DE102009047599A1

DE102009047599A1 - Elektromechanischer Mikroschalter zur Schaltung eines elektrischen Signals, mikroelektromechanisches System, integrierte Schaltung und Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung

Info

Publication number: DE102009047599A1
Application number: DE102009047599A
Authority: DE
Inventors: Mehmet Kaynak; Mario Dr. Birkholz; Bernd Dr. Tillack; Karl-Ernst Ehwald; René Dr. Scholz
Original assignee: IHP GmbH
Current assignee: IHP GmbH
Priority date: 2009-12-07
Filing date: 2009-12-07
Publication date: 2011-06-09
Also published as: EP2510532B1; WO2011069988A2; US20120280393A1; EP2510532A2; US9048052B2; KR20120101089A; WO2011069988A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System (MEMS) (100, 200) mit einem elektromechanischen Mikroschalter (1) zur Schaltung eines elektrischen Signals (S), insbesondere eines Radiofrequenz-Signals (RFMEMS), insbesondere im GHz-Bereich. Dieses weist erfindungsgemäss auf:
– einen auf einem Substrat (101, 201) angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel (102, 202), dessen Leiterbahnen (111–115, 211–215) in verschiedenen Leitungsebenen (M1–M5) mit elektrisch isolierende Schichten (103, 203) gegeneinander isoliert und über Via-Kontakte (104, 204) elektrisch miteinander verbunden sind,
– den in einer Ausnehmung (105, 205) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) integrierten elektromechanischen Schalter (1) mit einer Kontaktschwinge (10), einem Gegenkontakt (20) und wenigstens einer Antriebselektrode (30, 50) für die Kontaktschwinge (10), wobei die
Kontaktschwinge (10), der Gegenkontakt (20) und die wenigstens eine Antriebselektrode (30, 50) jeweils Teil einer Leitungsebene (M1–M5) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein mikroelektromechanisches System. Weiter betrifft die Erfindung eine integrierte Schaltung mit einem solchen mikroelektromechanischen System und ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung.
Ein mikroelektromechanisches System der Anmelderin ist z. B. aus der WO 2009/003958 bekannt.
Ein elektromechanischer Mikroschalter, wie er in der US 6,529,093 beschrieben ist, kann zur Schaltung eines Radiofrequenz-Signals, insbesondere im GHz-Bereich eingesetzt werden. Insbesondere für mikroelektronische Schaltungen, die mit Höchstfrequenzen im GHz-Bereich getaktet werden, ist es außerordentlich nützlich, über elektromechanische Mikroschalter zu verfügen, die es gestatten, ausgewählte elektrische Verbindungen gezielt an- und abzuschalten. In der oben genannten US 6,529,093 ist ein mikromechanischer Schalter beschrieben, der aus einem Cantilever aus Polysilizium besteht und der durch eine Elektrodenanordnung angetrieben wird, an die ein elektrisches Potential angelegt wird. Neben der Elektrodenanordnung zum Antrieb des Cantilevers wird dort eine zweite Elektrodenanordnung zum Schalten des RF-Signals vorgesehen. Zumindest eine der Elektroden eines Elektrodenpaares wird dabei mit einer dielektrischen Schicht versehen. Der Cantilever kann dabei auch als eine beidseitig eingespannte Brücke ausgeführt werden. Der für die Realisierung des Mikroschalters notwendige Schichtaufbau besteht dabei aus partiell aufgebrachten Schichten aus einem Dielektrikum, Leitmaterialien und Polysilizium. Auch in der US 6,639,488 wird ein RF-Mikroschalter beschrieben, dessen Schichtaufbau durch Aufbringen verschiedener dielektrischer und elektrisch leitender Schichten gekennzeichnet ist. Obwohl in beiden Schriften Herstellungsverfahren verwendet werden, die als CMOS-kompatibel zu bezeichnen sind, erfordern sie zur Herstellung der Mikroschalter Verfahrensschritte, die bei der Herstellung von mikroelektronischen Schaltungen nicht erforderlich sind.
Insbesondere bei Schaltungen, die mit der in der Halbleiterindustrie dominierenden CMOS-Technologie hergestellt werden und ihren Einsatz in der drahtlosen Datenübertragung und Kommunikation finden, werden häufig elektromechanische Schalter eingesetzt, die nicht zusammen mit elektronischen Schaltungen auf einem Chip integriert werden können. Wesentlich kostengünstiger und unter dem Aspekt der weiteren Miniaturisierung vorteilhaft wäre es allerdings, einen elektromechanischen Mikroschalter vorzusehen, der zudem in einer CMOS-kompatiblen Weise ausgeführt ist, so dass ein mikroelektromechanischer Mikroschalter im Laufe der Fertigung der mikroelektronischen Schaltung gleich mit hergestellt werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es wichtig, generell den CMOS-Fertigungsprozess zu verstehen, welcher in einen Front-End of Line (FEoL) und einen Back-End of Line (BEoL) Bereich unterteilt ist. Während die Prozessschritte des FEoL-Bereichs mit der Fertigung der Transistoren direkt auf der Oberfläche des Siliziumsubstrates befasst sind, werden im BEoL-Bereich die Transistoren durch elektrische Leitungen miteinander verbunden. Insbesondere werden solche Verbindungen aus der Strukturierung von horizontalen Metallebenen und vertikalen Leitungen (sogenannte Vias) gefertigt, die in elektrisch isolierende Schichten zwischen den horizontalen Metallebenen eingebettet sind. Nun unterscheiden sich die in den beiden Bereich FEoL und BEoL durchgeführten Prozesse ganz erheblich in ihrem thermischen Budget, insbesondere in der Höhe und Dauer der verwendeten Prozesstemperaturen. So treten im FEoL-Bereich sehr hohe Prozesstemperaturen auf, die im BEoL-Bereich nicht mehr erreicht werden, um die komplexen Transistoraufbauten nicht durch Interdiffusionsprozesse zu zerstören.
Die oben genannten Lösungen realisieren wie erläutert einen elektromechanischen Mikroschalter auf Basis von Silizium, dessen Herstellung im Rahmen der FEoL-Prozesse erfolgen muss. Unter prozesstechnischen Gesichtspunkten wäre die Herstellung eines elektromechanischen Mikroschalters jedoch im BEoL-Bereich wesentlich vorteilhafter.
In der US 6,667,245 wird ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-RF-Schalters beschrieben, bei dem im BEoL-Prozess Vias als Konstruktionselemente eines Schalters verwendet werden.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Vorrichtung zur Schaltung eines elektrischen Signals und ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung anzugeben, die so ausgebildet sind, dass eine Herstellung CMOS-prozesskompatibel im BEoL-Bereich erfolgen kann. Insbesondere soll die Vorrichtung zur Schaltung von Signalen, insbesondere von Radiofrequenz-Signalen, im GHz-Bereich, geeignet sein.
Betreffend die Vorrichtung wird die Aufgabe der Erfindung mittels eines mikroelektromechanisches Systems (MEMS) mit einem elektromechanischen Mikroschalter zur Schaltung eines elektrischen Signals, insbesondere eines Radiofrequenz-Signals (RFMEMS), insbesondere im GHz-Bereich, gelöst, welches aufweist:

– einen auf dem Substrat, insbesondere Siliziumsubstrat, angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel, dessen Leitbahnen über elektrisch isolierende Schichten gegeneinander isoliert und über Via-Kontakte elektrisch miteinander verbunden sind, insbesondere auch mit elektrischen Schaltungen, die auf/in dem Substrat oder dergleichen. angebracht sein können,
– den in einer Ausnehmung des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels integrierten elektromechanischen Schalter mit einer Kontaktschwinge, einem Gegenkontakt und wenigstens einer Antriebselektrode für die Kontaktschwinge, wobei die Kontaktschwinge, der Gegenkontakt und die wenigstens eine Antriebselektrode jeweils Teil einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels ist.

