JP6917370B2 - Rfスイッチの脚とアンカーにおける電流取り扱い - Google Patents

Rfスイッチの脚とアンカーにおける電流取り扱い Download PDF

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Description

本開示の一実施形態は、一般に、MEMSスイッチにおける脚とアンカーの電流取り扱い(current handling)を改善するための技術に関する。
MEMS抵抗スイッチは、作動電極に電圧を印加することによって移動する可動プレートを含む。電極電圧がしばしばスナップイン電圧と呼ばれる特定の電圧に一旦達すると、プレートは電極に向かって移動する。電圧がリリース電圧まで一旦低下すると、プレートは元の位置に戻る。典型的には、プレートが作動電極に接近しているとき、より高い静電力のせいで、および、プレートと、このプレートが一旦電極に近づけられて接触している表面との間の吸着(stiction)のせいで、リリース電圧はスナップイン電圧よりも低い。MEMSデバイスのばね定数は、プルイン電圧およびプルオフ電圧の値を設定する。
プレートが下に作動すると、プレートはこのプレートがオーミック接触するコンタクト電極上に着地する。オーミックコンタクトからスイッチ本体に注入される電流は、脚サスペンションとスイッチアンカービアを通して上記スイッチのアンカーに流れ出す。
この電流は、ジュール加熱によって脚の温度上昇を引き起こし、高温になり、スイッチング電圧の変化を引き起こす望ましくない熱膨張、または、デバイス製造にしばしば使用される合金材料の相変化を引き起こす可能性がある。同時に、電流は、MEMSデバイスを基板に固定するために使用されるビアに故障を引き起こす可能性がある。
したがって、当技術分野では、脚とアンカービアの破壊的な故障に至らずに大きな電流を流すことができるMEMSスイッチが必要とされている。
本開示は、概して、MEMSスイッチによって取り扱われるべきより大きな電流を許容する、修正された脚とアンカーの設計に関する。
一実施形態では、MEMSデバイスは、
内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくともアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
このスイッチング素子は、
底層、
頂層、および
上記底層を上記頂層に接続する複数のビアを有し、
上記スイッチング素子は、第1のアンカー部分、第1の脚部分、およびブリッジ部分を含み、上記複数のビアは、上記アンカー部分および上記ブリッジ部分内に配置され、上記アンカー部分は上記アンカー電極に結合されている。
別の実施形態では、MEMSデバイスは、
内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくともアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
上記アンカー電極の上に配置されたアンカーコンタクトと、
上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
このスイッチング素子は、
底層、
頂層、および
上記底層を上記頂層に接続する複数のビアを有し、上記スイッチング素子はキャビティ内に封じられ、
上記底層、頂層およびアンカーコンタクトと接触しているキャビティ側壁を備え、このキャビティ側壁は、上記底層、頂層およびアンカーコンタクトに電気的に結合されている。
別の実施形態では、MEMSデバイスは、
内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくともアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
上記アンカー電極の上に配置されたアンカーコンタクトと、
上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
このスイッチング素子は、
底層、
頂層、および
上記底層を上記頂層に接続する複数のビアを有し、
上記スイッチング素子は、第1のアンカー部分、第1の脚部分、およびブリッジ部分を含み、上記複数のビアは、上記アンカー部分および上記ブリッジ部分内に配置され、上記アンカー部分は上記アンカー電極に結合されており、
上記底層、頂層およびアンカーコンタクトと接触しているキャビティ側壁を備え、このキャビティ側壁は、上記底層、頂層およびアンカーコンタクトに電気的に結合されている。
上述した本開示の特徴を詳細に理解することができるように、上で簡潔に要約した本開示のより詳細な説明は、幾つかの添付の図面に示された実施形態を参照して得られる。しかしながら、添付の図面は、本開示の典型的な実施形態のみを示しており、したがって、本開示は、他の同等に有効な実施形態を許容できるため、その範囲を限定するものとみなされるべきではないことに留意されたい。
