專利名稱：微機(jī)電系統(tǒng)(mems)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，更具體而言，涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造方法和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
變抗器(varactor)是這樣一種器件:其電容隨著施加的電壓而變化。典型地用其耗盡區(qū)隨著施加的電壓而變化的MOS電容器來制造變抗器，導(dǎo)致電容的大約3:1變化。硅變抗器(例如，固態(tài)變抗器)具有差的與硅基底的隔離度，并且其調(diào)制范圍有限。典型地，在需要可調(diào)電容的情況下，采用固態(tài)變抗器。然而，固態(tài)變抗器提供非常有限的調(diào)制范圍，并具有高的電阻性損耗和相對高的功耗。例如，在固態(tài)變抗器二極管中，變抗器的電容由子電路生成的偏置電流來設(shè)定，該子電路消耗相當(dāng)大量的穩(wěn)態(tài)功率。并且，施加到固態(tài)變抗器的信號(hào)電流傾向于影響電容，由此引起某種誤差度量。為了避免這些問題，MEMS變抗器可代替固態(tài)變抗器來使用。然而，已知的MEMS變抗器具有由“吸合(snap down)”效應(yīng)引起的小調(diào)制范圍(〈3:1)的缺點(diǎn)。當(dāng)由一對致動(dòng)電極提供的靜電吸引力超過MEM梁的彈簧恢復(fù)力時(shí)，該效應(yīng)使得變抗器的兩塊板之間的間隙突然閉合。一旦間隔減小超過1/3，則“吸合”現(xiàn)象起作用，MEMS梁的先前自由端與器件的基部接觸。由于吸合效應(yīng)，MEMS變抗器經(jīng)常被用作雙穩(wěn)態(tài)器件，而不是作為在電容全范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的真正的變抗器。因此，本領(lǐng)域中存在克服上述缺陷和限制的需求。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明的第一方面中，一種方法包括在基底上形成至少一個(gè)固定電極。所述方法還包括在所述至少一個(gè)固定電極之上以從微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)梁的頂部觀看的變化的寬度尺寸形成所述MEMS梁。在本發(fā)明的另一方面中，一種形成MEMS變抗器的方法包括通過沉積和構(gòu)圖(pattern)在基底上形成固定電極層。所述方法還包括在所述固定電極之上形成犧牲材料。所述方法還包括在所述犧牲材料之上層疊(layer)金屬和絕緣體材料。所述方法還包括以變化的寬度尺寸來掩蔽(mask)層疊的金屬和絕緣體材料。所述方法還包括蝕刻所述層疊的金屬和絕緣體材料，以形成具有不等(non-uniform)寬度尺寸的梁結(jié)構(gòu)。所述不等寬度尺寸包括所述梁的初始拉入部分(pull-1n section)的縮小區(qū)域(reduced area)部分。所述方法還包括通過開孔工藝(venting process)在所述梁附近形成腔。在本發(fā)明的又一個(gè)方面中，一種結(jié)構(gòu)包括在基底上形成的固定電極。所述結(jié)構(gòu)還包括具有變化的寬度尺寸的組合梁結(jié)構(gòu)，其至少具有恒定尺寸的第一部分和與所述第一部分相比寬度縮小的第二部分，所述第二部分包括所述梁結(jié)構(gòu)的初始拉入部分。所述結(jié)構(gòu)還包括圍繞所述梁結(jié)構(gòu)的腔結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種用于設(shè)計(jì)、制造或測試集成電路的在機(jī)器可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中有形地體現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。所述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在另一實(shí)施例中，在機(jī)器可讀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)上編碼的硬件描述語言(HDL)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括這樣的要素:當(dāng)在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中被處理時(shí)，所述要素生成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的機(jī)器可執(zhí)行表示，該表示包括本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。在又一實(shí)施例中，提供了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于生成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)模型的方法。所述方法包括生成微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)要素的功能表示。更具體而言，在本發(fā)明的實(shí)施例中，提供了一種在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于生成MEMS結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)模型的方法。所述方法包括生成在基底上形成的固定電極的功能表示；生成具有變化的寬度尺寸的組合梁結(jié)構(gòu)的功能表示，所述組合梁結(jié)構(gòu)至少具有恒定尺寸的第一部分和與所述第一部分相比寬度縮小的第二部分，所述第二部分包括所述梁結(jié)構(gòu)的初始拉入部分；以及生成圍繞所述梁結(jié)構(gòu)的腔結(jié)構(gòu)的功能表示。


