JP6235472B2 - 改善したrf性能を備えたmems可変キャパシタ - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、一般にマイクロ電気機械システム(MEMS)可変キャパシタに関する。
MEMS可変キャパシタを駆動する最も頻出する方法が、静電気力の使用によるものである。一般に、駆動に要する電圧は、10V〜100Vのオーダーである。これらの電圧の使用は、使用するサブミクロンの寸法において電界が極めて大きくなることを意味する。電界は、式E=V/gapで表され、「V」は2つの電極間の電圧を表し、「gap」は両者間の距離である。誘電体材料の性質が高電界の下で変化し(例えば、帯電)、ある場合には、誘電体に対して物理的な損傷が生ずることがある。これらの要因は、MEMSデジタル可変キャパシタの寿命、性能および動作条件を低下させる。
従って、MEMS可変キャパシタでの電界の大きさを減少させるとともに、一方、MEMSが着地した場合、高いキャパシタンス状態を維持する必要性がある。
さらに、RF−MEMS可変キャパシタでの相互変調性能が、満足するのが困難な仕様である。これは、MEMSデバイスが、キャパシタンスの調整を提供する可動部分を含むからである。残留ギャップが存在する場合、2つの電極間のRF電圧がMEMS可変キャパシタの2つのプレートを一緒にさらに引き寄せて、更なるキャパシタンス変化を強制する。MEMSデバイスの電気機械設計および意図した用途の相互変調仕様に応じて、最大許容移動は、可変キャパシタの2つのプレートの数ボルトの印加電圧では数ナノメータ程度に小さくなる。
表面処理、例えば、化学機械研磨(CMP)が、良好な相互変調性能にとって不充分であることがある。例えば、化学機械研磨(CMP)の後、幾つかのバンプ(bump)が金属−誘電体界面において現れることがある。これらのバンプは、膜を歪める余分なギャップを生成するため、RF性能に対して著しい影響を有することがある。また、CMP後に酸化膜表面自体が金属表面に対して上昇して、膜と電極との間にギャップを生じさせることがある。さらに、CMPバンプは、電界増倍器として機能し、これは該部分の信頼性を低下させる。
従って、可能性ある相互変調の問題に対処しつつ、長期の信頼性ある動作にとって充分に低い電界を維持する解決法について該分野でのニーズが存在する。
MEMSデバイスにおいて、膜(membrane)がRF電極の上で着地する手法は、デバイス性能に影響を及ぼすことがある。RF電極の上に置かれたバンプまたはストッパが、膜の着地、そしてMEMSデバイスのキャパシタンスを制御するために使用できる。バンプまたはストッパの形状および場所は、過電圧が印加された場合でも膜の適正な着地を確保するために調整できる。さらに、MEMSデバイスの屋根または上部電極への膜の着地を制御するために、バンプまたはストッパは、膜自体に付与してもよい。
一実施形態において、MEMS可変キャパシタが、1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極を有する基板と、上部電極と、基板と上部電極との間にある可動の膜とを備え、
基板および膜のうちの1つ以上が、その上に形成されたバンプであって、膜と上部電極との間、または、膜と1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極の両方との間の間隔を制御するバンプを有する。
他の実施形態において、MEMS可変キャパシタを製造する方法が開示される。該方法は、基板の上に形成された第1誘電体層を研磨して、基板内に埋め込まれた1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極を露出させるステップであって、研磨は、1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極の上面エッジに形成されたバンプを生じさせるステップと、
第2誘電体層を堆積するステップと、
第2誘電体層の上に犠牲層を堆積するステップと、
犠牲層の上に膜を形成するステップと、
犠牲層を除去して、膜が、第2誘電体層から離隔した位置および第2誘電体層と接触した位置から可動になるようにするステップと、を含む。
