KR20120101089A - 전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법 - Google Patents

전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20120101089A
KR20120101089A KR1020127016628A KR20127016628A KR20120101089A KR 20120101089 A KR20120101089 A KR 20120101089A KR 1020127016628 A KR1020127016628 A KR 1020127016628A KR 20127016628 A KR20127016628 A KR 20127016628A KR 20120101089 A KR20120101089 A KR 20120101089A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
center axis
contact center
electromechanical
drive electrode
electrode
Prior art date
Application number
KR1020127016628A
Other languages
English (en)
Inventor
메흐메테 카낙
마리오 비르크홀츠
베른트 틸락
칼-에른스트 에히발트
레네 스콜츠
Original Assignee
이하페 게엠베하 이노베이션즈 포 하이 퍼포먼스 마이크로일렉트로닉스/라이프니츠-인스티튜트 퓌어 인노바티베 미크로엘렉트로닉
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이하페 게엠베하 이노베이션즈 포 하이 퍼포먼스 마이크로일렉트로닉스/라이프니츠-인스티튜트 퓌어 인노바티베 미크로엘렉트로닉 filed Critical 이하페 게엠베하 이노베이션즈 포 하이 퍼포먼스 마이크로일렉트로닉스/라이프니츠-인스티튜트 퓌어 인노바티베 미크로엘렉트로닉
Publication of KR20120101089A publication Critical patent/KR20120101089A/ko

Links

Images

Classifications

    • 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]

Landscapes

  • Micromachines (AREA)

Abstract

본 발명은, GHz 대역에서, 전기신호(S) 특히 무선주파수신호(RFMEMS)를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치(1)를 가지는 미세 전자기계적 시스템(MEMS)(100, 200)에 관련되고, 기판(101, 201) 상에 배열되는 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)을 포함하고, 상이한 전도레벨(M1 - M5)에 배열되는 다수-레벨 전도경로 적층의 전도경로(111 - 115, 211 - 215)들은 전기적 절연층(103, 203)을 통해 서로 간에 절연되고 또한 비아 콘택(104, 204)를 통해 서로 전기적으로 연결되며, 전자기계적 스위치(1)는 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 요홈(105, 205)에 집적화되고 또한 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 그리고 콘택 중심축(10)에 대한 적어도 하나의 구동전극(30, 50)을 포함하며, 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 적어도 하나의 구동전극(30, 50)들은 각각 다수-레벨 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 - M5)의 일부를 형성한다.

