EP2510532B1 - Elektromechanischer mikroschalter zur schaltung eines elektrischen signals, mikroelektromechanisches system, integrierte schaltung und verfahren zur herstellung einer integrierten schaltung - Google Patents

Elektromechanischer mikroschalter zur schaltung eines elektrischen signals, mikroelektromechanisches system, integrierte schaltung und verfahren zur herstellung einer integrierten schaltung Download PDF

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EP2510532B1
EP2510532B1 EP10787759.9A EP10787759A EP2510532B1 EP 2510532 B1 EP2510532 B1 EP 2510532B1 EP 10787759 A EP10787759 A EP 10787759A EP 2510532 B1 EP2510532 B1 EP 2510532B1
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EP
European Patent Office
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contact
drive electrode
microelectromechanical system
conductive
pivot
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EP10787759.9A
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EP2510532A2 (de
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Mehmet Kaynak
Mario Birkholz
Bernd Tillack
Karl-Ernst Ehwald
René SCHOLZ
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IHP GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]

Definitions

  • the invention relates to a microelectromechanical system. Furthermore, the invention relates to an integrated circuit with such a micro-electro-mechanical system and a method for producing an integrated circuit.
  • a microelectromechanical system of the Applicant is z. B. from the WO 2009/003958 known.
  • An electromechanical microswitch as used in the US 6,529,093 can be used for switching a radio frequency signal, in particular in the GHz range.
  • a micromechanical switch is described which consists of a polysilicon cantilever and which is driven by an electrode arrangement to which an electrical potential is applied.
  • a second electrode arrangement is provided for switching the RF signal. At least one of the electrodes of an electrode pair is provided with a dielectric layer.
  • the cantilever can also be designed as a bridge clamped on both sides.
  • the necessary for the realization of the micro-switch layer structure consists of partially applied layers of a dielectric, conductive materials and polysilicon.
  • the layer structure is characterized by applying various dielectric and electrically conductive layers.
  • CMOS manufacturing process generally, which is divided into a front-end of line (FEoL) and a back-end of line (BEoL) area. While the process steps of the FEoL range are concerned with the production of the transistors directly on the surface of the silicon substrate, in the BEoL range, the transistors are connected to one another by electrical lines. In particular, such compounds are fabricated from the patterning of horizontal metal planes and vertical lines (so-called vias) embedded in electrically insulating layers between the horizontal metal planes. Now the processes carried out in the two areas FEoL and BEoL differ considerably in their thermal budget, in particular in the amount and duration of the process temperatures used. Very high process temperatures occur in the FEoL range, which are no longer reached in the BEoL range, in order not to destroy the complex transistor structures by interdiffusion processes.
  • FEoL front-end of line
  • BEoL back-end of line
  • the invention also leads to the integration of an electronic circuit with a microelectromechanical system, wherein preferably the electronic circuit is implemented in the form of an integrated CMOS circuit for achieving the object.
  • the invention is based on the consideration that previously chosen approaches for the realization of a microelectromechanical switch based on silicon or of the bulk material of silicon are not suitable for representing a microelectromechanical switch CMOS-compatible in a BEoL range.
  • the invention has recognized that it is possible to advantageously integrate an electromechanical microswitch in a BEoL range by suitable choice of the microswitch materials by utilizing the layer sequence used for the connection of the electronic components.
  • the invention has also recognized that with the process technologies available in recent years, it is indeed feasible to integrate or execute suitable electromechanical microswitches in microelectromechanical systems, such as, in principle, e.g. B. off WO 2009/003958 is known.
  • Applicants' electromechanical system technologies have dealt with the elaboration of mechanically movable structures from the bulk material, in particular from silicon wafers.
  • the use of a layer sequence for the design of the electromechanical microswitch leads according to the invention to an advantageous embodiment of the individual functional elements of the electromechanical microswitch, such as the contact rocker, the mating contact and the drive electrodes for the contact.
  • the contact rocker is advantageously carried out elastically movable and conductive.