他の実施形態において、MEMSデバイスを動作させる方法が、
基板内に埋め込まれた1つ以上の制御電極に電気バイアスを印加して、基板内に埋め込まれたRF電極から第1距離だけ離隔した第1位置から、RF電極から第2距離だけ離隔した第2位置に、膜を移動させるステップであって、第2距離は第1距離より小さいステップと、
RF電極にDC電気バイアスを印加して、RF電極から離隔した第3距離に膜を移動させるステップであって、第3距離は第2距離より小さいステップと、を含む。
本発明の上記特徴が詳細に理解できるように、短く要約した本発明についてのより特定の説明が、実施形態を参照しており、これらの幾つかが添付図面に図示されている。しかしながら、添付図面は、本発明の例示の実施形態を図示しているに過ぎず、その範囲を限定するものではなく、本発明では、他の同等に有効な実施形態も認定できることに留意する。
可変キャパシタのプルダウン(引き下げ)時に電界を制御するための手法の概略説明図である。 可変キャパシタのプルダウン(引き下げ)時に電界を制御するための手法の概略説明図である。 可変キャパシタのプルダウン(引き下げ)時に電界を制御するための手法の概略説明図である。 上部バンプを備えた上部電極およびパターン化上部電極について電界制御実装の平面図である。 上部バンプを備えた上部電極およびパターン化上部電極について電界制御実装の断面図である。 アンカー上側層で停止する下側格子縞層の平面図である。 アンカー上側層で停止する下側格子縞層の断面図である。 制御電極への膜の二次着地が起こり得る問題であることを示す。 膜に沿ったストッパを示すもので、垂れ下がりを回避して、IP3性能および信頼性を改善する。 MEMS可変キャパシタの簡略化した製造プロセスを示すもので、誘電体を備えた電極を平坦化するCMPを行った後、凹み問題およびバンプが現れる。 MEMS可変キャパシタの簡略化した製造プロセスを示すもので、誘電体を備えた電極を平坦化するCMPを行った後、凹み問題およびバンプが現れる。 MEMS可変キャパシタの簡略化した製造プロセスを示すもので、誘電体を備えた電極を平坦化するCMPを行った後、凹み問題およびバンプが現れる。 MEMS可変キャパシタの簡略化した製造プロセスを示すもので、誘電体を備えた電極を平坦化するCMPを行った後、凹み問題およびバンプが現れる。 バンプに起因して変形した下部電極と接触したMEMSビームを示す。RF電界が印加されると、膜が矢印で示すように移動し、RFキャパシタンスを変化させ、RF性能を劣化させる。 スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極実装の簡略化したプロセス説明を示す。 スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極実装の簡略化したプロセス説明を示す。 スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極実装の簡略化したプロセス説明を示す。 スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極実装の簡略化したプロセス説明を示す。 スロット(溝埋め込み)制御電極およびRF電極が、制御電極およびRF電極上で崩壊する膜を軽減することを示す。 エッチング手法だけについての簡略化したプロセス説明を示す。 エッチング手法だけについての簡略化したプロセス説明を示す。 エッチング手法だけについての簡略化したプロセス説明を示す。 エッチング手法だけについての簡略化したプロセス説明を示す。 エッチング手法だけについての簡略化したプロセス説明を示す。 エッチングが、制御電極およびRF電極上で崩壊する膜をどのように修正するかを示す。 下部電極の堆積後に見えるバンプを示す。 エッチング手法を用いた結果を示す。 バンプおよびストッパでの電界を制御するための異なる実装を示す。 AC浮遊(floating)制御電極とのRF信号の結合によって、相互変調歪みを制限するための、減少した電界設計を利用した設計を示す。 AC浮遊(floating)制御電極とのRF信号の結合によって、相互変調歪みを制限するための、減少した電界設計を利用した設計を示す。 AC浮遊(floating)制御電極とのRF信号の結合によって、相互変調歪みを制限するための、減少した電界設計を利用した設計を示す。 AC浮遊(floating)制御電極とのRF信号の結合によって、相互変調歪みを制限するための、減少した電界設計を利用した設計を示す。 バイアス抵抗および結合キャパシタの使用を利用した設計を示すもので、RF電極の領域における膜にDC力を印加するのを促進し、膜をRF電極と密接に接触するように引き寄せて、相互変調歪みを制限する。
