采用微电-机系统制造技术的射频元件及其制造方法

专利名称：采用微电-机系统制造技术的射频元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种采用一微电-机系统(MEMS)制造技术的射频元件及其制造方法，其可以克服传统微电机系统(MEMS)制造技术在温度方面的技术限制，也就是说，可以实现使用集成电路(IC)元件的单片集成，这样的单片集成以前是不可能的，因为用于多晶硅应力消除的退火过程要求1000℃或更多的高温。
背景技术：
由于一个基本集成电路(IC)的金属互连线路包括作为一种主要成分的铝，这与传统MEMS技术中要求的高温(500℃或更多)处理不兼容。进一步来讲，当CMOS电路元件被用于集成电路时，当前集成电路技术的技术问题在于在高温(900℃)n型井和p型井之间的扩散导致元件特性恶化。
为了解决该问题，Sandia国家实验室(Sandia NationalLaboratories)建议了一种在先前的通过沟形成采用高温处理来制造MEMS元件之后制造IC元件的集成技术。
尽管通过上述技术可以克服高温处理的限制，却另外伴生了下列技术困难。
第一，存在空间限制，即应该为了形成MEMS元件的制造区域和IC元件的制造区域而将它们分开。该限制在开发一个单位元件时不会导致问题，但是在开发一个空间受限的阵列类型元件或者一个具有若干元件的多用途功能元件时产生了问题。
第二，为了形成MEMS元件并随后在通过对一衬底深蚀刻形成的空间内形成IC元件，所述空间应该进一步在高温时被填满一种稳定材料，这是一种很难的处理，而且随后的衬底平面化处理引起制造所述IC元件的技术限制。
第三，由于作为随后处理的IC处理包括高温处理(例如一个用于离子注入中的激活的退火步骤)，因此存在这样一个问题，即其物理性能在高温处理期间恶化的材料不能被选用于所述MEMS元件。
因此，某些压电材料或者某些传感器材料不能被用于所述MEMS元件。
作为采用传统MEMS技术的RF领域的元件，有射频开关、可变电容器、射频滤波器、感应器、天线等等，对这些元件的研究主要在无线通信领域以及国防领域积极进行。具体来讲，射频开关和可变电容器在无线通信领域很受关注。
目前，作为射频开关，半导体开关例如FET(场效应晶体管)或者正-本-负二极管被广泛的使用。然而，上述半导体开关在操作期间功率损耗大，并且存在一个问题即没有实现完全的电气绝缘，因此最近对这些MEMS开关的研究正在积极地进行，以便填补所述半导体开关的问题。
如果开发了采用MEMS技术的射频开关，由于可以实现微型化和低成本，可以在接通状态阻抗和断开状态阻抗之间提供大的动态范围，并且特别在几十吉赫时展现例如0.5dB或者更少的低插入损耗的以及30至40dB的高电绝缘优秀开关特性，因此采用MEMS技术的射频开关已经被关注很多年了。
采用MEMS技术的射频开关能使用各种激励机制，例如电磁式的、磁性的、压电的、静电的机制等等。几乎所有这些MEMS射频开关都使用静电力左右或上下地驱动一开关射束(switching beam)。这样的机制根据是否可以流动直流电被分成直接接触开关和电容开关。
已知的使用静电力的MEMS开关包括悬臂开关，膜片开关，可调谐电容器型开关等等。
图1中示出一种使用静电力的传统悬臂开关的剖面图。
参照图1，使用静电力的悬臂开关100的简单操作原理是，当将电压施加到一个上电极105时，悬臂104被借助于上电极105和底电极102之间的静电吸引力拉到底电极102，结果悬臂变弯曲。
然后，两个信号线(输入输出线)106通过悬臂104下的触头金属107彼此连接，以致悬臂开关处于开启状态。相反地，当施加到上电极105的电压被变为零时，悬臂104和底电极102之间的静电吸引力消失，悬臂104借助于悬臂104的弹簧的恢复力升高。因此，将两个信号线106彼此连接的触头金属107分离，结果悬臂开关处于断开状态。
然而，上述使用静电力的射频开关存在问题，例如静电激励机制所固有的、由于电极之间表面电荷引起的粘滞作用，由于触头金属和信号线之间的大电流引起的焊接，以及由于断开状态中由施加到信号线的射频信号产生的非期望静电力引起的悬臂弯下。
为了解决这样的问题，应该制造具有充分刚性的悬臂，结果导致悬臂要求10至100v的电压用于激励。因此，当前的使用静电力的射频MEMS开关不能适用于要求低于5V的电压电源的公共无线通信系统，而仅仅可以限制性地适用于国防领域。
可变电容器是一种电容可变的电容器，主要被用于调整通信系统的频率。
目前，使用陶器作为电介质材料的微调电容器被用作普通可变电容器。然而即使当使用此类体型陶瓷介质时，也存在这样的缺陷元素大小的最小化受限，并且不可能在一个芯片上形成包括所述体型陶器可变电容器的元件。
最近，当采用射频频带和毫米波段的下一代无线移动通信系统飞快发展的时候，对于将可变电容器与其他组件集成在一个芯片上要求的越来越多。对可变电容器的单片集成的研究包括，通过利用具有微米级操作MEMS技术改善铁电特性和调整介质层的间距或者面积。
采用MEMS技术的IC可变电容器与CMOS处理兼容，因此可以通过成批加工实现大规模生产和低成本。此外，与传统IC二极管变容二极管相比，采用MEMS技术的IC可变电容器具有优秀的性能，例如低插入损耗和大的变化范围以及电容方面的线性变化，其功率消耗也很小。
IC可变电容器可以适用于压控振荡器(VCO)、带通滤波器(BPF)、频率拟合电路等等。
