CN1950290A

CN1950290A - 用于mems开关的梁

Info

Publication number: CN1950290A
Application number: CNA2005800142463A
Authority: CN
Inventors: T－K·周; 约翰·赫克
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2004-05-07
Filing date: 2005-04-13
Publication date: 2007-04-18
Also published as: WO2005113421A1; EP1747168A1; JP2007535797A; US20050248424A1

Abstract

悬臂梁式射频微机电开关可以由具有金属接触体的低应力梯度多晶硅形成。在一些实施方案中，所述梁和所述衬底之间的区域可以是无电介质的。在一些情况下，氧化物层可以由氮化物保护层来保护。

Description

用于MEMS开关的梁

背景

本发明一般涉及微机电系统(micro-mechanical system)技术。

在微机电系统中，可以使用在纳米量级尺寸的集成电路技术来制造机械和电部件。多种器件可以被制成，包括开关。这样的开关在大小上可以处于微米级。

常规射频微机电开关的可移动开关元件一般由镀上的金或镍形成。但是，电镀的厚金属受高应力梯度的困扰。对于梁大小～100um的高电压开关(～40V)来说，镀上的金或镍中的应力梯度可能不是显著的问题(在100um梁之上～0.3um的弯曲)。但是，在用于超低驱动电压(例如，在3V级别上)的长开关梁(所述长开关梁需要350um的开关长度)的情况下，这种应力梯度弯曲要严重得多(例如，在350um长梁之上3um的弯曲)。长开关梁的弯曲导致驱动电极和开关梁之间大得多的气隙，所述大得多的气隙使得3V静电驱动不可实现。同时，镀上的金或镍的这种应力梯度还具有可移动开关元件的显著非一致的向上弯曲，所述显著不一致的向上弯曲导致不一致的器件特性。

因此，需要制备用于射频应用的微机电系统开关的更好方式。

附图简要说明

图1是本发明的一个实施方案的放大剖面视图；

图2是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的早期阶段的放大剖面视图；

图3是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图4是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图5是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图6是在加工过程的后续阶段，本发明的一个实施方案的放大剖面视图；

图7是在加工过程的后续阶段，本发明的一个实施方案的放大剖面视图；

图8是在加工过程的后续阶段，一个实施方案的放大剖面视图；

图9是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图10是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图11是在根据本发明的一个实施方案的加工过程的后续阶段的放大剖面视图；

图12是在加工过程的后续阶段，本发明的一个实施方案的放大剖面视图；

图13是在加工过程的后续阶段，一个实施方案的放大剖面视图；

图14是在加工过程的后续阶段，一个实施方案的放大剖面视图；

图15是在加工过程的后续阶段，本发明的一个实施方案的放大剖面视图；

图16是在加工过程的后续阶段，一个实施方案的放大剖面视图；

图17是在加工过程的后续阶段，一个实施方案的放大剖面视图；

图18是处于打开或未驱动位置的、根据本发明的一个实施方案的已完成的开关的放大剖面视图；以及

图19是在图18中示出的实施方案的放大顶部俯视图。

详细描述

参照图1，微机电系统(MEMS)开关60可以被形成在半导体衬底10上。在一个实施方案中，衬底10可以是高电阻率硅材料。悬臂梁26被安装在衬底10之上。在本发明的一个实施方案中，悬臂梁26由低应力梯度多晶硅形成。低应力梯度多晶硅在它被释放之后，基本上不弯曲(例如，在350um长梁之上少于25nm的弯曲)。因此，在多晶硅梁被释放之后，梁与驱动电极之间的气隙可以被保持为非常小。在图1中，梁26被示出处于开关闭合的位置(closed position)，其中梁26接触固定的底部电极部分32。开关60闭合间隔开的底部电极部分32之间的电连接。

在本发明的一个实施方案中，在衬底12之上的可以是被氮化物保护层16覆盖的氧化物岛12。在一些实施方案中，氮化物保护层16可以随后被底部电极18覆盖。在本发明的一个实施方案中，底部驱动电极18可以由多晶硅形成。梁26的底部表面可以包括一对阻挡凸起(stopper bump)42，所述阻挡凸起42接合底部电极18b中的开口44。

