JP2018535521A - Ｅｓｄ保護のための自然閉成型ｍｅｍｓスイッチ - Google Patents

Abstract

本開示は、一般に、ＥＳＤを低減するためのＭＥＭＳデバイスに関する。接触スイッチが使用され、たとえ印加バイアス電圧がない場合でも、２つの電極の間に閉じた電気コンタクトが存在するのを確保する。

Description

本開示の実施形態は、一般に、静電気放電（ＥＳＤ）のリスクを低減するためのマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスに関する。

無線周波数遠隔通信での用途のために設計、製造されたＭＥＭＳ技術を含むデバイスにおいて、製造プロセス（例えば、組立て）の際、およびデバイスの典型的な使用状態（例えば、帯電した人体への露出）において、静電気放電のリスクが存在する。特に、最新式の無線デバイスのための再構成可能なアナログおよび混合信号回路を実現するために使用されるスイッチおよび可変キャパシタなどのコンポーネント。

ＥＳＤ保護デバイスおよび回路は、電子コンポーネントおよび回路を実現するソリッドステート技術の本質的部分である。これらの手法は、無線周波数コンポーネントに適用した場合、著しい性能ペナルティを伴う。標準的なＥＳＤ保護手法を使用した場合、重要な指標、例えば、挿入損失、隔離(isolation)、線形性(linearity)は、著しく劣化する。ＭＥＭＳ技術は、スイッチおよび可変キャパシタなどの無線周波数コンポーネントの実装に適用した場合、前例のない性能レベルを実現できる。しかし、従来のＥＳＤ保護手法は、こうした性能を許容できないレベルまで劣化させるであろう。

高いレベルのＲＦ性能を維持できるＭＥＭＳ式コンポーネントのための新しいＥＳＤ手法について産業でのニーズがある。

本開示は、一般に、ＥＳＤを低減するためのＭＥＭＳデバイスに関する。接触スイッチが使用され、たとえ印加バイアス電圧がない場合でも、２つの電極の間に閉じた電気コンタクトが存在するのを確保する。

一実施形態において、ＭＥＭＳデバイスは、
そこに配置された第１アンカー電極およびＲＦ電極を有する基板と、
応力(stress)層、下部層および上部層を含むスイッチング素子とを備え、
下部層は、第１端で上部層と連結しており、
下部層は、第２端でアンカー電極と連結しており、
応力層は、引張応力を受けている。

本開示の上記特徴が詳細に理解できるような方法で、上記のように短く要約した本発明についてのより詳細な説明が実施形態を参照して行われ、その幾つかを添付図面に図示している。しかしながら、添付図面は、本開示の典型的な実施形態だけを図示しており、よってその範囲の限定と考えるべきでなく、本開示は他の等しく有効な実施形態を認めていることに留意すべきである。

ＭＥＭＳ自然閉成型スイッチの概略平面図である。 多数の並列動作自然閉成型スイッチを備えたスイッチセルの概略平面図である。 多数の並列動作自然閉成型スイッチセルを含むスイッチアレイの概略平面図である。 自然閉成型スイッチの概略図であり、アナログ／ＲＦ ＩＯのいずれかのペア間にＥＳＤ保護を提供するために、ＲＦ ＭＥＭＳデバイスとどのように組合せできるかを示す。 自然閉成型スイッチの概略図であり、アナログ／ＲＦ ＩＯのいずれかのペア間にＥＳＤ保護を提供するために、ＲＦ ＭＥＭＳデバイスとどのように組合せできるかを示す。 一実施形態に係る非通電閉成状態でのＭＥＭＳ自然閉成型スイッチの概略断面図である。 一実施形態に係る通電開放状態でのＭＥＭＳ自然閉成型スイッチの概略断面図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。 一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチの概略図である。

理解を促進するために、図面に共通した同一の要素を指定するために、可能であれば、同一の参照符号を使用している。一実施形態に開示された要素が、特別の記載なしで他の実施形態に有益に利用できることが想定される。

本開示は、一般に、ＥＳＤを低減するためのＭＥＭＳデバイスに関する。接触スイッチが使用され、たとえ印加バイアス電圧がない場合でも、２つの電極の間に閉じた電気コンタクトが存在するのを確保する。