理解を容易にするため、図面に共通する同じ要素を指定するために、極力同じ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、特定の引用なしで他の実施形態で有益に利用できることを想定している。
MEMSデバイスにおいて、膜(membrane)がRF電極の上で着地する手法は、デバイス性能に影響を及ぼすことがある。RF電極の上に置かれたバンプまたはストッパが、膜の着地、そしてMEMSデバイスのキャパシタンスを制御するために使用できる。バンプまたはストッパの形状および場所は、過電圧が印加された場合でも膜の適正な着地を確保するために調整できる。さらに、MEMSデバイスの屋根または上部電極への膜の着地を制御するために、バンプまたはストッパは、膜自体に付与してもよい。
可変キャパシタのプルダウン(引き下げ)時に電界を制御するための3つの手法を図1A〜図1Cで説明する。3つのモード間の相違点は、駆動時において膜が強制される形状である。3つの場合において、電圧が最も高い駆動電極(即ち、「制御電極」)の上部に余分なギャップが存在している。駆動電極の上でのギャップの深さは、図1Bにおいてプレート曲げストッパおよびRFストッパの高さとほぼ均等であり、あるいは、図1Aおよび図1CにおいてRFストッパの高さとプレート曲げストッパの間の距離であり、電界を著しく低下させ、そして、制御電極の上で接触によって相互作用する代わりに、得られた下向き力がRF電極によって相互作用できるようにサイズ設計される。ギャップの深さは、(増加したギャップに起因して)駆動電圧を著しく増加させることなく、平均電界が3MV/cm未満になるように選択される。駆動電極の上でのギャップは、図1A〜図1Cに示すように、ウエハプロセスによって幾つかの方法で達成できる。一例が、RF電極の上の誘電体を保護するマスクを用いて、駆動電極の上で誘電体をエッチングすることである。除去した誘電体の厚さは、ギャップの深さを決定する。他の手法は、RF電極の上で誘電体スタック間に挟まれた浮遊(floating)金属を挿入することである。RF電極の上での浮遊金属の厚さは、駆動電極の上でのギャップの深さを決定する。第3の手法は、RF電極の上に余分な誘電体層を堆積してパターン化することであり、これにより駆動電極の上での等価ギャップを生成する。
図1A〜図1Cは、RFストッパおよびプレート曲げストッパの高さ組合せを用いた電界制御方法を示す。図1Aは、膜が笑顔(smile)の形状に着地を強制される様子を示す。RFストッパが、プレート曲げストッパよりも短い距離で基板上方に延びているためである。図1Bは、膜が平坦に着地している様子を示す。プレート曲げストッパが、RFストッパと同じ距離で基板上方に延びているためである。図1Cは、膜が、しかめ面(frown)の形状に着地を強制される様子を示す。RFストッパが、プレート曲げストッパよりも長い距離で基板上方に延びているためである。
電界は、デジタル可変キャパシタの上部動作においても減少すべきである。図2A、図2B、図3Aおよび図3Bは、それついての2つの手法を示す。図2Aと図2Bは、上部バンプ/ストッパが、電界を減少させるために用いられる手法を示しており、バンプ/ストッパが、電圧が印加されていない領域(即ち、誘電体プラグ)に着地するように上部電極がパターン化されており、電界が低くなるようにしている。図2Aは、上部バンプを備えた上部電極およびパターン化上部電極について電界制御実装の平面図であり、図2Bは断面図である。図2Aと図2Bに示すように、膜は、そこから延びる、上部電極に形成された誘電体プラグに着地しているストッパを有する。こうしてストッパおよび誘電体プラグの両方が、戦略的に配置される。ストッパが、膜ではなく、基板上に存在している図1A〜図1Cと比べて、図2Aと図2Bにおいて、ストッパは膜の上にある。図1A〜図1Cおよび図2A〜図2Bは、ストッパが基板上に存在し(図1A〜図1Cのように)、そして、膜が基板から離れて上部電極に向けて移動する場合は(図2A〜図2Bのように)、ストッパが膜の上に存在するように、組合せ可能であることが想定される。
