JP6396440B2 - マイクロ電気機械システム(mems)デジタル可変キャパシタ(dvc) - Google Patents

マイクロ電気機械システム(mems)デジタル可変キャパシタ(dvc) Download PDF

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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)デジタル可変キャパシタ(DVC)に関する。
幾つかのDVCデバイスが、図1に概略的に示すように、空洞内に配置された可動MEMSエレメントをベースとしており、可動MEMSエレメントの上方に制御電極(即ち、プルアップ(引き上げ)またはプルオフ(引き離し)またはPU電極)、および下方に制御電極(即ち、プルダウン(引き下げ)またはプルイン(引き込み)またはPD電極)を有する。さらに、可動MEMSエレメント(即ち、プレートまたはカンチレバーまたは可動プレート電極)の下方にRF電極が存在する。動作の際、電圧がPU電極またはPD電極に印加され、MEMSエレメントを引き上げまたは引き下げて接触し、RF電極に対して安定した最小容量または最大容量を提供する。こうして可動エレメントからRF電極(可動エレメントの下方に位置する)までの容量が、下部に引かれた場合の高容量Cmax(図2参照)から、上部に引かれた場合の低容量Cmin(図3参照)まで変化できる。
図4は、どのようにMEMS DVCデバイスが、相補型金属酸化物半導体(CMOS)のバックエンド(配線形成)工程(即ち、BEOL)において集積されるかを示す。RFGND(即ち、RFグランド)に接続された金属シールドが、MEMS DVCデバイスの下方に設置され、シリコン基板をMEMS DVCデバイスから遮蔽する。これは、シリコンでの損失機構がMEMS DVCデバイスのRF性能に悪い影響を与えないことを確保する。金属シールドは、典型的には、より下側の電極レベル(例えば、M)に設置される。金属シールドとRF電極(例えば、Mに実装される)との間の追加の金属レベルM…Mn−1は、RFとグランドシールドとの間の寄生容量を制限することを確保する。
図5は、MEMS DVCセルのPD電極およびRF電極の平面図を示す。典型的なMEMS DVCセルにおいて、RF接続は、MEMS DVCセルのサイドAで行われ、一方、他の接続(GND,PU,PD)は、MEMS DVCセルのサイドBで行われる。
図6は、最適なRF性能のために、どのように複数のMEMS DVCセルがRFピン周りに配置されるかを示す。MEMS DVCデバイスの状態を制御するCMOS波形コントローラが、同じチップ内に、MEMSセルの側方または下方に設置される。
図7は、MEMS DVCセルへの波形コントローラの電気接続を概略的に示す。可動エレメントは、典型的には、DCグランドであり、PD電極に印加される電圧(Vbottom)およびPU電極に印加される電圧(Vtop)は、典型的には、MEMS DVCデバイスの長寿命安定性能を確保するように制御される。
抵抗器Rpd,Rpuは、PU電極およびPD電極に存在するRF信号とCMOSドライバとの間のアイソレーションを提供する。これはまた、MEMS DVCセルのRF電極と結合するCMOSノイズがないことを確保している。さらに、これらの抵抗器は、MEMS DVCセル内のMEMSデバイスの減衰を提供し、これは高速動作を可能にする。典型的には、これらの抵抗器は、高い抵抗率のポリシリコンを用いて生成され、これらの抵抗器の値は、50kΩ〜10MΩの範囲である。
図8は、MEMS DVCセルのサイドB近くのMEMS DVCデバイスの断面を示す。ポリ抵抗器とPD電極との間で接続が行われ、CMOS波形コントローラが各MEMS DVCセルに電圧を印加できるようにし、一方、RF信号とCMOS信号との間のアイソレーションを維持する。グランドシールドに孔が作成され、ポリ抵抗器Rpdとの接続を可能にする。同様な接続が、PU電極とポリ抵抗器Rpuとの間で行われる。CMOS基板に存在するいずれかのノイズがポリ抵抗器の中に結合でき、続いてPD電極およびPU電極に結合できる。続いてこのノイズは、RF電極に結合でき、装置のRF性能に影響を及ぼす。
MEMSデバイス近くの基板内のノイズを制限するために、基板とグランドの接触がMEMS DVCデバイスの近くで回避でき、そのためチップ内でMEMSデバイスに近接して位置するCMOS波形コントローラ(図6参照)で発生したいずれかのノイズが、ポリ抵抗器に到達する前にCMOS基板をある距離だけ通過する必要がある。基板とグランドの接触は、MEMSデバイスの領域では要求されず、この領域において基板内に能動デバイスが存在しないためである。
