CN111584310A

CN111584310A - 一种可重构驱动电压rf mems开关及其制造方法

Info

Publication number: CN111584310A
Application number: CN202010511487.5A
Authority: CN
Inventors: 黄晓东; 郑从兵; 张志强; 韩磊
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2020-08-25
Anticipated expiration: 2040-06-08
Also published as: CN111584310B

Abstract

本发明提供了一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法，包括：基底；CPW结构，位于所述基底上；悬臂梁结构，设置在所述CPW结构上；驱动电极，设置在所述基底上，位于所述悬臂梁结构的悬臂梁的下方；以及充电结构，包括充电介质层以及压焊块，所述充电介质层设置在所述驱动电极上，所述充电介质层位于所述悬臂梁的下方；所述压焊块通过金属连接线与所述驱动电极连接。本发明的一种可重构驱动电压RF MEMS开关，通过增加充电介质层(隧穿层/陷阱层/阻挡层)能够捕获并存储电荷，对充电介质层进行“充电”可使其形成“附加电源”，从而在不改变开关原有结构参数的条件下实现RF MEMS开关的驱动电压的降低。

Description

一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法

技术领域

本发明涉及射频微机技术领域，具体涉及一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法。

背景技术

RF MEMS(射频微机电系统)开关是指利用MEMS技术加工出来的尺寸在微米到毫米量级的器件，用于射频和微波信号的导通和断开。它主要是由两个部分组成：机械部分(执行)和电学部分。其机械部分主要以静电、静磁、压电或热原理为机械运动提供驱动力，实现开关的横向或纵向运动；而电学部分可以采用串联或并联方式排列，可以是金属-金属接触或电容耦合。由于基于静电执行开关具有零直流功耗、小的结构电极、相对短的开关时间(μs)、较小的接触力(50～200μN)以及可用高阻偏置线给开关施加偏压等优势，所以静电执行是目前使用的最普遍的技术。

目前，消费类无线通讯设备以及某些特殊工作环境的雷达系统仅能提供低驱动电压，若需要提高基于静电原理的RF MEMS开关的驱动电压必须增加向上变换器。所增加的变换器必然引起额外尺寸、功耗和成本问题。通过设计RF MEMS开关的结构，例如增加MEMS梁的长度或降低MEMS梁的高度等，可实现其低的驱动电压，然而这种方法对加工工艺要求很高，例如表面释放工艺，且在多次执行后容易引起塌陷失效等可靠性问题。所以，通过调研国内外文献发现，通常会将基于静电原理的RF MEMS开关的驱动电压设计的较高，以保证高性能、高质量的RF MEMS开关。

因而，迫切需求一种可重构驱动电压的RF MEMS开关，一方面开关本身设计成具有较高的驱动电压，以保证制备的成品率和执行的次数，另一方面在开关制备之后通过利用电荷注入方式可根据需求有效降低RF MEMS开关的驱动电压，以满足低驱动电压场合的RFMEMS开关的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法，通过增加充电介质层(隧穿层/陷阱层/阻挡层)能够捕获并存储电荷，对充电介质层进行“充电”可使其形成“附加电源”，从而在不改变开关原有结构参数的条件下实现RF MEMS开关的驱动电压的降低。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种可重构驱动电压RF MEMS开关，包括：基底；CPW结构，位于所述基底上，用于传输射频以及微波信号，所述CPW结构包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线；悬臂梁结构，设置在所述CPW结构上；驱动电极，设置在所述基底上，位于所述悬臂梁结构的悬臂梁的下方；以及充电结构，包括充电介质层以及压焊块，所述充电介质层设置在所述驱动电极上，所述充电介质层位于所述悬臂梁的下方；所述压焊块通过金属连接线与所述驱动电极连接。

进一步地，所述充电介质层包括：隧穿层，设置在所述驱动电极远离所述基底的一面上，所述隧穿层的厚度为15nm～20nm；陷阱层，设置在所述隧穿层远离所述驱动电极的一面上，所述陷阱层的厚度为25nm～35nm；以及阻挡层，设置在所述陷阱层远离所述隧穿层的一面上，所述阻挡层位于所述悬臂梁的下方，所述阻挡层的厚度为30nm～40nm。