Das mikroelektromechanische System (MEMS) ist insbesondere zur Schaltung eines elektrischen Signals in Form eines Radiofrequenz-Signals als radiofrequenzmikroelektromechanisches System (RFMEMS), insbesondere zur Schaltung von hochfrequenten Signalen im GHz-Bereich ausgelegt.
Die Erfindung führt auch auf die Integration einer elektronischen Schaltung mit einem mikroelektromechanischen System, wobei bevorzugt zur Lösung der Aufgabe die elektronische Schaltung in Form einer integrierten CMOS-Schaltung ausgeführt ist.
Betreffend das Verfahren wird die Aufgabe durch die Erfindung mittels einem Verfahren der Eingangs genannten Art gelöst, wobei die Herstellung der integrierten Schaltung in einem CMOS-Fertigungsprozess erfolgt, der die Schritte aufweist:

– Herstellen der integrierten Schaltung in einem FEoL-Prozess mit einer Vielzahl von elektronischen Schaltelementen, und
– elektrisches Kontaktieren der elektronischen Schaltelemente in einem BEoL-Prozess, wobei erfindungsgemäß der elektromechanische Mikroschalter in einem BEoL-Prozess in einer Ausnehmung des Mehrebenen-Leitbahnstapels integriert wird und die Kontaktschwinge, der Gegenkontakt und die wenigstens eine die Kontaktschwinge aktivierende Antriebselektrode jeweils Teil einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels ist.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass bisher gewählte Ansätze zur Realisierung eines mikroelektromechanischen Schalters auf Basis von Silizium oder aus dem Volumenmaterial von Silizium nicht geeignet sind, einen mikroelektromechanischen Schalter CMOS-kompatibel in einem BEoL-Bereich darzustellen. Die Erfindung hat erkannt, dass es möglich ist, einen elektromechanischen Mikroschalter durch geeignete Wahl der Mikroschalter-Materialien unter Ausnutzung der für die Verbindung der elektronischen Bauelemente verwendeten Schichtfolge vorteilhaft in einem BEoL-Bereich zu integrieren. Die Erfindung hat auch erkannt, dass es mit den in den letzten Jahren verfügbar gewordenen Prozesstechnologien es in der Tat realisierbar ist, geeignete elektromechanische Mikroschalter in mikroelektromechanischen Systemen zu integrieren bzw. auszuführen, wie eines im Prinzip z. B. aus WO 2009/003958 bekannt ist. Dabei haben sich elektromechanische Systemtechnologien der Anmelderin mit der Herausarbeitung von mechanisch beweglichen Strukturen aus dem Volumenmaterial, insbesondere von Siliziumscheiben, befasst.
Die Nutzung einer Schichtfolge für die Ausgestaltung des elektromechanischen Mikroschalters führt erfindungsgemäß zu einer vorteilhaften Ausgestaltung der einzelnen Funktionselemente des elektromechanischen Mikroschalters, wie der Kontaktschwinge, des Gegenkontakts und der Antriebselektroden für den Kontakt. Die Kontaktschwinge ist in vorteilhafter Weise elastisch beweglich und leitfähig ausgeführt. Der Gegenkontakt ist vorteilhaft im Abstand zur Kontaktschwinge ausgeführt, insbesondere in Form eines festen und starren Gegenkontakt-Sockels.
Die Funktionsweise des Mikroschalters innerhalb des mikroelektromechanischen Systems erfolgt in bevorzugter Weise derart, dass mittels einer oder mehrerer vorgesehener Antriebselektroden, die bezogen auf die Oberfläche des z. B. Siliziumsubstrates Unter- oder oberhalb der Kontaktschwinge angebracht werden können, die Kontaktschwinge bewegbar ist. Dies erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Potenzials zwischen der wenigstens einen Antriebselektrode und der Kontaktschwinge, so dass aufgrund elektrostatischer Kräfte eine elastische Bewegung der Kontaktschwinge erfolgt und die kapazitive Kopplung über den Abstand zwischen dem Gegenkontakt und Kontaktschwinge verändert wird. Dies führt zur Schaltung eines elektrischen Signals, das auf dem Gegenkontakt und/oder der Kontaktschwinge geführt sein kann. Vorteilhaft kann die Kontaktschwinge auf Masse gelegt sein und der Gegenkontakt zwischen verschiedenen Potentialen geführt sein – bei kleiner werdenden Abstand zwischen Kontaktschwinge und Gegenkontakt erfolgt somit eine kapazitive Kopplung der Signalleitung mit Masse.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht in besonders bevorzugter Weise die Kombination zweier Maßnahmen vor, die sich darüber hinaus für die Funktion des elektromechanischen Mikroschalters als besonders vorteilhaft erwiesen haben. Zum Einen kann vorgesehen sein, dass der Gegenkontakt (Sockel) an einem der Kontaktschwinge (Aktuator) zugewandten distalen Ende eine Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur aufweist. Diese Weiterbildung ermöglicht, eine solche MIM-Struktur unter anderem zum Schutz des Gegenkontakts als auch zur Verbesserung der Kontaktleistung ggfs. unter Erweiterung des Frequenzbereichs zu nutzen. Dabei lässt sich zudem das Schaltverhalten des elektromechanischen Mikroschalters vorteilhaft gestalten.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass die die Kontaktschwinge bewegende Antriebselektrode (als Teil einer Leitungsebene des Leiterbahn-Schichtstapels) auf einer der Kontaktschwinge zugewandten Seite eine Struktur aus Noppen mit dielektrischem Material aufweist. Diese lassen sich, wie von der Weiterbildung erkannt, innerhalb eines Prozessschrittes zur Freilegung einer Elektrode einer Leitbahn herstellen, ohne dass ein separater Prozessschritt zur Darstellung der Struktur aus Noppen erforderlich wäre. Grundsätzlich eignet sich die Struktur aus Noppen in vorteilhafter Weise dazu, eine unbeabsichtigte Kontaktierung zwischen der Antriebselektrode und der Kontaktschwinge – also einen ungewollten Kurzschluss – zu vermeiden. Zusätzlich eignen sich die Noppen dazu, die Antriebselektrode im Bereich der Antriebselektrode zu stützen bzw. einen Stopp für die Kontaktschwinge darzustellen. Der Prozessschritt zur Herstellung der Noppen kann beispielsweise im Rahmen eines Nassätzschrittes und ggfs. eines folgenden CO₂-Trockenprozesses erfolgen. Weitere Prozessschritte zur Darstellung der Noppenstruktur sind nicht erforderlich. Hinsichtlich der Struktur aus Noppen mit dielektrischem Material hat sich im Rahmen des Herstellungsverfahrens es als besonders vorteilhaft erwiesen, dass das dielektrische Material in Form eines Oxids des Materials einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels gebildet wird, insbesondere durch nasschemisches Ätzen gebildet wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich der genannten und weiterer Vorteile zu realisieren.
