在mems数字可变电容器(dvc)加工期间的应力控制的制作方法
【专利说明】
[0001]本发明的背景
技术领域
[0002]本发明的实施例总体上涉及微机电系统(MEMS)及其制造方法。
【背景技术】
[0003]如图1中示意性示出的，MEMS数字可变电容器(DVC)器件基于可移动MEMS板，具有在可移动MEMS板之上的控制电极(即上拉电极、拉离电极或PU电极)和在可移动MEMS板下的控制电极(即拉近电极、下拉电极或ro电极)。这些电极被顶部和底部介电层覆盖。另外，可移动MEMS元件之下存在RF电极。可移动板和RF电极之间存在间隙，该间隙由施加到PU或ro电极上的相对于板电极的电压来调节。这些电压产生静电力，其将MEMS元件上拉或下拉至接触以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。这样，从可移动板到RF电极的电容能够从当被拉到底部时(见图2)的高电容状态(:_变化到当被拉到顶部时(见图3)时的低电容状态C_。
[0004]图4示出了 MEMS DVC器件的更详细的横截面图。可移动板包括通过多个柱彼此连接的两个层(即底板和顶板)。板和柱的这种组合产生难以弯曲的半刚性板。板通过柔性腿结构被锚固到衬底，所述腿结构允许相对低的工作电压以使DVC器件在(:_或C _状态下工作。
[0005]图5示出了 CMOS波形控制器，其产生需要施加到MEMS DVC器件的PU和电极上的电压Vpu和Vpd。板电位需要以CMOS地电位为基准，使得在和ro电极上施加的电压产生使板上移至C_位置或下移至C_位置所需的静电力。在板电极需要RF浮动的应用中，在板电极和CMOS地电位之间使用高值电阻器Rpalte来实现该基准(见图5)。
[0006]图6示出了 CMOS波形控制器，其中使用二极管Dplate使板电位以CMOS地电位为基准。在该应用中，板电极通常在RFGND上。还能够使用Rplate和Dplate的结合。
[0007]需要可移动板和CMOS地电位之间的这些电连接用于静电致动。然而，这些连接也会在两层板的加工期间产生问题。具体地，在加工期间使可移动板连接到CMOS地电位会在可移动板中产生应力，这会使致动电压Vpu和Vpd变化至超出规格，显著影响晶片产率。
[0008]因此，本领域中需要提供一种装置来避免该问题并且获得更受控的致动电压。
【发明内容】
[0009]本发明总体上涉及MEMS DVC及其制造方法。MEMS DVC内的可移动板的顶板和底板应具有相同应力水平以确保MEMS DVC的正确工作。为了获得相同应力水平，可移动板在制造期间与CMOS地电位解耦。可移动板仅在板已经完全形成之后电耦合到CMOS地电位。耦合通过使用形成上拉电极的与将可移动板电耦合到CMOS地电位的层相同的层而产生。由于相同的层将可移动板耦合到CMOS地电位并且还提供用于MEMS DVC的上拉电极，因此在同一加工步骤中发生沉积。通过使可移动板在形成后电耦合到CMOS地电位，可移动板的层中的每个中的应力能够是基本相同的。
[0010]在一个实施例中，MEMS DVC包括:被布置在形成于衬底之上的空腔中的可移动板，该可移动板被布置在拉近电极和拉离电极之间并且耦合到可移动板电极，并且拉离电极由导电层形成；耦合到可移动板电极的板式接地电极；和通过导电层耦合到板式接地电极的CMOS地电极。
[0011]在另一实施例中，形成MEMS DVC的方法包括:在衬底上沉积第一导电层；图案化第一导电层以形成CMOS地电极、板式接地电极、可移动板电极、拉近电极和RF电极；在衬底以及CMOS地电极、板式接地电极、可移动板电极、拉近电极和RF电极上沉积介电层；穿过介电层形成开口以暴露CMOS地电极、板式接地电极和可移动板电极中的至少一部分；形成在介电层上并且与CMOS地电极、板式接地电极和可移动板电极接触的锚固元件；形成在与可移动板电极接触的锚固元件上并且与其接触的可移动板；并且在可移动板和锚固元件上沉积第二导电层，所述锚固元件形成在CMOS地电极和板式接地电极上并且与其接触。
【附图说明】
[0012]因此以使得本发明的上述特征能够详细理解的方式，可以参照实施例获得以上概述的本发明的更详细描述，所述实施例中的一些在附图中被图示。然而，应注意的是，附图仅图示了本发明的典型实施例，因此不应被认为限制了本发明的范围，这是因为本发明可以承认其他等同有效的实施例。
[0013]图1是处于独立状态的MEMS DVC的示意性横截面图。
[0014]图2是处于(:_状态的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
[0015]图3是处于(:_状态的图1的MEMS DVC的示意性横截面图。
[0016]图4是根据另一实施例的MEMS DVC的详细的横截面图。
[0017]图5是连接到MEMS DVC器件的波形控制器的示意图，其中板电位通过电阻器Rplate以CMOS地电位为基准。