进一步地，所述CPW信号线包括输入信号线以及输出信号线，所述输入信号线与所述输出信号线同轴线设置，所述输入信号线的轴线与所述CPW地线平行；所述驱动电极位于所述输入信号线以及输出信号线之间。

进一步地，所述悬臂梁结构包括锚区、所述悬臂梁以及触点，所述悬梁臂的一端通过所述锚区与所述输入信号线相连，所述悬梁臂的另一端设置所述触点，所述触点位于所述输出信号线的上方。

进一步地，所述金属连接线一端与所述驱动电极连接，所述金属连接线的另一端穿过一条所述CPW地线的缝隙与所述压焊块连接；所述压焊块设置在所述基底上，所述缝隙中断的所述CPW地线通过空气桥连接；所述金属连接线上设置氮化硅绝缘介质层。

进一步地，所述基底包括硅衬底以及缓冲介质层，所述缓冲介质层位于所述硅衬底上，所述CPW结构设置在所述缓冲介质层上。

进一步地，所述硅衬底采用高阻硅，电阻率＞4kΩ·cm。

进一步地，所述缓冲介质层的厚度为0.3μm～0.8μm；所述驱动电极和所述金属连接线的厚度为0.3μm～0.5μm；所述悬臂梁和空气桥的厚度为3μm～5μm。

一种基于以上可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法，包括如下步骤：S10在硅衬底上生长一层二氧化硅作为缓冲介质层，获得基底；S20初步形成CPW结构、金属连接线、压焊块以及驱动电极，在所述基底上溅射第一金属层，并光刻、蒸发所述第一金属层初步形成CPW结构、金属连接线、压焊块以及驱动电极；S30形成隧穿层、陷阱层、氮化硅绝缘介质层以及阻挡层，采用原子层沉积工艺(ALD)在所述驱动电极上生长一层Al₂O₃作为所述隧穿层；采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在所述隧穿层上生长一层Si₃N₄作为陷阱层；在所述空气桥下的所述金属连接线上生长一层氮化硅绝缘介质层；采用ALD工艺在陷阱层上生长一层Al₂O₃作为所述阻挡层；S40完全形成CPW结构、悬臂梁结构、空气桥、压焊块和金属连接线，在所述充电介质层和所述氮化硅绝缘介质层上沉积光刻形成牺牲层，在所述CPW结构、金属连接线、压焊块依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW结构、悬臂梁结构、空气桥、压焊块和金属连接线；以及S50释放牺牲层获得所述可重构驱动电压RF MEMS开关。

进一步地，所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

(1)本发明的一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法，通过增加充电介质层(隧穿层/陷阱层/阻挡层)能够捕获并存储电荷，对充电介质层进行“充电”可使其形成“附加电源”，从而在不改变开关原有结构参数的条件下实现RF MEMS开关的驱动电压的降低。

(2)本发明的一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法，不但具有传统静电执行开关的微型化、高响应时间、高隔离和高可靠性优点，而且具有可调控的驱动电压的特点，能够同时满足低驱动电压和高驱动电压的应用要求，这既能够有效降低开关的驱动电压，又能够防止粘连失效的发生。

(3)本发明的一种可重构驱动电压RF MEMS开关及其制造方法，所述陷阱层能够捕获和存储电荷，所述隧穿层和所述阻挡层能够避免所述陷阱层中电荷大量泄漏，所述隧穿层厚度较小有利于电子进入所述陷阱层，所述阻挡层采用高K介电材料Al₂O₃能够提高离子穿过所述隧穿层和所述陷阱层的电场，从而有利于所述陷阱层捕获更多的电荷。