  • the mating contact is advantageously carried out at a distance to the contact rocker, in particular in the form of a solid and rigid mating contact socket.
  • the operation of the microswitch within the microelectromechanical system is preferably such that by means of one or more provided drive electrodes, based on the surface of the z. B. silicon substrates under or above the contact rocker can be attached, the contact rocker is movable.
  • the contact rocker may be grounded and the mating contact between different potentials to be performed - with decreasing distance between contact rocker and mating contact thus takes place a capacitive coupling of the signal line to ground.
  • the mating contact has a metal-insulator-metal (MIM) structure on a distal end facing the contact rocker (actuator).
  • MIM metal-insulator-metal
  • the contact swing moving drive electrode (as part of a line level of the conductor layer stack) on a side facing the contact rocker has a structure of nubs with dielectric material.
  • nubs can, as recognized by the training, within a Produce process step for exposing an electrode of a conductive path, without a separate process step would be required to represent the structure of nubs.
  • the structure of nubs is advantageously suitable for avoiding unintentional contacting between the drive electrode and the contact rocker - that is, an undesired short circuit.
  • the nubs are suitable for supporting the drive electrode in the region of the drive electrode or to represent a stop for the contact rocker.
  • the process step for producing the dimples can take place, for example, in the context of a wet etching step and optionally a subsequent CO 2 drying process. Further process steps for displaying the nub structure are not required.
  • the dielectric material is formed in the form of an oxide of the material of a line level of the multilevel interconnect layer stack, in particular by wet-chemical etching.
  • the contact rocker as a cantilever, z. B. is formed in the form of a one-sided spring or bridge.
  • a bridge or spring (cantilever) for example, be provided with comparatively well-formed elastic properties in order to make the elastic movement of the contact rocker for switching the signal advantageous.
  • the contact rocker can be provided with recesses.
  • the contact rocker may be provided for integrating the electromechanical microswitch with an electronic circuit on a chip by structuring a line plane of the multilevel interconnect layer stack with one or more end fixing fixings.
  • a fixing suspension are designed, for example, as a boom of the contact rocker, It is advantageous to arrange the boom at an angle not equal to 0 ° or 180 ° to each other to lock degrees of freedom in the mobility of the contact rocker and only allow movement in the switching direction.
  • the boom has proven to be advantageous in each case two end arms of the contact rocker for the formation of Fixieraufhfitungen, which are at an angle of approximately 90 ° to each other.
  • the contact rocker has at least one distinguishable from the contact zone attractive area.
  • the contact zone is assigned to the mating contact and serves for the capacitive coupling of contact rocker and mating contact.
  • the at least one attractive region is assigned to the activating drive electrode and serves to activate, i. H. Applying force to the contact rocker to set the contact rocker in motion.
  • the contact rocker is advantageously formed by structuring a line level of the multilevel conductor track stack, and is preferably made of metallic material such as aluminum.
  • the representation of the contact rocker from a metallic line level of the multilevel interconnect stack can be advantageously integrated in the context of the BEoL process.
  • one or more of the contact rocker activating and / or counteracting drive electrodes may be provided, which are advantageously formed from the structuring of a line level of the multi-level conductor track stack.
  • a drive electrode activating the contact rocker can be arranged below the contact rocker with respect to the surface of the silicon substrate. This development means that the closing of the switch, the contact rocker is brought into a "down state” and is brought to open the switch in an "open state".
  • a further contact electrode activating and / or counteracting drive electrode may be arranged at a distance relative to the surface of the silicon substrate over the contact rocker, additionally or alternatively.
  • the upper drive electrode serves as a retraction electrode.
  • the different levels of the multi-level interconnect layer stack z. B. made of aluminum at the same time as a carrier layers for the contact rocker, the mating contact, the activating and / or counteracting drive electrodes of the electromechanical microswitch.
  • the metallic line levels can be coated on at least one side, preferably on both sides. In a particularly preferred development, this applies to all metallic line levels forming the electromechanical microswitch to, at least in the region of the contact, the mating contact, the activating drive electrode and the counteracting drive electrode.