射频领域中的传统电压控制振荡器电路主要采用半导体变容二极管，而最近正在研究采用MEMS技术的静电激励型可变电容器。然而，仍然存在下列问题。
图2示出根据传统技术，采用集成在一个硅片上的半导体变容二极管压控振荡器电路的结构。该压控振荡器电路利用了反向偏置p-n结型二极管的电容的电压可变性质。
由于该变容二极管具有大串联电阻和低品质因数，这就存在一个问题即频率增高时，通过所述变容二极管的压控振荡器的信号损失增大。进一步来讲，存在一个缺陷即电容的调谐范围不大于初电容的50％。此外，还存在这样的缺陷即在变容二极管的操作期间不可避免的直流电功率损耗以及由于偏压的施加导致元件的恶化而引起的射频性能下降。
图3示意地示出通过使用传统MEMS技术实现的可变电容器，其中图3a是一个平面图而图3b是一个剖视图。这个由UC Berkeley的Darrin J.Young等人提议的可变电容器是使用铝作为结构材料来制造的。
上述元件是使用典型的与CMOS处理兼容的半导体加工工艺在一个硅片上制造的。具体来讲，作为牺牲层的感光性树脂(在下文被称为PR)层和作为构造层的铝层被沉积、刻划图案并蚀刻，然后通过去掉牺牲层实现一个平板型可变电容器。在该元件中，底电极平板与上电极平板之间的距离可以根据施加到两个平板的电压借助于静电力变化，从而导致电容值变化。
这些值由下列等式表示。
(等式1)C=ϵ0Ax]]>(等式2)Fc=ϵ0AVc22x2]]>这里，C是电容，ε0是真空电容率，A是镀层面积，x是上、下平板之间的距离，Fc是静电力，而Vc是施加到两个平板的电压。弹簧的恢复力由下列等式表示。
(等式3)Fs＝Kx(Δx)这里，Ks是弹簧常数，而Δx是自初始位置的位移。
据报道，上述平行板型可变电容器在大约900MHz时具有小到2至2.5pF的电容值，因此相对地具有对机械噪声不敏感的优秀特性。因此，能够看出由于平行板型可变电容器与上述半导体变容二极管相比具有高品质因数和小相位噪声，因此它在应用于压控振荡器电路时具有性能改善。
然而，由Darrin J.Young等人提议的平行板型可变电容器具有如下若干缺陷。
第一，当借助于静电力驱动时，需要一个支承弹簧提供恢复力。当支承弹簧的刚性太小时，用于克服上电极平板和底电极平板之间的残余静电力即由于表面电荷引起的粘滞作用的充足恢复力没有给出，因此上电极平板可能恢复不到它的原始位置。相反地，当支承弹簧的刚性太大时，需要太大的电压(50V或更多)激励该平行板型可变电容器，因此电源应该更大，以致它很难适用于移动无线通信终端。
第二，由一个动臂机构占据的面积与电容器相比太大，不能精确地调整电极间距。
第三，由于使用静电力的元件特性，上平板的位移不够，因此可能的调谐范围很难超过初电容值的15％。
在1995年，由Goldsmith等公开了对基于采用静电式激励的MEMS技术的开关薄膜的研究。然而，当间隔小于原始值的77％时，该方法有一个问题即上电极镀层和底电极镀层接触。
为了弥补这个问题，美国科罗拉多州州立大学的Hue等人提议了一种动臂机构，包括一个具有由聚硅制成的薄膜和厚膜的复合结构的支架臂。在该动臂机构中，通过使用一个能够根据由不同薄膜厚度的引起的热膨胀差值而正向和反向移动的电热动臂机构调整间隔。然而，存在这样的缺陷即该结构与电容器相比尺寸大，而且其激励调整不容易。
以下的表1和2分别示出压电激励型开关和压电激励型可变电容器以及静电激励型开关和静电激励型可变电容器之间的特性比较。
(表1)

<压电激励型开关与静电激励型开关的比较>
(表2)

<压电激励型可变电容器与静电激励型可变电容器的比较>

发明内容
本发明是鉴于上述问题提出的，本发明的目的之一是提供一个一般标准的MEMS处理(在下文中被称为SMP)，其在处理中与IC元件兼容，并通过该处理将MEMS元素直接地集成到IC元件上。
本发明的另一目的是提供一种新的与IC元件兼容的射频MEMS元件的结构以及一种同样的制造方法，其激励机制采用压电材料。
本发明的另一目的是提供一种压电激励型MSM可变电容器的结构及同样的制造方法，与传统的静电式MSM可变电容器相比具有低激励电压和大的调谐范围。
具体来讲，为了解决上述问题即传统的半导体射频开关在操作期间具有大功率损耗并且没有实现完全的电气绝缘、以及上述问题即采用MSM技术的静电式射频开关要求达10至100V的激励电压从而使得它不能适用于移动无线通信系统，本发明提供一种采用低电压压电激励的射频MSM开关的结构和同样的制造方法。


本发明的上述及其他目的、有益效果和特征将通过结合附图对给定的最佳实施例的说明而变得清楚，其中图1是采用静电力的传统悬臂开关的剖视图；图2是示出根据传统技术的采用半导体变容二极管的压控振荡器电路的结构的电路图；图3是通过使用传统的微电机系统(MEMS)制造技术实现的可变电容器的示意图；图4是示出根据本发明的射频开关的第一实施例的视图；图5a和5b是根据本发明的射频开关的第一实施例沿线A-A′获得的横剖面图；图6a至6h是根据本发明的射频开关的第一实施例的制造处理视图；图7是示出根据本发明的射频开关的二次实施例的视图；图8是示出根据本发明的射频开关的第三实施例的视图；图9是示出根据本发明的射频开关的第四实施例的视图；图10是根据本发明的一可变电容器的平面视图；以及图11是图10中示出的根据本发明的可变电容器沿线B-B′获得的剖视图。
具体实施例方式
根据本发明的所述SMP(标准MSM处理)是一种用于制造MSM单位元件的标准化制造设计技术和包括单位处理的标准化制造处理技术。进一步来讲，所述SMP是一种与IC元件兼容的低温MSM加工技术，并是一种能够允许在IC元件上直接单片集成的制造设计技术和制造处理技术。