安装在顶部电极26的端部分36上的是金属接触体38(例如，Au)。在闭合的位置中，镀层38接合底部接触金属部分32。在本发明的一个实施方案中，每个金属部分32均可以被安置在附着层30(例如，Mo或Cr)之上。

用于制备开关60的一个示例性工艺在图2到17中被示出。在图2中，高电阻率硅晶片10可以用隔离氧化物层覆盖。在本发明的一个实施方案中，隔离氧化物可以被图形化，以形成开口14并且生成一系列氧化物岛12。岛12可以降低到硅衬底的寄生电容。岛12可以被免去，例如，在寄生电容不是问题时。

如在图3中示出的，岛12可以用保护氮化物层16覆盖。层16在释放蚀刻期间保护下面的氧化物岛12，在所述释放蚀刻中，通过将晶片10浸入氢氟酸溶液中来使梁26自由。

参照图4，氮化物保护层16在一些位置54被去除，并且在其他位置56被保留。在最终的牺牲氧化物蚀刻之后，剩余区域中的氮化物保护层16被蚀刻掉，使得在硅表面的关键区(在梁26之下，以及接触电极32之间的空间)中将不会存在电介质。在一些实施方案中，电介质的去除可以改善高电阻率硅晶片10上的传输线的射频性能。

接着转向图5，底部驱动电极18可以被沉积并且被图形化。底部电极18仅被形成在氮化物保护层16之上。在一些情况下，通过层18的接触孔48在间隔开的位置被提供。在一个实施方案中，层18可以是厚度约为1000埃的多晶硅底部电极。

转移到图6，第一释放层20可以由沉积的氧化物形成。在一个实施方案中，层20的厚度可以处于0.5微米的级别。尽管氧化物层20被图示，但是其他牺牲材料可以被用来在梁26的制造期间临时支撑它。

参照图7，用于形成阻挡凸起42(图1)的模区(mold region)22通过短暂的、定时的氧化物蚀刻被蚀刻。在图8中图示的另一氧化物蚀刻形成开口24，以接收将锚定(anchor)悬臂梁26的材料。如在图9中示出的，低应力梯度多晶硅可以随后被沉积，以形成梁26。可以在多晶硅之上进行一些掺杂物注入，以获得期望的传导率和应力调整。

如在图10中示出的，盖覆氧化物28可以被形成在低应力多晶硅之上。在一些实施方案中，多层牺牲氧化物、低应力梯度多晶硅和盖覆氧化物28可以被退火，以控制多晶硅梁26的应力和应力梯度。在本发明的一个实施方案中，梁26的厚度可以是2微米。如在图11中示出的，盖覆氧化物28可以随后被去除。

如在图12中示出的，由层32和30组成的底部电极可以被沉积并且被图形化。在一个实施方案中，较上的层32可以是Au，并且较低的层30可以是Cr或Mo。层30、32两者都是在主结构层之后被沉积。接触金属层32和附着层30有利地抵挡释放工艺，在本发明的一个实施方案中，所述释放工艺使用氢氟酸。

接着，如在图13中示出的，第二释放层34可以通过牺牲铜沉积而被形成。层34的厚度可以是约0.35微米，所述厚度小于氧化物20的厚度。如在图14中示出的，层34可以随后被蚀刻。如在图15中示出的，开口可以在层34中被向下蚀刻到梁26，并且第一释放层20可以被沉积并且被图形化。附着金属36(例如，Mo)适于抵挡释放工艺。

如在图16中示出的，在一个实施方案中，金属接触体38由厚(例如，4～6um)但是短(例如，在横向尺寸中小于30um)的镀上的Au形成(在图中没有按比例)。一旦开关被闭合，镀上的接触体38被用来给射频(RF)信号提供良好的电传导。因为接触体38仅充当用于RF信号的电传导片(patch)，所以相比主开关梁26，它可以具有小的横向尺寸。因此，非常短的接触体38可以不会有来自它的应力梯度的严重的弯曲(例如，30um中小于25nm)。接触体38可以是T形，其中一个臂在梁26之上的金属36上，底部(base)在第二释放层34上并且另一个臂在释放层34上。如在图17中示出的，层34随后被选择性地蚀刻掉。