  • the coating is advantageously formed by one or more layers with TiN and / or Ti and / or AICu.
  • a double layer of TiN-Ti has been found to be advantageous or a sandwich of TiN-AlCu-TiN.
  • the base of the mating contact is formed with insulating material.
  • the insulating material for example a dielectric material, preferably Si 3 N 4, which is applied between the line levels can also advantageously be used to form the base of the mating contact.
  • the base of the mating contact is formed from a sequence of a first metallic line level, an insulating material set thereon and a second metallic line level.
  • the metallic layer of the mating contact has a particularly advantageous switching behavior with respect to the contact with the contact surface of the contact rocker.
  • the barrier layer is advantageously used as protection between a signal-conducting metal layer attached on the basis of the mating contact and the dielectric layer of the MIM structure.
  • the cap of the MIM structure advantageously serves to protect the mating contact.
  • the cap is designed with a higher layer thickness than that of the barrier layer. This ensures that in a "down state" of the contact a reliably defined and comparatively low capacity is realized.
  • the conductive cap in particular metallic cap, also be formed in the form of a metal layer structure, which can be realized as needed.
  • the barrier layer may advantageously be of the same type as the cap.
  • the insulating dielectric layer layer of the MIM structure is advantageously a Si 3 N 4 .
  • the contact rocker and / or the cap can be formed from a metallically conductive layer or layer combination containing titanium nitride and / or Ti-based material, in particular consisting of a titanium nitride material or pure titanium.
  • a titanium nitride titanium nitride (TiN-TiN) contact or TiN-Ti contact has been found to be relatively resistant.
  • the contact rocker and / or the cap can be formed from one or more layers Ti, TiN and / or AICu. These combinations of materials have proven to be easy to process, highly resistant in an "off-state” and advantageous in terms of switching performance.
  • a sandwich structure of TiN-AlCu-TiN has proven to be particularly advantageous for the embodiment of the contact rocker and the cap. It is advantageous that the entire line levels of the conductor layer stack are performed in this sandwich structure, including in the areas where structured line levels are used for the electrical connection of electronic circuits.
  • a distance of a contact arrangement activating the contact armature (drive electrode) is selected to be greater than a distance of the contact rocker to the mating contact. In other words, a distance between mating contact and contact is less than between a drive electrode and contact rocker.
  • the distance between the mating contact and the contact zone of the contact rocker and the capacity of the MIM structure on the mating contact can be dimensioned such that over the entire distance in the course of movement of the contact between an "open state” and "Ab-state” results in a largely proportional capacity curve as a function of the activation voltage between the drive electrode and contact rocker.
  • the electromechanical Microswitch can be used according to this development advantageously as variable capacity with defined control voltage curve.
  • FIG. 1 to Fig. 4C micro-switch shown in detail, according to the concept of the invention, as in a first embodiment in Fig. 5 and a modification thereof in Fig. 6 or in a second embodiment of the MEMS as shown in FIG Fig. 7 is illustrated by structuring the conduction levels of a multi-level wiring layer stack.
  • FIGS. 8A to 8D and Fig. 9 Detail sections of a preferred embodiment of a MEMS.
  • electromechanical microswitch 1 is composed of a cantilevered, elastically movable, conductive contact rocker 10, a mating contact 20 and a contact rocker 10 activating the drive electrode 30.
  • the contact rocker 10 is presently formed in the form of a bridge 14, a contact zone 13 and a first attractive Area 11 and a second attractive area 12 has.
  • the attractive regions 11, 12 are each assigned to a first and second part 31, 32 of the activating drive electrode, that is arranged opposite one another.
  • the distal end 23 of the mating contact 20 is arranged opposite the contact zone 13 of the bridge 14.
  • the contact rocker 10 has at the end of the bridge 14 in each case two arms 15A, 15B and 16A, 16B, which fix the bridge 14 at the end region of the attractive areas 11, 12.
  • the arms 15 B, 16 B and 15 A, 16 A run obliquely from a common fixed point in different directions and are with their attachment portions 15, 16 in the semiconductor material of an in Fig. 11 symbolically represented CMOS chips.