附图说明

下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其有益效果显而易见。

图1所示为本发明一实施例的可重构驱动电压RF MEMS开关的俯视图；

图2所示为本发明一实施例的可重构驱动电压RF MEMS开关沿B-B方向的剖面图；

图3所示为本发明一实施例的充电介质层的结构图；

图4所示为本发明一实施例的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法流程图；

图5～8所示为本发明一实施例的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造过程图。

图中部件编号如下：

1基底、11硅衬底、12缓冲介质层、21CPW信号线、211输入信号线、212输出信号线、22CPW地线、23缝隙、24空气桥、31锚区、32悬臂梁、33触点、4驱动电极、51充电介质层、511隧穿层、512陷阱层、513阻挡层、52压焊块、53金属连接线、54氮化硅绝缘介质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例提供了一种可重构驱动电压RF MEMS开关，如图1～图2所示，包括：基底1、CPW结构、悬臂梁结构、驱动电极4以及充电结构。所述CPW结构以及充电结构设置在所述基底1上，所述悬臂梁结构设置在所述CPW结构上，所述驱动电极4设置在所述基底1上，位于所述悬臂梁结构的悬臂梁32的下方。

所述基底1包括硅衬底11以及缓冲介质层12，所述缓冲介质层12位于所述硅衬底11上。所述硅衬底11采用高阻硅，电阻率＞4kΩ·cm，所述缓冲介质层12的厚度为0.3μm～0.8μm。

所述CPW结构设置在所述缓冲介质层12上，所述缓冲介质层12用于将所述CPW结构与所述硅衬底11绝缘。所述CPW结构用于传输射频以及微波信号，所述CPW结构包括CPW信号线21以及位于所述CPW信号线21两侧的CPW地线22。所述CPW信号线21包括输入信号线211以及输出信号线212，所述输入信号线211与所述输出信号线212同轴线设置，所述输入信号线211的轴线与所述CPW地线22平行。

所述悬臂梁结构设置在所述CPW结构上，所述悬臂梁结构包括锚区31、所述悬臂梁32以及触点33。所述悬梁臂32的一端通过所述锚区31与所述输入信号线211相连，所述悬梁臂32的另一端设置所述触点33，所述触点33位于所述输出信号线212的上方，所述触点33用于开关接通时所述悬臂梁32和输出信号线212之间的接触。所述悬臂梁32的厚度为3μm～5μm。

所述驱动电极4设置在所述基底1上，所述驱动电极4位于所述悬臂梁32的下方，所述驱动电极4位于所述输入信号线211以及输出信号线212之间。所述驱动电极4的厚度为0.3μm～0.5μm。

所述充电结构包括充电介质层51以及压焊块52，所述充电介质层51设置在所述驱动电极4上，所述充电介质层51位于所述悬臂梁32的下方。所述压焊块52通过金属连接线53与所述驱动电极4连接。所述金属连接线53一端与所述驱动电极4连接，所述金属连接线53的另一端穿过一条所述CPW地线22的缝隙23与所述压焊块52连接。所述金属连接线53的厚度为0.3μm～0.5μm。所述压焊块52设置在所述基底1上，所述缝隙23中断的所述CPW地线通过空气桥24连接，所述空气桥24的厚度为3μm～5μm。所述金属连接线53上设置氮化硅绝缘介质层54，所述氮化硅绝缘介质层54用于空气桥24和其下方的所述金属连接线53之间的隔离。如图3所示，所述充电介质层51包括隧穿层511、陷阱层512以及阻挡层513，所述隧穿层511设置在所述驱动电极4远离所述基底1的一面上，所述隧穿层511的厚度为15nm～20nm。所述陷阱层512设置在所述隧穿层511远离所述驱动电极4的一面上，所述陷阱层512的厚度为25nm～35nm。所述阻挡层513设置在所述陷阱层512远离所述隧穿层511的一面上，所述阻挡层513位于所述悬臂梁32的下方，所述阻挡层513的厚度为30nm～40nm。