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass die Kontaktschwinge als Cantilever, z. B. in Form einer einseitigen Feder oder Brücke gebildet ist. Eine Brücke oder Feder (Cantilever) kann beispielsweise mit vergleichsweise gut ausgebildeten elastischen Eigenschaften versehen werden, um die elastische Bewegung der Kontaktschwinge zur Schaltung des Signals vorteilhaft zu gestalten. Dazu kann die Kontaktschwinge mit Ausnehmungen versehen sein. Insbesondere kann die Kontaktschwinge zur Integration des elektromechanischen Mikroschalters mit einer elektronischen Schaltung auf einem Chip durch Strukturierung einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels mit einer oder mehreren endseitigen Fixieraufhängungen versehen sein. Eine Fixieraufhängung sind beispielsweise als Ausleger der Kontaktschwinge ausgestaltet, Dabei ist es vorteilhaft, die Ausleger in einem Winkel ungleich 0° bzw. 180° zueinander anzuordnen, um Freiheitsgrade in der Beweglichkeit der Kontaktschwinge zu sperren und nur eine Bewegung in Schaltrichtung zuzulassen. Als vorteilhaft haben sich jeweils zwei endseitige Ausleger der Kontaktschwinge zur Bildung von Fixieraufhängungen erwiesen, die in einem Winkel von ca. 90° zueinander stehen.
Besonders vorteilhaft weist die Kontaktschwinge wenigstens einen von der Kontaktzone unterscheidbaren attraktiven Bereich auf. Die Kontaktzone ist dabei dem Gegenkontakt zugeordnet und dient der kapazitiven Kopplung von Kontaktschwinge und Gegenkontakt. Der wenigstens eine attraktive Bereich ist dagegen der aktivierenden Antriebselektrode zugeordnet und dient zur Aktivierung, d. h. Kraftausübung auf die Kontaktschwinge, um die Kontaktschwinge in Bewegung zu setzen.
Die Kontaktschwinge ist in vorteilhafter Weise durch Strukturierung einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leiterbahnstapels, gebildet und besteht vorzugsweise aus metallischen Material beispielsweise Aluminium. Die Darstellung der Kontaktschwinge aus einer metallischen Leitungsebene des Mehrebenen-Leiterbahnstapels lässt sich vorteilhaft im Rahmen des BEoL-Prozesses integrieren.
Grundsätzlich können eine oder mehrere die Kontaktschwinge aktivierende und/oder gegenaktivierende Antriebselektroden vorgesehen sein, die vorteilhaft aus der Strukturierung einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leiterbahnstapels gebildet sind. Beispielsweise kann im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung eine die Kontaktschwinge aktivierende Antriebselektrode bezogen auf die Oberfläche des Siliziumsubstrates unter der Kontaktschwinge angeordnet sein. Diese Weiterbildung führt dazu, dass zum Schließen des Schalters die Kontaktschwinge in einen „Ab-Zustand” gebracht wird und zum Öffnen des Schalters in einen „Auf-Zustand” gebracht wird. Zur Verbesserung des Schaltverhaltens kann – zusätzlich oder alternativ – eine weitere die Kontaktschwinge aktivierende und/oder gegenaktivierende Antriebselektrode in Abstand bezogen auf die Oberfläche des Siliziumsubstrates über der Kontaktschwinge angeordnet sein. Für den Fall, dass die dem Substrat abgewandte über der Kontaktschwinge angeordnete Antriebselektrode zusätzlich zur unteren substratseitigen Antriebselektrode vorgesehen ist, dient die obere Antriebselektrode als Rückzieh-Elektrode. Dadurch kann die Bewegung der Kontaktschwinge vom „Ab-Zustand” in den „Auf-Zustand” beschleunigt werden.
In bevorzugter Weise sind die verschiedenen Leitungsebenen des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels z. B. aus Aluminium zugleich als Trägerschichten für die Kontaktschwinge, des Gegenkontaktes, der aktivierenden und/oder gegenaktivierenden Antriebselektroden des elektromechanischen Mikroschalters ausgebildet. In besonders bevorzugter Weise können die metallischen Leitungsebenen wenigstens einseitig, vorzugsweise beidseitig beschichtet sein. In einer besonders bevorzugten Weiterbildung trifft dies für alle den elektromechanischen Mikroschalter bildenden metallischen Leitungsebenen zu, wenigstens im Bereich des Kontakts, des Gegenkontakts, der aktivierenden Antriebselektrode und der gegenaktivierenden Antriebselektrode. Die Beschichtung ist vorliegend vorteilhaft durch eine oder mehrere Schichten mit TiN und/oder Ti und/oder AlCu gebildet. Insbesondere hat sich eine Doppelschicht aus TiN-Ti als vorteilhaft erwiesen oder ein Sandwich aus TiN-AlCu-TiN.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Basis des Gegenkontakts mit isolierendem Material gebildet. Es hat sich gezeigt, dass bei Herstellung des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels das zwischen den Leitungsebenen angebrachte isolierende Material, beispielsweise ein dielektrisches Material, bevorzugt Si₃N₄ in vorteilhafter Weise auch zur Bildung der Basis des Gegenkontakts genutzt werden kann. In besonders vorteilhafter Weise ist die Basis des Gegenkontakts aus einer Abfolge einer ersten metallischen Leitungsebene, eines darauf gesetzten isolierenden Materials und einer zweiten metallischen Leitungsebene gebildet.
Die metallische Schicht des Gegenkontakts weist hinsichtlich der Kontaktes mit der Kontaktfläche der Kontaktschwinge ein besonders vorteilhaftes Schaltverhalten auf.
Weiter ist die Anbringung einer MIM-Struktur (Metall-Isolator-Metall-Struktur) auf einer Basis zur Bildung eines distalen Endes des Gegenkontakts mit Vorteil versehen. Dazu hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass die MIM-Struktur besteht aus:

– einer der Basis zugewandten Barriere-Schicht aus leitfähigem Material, insbesondere metallischem Material;
– einer der Kontaktschwinge zugewandten leitfähigen Kappe am distalen Ende;
– einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht.

Die Barriereschicht wird vorteilhaft als Schutz zwischen einer auf der Basis des Gegenkontakts angebrachten signalleitenden Metallschicht und der dielektrischen Schicht der MIM-Struktur genutzt. Die Kappe der MIM-Struktur dient vorteilhaft dem Schutz des Gegenkontakts. Vorteilhaft ist in Abwandlung dieser Weiterbildung die Kappe mit einer höheren Schichtdicke ausgeführt als die der Barriereschicht. Dadurch wird erreicht, dass in einem „Ab-Zustand” des Kontakts eine verlässlich definierte und vergleichsweise niedrige Kapazität realisiert ist. Zur weiteren Verbesserung des Kontaktverhaltens kann die leitfähige Kappe, insbesondere metallische Kappe, auch in Form einer Metallschichtstruktur gebildet sein, welche je nach Bedarf realisiert sein kann. Die Barriereschicht kann vorteilhaft von gleicher Art wie die Kappe sein. Die isolierende dielektrische Schicht Schicht der MIM-Struktur ist vorteilhaft ein Si₃N₄.
In besonders bevorzugter Weise lässt sich die Kontaktschwinge und/oder die Kappe aus einer metallisch leitfähigen Schicht oder Schichtkombination bilden, die Titannitrid und/oder Ti basiertes Material enthält, insbesondere aus einem Titannitridmaterial oder reinem Titan besteht. Insbesondere hat sich in einem „Ab-Zustand” des elektromechanischen Mikroschalters ein Titannitrid-Titannitrid (TiN-TiN) Kontakt oder TiN-Ti-Kontakt als vergleichsweise widerstandsfähig erwiesen.