大きい値のポリ抵抗器のため、このポリ抵抗器からの寄生容量は、MEMSセルに印加される信号の動的挙動に影響を及ぼす。ポリ抵抗器は、その上方にあるRFGND−シールドおよびその下方にある基板の両方に対して、寄生容量を有するようになる。
図9は、RFGND−シールドに対する寄生容量Cshieldおよび、基板に対する寄生容量Csubを備えた、所定のMEMS DVCセルのポリ抵抗器Rpu,Rpdの簡略化した等価回路モデルを示す。電圧Vtop,Vbottomは、CMOS波形コントローラによって、基板と接続しているCMOSグランドに対して発生する。Csubを介して基板と結合したいずれかの電流が、実際のCMOSグランド基準ポイントに到達する前に、基板を特定の距離だけ通過する必要があり、即ち、所定の直列抵抗Rsubが存在する。RFGNDシールドと結合した電流は、CMOSグランドと有効に直接に結合しており、その理由は、RFGNDは、チップの内部または外部のいずれかでCMOS GNDと接続しているためである(点線で示す)。
典型的なCMOSプロセスにおいて、基板へのポリ抵抗器の結合Csubは、ポリ抵抗器の上方にある金属−シールドへのポリ抵抗器の結合Cshieldより大きくできる。これは、ポリ抵抗器の動的応答がCsubとRsubの値に依存することを意味する。
図6の各MEMSセルは、RFアイソレーションおよびMEMS減衰を提供するために、セルのサイドB近くにポリ抵抗器を有する。各MEMSセルは、チップ内部の異なる位置に設置されるため、Rsubの値はセルごとに大きく変動することがある。これは、種々のセルが、異なるRFアイソレーションおよび減衰を示し、そしてチップ上の種々のMEMSセルの異なる動的駆動を示すことになることを意味する。
先行技術において、この変動を排除し、RFアイソレーションをさらに改善するニーズがある。
本発明は、一般にMEMS DVCに関する。MEMS DVCは、RF電極を有し、CMOS基板の上方に形成される。RF信号中のノイズを低減するために、波形コントローラとMEMSエレメントの電極との間に接続されたポリ抵抗器が、絶縁されたp井戸または絶縁されたp井戸によって包囲できる。絶縁された井戸は、ポリ抵抗器とMEMSエレメントとの間に設けられたRFグランドシールドと接続される。ポリ抵抗器を包囲する絶縁された井戸の存在に起因して、基板抵抗は、MEMS DVCでの各MEMSエレメントの動的挙動に影響を与えず、RF信号のノイズが減少する。
一実施形態において、MEMS DVCは、基板と、基板の上方に設けられ、RF電極、および1つ以上の他の電極を有するMEMSデバイスと、基板とMEMSデバイスとの間に設けられ、MEMSデバイスと接続したポリ抵抗器と、MEMSデバイスとポリ抵抗器との間に設けられたRFグランドシールドと、基板とポリ抵抗器との間に設けられ、RFグランドシールドと接続したp井戸コンタクトと、p井戸コンタクトと接続し、基板とポリ抵抗器との間に設けられた、絶縁されたp井戸であって、p井戸コンタクトおよび絶縁されたp井戸はポリ抵抗器を包囲する、絶縁されたp井戸と、基板とポリ抵抗器との間に設けられ、RFグランドシールドと接続したn井戸コンタクトと、n井戸コンタクトと接続し、基板と絶縁p井戸との間に設けられたn井戸であって、n井戸コンタクトおよびn井戸は、p井戸コンタクトおよび絶縁p井戸を包囲する、n井戸とを備える。
他の実施形態において、MEMS DVCは、基板の上方に設けられ、1つ以上の電極を有するMEMSデバイスと、1つ以上の電極のうち少なくとも1つと接続した第1ポリ抵抗器と、第1ポリ抵抗器を包囲するn井戸と、n井戸と接続したRFグランドシールドとを備える。
他の実施形態において、MEMS DVCは、基板と、基板内に埋め込まれた深いn井戸と、深いn井戸の上方に設けられた第1の絶縁されたp井戸と、絶縁されたp井戸の上方に設けられ、MEMSデバイスと接続した第1ポリ抵抗器と、ポリ抵抗器とMEMSデバイスとの間に設けられたRFグランドシールドとを備え、深いn井戸および絶縁されたp井戸は、RFグランドシールドと接続している。
本発明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、本発明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、本発明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。