根据本发明的SMP设计如下。
SMP1充当结构支撑并能够在制造MSM元件时自己调整应力的膜片的制造工艺和结构设计技术。
SMP2提供制造MSM元件中的机械位移的压电材料和电极材料的制造工艺和结构设计技术。
SMP3用于提供制造MSM元件中自由移动的自由空间(物理隔离(air gap)或者间隔)的牺牲层的制造工艺和结构设计技术。
SMP4用于在制造MSM元件时在构造上隔离的元件之间的电连接的空桥(air bridge)的制造工艺和结构设计技术。
SMP5MSM元件的平面化技术。
SMP6用于所述MSM元件在IC元件上直接单片集成的耐熔金属的制造工艺和结构设计技术现在，详细说明上述六种根据本发明的SMP。
所述SMP1提供一种用于沉淀能够调整表面应力的膜片层的结构，所述表面是使用SMP5中提及的平面化技术平面化的。如图6e中所示该结构可以防止在没有执行平面化处理的不规则表面上沉淀一层面时发生的应力集中，而且还防止由于在不规则表面的阶梯覆盖方面的差异而引起的所述悬臂式结构均匀性恶化。
根据一项测试结果，当包括一多层薄膜的激励部分的初始弯曲被调节为水平(0°)时，自上述支架臂水平连接的悬臂式结构的均匀性可以使得350,000个测试悬臂(单位长度100mm)在70×50mm的面积中可调节到小于0.02°。使用低压化学气相淀积法(LPCVD)沉淀氮化硅(SiNX)形成1000至8000厚的膜片层。在使用上述的方法沉淀的氮化硅中，可以通过气体的数量调节和沉积温度的调节将所述氮化硅层的应力从压缩的(8×109dyn/cm2)调节到拉伸的(3×109dyn/cm2)。作为包括多层薄膜的激励部分提及的悬臂应力被使用上述技术调节。这时，氮化硅的沉淀温度是750至850℃，而氮化硅薄膜的折射率被调节为1.98至2.1。
在SMP2处理中，形成包括铂(Pt)和钽(Ta)或者钛(Ti)的上电极层307和底电极层305，用于改善压电材料的定向结晶(参见图6e)。所述电极材料的沉淀是通过使用阴极溅镀方法执行的，并同时执行200至300℃的退火。具体来讲，在形成底电极时，通过在氧气氛中使用快速温度退火(RTA)方法对用作粘合层的钽或者钛退火，可以改善铂电极和压电层的定向结晶。这在使用压电现象的位移激励应用领域中非常重要。
通过使用诸如PZT(PbZrTiO3)或者PLZT(PbLaZrTiO3)的压电材料形成0.1至1μm厚度的压电层。所述压电层是使用溶胶-凝胶法、阴极溅镀方法或者化学气相淀积(CVD)方法形成的，然后使用快速温度退火(RTA)方法结晶。在压电材料的沉淀中，由于引入了一个核籽晶层(nuclear seed layer)来将铂和压电材料之间的晶格参数的偏差最小化，所述核晶过程被加速以便改善压电材料的特性，并通过快速温度退火获得没有次生相的钙钛结构(perovskite structure)。所述核籽晶层包括PT(PbTiO3)，作为一种与被沉淀的压电层具有类似结晶的材料。在溶胶-凝胶法中，在200至400℃执行了用于除去溶剂的干燥处理，并在700℃或者更少的执行了退火处理，而在阴极溅镀方法或者化学气相淀积工艺中，压电材料沉淀期间的温度被调节为300至400℃的沉积温度，而在700℃或者更少使用快速的温度退火方法执行退火过程。
该处理提供电极材料的一种蚀刻技术，用于形成本发明中的上电极或者底电极。通过一种高密度反应离子蚀刻设备，并使用一种包含作为主蚀刻气体的氯化物气体(Cl2，BCl3)以及此外的惰性气体(Ar或者He)的混合煤气在低压(10mTorr或者更少)执行所述蚀刻。在该处理中，侵蚀速度是900至1500/min，氯化物气体/惰性气体的混合比率是(10至30sccm)/(110至140sccm)，而蚀刻均匀性被调节为3％或者更少。
该处理还提供一种压电材料的蚀刻技术，用于形成本发明中的压电元件。通过一种高密度反应离子蚀刻设备，并使用一种包含作为主蚀刻气体的氟化物气体(SF6，CF4，CHF3)以及此外的惰性气体(Ar或者He)的混合气体或者一种包含作为主蚀刻气体的氯化物气体(Cl2，BCl3)以及此外的惰性气体(Ar or He)的混合气体，在低压(10mTorr或者更少)执行所述蚀刻。当使用的是氟化物气体时，在该处理中的侵蚀速度是2500至3500/min，氟化物气体/惰性气体的混合比率是(20至40sccm)/(3至60sccm)，而蚀刻均匀性被调节为3％或者更少。当使用的是氯化物气体时，在该处理中的侵蚀速度是2200至3200/min，氯化物气体/惰性气体的混合比率是(20至40sccm)/(0至20sccm)，而蚀刻均匀性被调节为3％或者更少。
在所述SMP3处理中，牺牲层是通过使用低压化学气相淀积(LPCVD)方法，通过在形成物理隔离(air gap)的部分上沉淀厚度大约为1.0至3μm的聚硅材料形成的。所述沉淀温度大约为600℃至700℃，而牺牲层氮化硅的调节应力为2×109dyn/cm2或者更少(在硅片上拉伸)。通过除去通过氙二氟化物(XeF2)汽化刻蚀处理像这样形成的牺牲层，在牺牲层的位置处形成物理隔离(air gap)。所述氙二氟化物(XeF2)在室温和常压下是固体。然而，在低压或者高温下，它升华成为气体。通过使用这样的性质，低压下汽化的氙二氟化物与汽化的聚硅反应以形成氙气体和氟化硅气体，结果它们被除去。可以通过使用在蚀刻期间连续地提供汽化的氙二氟化物的刻蚀法或者使用每隔恒定的时间间隔提供汽化的氙二氟化物的刻蚀法执行所述处理。由于在该处理中，二氧化硅薄膜很稳定，几乎不被腐蚀，并且与许多其他材料(例如铝、金、氧化物和氮化物)都不反应，因此这一处理适合于除去硅、钨等等金属成分。