So können die Kontaktschwinge und/oder die Kappe aus einer oder mehreren Schichten Ti, TiN und/oder AlCu gebildet sein. Diese Materialkombinationen haben sich als leicht zu prozessieren, höchst widerstandsfähig in einem „Ab-Zustand” und als vorteilhaft hinsichtlich des Schaltverhaltens erwiesen. Als besonders vorteilhaft für die Ausführung der Kontaktschwinge und der Kappe hat sich eine Sandwichstruktur aus TiN-AlCu-TiN erwiesen. Dabei ist es vorteilhaft, dass die gesamten Leitungsebenen des Leiterbahn-Schichtstapels in dieser Sandwichstruktur ausgeführt werden, also auch in den Bereichen, wo strukturierte Leitungsebenen zur elektrischen Verbindung von elektronischen Schaltungen verwendet werden.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Weiterbildung ist ein Abstand einer die Kontaktschwinge aktivierenden Leiteranordnung (Antriebselektrode) zum Kontakt größer gewählt als ein Abstand der Kontaktschwinge zum Gegenkontakt. Mit anderen Worten ist ein Abstand zwischen Gegenkontakt und Kontakt geringer als zwischen einer Antriebselektrode und Kontaktschwinge. Einem „Pull-in-Effekt”, d. h. einem Überschwingen der Kontaktschwinge vom „Auf-Zustand” in den „Ab-Zustand” beim Schließen des Schalters wird dadurch vorteilhaft entgegengewirkt.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung lässt sich der Abstand zwischen dem Gegenkontakt und der Kontaktzone der Kontaktschwinge sowie der Kapazität der MIM-Struktur auf dem Gegenkontakt derart bemessen, dass sich über den gesamten Abstand im Verlauf der Bewegung des Kontakt zwischen einem „Auf-Zustand” und „Ab-Zustand” ein weitgehend proportionaler Kapazitäts-Verlauf in Abhängigkeit von der Aktivierungsspannung zwischen Antriebselektrode und Kontaktschwinge ergibt. Der elektromechanische Mikroschalter lässt sich gemäß dieser Weiterbildung in vorteilhafter Weise als variable Kapazität mit definiertem Steuerspannungsverlauf nutzen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Der Einfachheit halber sind nachfolgend für identische oder ähnliche Teile oder Teile mit identischer oder ähnlicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung, diese zeigt in:
1 eine perspektivische Darstellung eines elektromechanischen Mikroschalters gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform für ein MEMS;
2 eine schematische Schnittdarstellung des elektromechanischen Mikroschalters zur Verdeutlichung des Aufbaus der Kontaktschwinge, des Gegenkontakts und der aktivierenden Antriebselektrode in der bevorzugten Ausführungsform;
3 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf den elektromechanischen Mikroschalter der 1 als Teil des MEMS zur Verdeutlichung der Funktion und der Signalwege;
4A, 4B, 4C ein Ersatzschaltbild des Mikroschalters der 3 mit dargestellten Signalwegen;
5, 6 eine Seitenansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines MEMS mit einem elektromechanischen Mikroschalter unter Zuordnung der Kontaktschwinge, des Gegenkontakts und der Antriebselektrode zu den einzelnen Leitungsebenen des Mehrebenen-Leitbahnstapels des MEMS bzw. mikroelektromechanischen Systems für Radiofrequenz-Signale (RFMEMS) sowie eine abgewandelte bevorzugte Ausführungsform, welche zusätzlich mit einer Rückzieh-Elektrode versehen ist;
7 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines MEMS mit einer speziell bevorzugten Schichtabfolge der Leitungsebenen des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapel des MEMS;
8A, 8B, 8C, 8D den elektromechanischen Mikroschalter der 1 mit einer symbolisch dargestellten Struktur aus Noppen mit dielektrischem Material (A) sowie Elektronen-Mikroskopieaufnahmen in unterschiedlichen Vergrößerungen (B), (C), (D) der Noppenstruktur;
9 eine schematische Darstellung des elektromechanischen Mikroschalters ähnlich wie 2 mit symbolisch dargestellter Bewegungsrichtung der Kontaktschwinge zum Gegenkontakt und symbolisch dargestellter kapazitiven Kopplung sowie Abstandsbereichen zur Realisierung einer definiert schaltbaren Region einer kapazitiven Kopplung;
10 eine beispielhafte Radiofrequenzcharakterisierung eines elektromechanischen Mikroschalters der bevorzugten Ausführungsform bei 24 GHz hin-sichtlich des Schaltverhaltens;
11 die Messanordnung zur Charakterisierung des MEMS der 10 mit elektromechanischen Mikroschalter.
Der in 1 bis 4C näher dargestellte Mikroschalter kann gemäß dem Konzept der Erfindung, wie es in einer ersten Ausführungsform in 5 und einer Abwandlung derselben in 6 dargestellt ist oder auch in einer zweiten Ausführungsform des MEMS, wie es in 7 dargestellt ist, durch Strukturierung der Leitungsebenen eines Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapel ausgeführt sein.
Insofern zeigen die 1 bis 4C als auch die Beispiel der 8A bis 8D und 9 Detailausschnitte einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS.
Der in 1 dargestellte elektromechanische Mikroschalter 1 setzt sich zusammen aus einer freitragenden, elastisch beweglichen, leitfähigen Kontaktschwinge 10, einem Gegenkontakt 20 sowie einer die Kontaktschwinge 10 aktivierenden Antriebselektrode 30. Die Kontaktschwinge 10 ist vorliegend in Form einer Brücke 14 gebildet, die eine Kontaktzone 13 sowie einen ersten attraktiven Bereich 11 und einen zweiten attraktiven Bereich 12 aufweist. Die attraktiven Bereiche 11, 12 sind jeweils einem ersten und zweiten Teil 31, 32 der aktivierenden Antriebselektrode zugeordnet, d. h. gegenüberliegend angeordnet. Das distale Ende 23 des Gegenkontakts 20 ist gegenüber der Kontaktzone 13 der Brücke 14 angeordnet. Die Kontaktschwinge 10 weist endseitig der Brücke 14 jeweils zwei Ausleger 15A, 15B bzw. 16A, 16B auf, welche die Brücke 14 am endseitigen Bereich der attraktiven Bereiche 11, 12 fixieren. Dazu laufen die Ausleger 15B, 16B bzw. 15A, 16A schräg von einem gemeinsamen Fixpunkt in verschiedene Richtungen und sind mit ihren Befestigungsabschnitten 15, 16 im Halbleitermaterial eines in 11 symbolisch dargestellten CMOS-Chips gehalten.
Bei Anlegen eines elektrischen Potenzials zwischen der Antriebselektrode 30 und der Kontaktschwinge 10 wird dieser zu einer elastischen Bewegung veranlasst, welcher eine kapazitive Kopplung der Kontaktzone 13 der Kontaktsschwinge 10 zum Gegenkontakt 20 verändert und somit zur Schaltung eines elektrischen Signals S in der Leitbahn 112 geeignet ist.
2 zeigt den elektromechanischen Mikroschalter entlang der Schnittlinie II-II in 1, wobei der Aufbau der Leitbahnen zur Bildung der Kontaktsschwinge, 10 des Gegenkontakts 20 und der Antriebselektrode 30 näher ersichtlich und weiter unten beschrieben ist. 3 und 4A, 4B, 4C erläutern die Funktion des Mikroschalters.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich ist, zeichnet sich der elektromechanische Mikroschalter 1 der vorliegenden Ausführungsform dadurch aus, dass die attraktiven Bereiche 11, 12 der Kontaktschwinge 10 von der Kontaktzone 13 der Kontaktschwinge 10 durch Schlitze 18 getrennt sind bzw. die Kontaktzone 13 separat zwischen den attraktiven Bereich 11, 12 angeordnet ist. Auf diese Weise wird separater, das Signal S beeinflussender Bereich 43 ausgebildet, dessen Größe im Wesentlichen durch die Kontaktzone 13 und das flächige distale Ende 23 des Gegenkontaktes 20 bestimmt wird. Der Bereich 43 ist damit von den elektrischen Kräften übertragenden Bereichen 41, 42 zwischen jeweils einem attraktiven Bereich 11, 12 bzw. einem Teil 31, 32 der aktivierenden Antriebselektrode 30 separiert.