最终，如在图18中示出的，牺牲层20(图17)(例如，氧化物)在氢氟酸中被蚀刻掉，以释放可移动的多晶硅梁26。随后，在本发明的一个实施方案中，在结构之间的空区40中可以不存在电介质层。结果，在这样的实施方案中，可以获得较好的射频性能。

参照图19，梁26包括锚定部分48，所述锚定部分48通过肋部份(rib)46耦合到接触部分26。接触体38可以被相对集中地形成在梁26的部分50之上。一对梯形的底部电极部分32a和32b被对准在接触体38之下。在一个实施方案中，部分32a提供射频输入信号，并且部分32b在开关60闭合时提供输出信号。

通过在低应力梯度多晶硅梁26和多晶硅底部电极18之间施加电压使开关60闭合。由于在这种工艺中使用低应力梯度多晶硅，梁26和电极18之间的气隙可以保持非常小(例如，小于0.6um)。因此，在一些实施方案中，超低驱动电压开关可以被实现。当多晶硅梁26被驱动向下时，接触体38与底部电极部分32接触，因为电极18和梁26之间的剩余间隙可以由牺牲膜厚度沉积精确地控制。

当进一步的电压被施加时，允许多晶硅梁26下陷(collapse)，以具有更高的接触力。但是，如在图1中示出的，接触体38和梁26可以仍然与底部电极18分离开。这种分离是由于多晶硅阻挡件(stopper)42的提供而产生，所述多晶硅阻挡件42接触氮化物保护层16，而不接触底部电极18，因为模区22大于阻挡件42。

在本发明的一些实施方案中，金被用作接触体组分和用于低损耗射频信号传输的导体。这些金结构可以在多晶硅结构的制造之后被沉积，所述多晶硅结构的制造可以完全在洁净室中进行。由二氧化硅组成的隔离通道可以被氮化硅保护层16包住。氮化硅保护层16可以在释放蚀刻期间保护下面的氧化物12，在所述释放蚀刻中通过将晶片浸入氢氟酸中使梁26自由。

在一些实施方案中，相对小的气隙40可以被实现，以用于超低电压开关制造而无需承受严重的结构弯曲。在制造中，低应力梯度多晶硅膜的使用更加一致并且更加容易控制。在恶劣的环境中，所述材料还可以具有较好的机械可靠性。

在一些实施方案中，精确的膜厚度沉积可以产生有效的接触体高度，提供比直接蚀刻更好的接触体高度控制和一致性。局部化的保护性氮化物保护层可以在仍然实现良好射频传输的同时，允许氧化物释放蚀刻，而不会在关键区域留下电介质。梁26和底部电极18之间的电介质可以变为带电的，并且在一些情况下，这样的充电可能对开关60的操作有不利的影响。在一些实施方案中，多晶硅阻挡件可以被集成到工艺中，以允许开关60下陷来获得更高的接触力而不使用电介质。

尽管已经关于有限数量的实施方案描述了本发明，但是本领域中的那些技术人员将认识到来自其的许多修改和变体。所附的权利要求书打算覆盖所有落入本发明的真实精神和范围内的这样的修改和变体。

Claims

1.一种方法，包括：

形成具有悬臂梁的微机电系统开关，所述悬臂梁包括附接到金属接触体的低应力梯度多晶硅部分。

2.如权利要求1所述的方法，包括形成包括底部电极的所述开关，所述底部电极施加吸引力到所述梁，以闭合所述开关。

3.如权利要求2所述的方法，包括使所述底部电极和所述梁之间的区保持无电介质。

4.如权利要求2所述的方法，包括在衬底上安装所述梁，在所述衬底上提供一对间隔开的衬底接触体，并且将所述金属接触体布置在所述衬底接触体之上，使得在所述开关闭合时，在所述衬底接触体之间产生电连接。

5.如权利要求4所述的方法，包括在所述悬臂梁上的所述金属接触体和所述衬底接触体之间形成间隙，所述间隙大于在所述悬臂梁的所述多晶硅部分和所述底部电极之间的间隙。

6.如权利要求4所述的方法，包括在所述衬底之上形成释放层，以及在所述释放层之上形成所述多晶硅部分。

7.如权利要求6所述的方法，包括在释放所述释放层之前，将所述金属接触体固定到所述多晶硅部分。

8.如权利要求6所述的方法，包括在将所述金属接触体固定到所述多晶硅部分之后，释放所述释放层。

9.如权利要求1所述的方法，包括在衬底上形成所述悬臂梁，在所述衬底上形成氧化物岛，以及用氮化物保护层覆盖所述氧化物岛，在所述氮化物保护层之上形成释放层，以及使用蚀刻溶液来去除所述释放层。

