DE102004026654B4

DE102004026654B4 - Mikromechanisches HF-Schaltelement sowie Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102004026654B4
Application number: DE102004026654A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Lisec; Christoph Huth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2024-06-02
Also published as: US7939993B2; WO2005119831A1; EP1751818B1; DE102004026654A1; EP1751818A1; US20080047809A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung mikromechanischer HF-Schaltelemente, die ein kapazitives und/oder elektrostatisches Wirkprinzip zwischen einem beweglichen Element (5) und einer metallischen Fläche (2) auf einem Substrat (1) nutzen, bei dem eine dielektrische Schicht (3) auf der metallischen Fläche (2) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur ist.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein mikromechanisches HF-Schaltelement, bei dem ein freistehendes bewegliches Element so über einer metallischen Fläche auf einem Substrat angeordnet ist, dass es durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischen Fläche und dem beweglichen Element zur metallischen Fläche gezogen wird, auf der eine dielektrische Schicht aufgebracht ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung derartiger mikromechanischer HF-Schaltelemente, bei dem die dielektrische Schicht auf der metallischen Fläche abgeschieden wird.
Hochfrequenztechnik auf Basis oberflächenmikromechanischer Bauelemente findet zunehmend größere Verbreitung. Es ist unumstritten, dass MEMS-Schalter (MEMS: mikroelektromechanische Systeme) eine Reihe entscheidender Vorteile gegenüber herkömmlichen Systemen haben, die Pin-Dioden oder FET-Schalter auf Silizium- oder Galliumarsenid-Substraten einsetzen. Insbesondere bei höheren Frequenzen von über 20 GHz ist die Dämpfung bei MEMS-Bauelementen viel geringer bzw. die Isolation viel höher als bspw. bei Galliumarsenid-Bauelementen. Weiterhin zeigen MEMS-Schalter in der Regel eine sehr geringe Leistungsaufnahme und ein nahezu ideales lineares Verhalten.
Neben dem Mangel an preiswerten Packaging-Konzepten auf Waferebene stellt die mangelnde Langzeitstabilität vieler HF-MEMS-Schalter ein zentrales Problem dar. MEMS-Schalter sind sehr komplexe Bauelemente. Analog zu Beschleunigungs- oder Drehratensensoren beruhen sie auf freistehenden beweglichen Strukturen, deren mechanische und elektrische Eigenschaften ausreichend gut und deren Maßhaltigkeit ausreichend hoch sein müssen. Weiterhin kommen in MEMS-Schaltern funktionsbedingt Oberflächen wiederholt in Kontakt miteinander, so dass auch Adhäsion und Reibung sowie durch starke elektrische Felder induzierte Effekte eine wesentliche Rolle spielen. Da die Signalfrequenzen im GHz-Bereich liegen, ist der elektrische Widerstand von Polysilizium, des bevorzugten Materials für Beschleunigungs- oder Drehratensensoren, für HF-MEMS-Schalter viel zu hoch. Für die freistehenden Strukturen von HF-MEMS-Schaltern werden daher Metalle verwendet, überwiegend Au, Al oder Al-Legierungen. Das schränkt die Möglichkeiten der Herstellung derartiger Schalter sehr stark ein, da die Prozesstemperaturen aufgrund der geringen thermischen Stabilität dieser Materialien auf unter 400°C beschränkt bleiben müssen.
Im einfachsten Fall besteht ein HF-MEMS-Schalter aus einer freistehenden metallischen Membran, die durch beliebig geformte metallische Aufhängungen über einer metallischen Signalleitung auf einem Substrat gehalten wird. Auf der Signalleitung befindet sich unterhalb der Membran eine dünne dielektrische Schicht. Der Abstand zwischen der Membran und der Signalleitung ist sehr gering, kann im Ruhezustand bspw. 2–3 μm betragen. In diesem Zustand ist die Kapazität sehr gering und über die Signalleitung laufende HF-Signale können den Schalter nahezu unbeeinflusst passieren. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen Membran und Signalleitung kann die Membran zur Signalleitung gezogen werden. Ist die dadurch induzierte Kapazitätsänderung groß genug, wird die Signalleitung blockiert und die HF-Signale werden nahezu vollständig reflektiert. Der wichtigste Parameter des Schalters ist das Verhältnis der Kapazitäten im On- bzw. Off-Zustand, der sog. On-Off-Ratio. Für den Mobilfunkbereich (0,8–2,4 GHz) muss er mindestens 100 betragen, um die Signalverluste im On-Zustand gering zu halten. Bei Übertragungsfrequenzen ab etwa 10 GHz ist zumeist ein On-Off-Ratio von 30–40 ausreichend. Bestimmt wird der On-Off-Ratio vor allem durch die Dicke und die Dielektrizitätskonstante ε_r der dielektrischen Schicht sowie die Rauhigkeit der in Kontakt kommenden Flächen, d. h. der Oberseite der dielektrischen Schicht und der Unterseite der Membran. Je dünner das Dielektrikum und je höher dessen ε_r ist, umso größer ist der On-Off-Ratio.