在SMP4处理中，形成了用于电气连接MSM中的构造上隔离的元件的空桥(air bridge)。举例来说，在本发明中，所述空桥(airbridge)使用绝缘性能出色的空气确保与其他相邻层绝缘，并提供了上电极和普通电极的连接。该技术类似于半导体加工工艺中使用的via触点技术。然而，如果其他绝缘材料被用于传统半导体加工工艺，压电材料的绝缘性能和介电常数要比已有的电介质膜的更优异，从而降低了压电材料的物理性能。此外，表面上的弯曲部分引起电介质膜沉淀时的梯阶结构，从而降低了电介质膜的物理性能。当在为via触点蚀刻之后直接地在其上沉淀一层金属薄膜时，需要大量的过蚀刻来除去弯曲部分上的非期望金属。然而，由于由感光性树脂得到的空桥(air bridge)采用空气作为绝缘体，可以完全的绝缘，而由于在已经通过使用感光性树脂暂时完成了表面平面化的状态下沉淀触点金属，因此没有产生梯阶结构。因此，由于平面化，金属蚀刻不要求大量的过蚀刻。
在SMP5处理中，通过在一般平面化处理之前引入另外的处理来将结构的表面面积最小化，于是获得了最佳的平面化(参见图6c)。
通过经由平面化处理之前的光刻法处理和刻蚀过程将如图6c中所示的结构的表面面积最小化，可以如下所述的改善平面化处理中的均匀性。此外，尽管附图中没有示出，在平面化处理中相应元件被放置的间隔之间的区域的排列是非常地重要的。元件被放置的间隔之间的区域，即被称为perri区域的区域具备有与元件被放置的间隔相同形态的虚结构，因此可以改善均匀性。这时，所述虚结构由平面化处理中被平面化的材料组成。
当在平面化处理期间执行化学机械抛光时，初始抛光速率可以通过将被抛光以形成上述结构的材料的横截面积最小化而相对地增加(当没有执行干蚀刻时，大部分牺牲层被留在衬底的整个表面上，因此要求很多时间)。
此外，为了同样的理由，当经由形成旋涂式玻璃(SOG)层或者旋涂式聚合体层的深蚀刻处理将牺牲层的表面平面化时，旋涂式玻璃层和旋涂式聚合体层的厚度以及被深蚀刻的层的厚度被制造的相对的薄，从而减少了深蚀刻的处理时间。
对于两个处理来说该结构改善是存在的，因此可以将用于两个处理的处理时间最小化。当执行两个处理的设备在所述抛光或者深蚀刻处理时具有恒定的均匀性时，所累积的厚度偏差随处理时间和层厚度的增加而增加。举例来说，如果两个处理设备的均匀性是1％，对于厚度3,000和90,0000的平面化时的均匀性总是1％，但是累积的厚度偏差是30和900。抛光或者深蚀刻处理中的均匀性可以被最佳÷大化。
在SMP6处理中，经由阴极溅镀方法或者化学气相淀积(CVD)方法沉淀耐熔金属材料包括钨(W)、钛(Ti)、一氮化钛(TiN)和钛氮氧化合物(TiON)，薄膜沉淀的厚度是3,000至7,000。这些薄膜包括胶粘薄膜、金属薄膜和防扩散膜。由于上述金属薄膜改善了与下层氧化膜或者硅衬底(在制造MOS时)的粘附力，因此所述胶粘薄膜改善了结构稳定性和电气性能。所述防扩散薄膜防止钨膜及其他薄膜之间的硅扩散，并压制了在随后的处理期间在高温时不希望得到的固态反应，因此可以防止电气性能的恶化。所述胶粘薄膜包括钛，其厚度大约为100至700。所述防扩散薄膜包括一氮化钛或者钛氮氧化合物，其厚度大约为300至1000。用于电连接的主要金属包括钨，其厚度大约为2000至6,000。整个薄膜被按照Ti-TiN-W-TiON、Ti-TiN-W-TiN或者Ti-TiON-W-TiON的顺序层叠。
使用这些金属确保了随后的处理中的加热限度，从而使得MSM元件的制造成为可能。此外当制造单一IC芯片时，所述包括耐熔金属材料的薄膜被用作IC元件的一条金属线，因此根据本发明的采用新的MSM处理的元件可以在所述IC元件上直接形成。
所述耐熔金属材料的干蚀刻在低压下(10mtorr或者更少)，通过使用包含作为主蚀刻气体的氟化物气体(SF6，CF4，CHF3)的混合气体和高密度反应离子蚀刻设备执行。通过控制上述的气体和射频电源执行该刻蚀过程，以形成一个具有一平滑坡度表面的金属剖面。此外，在所述刻蚀过程之后执行所述退火处理，以调节金属薄膜和合金的应力。在所述退火处理中，所述处理温度是400至500℃，而氮(N2)和氧(O2)用于调节所述气氛。
本发明的采用上述SMP技术的压电激励型射频MSM开关包括一个在其上形成一个用于电气绝缘的绝缘层的硅衬底，或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；在所述绝缘层上形成的并连接到一个第一外部信号终端的第一信号线，所述第一信号线作为被传输信号的输入终端或者输出终端；连接到一个第二外部信号终端的第二信号线，所述第二信号线作为一个被传输信号的输入终端或者输出终端，所述第二信号线用于经由物理触点与所述第一信号线切换所述信号；至少一个压电激励部分，包括一个膜片，一个压电元件，一个底电极和一个用于激励第二信号线以实现所述切换的上电极；以及一个用于将第二信号线和所述压电激励部分连接至衬底的支撑部分。