Als Ersatzschaltbild ist schematisch in 4A mit (I) ein „Auf-Zustand” des elektromechanischen Mikroschalters 1 dargestellt, bei welchem ein Radiofrequenz-Signal den Gegenkontakt 20 von P1 nach P2 durchläuft, ohne dass die Kapazität zwischen dem Gegenkontakt 20 und der Kontaktzone 13 in der Lage ist, das Signal S wesentlich zu beeinflussen. Mit (II) ist in 4B symbolisch der Signalschluss eines RF-Signals für den „Ab-Zustand” des Kontakts 10 dargestellt – vorliegend findet das RF-Signal aufgrund der nun bestehenden kapazitiven ggfs. kontaktierenden Kopplung von Gegenkontakt 20 und der Kontaktzone 13 seinen Weg zu einem Masseanschluss, welcher an der Kontaktschwinge 10 anliegt.
Um eine elastische Bewegung der Kontaktsschwinge 10 in einem bevorzugten dynamischen Bereich zu fördern bzw. zu ermöglichen, ist die Kontaktschwinge 10, wie aus 1 ersichtlich, mit einer Anzahl von Ausnehmungen 17 oder Schlitzen 18 versehen, welche das Widerstandsmoment der Federwirkung der Kontaktschwinge 10 verringern. Die Schlitze 18 dienen darüber hinaus der oben erläuterten Trennung zwischen attraktiven Bereichen 11, 12 und der Kontaktzone 13 der Brücke 14. Im Falle des „Auf-Zustands” des elektromechanischen Mikroschalters 1 – d. h. im Falle geringer kapazitiver Kopplung mit dem übertragenen Signal beträgt die Kapazität zwischen Gegenkontakt 20 und der Kontaktschwinge 10 etwa zwischen 50 bis 500 fF. In einem „Ab-Zustand” des elektromechanischen Mikroschalters 1 beträgt die Kapazität zwischen Gegenkontakt 20 mit einer MIM-Struktur am distalen Ende 23 und der Kontaktzone 13 etwa 1 bis 10 pF.
Der aus 2 schematisch ersichtliche bevorzugte Aufbau der Kontaktschwinge 10, des Gegenkontakts 20 und der Antriebselektrode 30 des elektromechanischen Mikroschalters 1 ergibt sich nach Vorgabe eines MEMS-Aufbaus gemäß dem Konzept der Erfindung aus der Strukturierung von Leitungsebenen eines Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels, der auf der Oberfläche eines Silizium-Substrates aufgebracht ist. Die Kontaktschwinge 10 ist vorliegend als Strukturierung der Leitungsebene M3 (3. Ebene des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels) ausgeführt, wobei die Leitungsebene M3 wiederum aus einer Sandwichstruktur aus einer mittigen Metallschicht sowie diese bedeckenden Deckschichten 19 besteht, welche vorliegend beidseitig der Metallschicht, beispielsweise Aluminium, angebracht sind. Die Deckschichten 19 sind in der vorliegenden Ausführungsform aus einem Titannitrid basierten Material, in diesem Fall TiN gebildet. TiN hat neben vorteilhaften mechanischen und schützenden Eigenschaften auch hervorragende Eigenschaften hinsichtlich des Kontaktverhaltens der Kontaktzone 13 zum Gegenkontakt 20. Die Brücke 14 ist somit vorliegend entsprechend 2 als dreischichtige Membran ausgebildet, welche durch die Sandwichanordnung in besonders vorteilhafter Weise weitgehend spannungsfrei bzw. besonders gut spannungskompensiert ist. In Ausführungsformen, kann die Brücke 14 bzw. die Kontaktschwinge 10 auch als Membran mit mehr als drei, beispielsweise wie in 7 dargestellt aus fünf Schichten ausgebildet sein.
Die Antriebselektrode 30 ist in jedem ihrer Teile 31, 32 durch Strukturierung der Leitungsebene M1 gebildet, die im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus Aluminium und einer Deckschicht 39 ebenfalls aus TiN gebildet wird.
Der Gegenkontakt 20 weist vorliegend eine Basis 21 aus einer Schicht eines nicht leitendem bzw. isolierendem Materials Si₃N₄ auf. Auf die Basis 21 werden durch Ausformung der Leitungsebene M2 entsprechend der Kontur des Gegenkontaktes 20 weitere Schichten aufgebracht, da die Leitungsebene M2 wiederum aus einer Sandwichstruktur einer Aluminium-Trägerschicht mit beidseitig aufgebrachten Zwischenschichten 22 beispielsweise aus TiN besteht. Auf der Fläche des distalen Endes 23 des Gegenkontakts 20 ist eine Abfolge aus zunächst einer der Basis zugewandten Barriereschicht 24 aus leitfähigem Material – vorliegend metallisches TiN – darauf eine dielektrische Schicht 25 und schließlich eine der Kontaktschwinge 10 zugewandte leitfähige Kappe 26 angeordnet. Die MIM-Abfolge aus leitfähiger Schicht 24, dielektrischer Schicht 25 und leitfähiger Kappe 26 ist vorliegend als besonderer Schutz des Gegenkontakts 20, zur Verbesserung der Kontakteigenschaften zum Kontakt 10 und zur Ausbildung einer definierten Schaltkapazität gebildet. Vorliegend ist die schützende leitfähige Kappe 26 aus einer dünnen Metallschicht aus TiN gebildet, die direkt auf der dielektrischen Schicht 25 durch einen entsprechenden Strukturierungsprozess angebracht ist. Die Kappe 26 kann jedoch in einer hier nicht gezeigten abgewandelten Ausführungsform auch aus einer Schichtabfolge von unterschiedlichen metallischen Materialien gebildet sein. Wenigstens die Fläche, die durch die Kappe 26 gebildet wird, überragt dabei seitlich die Fläche der Kontaktschwinge 10, wie dies beispielsweise in 3 erkennbar ist. Dadurch wird eine besonders zuverlässige Kontaktierung sichergestellt. Die dielektrische Schicht 25 zur Ausbildung der MIM-Struktur kann grundsätzlich aus jedem geeigneten dielektrischen Material gebildet sein. Darüber hinaus ist die dielektrische Schicht selbst vergleichsweise dünn, um im „Ab-Zustand” eine genau definierte, den Signalweg beeinflussende Kapazität Cs zu erhalten. Das hier dargestellte Konzept sieht somit vor, dass in einem „Ab-Zustand” das RF-Signal nur durch die durch die MIM-Struktur definierte Kapazität beeinflusst wird und zwar weitgehend unabhängig vom Übergangswiderstand zwischen Kontaktzone 13 und der Kappe 26.