  • Fig. 2 shows the electromechanical micro-switch along the section line II-II in Fig. 1 , wherein the structure of the tracks for forming the contact rocker, 10 of the mating contact 20 and the drive electrode 30 is more apparent and described below.
  • Fig. 3 and FIGS. 4A, 4B, 4C explain the function of the microswitch.
  • the electromechanical microswitch 1 of the present embodiment is characterized in that the attractive regions 11, 12 of the contact rocker 10 are separated from the contact zone 13 of the contact rocker 10 by slots 18 or the contact zone 13 separately between the attractive region 11, 12th is arranged.
  • separate area 43 influencing the signal S is formed, the size of which is determined essentially by the contact zone 13 and the flat distal end 23 of the mating contact 20.
  • the area 43 is thus separated from the areas 41, 42 transmitting electrical forces between in each case an attractive area 11, 12 or a part 31, 32 of the activating drive electrode 30.
  • FIG. 4A As an equivalent circuit is shown schematically in Fig. 4A with (I) an "on state" of the electromechanical microswitch 1, in which a radio frequency signal passes through the mating contact 20 from P1 to P2, without the capacitance between the mating contact 20 and the contact zone 13 being able to transmit the signal S to influence significantly.
  • (II) is in Fig. 4B Symbolically, the signal terminal of an RF signal for the "down state" of the contact 10 shown - in the present case finds the RF signal due to the now existing capacitive possibly. Contacting coupling of mating contact 20 and the contact zone 13 its way to a ground terminal, which at the Contact rocker 10 is present.
  • the contact rocker 10 is as shown in FIG Fig. 1 can be seen, provided with a number of recesses 17 or slots 18, which reduce the moment of resistance of the spring action of the contact arm 10.
  • the slots 18 also serve the above-described separation between attractive areas 11, 12 and the contact zone 13 of the bridge 14.
  • the capacitance between mating contact 20 with an MIM structure at the distal end 23 and the contact zone 13 is about 1 to 10 pF.
  • the out Fig. 2 schematically apparent preferred construction of the contact rocker 10, the mating contact 20 and the drive electrode 30 of the electromechanical microswitch 1 results according to the specification of a MEMS structure according to the concept of the invention the structuring of line levels of a multilevel interconnect layer stack, which is applied to the surface of a silicon substrate.
  • the contact rocker 10 is in this case designed as a structuring of the line level M3 (3rd level of the multilevel interconnect layer stack), wherein the line level M3 in turn of a sandwich structure consists of a central metal layer and this covering cover layers 19, which are present on both sides of the metal layer, such as aluminum, attached.
  • the cover layers 19 are formed in the present embodiment of a titanium nitride based material, in this case TiN.
  • TiN also has excellent properties with regard to the contact behavior of the contact zone 13 with respect to the mating contact 20.
  • the bridge 14 is therefore correspondingly present Fig.2 formed as a three-layer membrane, which is largely stress-free or particularly well tension compensated by the sandwich arrangement in a particularly advantageous manner.
  • the bridge 14 or the contact rocker 10 can also be used as a membrane with more than three, for example as in Fig. 7 be formed from five layers.
  • the drive electrode 30 is formed in each of its parts 31, 32 by structuring the line level M1, which is also formed in the embodiment of aluminum and a cover layer 39 also made of TiN.
  • the mating contact 20 in the present case has a base 21 made of a layer of a non-conductive or insulating material Si 3 N 4 . Further layers are applied to the base 21 by forming the line level M2 in accordance with the contour of the mating contact, since the line level M2 again consists of a sandwich structure of an aluminum carrier layer with intermediate layers 22, for example of TiN, applied on both sides.
  • On the surface of the distal end 23 of the mating contact 20 is a sequence of first of a base facing barrier layer 24 of conductive material - in the present case metallic TiN - thereon a dielectric layer 25 and finally arranged a contact rocker 10 conductive cap 26.