通過本發(fā)明的示例性實(shí)施例的非限制性實(shí)例，參考給出的多個(gè)附圖，在下面的詳細(xì)說明中描述本發(fā)明。圖1-7示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的結(jié)構(gòu)和各個(gè)處理步驟；圖8a、8b、8c、9a、9b和9c示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的各種形狀的MEMS梁；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的MEMS橋式梁的俯視圖；圖11示出了本發(fā)明的各種MEMS梁設(shè)計(jì)與常規(guī)MEMS梁對比的“吸合”效應(yīng)的比較圖；圖12示出了具有致動(dòng)器凸起(actuator bump)的本發(fā)明的各種MEMS梁設(shè)計(jì)與常規(guī)MEMS梁對比的“吸合”效應(yīng)的比較圖；圖13示出了根據(jù)本發(fā)明的懸臂MEMS梁的受控致動(dòng)；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的橋式MEMS梁的受控致動(dòng)；圖15示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的四電極配置的俯視圖；以及圖16是在半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造和/或測試中使用的設(shè)計(jì)過程的流程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明涉及半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和制造方法，更具體而言，涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造方法和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。更具體而言，在實(shí)施例中，本發(fā)明涉及對施加的電壓具有線性響應(yīng)的可調(diào)MEMS變抗器以及形成該所述MEMS變抗器的各個(gè)處理步驟。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明不限于MEMS變抗器，且本發(fā)明的方法和結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于任何MEMS rf器件或其他器件例如MEM接觸開關(guān)、體聲波諧振器等。有利地，本發(fā)明可被用作這樣的變抗器:其電容隨著施加的電壓而變化。更具體而言，本發(fā)明提供了至少3.5:1的改善的線性調(diào)制范圍，并且在實(shí)施例中可以超過10.5:1的調(diào)制范圍。本發(fā)明的變抗器還呈現(xiàn)出低泄漏電流，并且可以用微安量級(jí)的低電流來激活本發(fā)明的MEMS變抗器，這可與需要納安(nanoamp)量級(jí)電流的固態(tài)變抗器相比。本發(fā)明的MEMS變抗器還呈現(xiàn)出與硅基底的改善的隔離度。本發(fā)明的MEMS變抗器可以是懸臂梁或橋式梁，這取決于該結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
在實(shí)施例中，MEMS變抗器包括錐形(tapered)或縮小的(reduced)梁結(jié)構(gòu)(即，縮小區(qū)域)，這降低了在MEMS梁的拉入期間的初始電容。更具體而言，在懸臂梁結(jié)構(gòu)中，梁的端部可以是錐形的。錐化(tapering)可以是例如逐漸錐化和/或臺(tái)階式錐化，如本文中所討論的。在另外的實(shí)施例中，本發(fā)明考慮橋式梁，其中在初始拉入位置(例如中部)處具有縮小的區(qū)域。在更另外的實(shí)施例中，本發(fā)明考慮使用緩沖器(bumper)來降低MEMS梁拉入期間的初始電容。這些緩沖器例如可以具有恒定或可變的高度，例如，在懸臂梁的端部或在橋式梁的中部較高，并且可以包含絕緣體材料；但本文中還可考慮其他材料。在更另外的實(shí)施例中，本發(fā)明還考慮其中初始電容被降低的其他方案，以及提供在致動(dòng)階段期間改善的拉入控制，例如，以在梁變?yōu)楦拷潭姌O時(shí)控制拉入，如下面所討論的。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的結(jié)構(gòu)和相關(guān)處理步驟。該結(jié)構(gòu)包括例如基底10。