Mit Bezug auf 5 ist der elektromechanische Mikroschalter 1 als Teil eines MEMS 100 vorliegend vollständig gemäß dem erfinderischen Konzept in einem BEoL-Prozess (Back-End of Line-Prozess) eines Standard-CMOS-BiCMOS-Prozesses gebildet. Dadurch ist eine vollständige Integration des elektromechanischen Mikroschalters zusammen mit elektronischen Bauelementen in einem Chip möglich. Das MEMS 100 weist einen auf einem Substrat 101 angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel 102 auf, dessen Leitungsebenen M1 bis M5 partiell im Flächenbereich 103 strukturiert sind, um Leiterbahnen 111 bis 115 zur Verbindung der elektronischen Bauelemente auszubilden. Die Leitungsebenen M1 bis M5 sind durch elektrisch isolierende Schichten 103 gegeneinander isoliert und über Via-Kontakte 104 miteinander verbunden. Der elektromechanische Mikroschalter 1 ist vorliegend in einer Ausnehmung 105 des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels 102 integriert. Dabei ist, wie aus der Zusammenschau der Leitungsebenen M1, M2, M3 ersichtlich – die Kontaktschwinge 10, der Gegenkontakt 20 und die die Kontaktschwinge aktivierende Antriebselektrode 30 jeweils strukturierter Teil einer Leitungsebene des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels 102. Während der auf dem Substrat 101 – z. B. Si – angeordnete Bereich der Transistorschaltungen 106 und/oder 108 in einem FEoL-Prozessabschnitt gefertigt wird, erfolgt die Verschaltung derselben untereinander und mit dem elektromechanischen Mikroschalters 1 im Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel 102 in einem BEoL-Prozessabschnitt. Diese direkte, induktivitätsarme Leitungsverbindung ist besonders vorteilhaft bei sehr hohen Frequenzen des RF-Signals. Die Leitbahnen 111 bis 115 sind vorliegend aus einem Aluminiummaterial, die Vias 104 aus einem Wolframmaterial und die isolierenden oder sonstigen Schutzschichten können aus einem Si₃N₄-Material gebildet sein.
6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform in einer vergleichbaren Ansicht wie 5. Gezeigt ist ein abgewandeltes mikroelektromechanisches System 100, bei dem für identische oder ähnliche Teile oder Teile identischer oder ähnlicher Funktion der Einfachheit halber gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Zusätzlich zur Anordnung des Kontakts 10 und Gegenkontakts 20 und der aktivierenden Antriebselektrode 30 ist bei dem elektromechanischen System 100 der 6 eine weitere den Kontakt 10 gegenaktivierende Antriebselektrode 50 als Rückziehelektrode vorgesehen. Die Rückziehelektrode ist vorliegend in einer aus 5 ersichtlichen Leitungsebene M4 des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels 102 integriert. Wie durch die Pfeile in den Kraft übertragenden Bereichen 41, 42 (3) ersichtlich ist, lässt sich durch die Rückziehelektrode die Kontaktschwinge 10 von einem „Ab-Zustand” beschleunigt in einen „Auf-Zustand” bringen, was die Schaltzeit des elektromechanischen Mikroschalters 1 im MEMS 100 erheblich erhöht. Dadurch wird es möglich, Radiofrequenzen selbst in einem hohen GHz-Bereich ohne Probleme zu schalten.
Es ist zu verstehen, dass die Zuordnung der Kontaktsschwinge 10, der aktivierenden Antriebselektrode 30 und des Gegenkontakts 20 zu den Leitungsebenen M3, M1, M2 in den vorliegenden Ausführungsformen nicht einschränkend zu verstehen ist, sondern variabel gewählt werden kann. So kann beispielsweise der Gegenkontakt 20 auch in einer M3-Metallschicht und die aktivierende Antriebselektrode 30 auch in einer Leitungsebene M2 angeordnet sein. Im Prinzip könnte jedoch auch die Kontaktschwinge 10 bezogen auf die Oberfläche des Siliziumsubstrates 101 unterhalb einer aktivierenden Antriebselektrode oder eines Gegenkontakts angeordnet sein. Solche Ausführungsbeispiele sind vorliegend nicht explizit dargestellt. Darüber hinaus muss die Zuordnung der Kontaktschwinge 10, der Gegenelektrode 20 und der Antriebselektrode 30 des elektromechanischen Mikroschalters 1 zu den Leitungsebenen M1 bis M5 des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels 102 nicht sequentiell erfolgen – vielmehr ist es auch möglich, dass zwischen den Kontakten angeordnete weitere Metallschichten keine direkte Funktion beim elektromechanischen Mikroschalter haben.
7 zeigt eine zweite Ausführungsform eines MEMS 200 mit einem gemäß dem Konzept der Erfindung integrierten elektromechanischen Mikroschalter 1. Das MEMS weist wiederum ein auf einem Substrat 201 angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel 202 auf, die durch eine SiO₂-Schicht 206, beispielsweise zur Anbringung von Applikationen abgedeckt ist. Der Bereich 206 und/oder 208 für Transistorschaltungen od. dgl. wird in einem FeOL Prozessabschnitt gefertigt. In einem BEoL-Prozess (BEoL) werden die Leitungsebenen M1 bis M5 und daraus durch Strukturierung z. B. durch Ätzen die Leitbahnen 211, 212, 213, 214, 215 gebildet und über Via-Kontakte 204 geeignet miteinander verbunden. Zwischen den Leitungsebenen M1 bis M5 des Leitbahnschichtstapels 202 sind abwechselnd elektrisch isolierende Schichten 203 angeordnet. Die isolierenden Schichten 203 sind vorliegend aus Si₃N₄, was sich auch in einem BEoL-Prozess leicht prozessieren lässt. Wie bereits anhand von 5 und 6 erläutert, ist der Mikroschalter 1 in einer Ausnehmung 205 des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels 202 integriert. Die Kontaktschwinge 10, der Gegenkontakt 20 sowie die Antriebselektroden 30 für die Kontaktschwinge 10 sind vorliegend durch Strukturierung der Leitungsebenen M1 bis M5 gebildet. Bei der Ausführungsform der 7 sind die Leitungsebenen M1 bis M5 in besonders bevorzugter Weise als metallische Trägerschicht z. B. aus Aluminium und beidseitigen Doppelschichten ausgebildet, Die Doppelschicht umfasst vorliegend jeweils eine Schicht aus Ti und eine Schicht aus TiN. Auf einer dem Substrat 201 zugewandten Seite der Leitungsebenen M1 bis M5 ist die metallische Trägerschicht z. B. aus Aluminium zunächst direkt mit einer ersten Schicht aus TiN, diese wiederum mit einer zweiten Schicht aus Ti beschichtet. Auf der dem Substrat 201 abgewandten Seite der Leitungsebenen M1, M2, M3, M4, M5 ist die als Doppelschicht ausgeführte Deckschicht nicht gespiegelt, d. h. zunächst wird die metallische Trägerschicht z. B. aus Aluminium mit Ti beschichtet und dann eine außenliegende TiN-Schicht aufgebracht.
Der Gegenkontakt 20 ist vorliegend zunächst als Sockel mit einer Basis aufgebaut, die eine Schichtabfolge entsprechend zunächst der Leitungsebene M1, darauf einer isolierenden dielektrischen Schicht 21 und dann die entsprechend strukturierte Leitungsebene M2. Dabei bildet die, bezogen auf das Si-Substrat, oberste TiN-Schicht der Leitungsebene M2 zugleich die untere Endschicht der MIM-Struktur, die auf dem Gegenkontakt 20 angeordnet ist. Die MIM-Struktur umfasst darüber hinaus eine dielektrische Schicht 25, die beispielsweise aus TiN-Si₃N₄ besteht, und eine weiteren TiN-Schicht als metallische Kappe 26. Die Einzelheiten der MIM-Struktur ist im vergrößerten Detail B der 7 dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Schichtabfolge 24, 25, 26 der MIM-Schicht aus einer Schichtabfolge von TiN-Si₃N₄ und TiN besteht. Dies hat ebenfalls zur Folge, dass bei Ausbildung der kapazitiven Kopplung zwischen der Kontaktschwinge 10 und dem Gegenkontakt 20 sich die dem Substrat zugewandte untere Ti-Schicht der Leitungsebene M3 und die dem Substrat abgewandte TiN-Schicht der MIM-Struktur gegenüberstehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Potentialbildung zwischen Ti-Schicht einerseits und TiN-Schicht andererseits bei einem elektromechanischen Mikroschalter der Ausführungsform entsprechend 7 besonders vorteilhaft ist.