  • the MIM sequence of conductive layer 24, dielectric layer 25 and conductive cap 26 is presently formed as a special protection of the mating contact 20, to improve the contact properties to the contact 10 and to form a defined switching capacity.
  • the protective conductive cap 26 is formed of a thin metal layer of TiN attached directly to the dielectric layer 25 by a corresponding patterning process.
  • the cap 26 may also consist of a layer sequence of be formed of different metallic materials. At least the surface, which is formed by the cap 26, thereby projects laterally beyond the surface of the contact rocker 10, as for example in Fig. 3 is recognizable. This ensures a particularly reliable contact.
  • the dielectric layer 25 for forming the MIM structure may be basically formed of any suitable dielectric material.
  • the dielectric layer itself is comparatively thin in order to obtain a precisely defined capacitance Cs influencing the signal path in the "down state".
  • the concept presented here thus provides that in an "off-state" the RF signal is influenced only by the capacity defined by the MIM structure, and indeed largely independent of the contact resistance between the contact zone 13 and the cap 26.
  • the electromechanical microswitch 1 as part of a MEMS 100 is completely formed according to the inventive concept in a BEoL process (back-end of line process) of a standard CMOS-BiCMOS process.
  • BEoL process back-end of line process
  • CMOS-BiCMOS process standard CMOS-BiCMOS process
  • the MEMS100 has a multilevel interconnect layer stack 102 arranged on a substrate 101, whose line levels M1 to M5 are partially structured in the area region 103 in order to form interconnects 111 to 115 for connecting the electronic components.
  • the line levels M1 to M5 are insulated from one another by electrically insulating layers 103 and connected to one another via via contacts 104.
  • the electromechanical microswitch 1 is integrated in a recess 105 of the multilevel interconnect layer stack 102.
  • the mating contact 20 and the contact rocker activating drive electrode 30 are each a structured part of a line level of the multilevel interconnect layer stack 102.
  • the on the substrate 101 - eg Si - Arranged portion of the transistor circuits 106 and / or 108 is made in a FEoL process section, the interconnection thereof with each other and with the electromechanical microswitch 1 in the multi-level interconnect layer stack 102 in a BEoL process section.
  • the interconnects 111 to 115 are presently made of an aluminum material, the vias 104 of a tungsten material and the insulating or other protective layers may be formed of a Si 3 N 4 material.
  • Fig. 6 shows a modified embodiment in a comparable view as Fig. 5 , Shown is a modified microelectromechanical system 100 in which identical reference numerals are used for identical or similar parts or parts of identical or similar function for the sake of simplicity.
  • a further contact electrode 50 counteracting the contact 10 is provided as a return electrode.
  • the return electrode is present in one of Fig. 5 integrated lead level M4 of the multilevel interconnect layer stack 102 integrated.
  • the force transmitting areas 41, 42 FIG. Fig.
  • the assignment of the contact rocker 10, the activating drive electrode 30 and the mating contact 20 to the line levels M3, M1, M2 in the present embodiments is not restrictive in the present embodiments, but can be variably selected.
  • the mating contact 20 can also be arranged in a M3 metal layer and the activating drive electrode 30 in a line plane M2.
  • the contact rocker 10 could be arranged with respect to the surface of the silicon substrate 101 below an activating drive electrode or a mating contact. Such embodiments are not explicitly shown here.
  • the assignment of the contact rocker 10, the counter electrode 20 and the drive electrode 30 of the electromechanical microswitch 1 to the line levels M1 to M5 of the multilevel interconnect layer stack 102 must not be sequential - rather, it is also possible that between the contacts arranged further metal layers no direct Function with the electromechanical micro-switch have.
  • Fig. 7 2 shows a second embodiment of a MEMS 200 with an electromechanical microswitch 1 integrated according to the concept of the invention.
  • the MEMS in turn has a multilevel interconnect layer stack 202 arranged on a substrate 201, which is covered by a SiO 2 layer 206, for example for attaching applications ,
  • the region 206 and / or 208 for transistor circuits or the like is manufactured in a FeOL process section.