図3Aと図3Bは、膜の下側層が、アンカーから延びる上側層に衝突する手法を示す。これは、両者間にギャップを強制することによって、膜が、屋根(図3Bでは上部電極として示す)と接触するのを防止している。この設計特徴への追加は、上部バンプ/ストッパ及び/又はパターン化電極(図2A〜図2Bに示すように)の使用であり、もし膜が接触したとしても、接触が生ずる場所は低電圧/電圧ゼロの領域であり、電界を減少させる。図3Aは、上側アンカー層で停止する下側格子縞(waffle)層の平面図であり、図3Bは断面図である。図1A〜図1C、図2A〜図2Bおよび図3A〜図3Bは、ストッパが基板上に存在し(図1A〜図1Cのように)、そして、膜が基板から離れて上部電極に向けて移動する場合は(図2A〜図2Bおよび図3A〜図3Bのように)、ストッパが膜の上に存在するように(図2A〜図2Bのように)、そして、ストッパがアンカーの上側層の上に存在するように(図3A〜図3Bのように)、組合せ可能であることが想定される。
この手法の起こり得る問題(上部動作および下部動作に適用可能)を図4に示す。この場合、膜は制御電極に崩壊しており、大きな電界が崩壊した場所に存在しており、デバイスの信頼性を損ない、相互変調性能を低下させる(RF電極の上部にギャップ生成)。この問題の解決法を図5に示しており、膜に沿って設置されたバンプが、動作電圧と崩壊電圧との間のマージンが充分に大きく、そして、RF電極の上に生成されるギャップを最小化するのを確保している。
ストッパの領域において電界を減少させるためには、制御電極をこれらのストッパの下部から除去すべきである。バンプおよびストッパは、図13に示すように、(1)接地した電極の上方、(2)金属の浮遊電極ピースの上方、または(3)誘電体の上で制御電極から離れるように、設置できる。オプション(1)と(3)は、バンプでの電界を減少させる。オプション(2)は、バンプ/ストッパの高さの上に良好な制御を得るために用いられる。
RF MEMS可変キャパシタでの電界を制御する利点がある。特に、誘電体は、高い電界下で応力を受けることがない。さらに、デバイスの信頼性が著しく改善する。しかしながら、プルイン(引き込み)エリアでの余分なギャップは、膜が垂れ下がり、最終的に、制御電極へ着地することを許容し、従って、RFギャップが変化して、相互変調性能を低下させるが、制御電極に沿ったスタブ/バンプの追加は、この問題を軽減することになる。
図6A〜図6Dは、MEMS可変キャパシタの簡略化した製造プロセスを示すもので、誘電体を備えた電極を平坦化するCMPを行った後、凹み問題およびバンプが現れる。TEM画像を図12Aに示しており、この問題を確認している。これらのバンプは、図7に示すように、制御電極の上に堆積した誘電体層に転移し、誘電体でのこれらの特徴は、膜がRF電圧下で歪むのを許容し、これは相互変調性能を低下させる。
ここで議論するように2つの解決法がある。1つの解決法は、スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極を利用することである。他の解決法は、バンプをエッチングすることである。
図6A〜図6Dに示すように、基板が、そこに配置された2つの制御電極およびRF電極を有し、その上に誘電体層が形成される。誘電体層は、制御電極およびRF電極を露出させるように、CMPプロセスまたは他のテクニック、例えば研削(grinding)を用いて研磨してもよい。その際、バンプ/ストッパが電極の上面エッジにおいて形成される。バンプ/ストッパは、誘電体材料で形成される。その後、他の誘電体層をその上に堆積してもよく、その際、バンプ/ストッパが今堆積した誘電体層に存在しないように、バンプ/ストッパは存続する。その後、犠牲層をその上に形成してもよく、膜をその上に形成してもよい。犠牲層は、最終的に除去されて、その結果、膜は、誘電体層から離れた位置から誘電体層と接触した位置に移動できる。膜は、電気バイアスが制御電極に印加された場合、移動するようになる。さらに、膜は、歪むことがあり(図7に示すように)、RF電圧をRF電極に印加している。