在實(shí)施例中，基底10可以是器件的任何層。在實(shí)施例中，基底10是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的氧化物或其他絕緣體材料。本領(lǐng)域技術(shù)人員所應(yīng)知道，基底10可以在SOI晶片或BULK實(shí)施方式中實(shí)現(xiàn)，或者可以是絕緣基底(例如藍(lán)寶石或二氧化硅玻璃)。SOI晶片或BULK實(shí)施方式的構(gòu)成材料可以基于半導(dǎo)體器件的所需的最終用途應(yīng)用來選擇。例如，絕緣層(例如BOX)可以由氧化物(例如SiO2)構(gòu)成。此外，活性半導(dǎo)體層可以包含各種半導(dǎo)體材料，例如S1、SiGe、SiC、SiGeC等。SOI晶片可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的技術(shù)來制造。例如，SOI晶片可以通過常規(guī)工藝來形成，這些常規(guī)工藝包括但不限于氧注入(例如，SIM0X)、晶片接合(bonding)等。在基底10中設(shè)置互連12?；ミB12可以是例如在常規(guī)形成的過孔(via)中形成的鎢或銅柱。例如，互連12可以用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的用于形成柱體的任何常規(guī)光刻、蝕刻和沉積工藝來形成。仍然參考圖1，在基底10上形成布線層，以使用常規(guī)的沉積和構(gòu)圖工藝來形成多條布線14。例如，可以在基底上將布線層沉積到約0.25微米的深度；但本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。之后，布線層被構(gòu)圖以形成布線14。至少一條布線14a與互連12接觸(直接電接觸)。在實(shí)施例中，布線14可以由鋁來形成；但本發(fā)明也可以考慮其他布線材料。例如，布線14可以是難熔金屬，例如等布線材料。在圖2中，在多條布線14和基底10的暴露部分上形成可選的絕緣體材料16。在實(shí)施例中，絕緣體材料16是被沉積到約50nm的氧化物；但本發(fā)明還可以考慮其他尺寸?？梢杂贸Ｒ?guī)的等離子體氣相沉積(PVD)、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)或任何已知的工藝在絕緣體材料16上沉積犧牲材料18。在實(shí)施例中，犧牲材料18被沉積到約2微米(2ym)的高度，并使用常規(guī)的光刻和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)步驟而被構(gòu)圖。作為可選的處理步驟，可以用例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來拋光犧牲材料18，且然后可以將額外的犧牲材料(硅)沉積在經(jīng)拋光的犧牲材料18上。在更具體的實(shí)施例中，犧牲材料18可以是例如硅、鎢、鉭、鍺或者可以隨后使用例如XeF2氣體對絕緣體材料16或布線14 (如果絕緣體材料16不存在)有選擇性地被去除的任何材料。或者，本發(fā)明可以使用任何犧牲材料，例如旋涂的聚合物?？梢允褂迷谂c布線14兼容的溫度(例如，<420°C)下操作的任何常規(guī)的等離子體氣相沉積(PVD)、PECVD、快速熱CVD (RTCVD)或LPCVD來沉積犧牲材料18。在實(shí)施例中，犧牲材料18被沉積到由MEMS間隙要求所確定的約0.1到IOym的高度，并使用常規(guī)的光刻和反應(yīng)離子蝕刻(RIE)步驟而被構(gòu)圖。仍參考圖2，將絕緣體材料(例如氧化物)20沉積在犧牲材料18上。沉積可以是例如常規(guī)的保形(conformal)沉積工藝,例如化學(xué)氣相沉積(CVD),絕緣體材料20被沉積到約
2.3 μ m至約3.3 μ m的深度?？梢杂肅MP工藝來拋光(例如平面化)絕緣體材料20，以獲得犧牲材料18的平面表面。在實(shí)施例中，絕緣體材料20可以經(jīng)歷反向蝕刻(reverse etch)(反向鑲嵌工藝)。更具體而言，抗蝕劑可被沉積在絕緣體材料20上，其可構(gòu)圖以形成開口，該抗蝕劑邊緣與下伏的(underlying)犧牲材料18的邊緣重疊。即，抗蝕劑將稍微掩蔽下伏的犧牲材料18，導(dǎo)致構(gòu)圖的犧牲材料18的反轉(zhuǎn)圖像(reverse image)。絕緣體材料20然后被平面化為例如與下伏的犧牲材料18成平面(例如，平坦或平面表面)。即，在實(shí)施例中，絕緣體材料20可被蝕刻到下伏的犧牲材料18。該平面化工藝還平面化下伏的犧牲材料18。平面化工藝可以是例如CMP工藝。仍參考圖2，在可選的實(shí)施例中，可在犧牲材料18中在布線14之上形成一個(gè)或多個(gè)溝槽22。在實(shí)施例中，溝槽22可以是恒定或變化的深度，用于形成MEMS梁的緩沖器的陣列。在實(shí)施例中，溝槽22可以是溝槽陣列，S卩，用以形成致動(dòng)器凸起，其尺寸和形狀根據(jù)MEM梁的位置，例如，溝槽深度可朝向MEMS懸臂梁的端部而增加，或者溝槽深度可朝向在致動(dòng)期間初始地拉入的梁結(jié)構(gòu)(不管是懸臂梁或橋式梁)的縮小區(qū)域而增加。在實(shí)施例中，溝槽陣列被構(gòu)造為使得當(dāng)在致動(dòng)器電極上存在電壓時(shí)，在MEMS梁和致動(dòng)器電極之間提供預(yù)定量的物理間隔(physical spacing);或者溝槽陣列被定位為使得接地和dc偏置的致動(dòng)器決不會(huì)物理接觸。