図１Ａは、自然閉成型オーミックＭＥＭＳスイッチ１００の概略平面図である。スイッチ１００は、ＲＦ電極１０２、制御電極１０４、およびアンカー電極１０６を含む。スイッチは、非通電状態で１０２と１０６の間のオーミック接触を提供する。１０２と１０６の間の接触は、充分に高い電圧を制御電極１０６に印加することによって破断できる。

図１Ｂは、多数の自然閉成型ＭＥＭＳスイッチ１００を含む自然閉成型オーミックＭＥＭＳスイッチセル１１０の概略平面図である。セル１１０内の全てのＭＥＭＳスイッチ１００は、並列で動作し、電極１０２，１０６の間でより低い抵抗を集合的に有する。全てのスイッチは、充分に高い電圧を制御電極に印加することによってターンオフにできる。

図１Ｃは、自然閉成型オーミックＭＥＭＳスイッチアレイの概略平面図である。それは、多数の並列動作スイッチセル１１０を含む。各セルのＲＦ電極１０２は、各スイッチセル１１０の一端において共に接続され、一方、アンカー電極１０６は、各スイッチセル１１０の他端において共に接続される。全てのセルがターンオンした場合、これはＲＦ電極１０２とアンカー電極１０６との間の抵抗の更なる減少をもたらす。同時に、多くのスイッチが並列に動作するため、スイッチアレイ全体はより多くの電流を扱うことができる。全てのスイッチは、充分に高い電圧を制御電極に印加することによって集合的にターンオフにできる。

こうした接触スイッチがＲＦ ＭＥＭＳデバイス、例えば、スイッチまたは可変キャパシタに対して並列に配置された場合、接触スイッチは、取扱いおよび組立ての際の状態でのＥＳＤイベントから保護するための電流経路を提供するようになる。いったんデバイスがＲＦ回路／システム内で動作すると、接触スイッチは、バイアス電圧を印加することによって開放される。開放スイッチ端子間の残りの容量性結合および漏れは、設計によって最小化されるようになる。こうして保護されたＲＦ ＭＥＭＳデバイスのＲＦ性能は、ほぼ完全に無傷に維持される。これは、保護すべきＭＥＭＳデバイスのＲＦ性能を必然的に劣化させる、ソリッドステート技術をベースとした他の従来のＥＳＤ保護手法と比べて、最も大きな利点である。

図２Ａおよび図２Ｂは、自然閉成型ＭＥＭＳスイッチ３０１の概略図であり、アナログ／ＲＦ ＩＯのいずれかのペア間に低い抵抗経路を設けることによってＥＳＤ保護を提供するために、１つのパッケージ３００内でＲＦ ＭＥＭＳデバイス３０２およびコントローラ３０３と組み合わせている。図３Ａにおいて、自然閉成型スイッチは通電されておらず、制御ライン３０４に印加される制御電圧は０Ｖである。スイッチ３０１は、全てのアナログ／ＲＦ ＩＯの間に低いオーミック経路を提供する。図３Ｂにおいて、デバイス３００はターンオンになり、コントローラ３０３は、充分に高い電圧を、各スイッチ３０１の制御電極に接続された制御ライン３０４に印加する。このときスイッチ３０１は開放状態であり、アナログ／ＲＦ ＩＯは未接続である。各スイッチセル（図１Ｂ）で使用するスイッチ（図１Ａ）の数および使用するスイッチセルの数は、必要とされるＥＳＤ保護に応じて調整できる。

ＭＥＭＳ技術スイッチは、設計によって、バイアス電圧を１つ以上の端子に印加することによって、２つの電極間の電気的接触が閉成または開放できる標準的な構成を有する。バイアス電圧を印加しないで（無バイアス状態）、電気的接触の状態は、未定義または開放のいずれかである。本開示において、新しいタイプのＭＥＭＳスイッチを説明しており、これは「接触(contacting)」スイッチと称される。接触スイッチは、印加されたバイアス電圧がない場合でも、２つの電極間で閉成した電気的接触を提供する。これは、製造プロセスが完了した後、懸架ＭＥＭＳ膜(membrane)の内部応力および歪み条件を管理することによって、ＭＥＭＳデバイスの特有な機械的設計によって達成される。