所述CPW结构、所述驱动电极4、所述金属连接线53、所述压焊块52、所述空气桥24以及所述悬臂梁结构的材质优选金属金。提高了导电性能。

本发明所述的可重构驱动电压RF MEMS开关的工作过程如下：

当所述RF MEMS开关第一次工作时，对所述RF MEMS开关的充电介质层51进行“充电”。通过在所述压焊块52上施加一个较大的“充电”电压，所述驱动电极4与所述悬臂梁32之间产生的静电力将所述悬臂梁32拉下来。当所述悬臂梁32与所述充电介质层51接触时，所述驱动电极4与所述悬臂梁32之间形成一个巨大的电场。大量的离子通过所述隧穿层511进入所述陷阱层512并被所述陷阱层512中的陷阱所捕获，维持一段较长时间后撤去“充电”电压。由于材料本身和外部环境的因素，所述陷阱层512中的部分电荷会泄漏出去，当所述陷阱层512中存储的电荷保持稳定后，所述陷阱层512就能够充当“附加电源”。此后，在所述RF MEMS工作时，所述“附加电源”的电压同外加的电压组合成驱动电压共同作用于所述RFMEMS开关的关断和开启，从而实现所述RF MEMS开关驱动电压的降低。通过对所述充电介质层51材料的选择，尺寸的设计和工艺的优化等，能够控制所述充电介质层51的电荷捕获能力和电荷存储能力，从而进一步改善驱动电压的大小。通过控制“充电”电压的大小，“充电”时间的长短，可根据需求控制所述充电介质层51中电荷量的大小，从而有效降低驱动电压。通过对“充电”后的所述充电介质层51进行接地，实现电荷逸出，从而能够使得该开关恢复到“充电”前的高驱动电压状态，提升开关的可靠性。

本发明还提供了一种以上可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法，如图4所示，包括如下步骤：S10在硅衬底11上生长一层二氧化硅作为缓冲介质层12，获得基底1。S20初步形成CPW结构、金属连接线53、压焊块52以及驱动电极4。S30初步形成隧穿层、陷阱层、氮化硅绝缘介质层以及阻挡层。S40完全形成CPW结构、悬臂梁结构、空气桥、压焊块和金属连接线。以及S50释放牺牲层获得所述可重构驱动电压RF MEMS开关。

如图5所示，所述步骤S10先准备硅衬底11，在硅衬底11上生长一层二氧化硅作为缓冲介质层12，获得基底1。

如图6所示，所述步骤S20在所述基底1上溅射第一金属层，并光刻、蒸发所述第一金属层初步形成CPW结构、金属连接线53、压焊块52以及驱动电极4。

如图7所示，所述步骤S30采用原子层沉积工艺(ALD)在所述驱动电极4上生长一层Al₂O₃作为所述隧穿层511。采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在所述隧穿层511上生长一层Si₃N₄作为陷阱层512。所述陷阱层512的材料Si₃N₄是常用介质层材料，通过PECVD工艺能够使其具有大量的陷阱而有利于捕获电荷。在所述空气桥24下的所述金属连接线53上生长一层氮化硅绝缘介质层54。采用ALD工艺在陷阱层512上生长一层Al₂O₃作为所述阻挡层513。所述隧穿层511和所述阻挡层513的材料Al₂O₃为高K介电材料，通过ALD工艺能够使其均匀致密而有利于防止所述陷阱层512存储的电荷大量泄漏。所述隧穿层511的厚度比所述阻挡层513的厚度小，有利于电子通过所述隧穿层511进入所述陷阱层512，并防止所述陷阱层512捕获的电荷从所述阻挡层513大量泄漏，同时高K介电材料Al₂O₃作为所述阻挡层513材料能够提高穿过所述隧穿层511和所述陷阱层512的电场，从而有利于所述陷阱层512捕获更多的电荷。

如图8所示，所述步骤S40在所述充电介质层51和所述氮化硅绝缘介质层54上沉积光刻形成牺牲层，在所述CPW结构、金属连接线53、压焊块52依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成所述CPW结构、所述悬臂梁结构、所述空气桥24、所述压焊块52以及所述金属连接线53。所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。

所述CPW结构、所述金属连接线53以及所述压焊块52分两步形成，第一步形成所述CPW结构、所述金属连接线53以及所述压焊块52比较薄且与所述驱动电极4一体形成。第二步通过电镀第二金属层的方法形成所述CPW结构、所述金属连接线53以及所述压焊块52，所述第二金属层比较厚且致密，通过电镀的方法获得的所述第二金属层与所述第一金属层的连接更加牢固，不易脱落或划破。完全形成的所述CPW结构、所述金属连接线53以及所述压焊块52的总体厚度大于所述驱动电极4的厚度。通过第二步第二金属层的形成为所述悬臂梁32与所述驱动电极4之间预留了足够的空间设置所述充电介质层51，保证了所述充电介质层51与所述悬臂梁32的间距。

