TWI643231B - 微機電系統切換裝置和製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種微機電系統(MEMS)開關設備，包括：一基材層；在該基材層上形成之一絕緣層；以及具有在該絕緣層之表面上形成之多個觸點之一MEMS開關模組，其中，該絕緣層包括在該絕緣層內形成之多個導電路徑，該導電路徑被配置成相互連接該MEMS開關模組之所選觸點。

Description

微機電系統切換裝置和製造方法
本發明是有關於微機電系統開關設備和製造方法。
背景技術
微機電系統(MEMS)係一非常小設備之技術。MEMS通常係由尺寸在1-100微米之元件組成，以及MEMS設備通常之尺寸範圍從20微米到1毫米。MEMS設備之示例係一MEMS開關。典型地，使用一稱為表面微加工之技術製造這些MEMS開關。在利用表面微機械加工形成之MEMS設備中，利用在表面半導體處理中熟悉之常規光刻和刻蝕技術在一基材層之表面上形成MEMS元件。用於操作該MEMS開關之互連和其他電路元件(例如電阻器)也形成在該基材層之表面上。然而，使用傳統之表面矽加工工藝和材料形成互連和所需之電阻器可導致互連係不可靠的，這是由於互連之表面腐蝕HE相鄰表面互連之間之漏電流。
發明概述
根據各種實施例，提供了一MEMS開關設備，其包括：一基材層；在該基材層上形成之一絕緣層；以及具有在該絕緣層之表面上形成之多個觸點之MEMS開關模組，其中，該絕緣層包括在絕緣層內形成之 多個導電路徑，該導電路徑被配置成相互連接該MEMS開關模組之所選觸點。
至少一個導電路徑優選地包括：在絕緣層之表面下之導電材料(諸如鋁)之一軌道，和從軌道延伸到該絕緣層之表面之至少一個導電通孔(諸如，鎢通孔)。此外，每個導電通孔可電連接到該MEMS開關模組之觸點之一。
至少一個導電路徑可以包括電阻材料(諸如，多晶矽)之一軌道，該導電路徑優選被配置為一電阻之電路元件。該MEMS開關模組可以包括一開關樑，其中該電阻電路元件優選在該絕緣層內形成，並與該開關樑對準。
該MEMS開關設備，可進一步包括與該MEMS開關模組電通信之一控制模組。
該基材層可以包括一具有高電阻率之材料，例如矽，石英，藍寶石，砷化鎵或玻璃。
該MEMS開關設備進一步可包括包圍該MEMS開關模組之一保護外殼。該保護外殼可包括鍵合到該絕緣層之矽。
在一些實施例中，公開一製造MEMS開關設備之方法。該方法包括：在基材層上形成一絕緣層，並在絕緣層內形成了許多導電路徑，並隨後在該絕緣層之表面上形成包括多個觸點之一MEMS開關模組，由此選擇之觸點被配置成通過在該絕緣層內之導體路徑相互連接。
該方法可進一步包括：在形成該MEMS開關模組之後，形成包圍該MEMS開關模組之保護外殼。
該方法可進一步包括：提供經配置以與該MEMS開關模組電通信之一控制模組。該MEMS開關器件可以使用一保護性塑膠材料封裝。
1‧‧‧MEMS開關設備
2‧‧‧基材層
4‧‧‧絕緣層
6‧‧‧MEMS開關模組
8‧‧‧CMOS後端
10‧‧‧導電路徑
12‧‧‧觸點
12a‧‧‧觸點
14‧‧‧第一層導電材料/第一層
16‧‧‧第二導電層/第二層
18‧‧‧MEMS開關樑/開關樑/橫樑
20‧‧‧觸點尖端
22‧‧‧觸點墊
24‧‧‧柵電極
26‧‧‧突出部
30‧‧‧導電跡線
32‧‧‧導電通孔/通孔/接觸墊
34‧‧‧電阻器
40‧‧‧保護外殼
42‧‧‧內部空腔
44‧‧‧玻璃
46‧‧‧控制模組
48‧‧‧輸入連接
50‧‧‧引線鍵合連接
52‧‧‧引線接合
54‧‧‧引線結合
56‧‧‧輸出端
58‧‧‧包裝塑膠材料