Da die Signalleitung aus einem Metall besteht, kann nicht jede in der IC-Technologie verfügbare dielektrische Schicht darauf aufgebracht werden. Wie bereits ausgeführt, ist die Abscheidetemperatur des Dielektrikums auf maximal 400°C begrenzt. In vielen Fällen wird der unmittelbar unter der Membran befindliche Teil der Signalleitung aus einem nicht besonders gut leitenden jedoch hoch schmelzenden Metall, wie bspw. W, Ti, Ta oder Pt, gefertigt und beidseitig des Schaltbereichs anschließend mit einem hochleitenden Metall fortgesetzt. Im Temperaturbereich bis 400°C stehen in der IC-Technologie standardmäßig Niedertemperatur-LPCVD-Prozesse für dotierte und undotierte SiO₂-Schichten wie LTO oder PSG und PECVD-Prozesse für SiO₂, Si₃N₄ oder dotierte Oxide wie PSG und BPSG zur Verfügung. Auch Sputtern ist zur Abscheidung dielektrischer Schichten geeignet, hat sich jedoch für die genannten Materialien nicht etabliert. Desweiteren können die unterschiedlichsten Schichten auch durch Sol-Gel-Verfahren, laserinduzierte Abscheidung und andere Prozesse hergestellt werden.
Stand der Technik
Das derzeit am häufigsten eingesetzte Dielektrikum für kapazitive HF-MEMS-Schalter ist das PECVD-Si₃N₄. Es ist in jeder IC-Fertigung standardmäßig verfügbar, kann in hoher Qualität in Schichtdicken ab 100 nm hergestellt werden, hat ein ε_r von 6–7 und zeichnet sich durch eine relativ hohe chemische Beständigkeit aus. Ein Beispiel für einen kapazitiven HF-MEMS-Schalter sowie das Verfahren zu dessen Herstellung kann der Veröffentlichung von Z. J. Yao et al., „Micromachined low-loss microwave switches", IEEE Journal of Microelectromech. Sys., Vol. 8, No. 2, 1999, Seiten 129–134, entnommen werden.
Bei dieser Wahl des Dielektrikums tritt jedoch das sog. Charging auf, die Injektion von Ladungsträgern unter dem Einfluss hoher elektrischer Felder bzw. deren dauerhaftes Trapping im Volumen der dielektrischen Schicht. Die Ladungen verursachen zum einen eine Drift der zum Schalten erforderlichen Spannung und führen zum anderen nach einer gewissen Zeit zum Ankleben (Sticking) der Membran am Dielektrikum, d. h. zum Ausfall des Schalters. Die Rekombination der Ladungen kann Tage dauern. Ein Umpolen der Schaltspannung bei jedem Schaltvorgang verringert das Charging zwar beträchtlich, unterdrückt es jedoch nicht vollständig, da Injektions- und Rekombinationsmechanismen nicht gleichwertig sind. Früher oder später kommt es daher dennoch zum Ausfall des Schalters.
Neben dem PECVD-Si₃N₄ wurden bisher auch PECVD-SiO₂ sowie Ta₂O₅ als dielektrische Schichten in HF-MEMS-Schaltern eingesetzt, wobei letzteres elektrochemisch aufgebracht wurde. Weiterhin sind der Anmelderin HF-MEMS-Schalter mit PECVD-Al₂O₃ und BST, das mittels Laserdeposition aufgebracht wurde, als dielektrische Schichten bekannt. Zu diesen dielektrischen Schichten existieren jedoch bisher entweder keine Untersuchungen zum Charging und zur Langzeitstabilität oder die dielektrischen Schichten müssen mit sehr geringer Schichtdicke aufgebracht werden, um das erforderliche On-Off-Ratio zu erreichen wie im Falle von PECVD-SiO₂. Bei elektrochemisch hergestelltem Ta₂O₅ wurde ein erhebliches Charging festgestellt.