(由溝槽形成的)緩沖器陣列也可以防止MEMS梁靜摩擦(stiction)。在實(shí)施例中，較深的溝槽可在端部或中部(例如，MEMS梁的初始拉入)處形成，并可以例如被形成為約0.3 μ m深度；但本發(fā)明可以考慮其他尺寸，這取決于設(shè)計(jì)參數(shù)，更具體而言，取決于犧牲材料18的高度。例如，深度范圍可以從約10001到500人。在暴露的表面上，例如，在犧牲材料18、絕緣體材料20上以及溝槽22中執(zhí)行電容器氧化物沉積，以形成襯里(liner)24?？梢允褂贸Ｒ?guī)的光刻和蝕刻工藝在絕緣體材料20中形成通孔26直到下伏的布線14a。如圖3所示，電極28被形成在絕緣體材料24之上，且還被沉積在過孔26中以接觸下伏的布線14a。電極28還可沉積在一個(gè)或多個(gè)溝槽22中(例如，當(dāng)緩沖器由金屬形成時(shí))。在實(shí)施例中，電極28可以是例如AlCu或AlCuSi ;但本發(fā)明還可以考慮其他材料。在實(shí)施例中，例如，電極28可以是TiN、TaN, Ta或W等材料。該電極和其他電極和/或布線28的厚度可依賴于具體設(shè)計(jì)參數(shù)而變化。電極28可在該階段或稍后被構(gòu)圖。在電極28上形成絕緣體材料30。在實(shí)施例中，絕緣體材料30被保形地沉積在電極28之上。在實(shí)施例中，絕緣體材料30是PECVD的TEOS(氧化物)，其被沉積到約2μπι的高度；但本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。仍參考圖3，在絕緣體材料30之上形成上部電極32。在實(shí)施例中，上部電極32可以是例如AlCu ;但本發(fā)明還考慮其他材料。在實(shí)施例中，例如，上部電極32可以是TiN、TaN、Ta或W等材料，且應(yīng)具有平衡器件的整個(gè)體積的厚度，且由此不在MEMS結(jié)構(gòu)的梁上施加過度的應(yīng)力。換句話說，電極32的厚度應(yīng)與電極28的厚度相同或基本上相同。在電極32上沉積絕緣體材料(電容器氧化物)34。在實(shí)施例中，可選的絕緣體材料34被沉積到約80nm的高度，但本發(fā)明還可考慮其他尺寸。在絕緣體材料34上形成抗蝕劑(例如，掩模層)36。在實(shí)施例中，抗蝕劑36被構(gòu)圖以形成一個(gè)或多個(gè)開口 38。通過本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)光刻和蝕刻工藝來形成開口38。在實(shí)施例中，開口 38將與下伏的犧牲材料18有重疊。在圖4中，通過去除部分以下材料而形成梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45:絕緣體材料34、電極32、絕緣體材料30、電極28、絕緣體材料24和絕緣體材料20。更具體而言，使用掩模層36來去除部分層34、32、30、28、24和20。通過這種方式，可以形成梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45，該梁結(jié)構(gòu)包括電極32、絕緣體材料30和電極28 (以及，在實(shí)施例中，絕緣體材料24和30)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45的構(gòu)成材料可依賴于MEMS結(jié)構(gòu)的應(yīng)用而變化。例如，在實(shí)施例中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可以是金屬梁。在其他實(shí)施例中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可以是氧化物和金屬梁(其中氧化物位于梁下面)。在另外的實(shí)施例中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可以是氧化物、金屬、氧化物梁。在這些實(shí)施例的任一個(gè)中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可形成有恒定或變化的高度的絕緣(致動(dòng)器)凸起，所有這些凸起都是用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)光刻、蝕刻和沉積工藝來形成的。在另外的實(shí)施例中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可以用多個(gè)掩?；騿蝹€(gè)掩模來形成。即，在單個(gè)掩模情況下，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45的所有層可以在單次蝕刻工藝中被構(gòu)圖；而在所考慮的實(shí)施例中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可在多個(gè)蝕刻步驟中被構(gòu)圖，這依賴于梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45的特定設(shè)計(jì)。在構(gòu)圖步驟中，梁結(jié)構(gòu)(懸置的電極)45可被形成為錐形或具有很多不同配置的其他縮小的橫截面(寬度)區(qū)域?？