Description

전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법{ELELCTROMECHANICAL MICROSWITCH FOR SWITCHING AN ELECTRICAL SIGNAL, MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM, INTEGRATED CIRCUIT, AND METHOD FOR PRODUCING AN INTEGRATED CIRCUIT}
본 발명은 미세 전자기계적 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 이러한 유형의 미세 전자기계적 시스템을 가지는 집적회로와 집적회로를 생산하기 위한 방법에 관한 것이다.
미세 전자기계적 시스템(microelectromechanical system)은 WO 2009/003958로부터 공지되었다.
미국특허 제6,529,093호에 기술된 것과 같은 전자기계적 마이크로스위치는 무선주파수 신호, 특히 GHz 대역의 신호를 스위칭하는데 사용될 수 있다. 특히, GHz 대역의 초단파(very high frequency)와 타이밍이 맞추어지는 미세 전자회로에 대해, 제어된 방식으로 전기적 접속들 온 및 오프 스위칭하는 것을 용이하게 하는 전자기계적 마이크로스위치를 가지는 것이 매우 유익하다. 상기에서 인용한 미국특허 제6,529,093호에서, 전기적 전위가 인가되는 전극 배열에 의해 구동되고 또한 폴리실리콘으로 제조한 캔틸레버(cantilever)로 만드는 미세 기계적 스위치가 기술되어 있다. 캔틸레버를 구동하기 위한 전극 배열 이외에도, RF 신호를 스위칭하기 위해 제2전극 배열이 제공된다. 그러므로, 전극 쌍의 전극들 중 적어도 하나에는 유전층(dielectrical layer)이 제공된다. 따라서, 캔틸레버는 양측 상에 클램프되는 브릿지로서 구성될 수 있다. 따라서, 마이크로스위치를 구현하기 위해 필요한 층 구성은, 유전재료, 전도체 및 폴리실리콘으로 만들어지는, 부분적으로 도포된 층들을 포함한다. 또한 미국특허 제6,639,488호에서, 층 구성이, 다양한 유전 및 전기적 전도층들을 도포하는 것을 특징으로 하는 마이크로스위치가 기술되어 있다. 두 특허 서류에서, CMOS 호환성으로 지정되는 생산 방법들이 사용되고, 이들은 미세 전자회로를 생산하는 것을 필요로 하지 않는 마이크로스위치들을 생산하기 위한 방법 단계들을 필요로 한다.
특히, 반도체 산업계에서 전형적으로 사용되는 CMOS 기술을 통해 생산되고 또한 무선 데이터 전송 또는 통신에 사용되는 회로에 있어서, 전형적으로 하나의 칩 상에 전자회로들과 함께 집적화될 수 없는 전자기계적 스위치들이 사용되고 있다. 전자기계적 마이크로스위치가 미세 전자회로와 함께 동시에 생산될 수 있도록 CMOS 호환 방식으로 제공되는 전자기계적 마이크로스위치를 제공하기 위해 더 소형화를 달성하는 것이 훨씬 더 비용-효과적이고 또한 유익할 수 있다.
이 관점에서 보아, 전부라인(front-end of line:FEoL) 부분과 후부라인(back-end of line) 부분으로 분할되는 CMOS 제조공정을 이해하는 것이 중요하다. FEoL 부분의 공정 단계들은 실리콘 기판의 표면상에 트랜지스터를 직접 제조하는 것에 관련되는 한편, 트랜지스터들은 BEoL 부분에서 전기적 전도체를 통해 다른 것과 연결된다. 특히, 이러한 연결은, 수평 금속평면들과 그리고 수평 금속평면들 사이의 전기적 절연층들에 매립되는 수직 전도체(소위 Vias)를 구조화함으로써 생성된다. 따라서, 두 부분(FEoL 및 BEoL)에서 수행되는 공정은 그들의 열적인 부다(thermal budget)에 관해, 특히 사용하는 공정 온도의 수준과 기간에 관해 실질적으로 상이하다. 그러므로 매우 높은 공정온도가 FEoL 부분에서 발생하고, 매우 높은 공정온도는, 상호-확산(inter-diffusion) 공정을 통해 형성된(build up) 복잡한 트랜지스터를 파괴하지 않기 위하여 BEoL 부분에서는 다시 이루어지지 않는다.
상기에서 기술한 바와 같이, 인용 해결책들은 실리콘을 기반으로 한 전자기계적 마이크로스위치를 구현하는데, 마이크로스위치는 FEoL 공정을 통해 생산되어야 한다. 공정기술의 관점에서 보아, BEoL 부분에서 전자기계적 마이크로스위치를 생산하는 것은 훨씬 더 유리하다.
미국특허 제6,667,245호는 MEMS-RF 스위치를 생산하는 방법을 기술하고 있는데 여기서, Vias가 BEoL 공정에서 스위치의 구조적 요소들로서 사용되고 있다.
이를 기반으로, 본 발명의 목적은 전기신호를 스위칭하기 위한 장치와, BEoL 부분에서 CMOS 공정 호환성이 있는 생산을 제공할 수 있도록 구성되는 장치를 제조하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 특히, 장치는 신호들, 특히 GHz 대역의 무선주파수 신호들을 스위칭하도록 구성된다.
장치에 관련해, 본 발명의 목적은 전기적 신호, 특히 무선주파수 신호(RFMEMS), 특히 GHz 대역의 무선주파수 신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치를 가지는 미세 전자기계적 시스템(MEMS)를 통해 이루어지고, 상기 전자기계적 시스템은:
- 기판, 특히 실리콘 기판상에 배열되는 다수-레벨의 전도 적층을 포함하되, 상기 전도경로 적층의 전도 경로들은 전기적 절연층들을 통해 서로에 대해 절연되고 또한 비아 콘택(Via contact)을 통해 서로 전기적으로 연결되고, 특히 기판상/내에 배열될 수 있는 전기적 회로들과 연결되고;
- 콘택 중심축(contact pivot)과, 대향 콘택과 그리고 상기 콘택 중심축을 위한 적어도 하나의 구동 전극을 가지는 전자기계적 스위치를 포함하되, 상기 전자기계적 스위치는 상기 다수-레벨의 전도경로 적층의 요홈(recess) 내에 집적화되고, 상기 콘택 중심축과, 대향 콘택과 그리고 상기 적어도 하나의 구동전극은 각각 상기 다수-레벨의 전도경로 적층의 전도 레벨의 일부를 형성한다.
미세 전자기계적 시스템(MEMS)은 특히 무선주파수 신호로서 구성되는 전기적 신호를 스위칭하기 위해, GHz 대역의 고주파수 신호들을 스위칭하기 위한 무선주파수 미세 전자기계적 시스템(RFMEMS)로서 구성된다.
본 발명은 또한 미세 전자기계적 시스템과 전자회로의 집적화에 관련되는데, 상기 전자회로는 바람직하게 본 발명의 목적을 달성하기 위해 집적화된 CMOS 회로로서 구성된다.
본 발명의 목적은 상기에서 인용한 방법들을 통해 달성되는데, 집적회로는 다음의 단계들을 포함하는 CMOS 방법을 통해 생산된다:
- 다수의 회로 요소들과 함께 FEoL 공정에서 집적회로를 생산하는 단계;
- BEoL 공정에서 전자회로 요소들을 전기적으로 콘택하는 단계, 여기서 본 발명에 따라 전자기계적 마이크로스위치는 BEoL 공정에서 다수-레벨의 전도경로 적층의 요홈에 집적화되고 또한 콘택 중심축과, 대향 콘택과 그리고 콘택 중심축을 작동시키기는 적어도 하나의 구동전극은 다수-레벨의 전도경로 적층의 전도 경로의 일부를 형성한다.
본 발명은, 실리콘을 기반으로 하는 또는 고체 실리콘 재료로 만드는 미세 기계적 스위치를 구현하기 위해 지금까지 사용하는 해결책들은 BEoL 부분에서 CMOS 호환 방식으로 미세 전자기계적 스위치를 구성하기에 적합하지 않다는 아이디어를 기반으로 한다. 본 발명의 발명가들은, 전자기계적 요소들을 연결하는데 사용되는 층 순서를 사용하여 마이크로스위치 재료들의 적절한 선택을 통해 BEoL 부분에서 전자기계적 마이크로스위치를 집적화하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다. 발명가들은 또한, 원칙적으로, 예컨대 WO 2009/003958호부터 공지된 바와 같이, 미세 전자기계 시스템에 적절한 전자기계적 마이크로스위치를 집적화 또는 구현하는데 있어서 최근에 이용할 수 있게 된 공정기술을 통해 이루어질 수 있다는 것도 발견하였다. 그러므로, 본 출원의 전자기계적 시스템 기술은 고체 재료, 특히 실리콘 웨이퍼로부터 기계적으로 이동할 수 있는 구조물을 개발하는 것에 관련된다.
본 발명에 따른 전자기계적 마이크로스위치를 구성하기 위한 층 순서를 사용하는 것은, 전자기계적 마이크로스위치의 특정 기능적 요소들, 예컨대 콘택 중심축, 대향 콘택 및 콘택을 위한 구동 전극들의 유리한 구성이 이루어지게 한다. 콘택 중심축은 탄성적으로 이동가능하고 또한 전도성을 가지게 구성된다. 대향 콘택은 콘택 중심축, 특히 고형이고 또한 단단한 대향 콘택 받침대 형태인 콘택 중심축에서부터 소정의 간격에 위치하도록 구성된다.