8A zeigt einen elektromechanischen Mikroschalter 1, bei dem auf einer der Kontaktschwinge 10 zugewandten Seite der aktivierenden Antriebselektrode 30 eine Struktur 33 aus Noppen 34 vorliegt, welche in den vergrößerten Darstellungen der 8B, C, D näher zu erkennen sind. Diese auch als dielektrische Inseln oder Stützpfosten bezeichneten Noppen können ohne einen zusätzlichen Prozessschritt, insbesondere ohne eine Extra-Maske in einem üblichen BEoL-Prozess integriert hergestellt werden. Dazu sieht ein bevorzugtes Verfahren vorliegend vor, dass die Noppenstruktur 34 als Rest eines nasschemischen Ätzschrittes und einem anschließenden CO₂-Trockenprozesses bestehen bleibt. Die Noppen verhindern die kontaktierende Berührung zwischen der Kontaktzone 13 der Kontaktschwinge 10 einerseits und der aktivierenden Antriebselektrode 30 andererseits. Dadurch wird in vorteilhafter Weise ein Kurzschluss zwischen der Kontaktschwinge 10 und der Antriebselektrode 30 vermieden.
9 verdeutlicht die Schaltfunktion des elektromechanischen Mikroschalters 1 anhand der schematischen Darstellung, wie sie bereits in 2 gezeigt wurde. In Zusammenschau mit 3 wird bei Bewegung 3 der Kontaktschwinge 10 in Richtung des Gegenkontakts 20 aufgrund der von der Antriebselektrode 30 ausgelösten Kraft in den kraftattraktiven Bereichen 41, 42 die kapazitive Kopplung 4 zwischen der Kontaktzone 13 und dem distalen Ende 23 des Gegenkontakts 20 verändert. Die Kontaktschwinge 10 sowie die Antriebselektroden 30 sind elektrisch über die entsprechend strukturierte Leitungsebene M3 und Vias mit den elektronischen Schaltungsteilen des MEMS verbunden. Die kapazitive Kopplung zwischen der auf Massepotenzial liegenden Kontaktschwinge 10 und dem Gegenkontakt 20, der mit dem RF-Signalpfad verbunden ist, wird im wesentlichen nur durch den Abstand zwischen der Kontaktzone 13 und der Kappe 26 sowie durch die als MIM-Struktur ausgebildete dielektrische Schicht 25 des Gegenkontakts 20 definiert. Berührt die Kontaktzone 13 die Kappe 26 der MIM-Struktur auf dem Gegenkontaktes 20 in einem „Ab-Zustand” des elektromechanischen Mikroschalters 1, wird ein effektiver Kontakt zwischen der Kontaktzone 13 mit der Deckschicht 19 aus Ti und der Kappe 26 aus TiN auf dem Gegenkontakt 20 hergestellt werden. Diese ermöglicht eine in 4A, 4B schematisch dargestellte Schaltung eines RF-Signals. Der Abstand zwischen der Kappe 26 auf dem Gegenkontakt 20 und der Kontaktzone 13 der Kontaktschwinge 10 ist dabei kleiner als der Abstand zwischen der aktivierenden Antriebselektrode 30 und der Kontaktschwinge 10, wodurch eine relativ große Aktivierungsspannung (Pull-down-Spannung) zwischen der aktivierenden Antriebselektrode 30 und der Kontaktschwinge 10 benötigt wird. Die Kappe 26 aus TiN wird automatisch als Stoppschicht für die Kontaktzone 13 der Kontaktschwinge 10 genutzt, da eine aus 11 ersichtliche Höhendifferenz zwischen dem Gegenkontakt 20 und der Antriebselektrode 30 besteht.
10 zeigt eine beispielhafte Messung zum Schaltverhalten des elektromechanischen Mikroschalters bei 24 GHz über den Abstand A entsprechend 9. Die Messanordnung für den elektromechanischen Mikroschalter ist in 11 gezeigt. Bei 24 GHz führt dies zu einer Dämpfung des RF-Signals um –25 dB und einem mechanisch stabilen Verhalten bei einer Aktivierungsspannung von bis zu 30 V, ohne dass ein ungewolltes Blockieren oder Haften des Kontakts 10 am Gegenkontakt 20 oder der Antriebselektrode 30 festgestellt wird. Die sogenannte Pull-in-Voltage – d. h. diejenige Spannung, bei welcher der Schalter von einem „Auf-Zustand” in einen „Ab-Zustand” übergegangen ist – liegt vorliegend bei etwa 17 bis 18 V. Bei einen Arbeitsbereich der Aktivierungsspannung vorliegend zwischen 10–15 V ist ein nahezu linearer Verlauf der Kapazität zwischen Gegenelektrode 20 und der Kontaktschwinge 10 festzustellen, was für eine Applikation der erfindungsgemäßen elektromechanischen Mikroschalters als einstellbare Kapazität vorteilhaft ist. Eine entsprechende Schaltungsanordnung ist der 4C zu entnehmen.
Die maximale DC-Spannungsdifferenz zwischen dem Gegenkontakt 20 und der Kontaktschwinge 10 ist entsprechend geringer als die Aktivierungsspannung (Pull-down-Voltage) zwischen der aktivierenden Antriebselektrode 20 und der Kontaktschwinge 10.
Zusammenfassend ist ein mikroelektromechanisches System (MEMS) 100, 200 mit einem elektromechanischen Mikroschalter 1 zur Schaltung eines elektrischen Signals S, insbesondere eines Radiofrequenz-Signals (RFMEMS), insbesondere im GHz-Bereich, beschrieben worden, dass aufweist:

– einen auf einem Substrat 101, 201 angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel 102, 202, dessen Leiterbahnen 111–115, 211–215 in verschiedenen Leitungsebenen M1–M5 mit elektrisch isolierende Schichten 103, 203 gegeneinander isoliert und über Via-Kontakte 104, 204 elektrisch miteinander verbunden sind,
– den in einer Ausnehmung 105, 205 des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels 102, 202 integrierten elektromechanischen Schalter 1 mit einer Kontaktschwinge 10, einem Gegenkontakt 20 und wenigstens einer Antriebselektrode 30, 50 für die Kontaktschwinge 10, wobei die Kontaktschwinge 10, der Gegenkontakt 20 und die wenigstens eine Antriebselektrode 30, 50 jeweils Teil einer Leitungsebene M1–M5 des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels 102, 202 ist. Insgesamt ist vorliegend ein in einem BEoL-Prozessablauf integrierbares mikroelektromechanisches System (MEMS) 100, 200 für Radiofrequenz-Signale (RFMEMS) mit einem elektromechanischen Mikroschalter 1 beschrieben worden. Dieses ist in besonders vorteilhafter Weise mit einer Abfolge einer Metall-Isolator-Metall-Struktur am distalen Ende 23 des Gegenkontakts 20 ausgebildet und die Antriebselektrode 30 weist eine auf einer dem Kontakt 10 zugewandten Seite eine Struktur aus Noppen mit dielektrischem Material auf. Dadurch wird zum Einen das in 10 dargestellte besonders vorteilhafte Schaltverhalten erreicht und zum Anderen ungewolltes Blockieren des elektromechanischen Mikroschalters 1 vermieden.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2009/003958 [0002, 0013]
US 6529093 [0003]
US 6639488 [0003]
US 6667245 [0007]

Claims

Mikroelektromechanisches System (MEMS) (100, 200) mit einem elektromechanischen Mikroschalter (1) zur Schaltung eines elektrischen Signals (S), insbesondere eines Radiofrequenz-Signals (RFMEMS), insbesondere im GHz-Bereich, aufweisend: – einen auf einem Substrat (101, 201) angeordneten Mehrebenen-Leitbahnschichtstapel (102, 202), dessen Leiterbahnen (111–115, 211–215) in verschiedenen Leitungsebenen (M1–M5) mit elektrisch isolierenden Schichten (103, 203) gegeneinander isoliert und über Via-Kontakte (104, 204) elektrisch miteinander verbunden sind, – den in einer Ausnehmung (105, 205) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) integrierten elektromechanischen Mikroschalter (1) mit einer Kontaktschwinge (10), einem Gegenkontakt (20) und wenigstens einer Antriebselektrode (30, 50) für die Kontaktschwinge (10), wobei die Kontaktschwinge (10), der Gegenkontakt (20) und die wenigstens eine Antriebselektrode (30, 50) jeweils Teil einer Leitungsebene (M1–M5) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (20) an einem der Kontaktschwinge (10) zugewandten distalen Ende (23) eine Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur (24, 25, 26) aufweist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Mikroschalter (1) eine erste, die Kontaktschwinge aktivierende Antriebselektrode (30) und/oder eine zweite die Kontaktschwinge (10) gegenaktivierende Antriebselektrode (50) aufweist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Antriebselektrode (30, 50) die Kontaktschwinge (10) bewegbar ist; wobei bei Anlegen eines elektrischen Potenzials zwischen der Antriebselektrode (30) und der Kontaktschwinge (10) aufgrund einer elastischen Bewegung (3) der Kontaktschwinge (10) die kapazitive Kopplung (4) über den Abstand zwischen dem Gegenkontakt (20) und der Kontaktschwinge (10) zur Beeinflussung des elektrischen Signals (S) wenigstens auf dem Gegenkontakt (20), geändert wird