梢詾閼冶哿航Y(jié)構(gòu)以及例如圖8a、8b、8c、9a、9b和9c中示出的梁結(jié)構(gòu)設(shè)置這些不同的配置。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明還可考慮其他錐形或縮小區(qū)域的形狀，如參考圖8a、8b、8c、9a、9b和9c所討論的。這些不同形狀例如是在梁結(jié)構(gòu)45的形成期間使用常規(guī)RIE工藝通過掩模形狀而形成的。在圖5中，在暴露的梁結(jié)構(gòu)45的側(cè)壁上形成可選的絕緣體間隔物(spacer)47。如本領(lǐng)域中已知的，可以通過沉積IOOnm的PECVD SiO2氧化物并隨后定向回蝕(etch back)以從平坦表面去除該氧化物而將其保留在垂直表面上，形成絕緣體間隔物47。氧化物間隔物47的目的是保護(hù)金屬層28和32以免在沉積工藝期間與隨后的犧牲層44 (參見圖6)反應(yīng)。注意，可選的間隔物回蝕將蝕刻部分或全部絕緣體層34，因此絕緣體層34的沉積厚度將需要被調(diào)整，以便其最終厚度為目標(biāo)值。在圖6中，在所述結(jié)構(gòu)上沉積犧牲材料44。更具體而言，在絕緣體材料32上和過孔42中沉積諸如本文中已討論的硅或其他材料的犧牲材料44。犧牲材料44可用上面討論的常規(guī)保形工藝(例如PVD或PECVD工藝)來沉積。在實(shí)施例中，犧牲材料44被沉積為與犧牲材料18的暴露部分接觸，并被沉積到約4微米(4 μ m)的高度，并使用常規(guī)的光刻和RIE步驟而被構(gòu)圖。作為可選的處理步驟，可以使用例如化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來拋光犧牲材料44，然后額外的犧牲材料(硅)可被沉積在經(jīng)拋光的犧牲材料44上。在實(shí)施例中，由于Hf酸清洗，在犧牲材料的兩個(gè)層(例如，層18和層44)之間沒有氧化物。還如圖6所示，在對犧牲材料44進(jìn)行構(gòu)圖后，在犧牲材料44 (以及其他暴露的層)上沉積諸如氧化物材料的絕緣體層46。沉積工藝可以是例如常規(guī)的保形沉積工藝，將絕緣體層46沉積到約2.3 μ m至約3.3 μ m的深度。絕緣體層46然后可經(jīng)歷如上討論的CMP工藝和/或反向蝕刻(反向鑲嵌工藝)。在實(shí)施例中，在絕緣體層46中打開通氣孔(vent hole)48，暴露下伏的犧牲材料44的一部分。應(yīng)該理解，可使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的常規(guī)光刻和蝕刻工藝在若干個(gè)位置處形成多于一個(gè)通氣孔48，以暴露部分上部犧牲材料44和下部犧牲材料18或者暴露部分材料18和44兩者。在實(shí)施例中，可以用HF溶液清洗所述結(jié)構(gòu)，特別地,暴露的犧牲材料44。在圖7中，通過通氣孔48，犧牲材料18和44被剝離(strip)或開孔(vent)。在實(shí)施例中,可以通過通氣孔48用XeF2蝕刻劑來執(zhí)行剝離(例如，蝕刻)。該蝕刻將剝離所有犧牲材料(例如硅)，形成上部腔50a、下部腔50b和連接過孔50c?？捎媒殡娀?qū)щ姴牧?2密封通氣孔48。例如，在實(shí)施例中，PECVD工藝可形成約1.0 μ m的層。可以執(zhí)行第二沉積工藝，例如SACVD，以形成約0.7μπι的層。在另外的實(shí)施例中，在介電材料52上沉積氮化物帽54。在實(shí)施例中，氮化物帽54可以為約0.5 μ m。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可以使用本發(fā)明的方法來制造多于一個(gè)MEMS梁45。例如，在實(shí)施例中，可以使用本發(fā)明的方法在分開的腔中制造兩個(gè)或多個(gè)MEMS梁。特別地，可以使用本發(fā)明的方法將兩個(gè)MEMS梁形成為一個(gè)在另一個(gè)的頂上(其腔通過絕緣體材料而被分隔)。S卩，MEMS梁可以被制造在材料52和54的沉積之前最后的絕緣體材料46之上。在實(shí)施例中，可以用上述犧牲材料來形成額外的MEMS梁，其中通氣孔被用來去除所有MEMS梁的所有犧牲材料。然而，在實(shí)施例中，可以使用本文中描述的制造步驟在分開的蝕刻工藝中去除每個(gè)MEMS梁的犧牲材料。圖7還示出了在一個(gè)或多個(gè)固定致動(dòng)器14上方延伸的可選的緩沖器56。在實(shí)施例中，可選的緩沖器56可以從固定致動(dòng)器14之間延伸?？蛇x的緩沖器56可以是例如使用常規(guī)沉積和蝕刻工藝而形成的氧化物緩沖器。例如，可以通過氧化物或其他絕緣體材料的任何常規(guī)沉積(例如CVD)以及之后的常規(guī)的蝕刻或構(gòu)圖工藝來形成所述緩沖器。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，可選的緩沖器56可以以相同高度或變化的高度而形成，類似于關(guān)于致動(dòng)器凸起的討論。并且，這些可選的緩沖器可以與致動(dòng)器凸起組合使用，或者不用致動(dòng)器凸起。此外，可選的緩沖器56可以與懸臂梁或橋式梁結(jié)構(gòu)一起使用。圖8a、8b、8c、9a、9b和9c示出了根據(jù)本發(fā)明的方面的各種形狀的MEMS梁結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)理解，圖8a、8b、8c、9a、9b和9c可以是懸臂梁結(jié)構(gòu)的俯視圖或橋式梁結(jié)構(gòu)的部分俯視圖的表示。