[0018]图6是连接到MEMS DVC器件的波形控制器的示意图，其中板电位通过二极管Dplate以CMOS地电位为基准。
[0019]图7A到7C是根据一个实施例的产生MEMS DVC的两层半刚性板的示意性横截面图。
[0020]图8是根据一个实施例的用于在形成可移动板期间使板电极与CMOS地电位断开的结构的示意图。
[0021]图9A到9G是不同制造阶段中的MEMS DVC器件的示意性横截面图。
[0022]为了便于理解，在可能的地方使用相同的附图标记表示附图所共用的相同的元素。应预期的是，在没有具体叙述的情况下在一个实施例中公开的元素可以有益地用于其他实施例。
【具体实施方式】
[0023]本发明总体上涉及MEMS DVC及其制造方法。在MEMS DVC内的可移动板的顶板和底板应具有相同应力水平以确保MEMS DVC的正确工作。为了获得相同应力水平，可移动板在制造期间与CMOS地电位解耦。可移动板仅在板已经完全形成之后电耦合到CMOS地电位。耦合通过使用形成上拉电极的与将可移动板电耦合到CMOS地电位的层相同的层而产生。由于相同的层将可移动板耦合到CMOS地电位并且还提供用于MEMS DVC的上拉电极，因此在同一加工步骤中发生沉积。通过在形成后使可移动板电耦合到CMOS地电位，可移动板的层中的每个中的应力能够是基本相同的。
[0024]使板移动至(:_或C_位置的静电致动力与(电压/空隙)2成比例。为了严格控制致动电压Vpu和Vpd，需要加工后的可移动板是平的并且不具有任何弯曲(即需要严格控制可移动板与ro和PU电极之间的空隙)。在如图4所示的两层刚性板构造中，这意味着底板和顶板的绝对应力需要匹配。
[0025]如果顶板中的应力比底板中的应力更具压缩性，那么板容易变形为皱眉形。因此，器件朝着ro电极会具有更大空隙，并且所产生的相对于底部的致动电压Vpd会增大。同时，器件朝着PU电极会具有更小空隙，并且所产生的相对于顶部的致动电压Vpu会减小。类似地，如果顶板中的应力比底板中的应力更具拉伸性，那么板容易变形为笑脸形，并且致动电压Vpd将减小且致动电压Vpu将增大。
[0026]图7A到7C示出了用于产生具有柔性腿悬置部的两层半刚性板的加工步骤。首先，底板层被沉积在第一牺牲层SL1之上，并且被图案化以产生底板和柔性腿(见图7A)。然后底板被第二牺牲层SL2覆盖，该第二牺牲层随后被图案化以在底板之上的SL2中产生几个孔(见图7B)。最后，顶板层被沉积在第二牺牲层SL2之上并且沉积到孔中以接触底板(见图7C)。在加工结束时，牺牲层SL1和SL2被移除，留下悬在表面上的可移动板。
[0027]如果板电极在这些加工步骤期间连接到CMOS地电位(即衬底)，那么热效应和等离子体效应会在层的沉积和刻蚀期间改变底部和顶板中的应力。应力的这些改变随后导致不平的梁结构，这导致改变的Vpd和Vpu以及降低的晶片产率。
[0028]通过在双层板的制造步骤期间使板电极与CMOS地电位(即衬底)断开，能够更好地控制底板和顶板中的应力，产生严格受控的致动电压Vpu和Vpd。为了仍然提供在工作期间板电极到CMOS地电位的连接(对于静电致动是需要的)，使用顶电极层进行电连接，这与在CMOS设计中为了避免天线阻碍所进行的相似。这样，在已经产生双层梁之后产生电连接，并且两个层中的应力能够匹配。
[0029]图8示出了用于在双层板的制造期间使板电极与CMOS地电位断开的结构的横截面图。结构A和B两者都在底部电极层(即用于板电极、电极和RF电极的层)中产生。结构A连接到MEMS DVC器件的板电极，而结构B通过Rplate (见图5)或Dplate (见图6)连接到CMOS地电位。
[0030]通过使用也在DVC加工中使用的锚固层和顶部电极层，结构A在顶部电极层(即用于PU电极的层)已经被沉积之后连接到结构B。在顶电极沉积之前，结构A与结构B电学上断开，并且板电极保持浮动。这实现在制造过程期间底板和顶板的应力控制，并且产生良好受控的致动电压Vpu和Vpd。
[0031]图9A到9G是不同制造阶段中的MEMS DVC 900的示意性横截面图。如图9A所示，MEMS DVC形成在衬底902上，在衬底中具有一个或更多个层，在所述一个或更多个层中形成有一个或更多个电极904。电极904可以如通过箭头“C”所示地在衬底902的下层处耦合到Rplate或Dplate。几个电极908、910、912、914、916、918、920可以形成在衬底902上。电极908、910、912、914、916、918、920通过在衬底902上沉积导电材料并且通过覆盖层沉积然后图案化或者通过于在其上覆盖有掩膜的衬底902上沉积导电材料来形成。
[0032]所形成的CMOS地电极908 (即图8中的结构“B”)通过填充有导电材料的通孔906耦合到在902的下层中形成的一个或更多个金属导体904。如此，电极908直接在电极908的制造时就通过电阻器Rplate或二极管Dplate接地到衬底902。
[0033