此外，根据本发明的压电激励型射频MSM开关的另一实施例包括一个在其上形成用于一个用于电气绝缘的绝缘层的硅衬底，或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；在绝缘层上形成的并包括被传输信号的一个输入终端和一个输出终端的信号线；一触点金属，用于经由与所述输入终端或者所述输出终端的物理触点切换所述信号；至少一个压电激励部分，包括一个膜片，一个压电元件，一个底电极和一个用于激励所述触点金属以实现所述切换的上电极；以及一个用于将所述压电激励部分连接至衬底的支撑部分在根据本发明的所述射频开关中，由于一个作为驱动信号的偏压被施加到所述底电极并且所述上电极与普通电极连接，所以在所述上下电极之间产生电场。在所述上下电极之间层叠的压电元件被该电场变形。因此，所述压电激励部分以一预定角度倾斜，所以所述射频开关以一无触点模式或者一触点模式执行，放置在所述压电激励部分的下端的所述第二信号线或者所述触点金属和所述第一信号线或者输入终端与输出终端紧密接触或者接触。
根据本发明的可变电容器包括一个在其上形成用于一个用于防止通过所述衬底的电损耗的绝缘层的硅衬底，或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；一个形成在所述绝缘层上的底平行电极镀层；一个上平行电极镀层，与所述底平行电极镀层通过一个物理隔离(air gap)保持一恒定间隔，以与之形成一电容器；至少两个连接到所述上平行电极镀层的压电激励部分，用于使得所述上平行电极镀层上下地移动，并调整所述上下平行电极镀层之间的间隔以变化电容；以及一个用于将所述压电激励部分连接至衬底的支撑部分在根据本发明的所述可变电容器中，由于一个作为驱动信号的偏压被施加到所述底电极并且所述上电极与普通电极连接，所以在所述上下电极之间产生电场。在所述上下电极之间层叠的压电元件被该电场变形。因此，所述压电激励部分被倾斜一预定角度，所以放置在所述压电激励部分的下端的所述底平行电极镀层与连接到所述压电激励部分的所述上平行电极镀层之间的物理隔离(air gap)可以被调节以变化所述电容。
现在，将参照附图详细说明根据本发明的射频元件。首先，将说明所述压电激励型射频开关的结构和同样的制造方法，然后详细说明所述可变电容器的结构和同样的制造方法。
图4是根据本发明的所述射频开关的第一实施例的平面视图，而图5a和5b是沿图4中的线A-A′获得的横剖面图。
如图4和图5a及5b中所示，根据本发明的所述射频开关200的第一实施例包括与所述第一外部信号线213电气连接的第一信号线203，与所述第二外部信号线214电气连接、用于电气切换所述第一外部信号线213和第二外部信号线214的第二信号线205，衬底201，以及用于通过一物理触点电气切换所述第一信号线203和第二信号线205的压电激励部分250。
所述压电激励部分250包括膜片206，底电极207，压电元件208和上电极209，并且所述压电激励部分250和所述第二信号线205与所述衬底连接而且借助于所述支撑部分204撑住所述衬底。
所述第一信号线203与所述第一外部信号线通过一通路孔210连接。此外，所述第二外部信号线214包括与所述第二信号线205相同的金属层。
所述压电激励部分250中的上电极209外部通过空桥(airbridge)211连接到所述普通电极线216，而所述底电极207与外部偏压215通过所述空桥(air bridge)212连接以实现一个电子开关。
图5a和5b是示出根据本发明的第一实施例的射频开关200的操作原理的视图。
如附图中所示，根据本发明的所述射频开关200中，放置在所述激励部分250的较低部分上的所述第二信号线205物理上连接到第一信号线203并与之电气连接，同时激励部分250中的应力调节处于牺牲层302被除去的状态。
当一个恒定电压被施加到位于所述压电元件208的上下部分的所述上电极209和所述底电极207以便关掉所述开关时，所述激励部分250向上移动以便平行于所述衬底201，结果以致所述第二信号线205物理上与第一信号线203分离以获得电气开路。
现在，将参照附图详细说明根据本发明的第一实施例所述射频开关的制造方法。
图6a至6h示出根据本发明的射频开关的第一实施例的制造工艺。
图6a是沿图4中的线A-A′获得的剖视图，其中在根据本发明的所述射频开关中形成所述第一信号线203。
如附图中所示，在一硅衬底或在其中提供了包括耐熔金属材料的IC的衬底201上形成了一个绝缘层202。这时，通过使用低压化学气相淀积(LPCVD)方法、干氧化方法、湿氧化方法等等形成了5,000至12,000厚的由氧化物例如低温氧化物(LTO)或者热氧化物制成的所述绝缘层202。所述绝缘层202防止硅衬底在随后的处理期间被损害，并用于将所述硅衬底201与以后说明的所述第一信号线203电气分隔。随后，所述第一信号层(没有示出)在所述绝缘层202上形成，然后被刻划图案以形成所述第一信号线203。该处理采用上述SMP6处理以形成一个具有热稳定性的信号线。如SMP6处理中说明的，使用光刻法对所述信号层刻划图案并对所述信号线干蚀刻来形成所述第一信号线203。所述第一信号线203被制成被传输信号的一个输入终端或者一个输出终端。
图6b是沿图4中线A-A′获得的一剖视图，其中已经沉淀了所述支撑层301以形成以后说明的支撑部分204。
如附图中所示，所述支撑层301是在包括所述第一信号线的绝缘层上形成的。通过使用低压化学气相淀积方法或者常压化学气相淀积(APCVD)方法形成1至2μm厚度的所述支撑层301。作为氧化物，使用了搀入了硼(B)和磷(P)的二氧化硅(BPSG)或者搀入了磷(P)的二氧化硅薄膜(PSG)。上述薄膜在温度350℃至450℃下被沉淀。