(スロット(溝埋め込み)RFおよび制御電極)
図8A〜図8Dに示すスロットRFおよび制御の解決法は、バンプ間の膜の剛性(stiffness)を増加させることをベースとしており、これは、2つの連続したバンプ間の距離を短縮化することによって達成できる。電極の溝埋め込みは、この解決法を提供する。2つの連続したバンプ間の膜区画が、図9に示すように短縮され、従って、所定の電圧での歪みが、バンプ間のより大きな距離を用いた設計より小さい。
図8A〜図8Dに示すように、基板が、そこに配置された2つのスロット制御電極およびスロットRF電極を有し、誘電体層がその上に形成される。電極は、「溝埋め込み」式であり、単一の大型電極ではなく、電極は、誘電体材料によって隔離された幾つかのより小型なピースに分割される。誘電体層は、スロット制御電極およびスロットRF電極を露出させるように、CMPプロセスまたは他のテクニック、例えば研削(grinding)を用いて研磨してもよい。その際、バンプ/ストッパがスロット電極の上面エッジにおいて形成される。バンプ/ストッパは、誘電体材料で形成される。その後、他の誘電体層をその上に堆積してもよく、その際、バンプ/ストッパが今堆積した誘電体層に存在しないように、バンプ/ストッパは存続する。その後、犠牲層をその上に形成してもよく、膜をその上に形成してもよい。犠牲層は、最終的に除去されて、その結果、膜は、誘電体層から離れた位置から誘電体層と接触した位置に移動できる。膜は、電気バイアスが制御電極に印加された場合、移動するようになる。さらに、膜は、歪むことがあり(図9に示すように)、RF電圧をスロットRF電極に印加している。
図14A〜図14Dは、AC浮遊(floating)制御電極とのRF信号の結合によって、相互変調歪みを制限するための、減少した電界設計を利用した設計を示す。図14Aは、下部電極に印加された閾値電圧でのMEMSデバイスの理想的な条件を示し、膜は、RF電極ストッパの上で完全に平坦である。閾値静電気力Ftが、膜の復元力と完全にバランスがとれているからである。制御電極に印加されるある過電圧が、安定した動作で常に印加されるため、この条件は、実際には生じない。この状況を図14Bに示す。印加された過電圧に起因した余分な静電気力Foが、制御電極の上で膜の垂れ下がりを生じさせ、その結果、RFストッパの上で膜の上昇を生じさせる。図14Cにおいて、RFパワーが印加され、RMS(二乗平均平方根)電圧に起因したある有効静電気力Frfが、RFストッパの上で膜に印加されようになる。接触点周りのトルク効果が、制御電極の上で膜に逆方向の力F’rfを発生し、その結果、膜はより平坦になる。RFパワーの結果として、こうした膜の変形が相互変調歪みの起源である。それが、キャパシタンスを変調するからである。図14Dにおいて、設計は、駆動電極とのRFパワーの一部の容量結合を提供する。これは、直列抵抗を用いることによってAC浮遊(floating)になる。この結合したAC信号は、制御電極Fcの上で静電気力を発生し、接触点周りのトルクに起因して、RFストッパの上で逆方向の力F’cを発生する。この力は、RFパワーによって生じた変形を部分的に補償し、即ち、膜の変形は制限され、相互変調歪みも減少する。
図15は、バイアス抵抗および結合キャパシタの使用を利用した設計を示すもので、RF電極の領域における膜にDC力を印加するのを促進し、膜をRF電極と密接に接触するように引き寄せて、相互変調歪みを制限する。
バイアス抵抗Rrfは、RF信号の隔離を提供するとともに、結合キャパシタCrfは、RF信号がMEMS可変キャパシタデバイスのRF電極と結合できるようにする。DCバイアス電圧のRF電極への印加は、膜をRF電極と密接に接触するように引き寄せる静電気力Fdcを生じさせる。このことは、印加されたRFパワーを用いてキャパシタンスがさらに変調しないことを確保し、これは相互変調歪みを改善する。
(バンプのエッチング除去)
バンプのエッチングは、問題を完全に除去する。図10A〜図10Eでのプロセス説明は、エッチング工程が、どのようにして膜の下方にある構造物をきれいに/平坦にするかを示しており(図11)、従って、MEMSデジタル可変キャパシタの相互変調性能が改善する。スロットRF電極および制御電極の両方およびエッチングが組合せで使用できることは想定される。図12Bは、エッチング手法を用いた後のTEM結果を示す。