Die DE 103 10 342 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines einstellbaren Kondensators unter Verwendung von MEMS-Techniken. Damit soll ein kompakter und stoßsicherer Kondensator erhalten werden, der einen breiten, fein einstellbaren Kapazitätsbereich sowie einen hohen Q-Wert aufweist. Der Kondensator umfasst eine stationäre Elektrode, eine bewegliche Elektrode und eine dielektrische Schicht, die von der stationären Elektrode getragen wird. Die dielektrische Schicht kann aus einer Vielzahl von Materialien gebildet sein, bspw. auch aus Aluminiumnitrid. Bei dieser Druckschrift geht es weder um HF-Schaltelemente noch um die Verbesserung von dielektrischen Schichten hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität und ihres Chargings.
Auch die Veröffentlichung von M. A. Dubois et al., „Properties of aluminium nitride thin films for piezoelectric transducers and microwave filter application", Appl. Phys. Letters, 1999, Vol. 74, S. 3032–3034, befasst sich nicht mit dieser Problematik. In dieser Veröffentlichung wird der Einsatz dünner AlN-Schichten mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur in BAW (bulk acoustiv wave) Bauteilen wie piezoelektrischen Wandlern, Mikrowellen-Filtern und akustischen Resonatoren beschrieben.
A. Kaiser, „The potential of MEMS components for re-configurable RF interfaces in mobile communication terminals", Proc. an 27^th European Solid State Circuits Conference, (ESSCIRC 2001), Villach, Österreich 18.–20. Spetember 2001, beschreibt ein MEMS Bauteil mit einem beweglichen Element, das durch eine an federartigen Aufhängungen befestigte Membran gebildet ist. Diese Druckschrift befasst sich jedoch ebenfalls nicht mit der obigen Problematik.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung mikromechanischer HF-Schaltelemente sowie ein mit dem Verfahren herstellbares mikromechanisches HF-Schaltelement anzugeben, bei denen die dielektrische Schicht eine hohe Langzeitstabilität und ein geringes Charging aufweist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und dem mikromechanischen HF-Schaltelement gemäß den Patent ansprüchen 1 und 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des Schaltelements sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Verwendung einer speziell abgeschiedenen, piezoelektrischen AlN-Schicht als Dielektrikum auf der metallischen Fläche, bspw. einer Signalleitung, des Substrats. Das AlN wird hierbei derart abgeschieden, dass sich eine Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur sowie einer Textur auf der metallischen Fläche ausbildet. Vorzugsweise wird die dielektrische Schicht zu diesem Zweck aufgesputtert. Die Schichtdicke dieser speziell abgeschiedenen dielektrischen AlN-Schicht liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 100 und 500 nm.
Mit einer derartig aufgebauten bzw. abgeschiedenen dielektrischen Schicht lassen sich ein gegenüber PECVD-Si₃N₄ deutlich verringertes Charging sowie eine erheblich höhere Langzeitstabilität erreichen. Hierbei wurde erkannt, dass das Vorhandensein einer gewissen Kristallordnung im dielektrischen Material eine wesentliche Rolle für die Verringerung des Charging-Effektes spielt. Typische Merkmale einer derartigen Kristallordnung sind für dünne Schichten eine kolumnare, polykristalline Struktur sowie das Vorhandensein einer Textur, d. h. einer bevorzugten Ausrichtung der Kristalle. Allerdings wird diese Schichtstruktur in der Regel nur mit Materialien erreicht, die bei höheren, mit mikromechanischen HF-Schaltern inkompatiblen Temperaturen abgeschieden werden, wie bspw. Poly silizium. Die Erfinder des vorliegenden Verfahrens sowie des zugehörigen HF-MEMS-Schaltelements haben jedoch mit AlN ein Material gefunden, das sich auch bei tieferen Prozesstemperaturen mit einer derartigen Schichtstruktur auf einer metallischen Fläche abscheiden lässt. So werden bereits auf einem anderen technischen Gebiet zur Herstellung von BAW-Resonatoren (BAW: Bulk Acoustic Wave) Prozesse zur Herstellung qualitativ hochwertiger piezoelektrischer AlN-Schichten beschrieben (siehe z. B. R. Jakkaraju et al., „Integrated approach to electrode and AlN depositions for bulk acoustic wave (BAW) devices", Microelectronic Engineering, 2003, Vol. 70, S. 566–570), die sich auch für die vorliegende Anwendung einsetzen lassen. Die hierbei erhaltenen dünnen AlN-Schichten weisen zudem eine hohe Homogenität der Eigenschaften, der Schichtdicke und der intrinsischen Spannungen auf.