  • BEoL process BEoL
  • the insulating layers 203 are presently made of Si 3 N 4 , which can be easily processed in a BEoL process.
  • the microswitch 1 is integrated in a recess 205 of the multilevel interconnect layer stack 202.
  • the contact rocker 10, the mating contact 20 and the drive electrodes 30 for the contact rocker 10 are presently formed by structuring the line levels M1 to M5. In the embodiment of the Fig.
  • the line levels M1 to M5 are formed in a particularly preferred manner as a metallic carrier layer, for example made of aluminum and double-sided bilayers,
  • the double layer comprises in each case a layer of Ti and a layer of TiN.
  • the metallic carrier layer for example made of aluminum
  • the cover layer embodied as a double layer is not mirrored, that is, first the metallic carrier layer z.
  • the mating contact 20 is initially constructed as a base with a base which has a layer sequence corresponding first to the line level M1, then an insulating dielectric layer 21 and then the correspondingly structured line level M2.
  • the topmost TiN layer of the line level M2 based on the Si substrate, at the same time forms the lower end layer of the MIM structure, which is arranged on the mating contact 20.
  • the MIM structure further comprises a dielectric layer 25, which consists for example of TiN-Si 3 N 4 , and a further TiN-layer as a metallic cap 26. The details of the MIM structure is shown in enlarged detail B of FIG Fig. 7 shown.
  • the layer sequence 24, 25, 26 of the MIM layer consists of a layer sequence of TiN-Si 3 N 4 and TiN. This also has the consequence that when forming the capacitive coupling between the contact rocker 10 and the mating contact 20, the substrate facing the lower Ti layer of the line level M3 and facing away from the substrate TiN layer of the MIM structure face each other. It has been shown that a potential formation between Ti layer on the one hand and TiN layer on the other hand in an electromechanical micro-switch of the embodiment according to Fig. 7 is particularly advantageous.
  • Fig. 8A shows an electromechanical micro-switch 1, in which on one of the contact rocker 10 side facing the activating drive electrode 30 is a structure 33 of nubs 34, which in the enlarged views of Fig. 8B , C, D are closer to recognize.
  • These nubs also referred to as dielectric islands or support posts, can be produced integrated in a conventional BEoL process without an additional process step, in particular without an extra mask.
  • a preferred method in the present case provides that the nub structure 34 remains as the remainder of a wet-chemical etching step and a subsequent CO 2 drying process.
  • the knobs prevent the contacting contact between the contact zone 13 of the contact arm 10 on the one hand and the activating drive electrode 30 on the other. As a result, a short circuit between the contact rocker 10 and the drive electrode 30 is advantageously avoided.
  • Fig. 9 illustrates the switching function of the electromechanical microswitch 1 on the basis of the schematic representation, as already in Fig. 2 was shown.
  • the contact rocker 10 in the direction of the mating contact 20 due to the triggered by the drive electrode 30 force in the power attractive areas 41, 42, the capacitive coupling 4 between the contact zone 13 and the distal end 23 of the mating contact 20 is changed.
  • the contact rocker 10 and the drive electrodes 30 are electrically connected via the correspondingly structured line level M3 and vias to the electronic circuit parts of the MEMS.
  • the capacitive coupling between the ground potential contact arm 10 and the mating contact 20 connected to the RF signal path becomes substantially only by the distance between the contact zone 13 and the cap 26 and the dielectric layer 25 formed as an MIM structure of the mating contact 20 defined.
  • the contact zone 13 contacts the cap 26 of the MIM structure on the mating contact 20 in an "off state" of the electromechanical microswitch 1
  • an effective contact between the contact zone 13 with the covering layer 19 of Ti and the cap 26 of TiN on the mating contact 20 are produced.
  • Fig. 4A, Fig. 4B schematically illustrated circuit of an RF signal.
  • the distance between the cap 26 on the mating contact 20 and the contact zone 13 of the contact rocker 10 is smaller than the distance between the activating drive electrode 30 and the contact rocker 10, whereby a relatively large activation voltage (pull-down voltage) between the activating drive electrode 30th and the contact arm 10 is needed.