本發明之實施例如下僅通過非限制性示例之方式參考相應之附圖進行描繪：圖1係示出根據本發明實施例之MEMS開關設備之一示意性側橫截面圖；圖2係示出圖1所示之開關設備之MEMS開關模組之一示意性側橫截面圖；圖3係示出圖1所示之MEMS開關設備之基材層和絕緣層之一示意性側橫截面圖；圖4係示出具有在MEMS開關模組之部分上形成之保護外殼之MEMS開關設備之進一步實施例之一示意性側橫截面圖；圖5係示出結合控制模組封裝之圖4所示之MEMS開關設備和保護外殼之一示意性側橫截面圖；以及圖6係示出根據一個實施用於製造MEMS開關設備之方法之一流程圖。
發明詳述
圖1示意性地示出了根據一個實施例之一MEMS開關設備1。該MEMS開關設備1包括：一基材層2、形成在該基材層2上之一絕緣層4，以及形成在該絕緣層4之表面上之一MEMS開關模組6。可以使用通 常用於互補之金屬-氧化物-半導體(CMOS)後端處理技術(例如，氧化沉積、沉積鎢、鋁沉積、光刻和蝕刻、化學機械平面化，等等)之設備和材料形成該基材層2和絕緣層4，儘管可以使用其他合適之加工技術。該基材層2和絕緣層4在此統稱作為一CMOS後端8。在圖1中所示之特定實施例中，該CMOS後端8具有在該絕緣層4中形成之多個導電路徑10。該導電路徑10可以互連在該絕緣層4之一表面上形成之該MEMS開關模組6之所選觸點12。應當理解的是，在實踐中，該絕緣層4一般由多個氧化物沉積形成。
圖2示意性地示出在該絕緣層4之表面上形成之該MEMS開關模組6。在圖2中，圖1中所示之該導電路徑10未被示出，為了清楚之目的。如上文所述，參照圖1，該所示之MEMS開關模組6包括該在絕緣層4之表面上形成之多個電觸點12。在圖示之實施例中，每個觸點12包括在該絕緣層4之表面上形成之一第一層導電材料14，諸如該貴金屬中之任何一個，例如釕或鉑，以及一第二導電層16可以在該第一層14之頂部形成。該第二層16可以比該第一層14更導電。第二導電層16可以例如是金，金是高度導電且高度耐腐蝕。比僅由該第二導電材料16(例如金)形成之觸點12所提供的，第一層14可以用於確保與絕緣層4更好之電氣和物理接觸。在圖2所示之實施例中，該MEMS開關模組6還包括一MEMS開關樑18，其被電和物理連接到另一觸點12a，這在本文中稱為一錨定觸點。該MEMS開關樑18在一些實施例中可以由金形成。該錨定觸點12a提供雙重目的：在該絕緣層4之表面上物理支援開關樑18之一端，以及提供通過該觸點12a至該開關樑18之電連接。在圖2所示之特定實施例中，該開關樑 18從錨定觸點12a懸臂，以便從該絕緣層4之表面分離。在與該錨定觸點12a相對之開關樑18上，一觸點尖端20形成在該橫樑18之上側，該觸點尖端20被塗覆硬導電材料(諸如貴金屬之一)。該觸點尖端20位於進一步觸點墊22之上，該觸點墊也可以從相對耐磨之導電材料(諸如貴金屬之一)形成。在該開關樑18之觸點尖端20上提供耐磨塗層20、22以及在該絕緣層4之表面上提供對應之觸點墊22可以防止這些表面由於高開關頻率之可能軟化並粘在一起，如果一較軟之導電材料(諸如，金)被使用，該情況可發生。雖然沒有單獨列於圖1和圖4中，圖2之MEMS開關模組6之材料選擇也適用於圖1和圖4之該MEMS開關模組。
在操作中，電壓被施加到一柵電極24，該柵電極24也可以由貴金屬(諸如，釕)形成。施加電壓到該柵電極24產生靜電力，吸引該開關樑18朝向該柵電極24。該靜電力使開關樑18變形以及該樑端部20接觸觸點墊22，從而關閉該觸點墊22和錨定觸點12a之間之一電路。在圖2所示之特定實施例中，進一步之凸起或突出部26形成在該固定墊12a和該柵電極24之間之開關樑18之下側。該突出部26(也被稱為“緩衝器”)可以防止該開關樑18坍縮以與該柵電極24接觸，該情況可以通過金屬疲勞或者如果產生一過大之靜電力而發生。
該MEMS開關模組6通過使用表面處理技術(包括沉積、掩蔽和蝕刻步驟)製作在一絕緣層4上。在圖示之實施例中，該開關模組6不包括在該絕緣層4之表面上形成之任何導電路徑(例如，外表面)，該絕緣層4相互連接任何觸點12、12a、22、24。