미세 전자기계적 시스템 내 마이크로스위치는, 콘택 중심축이 예컨대 실리콘 기판의 표면에 관해 콘택 중심축 아래 또는 위에 배열될 수 있는 하나 또는 다수의 구동 전극들을 통해 이동할 수 있도록 생산된다. 이는, 콘택 중심축의 탄성 이동이 탄성력의 기능으로서 수행되고 또한 용량성 결합(capacitive coupling)이 대향 콘택과 콘택 중심축 사이의 접촉을 통해 변경되도록 적어도 하나의 구동전극과 콘택 중심축 간에 전위를 인가함으로써 제공된다. 이는, 대향 콘택 및/또는 콘택 중심축 상에서 동작할 수 있는 전기신호의 스위칭을 야기시킨다. 콘택 중심축과 대향 콘택 간의 간격을 줄이기 위해, 콘택 중심축은 접지에 연결될 수 있고 또한 대향 콘택은 상이한 전위들 사이에서 작동할 수 있어서, 신호 전도와 접지의 용량성 결합이 제공된다.
본 발명의 실시예는 전자기계적 마이크로스위치의 기능에 대해 특히 유익한 것으로 판명된 두 개의 조치들의 결합을 제공한다. 한편으로, 대향콘택(받침대)은 콘택 중심축(액추에이터)를 향하는 말단부에서 금속-절연체-금속(MIM) 구조를 포함하는 것이 제공될 수 있다. 이 실시예는 콘택 성능을 개선하기 위해, 가능하다면 주파수범위를 확장시키기 위해 그리고 대향 콘택을 보호하기 위해 여러 것들 중에서 이러한 유형의 MIM 구조를 사용하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 전자기계적 마이크로스위치의 스위칭 특성을 유익하게 구성할 수 있다.
콘택 중심축을 이동시키는 (전도경로 적층의 전도층의 일부로서 구성되는) 구동전극은 콘택 중심축을 향하는 측 상에 유전재료로 된 노브(knob)들을 포함하는 구조를 포함하는 것을 제공할 수 있다. 본 실시예에서 구현되는 바와 같은 이들 노브들은, 노브 구조를 구현하기 위해 개별적인 공정단계를 필요로 하는 일이 없이 전도성 경로의 전극을 노출시키는 공정단계 내에서 생산할 수 있다.
원칙적으로, 노브구조는 구동전극과 콘택 중심축 간에 의도하지 않은 접촉을 방지하여, 원치 않는 단락회로를 방지하도록 구성된다. 부수적으로, 노브들은 구동전극의 부분에서 구동전극을 지지하거나 또는 콘택 중심축에 대한 스톱을 구현하도록 구성된다. 노브들을 생산하기 위한 이들 공정단계들은, 예컨대 습식 에칭단계 동안에 또한 선택적으로 후속 CO2 건조공정 동안에 제공될 수 있다. 노브구조를 구현하기 위한 추가적인 공정단계들이 필요치 않다. 유전재료로 만드는 노브들을 포함하는 구조에 관해, 유전재료가 다층 전도경로 적층의 전도성 경로의 재료의 산화물, 특히 습식 화학에칭을 통해 형성하는 제조방법이 특히 유익한 것으로 판명되었다.
본 발명의 추가적인 유익한 장점을 가지는 실시예들은 종속 청구항들로부터 얻을 수 있고 또한 목적과 인용한 부수적인 장점들 달성하기 위해 상기에서 기술한 개념들을 구현하기 위해 유익한 실시예들을 제공한다.
콘택 중심축을 캔틸레버(cantilever)로서, 예컨대 단독 스프링 또는 브릿지의 형태로 구성하는 것이 특히 유리한 것으로 판명되었다. 브릿지 또는 스프링(캔틸레버)에는, 신호를 스위칭하기 위해 콘택 중심축의 탄성 이동을 유리하게 구성하기 위하여 비교적 잘 구성된 탄성 특성이 제공될 수 있다. 이 목적을 위해, 콘택 중심축에는 요홈이 제공될 수 있다. 특히, 전자기계적 마이크로스위치를 집적화하기 위해 콘택 중심축에는, 하나 또는 다수의 단부측 고정 지지체(end side fixation supports)로 다수-레벨 전도경로 적층의 전도성 레벨를 구성하는 것을 통해 하나의 칩 상에 전자회로가 제공될 수 있다. 고정 지지체는 예컨대 콘택 중심축의 아웃리거(outrigger)로서 구성된다. 따라서, 스위칭방향으로 단지 하나의 이동만을 허용하도록 하기 위해 또한 콘택 중심축의 이동의 자유도를 고정하기 위해 0°와 180°사이에서 상이한, 서로에 관한 각도로 아웃리거를 배열하는 것이 유리하다. 콘택 중심축의 두 단부의 아웃리거 각각은, 서로에 대해 거의 90°의 각도로 배열되는 고정 지지체를 형성하는데 유리한 것으로 판명되었다.
유리한 방식으로, 콘택 중심축은 콘택 영역과 구분될 수 있는 적어도 하나의 인력부(attractive portion)을 포함한다. 그러므로, 콘택 영역은 대향 콘택과 관련되고 또한 콘택 중심축과 대향 콘택의 용량성 결합을 위해 사용된다. 그러나, 적어도 하나의 인력부는 작동 구동전극(activating drive electrode)와 관련되고 또한 작동을 위해 사용되는데, 이는 콘택 중심축을 운동상태로 설정하기 위해 콘택 중심축 상에 가해지는 힘을 의미한다.
콘택 중심축은 다수-레벨 전도경로 적층의 전도성 레벨을 만듦으로써 형성되고 또한 예컨대 알루미늄과 같은 금속재료로 바람직하게 만들어진다. 다수-레벨 전도경로 적층의 금속 전도성 경로로 콘택 중심축을 구현하는 것은, BEoL 공정에 통합될 수 있다.
원칙적으로, 콘택 중심축을 작동시키거나 및/또는 콘택 중심축을 다른 방향으로 작동시키는 하나 이상의 구동전극들이 제공될 수 있는데, 구동전극들은 다수-레벨 전도경로 적층의 전도성 레벨의 구조화로 구성될 수 있다. 예컨대, 특정한 실시예는 콘택 중심축을 작동시키는 구동전극을 포함할 수 있는데, 상기 구동전극은 실리콘 기판의 표면에 관해 콘택 중심축 아래에 배열된다. 이 실시예는, 스위치를 폐쇄하기 위해 콘택 중심축이 "다운상태(down condition)"으로 이동하게 하고 또한 스위치를 개방하기 위해 "업상태(up conditon)"로 이동하게 한다. 스위칭 특성을 개선하기 위해, 부수적으로 또는 선택적으로, 콘택 중심축을 작동시키거나 및/또는 역작동(counter-activate)시키는 다른 구동전극이 콘택 중심축 위에서 실리콘 기판의 표면에 대해 소정의 간격으로 배열될 수 있다. 하부 기판측 구동전극 이외에, 기판으로부터 떨어지게 향하고 또한 콘택 중심축 위에 배열되는 구동전극이 제공되는 경우에, 상부 구동전극은 풀백 전극(pullback electrode)으로서 사용된다. 따라서, "다운상태"에서 "업상태"로 콘택 중심축의 이동이 가속될 수 있다.
바람직한 방식에서, 예컨대 알루미늄으로 만드는, 다수-레벨 전도경로 적층의 다양한 전도성 레벨들은 전자기계적 마이크로스위치의 콘택 중심축, 대향 콘택, 작동 및/또는 역-작동 구동전극들을 위한 캐리어층(carrier layer)으로서 동시에 구성된다. 바람직한 방식에서, 금속 전도성 레벨은 적어도 일측에, 바람직하게는 양측 상에 코팅될 수 있다. 특히 바람직한 실시예에서, 이는 적어도 콘택, 대향콘택, 작동 구동전극 및 역-작동 구동전극의 부분에서 전자기계적 마이크로스위치를 형성하는 모든 금속 전도성 레벨에 적용된다. 상기 코팅은 현재 TiN 및/또는 Ti 및/또는 AlCu를 가지는 하나 또는 다수의 층들로 형성된다. 특히, TiN-Ti로 형성되는 이중층 또는 TiN-AlCu-TiN 으로 형성되는 샌드위치 구조가 유익한 것으로 판명되었다.
바람직한 실시예에서, 대향 콘택의 베이스는 절연재료로 형성된다. 다수-레벨 전도경로 적층을 생성할 때, 전도성 레벨들 사이에 배열되는 절연재료, 예컨대 유전재료들, 바람직하게는 Si3N4 는 대향 콘택의 베이스를 형성하는데 유리하게 사용할 수 있다는 것이 명백하다. 특정 방식에서, 대향 콘택의 베이스는 일련의 제1금속 전도성 레벨과, 이 이에 배치되는 절연재료와 그리고 제2금속 전도성 레벨로 형성한다.
대향 콘택의 금속층은 콘택 중심축의 콘택 표면과 접촉과 관련해 특히 장점이 있는 스위칭특성을 가진다.
게다가, 대향 콘택의 말단부를 형성하기 위해 베이스에 MIM 구조(금속-절연체-금속 구조)를 적용하는 것이 유리하다. 그러므로, MIM 구조가:
- 베이스를 향하는 전도성 재로, 특히 금속재료로 만들어지는 장벽층(barrier layer)과;
- 말단부에서, 콘택 중심축을 향하는 전도성 캡(cap)과;
- 이들 사이에 배열되는 유전층을 포함하는 것이 특히 유리한 것으로 판명되었다.
장벽층은 대향 콘택의 베이스에 도포되어 신호를 전도하는 금속층과, MIM 구조의 유전층 간에 보호층으로서 사용된다. MIM 구조의 캡은 대향 콘택를 보호하는데 사용된다. 이 실시예의 변형으로서, 캡에 장벽층보다 높은 층 두께가 제공된다. 이는, 콘택의 "다운상태"에서, 신뢰성이 있게 규정되고 또한 비교적 낮은 용량을 구현하는 것을 용이하게 한다. 콘택 특성을 더 개선하기 위하여, 전도성 캡, 특히 금속 캡이, 필요에 따라 구현될 수 있는 금속층 구조의 형태로 제공될 수 있다. 장벽층은 캡과 동일한 형태일 수 있다. MIM 구조의 절연성 유전층은 Si3N4 로 만든다.
바람직한 방식에서, 콘택 중심축 및/또는 캡은 금속 전도층으로 형성할 수 있거나 또는 티탄 질산염(titanium nitrite) 및/또는 티탄을 기반으로 하는 재료를 포함하는 층조합으로, 특히 티탄 질산염 재료 또는 순수 티탄으로 형성할 수 있다. 특히, 전자기계적 마이크로스위치의 "다운상태"에서, 티탄 질산염-티단 질산염(TiN-TiN) 콘택 또는 TiN-Ti 콘택이 비교적 내마모성을 가지는 것을 판명되었다.