図３Ａは、一実施形態に係る自然閉成型オーミックＭＥＭＳ（接触）スイッチ２００の断面図を示す。接触スイッチ２００は、基板２０２の上に設置されたＲＦ電極１０２およびアンカー電極１０６を含む。基板は、誘電体層２０４で覆われ、同じ基板上に設置された異なるＭＥＭＳデバイスでの他の電極を保護する。電気絶縁性または誘電体層２０４のために適切な材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。この層２０４の厚さは、典型的には５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲であり、誘電体層内の電界を制限している。ＲＦ電極１０２の上部には、ＲＦコンタクト２０６があり、これに対してスイッチ本体が閉成状態でのオーミック接触を形成する。アンカー電極１０６の上部には、アンカーコンタクト２０８があり、これに対してＭＥＭＳデバイスが固定される。コンタクト層２０６，２０８のために使用される典型的な材料は、Ｔｉ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＮ，Ａｌ，Ｗ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，ＲｕＯ_２，ＩＴＯおよびＭｏ、ならびにこれらの組合せを含む。

スイッチ素子は、ビア２１４を用いてＲＦコンタクト２０６の近くで共に接合された導電層２１０，２１２からなるカンチレバーを含む。懸架レグ２１６が下側層２１０に形成され、スイッチを動作させるのに必要な電圧を低減している。ＭＥＭＳカンチレバーは、ビア２２２を用いて基板に固定される。下側層２１０の下面には、下側層２１０より高い引張応力を有する応力層２１１がある。これは、カンチレバービームを、ＲＦコンタクト２０６に当るまで下方に屈曲させる。カンチレバーがＲＦコンタクトに作用する接触力は、下側層２１０および応力層２１１の寸法、そしてこれらの層の中の応力を用いて調整できる。

ＭＥＭＳカンチレバーの上方には、誘電体層２２４があり、これは、オフ状態でＭＥＭＳを屋根まで引き上げるために使用される金属プルアップ(pull-up)電極２２６（制御電極）で覆われている。誘電体層２２４は、上方駆動状態でＭＥＭＳカンチレバーとプルアップ電極２２６との間の短絡を回避し、高い信頼性のために電界を制限する。デバイスを上部に移動することは、オフ状態でＲＦ電極１０２に対するスイッチの容量を低減するのに役立つ。空洞屋根はさらに、機械的強度のための追加の誘電体層２２８を含む。空洞は、誘電体層２３０を用いて封止され、これは、製造中に存在する犠牲層を除去するために使用されるエッチング放出孔２３２を充填する。誘電体層２３０は、エッチング放出孔２３２に入り、アンカーにおいてＭＥＭＳカンチレバーの上部層２１２に対する更なる機械的サポートを提供するとともに、空洞内に低圧環境が存在するように空洞を封止する。屋根誘電体層２２８，２３０のための適切な材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。

下側層２１０が下向きに偏向した場合、上側層２１２もビア２１４の場所で下向きに移動する。この場所での下側層２１０の偏向角のため、レグ２１６の場所の近くの上側層は上に移動し、これは制御電極と上側層２１２との間の隙間を減少させる。これにより、接触スイッチを、屋根電極２２６に印加される比較的低い電位で開放させることができる。上側層２１２の長さが充分に長い場合、上側層２１２は、レグ２１６の場所の近くで屋根誘電体２２４に接触できる。このことは、カンチレバーを屋根と密接に引き上げるのに必要な電圧をさらに減少させる。

図３Ｂは、駆動オフ状態のデバイスを示す。充分に高い電圧が屋根電極２２６に印加され、ＭＥＭＳカンチレバー２１１，２１２を屋根に向けて引き上げており、これによりＲＦ電極１０２をアンカー電極１０６から切断する。

スイッチは、製造後のテストのために１つの屋根電圧で開放でき、そして再び閉成でき、最終用途での使用までＥＳＤ保護をパッケージ化デバイスに提供する。より高い電圧を制御電極に印加することによって、上部層２１２を上部誘電体２２４に留めて、接触エリアを増加させることによって、デバイスは永久的に開放状態に置くことができる。吸着(stiction)力は、カンチレバースイッチを開放状態に保持するようになる。