圖3示意性地示出了該CMOS後端8，包括該基材層2和該 絕緣層4。在一些實施例中，該絕緣層4由二氧化矽形成，但可以用來代替氧化矽之其他已知之絕緣材料可以當適當時使用。該絕緣層4之內部形成許多導電路徑10。常規地，該導電路徑包括由一電阻材料(諸如，鋁)形成之一導電跡線30，該導電跡線30在該絕緣層4中水準方向形成。該導電跡線30可以埋在該絕緣層4內。許多導電通孔32可以從該跡線30延伸到該絕緣層4之表面。該導電通孔32可以由鎢插頭或其他合適之導電材料形成。該通孔32可以在尺寸和數量上隨情況而不同。該通孔32和跡線30使用已知之批量加工技術而在該絕緣層4中形成，例如那些典型地用於生產CMOS設備之技術。在優選之實施例中，該絕緣基材層2常規地由高電阻矽製成，但也可以從其他高電阻率物質(諸如，石英、藍寶石、砷化鎵和玻璃等)形成。根據對於MEMS開關模組6之所選電路之需求，其他導電路徑也可以在該絕緣層4內形成。進一步之導電路徑之一示例係一具有較高電阻之電阻器34，其在一些實施例中從埋入該絕緣層4之高電阻多晶矽形成。當在該開關模組6之該開關樑18下方形成時，此電阻可以用作在該開關樑18和該絕緣層4之間去耦。
返回參照圖1，可以看出，導電通孔形成該MEMS開關模組6和該導體跡線30之接觸墊32之間之電氣連接，由此形成該MEMS開關模組6之不同元件之間之期望之導電路徑。所示實施例之該導電路徑因而會完全埋入該絕緣層4內，從而防止腐蝕和其他降解。
在進一步之實施例中，MEMS開關模組之進一步保護通過一保護外殼之設置而進行提供。參照圖4，一保護外殼40被放置在該開關模組6之開關樑18上，使得該相關之接觸墊12在該保護外殼40外面。該保 護外殼40可從合適材料(諸如，矽)之一單塊形成，內部空腔42被腐蝕掉。該保護外殼40被粘接到該絕緣層4之表面，在該絕緣層4上使用一適當之接合技術形成MEMS開關模組6，諸如陽極接合或使用適當之粘合劑(諸如，圖示之玻璃44)。形成之該保護外殼40有助於防止水分並避免其他污染物干擾該開關模組之操作，並有助於防止塑膠包裝組裝過程在隨後之該塑膠成型步驟期間損壞該開關模組。該保護外殼40也可以防止該MEMS開關模組之機械損壞，並且可以防止顆粒在該開關樑18之下方。該保護蓋40之另一個好處在於提供了其中實際MEMS開關操作之受控環境。例如，該保護外殼40之該內腔42可填充有一惰性氣體。
圖5示意性地示出了結合一控制模組46封裝之圖4所示之該MEMS開關設備和保護外殼。該控制模組46優選地係一特定應用積體電路(ASIC)，並被提供以回應於接收之邏輯信號(例如，3V左右)而產生將被應用於該MEMS開關設備之適當之高電壓(例如，大約80V)切換信號。較低之電壓控制邏輯信號通過到該控制模組之一輸入連接48和一引線鍵合連接50被施加到該控制模組46。另一個引線接合52可連接該控制模組46之一輸出和該MEMS開關設備之觸點墊1。從該MEMS開關設備之該輸出信號可以通過進一步之引線結合54輸出到該封裝之一輸出端56。在一些實施例中，該輸入連接48、控制模組46、MEMS開關設備1和輸出56按照已知之封裝技術封裝在一常規之包裝塑膠材料58中。雖然使用控制模組46和MEMS開關設備封裝1並排示出，可替換地，該MEMS開關設備1可堆疊在控制模組46之上方，並且部分或所有之該引線鍵合可使用其他形式之互連(例如，倒裝晶片、穿矽通孔等)取代。