独立状態でのMEMS DVCの概略断面図である。 max状態での図1のMEMS DVCの概略断面図である。 min状態での図1のMEMS DVCの概略断面図である。 シリコン基板をRFから遮蔽するために、MEMSデバイスの下方にあるM1グランドシールドを備えたMEMS DVCデバイスの概略断面図である。 セルの第1側にあるRF接続部と、セルの反対側にあるグランドおよびプルダウン接続部とを備えたMEMS DVCセルの概略平面図である。 RFピンの周りに配置されたMEMS DVCセルと、同じチップ上に設置されたCMOS波形コントローラとを備えたDVCチップの概略平面図である。 抵抗器Rpu,RpdとのMEMS DVCの電気接続の概略図である。 ポリ抵抗器とのプルダウン電極の接続部を備えた、セルの側部に近くのMEMS DVCの概略断面図である。 図8のMEMS DVCの回路図である。 MEMS DVCでのポリ抵抗器の下方にある絶縁されたp井戸の概略断面図である。 一実施形態に係る絶縁されたp井戸を備えたポリ抵抗器の概略平面図である。 他の実施形態に係る絶縁されたp井戸を備えたポリ抵抗器の概略平面図である。 図10のMEMS DVCの回路図である。 MEMS DVCでのポリ抵抗器の下方にある絶縁されたn井戸の概略断面図である。 一実施形態に係る絶縁されたn井戸を備えたポリ抵抗器の概略平面図である。 図13のMEMS DVCの回路図である。
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。
本発明は、一般にMEMS DVCに関する。MEMS DVCは、RF電極を有し、CMOS基板の上方に形成される。RF信号中のノイズを低減するために、波形コントローラとMEMSエレメントの電極との間に接続されたポリ抵抗器が、絶縁されたp井戸または絶縁されたp井戸によって包囲できる。絶縁された井戸は、ポリ抵抗器とMEMSエレメントとの間に設けられたRFグランドシールドと接続される。ポリ抵抗器を包囲する絶縁された井戸の存在に起因して、基板抵抗は、MEMS DVCでの各MEMSエレメントの動的挙動に影響を与えず、RF信号のノイズが減少する。ここで議論するように、RFとCMOSとの間の絶縁が改善され、これによりRF信号のスプリアスノイズを改善する。さらに、各MEMSセルは、ビットをプログラム作成/消去する場合、同一の動的挙動を有するようになり、これはアレイ内のセル間のスイッチ時間を一致させることをより容易にし、MEMSセルのスイッチ時間のより容易な最適化を可能にする。
図10は、本発明の一実施形態を示しており、ポリ抵抗器の下方にある絶縁されたP井戸が使用され、これはポリ抵抗器の上方に設置された金属1 RFGND−シールドと電気接続されている。簡単のため、上方にある金属は省略しているが、例えば、図4に示すような追加の金属層が存在してもよいことは理解すべきである。絶縁されたP井戸は、三重井戸CMOSプロセスで広く利用可能である。ポリ抵抗器は、完全なN井戸ガードリングによって包囲される。深いN井戸埋め込みが、底部および側部においてN領域によって包囲される絶縁されたP井戸を生成するために使用される。これにより、絶縁されたP井戸が、下方のP基板から分離してバイアスを印加されることが可能になる。これは、絶縁されたP井戸のRFGNDシールドとの接続を容易にする。N井戸および深いN井戸はまた、RFGNDシールドと接続され、絶縁されたP井戸およびN井戸ガードリングのpnダイオードを有効に短絡する。
図11Aは、絶縁されたP井戸の上方に設置されたポリ抵抗器の平面図を示す。金属1 RFGNDシールド(図11Aでは明確化のため省略)は、N井戸ガードリングのN+アクティブ接続部および絶縁されたP井戸のP+アクティブ接続部と接続する。それは、ポリ抵抗器接続部(Vtop,Vbottom,Vpu,Vpd)へのアクセスを提供する孔を含む。
P+アクティブ絶縁P井戸接続部が、各ポリ抵抗器を包囲し、絶縁されたP井戸に流入する何れの電流も拾い上げて、この電流を金属1 RFGND−シールドに方向転換する。DVCセルの両方のポリ抵抗器(Rpu,Rpd)は、同じ絶縁されたP井戸を共有する。図11Bに示す代替の実装において、各抵抗器は、分離した絶縁P井戸の内側に位置決めできる。