这时，折射率是1.42至1.47。所述氧化膜在随后的表面平面化处理中使用的化学机械抛光期间充当抛光阻止层，在通过使用旋涂式玻璃(SOG)或者旋涂式聚合体进行深腐蚀期间充当蚀刻停止层，在用于最后处理时除去牺牲层的氟化氙(XeF2)蒸气刻蚀过程期间充当蚀刻停止或者保护层，并在对层叠的多个层的应力控制期间提供稳定的应力控制。这时，所述氧化膜的应力被调节为2×109dyn/cm2或者更少。
上述氧化膜301被通过光刻法刻划图案，然后通过干蚀刻蚀刻。该处理用于在所述支撑层301a中形成在随后的处理期间形成物理隔离(air gap)215的部分。这时，在300至2,000mtorr的压力下，通过使用包含作为主蚀刻气体的氟化物气体(SF6，CF4，CHF3)和惰性气体的混合气体并使用活性离子刻蚀(RIE)型蚀刻设备执行所述干蚀刻。。执行该刻蚀过程，以致通过在通过光刻法进行图案刻划时将所述感光性树脂调节的平滑倾斜，使得所述氧化膜的分段表面被平滑地倾斜。
随后，在所述绝缘层202上、所述第一信号线203和所述支撑部分(没有示出)上、也就是说在所述衬底201的整个表面上沉淀牺牲层302，这时，所述牺牲层302通过SMP3处理形成。
图6c是沿图4中的线A-A′获得的剖视图，其中在根据本发明的射频开关中，所述牺牲层302已经通过光刻法刻划图案并已经通过干蚀刻蚀刻。该处理加速了SMP5处理中说明的平面化处理。
上述图案刻划和干蚀刻是以与前述处理中说明的那些方式类似的方式执行的。这是在平面化处理没有执行以前的状态。然后，如SMP5处理中说明的执行随后的平面化处理。
图6d示出在用于形成所述第二信号线(没有示出)的所述第二信号层303沉淀之后的剖视图。
所述第二信号层303在平面化的牺牲层302和支撑部分204上沉淀。这时，所述第二信号层303通过在SMP6处理中说明的方法沉淀。
图6e示出在根据本发明的射频开关中，已经通过上述连续淀积方法形成上电极层307之后的剖视图。
具体来讲，在所述第二信号层303上通过SMP2处理中说明的方法形成膜片层304，用于形成压电激励部分(没有示出)的膜片(没有示出)。随后，底电极层305、压电层306和上电极层307通过SMP2中说明的方法被顺序形成。
图6f示出在已经通过光刻法对图6e中的从上电极层307至第二信号层303逐步进行图案刻划和蚀刻以形成从上电极209到第二信号线205之后的剖视图。
具体来讲，图6e中的所述上电极层307、压电层306和底电极层305是通过SMP2中说明的刻蚀法蚀刻的，以形成上电极209、压电元件208、底电极207、偏压线215和普通电极线216。
随后，图6e中的所述膜片层304和所述第二信号层303被顺序地蚀刻以形成膜片206和形成所述第二信号线205，并且形成所述第二外部信号线214。以致，完成了所述压电激励部分。最后，尽管附图中没有示出，所述支撑部分204被图案刻划和蚀刻为矩形，以形成用于暴露所述第一信号线203的一部分的第一通路孔210。
这时，所述膜片206和所述第一通路孔210的形成是在300至2,000mtorr的压力下，使用氟化物气体(SF6，CF4，CHF3)和惰性气体的混合气体作为蚀刻气体并借助于活性离子刻蚀型蚀刻设备执行的。所述第二信号线205是通过SMP6中说明的刻蚀处理形成的。
图6g示出沿图4中的线A-A′获得的剖视图，其中已经形成了空桥(air bridge)211。尽管附图中没有示出，由金属制成的所述第一外部信号线213同时在图4对..中的所述第一通路孔210上形成。
在进一步的说明中，参照图6g和图4，为了在上电极209和普通电极线216之间以及在底电极207和偏压线215之间的电连接，通过SMP4处理形成了具有一个架空桥形态的空桥(air bridge)211、212。
图6h示出在已经通过SMP3处理除去牺牲层之后的剖视图。在附图中，附图标记212指示通过除去牺牲层而形成的物理隔离(airgap)。
图7示出根据本发明的第二实施例的射频开关的一平面视图。
参照图7和图5a，根据本发明的第二实施例的射频开关400包括两个压电激励部分450、450在所述第二信号线405的左右侧。与第一实施例的结构相比，该结构具有对于激励部分的更少信号损失以及由偏压引起的更小干扰噪声。
在图5a中示出的第一实施例的结构中，当一个信号在开启状态通过第一信号线203输入到第二信号线205时，可能在所述薄膜206上的底电极207中产生一个感生电流，而所述感生电流导致信号损失。因此，为了避免所述感生电流，在第二实施例中应该设计为所述激励部分450、450没有与第二信号线405重叠。根据第二实施例的射频开关的结构可以防止对于激励部分的信号损失。
图8和图9示出根据本发明的第三和第四实施例的射频开关500、600，其分别具有对图4和图7中示出的第一和第二实施例的修改结构。
根据所述第三和第四实施例的射频开关的压电激励部分550、650分别包括触点金属506、606，膜片507、607，底电极508、608，压电元件509、609和上电极510、610。借助于由施加的偏压引起的变形，所述压电激励部分550、650的触点金属506、606分别和第一信号线503、603和第二信号线504、604接触，以便执行电气开关功能图7至9中示出的根据本发明的第二、第三和第四实施例的射频开关的制造工艺相当于根据第一实施例的射频开关的制造工艺，因此省略了其说明。