図10A〜図10Eに示すように、基板が、そこに配置された2つの制御電極およびスロットRF電極を有し、誘電体層がその上に形成される。誘電体層は、制御電極およびRF電極を露出させるように、CMPプロセスまたは他のテクニック、例えば研削(grinding)を用いて研磨してもよい。その際、バンプ/ストッパがスロット電極の上面エッジにおいて形成される。バンプ/ストッパは、誘電体材料で形成される。次に、誘電体エッチングプロセスが生じ、誘電体層を制御電極およびRF電極より低いレベルにさらにエッチングする。エッチングは、バンプ/ストッパも除去する。その後、他の誘電体層をその上に堆積してもよく、その際、誘電体層は、コンフォーマル(等角)に堆積され、その結果、誘電体層は、RF電極および制御電極の上でほぼ平面的になる。その後、犠牲層をその上に形成してもよく、膜をその上に形成してもよい。犠牲層は、最終的に除去されて、その結果、膜は、誘電体層から離れた位置から誘電体層と接触した位置に移動できる。膜は、電気バイアスが制御電極に印加された場合、移動するようになる。それが基板に向けて移動した場合、膜は、制御電極およびRF電極の上に配置された誘電体層に対してほぼ平坦に静止するようになる。こうして、RF電圧をRF電極に印加した場合、膜の歪みがほとんどまたは何も生じなくなる(図11に示すように)。
上記説明は本発明の実施形態に関するものであるが、本発明の別の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、その範囲は添付の請求項によって決定される。

Claims (8)

  1. 1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極を有する基板と、
    上部電極と、
    前記基板と前記上部電極との間にある可動の膜とを備え、
    前記基板または前記膜の一方または両方は、前記膜と前記上部電極との間の間隔、または、前記膜と前記1つ以上の制御電極および前記1つ以上のRF電極の両方との間の間隔を制御するように形成されたバンプを有し、
    前記上部電極は、前記膜の上に形成された前記バンプと対応する場所に1つ以上の誘電体プラグを有しており、前記膜が移動して前記上部電極と接触した場合、前記バンプは前記誘電体プラグと接触するようにした、MEMS可変キャパシタ。
  2. バンプは、基板の上に追加的に形成される請求項記載のMEMS可変キャパシタ。
  3. 少なくとも1つのバンプが、1つ以上のRF電極の上に直接形成される請求項記載のMEMS可変キャパシタ。
  4. 1つ以上の溝埋め込みRF電極の上に配置されたバンプが、1つ以上の溝埋め込み制御電極の上に配置されたバンプが延びている距離とほぼ等しい距離だけ基板の上方に延びている請求項記載のMEMS可変キャパシタ。
  5. MEMS可変キャパシタを製造する方法であって、
    基板の上に形成された第1誘電体層を研磨して、基板内に埋め込まれた1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極を露出させるステップであって、研磨は、1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極の上面エッジに形成されたバンプを生じさせるステップと、
    研磨に続いて、第1誘電体層およびバンプをエッチングして、1つ以上の制御電極および1つ以上のRF電極が第1誘電体層の上方に延びるようにするステップと、
    第2誘電体層を堆積するステップと、
    第2誘電体層の上に犠牲層を堆積するステップと、
    犠牲層の上に膜を形成するステップと、
    犠牲層を除去して、膜が、第2誘電体層から離隔した位置および第2誘電体層と接触した位置から可動になるようにするステップと、を含む方法。
  6. 前記1つ以上の制御電極は、2つの制御電極を備える請求項記載の方法。
  7. 前記1つ以上の制御電極は、溝埋め込み制御電極である請求項記載の方法。
  8. 前記1つ以上のRF電極は、溝埋め込みRF電極である請求項記載の方法。
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