図12は、RFGND−シールドに対する寄生容量Cshieldおよび下方の絶縁されたP井戸に対する寄生容量Cpwellを備えたポリ抵抗器Rpu,Rpdの簡略化した等価電気回路モデルを示す。Cpwellを経由してポリ抵抗器から絶縁P井戸へ結合したいずれの電流も、絶縁P井戸コンタクトを介してRFGNDに直接結合する。RFGNDは、チップの内側または外側にあるCMOSグランドと接続されるため(点線で示す)、基板抵抗Rsubは、動的挙動に影響を与えることがなく、各DVCセルは、チップ内のその場所から同様に独立して挙動を示すようになる。従って、基板は、チップのCMOS領域内に設置でき、MEMSセルの近くに配置する必要がない。
基板内のいずれのCMOSノイズは、各DVCセルのポリ抵抗器領域に到達する前に、Rsubを通ってある距離だけ走行する必要がある。それは、基板とNwell/深いNwell領域との間にあるダイオードDnwellを通って、絶縁されたP井戸に流入するようになる。しかしながら、絶縁されたP井戸およびNwell/深いNwellは、RFGNDと接続し、そしてチップ外側にあるCMOSグランドと直接に接続しているため、この接続は、DVCデバイスのRF電極内のスプリアスノイズへの影響を有していない。従って、絶縁されたP井戸はまた、DVCデバイスの改善されたノイズ性能を提供する。
図13は、本発明の他の実施形態を示し、ポリ抵抗器の下方にある絶縁P井戸が存在せず、かわりにN井戸を使用している。N井戸は、ポリ抵抗器の上方に設置された金属1 RFGND−シールドと接続される。簡単のため、上方にある金属層は省略しているが、図4に示したような追加の金属層が存在してもよいことは理解すべきである。この配置により、N井戸は、下方のP基板から分離してバイアスを印加されることが可能になり、これはRFGNDシールドとのN井戸の接続を容易にする。図13に示すように、n井戸は、2つのポリ抵抗器を相互に絶縁する内壁を有する。
図14は、N井戸の上方に設置されたポリ抵抗器の平面図を示す。金属1 RFGNDシールド(図14では明確化のため省略)は、ポリ抵抗器接続部(Vtop,Vbottom,Vpu,Vpd)へのアクセスを提供する孔を含む。図14はまた、N井戸と接続した表面埋め込み領域を示す。表面埋め込み領域は、N井戸との低いオーミック接続を提供する極めて浅い表面n+埋め込み領域である。
図15は、RFGND−シールドに対する寄生容量Cshieldおよび下方のN井戸に対する寄生容量Cnwellを備えたポリ抵抗器Rpu,Rpdの簡略化した等価電気回路モデルを示す。Cnwellを経由してポリ抵抗器からn井戸へ結合したいずれの電流も、RFGNDに直接結合する。RFGNDは、チップの内側または外側にあるCMOSグランドと接続されるため(点線で示す)、基板抵抗Rsubは、動的挙動に影響を与えることがなく、各DVCセルは、チップ内のその場所から同様に独立して挙動を示すようになる。従って、基板コンタクトは、チップのCMOS領域内に設置でき、MEMSセルの近くに配置する必要がない。
基板内のいずれのCMOSノイズは、各DVCセルのポリ抵抗器領域に到達する前に、Rsubを通ってある距離だけ走行する必要がある。それは、ダイオードDnwellを通って、N井戸に流入するようになる。しかしながら、N井戸は、RFGNDと接続し、そしてチップ外側にあるCMOSグランドと直接に接続しているため、この接続は、DVCデバイスのRF電極内のスプリアスノイズへの影響を有していない。従って、N井戸は、単独で、絶縁されたP井戸なしでも、DVCデバイスの改善されたノイズ性能を提供する。
N井戸をRFグランドと接続することによって、またはNwell/深いNwellおよび絶縁されたP井戸をRFグランドと接続することによって、RFとCMOSとの間の絶縁が大きく改善され、RF信号でのいずれのノイズも著しく減少し、あるいは除去される。さらにも各MEMSセルは、同一の動的性能を有するようになる。
上記記載は、本発明の実施形態に関するものであるが、本発明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 (20)

  1. 基板の上方に設けられたMEMSデバイスであって、1つ以上の電極、空洞内に配置された可動MEMSエレメント、および可動MEMSエレメントの下方に配置されたRF電極を有するMEMSデバイスと、
    前記1つ以上の電極のうち少なくとも1つと接続した第1ポリ抵抗器であって、基板とMEMSデバイスとの間に配置された第1ポリ抵抗器と、
    第1ポリ抵抗器の下方に配置されたn井戸と、