圖6係示出根據一個實施例用於製造一MEMS開關設備之一方法之一流程圖。在該圖示實施例之一初始步驟60中，該CMOS後端之該基材層2使用常規之批量處理/晶片之加工技術形成。下一步驟62在於在該基材層2上形成該絕緣層4，隨後之步驟64係在該絕緣層中形成該導電路徑。本領域技術人員應該認識到，在實踐中，該絕緣層4之部分在形成該導電路徑之前和之後形成。用於形成該後端之該初始步驟(包括該導電路徑)可使用常規之批量處理技術完成。其後，該後端晶片然後按照表面處理技術以在步驟66形成該絕緣層4之表面上之該MEMS開關模組。如果需要，該保護外殼可以隨後形成在該開關模組(步驟68)上，如果需要，MEMS開關設備和控制模組隨後根據常規之封裝技術進行包裝(步驟70)。雖然圖6所示之該方法已根據特定之命令或序列描述，但應當理解，其他順序或序列可以是合適的。
根據本文公開之實施例之該MEMS開關設備及製造該MEMS之方法以一可製造之方式、使用後端CMOS型處理掩埋導電路徑(連接)。這就避免了僅使用表面微機械技術製造MEMS開關設備中經歷之該問題，在該表面微機械技術中，該互連被掩埋並因此由於暴露而容易受到腐蝕和互連之間之洩漏電流。
此外，如上面所解釋的，在一些實施例中，該MEMS開關樑18可以由一高度導電且耐腐蝕之金屬形成，尤其是金。與使用一半導體材料(例如矽)製成之開關相比，對於該開關樑18和該第二導電層16使用金可大大降低損失量。不受理論之限制，我們相信相較於使用一半導體開關，一金開關是有利的，這是因為當該金開關被關閉時，該開關作為一基 本無損耗之類比設備，使得輸入信號與輸出信號實質上相同(例如，閉合結構中之金開關可作為金線)。在一些實施例中，本文描述之該MEMS開關與高頻電路集成，諸如，RF陣列。例如，金開關樑可用於工作頻率約為11千兆赫至約100千兆赫之間之RF應用。例如在一些實施例中，所公開之開關樑可用於工作頻率至少大約為77千兆赫之RF應用。
在其他實施例中，如本文所述之MEMS開關用於替換在一需要較小輪廓之大得多之機械繼電器之應用中。例如，在醫療應用中，其中開關可用於人體內，本文所公開之高度可靠和無損耗之MEMS開關可製成傳統之機械式繼電器。
因此，在各種實施方式中，如本文所解釋之那樣，使用具有導電部件(包括金，鉑，和/或釕)之一MEMS開關可以是有利的。然而，與常規CMOS製造設備一起使用這些金屬是不可取的。例如，如果一傳統之CMOS製造設備用於製造該CMOS後端8和使用一金開關樑18之一MEMS開關模組6，用於形成開關樑18之金可污染該仔細校準之CMOS設施以及在該設施中使用之任何進一步之CMOS處理。
因此，在一第一製造設施中製造該CMOS後端8可以是有利的。該CMOS後端8然後可以被運輸到一單獨之製造設備，用於製造該MEMS之開關模組6，例如，包括金開關樑之模組。可以在切割之前或切割晶片之後進行該運輸。本文所教導之該技術可使用掩埋之互連並使用MEMS開關之特殊材料，該MEMS開關與用於創建該掩埋互連之設施(例如，CMOS製造設施)不相容。

Claims (17)

  1. 一種微機電系統(MEMS)開關設備，包括：一基材層；一絕緣層，其沉積於該基材層上，該絕緣層包含二氧化矽；和一MEMS開關模組，其包含一開關樑並且具有在該絕緣層之一表面上藉由表面處理技術的方式所形成之多個觸點，其中，該多個觸點包含形成於該絕緣層的該表面上且與該開關樑對準的柵電極，該多個觸點包含一貴金屬，其中，對該柵電極施加一電壓係建立了吸引該開關樑朝向該柵電極之靜電力，以及其中，該絕緣層包括藉由後端半導體處理技術的方式而被埋藏在該絕緣層內的多個導電路徑，該多個導電路徑被配置成相互連接該MEMS開關模組之所選觸點，該多個導電路徑包含不同於該貴金屬的一金屬，其中，該多個導電路徑中之至少一個導電路徑包括電阻材料之跡線，該導電路徑被配置為一電阻性電路元件，該電阻電路元件在該絕緣層內形成，並與該開關樑對準。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，其中，該多個導電路徑中之至少一個包括該絕緣層之該表面下方之導電材料之一跡線，以及從該跡線延伸到該絕緣層之該表面之一導電通孔。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的MEMS開關設備，其中，該導電通孔電連接到該MEMS開關模組之該觸點之一者。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的MEMS開關設備，其中，導電材料之該跡線包括鋁。