例如，在懸臂梁結(jié)構(gòu)中，縮小區(qū)域部分被懸置；然而，在橋式梁結(jié)構(gòu)中，縮小區(qū)域部分將是梁的中部的表示，剩余的梁是已示出的結(jié)構(gòu)的鏡像(參見圖10作為一個(gè)例子)。在這些實(shí)施例中的每一個(gè)中，MEMS梁45具有約220 μ m的長度“X”;但本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。此外，每個(gè)MEMS梁45包括等寬度區(qū)域(例如非縮小區(qū)域)100。在實(shí)施例中，等寬度區(qū)域100的寬度“Y”可以是例如40 μ m ;但本發(fā)明還可以考慮其他寬度尺寸。例如，在橋式梁配置的相反端上，等寬度區(qū)域100可以是例如20 μ m。此外，每個(gè)MEMS梁45具有縮小的橫截面區(qū)域，如下所述。在圖8a中，MEMS梁45具有等寬度區(qū)域(例如，非縮小區(qū)域)100，其過渡到錐形端100a(或橋式梁配置的中部)。在實(shí)施例中，錐形端IOOa為縮小區(qū)域部分，其包括不等寬度，其沿著MEMS梁45的長度部分開始其錐形。在實(shí)施例中，錐形具有從小于非縮小區(qū)域100的寬度到例如約1μπι-50μπι的寬度的范圍內(nèi)的寬度。當(dāng)然，本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。在圖8b中，MEMS梁45具有等寬度區(qū)域(例如，非縮小區(qū)域)100，其過渡到(具有恒定寬度的)縮窄端100a’。在實(shí)施例中，在縮窄端100a’與等寬度區(qū)域(例如非縮小區(qū)域)100之間設(shè)置臺(tái)階(step)或肩(shoulder) 100b。臺(tái)階或肩IOOb可以在沿著MEMS梁45的長度的任何距離處開始。在實(shí)施例中，縮窄端(即，縮小區(qū)域100a’)可具有小于非縮小區(qū)域100的寬度的任何寬度，例如I μ m到50 μ m，且可以具有約300 μ m的長度。當(dāng)然，本發(fā)明也可以考慮其他尺寸。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在橋式梁配置中，縮窄端100a’將是MEMS橋式梁結(jié)構(gòu)的中部。圖8c示出了 MEMS梁45，其包括縮小區(qū)域部分，該縮小區(qū)域部分既包含錐形部分也包含等寬度的窄端部分。更具體而言，在圖8c中，MEMS梁45具有等寬度區(qū)域(例如，非縮小區(qū)域)100，其過渡到錐形部分100a”。該錐形部分100a’ ’可沿著MEM梁45的長度部分開始其錐形，且更優(yōu)選地，在(從窄端部分開始的)約300 μ m處開始其錐形。在實(shí)施例中，錐形部分100a’’可具有從小于等寬度區(qū)域(例如，非縮小區(qū)域)100的寬度到例如約1μπι-50μπι的范圍內(nèi)的寬度。當(dāng)然，本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。仍然參考圖Sc，錐形部分100a’’過渡到(恒定寬度的)縮窄端100a’”?？s窄端100a’”可具有等寬度(橫截面)，其可以是小于等寬度區(qū)域(例如，非縮小區(qū)域)100的寬度的任何寬度，例如，從Iym到50μπι。另外，縮窄端100a’”可具有約300 μ m的長度。當(dāng)然，本發(fā)明也可以考慮其他尺寸。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，在橋式梁配置中，錐形部分100a’’和縮窄端100a’”將是MEMS橋式梁結(jié)構(gòu)的中部(例如參見圖10)。圖9a、9b和9c的MEMS梁45分別具有與圖8a、8b和8c的MEMS梁45相同的形狀；然而，在這些實(shí)施例中，緩沖器22a的陣列從MEMS梁45的表面延伸。在實(shí)施例中，緩沖器22a的陣列可具有恒定或變化的高度，這取決于緩沖器22a在MEMS梁45上的位置和/或錐形部分100a”的最窄部分。例如，如上所討論的，在致動(dòng)期間，緩沖器22a可以朝向MEMS梁的初始拉入?yún)^(qū)域具有 較大的高度。例如，在懸臂梁配置中，緩沖器22a可以在梁端部具有較大的高度；而在橋式梁配置中，緩沖器22a可以在梁的中部附近具有較大的高度。在實(shí)施例中，緩沖器22a的高度可以是恒定的或可以具有從約5000 A到50人范圍內(nèi)的各種高度，這取決于MEMS梁45與固定電極(布線14)之間的初始間隔，S卩，由犧牲材料18形成的間隙。當(dāng)然，本發(fā)明還可以考慮其他尺寸。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，緩沖器22a可以在梁端部具有1000人的高度。在實(shí)施例中，緩沖器22a是在初始地示于圖2中的溝槽