オーミックMEMSスイッチの概略的な上面図である。
幾つかの並列作動されるMEMSスイッチを含むオーミックスイッチセルの概略的な上面図である。
幾つかの並列作動されるスイッチセルを含むオーミックスイッチアレイの概略的な上面図である。
一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの概略的な断面図である。
一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。 一実施形態によるMEMSオーミックスイッチの作製の様々な段階での概略的な断面図である。
理解を容易にするために、図面に共通の同一の要素を示すために、可能な限り同一の参照番号が使用されている。一実施形態で開示される要素は、特定の記載なしに他の実施形態で有益に利用され得ることが企図されている。
図1Aは、オーミックMEMSスイッチ100の概略的な上面図である。スイッチ100は、RF電極102、プルダウン電極104、およびアンカー電極106を含んでいる。十分に高い電圧がプルダウン電極104に印加されると、MEMSスイッチが下に作動して、RF電極102とアンカー電極106との間にオーミック接続を形成する。
図1Bは、幾つかのMEMSスイッチ100を含むオーミックスイッチセル110の概略的な上面図である。プルダウン電極104に十分に高い電圧を印加することによって、セル110内のすべてのMEMSスイッチ100が同時にオンにされる。多くのスイッチが並列に作動されるので、RF電極102とアンカー電極106との間の抵抗が低減される。
図1Cは、オーミックスイッチアレイの概略的な上面図である。このオーミックスイッチアレイは、幾つかの並列に作動されるスイッチセル110を含んでいる。各セルのRF電極102は、各スイッチセル110の一端で互いに接続される一方、アンカー電極106は、各スイッチセル110の他端で互いに接続されている。全てのセルがオンされると、RF電極102とアンカー電極106との間の抵抗がさらに減少する結果になる。同時に、多くのスイッチが並列に作動されるため、スイッチアレイ全体でより多くの電流を取り扱うことができる。
図2は、オーミックMEMSスイッチ200の断面を示している。本開示は、MEMSの脚サスペンションおよびアンカーの電流取り扱い能力を改善する方法を記載する。MEMSスイッチ200は、基板202上に配置された、RF電極102と、プルダウン電極104と、アンカー電極106とを含んでいる。プルダウン状態(引き下げられた状態)においてMEMSスイッチとプルダウン電極104との間の短絡を回避するために、プルダウン電極104は誘電体層204で覆われている。電気的絶縁または誘電体層204に適した材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン、および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、誘電体層内の電界を制限するために、典型的には50nm〜150nmの範囲内である。RF電極102の上には、RFコンタクト206がある。そのRFコンタクト206に対して、プルダウン状態でスイッチ本体がオーミック接触を形成する。アンカー電極106の上には、アンカーコンタクト208がある。そのアンカーコンタクト208に対してMEMSデバイスが固定される。コンタクト層206,208に用いられる典型的な材料は、Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO、ITO、Mo、およびそれらの組み合わせを含む。
スイッチ素子は、ビア214のアレイを用いて一緒に接合される導電層210,212からなる堅いブリッジを含む。これにより、堅いプレート部および柔軟な脚が、動作電圧を許容可能なレベルに保ちながら高い接触力を提供することを可能にする。MEMSブリッジは、MEMSブリッジの下層210に形成された脚(複数)216と、上層212に形成された脚(複数)218とによって懸架されている。MEMSブリッジの上層は、ビア220を用いてMEMSの下層に固定されている。MEMSブリッジの下層は、ビア222を用いてアンカーコンタクト208に固定されている。MEMSスイッチが下に作動されたときRFコンタクト206からMEMSブリッジに注入される電流は、MEMSブリッジを通して両方向に、スイッチ本体の両側に位置するアンカー電極106へ流出する。スイッチの電流の取り扱いは、単層の代わりに、MEMSブリッジの両方の層210,212に脚216,218を使用することによって改善される。これらの脚は、MEMSブリッジのようにビア214と一緒に接合されていないので、これらの脚の柔軟性(compliance)は、MEMSブリッジ210,212をRFコンタクト206と接触するように引っ張るための妥当な動作電圧を可能にするほど、低い。