그러므로, 콘택 중심축 및/또는 캡은 하나 또는 다수의 층들(Ti, TiN, 및/또는 AlCu)로 형성될 수 있다. 이들 재료 조합은 쉽게 가공할 수 있고, "다운상태"에서 지극히 높은 내마모성을 가지고 또한 시프트 특성(shifting properites)에 관해 유리한 것으로 판명되었다. TiN-AlCu-TiN으로 만든 샌드위치 구조는 콘택 중심축과 캡을 구현하는데 특히 유리한 것으로 판명되었다. 그러므로, 전도경로 적층의 모든 전도 레벨들을 이 샌드위치 구조로 구성하고, 또한 구조화된 전도 레벨들이 전자회로들을 전기적으로 연결하는데 사용되는 부분들에 구성되는 것이 유리하다.
다른 바람직한 실시예에서, 콘택에서부터 콘택 중심축을 작동시키는 전도체 배열(구동전극)의 간격은 대향 콘택에서부터 콘택 중심축의 간격보다 크게 선택된다. 다르게는, 대향 콘택과 콘택 간의 간격은 구동전극과 콘택 중심축 간의 간격보다 작다. 그러므로, 스위치를 폐쇄할 때 "업상태"에서 "다운상태"로 콘택 중심축의 과도한 회전(over-rotation)을 의미하는, "풀인 효과(pull in effect)"를 유리하게 대응할 수 있다.
특히 바람직한 실시예에서, 대향 콘택과 콘택 중심축의 콘택 영역 간의 간격과 대향 콘택 상에서 MIM 구조의 용량은, "업상태"와 "다운상태" 에서 콘택의 이동 동안에 전체 간격에 걸쳐, 구동전극과 콘택 중심축 간의 활성전압의 함수로서 실질적으로 비례적인 용량 다이아그램이 달성되도록, 그 크기가 정해질 수 있다. 전자기계적 마이크로스위치는 규정된 제어전압 다이아그램을 가지는 가변 용량으로서 한 실시예에서 유리하게 사용할 수 있다.
도면들을 기반으로 하여 본 발명의 실시예들을 계속하여 기술한다. 도면들은 실시예들은 실측으로 설명할 필요가 없고; 차라리 이해를 개선하기 위해 개략적으로도는 약간 왜곡되게 도면들이 제공된다. 도면으로 직접으로 명확히 알 수 있는 지침들의 보완과 관련해, 관련 선행기술이 참조로서 통합된다. 그러므로, 실시예의 형상과 세부와 관련해 많은 수정안과 변경안들이 본 발명의 일반적인 개념을 벗어나는 일이 없이 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다.. 도면과 청구항들에 기술된 본 발명의 특징들은, 실시예들에 의해 또한 실시예들의 조합에 의해 구현될 수 있다. 명세서, 도면 및/또는 청구항에 기술된 적어도 두 개의 특징들의 모든 조합들은 본 발명의 범위 내에 있다. 본 발명의 일반적인 아이디어는 계속하여 도시하고 또한 기술하는 실시예들의 세부사항 또는 특정 형상에 제한되지 않거나 또는 특허청구범위에서 주장하는 목적에 비해 협소한 목적에 제한되지 않는다. 기술한 범위에서, 인용 범위 내에 배치되는 모든 값들은 임계값으로서 기술되어야 하고 또한 자유로이 사용하고 또한 주장할 수 있어야 한다. 간략화를 이유로, 동일하거나 또는 유사한 요소 또는 동일하거나 유사한 기능을 가지는 요소들은 동일 참조번호를 사용한다.
본 발명의 다른 장점들과, 특징들과 세부사항들은 바람직한 실시예의 설명에서부터 비롯되거나 도는 도면들로부터 비롯된다.
본 발명에 따라, 전자기계적 마이크로스위치의 스위칭 특성을 유익하게 구성할 수 있다.
도 1은 MEMS에 대한 바람직한 실시예에 따른 전자기계적 마이크로스위치의 사시도.
도 2는 바람직한 실시예에서 콘택 중심축과, 대향 콘택과 작동 구동전극의 구성을 강조하기 위한 전자기계적 마이크로스위치의 개략적 단면도.
도 3은 기능과 신호경로를 강조하기 위해 MEMS의 일부로서 도 1의 전자기계적 마이크로스위치의 상면도.
도 4a, 4b, 4c는 설시한 신호경로를 가지는 도 3의 마이크로스위치의 블록도.
도 5, 6은 MEMS 또는 무선주파수신호들을 위한 미세 전자기계적 시스템(RF MEMS)와 풀백 전극이 부수적으로 제공되는 수정된 실시예의 다수-레벨 전도경로 적층의 특정 전도 레벨들에 관한 콘택 중심축과, 대향 전극과 구동전극을 배열하는 전자기계적 마이크로스위치를 가지는 MEMS의 바람직한 제1실시예의 측면도.
도 7은 MEMS의 다수-레벨 전도경로 적층의 전도 레벨들의 바람직한 층 순서를 가지는 MEMS의 바람직한 제2실시예를 설명하는 도면.
도 8a, 8b, 8c, 8d는 유전재료(A)를 가지는 노브들로부터 만든 상징적 구조와 노브구조의 상이한 확대도의 전자현미경 영상(B), (C), (D)를 가지는 도 1의 전자기계적 마이크로스위치를 설명하는 도면.
도 9는 대향 전극에 관한 콘택 중심축의 상징적 이동방향과 상징적 용량 결합과 그리고 규정된 방식으로 스위칭될 수 있는 용량 결합의 영역을 구현하기 위한 오프셋 부분들을 가지는 도 2와 유사한 전자기계적 마이크로스위치의 개략도.
도 10은 스위칭 특성들과 관련해 24 호Z에서 바람직한 실시예의 전자기계적 마이크로스위치의 무선주파수 특성의 실시예를 설명하는 도면.
도 11은 전자기계적 마이크로스위치를 가지는 도 10의 MEMS를 특징화하기 위한 측정장치를 설명하는 도면.
도 1 내지 4c에서 보다 상세히 설명되고, 도 5의 제1실시예에서 도시한 것과 같은 본 발명의 개념에 따라 또한 도 6의 변형예에서 또는 도 7에 도시된 것과 같은 MEMS의 제2실시예에서의 마이크로스위치는 다수-레벨 전도경로 적층(multi-lelvel conductive path layer stack)의 전도 레베들을 구조화함으로써 제공될 수 있다.
도 1 내지 도 4c 또한 도 8a 내지 도 8d 및 도 9의 실시예들은 MEMS의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1에 도시된 전자기계적 마이크로스위치(10)는 자기-지지 탄성 가동 전도성 콘택 중심축(self-supporting elastically movable conductive contact pivot)(10)과, 대향 콘택(opposite contact)(20)과 콘택 중심축(10)을 작동시키는 구동전극(dirve electrode)를 포함한다. 콘택 중심추(10)은 콘택 영역(13)과 제1인력부(a first attractive portio)(11)와 제2인력부(12)를 가지는 브릿지(bridge)(14)로서 형성된다. 인력부(11, 12)들은 각각 작동 구동전극(activating drive electrode)의 제1 및 제2부분(31, 32)와 관련되고; 이 수단은 서로 반대편에 배열된다. 대향전극(20)의 말단부(23)는 브릿지(14)의 콘택 영역(13)으로부터 반대편에 배열된다. 콘택 중심축(10)은 브릿지(14)의 단부에서 두 개의 각 아웃리거(15a, 15b 또는 16a, 16b)를 포함하는데, 아웃리거들은 브릿지(14)를 인력부(11, 12)의 단부부분에서 고정시킨다. 그러므로, 아웃리거(15b, 16b 또는 15a, 15b)들은 공통 고정점(common fixation point)에서부터 다양한 방향으로 연장하고 또한 도 11에 상징적으로 도시된 CMOS칩의 재료 내에서 그의 부착섹션(15, 16)으로 지지된다.
구동전극(30)과 콘택 중심축(10) 사이에 전위를 인가하면, 콘택 중심축(10)은, 콘택 중심축(10)의 콘택 영역(13)과 대향전극(20)의 용량 결합(capacitive coupling)을 변경시키는 탄성 운동을 수행하게 되고 그리고 전도경로(112)에서 전기신호(S)를 스위칭하도록 구성된다.
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따른 전자기계적 마이크로스위치를 도시한 것으로서, 콘택 중심축(10)과, 콘택(20)과 구동전극(30)을 형성하기 위한 전도성 경로들의 구성이 보다 상세히 도시되어 있고 또한 아래에서 설명한다. 도 3과 도 4a, 도 4b, 도 4c는 마이크로스위치의 기능을 설명한다.
도 2와 3으로부터 알 수 있듯이, 본 실시예의 전자기계적 마이크로스위치(10)는, 콘택 중심축(10)의 인력부(11, 12)들이 슬롯(18)에 의해 콘택 중심축(10)의 콘택 영역(13)으로부터 분리되거나 또는 콘택 영역(13)이 인력부(11, 12)들 사이에 개별적으로 배열되는 것을 특징으로 한다. 이 방식에서, 신호(S)에 영향을 주고, 그 크기는 콘택 영역(13)과 대향전극(20)의 평평한 말단부(23)를 통해 결정되는 분리부(separate portion)(43)가 구성된다. 그러므로, 상기 부분(43)은 전기적 힘을 전달하는 부분(41, 42)들로부터 분리되는데, 상기 분리는 인력부(11, 12) 또는 작동 구동전극(30)의 부분(31, 32) 사이에 각각 제공된다.
블록도로서, 도4a는, 신호(S)에 실질적으로 영향을 미칠 수 있는 콘택 영역(13)과 대향전극(20) 간의 용량 없이 P1에서 P2로 대향전극(20)을 통해 무선주파수신호가 작동하는 전자기계적 마이크로스위치(1)의 "업상태"(Ⅰ)를 도시하고 있다. 도 4b의 (Ⅱ)는 콘택(10)의 "다운상태"에 대한 RF신호의 신호연결을 상징적으로 도시하고 있다. 현재, 대향전극(20)과 콘택 영역(13)의 용량성 또는 접촉 결합으로 인해, RF신호는 콘택 중심축(10)에 인가되는 대량연결(mass connection)에 대한 그의 경로를 찾는다.