(22)中形成的氧化物緩沖器；但本發(fā)明還可以考慮其他絕緣體材料，這取決于所需的電容。例如，緩沖器22a可以是將增大器件電容值的高k電介質(zhì)，例如Η 2。圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的MEMS橋式梁的俯視圖。更具體而言，圖10是例如圖8c的MEMS梁的表示。如該表示中所示，在梁的中部設(shè)置縮小區(qū)域，例如寬度區(qū)域100a’”，錐形部分100a’ ’從其相反兩側(cè)延伸。由此,本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)更清楚地理解，圖8a、8b和Sc中示出的配置中的每一個(gè)可被設(shè)置作為橋式梁(具有或不具有致動(dòng)緩沖器)。圖11示出了本發(fā)明的各種MEMS梁設(shè)計(jì)與常規(guī)的非縮小區(qū)域MEMS梁對比的“吸合”效應(yīng)的比較圖。在圖11中，X軸是電壓，且“y”軸是電容(以PF為單位來測量)。如該圖所示，線“A”表示常規(guī)的非縮小區(qū)域MEMS梁；而線“B”- “E”表示本發(fā)明的MEMS梁，例如，具有縮小區(qū)域的MEMS梁。例如，
-線“B”表示具有在梁(例如圖8a的MEMS梁設(shè)計(jì))的長度的約1/8處開始的錐形端的MEMS梁；-線“C”表示具有是梁(例如圖8b的MEMS梁設(shè)計(jì))的長度的約1/2的縮小區(qū)域的MEMS 梁；-線“D”表示具有在梁的長度的約1/2處開始的錐形端且還具有從梁(例如圖Sc的MEMS梁設(shè)計(jì))的端部起1/8處的另一縮小區(qū)域的MEMS梁；以及-線“E”表示具有是梁(例如圖8a的MEMS梁設(shè)計(jì))的長度的約1/2的錐形端的MEMS 梁。如圖11中的曲線圖所示，常規(guī)的MEMS梁在施加電壓時(shí)不具有線性拉入。相反地，常規(guī)MEMS梁忍受在約20V處的吸合效應(yīng)。與線“B”到“E”中所表示的MEMS梁相比，由于增加的總表面積，常規(guī)MEMS梁還具有最高的電容。相比之下，線“B”- “E”所表示的本發(fā)明的MEMS梁顯示出在約20V處開始的對電壓的線性響應(yīng)。該線性響應(yīng)歸因于MEMS梁的縮小區(qū)域部分，如上所述。 表I示出了(具有均勻橫截面(無縮小區(qū)域)的)常規(guī)MEMS梁以及本發(fā)明的MEMS梁配置的致動(dòng)調(diào)制范圍(actuated tuning range)。調(diào)制范圍例如可被定義為在高電壓(例如50V)下、MEMS梁與下部電極的初始接觸與完全接觸的相對比率。從表I可以看出，常規(guī)MEMS梁的致動(dòng)調(diào)制范圍為2.0。這遠(yuǎn)低于用固態(tài)結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)的優(yōu)選的調(diào)制范圍3:1。相比之下，本發(fā)明的MEMS梁的每個(gè)致動(dòng)調(diào)制范圍都高于常規(guī)MEMS梁。事實(shí)上，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)高達(dá)6:1的調(diào)制范圍。該調(diào)制范圍大于常規(guī)固態(tài)變抗器的調(diào)制范圍的兩倍，且是常規(guī)MEMS梁的調(diào)制范圍的三倍。表I
權(quán)利要求
1.一種方法，包括: 在基底上形成至少一個(gè)固定電極；以及 在所述至少一個(gè)固定電極之上以從微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)梁的頂部觀看的變化的寬度尺寸形成所述MEMS梁。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述變化的寬度尺寸包括: 形成具有恒定寬度的第一部分和具有縮小區(qū)域的第二部分。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第二部分形成在所述MEMS梁的初始拉入部分處。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述MEMS梁的所述初始拉入部分被形成為下列中的一者: 懸臂MEMS梁的錐形端部；以及 橋式MEMS梁的錐形中段部分。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，還包括形成從所述MEMS梁的表面朝向所述至少一個(gè)固定電極延伸的致動(dòng)器凸起 。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述致動(dòng)器凸起具有變化的高度，其中位于所述MEMS梁的所述初始拉入部分處的致動(dòng)器凸起的高度大于位于所述MEMS梁的另一部分處的致動(dòng)器凸起的高度。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，還包括在基底中以及兩個(gè)所述固定電極之間形成至少一個(gè)溝槽，所述至少一個(gè)溝槽與遠(yuǎn)離所述MEMS梁的所述初始拉入部分的至少一個(gè)所述致動(dòng)器凸起對準(zhǔn)。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述初始拉入部分被形成為具有比所述第一部分的所述恒定寬度小的恒定寬度。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述MEMS梁的所述初始拉入部分被形成為下列中的一者: 懸臂MEMS梁的端部；以及 橋式MEMS梁的中段部分。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成從所述MEMS梁的表面朝向所述至少一個(gè)固定致動(dòng)器延伸的致動(dòng)器凸起。