  • the cap 26 of TiN is automatically used as a stop layer for used the contact zone 13 of the contact arm 10, as one of Fig. 11 apparent height difference between the mating contact 20 and the drive electrode 30 consists.
  • Fig. 10 shows an exemplary measurement of the switching behavior of the electromechanical microswitch at 24 GHz over the distance A accordingly Fig. 9 ,
  • the measuring arrangement for the electromechanical microswitch is in Fig. 11 shown.
  • This results in an attenuation of the RF signal by -25 dB and a mechanically stable behavior with an activation voltage of up to 30 V without unintentional blocking or adhesion of the contact 10 on the mating contact 20 or the drive electrode 30 is detected.
  • the so-called pull-in voltage - ie the voltage at which the switch has moved from an "on state" to an "off state” - is in the present case about 17 to 18 V.
  • the maximum DC voltage difference between the mating contact 20 and the contact rocker 10 is correspondingly lower than the activation voltage (pull-down voltage) between the activating drive electrode 20 and the contact rocker 10.
  • MEMS microelectromechanical system
  • RFMEMS radio frequency signals
  • electromechanical microswitch 1 electromechanical microswitch 1
  • This is formed in a particularly advantageous manner with a sequence of metal-insulator-metal structure at the distal end 23 of the mating contact 20 and the drive electrode 30 has a on a contact 10 side facing a structure of nubs with dielectric material. This will on the one hand in Fig. 10 achieved particularly advantageous switching behavior and on the other unwanted blocking of the electromechanical microswitch 1 avoided.

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

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. Das Dokument DE 10 2006 061 386 zeigt einen MEMS-Schalter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • 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.
  • Die Erfindung sieht vor, dass der Gegenkontakt (Sockel) an einem der Kontaktschwinge (Aktuator) zugewandten distalen Ende eine Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur aufweist. Dies 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 AICu 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 AICu 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:
    • Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines elektromechanischen Mikroschalters gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform für ein MEMS;
    • Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung des elektromechanischen Mikroschalters zur Verdeutlichung des Aufbaus der Kontaktschwinge, des Gegenkontakts und der aktivierenden Antriebselektrode in der bevorzugten Ausführungsform;
    • Fig. 3 eine schematisch dargestellte Draufsicht auf den elektromechanischen Mikroschalter der Fig. 1 als Teil des MEMS zur Verdeutlichung der Funktion und der Signalwege;
    • Fig. 4A, 4B, 4C ein Ersatzschaltbild des Mikroschalters der Fig. 3 mit dargestellten Signalwegen;
    • Fig. 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;
    • Fig. 7 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines MEMS mit einer speziell bevorzugten Schichtabfolge der Leitungsebenen des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapel des MEMS;
    • Fig. 8A, 8B, 8C, 8D den elektromechanischen Mikroschalter der Fig. 1 mit einer symbolisch dargestellten Struktur aus Noppen mit dielektrischem Material (A) sowie Elektronen-Mikroskopieaufnahmen in unterschiedlichen Vergrößerungen (B), (C), (D) der Noppenstruktur;
    • Fig. 9 eine schematische Darstellung des elektromechanischen Mikroschalters ähnlich wie Fig. 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;
    • Fig. 10 eine beispielhafte Radiofrequenzcharakterisierung eines elektromechanischen Mikroschalters der bevorzugten Ausführungsform bei 24 GHz hin-sichtlich des Schaltverhaltens;
    • Fig. 11 die Messanordnung zur Charakterisierung des MEMS der Fig. 10 mit elektromechanischen Mikroschalter.
  • Der in Fig. 1 bis Fig. 4C näher dargestellte Mikroschalter kann gemäß dem Konzept der Erfindung, wie es in einer ersten Ausführungsform in Fig. 5 und einer Abwandlung derselben in Fig. 6 dargestellt ist oder auch in einer zweiten Ausführungsform des MEMS, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, durch Strukturierung der Leitungsebenen eines Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapel ausgeführt sein.