10.一种静电驱动微机电系统开关，包括：

衬底；

安装在所述衬底上的悬臂梁，所述梁由低应力梯度多晶硅和金属接触体的组合来形成；

在所述衬底之上形成的底部电极，以朝着所述衬底的方向吸引所述梁。

11.如权利要求10所述的开关，包括在所述衬底上形成的一对接触体，所述接触体被间隔开，以便在所述悬臂梁被向下拉向所述衬底时，在所述衬底接触体之间电路被完成。

12.如权利要求11所述的开关，其中所述悬臂梁金属接触体包括分支部分，所述分支部分接触所述衬底上的所述一对接触体。

13.如权利要求11所述的开关，包括氧化物岛和所述岛之上的氮化物保护层，所述衬底接触体安装在所述氧化物岛之上，且所述衬底接触体在所述氮化物保护层上。

14.如权利要求11所述的开关，其中当所述梁上的所述金属接触体接触所述衬底上的所述一对接触体时，所述梁被隔离在所述底部电极之上。

15.如权利要求11所述的开关，其中所述金属接触体和所述衬底接触体被形成为具有由相同材料形成的接触表面。

16.如权利要求10所述的开关，其中在所述底部电极和所述悬臂梁之间的区无电介质。

17.如权利要求10所述的开关，包括在所述衬底之上形成的氧化物，所述氧化物被氮化物保护层覆盖。

18.如权利要求10所述的开关，其中至少一个孔口被形成在所述底部电极中，所述悬臂梁包括阻挡件，所述阻挡件延伸通过所述底部电极中的所述孔口。

19.如权利要求10所述的开关，包括氧化物岛和所述岛之上的氮化物保护层，所述悬臂梁安装在所述氧化物岛之上，且所述悬臂梁在所述氮化物保护层上。

20.一种方法，包括：

在衬底之上形成第一释放层；

在所述释放层之上沉积低应力多晶硅；

去除所述低应力梯度多晶硅的一部分；

用第二释放层覆盖所述低应力多晶硅；

形成开口，所述开口通过所述第二释放层到达所述低应力梯度多晶硅并且到达所述第一释放层；

在所述孔口中沉积金属接触体。

21.如权利要求20所述的方法，包括由绝缘体形成所述第一释放层，以及由金属形成所述第二释放层。

22.如权利要求20所述的方法，包括在形成所述第一释放层之前，形成底部电极。

23.如权利要求22所述的方法，包括在所述底部电极中形成至少一个开口，以及在所述低应力多晶硅上形成至少一个突起，所述突起延伸到所述底部开口中而不接触所述底部电极。

24.如权利要求20所述的方法，包括在所述衬底上形成彼此间隔开的一对接触体。

25.如权利要求24所述的方法，包括将所述金属接触体对准在所述衬底上形成的所述一对接触体之上。

26.如权利要求20所述的方法，包括形成将所述多晶硅和所述金属接触体用作悬臂梁的微机电开关。

27.如权利要求20所述的方法，包括在所述第一释放层之下形成底部电极，以及形成包括充当悬臂梁的所述多晶硅和所述金属接触体的微机电开关，以及在所述底部电极和所述悬臂梁之间的区中消除任何电介质。

28.如权利要求20所述的方法，包括形成比所述第一释放层薄的所述第二释放层。

29.如权利要求20所述的方法，包括在所述衬底上形成氧化物岛，并且在形成所述第一释放层之前，用氮化物保护层覆盖所述氧化物岛。

30.如权利要求20所述的方法，包括形成T形的金属接触体，其中所述接触体的底部延伸到所述第一释放层，所述接触体的一个臂被安装在所述多晶硅的顶上，并且所述接触体的另一个臂被安装在所述第二释放层的顶上。

31.如权利要求20所述的方法，包括在释放所述第一释放层之前，释放所述第二释放层。