接触スイッチの機械的設計は、製造プロセスの終わりに、懸架膜内部の残余の絶対および傾斜応力のエンジニアリングに基づいている。異なる残余応力条件を備えた材料のスタックを堆積することは、最終の組み込み傾斜応力を生じさせ、懸架膜の所望の変形をもたらす。

図４Ａ〜図４Ｇは、一実施形態に係る、種々の製造段階でのＭＥＭＳオーミックスイッチ２００の概略図である。図４Ａは、ＭＥＭＳスイッチのバックプレーン出発材料を示し、ＲＦ電極１０２およびアンカー電極１０６を含む複数の電極を備えた基板２０２を含む。基板２０２は、単層基板または多層基板、例えば、１つ以上の相互接続層を有するＣＭＯＳ基板を備えてもよいことを理解すべきである。さらに、電極１０２，１０６のために使用できる適切な材料は、窒化チタン、アルミニウム、タングステン、銅、チタンおよび、異なる材料の多層スタックを含むこれらの組合せを含む。基板は、電気絶縁層２０４で覆われ、同じ基板上に設置された異なるデバイスの他の電極を保護する。電気絶縁層２０４のための適切な材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。ＲＦ電極の上部には、ＲＦコンタクト２０６があり、アンカー電極１０６の上部には、アンカーコンタクト２０８がある。コンタクト２０６，２０８のために使用される典型的な材料は、Ｔｉ，ＴｉＮ，ＴｉＡｌ，ＴｉＡｌＮ，ＡｌＮ，Ａｌ，Ｗ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｒｕ，ＲｕＯ_２，ＩＴＯおよびＭｏ、ならびにこれらの組合せを含む。

図４Ｂは、ＭＥＭＳカンチレバーの下側層２１０を示しており、これは、犠牲層３０２を堆積し、応力層２１１を堆積してパターン化し、犠牲層３０２にビア２２２を開けて、レグ２１６を含む下側カンチレバー部を堆積してパターン化することによって、バックプレーン上に形成される。ＭＥＭＳカンチレバーは、カンチレバーの片側に設置されたビア２２２を用いてアンカーコンタクト２０８に固定される。応力層２１１の底側は、絶縁層で覆ってもよく、これはＲＦコンタクト層２０６の上方で部分的に除去され、オーミック接触が形成されるのを容易にする。

図４Ｃは、ＭＥＭＳカンチレバーの上側層２１２の形成を示す。追加の犠牲材料３０２が堆積され、下側ＭＥＭＳ層２１０の上に着地するビア２２０，２１４の場所に開口が生成される。上側ＭＥＭＳ層２１２は、堆積されパターン化され、ビア２１４によって共に接合され、レグ２１６およびアンカービア２２０，２２２を含む完全なＭＥＭＳカンチレバー２１０，２１１，２１２を生成する。

図４Ｄは、追加の犠牲材料３０２および絶縁誘電体層２２４を堆積することによるプルアップ電極の形成を示す。電気絶縁層２２４のための適切な材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。誘電体層２２４および犠牲材料３０２は、パターン化されて空洞輪郭を形成し、これにより下側ＭＥＭＳカンチレバー層の部分２３８および上側ＭＥＭＳカンチレバー層の部分２３６、そしてアンカーコンタクト層２０８の部分を露出させる。

図４Ｅは、プルアップ（制御）電極、そして側壁電気接続部２３４の形成を示しており、側壁電気接続部２３４は、上側ＭＥＭＳカンチレバー層の露出した部分２３６、下側ＭＥＭＳカンチレバー層の露出した部分２３８、およびアンカーコンタクト２０８に接続しており、こうしてアンカービア２２０，２２２と並列して、ＭＥＭＳカンチレバー２１０，２１２からアンカーコンタクト２０８への追加の電流経路を提供する。