  5. 如申請專利範圍第2項所述的MEMS開關設備，其中，該導電通孔 包括鎢。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，其中，該電阻材料包括多晶矽。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，其進一步包含：包圍該MEMS開關模組之一保護外殼，第一觸點被置於該保護外殼之內；以及一接合墊，其被置於該絕緣層在該保護外殼之外側的表面上，其中，該多個導電路徑中之一第一導電路徑自第一觸點遠離該表面而向下地、橫向地在該保護外殼的下方且向上地朝向該表面而延伸至該接合墊。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，進一步包括：與該MEMS開關模組電通信之一控制模組。
  9. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，其中，該基材層包括一具有高電阻率之材料。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的MEMS開關設備，其中，該高電阻率之材料係矽，石英，藍寶石，砷化鎵和玻璃中之一者。
  11. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，其中，該MEMS開關設備進一步包括包圍該MEMS開關模組之一保護外殼。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的MEMS開關設備，其中，該保護外殼包括鍵合到該絕緣層之矽。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的MEMS開關設備，該MEMS開關樑包含金。
  14. 一種製造一微機電系統(MEMS)開關設備之方法，包含：使用後端半導體處理技術在一基材層上形成一絕緣層；使用後端半導體處理技術形成多個導電路徑埋藏在該絕緣層內，該多個導電路徑包含一第一金屬；和隨後使用表面處理技術在該絕緣層之該表面上形成包括一開關樑和多個觸點之MEMS開關模組，其中，該多個觸點包含形成於該絕緣層的該表面上且與該開關樑對準的柵電極，該多個觸點包含一第二貴金屬，該第二貴金屬與該第一貴金屬不同，其中，對該柵電極施加一電壓係建立了吸引該開關樑朝向該柵電極之靜電力，由此選定之觸點被配置以通過在該絕緣層內之該導電路徑互相連接，其中，該多個導電路徑中之至少一個導電路徑包括電阻材料之跡線，該導電路徑被配置為一電阻性電路元件，該電阻電路元件在該絕緣層內形成，並與該開關樑對準。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之方法，進一步包括：在形成該MEMS開關模組之後，形成包圍該MEMS開關模組之一保護外殼。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之方法，還包括提供經配置以與該MEMS開關模組電通信之一控制模組。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，進一步包括使用一保護塑膠材料封裝該MEMS開關設備。
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