바람직한 동적 범위에서 콘택 중심축(10)의 탄성 이동을 용이하게 하기 위하여, 도 1로부터 알 수 있듯이 콘택 중심축(10)에는, 콘택 중심축(10)의 스프링 효과의 저항 모먼트(resistance moment)를 줄이는 다수의 요홈(17)들 또는 슬롯(18)들이 제공된다. 슬롯(18)들은 브릿지(14)의 인력부(11, 12)들과 콘택 영역(13) 간에 상기에서 설명한 분리를 위해 사용된다. 전자기계적 마이크로스위치(1)의 "업상태"의 경우에, 즉 전성된 신호와 낮은 용량성 결합의 경우에, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 용량은 거의 50 내지 500 fF이다. 전자기계적 마이크로스위치(1)의 "다운상태"에서, 말단부(23)에서 MIM 구조를 가지는 대향전극(20)과 콘택 영역(13) 간의 용량의 거의 1 내지 10 pF 이다.
전자기계적 마이크로스위치(10)의, 도 2로부터 개략적으로 알 수 있는 콘택 중심축(10)고, 대향전극(20)과 구동전극(30)의 바람직한 구성은, 실리콘 기판의 표면에 적용되는 다수-레벨 전도경로 적층의 전도성 레벨들의 구조로부터 본 발명의 개념에 따른 MEMS 구성의 선결로부터 명확히 알 수 있다. 콘택 중심축(10)은 전도성 레벨(M3)(멤브레인 레벨 전도경로 적층의 제3레벨)의 구조화로 구성되는데, 전도성 레벨(M3)는 중심 금속층과 금속층을 커버하는 커버층(19)들로 이루어지는 샌드위치구조를 포함하고, 이 실시예에서 상기 커버층들은 예컨대 알루미늄으로 만들어지는 금속층의 양측 상에 배열된다. 본 실시예에서, 커버층(19)들은 티탄 질산염을 기반으로 하는 재료, 이 경우에는 TiN으로 만든다. 유익한 기계적 및 보호적 특성 이외에, TiN은 또한 대향전극(20)에 관해 콘택 영역(13)의 콘택 특성과 관련해 훌륭한 특성을 가진다. 그러므로, 도 2에 따른 브릿지(14)는 3층 멤브레인으로서 구성되고, 멤브레인을 통해, 샌드위치 배열은 장력(tension)이 없거나 또는 유리한 방식으로 잘 보상된 장력을 가진다. 몇몇 실시예들에서, 브릿지(14) 또는 콘택 중심축(14)은, 도 7에 도시된 것과 같이 3층보다 많은 5층을 가지도록 구성될 수 있다.
구동전극(30)은 전도성 평면 M1을 구조화하는 것을 통해 그 부분(31, 32)들 각각에 형성되고, 이 실시예에서 전도성 평면은 알루미늄으로 형성되고 또한 커버층(39)은 티탄 질산염으로 만든다.
대향전극(20)은 비-전도성 또는 절연재료 Si3N4 의 층으로 형성되는 베이스(21)를 포함한다. 베이스(21) 상에, 대향전극(20)의 윤곽을 따라 전도경로(M2)를 형성하는 것을 통해 추가적인 층들이 적용되는데, 전도경로(M2)는 예컨대 양측 상에 적용된 TiN으로 형성되는 중간층(22)을 가지는 알루미늄 캐리어층의 샌드위치 구조로 형성되기 때문이다. 대향전극(20)의 말단부(23)의 표면 상에, 베이스를 향하고 또한 전도성 재료인 금속성 TiN으로 형성되는 하나의 장벽(24)이 적용되고 그리고 이 위에, 콘택 중심축(10)을 향하는 유전층(25)과 전도성 캡(26)이 적용된다. 전도층(24)과, 유전층(25)과 그리고 전도성 캡(26)의 MIM 순서는, 콘택(20)에 대한 콘택 특성을 개선하고 또한 규정된 스위칭 능력을 구성하기 위해 대향콘택(20)의 보호층으로서 구성된다. 보호 전도성 캡(26)은 각각의 구조화 공정을 통해 유전층(25)에 직접 적용되는 TiN으로 형성되는 얇은 금속층으로 형성된다. 그러나 여기에서 도시하지 않는 변형 실시예에서, 캡(26)은 또한 상이한 금속 재료들로 된 층 순서로 만들 수 있다. 적어도, 캡(26)에 의해 형성되는 표면은 도 3에서 알 수 있듯이 콘택 중심축(10)의 표면 위에 수평적으로 도달한다. MIM 구조를 구성하기 위해 유전층(25)은 원칙적으로 소정의 적절한 유전재료로 형성될 수 있다. 부수적으로, 신호경로에 영향을 미치는, 정확하게 규정된 용량(Cs)을 달성하기 위하여, 유전층 자체는 비교적 얇다. 그러므로, 여기에서 기술한 개념은, RF신호는 MIM 구조에 의해 규정되는 용량에 의해서만 "다운상태"에서 영향을 받고 그리고 콘택 영역(13)과 캡(26) 사이의 경계저항(transition resistance)으로부터 실질적으로 영향을 받지 않는다는 것을 제공한다.
도 5를 참조하면, 전자기계적 마이크로스위치(1)는, 표준 CMOS-BiCMOS 공정의 BEoL 고정(Back End of Line process)에서 본 발명 개념에 완전히 따른 MEMS(100)의 일부로서 형성된다. 그러므로, 전자적 요소와 함께 전자기계적 마이크로스위치의 완전한 집적화가 하나의 칩에 제공된다. MEMS(100)는, 전자적 요소들을 연결하기 위한 전도성 경로(M1 내지 M5)들을 구성하기 위해 그 전도 레벨(M1 내지 M5)들이 표면 부분(103)에 부분적으로 구조화되고, 기판(101) 상에 배열되는 다수-레벨 전도경로 적층(102)을 포함한다. 전도경로(M1 내지 M5)들은 전기적 절연층(103)에 의해 서로 간에 절연되고 또한 비아 콘택(104)을 통해 서로 연결된다. 전자기계적 마이크로스위치(1)는 다수-레벨 전도경로 적층(102)의 요홈(105)에 집적화된다. 그러므로, 전도 레벨(M1, M2, M3)들의 개관에서부터 알 수 있듯이, 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 콘택 중심축을 작동시키는 구동전극(30)은 각각 다수-레벨 전도경로 적층(102)의 일부로서 구성된다. 트랜지스트회로(106 및/또는 108)의 부분이 EFoL 공정섹션에서 기판(101) 상에 생성되는 동안에, 트랜지스터회로를 서로 연결하고 또한 전자기계적 마이크로스위치(1)와 연결하는 것은, 한 BEoL 공정섹션에서 다수-레벨 전도경로 적층(102)에 제공된다. 이 직접적인 낮은 유도 전도성(inductivity conductive) 커텍터는 RF신호의 고주파수들에 특히 유익하다. 전도경로(111 내지 115)들은 알루미늄 재료로 만들고, 비아(104)는 텅스텐 재료로 만들고 그리고 절연 또는 다른 보호층들은 Si3N4 재료로 만들 수 있다.
도 6은 도 5와 비슷한 수정 실시예를 보여준다. 수정된 미세 전자기계적 시스템(100)이 도시되어 있는데, 여기서 간략화를 이유로 동일 또는 유사 요소들 또는 동일 도는 비슷한 기능을 가지는 요소들에 대해 비슷한 참조번호를 사용한다. 도 6의 전자기계적 시스템(100)에서, 콘택(10)과 대향전극(20)과 작동 구동전극(30)을 배열하는 이외에도, 콘택(10)을 역-작동시키는(counter-activating) 다른 구동전극(50)이 풀백전극(pullback electrode)로서 제공된다. 상기 풀백전극은 다수-레벨 전도경로 적층(102) 중에서 도 5로부터 알 수 있는 전도레벨(M4)에 집적화된다. 힘 전달부분(41, 42)(도 3)에서 화살표로 알 수 있듯이, 콘택 중심축(10)은 풀백전극에 의해 "다운상태"에서 "업상태"로 가속방식으로 이동할 수 있어서, MEMS(100)에서 전자기계적 마이크로스위치(1)의 스위칭 시간을 상당히 줄인다. 그러므로, 높은 GHz 대역에서라도 아무런 문제없이 무선주파수들을 스위칭하기가 용이하다.
콘택 중심축(10)과 관련해, 본 실시예들에서 전도성 평면(M3, M1, M2)들에 관해 작동 구동전극(30)과 대향전극(20)은 제한되는 것으로서 해석되어서는 안되고, 다양한 방식으로 선택될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 대향전극(20)은 M3 금속층에 배열될 수 있고 또한 작동 구동전극(30)은 전도레벨 M2에 배열될 수 있다. 그러나, 주의로서, 실리콘 기판(101)의 표면에 관해 콘택 중심축(10)은 작동 구동전극 아래에 또는 대향전극 아래에 배열될 수 있다. 이러한 실시예들은 현재 명확하게 도시되지 않고 있다. 부수적으로, 다수-레벨 전도경로 적층(102)의 전도경로(M1 내지 M5)에 관해 전자기계적 마이크로스위치(1)의 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 그리고 구동전극(30)의 연관성은 반드시 순차적으로 수행되지 않아도 되고, 차라리 콘택들 사이에 배열되는 추가적인 금속층들이 전자기계적 마이크로스위치에서 직접적 기능을 가지지 않는 것이 가능하다.