图10.示出根据本发明的可变电容器的一平面视图，而图11示出沿图10中的线B-B′获得的剖视图。
如附图中所示，根据本发明的所述可变电容器700包括一个在其上形成有一个用于防止电损耗的绝缘层702的硅衬底701或者装备有一个包括一耐熔金属材料的IC的衬底，一个由耐熔金属制成的底平行电极镀层703，一个由耐熔金属制成的、并通过一个物理隔离(airgap)715与所述底平行电极镀层垂直地放置的上平行电极镀层705，至少两个用于使得所述上平行电极镀层705上下地移动以变化电容的压电激励部分750；以及一个用于支撑连接到所述上平行电极镀层的压电激励部分750的支撑部分704。
尽管附图中没有示出，在所述支撑部分704中形成了一个将所述底平行电极镀层703连接到所述低终端线的通路孔，并通过将一个在经过在所述支撑部分中形成的所述通路孔制造空桥(air bridge)时形成的金属与所述低终端线连接。
所述压电激励部分750包括一压电元件708，一底电极707和一个用于将电压施加到所述压电元件708的两端的上电极709，以及一个用于支撑它们的膜片706。所述向上平行电极镀层通过一个放置在所述压电激励部分750的较低部分的上终端线714与一个外部上终端线716连接。每一压电激励部分750的上电极709通过每一空桥(airbridge)712与一普通电极极板711连接。
根据本发明的可变电容器700使用所述上平行电极镀层705和所述底平行电极镀层703之间的空气作为介质材料。当一偏压被施加到每一压电激励部分750的底电极707并且一普通电压被施加到所述上电极709时，所述压电元件708被沿垂直于所述电场的方向压缩。因此，四个压电激励部分750被倾斜一预定角度，而结果使得所述上平行电极镀层705被上下地移动，所以其电容随平行电极镀层之间的距离的变化而变化。
在根据本发明的制造所述可变电容器的方法中，首先，在所述硅衬底701上沉淀一种绝缘材料以形成绝缘层702。随后，形成底平行电极镀层703，然后形成支撑部分704。随后，形成用于形成物理隔离(air gap)的牺牲层。上述的每一结构的成形工序都相当于前面提到的射频开关的制造工艺。
接下来，通过射频开关的制造工艺中使用的技术执行平面化处理，底平行电极镀层703、膜片层、底电极层、压电层、上电极层被顺序地沉淀，然后它们被反向地蚀刻以形成上电极709、压电元件708、底电极707和膜片706。这时，所述结构的制造工艺相当于射频开关的那些制造工艺。
最后，通过使用SMP4处理在上电极209和普通电极线之间以及在底终端线和底平行电极镀层之间形成空桥(air bridge)，并通过SMP3处理除去牺牲层。通过这样做，完成了可变电容器700。
根据本发明，可以提供在制造工艺期间与所述IC元件兼容、并可以借之将MSM元件直接地集成在所述IC元件上的一般标准MSM处理(SMP)。
进一步来讲，根据本发明，可以减少元件的尺寸，降低生产的成本，消除诸如机械精密调整等封装时的困难，将涡流产生最小化，并防止由相应功能元件之间的连接引起的元件特性恶化。
根据本发明的所述压电激励型射频开关具有优异的开关特性，例如在几十吉赫时的0.5dB或者更少的低插入损耗，30至40dB的高电气绝缘等等，而且还可以以低电压激励，所以它可以适用于移动无线通信系统。
此外，如上所述，根据本发明的所述压电激励型IC可变电容器，可以确保由压电激励引起的电容方面的线性变化并减少由衬底产生的噪音以确保10或以上的品质因数。此外，由于所述激励部分被放置在与所述电容器相同的面积内，因此面积可以被减少，因此有助于射频频带的移动无线通信系统的微型化。
尽管已经参照附图、与最佳实施例结合对本发明进行了说明，但最佳实施例不是对本发明的限制而仅仅是本发明的示范性的最佳模式。可以被本领域中普通技术人员理解的是可以对其作出各种改变或者改进而不会脱离本发明的精神与范围。因此，本发明仅仅由所附的权利要求书限定，应将所述权利要求书看作覆盖了此类改变或者改进。
权利要求
1.一种采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关，包括一个在其上形成用于一个用于电气绝缘的绝缘层的硅衬底，或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；一个在所述绝缘层上形成的并连接到一个第一外部信号终端的第一信号线，所述第一信号线作为被传输信号的输入终端或者输出终端；一个连接到一个第二外部信号终端的第二信号线，所述第二信号线作为一个被传输信号的输入终端或者输出终端，用于经由与所述的物理触点将一信号与所述第一信号线切换；至少一个压电激励部分，包括一个膜片，一个压电元件，一个底电极和一个用于激励被切换的所述第二信号线的上电极；以及一个用于将所述第二信号线和所述压电激励部分连接至所述衬底的支撑部分。
2.一种采用微电机系统(MEMS)制造技术的可变电容器，包括一个在其上形成用于一个用于防止通过所述衬底的电损耗的绝缘层的硅衬底，或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；一个形成在所述绝缘层上的底平行电极镀层；一个上平行电极镀层，与所述底平行电极镀层通过一个物理隔离(air gap)保持一恒定间隔，以与之形成一电容器；至少两个连接到所述上平行电极镀层的压电激励部分，用于使得所述上平行电极镀层上下地移动，并调整所述上下平行电极镀层之间的间隔以变化电容；以及一个用于将所述压电激励部分连接至所述衬底的支撑部分。