  • Insofern zeigen die Fig. 1 bis Fig. 4C als auch die Beispiel der Fig. 8A bis Fig. 8D und Fig. 9 Detailausschnitte einer bevorzugten Ausführungsform eines MEMS.
  • Der in Fig. 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 Fig. 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.
  • Fig. 2 zeigt den elektromechanischen Mikroschalter entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 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. Fig. 3 und Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4C erläutern die Funktion des Mikroschalters.
  • Wie aus Fig. 2 und Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig.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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 MEMS100 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.
  • Fig. 6 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform in einer vergleichbaren Ansicht wie Fig. 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 Fig. 6 eine weitere den Kontakt 10 gegenaktivierende Antriebselektrode 50 als Rückziehelektrode vorgesehen. Die Rückziehelektrode ist vorliegend in einer aus Fig. 5 ersichtlichen Leitungsebene M4 des Mehrebenen-Leiterbahnschichtstapels 102 integriert. Wie durch die Pfeile in den Kraft übertragenden Bereichen 41, 42 (Fig. 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.
  • Fig. 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 SiO2Schicht 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 Fig. 5 und Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 7 besonders vorteilhaft ist.
  • Fig. 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 Fig. 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.
  • Fig. 9 verdeutlicht die Schaltfunktion des elektromechanischen Mikroschalters 1 anhand der schematischen Darstellung, wie sie bereits in Fig. 2 gezeigt wurde. In Zusammenschau mit Fig. 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 Fig. 4A, Fig. 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 Fig. 11 ersichtliche Höhendifferenz zwischen dem Gegenkontakt 20 und der Antriebselektrode 30 besteht.
  • Fig. 10 zeigt eine beispielhafte Messung zum Schaltverhalten des elektromechanischen Mikroschalters bei 24 GHz über den Abstand A entsprechend Fig. 9. Die Messanordnung für den elektromechanischen Mikroschalter ist in Fig. 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 Fig. 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 Fig. 10 dargestellte besonders vorteilhafte Schaltverhalten erreicht und zum Anderen ungewolltes Blockieren des elektromechanischen Mikroschalters 1 vermieden.

Claims (22)

  1. 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, 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.
  2. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 1, 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.
  3. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, 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
  4. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 AICu aufweisen, insbesondere eine Doppelschicht TiN-Ti oder insbesondere ein Sandwich aus TiN-AICu-TiN.
  5. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.
  6. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 5, 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.
  7. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.
  8. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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.
  9. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die aktivierende Antriebselektrode (30) des elektromechanischen Mikroschalters (1) im Abstand (A) substratseitig unter der Kontaktschwinge (10) angeordnet ist.
  10. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 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.
  11. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 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.
  12. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, 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.
  13. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkontakt (20) des elektromechanischen Mikroschalters (1) als ein fester Sockel auf dem Substrat (101,201) gebildet ist.
  14. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, 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).
  15. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, 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.
  16. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach Anspruch 14 oder 15, 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 AICu, insbesondere einer Doppelschicht TiN-Ti oder insbesondere einem Sandwich aus TiN-AlCu-TiN, gebildet ist.
  17. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (25) der MIM-Struktur des elektromechanischen Mikroschalters (1) aus einer oder mehreren Schichten mit Si3N4 gebildet ist.
  18. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, 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.
  19. Mikroelektromechanisches System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, 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.
  20. Integrierte Schaltung, insbesondere integrierte CMOS-Schaltung, mit einem mikroelektromechanischen System (100, 200) nach einem der Ansprüche 1 bis 19.
  21. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung nach Anspruch 20, in einem CMOS-Fertigungsprozess, aufweisend die Schritte:
    - Herstellen der integrierten Schaltung in einem FEoL-Prozess mit einer Vielzahl von elektronischen 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 und wobei der Gegenkontakt (20) an einem der Kontaktschwinge (10) zugewandten distalen Ende (23) eine Metall-Isolator-Metall (MIM) Struktur (24, 25, 26) aufweist.
  22. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 21, 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.
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