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述致動(dòng)器凸起具有變化的高度，其中位于所述MEMS梁的所述初始拉入部分處的致動(dòng)器凸起的高度大于位于所述MEMS梁的另一部分處的致動(dòng)器凸起的高度。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，還包括在基底中以及兩個(gè)所述固定電極之間形成至少一個(gè)溝槽，所述至少一個(gè)溝槽與遠(yuǎn)離所述MEMS梁的所述初始拉入部分的至少一個(gè)所述致動(dòng)器凸起對準(zhǔn)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，形成所述變化的寬度尺寸包括: 形成具有恒定寬度尺寸的第一部分； 形成具有錐形寬度尺寸的第二部分；以及 形成具有比所述第一部分的所述恒定寬度尺寸小的恒定寬度尺寸的第三部分， 其中，所述第三部分被形成在所述MEMS梁的所述初始拉入部分處。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所述MEMS梁的所述初始拉入部分被形成為下列中的一者: 懸臂MEMS梁的端部；以及 橋式MEMS梁的中段部分。
15.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括形成從所述MEMS梁的表面朝向所述至少一個(gè)固定致動(dòng)器延伸的致動(dòng)器凸起，其中，所述致動(dòng)器凸起具有變化的高度，其中位于所述MEMS梁的所述初始拉入部分處的致動(dòng)器凸起的高度大于位于所述MEMS梁的另一部分處的致動(dòng)器凸起的高度。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，還包括在基底中以及兩個(gè)所述固定電極之間形成至少一個(gè)溝槽，所述至少一個(gè)溝槽與遠(yuǎn)離所述MEMS梁的所述初始拉入部分的至少一個(gè)所述致動(dòng)器凸起對準(zhǔn)。
17.一種形成MEMS變抗器的方法，包括: 通過沉積和構(gòu)圖在基底上形成固定電極層； 在所述固定電極之上形成犧牲材料； 在所述犧牲材料之上層疊金屬和絕緣體材料； 以變化的寬度尺寸來掩蔽層疊的金屬和絕緣體材料； 蝕刻所述層疊的金屬和絕緣體材料，以形成具有不等寬度尺寸的梁結(jié)構(gòu)，所述不等寬度尺寸包括所述梁的初始拉入部分的縮小區(qū)域部分；以及通過開孔工藝在所述梁附近形成腔。
18.如權(quán)利要求17所述的方`法，還包括形成多個(gè)致動(dòng)器凸起，所述多個(gè)致動(dòng)器凸起包含絕緣體材料、從所述梁的表面朝向所述固定電極層延伸、且具有變化的高度。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在兩個(gè)所述固定電極之間形成至少一個(gè)溝槽，所述至少一個(gè)溝槽與所述多個(gè)致動(dòng)器凸起中的至少一個(gè)對準(zhǔn)。
20.如權(quán)利要求17所述的方法，還包括形成多個(gè)緩沖器，所述多個(gè)緩沖器包含絕緣體材料、從所述固定電極層的表平面朝向所述梁延伸。
21.—種結(jié)構(gòu),包括: 在基底上形成的固定電極； 具有變化的寬度尺寸的組合梁結(jié)構(gòu)，其至少具有恒定尺寸的第一部分和與所述第一部分相比寬度縮小的第二部分，所述第二部分包括所述梁結(jié)構(gòu)的初始拉入部分；以及圍繞所述梁結(jié)構(gòu)的腔結(jié)構(gòu)。
22.—種在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中用于生成MEMS結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)模型的方法，所述方法包括: 生成在基底上形成的固定電極的功能表示； 生成具有變化的寬度尺寸的組合梁結(jié)構(gòu)的功能表示，所述組合梁結(jié)構(gòu)至少具有恒定尺寸的第一部分和與所述第一部分相比寬度縮小的第二部分，所述第二部分包括所述梁結(jié)構(gòu)的初始拉入部分；以及 生成圍繞所述梁結(jié)構(gòu)的腔結(jié)構(gòu)的功能表示。
全文摘要
本發(fā)明公開了微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)結(jié)構(gòu)、制造方法和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。所述方法包括在基底上形成至少一個(gè)固定電極。所述方法還包括在所述至少一個(gè)固定電極之上以從微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)梁的頂部觀看的變化的寬度尺寸形成所述MEMS梁。
文檔編號(hào)B81C1/00GK103183309SQ20131000139
公開日2013年7月3日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月3日
發(fā)明者C·V·亞恩斯, A·K·斯塔珀 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司