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die leitfähige Kontaktschwinge (10) und/oder der Gegenkontakt (20) und/oder die aktivierende Antriebselektrode (30) und/oder eine gegenaktivierende Antriebselektrode (50) des elektromechanischen Mikroschalters (1), insbesondere allesamt, eine durch eine Leitungsebenen (M1–M5)) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) gebildete Trägerschicht aufweist, die wenigstens einseitig, vorzugsweise zweiseitig, eine oder mehrere Schichten mit TiN und/oder Ti und/oder AlCu aufweisen, insbesondere eine Doppelschicht TiN-Ti oder insbesondere ein Sandwich aus TiN-AlCu-TiN.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die die Kontaktschwinge (10) aktivierende Antriebselektrode (30) und/oder eine die Kontaktschwinge (10) gegenaktivierende Antriebselektrode (50) des elektromechanischen Mikroschalters (1) auf einer der Kontaktschwinge (10) zugewandten Seite eine Struktur (33) aus Noppen (34) mit dielektrischem Material (25) aufweisen.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur (33) aus Noppen (34) mit dielektrischem Material (25) in Form eines Oxids eines Elektrodenmaterials einer Leitungsebene (M1–M5)) gebildet ist, insbesondere in Form eines durch nasschemisches Ätzen gebildeten Oxids.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschwinge (10) elastisch beweglich ist, insbesondere freitragend ist, vorzugsweise eine Kontaktzone (13) aufweist, welcher Teil einer elastisch beweglichen, leitfähigen Brücke (14) ist oder einer ein- oder zweiseitigen Feder od. dgl. Cantilever ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschwinge (10) des elektromechanischen Mikroschalters (1) eine Kontaktzone (13) und einen attraktiven Bereich (11, 12) aufweist, insbesondere eine Unterteilung in Form eines Schlitzes (18) od. dgl. zwischen den Bereichen (11, 12, 13) gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierende Antriebselektrode (30) des elektromechanischen Mikroschalters (1) im Abstand (A) substratseitig unter der Kontaktschwinge (10) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine gegenaktivierende Antriebselektrode (50) des elektromechanischen Mikroschalters (1) in Abstand auf einer dem Substrat abgewandten Seite über der Kontaktschwinge (10) angeordnet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Antriebselektrode (30) des elektromechanischen Mikroschalters (1) als aktivierende Antriebselektrode und eine zweite Antriebselektrode (50) als gegenaktivierende Antriebselektrode aufeinander abgestimmt auf die Kontaktschwinge (10) wirken können.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Bewegung der Kontaktschwinge (10) vorgesehene Antriebselektrode (30) und/oder weitere gegenaktivierende Antriebselektrode (50) des elektromechanischen Mikroschalters (1) mit einer metallischen, insbesondere Albasierten, Trägerschicht einer Leitungsebene (M1 bis M5) eines Leitbahnschichtstapels (101, 202) gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (20) des elektromechanischen Mikroschalters (1) als ein fester Sockel auf dem Substrat (101, 201) gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (20) des elektromechanischen Mikroschalters (1) eine Basis mit wenigstens einer Schicht isolierendem Material (21) und eine MIM-Struktur (MIM) (1) aufweist, wobei die MIM-Struktur besteht aus: – einer der Basis zugewandten Barriereschicht (24) aus leitfähigem Material, insbesondere metallischem Material, – einer der Kontaktschwinge (10) zugewandten leitfähigen Kappe (26) am distalen Ende (23), – einer dazwischen liegenden dielektrischen Schicht (25).
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine leitfähige Schicht der MIM-Struktur des elektromechanischen Mikroschalters (1), insbesondere eine Kappe (26) und/oder eine Barriereschicht (24), aus einer metallisch leitfähigen Schicht oder Schichtkombination gebildet ist, die ein Titannitrid- und/oder Titan- basiertes Material enthält.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine leitfähige Schicht der MIM-Struktur des elektromechanischen Mikroschalters (1) aus einer oder mehreren Schichten mit TiN und/oder Ti und/oder AlCu, insbesondere einer Doppelschicht TiN-Ti oder insbesondere einem Sandwich aus TiN-AlCu-TiN, gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (25) der MIM-Struktur des elektromechanischen Mikroschalters (1) aus einer oder mehreren Schichten mit Si₃N₄ gebildet ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A + B) einer die Kontaktschwinge (10) aktivierenden Antriebselektrode (30) zur Kontaktschwinge (10) größer als ein Abstand (A) der Kontaktschwinge (10) zum Gegenkontakt (20) ist.
Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) zwischen dem Gegenkontakt (20) und der Kontaktschwinge (10) derart bemessen ist, dass über den gesamten Abstand (A) in einem Arbeitsbereich ein nahezu linearer Zusammenhang zwischen der an der Antriebselektrode (30) und der Kontaktschwinge (10) anliegenden Aktivierungsspannung und der zwischen der Kontaktschwinge (10) und der Gegenelektrode (20) sich einstellenden Kapazität existiert.
Integrierte Schaltung, insbesondere integrierte CMOS-Schaltung, mit einem mikroelektromechanischen System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 20.
Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung nach Anspruch 21, in einem CMOS-Fertigungsprozess, aufweisend die Schritte: – Herstellen der integrierten Schaltung in einem FEoL-Prozess mit einer Vielzahl von elektronsichen Schaltelementen, und – elektrisches Kontaktieren der elektronischen Schaltelemente in einem BEoL-Prozess, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromechanische Mikroschalter (1) in dem BEoL-Prozess in einer Ausnehmung (105) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) integriert wird, wobei die Kontaktschwinge (10), der Gegenkontakt (20) und die wenigstens eine die Kontaktschwinge (10) aktivierende Antriebselektrode (30) jeweils Teil einer Leitungsebene (M1–M5) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 22, bei dem für den elektromechanischen Mikroschalter (1) die Struktur (33) aus Noppen (34) mit dielektrischem Material (25) in Form eines Oxids eines Elektrodenmaterials einer Leitungsebene (M1–M5) des Mehrebenen-Leitbahnschichtstapels (102, 202) ist., insbesondere durch nasschemisches Ätzen gebildet wird.