Bei der Herstellung von mikromechanischen HF-Schaltelementen mit den auf diese Weise erzeugten piezoelektrischen AlN-Schichten wurden besonders gute Ergebnisse bei einer Abscheidung auf metallischen Flächen aus Platin erzielt. Bei dieser bevorzugten Kombination ergibt sich eine besonders glatte Oberfläche der dielektrischen Schicht, die ebenfalls zur Erhöhung der Langzeitstabilität des Schaltelements beiträgt.
Das vorliegende mikromechanische HF-Schaltelement weist in bekannter Weise ein freistehendes bewegliches Element auf, bspw. eine Membran oder eine Biegebalkenanordnung, das an geeigneten Aufhängungen über einer metallischen Fläche auf einem Substrat befestigt ist. Die Dimensionen und das Material der Aufhängungen sowie des beweglichen Elementes sind dabei so gewählt, dass dieses Element durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischen Fläche und dem beweglichen Element durch elektrostatische Anziehung zur metallischen Fläche gezogen wird. Auf der metallischen Fläche ist beim vorliegenden HF-Schaltelement eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur sowie einer Textur als dielektrische Schicht aufgebracht. Die metallische Fläche selbst ist dabei je nach Funktion des Schaltelementes Bestandteil einer HF-Signalleitung oder kann auch lediglich mit einer Steuerleitung zur gesteuerten Bewegung des freistehenden Elementes verbunden sein. Grundsätzlich lässt sich das vorliegende Schaltelement als kapazitiver HF-Schalter oder auch als anderer elektrostatisch betätigter HF-Schalter ausgestalten, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorliegende HF-Schaltelement wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines kapazitiven HF-Schaltelements in perspektivischer Ansicht sowie
2 eine schematische Darstellung eines kapazitiven HF-Schaltelements in Draufsicht.
Wege zur Ausführung der Erfindung
In der schematischen Darstellung eines kapazitiven HF-MEMS-Schalters der 1 ist das Substrat 1 zu erkennen, auf dem eine Signalleitung 2 für die Übermittlung der HF-Signale als metallische Schicht aufgebracht ist. Beidseitig dieser Signalleitung 2 sind Aufhängungen 4 auf dem Substrat 1 aufgebaut, die eine metallische Membran 5 als freistehendes bewegliches Element des Schalters in einem Abstand über der Substratoberfläche halten. Die metallischen Aufhängungen 4 sind so dimensioniert, dass die Membran 5 nur wenige μm über der Signalleitung 2 schwebt. Unterhalb der Membran 5 ist ein Dielektrikum 3 auf der Signalleitung 2 aufgebracht, die gemäß dem vorliegenden Verfahren erzeugt wurde. Dieses Dielektrikum ist somit eine vorzugsweise aufgesputterte, piezoelektrische AlN-Schicht, die eine kolumnare, polykristalline Struktur mit einer Textur aufweist.
Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der Signalleitung 2 und der Membran 5 wird die Membran 5 auf das Dielektrikum 3 heruntergezogen, wodurch auf der Signalleitung 2 übertragene HF-Signale an dieser Stelle reflektiert und somit blockiert werden. Bei Abschalten der Spannung löst sich die Membran 5 aufgrund der mechanischen Eigenspannung wieder vom Dielektrikum, so dass die HF-Signale wieder passieren können. Zur Unterstützung des Schaltvorganges können zusätzlich Schaltelektroden 6 auf dem Substrat 1 unter der Membran 5 ausgebildet sein, die ebenfalls mit einer dielektrischen Schicht versehen sind.
2 zeigt ein Beispiel für die Ausgestaltung eines HF-MEMS-Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Die Membran 5 ist in diesem Beispiel aus Nickel gebildet und hat eine Dicke von ca. 1 μm. Auch die federartigen Aufhängungen 4 bestehen aus Nickel. Sie weisen eine Dicke von etwa 15 μm auf und halten die Membran 5 in einem Abstand von ca. 3 μm über der Substratoberfläche. Die metallischen Zuleitungen sind aus Gold als CPW (Coplanar Wave Guide) ausgeführt, d. h. sie setzen sich aus der zentralen Signalleitung und den sog. Ground Lines 7 rechts und links der Signalleitung 2 zusammen. Auf diesen Ground Lines 7 sind auch die Aufhängungen 4 verankert. Im Bereich unterhalb der Membran 5 ist die piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur als Dielektrikum 3, im vorliegenden Beispiel mit einer Schichtdicke von 200 nm, auf die Signalleitung 2 aufgebracht.