3.一种制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，包括以下步骤准备一个硅衬底或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；在所述衬底上形成一个绝缘层；通过在所述绝缘层上形成一第一信号层、然后对所述第一信号层刻划图案形成一个成为一输入终端或者一输出终端的第一信号线；在包括所述第一信号线的所述绝缘层上形成一支撑层；在所述绝缘层、所述第一信号线和所述支撑层的整个表面上沉淀一牺牲层，；将所述牺牲层平面化；在已经平面化的所述牺牲层和和所述支撑层上形成一第二信号层；在所述第二信号层上顺序地形成一膜片层、一底电极层、一压电层和一上电极层；通过对所述上电极层、所述压电层和所述底电极层刻划图案形成一上电极、一压电元件、一底电极、一偏压线和一普通电极线；通过顺序地蚀刻所述膜片层和所述第二信号层形成一膜片，以完成一压电激励部分，还形成一第二信号线和一第二外部信号线；通过将所述支撑层图案雕刻和蚀刻为矩形形成一第一通路孔，用于暴露所述第一信号线的一部分；形成一个具有一架空桥形状的空桥(air bridge)，用于将所述上电极和所述普通电极彼此电气连接以及将所述底电极和所述偏压线彼此电气连接；以及消除所述牺牲层。
4.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述膜片层是一个使用低压化学气相淀积方法形成的大约为1000至8000的氮化硅层。
5.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述上电极层和所述底电极层是通过使用阴极溅镀方法在200至300℃沉淀铂(Pt)和钽(Ta)或者钛(Ti)形成的。
6.根据权利要求5所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于在所述用于形成所述底电极的步骤中用作一粘胶层的所述钽或者钛是使用快速温度退火(RTA)方法在氧气氛中退火的。
7.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述压电层通过利用PZT(PbZrTiO3)或者PLZT(PbLaZrTiO3)然后使用快速温度退火(RTA)方法结晶形成为厚度0.1至1μm。
8.根据权利要求7所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，在形成所述压电层的步骤中，形成一核籽晶层以使得在铂和压电材料之间的晶格参数偏差最小化。
9.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述牺牲层是通过使用低压化学气相淀积方法在具备所述物理隔离(air gap)的部分沉淀一层厚度为1.0至3μm的多晶硅材料而形成的。
10.根据权利要求9所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，消除所述牺牲层的所述步骤是通过一个氟化氙(XeF2)汽化刻蚀过程执行的。
11.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述空桥(air bridge)是通过在使用一感光耐蚀膜完成了暂时的平面化的状态下沉淀一连接金属而形成的，而没有梯阶结构。
12.根据权利要求3所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述耐熔金属材料包括钨(W)，钛(Ti)，一氮化钛(TiN)和钛氮氧化物(TiON)。
13.根据权利要求12所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述耐熔金属材料是按照Ti-TiN-W-TiON，或者Ti-TiN-W-TiN，或者Ti-TiON-W-TiON的层叠顺序形成的。
14.根据权利要求11或者12所述的制造采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关的方法，其特征在于，所述耐熔金属材料是使用氟化物气体(SF6，CF4，CHF3)作为蚀刻气体、通过一高密度反应离子蚀刻装置在低压蚀刻的。
全文摘要
本发明提供一种采用微电机系统(MEMS)制造技术的压电激励型射频开关，包括一个在其上形成用于一个用于电气绝缘的绝缘层的硅衬底或者一个装备有包括一耐熔金属材料的集成电路(IC)的衬底；一个在所述绝缘层上形成的并连接到一个第一外部信号终端的第一信号线，所述第一信号线作为被传输信号的输入终端或者输出终端；一个连接到一个第二外部信号终端的第二信号线，所述第二信号线作为一个传输信号的输入终端或者输出终端，用于经由物理触点与第一信号线切换所述信号；至少一个压电激励部分，包括一个膜片，一个压电元件，一个底电极和一个用于激励第二信号线以实现切换的上电极；以及一个用于将第二信号线和所述压电激励部分连接至衬底的支撑部分。
文档编号H01H57/00GK1536687SQ03109308
公开日2004年10月13日 申请日期2003年4月4日 优先权日2003年4月4日
发明者朱相佰, 崔泳畯, 李宗远, 朴昌守, 金动均, 全营得, 俞正光, 玉在容, 朴正鎬, 朴燦原 申请人:南诺维兹有限公司