도 7은 본 발명에 따라 집적화된 전자기계적 마이크로스위치(1)를 가지는 MEMS(200)의 제2실시예를 도시하고 있다. MEMS는 기판(201) 상에 배열된 다수-레벨 전도경로 적층(202)을 포함하는데, 다수-레벨 전도경로 적층(202)은 예컨대 응용에 적용을 위해 SiO2 층(206)으로 커버된다. 트랜지스터 스위칭 및 유사한 기능을 위한 부분(206 및/또는 208)은 한 BEoL 공정단계에서 생성된다. BEoL 공정(BEoL)에서, 전도레벨(M1 내지 M5)들은 전도경로(211, 212, 213, 214, 215)들을 에칭함으로써 형성되고 또한 바이 콘택(204)를 통해 적절한 방식으로 서로 연결된다. 전도경로 적층(202)의 전도레벨(M1 내지 M5)들 간에, 전기적 절연층(203)들이 교대로 배열된다. 절연층(203)들은 BEoL 공정에서 쉽게 고정될 수 있는 Si3N4 로 만든다. 마이크로스위치(1)는 다수-레벨 전도경로 적층(202)의 요홈(205)에 집적화된다. 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10)을 위한 구동전극(30)은 전도레벨(M1 내지 M5)들을 구조화함으로써 형성된다. 도 7의 실시예에서, 전도레벨(M1 내지 M5)들은 금속 캐리어층으로서 특히 바람직한 방식으로 구성된다. 예컨대 알루미늄과 양 측면 상의 이중층들로 만들어진다. 이중층들은 Ti로 만든 층과 TiN으로 만든 층을 포함한다. 기판(101)을 향하는 전도레벨(M1 내지 M5)들의 일 측면에, 알루미늄으로 만든 금속 캐리어층이 TiN으로 만든 제1층으로 직접 코팅되고, 제1층은 Ti로 만든 제2층으로 코팅된다. 기판(201)으로부터 멀어지게 향하는 전도레벨(M1, M2, M3, M4, M5)의 측면에는, 이중층으로서 구성된 커버층이 반영되지 않는데, 이는 알루미늄으로 만든 금속 캐리어층이 Ti로 코팅되고 그리고 외부 TiN층이 적용된다는 것을 의미한다.
대향전극(20)은 전도레벨(M1)과, 이 위의 절연 유전층(21)과 구조화된 전도레벨(M2)에 대응하는 층 순서를 포함하는 베이스를 가지는 받침대로서 구성된다. 그러므로, TiN 기판에 관해, 전도레벨(M2)의 최상부 TiN 층은, 대향전극(20)에 배열되는, MIM 구종의 하단층을 동시에 형성한다. MIM구조는 부수적으로, 예컨대 TiN-Si3N4 를 포함하는 유전층(25)과 또한 금속 캡(26)으로서 구성되는 추가적 TiN 층을 포하한다. MIM 구조의 세부는 도 7의 확대된 세부에 도시되어 있다. 도면으로부터, MIM 층의 층 순서(24, 25, 26)는 TiN, Si3N4 및 TiN 의 층 순서를 포함한다. 또한, 콘택 중심축(10)과 대향전극(20) 간에 용량성 결합을 구성할 때, 기판을 향하는, 전도레벨(M3)의 하부 Ti 층과 그리고 기판으로부터 떨어지게 향하는 MIM 구조의 TiN 층들은 서로 대향하게 된다. 일측 상의 TiN 층과 다른 일측 상의 TiN 층 간에 전위 형성은 도 7에 따른 실시예의 전자기계적 마이크로스위치에 대해 특히 유리하다는 것을 명백하게 알 수 있다.
도 8a는 콘택 중심축(10)을 향하는 작동 구동전극(30)의 일측 상에, 노브(knob)(34)를 포함하는 구조가 제공되는 전자기계적 마이크로스위치(1)를 도시하는 것으로서, 상기 구조는 도 8b, c, d의 구성 도면에 상세히 도시되어 있다. 유전 아일랜드(dielelctric island) 또는 지지 포스트(support post)로서 설계되는 이들 노브들은 추가적인 공정없이, 특히 전형적인 BEoL 공정에서 추가 마스크를 사용하는 일이 없이 집적화 방식으로 생성할 수 있다. 그러므로, 바람직한 방법은, 노브 구조(34)가 습식 화학적 에칭단계와 후속 CO2 건조단계의 잔여부(residual)로서 남는 것을 제공한다. 노브들은 일측 상의 콘택 중심축(10)의 콘택 영역(13)과 다른 일측 상의 작동 구동전극(30) 간의 접촉을 방지한다. 그러므로, 콘택 중심축(10)과 구동전극(30) 간의 단락(short)이 유리하게 방지된다.
도 9는 도 2에 이미 도시하였던 개략적 도식을 기반으로 전자기계적 마이크로스위치(1)의 스위칭 기능을 도시하고 있다. 도 3과 조합하여, 콘택 영역(13)과 대향전극(20)의 말단부(23) 간의 용량성 결합(4)이 인력부(41, 42)에서 힘을 기반으로 대향전극(20)의 방향으로 콘택 중심축(10)의 이동에 따라 변하는데, 상기 힘은 구동전극(30)에 의해 야기된다. 콘택 중심축(10)과 구동전극(30)은 전도레벨(M3)과 비아를 통해 MEMS의 전자회로 요소들과 전기적으로 연결된다. 접지와 연결된 콘택 중심축(10)과 대향전극(20) 간의, RF 신호경로와 연결되는 용량성 결합은 실질적으로 콘택 영역(30)과 캡(26) 사이의 간격과 대향전극(20)의 유전층(25)에 의해서만 규정되는데, 유전층은 MIM 구조로서 구성된다. 전자기계적 마이크로스위치(1)의 "다운상태"에서 콘택 영역(13)이 대향전극(20) 상의 MIM 구조의 캡(26)과 접촉하면, Ti로 만든 커버층(19)을 가지는 콘택 영역(13)과 TiN으로 만든 캡(26) 간에 유효한 접촉이 대향전극(20) 상에서 확립된다. 이는 도 4a 및 도 4b에 개략적으로 도시한 RF신호의 스위칭을 용이하게 한다. 따라서 대향전극(20) 상의 캡(26)과 콘택 중심축(10)의 콘택 영역(13) 간의 간격은, 작동 구동전극(30)과 콘택 중심축(10) 간에 비교적 큰 활성 전압(풀다운 전압(pull down voltage))을 필요로 하는, 작동 구동전극(30)과 콘택 중심축(10) 간의 간격보다 작다. TiN으로 만든 캡(26)은 콘택 중심축(10)의 콘택 영역(13)에 대한 정지층(stop layer)으로서 자동적으로 사용되는데, 도 11로부터 알 수 있듯이 대향전극(20)과 구동전극(30) 간에 상이한 높이 차이(elevation difference)가 있기 때문이다.
도 10은 도 9의 간격 A에 대해 24 GHz에서 전자기계적 마이크로스위치의 스위칭 특성에 관한 예시적인 측정치를 도시하고 있다. 전자기계적 마이크로스위치에 대한 측정 장치가 도 11에 도시되어 있다. 24 GHz에서, -25 dB로 RF 신호의 댐핑(damping)이 나타나고 또한 결정된 대향전극(20) 또는 구동전극(30)에서 콘택(10)의 원치 않는 차단(blocking) 또는 접착(adhesion) 없이 30V 까지의 활성 전압에서 기계적으로 안정된 특성이 나타났다. 소위 풀인 전압(pull in voltage)이 나타났는데, 이는 "업상태"에서 "다운상태"로 스위치가 이동할 때의 전압이 현재 17V 내지 18V 라는 것을 의미한다. 10과 15V 사이의 활성 전압의 동작범위에서, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 용량의 거의 선형도표가 측정되는데, 이는 조정가능한 용량으로서 본 발명에 따른 전자기계적 마이크로스위치의 적용에 유리한다. 스위칭 장치는 도 4c로부터 유도할 수 있다. 따라서, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 최대 DC 전압차이는 작동 구동전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 활성 전압(풀다운 전압)보다 작다.
요약하면, 전기신호(S), 특히 GHz 대역의 무선주파수신호(RFMEMS)를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치(1)를 포함하는 전자기계적 시스템(MEMS)(100, 200)가 기술되었는 바:
- 기판(101, 201) 상에 배열되는 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)을 포함하되, 상기 전도레벨(M1 내지 M5) 내 상기 전도경로(111 내지 115, 211 내지 215)들은 전기적 절연층(103, 203)에 의해 서로 간에 절연도고 또한 비아 콘택(104, 204)를 통해 서로 전기적으로 연결되고,
- 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 요홈(105, 205) 내에 집적화되고 또한 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 그리고 콘택 중심축(10)에 대한 적어도 하나의 구동전극(30, 50)을 포함하는 전자기계적 스위치(1)를 포함하되, 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 적어도 하나의 구동전극(30, 50)들은 각각 다수-레벨 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 내지 M5)의 일부를 형성한다. 종합적으로, BEoL 공정에서 집적화 가능하고 또한 전자기계적 마이크로스위치(1)로 무선주파수신호(RFMEMS)를 위해 구성되는 미세 전자기계적 시스템(MEMS)(100, 200)을 기술하였다. 시스템은 대향전극(20)의 말단부(23)에서 금속-절연체-금속 구조의 순서를 가지도록 구성되고 또한 구동전극(30)은 콘택(10)을 향하는 일측 상에 유전재료를 가지는 노브구조를 포함한다. 한편으로, 도 10에 도시한 것과 같은 스위칭 특성을 이루고, 다른 한편으로는, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 원치 않는 차단이 방지된다.