本发明的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法与传统静电式RF MEMS开关相类似，与Si基MEMS工艺兼容，制造方法简单。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并非因此限制本发明专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，包括：

基底；

CPW结构，位于所述基底上，用于传输射频以及微波信号，所述CPW结构包括CPW信号线以及位于所述CPW信号线两侧的CPW地线；

悬臂梁结构，设置在所述CPW结构上；

驱动电极，设置在所述基底上，位于所述悬臂梁结构的悬臂梁的下方；以及

充电结构，包括充电介质层以及压焊块，所述充电介质层设置在所述驱动电极上，所述充电介质层位于所述悬臂梁的下方；所述压焊块通过金属连接线与所述驱动电极连接。

2.根据权利要求1所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述充电介质层包括：

隧穿层，设置在所述驱动电极远离所述基底的一面上，所述隧穿层的厚度为15nm～20nm；

陷阱层，设置在所述隧穿层远离所述驱动电极的一面上，所述陷阱层的厚度为25nm～35nm；以及

阻挡层，设置在所述陷阱层远离所述隧穿层的一面上，所述阻挡层位于所述悬臂梁的下方，所述阻挡层的厚度为30nm～40nm。

3.根据权利要求2所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述CPW信号线包括输入信号线以及输出信号线，所述输入信号线与所述输出信号线同轴线设置，所述输入信号线的轴线与所述CPW地线平行；所述驱动电极位于所述输入信号线以及输出信号线之间。

4.根据权利要求3所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述悬臂梁结构包括锚区、所述悬臂梁以及触点，所述悬梁臂的一端通过所述锚区与所述输入信号线相连，所述悬梁臂的另一端设置所述触点，所述触点位于所述输出信号线的上方。

5.根据权利要求4所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述金属连接线一端与所述驱动电极连接，所述金属连接线的另一端穿过一条所述CPW地线的缝隙与所述压焊块连接；所述压焊块设置在所述基底上，所述缝隙中断的所述CPW地线通过空气桥连接；所述金属连接线上设置氮化硅绝缘介质层。

6.根据权利要求5所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述基底包括硅衬底以及缓冲介质层，所述缓冲介质层位于所述硅衬底上，所述CPW结构设置在所述缓冲介质层上。

7.根据权利要求6所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述硅衬底采用高阻硅，电阻率＞4kΩ·cm。

8.根据权利要求7所述的可重构驱动电压RF MEMS开关，其特征在于，所述缓冲介质层的厚度为0.3μm～0.8μm；所述驱动电极和所述金属连接线的厚度为0.3μm～0.5μm；所述悬臂梁和空气桥的厚度为3μm～5μm。

9.一种根据权利要求8所述的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10在硅衬底上生长一层二氧化硅作为缓冲介质层，获得基底；

S20初步形成CPW结构、金属连接线、压焊块以及驱动电极，在所述基底上溅射第一金属层，并光刻、蒸发所述第一金属层初步形成CPW结构、金属连接线、压焊块以及驱动电极；

S30形成隧穿层、陷阱层、氮化硅绝缘介质层以及阻挡层，采用原子层沉积工艺(ALD)在所述驱动电极上生长一层Al₂O₃作为所述隧穿层；采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺在所述隧穿层上生长一层Si₃N₄作为陷阱层；在所述空气桥下的所述金属连接线上生长一层氮化硅绝缘介质层；采用ALD工艺在陷阱层上生长一层Al₂O₃作为所述阻挡层；

S40完全形成CPW结构、悬臂梁结构、空气桥、压焊块和金属连接线，在所述充电介质层和所述氮化硅绝缘介质层上沉积光刻形成牺牲层，在所述CPW结构、金属连接线、压焊块依次蒸发钛、金、钛层，光刻、电镀第二金属层、去除光刻胶、反刻，完全形成CPW结构、悬臂梁结构、空气桥、压焊块和金属连接线；以及

S50释放牺牲层获得所述可重构驱动电压RF MEMS开关。

10.根据权利要求9所述的可重构驱动电压RF MEMS开关的制造方法，其特征在于，所述牺牲层的材质为聚酰亚胺。