MEMSブリッジの上方には、オフ状態のためにMEMSを屋根までプルアップする(引き上げる)ために使用される金属226でキャップされた誘電体層224がある。誘電体層224は、作動アップ状態においてMEMSブリッジとプルアップ電極226との間の短絡を回避し、高信頼性のために電界を制限する。デバイスを上部に移動させることは、オフ状態のRF電極102へのスイッチのキャパシタンスを低減するのに役立つ。キャビティの屋根は、機械的強度のための追加の誘電体層228をさらに含む。キャビティは、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リリース孔232を充填する誘電体層230で密封されている。その誘電体層230は、エッチリリース孔232に入り、アンカー内でMEMSブリッジの頂層212にさらなる機械的支持を提供しながら、キャビティ内に低圧環境が存在するようにキャビティを密封する。屋根の誘電体層228,230に適した材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。
プルアップ電極226に使用されるのと同じ導電層が、234にてキャビティの側面でも使用されている。その導電層は、236にてMEMSブリッジの頂層212に接続し、238にてMEMSブリッジの底層210に接続し、また、アンカーコンタクト208に接続している。したがって、この側壁の電気的接続は、MEMSブリッジビア220,222と並列に、MEMSブリッジ210,212からアンカーコンタクト208への電流経路を提供し、MEMSアンカーの電流取り扱い能力を高める。
図3A〜図3Hは、一実施形態によるMEMSオーミックスイッチ200の作製の様々な段階での概略図である。図3Aは、MEMSスイッチのバックプレーン出発材料を示している。それは、RF電極102、プルイン電極104およびアンカー電極106を含む複数の電極を有する基板202を含んでいる。基板202は、単層基板、または、1層以上の相互接続を有するCMOS基板のような多層基板を含むことができることを理解されたい。さらに、電極102,104,106に使用することが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、およびそれらの組み合わせを含み、異なる材料の多層スタックを含む。プルダウン電極104は電気的絶縁層204で覆われている。電気的絶縁層204に適した材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。RF電極の上にはRFコンタクト206があり、アンカー電極106の上にはアンカーコンタクト208がある。コンタクト206,208に用いられる典型的な材料は、Ti、TiN、TiAl、TiAlN、AlN、Al、W、Pt、Ir、Rh、Ru、RuO、ITO、Mo、およびそれらの組み合わせを含む。
図3Bは、MEMSブリッジの下層210の形成を示している。この下層は、犠牲層302を堆積し、この犠牲層302内にビア222を開口させ、216にて脚を含む下ブリッジ部分を堆積及びパターン加工することによって、上記バックプレーン上に形成される。MEMSブリッジは、ビア222を用いてアンカーコンタクト208に固定される。
図3Cは、MEMSブリッジの上層212の形成を示している。追加の犠牲材料302が堆積され、下側MEMSブリッジ210上にあるビア220,214の位置に開口が形成される。上側MEMSブリッジが堆積及びパターン加工されて、脚216,218およびアンカービア220,222を含んでビア214によって一緒に接合された完全なMEMSブリッジ210,212を形成する。
図3Dは、追加の犠牲材料302および絶縁用誘電体層224を堆積させることによるプルアップ電極の形成を示している。電気的絶縁層224に適した材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンおよび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、キャビティの輪郭を形成するようにパターン加工される。これにより、アンカーコンタクト層208の一部とともに、下側MEMSブリッジ層の一部238および上側MEMSブリッジ層の一部236を露出させる。
図3Eは、プルアップ電極226および側壁電気的接続部234の形成を示している。この側壁電気的接続部は、上側MEMSブリッジ層の露出部分236、下側MEMSブリッジ層の露出部分238、およびアンカーコンタクト208に接続している。これにより、アンカービア220,222と並列に、MEMSブリッジ210,212からアンカーコンタクト208への付加的な電流経路を提供する。
図3Fは、誘電材料228を堆積させることによるキャビティ屋根の形成を示している。電気的絶縁層228に適した材料は、酸化シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコンおよび酸窒化シリコンを含むシリコン系材料を含む。この層は屋根に付加的な機械的強度を与える。キャビティ内の犠牲材料を露出させるエッチリリース孔232が開口される。
