，使得所述应力层的一部分被暴露以与所述RF接触部接触。

6.如权利要求1所述的MEMS器件，其中所述应力层中的拉应力比所述底层中的拉应力更大。

7.如权利要求1所述的MEMS器件，还包括设置在所述应力层的底表面上的绝缘层，其中所述绝缘层在对应于所述RF电极的位置处具有开口，使得所述应力层的一部分被暴露。

8.如权利要求1所述的MEMS器件，还包括：

设置在所述开关元件上方的上拉电极；以及

设置在所述顶层和所述顶层之间的绝缘层，其中所述顶层在第一位置处耦接到所述绝缘层并与所述绝缘层接触。

9.如权利要求8所述的MEMS器件，其中所述顶层在所述第一位置处与所述底层间隔开。

10.如权利要求9所述的MEMS器件，其中所述顶层在邻近所述RF电极的位置处耦接到所述底层。

11.如权利要求10所述的MEMS器件，其中所述开关元件能够通过向所述上拉电极施加第一电压来远离所述RF电极移动第一距离。

12.如权利要求11所述的MEMS器件，其中所述开关元件能够在施加第二电压时远离所述RF电极移动第二距离，其中所述第二距离大于所述第一距离，其中所述第二电压大于所述第一电压。

13.如权利要求12所述的MEMS器件，其中当在所述第二距离处时，所述顶层与所述绝缘层接触。

14.如权利要求13所述的MEMS器件，其中当所述第二电压被移去时，所述顶层与所述绝缘层保持接触，并且所述应力层与所述RF电极保持间隔开。

15.如权利要求14所述的MEMS器件，其中当所述第一电压被移去时，所述应力层返回到与RF接触部相接触的位置。

16.如权利要求8所述的MEMS器件，其中当所述应力层与RF接触部相接触时，所述顶层与所述绝缘层保持接触。