Unterhalb der Membran 5 befinden sich zwei Schaltelektroden 6, die zum Herunterschalten der Membran 5 eingesetzt werden und über Anschlusspads 8 kontaktierbar sind. Die Schaltelektroden 6 sind ebenfalls mit einem Dielektrikum versehen, das sich aus der dielektrischen AlN-Schicht und einem zusätzlichen 250 nm dicken PECVD-Nitrid zusammensetzt. Durch den Einsatz der Schaltelektroden 6 müssen zwischen der Signalleitung 2 und der Membran 5 keine hohen Schaltspannungen sondern nur noch vergleichsweise geringe Haltespannungen angelegt werden.
Der Schaltvorgang erfolgt in der folgenden Weise. Zunächst wird die Haltespannung an die Signalleitung 2 angelegt. Diese Haltespannung kann eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine Kombination beider Spannungen sein. Die Membran 5 des Schalters bleibt dabei noch in der oberen Position (Up-Position). Durch einen kurzen Gleichspannungsimpuls an den Schaltelektroden 6 wird die Membran 5 nach unten gezogen (Down-Position). Sie verbleibt in dieser Down-Position, bis die Haltespannung abgeschaltet wird. Danach kehrt sie wieder nach in die Up-Position zurück.
Bei einem Vergleich eines derartigen HF-Schalters mit der vorliegend vorgeschlagenen AlN-Schicht mit einem identisch aufgebauten HF-Schalter mit einer 110 nm dicken PECVD Si₃N₄-Schicht als Dielektrikum konnte ein deutlich besseres Schaltverhalten sowie ein erheblich geringeres Charging des vorliegenden Schalters nachgewiesen werden. Insbesondere muss im Unterschied zu dem PE-Nitrid bei dem vorliegend gewählten Dielektrikum die Polarität des Gleichspannungsanteils der Haltespannung nicht bei jedem Schaltvorgang gewechselt werden. Beim Halten der Membran bleibt ein Kapazitätsabfall aus. Die Membran bleibt unten, solange die Haltespannung anliegt. Nach Abschalten der Haltespannung springt die Membran sofort nach oben zurück, auch nach einer Haltezeit von über 1 Stunde. Im Gegensatz dazu löst sich die Membran bei Einsatz eines Dielektrikums aus PE-Nitrid bereits nach wenigen Sekunden selbsttätig wieder ab. Dieses Verhalten geht auf das erhebliche Charging des PE-Nitrids zurück.

1: Substrat
2: Signalleitung
3: Dielektrikum
4: Aufhängung
5: Membran
6: Schaltelektroden
7: Ground-Lines
8: Anschluss für Schaltelektroden

Claims

Verfahren zur Herstellung mikromechanischer HF-Schaltelemente, die ein kapazitives und/oder elektrostatisches Wirkprinzip zwischen einem beweglichen Element (5) und einer metallischen Fläche (2) auf einem Substrat (1) nutzen, bei dem eine dielektrische Schicht (3) auf der metallischen Fläche (2) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) mit einer Schichtdicke zwischen 100 und 500 nm abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) aufgesputtert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) auf eine metallische Fläche (2) aus Platin abgeschieden wird.
Mikromechanisches HF-Schaltelement, bei dem ein freistehendes bewegliches Element (5) so über einer metallischen Fläche (2) auf einem Substrat (1) angeordnet ist, dass es durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen der metallischen Fläche (2) und dem beweglichen Element (5) zur metallischen Fläche (2) gezogen wird, auf der eine dielektrische Schicht (3) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) eine piezoelektrische AlN-Schicht mit einer kolumnaren, polykristallinen Struktur und einer Textur ist.
Mikromechanisches HF-Schaltelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (3) eine Schichtdicke zwischen 100 und 500 nm aufweist.
Mikromechanisches HF-Schaltelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fläche (2) aus Platin gebildet ist.
Mikromechanisches HF-Schaltelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Fläche (2) ein Abschnitt einer HF-Signalleitung ist.
Mikromechanisches HF-Schaltelement nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche Element (5) eine an federartigen Aufhängungen (4) über der metallischen Fläche (2) befestigte metallische oder metallisch beschichtete Membran ist.