図3Gは、犠牲層がリリース孔232を通して除去され、誘電体層230で密封された後のMEMSスイッチを示している。また、誘電体層230は、エッチリリース孔232の内部に堆積され、上側MEMSブリッジ層212上に着地している。これにより、アンカーに付加的な機械的強度を提供する。
スイッチング素子のブリッジの頂層をアンカー領域までずっと延ばすことにより、アンカー領域はより大きな機械的強度を有する。さらに、スイッチング素子の頂層を通してアンカー電極への付加的な電流経路が存在する。それは、アンカーの電流取り扱い能力を増加させる。
前述は本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他のおよびさらなる実施形態が、本開示の基本的な範囲から逸脱することなく考案されてもよい。本開示の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定される。

Claims (20)

  1. MEMSデバイスであって、
    内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくとも第1のアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
    上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
    上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
    このスイッチング素子は、
    底層、
    頂層、および
    上記底層を上記頂層に接続する複数の第1のビアを有し、
    上記スイッチング素子は、第1のアンカー部分、第1の脚部分、およびブリッジ部分を含み、上記複数の第1のビアは、上記第1のアンカー部分および上記ブリッジ部分内に配置され、上記第1のアンカー部分は上記第1のアンカー電極に結合されており、
    上記第1のアンカー電極と上記スイッチング素子との間に配置されたアンカーコンタクトを備え、上記スイッチング素子は、上記底層を上記アンカーコンタクトに接続する少なくとも1つの第2のビアによって形成される第1の電流経路、および上記スイッチング素子の側面に配置された導電層によって形成される第2の電流経路によって上記アンカーコンタクトに電気的に結合されている、MEMSデバイス。
  2. 請求項1に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第1のアンカー部分は、上記底層の一部、上記頂層の一部、および上記底層を上記頂層に接続する少なくとも1つの第1のビア含む、MEMSデバイス。
  3. 請求項2に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記アンカーコンタクトは、上記第1のアンカー電極と上記少なくとも1つの第2のビアとの間に配置されている、MEMSデバイス。
  4. 請求項3に記載のMEMSデバイスにおいて、さらに、
    上記頂層の頂面に結合された誘電体層を備えた、MEMSデバイス。
  5. 請求項4に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第1のアンカー電極、上記アンカーコンタクト、上記少なくとも1つの第2のビア、上記底層、上記少なくとも1つの第1のビア、および上記頂層は、断面視ですべて鉛直方向に並んでいる、MEMSデバイス。
  6. 請求項5に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記複数の電極は、上記第1のアンカー電極から上記スイッチング素子の反対側の端部に配置された第2のアンカー電極を含む、MEMSデバイス。
  7. 請求項6に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記スイッチング素子は第2のアンカー部分を含み、
    上記第2のアンカー部分は、上記底層の一部、上記頂層の一部、上記底層を上記頂層に接続する少なくとも1つの第1のビア、および、上記底層を上記第2のアンカー電極に接続する少なくとも1つの第2のビアを含む、MEMSデバイス。
  8. MEMSデバイスであって、
    内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくとも第1のアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
    上記第1のアンカー電極の上に配置されたアンカーコンタクトと、
    上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
    上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
    このスイッチング素子は、
    底層、
    頂層、および