図４Ｆは、誘電体材料２２８を堆積することによる空洞屋根の形成を示す。電気絶縁層２２８のための適切な材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。この層は、追加の機械的強度を屋根に提供する。エッチング放出孔２３２が開けられ、空洞内の犠牲材料を露出する。

図４Ｇは、放出孔２３２を介して犠牲層を除去し、誘電体層２３０で封止した後のＭＥＭＳスイッチを示す。誘電体層２３０は、エッチング放出孔２３２の内側にも堆積され、上側ＭＥＭＳ層２１２の上に着地して追加の機械的強度をアンカーに提供する。応力層２１１は、下側カンチレバー層２１０より高い引張応力を有するため、カンチレバーは、ＲＦコンタクト２０６に当るまで下向きに偏向するようになり、スイッチは１０２と１０６の間にオーミック接触を提供する。

接触スイッチを利用することによって、パッケージ内の他のＭＥＭＳデバイスへのＥＳＤ損傷が回避される。接触スイッチは、自然には閉成位置にあり、電圧の印加時に開放される。よって、これらのＥＳＤ保護デバイスを採用するＭＥＭＳデバイスに対する損傷は皆無またはほとんど無い。

上記記載は、本開示の実施形態に関するものであるが、本開示の他のおよび追加の実施形態が、その基本的範囲から逸脱することなく考案でき、その範囲は後記の請求項によって決定される。

Claims (16)

1. そこに配置された第１アンカー電極およびＲＦ電極を有する基板と、
   応力層、下部層および上部層を含むスイッチング素子とを備え、
   下部層は、第１端で上部層と連結しており、
   下部層は、第２端でアンカー電極と連結しており、
   応力層は、引張応力を受けており、
   応力層は、下部層の下面と接触している、ＭＥＭＳデバイス。
2. アンカー電極と下部層との間に配置されたアンカーコンタクトをさらに備える請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 第２アンカー電極をさらに備え、
   スイッチング素子は、第２アンカー電極から離隔して電気的に絶縁され、スイッチング素子は、ＲＦ電極に向けて自然に下向きに偏向するようにした請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
4. ＲＦ電極の上に配置されたＲＦコンタクトをさらに備え、
   応力層は、ＲＦコンタクトに接触する位置およびＲＦコンタクトから離隔した位置から移動する請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 応力層の下面に配置された絶縁層をさらに備え、
   絶縁層は、ＲＦコンタクトに対応する場所に開口を有し、応力層の一部が露出してＲＦコンタクトと接触するようにした請求項４記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 応力層内の応力は、下部層内の応力より大きい引張である請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 応力層の下面に配置された絶縁層をさらに備え、
   絶縁層は、ＲＦ電極に対応する場所に開口を有し、応力層の一部が露出するようにした請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
8. スイッチング素子の上に配置されたプルアップ電極と、
   上部層と上部層との間に配置された絶縁層とを備え、
   上部層は、第１場所において絶縁層と連結され接触している請求項１記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 上部層は、第１場所において下部層から離隔している請求項８記載のＭＥＭＳデバイス。
10. 上部層は、ＲＦ電極に近接した場所において下部層と連結される請求項９記載のＭＥＭＳデバイス。
11. スイッチング素子は、第１電圧をプルアップ電極に印加することによって、ＲＦ電極から離れて第１距離まで移動可能である請求項１０記載のＭＥＭＳデバイス。
12. スイッチング素子は、第２電圧を印加した場合、ＲＦ電極から離れて第２距離まで移動可能であり、第２距離は第１距離より大きく、第２電圧は第１電圧より大きい請求項１１記載のＭＥＭＳデバイス。
13. 第２距離にある場合、上部層は絶縁層と接触する請求項１２記載のＭＥＭＳデバイス。
14. 第２電圧が除去された場合、上部層は、絶縁層と接触したままであり、応力層は、ＲＦ電極から離隔したままである請求項１３記載のＭＥＭＳデバイス。
15. 第１電圧が除去された場合、応力層は、ＲＦコンタクトと接触する位置に戻る請求項１４記載のＭＥＭＳデバイス。
16. 応力層がＲＦコンタクトと接触した場合、上部層は、絶縁層と接触したままである請求項８記載のＭＥＭＳデバイス。

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