Claims (23)

  1. 전기신호(S), 특히 GHz 대역의 무선주파수신호(RFMEMS)를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치(1)를 포함하는 전자기계적 시스템(MEMS)(100, 200)에 있어서, 상기 시스템은:
    - 기판(101, 201) 상에 배열되는 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)을 포함하되, 싱이한 전도레벨(M1 - M5)에 배열되는 상기 다수-레벨 전도경로 적층의 전도경로(111 - 115, 211 - 215)들은 전기적 절연층(103, 203)에 의해 서로 간에 절연되고 또한 비아 콘택(104, 204)를 통해 서로 전기적으로 연결되고,
    - 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 요홈(105, 205) 내에 집적화되고 또한 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 그리고 콘택 중심축(10)에 대한 적어도 하나의 구동전극(30, 50)을 포함하는 전자기계적 스위치(1)를 포함하되,
    상기 콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 적어도 하나의 구동전극(30, 50)들은 각각 다수-레벨 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 내지 M5)의 일부를 형성하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템(MEMS).
  2. 제1항에 있어서, 상기 대향전극(20)은 콘택 중심축(10)을 향하는 말단부(23)에서 금속-절연체-금속(MIM) 구조(24, 25, 26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  3. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 전자기계적 마이크로스위치(1)는 콘택 중심축을 작동시키는 제1구동전극(30) 및/또는 콘택 중심축(10)을 역-작동시키는 제2구동전극(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콘택 중심축(10)은 구동전극(30, 50)을 통해 이동가능하고,
    구동전극(30)과 콘택 중심축(10) 사이에 전위가 인가하면 콘택 중심축(10)의 탄성 이동(30)으로 인해 적어도 대향전극(20) 상의 전기적 신호(S)에 영향을 미치기 위해 대향전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 간격을 통해 용량성 결합(40)이 변하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기계적 마이크로스위치(1)의 전도성 콘택 중심축(10) 및/또는 대향전극(20) 및/또는 작동 구동전극(30) 및/또는 역작동 구동전극(50), 특히 이들 모두는 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 - M5)에 의해 형성되는 캐리어층을 포함하고,
    캐리어층은 적어도 일측 상에, 바람직하게는 양측 상에 TiN 및/또는 Ti 및/또는 AlCu를 가지는 하나 또는 다수의 층들, 특히 이중층 TiN-Ti, 또는 특히 TiN-AlCu-TiN 으로 이루어지는 샌드위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 콘택 중심축(10)을 작동시키는 구동전극(30) 및/또는 콘택 중심축(10)을 역작동시키는 구동전극(50)은 콘택 중심축(10)을 향하는 측 상에 유전재료(25)를 가지는 노브(34)들을 포함하는 구조(33)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구조(33)는 전도레벨(M1 - M5)의 전극재료의 산화물로서 구성되는, 특히 습식 화학에칭을 통해 형성되는 산화물로서 구성되는 유전재료(25)를 가지는 노브(34)들로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 콘택 중심축(10)은 탄성적으로 이동가능하고, 특히 캔틸레버되고, 또한 탄성적으로 이동가능한 전도성 브릿지(14) 또는 일- 또는 이중 스프링 또는 유사한 캔틸레버의 일부인 콘택 영역(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 콘택 중심축(10)은 콘택 영역(13)과 인력부(11, 12), 특히 부분(11, 12, 13) 사이의 슬롯(18) 또는 유사한 것으로 구성되는 분할부를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 작동 구동전극(30)은 콘택 중심축(10) 아래 기판 측상에 소정의 간격(A)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 역작동 구동전극(50)은 기판으로부터 떨어지는 방향 측 상에서 콘택 중심축(10) 위에 소정의 오프셋으로 배열되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기계적 마이크로스위치(1)의 제1구동전극(30)은 작동 구동전극으로서 구성되고 또한 제2구동전극(50)은 역작동 구동전극으로서 구성되고,
    제1구동전극 및 제2구동전극들은 서로에 대해 조정되고 또한 콘택 중심축(10)에 영향을 주도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 콘택 중심축(10)을 이동시키기 위해 제공되는 구동전극(30) 및/또는 다른 역작동 구동전극(50)들은 전도경로 적층(101, 102)의 전도레벨(M1 - M5)의 금속, 특히 Al 기반 캐리어층으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  14. 제1항 내지 제13중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 대향전극(20)은 기판(101, 102) 상에 고형 받침대로서 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  15. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    전자기계적 마이크로스위치(1)의 대향전극(20)은 절연재료(21)를 가지는 적어도 한 층과 MIM 구조(MIM)을 가지는 베이스를 포함하고, MIM 구조는:
    - 베이스를 향하는, 전도성 재료, 특히 금속재료로 만드는 장벽층(24)과;
    - 콘택 중심축(10)을 향하고 또한 말단부(23)에 배열되는 전도성 캡(26)과;
    - 이들 사이에 배열되는 유전층(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 MIM 구조의 적어도 하나의 전도층, 특히 캡(26) 및/또는 장벽층(24)은 전도성 금속층 또는 질화 티탄 및/또는 티단을 기반으로 하는 재료를 포함하는 층 조합으로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 MIM 구조의 적어도 하나의 전도층은 TiN 및/또는 Ti 및/또는 AlCu를 가지는 하나 또는 다수의 층들, 특히 이중층 TiN-Ti 또는 특히 TiN-AlCu-TiN으로 만드는 샌드위치로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 스위치.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 MIM 구조의 유전층(25)은 Si3N4 를 가지는 하나 또는 다수의 층들로 형성되는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 콘택 중심축(10)을 작동시키는 구동전극의 콘택 중심축(10)으로부터 간격(A+B)은 대향전극(20)에서부터 콘택 중심축(10)의 간격(A)보다 큰 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10) 간의 간격(A)은, 전체 간격(A)에 대해 작동범위 내에서 구동전극(30)과 콘택 중심축(10)에 인가되는 작동 전압과 콘택 중심축(10)과 대향전극(20) 간의 용량 간에 거의 선형이 제공되도록 그 크기가 정해지는 것을 특징으로 하는 미세 전자기계적 시스템.
  21. 청구항 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 따른 미세 전자기계적 시스템(100, 200)을 포함하는 집적회로, 특히 집적화된 CMOS 회로.
  22. - 다수의 전자회로 요소들과 함께 FEoL 공정에서 집적화된 회로를 생성하는 단계와; 그리고
    - BEoL 공정에서 전자회로 요소드를 전기적으로 연결하는 단계를 포함하고,
    전자기계적 마이크로스위치(1)는 BEoL 공정에서 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 요홈(105)에 집적화되고,
    콘택 중심축(10)과, 대향전극(20)과 콘택 중심축(10)을 작동시키는 적어도 하나의 구동전극(30)은 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 - M5)의 일부를 각각 형성하도록 구성되는, CMOS 제조공정을 통해 청구항 제21항에 따른 집적회로를 생산하기 위한 방법.
  23. 제22항에 있어서, 전자기계적 마이크로스위치(1)의 다수-레벨 전도경로 적층(102, 202)의 전도레벨(M1 - M5)의 전극재료의 산화물로서 구성되는 유전재료(25)를 가지는 노브(34)를 포함하는 구조(33)가 습식 화학에칭을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020127016628A 2009-12-07 2010-12-07 전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법 KR20120101089A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009047599A DE102009047599A1 (de) 2009-12-07 2009-12-07 Elektromechanischer Mikroschalter zur Schaltung eines elektrischen Signals, mikroelektromechanisches System, integrierte Schaltung und Verfahren zur Herstellung einer integrierten Schaltung
DE102009047599.0 2009-12-07