    上記底層を上記頂層に接続する複数のビアを有し、上記スイッチング素子はキャビティ内に封じられ、
    上記底層、頂層およびアンカーコンタクトと接触しているキャビティ側壁を備え、このキャビティ側壁は、上記底層、頂層およびアンカーコンタクトに電気的に結合されており、上記スイッチング素子は、2つの別個の電流経路によって上記アンカーコンタクトに電気的に結合されている、MEMSデバイス。
  9. 請求項8に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記複数の電極は、上記第1のアンカー電極から上記スイッチング素子の反対側の端部に配置された第2のアンカー電極を含む、MEMSデバイス。
  10. 請求項9に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第2のアンカー電極上に第2のアンカーコンタクトが配置され、
    上記キャビティ側壁は、上記底層、頂層および第2のアンカーコンタクトと接触している、MEMSデバイス。
  11. 請求項10に記載のMEMSデバイスにおいて、さらに、
    上記底層を上記アンカーコンタクトに接続するビアを備えた、MEMSデバイス。
  12. MEMSデバイスであって、
    内部に複数の電極が形成された基板を備え、上記複数の電極は、少なくとも第1のアンカー電極と、プルダウン電極と、RF電極とを含み、
    上記第1のアンカー電極の上に配置されたアンカーコンタクトと、
    上記基板及び上記プルダウン電極の上に配置された絶縁層と、
    上記RF電極から第1の距離だけ離れるとともに、上記RF電極から上記第1の距離とは異なる第2の距離だけ離れた位置から移動可能なスイッチング素子とを備え、
    このスイッチング素子は、
    底層、
    頂層、および
    上記底層を上記頂層に接続する複数のビアを有し、
    上記スイッチング素子は、第1のアンカー部分、第1の脚部分、およびブリッジ部分を含み、上記複数のビアは、上記第1のアンカー部分および上記ブリッジ部分内に配置され、上記第1のアンカー部分は上記第1のアンカー電極に結合されており、
    上記底層、頂層およびアンカーコンタクトと接触しているキャビティ側壁を備え、このキャビティ側壁は、上記底層、頂層およびアンカーコンタクトに電気的に結合されており、上記スイッチング素子は、2つの別個の電流経路によって上記アンカーコンタクトに電気的に結合されている、MEMSデバイス。
  13. 請求項12に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第1のアンカー部分は、上記底層の一部、上記頂層の一部、上記底層を上記頂層に接続する少なくとも1つの第1のビア、および、上記底層を上記第1のアンカー電極に接続する少なくとも1つの第2のビアを含む、MEMSデバイス。
  14. 請求項13に記載のMEMSデバイスにおいて、さらに、
    上記第1のアンカー電極と上記少なくとも1つの第2のビアとの間に配置されたアンカーコンタクトを備えた、MEMSデバイス。
  15. 請求項14に記載のMEMSデバイスにおいて、さらに、
    上記頂層の頂面に結合された誘電体層を備えた、MEMSデバイス。
  16. 請求項15に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第1のアンカー電極、上記アンカーコンタクト、上記少なくとも1つの第2のビア、上記底層、上記少なくとも1つの第1のビア、および上記頂層は、断面視ですべて鉛直方向に並んでいる、MEMSデバイス。
  17. 請求項16に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記複数の電極は、上記第1のアンカー電極から上記スイッチング素子の反対側の端部に配置された第2のアンカー電極を含む、MEMSデバイス。
  18. 請求項17に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記スイッチング素子は第2のアンカー部分を含み、
    上記第2のアンカー部分は、上記底層の一部、上記頂層の一部、上記底層を上記頂層に接続する少なくとも1つの第1のビア、および、上記底層を上記第2のアンカー電極に接続する少なくとも1つの第2のビアを含む、MEMSデバイス。
  19. 請求項12に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記複数の電極は第2のアンカー電極を含む、MEMSデバイス。
  20. 請求項19に記載のMEMSデバイスにおいて、
    上記第2のアンカー電極上に第2のアンカーコンタクトが配置され、
    上記キャビティ側壁は、上記底層、頂層および第2のアンカーコンタクトと接触している、MEMSデバイス。
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