    第1ポリ抵抗器の上方に配置されたRFグランドシールドと
    n井戸と第1ポリ抵抗器との間に配置された絶縁p井戸と、
    n井戸およびRFグランドシールドと接続したn井戸コンタクトとを備え、
    n井戸コンタクトは、第1ポリ抵抗器および絶縁p井戸を包囲する、MEMS DVC。
  2. 第1ポリ抵抗器は、波形コントローラと接続している請求項1記載のMEMS DVC。
  3. 第1ポリ抵抗器は、MEMSデバイスの第1電極と接続している請求項2記載のMEMS DVC。
  4. MEMSデバイスの第2電極と接続している第2ポリ抵抗器をさらに備える請求項1記載のMEMS DVC。
  5. n井戸は、第1ポリ抵抗器および第2ポリ抵抗器の両方を包囲し、あるいは、
    n井戸は、第1ポリ抵抗器を包囲する第1n井戸と、第2ポリ抵抗器を包囲する第2n井戸とを含む、請求項4記載のMEMS DVC。
  6. 第2ポリ抵抗器は、波形コントローラと接続している請求項5記載のMEMS DVC。
  7. n井戸は、第1ポリ抵抗器および第2ポリ抵抗器の両方を包囲し、
    MEMS DVCはさらに、n井戸とは区別されるが、これと接続している表面埋め込み領域を備え、
    表面埋め込み領域は、第1ポリ抵抗器と第2ポリ抵抗器との間に延びている請求項6記載のMEMS DVC。
  8. RFグランドシールドは、第1ポリ抵抗器とMEMSデバイスとの間に設けられる請求項1記載のMEMS DVC。
  9. n井戸は、n井戸と第1ポリ抵抗器との間で接続されたN+接続部を含み、
    n井戸は、第1ポリ抵抗器の下方に、基板内に埋め込まれる、請求項1記載のMEMS DVC。
  10. MEMSデバイスの第2電極と接続された第2ポリ抵抗器をさらに備える請求項9記載のMEMS DVC。
  11. n井戸は、第1ポリ抵抗器および第2ポリ抵抗器の両方を包囲し、あるいは、
    n井戸は、第1ポリ抵抗器を包囲する第1n井戸と、第2ポリ抵抗器を包囲する第2n井戸とを含む、請求項10記載のMEMS DVC。
  12. n井戸は、第1ポリ抵抗器および第2ポリ抵抗器の両方を包囲し、
    MEMS DVCはさらに、n井戸とは区別されるが、これと接続している表面埋め込み領域を備え、
    表面埋め込み領域は、第1ポリ抵抗器と第2ポリ抵抗器との間に延びている請求項11記載のMEMS DVC。
  13. 第1ポリ抵抗器は、第1端部および第2端部を有し、
    第1端部は、MEMSデバイスの電極と接続される請求項12記載のMEMS DVC。
  14. 第2ポリ抵抗器は、第1端部および第2端部を有し、
    第1端部は、MEMSデバイスの他の電極と接続される請求項13記載のMEMS DVC。
  15. 第1ポリ抵抗器は、波形コントローラと接続している請求項14記載のMEMS DVC。
  16. 第2ポリ抵抗器は、波形コントローラと接続している請求項15記載のMEMS DVC。
  17. 基板と、
    基板の上方に設けられ、RF電極、および1つ以上の他の電極を有するMEMSデバイスと、
    基板とMEMSデバイスとの間に設けられ、MEMSデバイスと接続したポリ抵抗器と、
    MEMSデバイスとポリ抵抗器との間に設けられたRFグランドシールドと、
    基板とポリ抵抗器との間に設けられ、RFグランドシールドと接続したp井戸コンタクトと、
    p井戸コンタクトと接続し、基板とポリ抵抗器との間に設けられた、絶縁されたp井戸であって、p井戸コンタクトおよび絶縁されたp井戸はポリ抵抗器を包囲する、絶縁されたp井戸と、
    基板とポリ抵抗器との間に設けられ、RFグランドシールドと接続したn井戸コンタクトと、
    n井戸コンタクトと接続し、基板と絶縁p井戸との間に設けられたn井戸であって、n井戸コンタクトおよびn井戸は、p井戸コンタクトおよび絶縁p井戸を包囲する、n井戸とを備える、MEMS DVC。
  18. ポリ抵抗器と接続された波形コントローラをさらに備える請求項17記載のMEMS DVC。
  19. n井戸と接続され、絶縁されたp井戸の下方に設けられた深いn井戸をさらに備え、
    深いn井戸およびn井戸は、p井戸を基板から絶縁している請求項18記載のMEMS DVC。
  20. ポリ抵抗器は、MEMSデバイスの1つ以上の他の電極のうちの電極と接続される請求項18記載のMEMS DVC。
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