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20120101089A true KR20120101089A (ko) 2012-09-12

Family

ID=43608232

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020127016628A KR20120101089A (ko) 2009-12-07 2010-12-07 전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9048052B2 (ko)
EP (1) EP2510532B1 (ko)
KR (1) KR20120101089A (ko)
DE (1) DE102009047599A1 (ko)
WO (1) WO2011069988A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230146147A (ko) 2022-04-11 2023-10-19 주식회사 아단소니아 장기 세포 추적용 형광 물질

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2986912B1 (fr) * 2012-02-09 2014-03-28 Thales Sa Microcommutateur hyperfrequences et son procede de fabrication
FR2987171B1 (fr) 2012-02-22 2014-03-07 St Microelectronics Rousset Dispositif mecanique anti-retour integre a une ou plusieurs positions, electriquement activable
FR3006808B1 (fr) * 2013-06-06 2015-05-29 St Microelectronics Rousset Dispositif de commutation integre electriquement activable
FR3030115B1 (fr) 2014-12-10 2017-12-15 Commissariat Energie Atomique Condensateur a capacite variable comprenant une couche de materiau a changement d'etat et un procede de variation d'une capacite d'un condensateur
US10155660B2 (en) 2015-01-28 2018-12-18 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Device and method for protecting FEOL element and BEOL element
FR3034567B1 (fr) 2015-03-31 2017-04-28 St Microelectronics Rousset Dispositif metallique a piece(s) mobile(s) ameliore loge dans une cavite de la partie d'interconnexion (" beol ") d'un circuit integre
US9466452B1 (en) 2015-03-31 2016-10-11 Stmicroelectronics, Inc. Integrated cantilever switch
CN107709227A (zh) 2015-04-21 2018-02-16 加泰罗尼亚理工大学 包括具有通过使用修改的通孔改善质量和可靠性的多层微机械结构的集成电路及其获得方法
DE102015220806B4 (de) 2015-10-23 2020-08-27 Ihp Gmbh - Innovations For High Performance Microelectronics/Leibniz-Institut Für Innovative Mikroelektronik Schaltelement zum Schalten von differentiellen Signalen und Schaltungsanordnung

Family Cites Families (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4437259C1 (de) 1994-10-18 1995-10-19 Siemens Ag Mikromechanisches Relais
US6396368B1 (en) 1999-11-10 2002-05-28 Hrl Laboratories, Llc CMOS-compatible MEM switches and method of making
US20020124385A1 (en) * 2000-12-29 2002-09-12 Asia Pacific Microsystem, Inc. Micro-electro-mechanical high frequency switch and method for manufacturing the same
US6529093B2 (en) 2001-07-06 2003-03-04 Intel Corporation Microelectromechanical (MEMS) switch using stepped actuation electrodes
US6639488B2 (en) 2001-09-07 2003-10-28 Ibm Corporation MEMS RF switch with low actuation voltage
EP1321957A1 (en) * 2001-12-19 2003-06-25 Abb Research Ltd. A micro relay device having a membrane with slits
US6943448B2 (en) * 2003-01-23 2005-09-13 Akustica, Inc. Multi-metal layer MEMS structure and process for making the same
CN1310374C (zh) * 2003-09-08 2007-04-11 株式会社村田制作所 可变电容元件
JP2005209625A (ja) 2003-12-22 2005-08-04 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｍｅｍｓスイッチ
US7265647B2 (en) 2004-03-12 2007-09-04 The Regents Of The University Of California High isolation tunable MEMS capacitive switch
KR100761476B1 (ko) * 2004-07-13 2007-09-27 삼성전자주식회사 반도체를 이용한 멤스 ｒｆ-스위치
DE102005016243B3 (de) * 2005-04-08 2006-09-28 Austriamicrosystems Ag Mikromechanisches Bauelement, Verfahren zur Herstellung und Verwendung
JP4405427B2 (ja) 2005-05-10 2010-01-27 株式会社東芝 スイッチング素子
JP4489651B2 (ja) 2005-07-22 2010-06-23 株式会社日立製作所 半導体装置およびその製造方法
DE102006061386B3 (de) 2006-12-23 2008-06-19 Atmel Germany Gmbh Integrierte Anordnung, ihre Verwendung und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE102007031128A1 (de) * 2007-06-29 2009-01-02 IHP GmbH - Innovations for High Performance Microelectronics/Institut für innovative Mikroelektronik MEMS-Mikroviskosimeter und Verfahren zu seiner Herstellung
US8704314B2 (en) 2007-12-06 2014-04-22 Massachusetts Institute Of Technology Mechanical memory transistor
US20090285419A1 (en) * 2008-05-13 2009-11-19 United Microelectronics Corp. Microelectromechanical system microphone
US7858423B2 (en) * 2008-06-02 2010-12-28 Fouladi Azarnaminy Siamak MEMS based RF components with vertical motion and parallel-plate structure and manufacture thereof using standard CMOS technologies

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230146147A (ko) 2022-04-11 2023-10-19 주식회사 아단소니아 장기 세포 추적용 형광 물질

Also Published As

Publication number Publication date
US9048052B2 (en) 2015-06-02
DE102009047599A1 (de) 2011-06-09
WO2011069988A3 (de) 2011-09-15
EP2510532B1 (de) 2018-11-07
US20120280393A1 (en) 2012-11-08
WO2011069988A2 (de) 2011-06-16
EP2510532A2 (de) 2012-10-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20120101089A (ko) 전기신호를 스위칭하기 위한 전자기계적 마이크로스위치, 미세 전자기계적 시스템, 집적회로 및 집적회로를 생산하기 위한 방법
JP4763358B2 (ja) マイクロ電気機械式可変コンデンサ
JP3808052B2 (ja) 微細電気機械的スイッチ（ｍｅｍｓ）の製造方法
US6396368B1 (en) CMOS-compatible MEM switches and method of making
US7894205B2 (en) Variable device circuit and method for manufacturing the same
US6698082B2 (en) Micro-electromechanical switch fabricated by simultaneous formation of a resistor and bottom electrode
US20030178635A1 (en) Perpendicular torsion micro-electromechanical switch
JP6397913B2 (ja) Ｍｅｍｓ抵抗スイッチおよびｍｉｍキャパシタを利用したｄｖｃ
JP5774193B2 (ja) Ｒｆｍｅｍｓ交点スイッチ、及びｒｆｍｅｍｓ交点スイッチを含む交点スイッチマトリックス
JP2007000994A (ja) 半導体装置
US10964505B2 (en) Naturally closed MEMs switch for ESD protection
US20100001355A1 (en) RF MEMS Switch
JP2008277743A (ja) 可変素子回路およびその製造方法
US20060084198A1 (en) Electrostatically actuated low response time power commutation micro-switches
US10163566B2 (en) DVC utilizing MIMS in the anchor
KR100668614B1 (ko) 압전 구동 방식 저항형 ｒｆ ｍｅｍｓ 스위치 및 그 제조방법
WO2003015128A2 (en) An electromechanical switch and method of fabrication
KR100470634B1 (ko) 축전식 미세전자기계적 스위치 및 그 제조 방법
EP1535296A1 (en) Micro-electromechanical switch having a deformable elastomeric conductive element
US20220199333A1 (en) Variable radio frequency micro-electromechanical switch
JP4359920B2 (ja) エレクトロメカニカルスイッチ
JP2007522609A (ja) ピエゾ電気材料でできたマイクロ電気機械スイッチを備える電子装置

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid