ZIEGLER, Volker (Prof.-Messerschmitt-Str. 4, Neubiberg, 85579, DE)
SCHMID, Ulrich (Albertstr. 16, Saarbrücken/Dudweiler, 66125, DE)
EADS DEUTSCHLAND GMBH (Patentabteilung LG-SP2, Forschung, München, 81633, DE)
WÜRTZ, Alida (Affalterbacher Strasse 11, Marbach a. N., 71672, DE)
ZIEGLER, Volker (Prof.-Messerschmitt-Str. 4, Neubiberg, 85579, DE)
SCHMID, Ulrich (Albertstr. 16, Saarbrücken/Dudweiler, 66125, DE)
Patentansprüche
1. Integrierte Anordnung mit einem Schaltkreis und einem MEMS- Schaltelement (500)
- bei der der Schaltkreis eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen (400) aufweist, die über metallische Leitbahnen (101...104, 201...204, 301...304) in mehreren übereinander angeordneten Metallisierungsebenen (100, 200, 300) miteinander zur Ausbildung des Schaltkreises verbunden sind,
- bei der die Metallisierungsebenen (100, 200, 300) zwischen dem MEMS-Schaltelement (500) und den Halbleiterbauelementen (400) ausgebildet sind, so dass das MEMS-Schaltelement (500) oberhalb der obersten Metallisierungsebene (300) ausgebildet ist,
- bei der das MEMS-Schaltelement (500) beweglich ausgebildet ist,
- das MEMS-Schaltelement (500) positioniert zu einem Dielektrikum (26) ausgebildet ist, so dass das bewegliche MEMS-Schaltelement (500) und das Dielektrikum (26) eine veränderbare Impedanz (für ein
Hochfrequenzsignal) bilden, und
- bei der in der obersten Metallisierungsebene (300) eine zum MEMS- Schaltelement (500) positionierte Antriebselektrode (303) zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft zur Bewegung des MEMS- Schaltelements (500) ausgebildet ist.
2. Integrierte Anordnung nach Anspruch 1 ,
- bei der zu dem MEMS-Schaltelement (500) positioniert eine Elektrode (302) durch eine Leitbahn der obersten Metallisierungsebene (300) gebildet ist, - bei der zwischen der Elektrode (302) und dem MEMS-Schaltelement (500) das Dielektrikum (26) ausgebildet ist, so dass das bewegliche MEMS-Schaltelement (500), das Dielektrikum (26) und die Elektrode (302) die veränderbare Impedanz bilden.
3. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das MEMS-Schaltelement (500) ein Metall aufweist, wobei das Metall des MEMS-Schaltelements (500) einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Metall der Metallisierungsebenen (100, 200, 300) aufweist.
4. Integrierte Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der das MEMS-Schaltelement (500) ein Metall aufweist, wobei das Metall des MEMS-Schaltelements (500) einen höheren Schmelzpunkt als das Metall der Metallisierungsebenen (100, 200, 300) aufweist.
5. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das MEMS-Schaltelement (500) eine Mehrzahl von Metallen aufweist, wobei die Metalle unterschiedlich sind, und wobei die Metalle aneinander haften und/oder eine Legierung bilden.
6. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schaltkreis zur Verarbeitung eines Hochfrequenzsignals ausgebildet und mit dem MEMS-Schaltelement (500) verbunden ist.
7. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das MEMS-Schaltelement (500) zum Schalten oder Beeinflussen des Hochfrequenzsignals ausgebildet ist.
8. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die eine Koplanar-Leitung aufweist, wobei das MEMS-Schaltelement (500) als Bestandteil der Koplanar-Leitung ausgebildet ist.
9. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Antriebselektrode (303) mit dem Schaltkreis verbunden ist, und wobei der Schaltkreis zur Steuerung der elektrostatischen Kraft ausgebildet ist.
10. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der eine Bewegungsrichtung (d) des beweglichen MEMS-Schaltelements (500) außerhalb der Ebene der Chipoberfläche, insbesondere senkrecht zur Ebene der Chipoberfläche ausgebildet ist.
11. Integrierte Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das bewegliche MEMS-Schaltelement (500) eine intrinsische mechanische Spannung aufweist, wobei die intrinsische mechanische Spannung eine Bewegung des beweglichen MEMS-Schaltelements (500) durch dessen Verformung in eine Schaltposition bewirkt.
12. Verwendung einer integrierten Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Hochfrequenzanwendung, insbesondere in der Kommunikationstechnik oder der Radartechnik.
13. Verfahren zur Herstellung einer integrierten Anordnung,
- bei dem eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen (400) in einem Halbleiterbereich (1 ) ausgebildet wird, - bei dem die Halbleiterbauelemente (400) durch Leitbahnen (101...104,
201...204, 301...304) verbunden werden, wobei hierzu die Leitbahnen (101...104, 201...204, 301...304) in mehreren übereinander angeordneten Metallisierungsebenen (100, 200, 300) oberhalb der Halbleiterbauelemente strukturiert werden, - bei dem oberhalb der Metallisierungsebenen (100, 200, 300) ein
MEMS-Schaltelement (500) ausgebildet wird, indem auf den Leitbahnen (301...304) ein Dielektrikum (26) und eine Opferschicht (511 ) aufgebracht werden, oberhalb des Dielektrikums (26) und der Opferschicht (511 ) Metall für das MEMS-Schaltelement (500) aufgebracht und strukturiert wird, und die Opferschicht (511 ) entfernt wird, wobei
- in der obersten Metallisierungsebene (300) eine Leitbahn als
Antriebselektrode (303) und/oder eine Leitbahn als Elektrode (302) strukturiert wird, wobei die Elektrode (302) zusammen mit dem
Dielektrikum (26) und dem MEMS-Schaltelement (500) eine veränderbare Impedanz ausbildet. |
Integrierte Anordnung und Verfahren zur Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine integrierte Anordnung und ein Verfahren zur Herstellung.
Aus „Laminated High-Aspect-Ratio Microstructures in a conventional CMOS Process", u.a. G. K. Fedder in IEEE Micro Electro Mechanical Systems, S. 13, Workshop (San Diego, CA) 11-15. Feb. 1996, ist ein Verfahren zur Herstellung einer Mikrostruktur (MEMS - Micro-Electro-Mechanical System) bekannt. Dabei werden Mikrostrukturen zusammen mit CMOS-Strukturen eines Standard-CMOS-Prozesses integriert. Die Mikrostruktur wird innerhalb des CMOS-Prozesses durch eine Kombination von Aluminiumschichten, Siliziumdioxidschichten und Siliziumnitridschichten hergestellt. Das Siliziumsubstrat, das als Opfermaterial dient, wird im Bereich der Mikrostruktur zunächst anisotrop und nachfolgend isotrop geätzt, so dass die Mikrostruktur unterätzt wird. Die Metallschichten und die Dielektrikumschichten, die für die CMOS-Strukturen normalerweise zur elektrischen Verbindung genutzt werden, dienen als Maskierungen zur Strukturierung der Mikrostruktur. Ein ähnliches Herstellungsverfahren mit der isotropen ätzung eines Siliziumsubstrats ist in der US 5,717,631 offenbart.
Eine Verbesserung dieser zu einem CMOS-Prozess kompatiblen Herstellung einer Mikrostruktur wird in „Post-CMOS Processing for High-Aspect-Ratio
Integrated Silicon Microstructures", H. Xie u.a. IEEE/ASME Journal of
Microelectromechanical Systems, Vol. 11 , Issue 2, pp. 93-101 , April 2002 offenbart, wobei das Siliziumsubstrat von der Rückseite des Wafers durch eine anisotrope ätzung lokal gedünnt wird. Nachfolgend wird die Mikrostruktur durch anisotrope ätzung von der Vorderseite des Wafers freigelegt.
Aus der US 2002/0127822 A1 und der US 6,528,887 B2 sind Mikrostrukturen auf einem SOI-Substrat (engl. Silicon On Insulator) bekannt. Die zuvor vergrabene Isolatorschicht der SOI-Struktur dient als Opferschicht und wird zur Freilegung der Mikrostruktur durch ätzung entfernt. Weiterhin sind Maßnahmen vorgesehen, die ein unerwünschtes Anhaften der Mikrostruktur an der Oberfläche des Substrates verhindern sollen. Auch in der DE 100 17 422 A1 dient eine vergrabene Oxidschicht als Opferoxid, das zur Freilegung der Mikrostruktur aus polykristallinern Silizium geätzt wird. Die Mikrostruktur aus polykristallinem Silizium wird durch im polykristallinen Silizium geätzte Gräben strukturiert.
In der US 5,072,288 wird die Ausbildung einer dreidimensionalen Pinzette beschrieben, die in drei Dimensionen beweglich ist. Die 200 μm langen Pinzettenarme sind aus Wolfram ausgebildet und werden durch elektrostatische Felder bewegt.
In der US 6,667,245 wird ein MEMS-Schalter aus Wolfram ausgebildet. Zwei Vias weisen Kontaktbereiche auf, die sich im geschlossenen Schalterzustand berühren. Zur Freilegung der Kontaktflächen wird eine metallische Opferschicht zwischen den Vias entfernt.
Mikromechanische RF-MEMS-Schalter sind beispielsweise in „Simplified RF- MEMS Switches Using Implanted Conductors and Thermal Oxid", Siegel u.a., Proceedings of the 36th European Microwave Conference Sept. 2006, Konferenzband S. 1735-1739, und in "Low-complexity RF-MEMS technology for microwave phase shifting applications", Siegel u.a., German Microwave Conference, Ulm, Germany, April 2005, Konferenzband S. 13-16 angegeben. Mit dieser Technologie können alle Komponenten in einem Sende-Empfangsmodul, wie RF-Phasenschieber, RF-Filter und RF-MEMS- Schalter auf ein und demselben Siliziumsubstrat ausgebildet werden.
In der DE 10 2004 010 150 A1 ist ein Hochfrequenz-MEMS-Schalter dargestellt. Bei der Herstellung des MEMS-Schalters werden zunächst elektrisch leitende Schichten als Signalleitung und Elektrodenanordnung auf einem Substrat aus einem Halbleitermaterial ausgebildet und anschließend wird das Schaltelement freitragend auf der Substratoberfläche befestigt. Zur Erzeugung einer Biegung und der Rückstellkraft im Biegebereich des Schaltelements wird seine Oberfläche mittels Laserheizen angeschmolzen, um die notwendige mechanische Zugspannung im elastischen Biegebereich zu schaffen. Es kann aber auch bimorphes Material verwendet werden, um die Krümmung hervorzurufen. Anstelle einer Bodenelektrode kann zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft auch ein hochohmiges Substrat verwendet werden, wobei dieses auf seiner Rückseite mit einer Metallisierung versehen ist. Andere Ausführungsformen von Hochfrequenz- MEMS-Schaltern sind beispielsweise in der DE 10 2004 062 992 A1 dargestellt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung mit einem Schaltkreis und einem MEMS-Schaltelement anzugeben, welche eine Integrationsdichte möglichst erhöht.
Diese Aufgabe wird durch die Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Demzufolge ist eine integrierte Anordnung mit einem Schaltkreis und einem MEMS-Schaltelement (MEMS - Micro- Electro- JVtechanical System) vorgesehen. Der Schaltkreis weist eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen auf, die in einem Halbleiterbereich ausgebildet sind. Die Bauelemente werden vorzugsweise in einem Standard-Prozess zur Herstellung von MOSFETs und/oder Bipolartransistoren ausgebildet. Die Halbleiterbauelemente sind über metallische Leitbahnen in mehreren übereinander angeordneten Metallisierungsebenen miteinander zur
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Ausbildung des Schaltkreises verbunden. Die metallischen Leitbahnen sind beispielsweise aus Aluminium. Leitbahnen verschiedener Metallisierungsebenen werden untereinander durch Vias elektrisch verbunden. Vorteilhafterweise sind außerdem mehrere Bauelemente zu einem Ansteuer- Schaltkreis zum Ansteuern des MEMS-Schaltelements verschaltet.
Die Metallisierungsebenen sind zwischen dem MEMS-Schaltelement und den Halbleiterbauelementen ausgebildet, so dass damit das MEMS- Schaltelement oberhalb der obersten Metallisierungsebene ausgebildet ist.
Das MEMS-Schaltelement ist beweglich ausgebildet. Beispielsweise kann ein beweglicher Bereich des MEMS-Schaltelements als eine freitragende Mikrostruktur die Form eines Kragarmes aufweisen, der nur ein Auflager hat. Eine deratige Form eines Kragarmes kann auch als Kantilever bezeichnet werden. Dieser wird bei einer Bewegung auf Schub, Torsion oder insbesondere Biegung beansprucht. Das Auflager ist hierzu beispielsweise eine Einspannung in dielektrische Schichten, in der alle sechs Freiheitsgrade fixiert sind. Für eine entsprechende Bewegung ist die bewegliche freitragende Mikrostruktur vorzugsweise zumindest abschnittsweise elastisch ausgebildet. Freitragend ist die Ausführung der Mikrostruktur daher dann, wenn diese zumindest bereichsweise nicht an anderes festes Material der Anordnung angrenzt. Vorzugsweise ist die freitragende Mikrostruktur in Material der Anordnung zumindest einseitig fest eingespannt. Alternativ oder in Kombination können auch andere Lagerungen (Festlager/Loslager) vorgesehen sein. Alternativ zu einem Kantilever kann das MEMS- Schaltelement auch als Balken, Brücke oder Membran strukturiert sein. Oberhalb des MEMS-Schaltelements wird ein Freiraurn für die Bewegung des MEMS-Schaltelements benötigt.
Das bewegliche MEMS-Schaltelement eine zum MEMS-Schaltelement angeordnete Elektrode und ein zwischen dem MEMS-Schaltelement und der Elektrode wirkendes Dielektrikum bilden eine veränderliche Impedanz für ein
Hochfrequenzsignal. Unter einem Hochfrequenzsignal ist dabei ein Signal mit einer Frequenz größer einem Gigahertz zu verstehen. Zwei unterschiedliche Schalterstellungen des MEMS-Schaltelements bewirken dabei zwei voneinander verschiedene Impedanzen, die das Hochfrequenzsignal unterschiedlich beeinflussen.
Weiterhin ist in der obersten Metallisierungsebene eine zum MEMS- Schaltelement positionierte Antriebselektrode zur Erzeugung einer elektrostatischen Kraft zur Bewegung des MEMS-Schaltelements ausgebildet. Die Antriebselektrode ist vorzugsweise von der Elektrode der veränderlichen Impedanz durch ein Dielektrikum isoliert. Bevorzugt ist die Antriebselektrode mit dem Schaltkreis verbunden. Der Schaltkreis ist vorzugsweise zur Steuerung der elektrostatischen Kraft ausgebildet. Bevorzugt bewirkt eine Spannung zwischen Antriebselektrode und MEMS- Schaltelement eine Verbiegung des beweglichen MEMS-Schaltelements, wobei die Verbiegung eine Bewegung in eine Schalterposition bewirkt, bei der ein beweglicher Teil des MEMS-Schaltelernents dem Dielektrikum angenähert ist. Die Antriebselektrode ist vorteilhafterweise innerhalb der obersten Metallisierungsebene ausgebildet und mit anderen Leitbahnen, mit Masse oder Bauelementen elektrisch leitend verbunden.
Die geometrische Ausgestaltung des MEMS-Schaltelements und der zum MEMS-Schaltelement durch das Dielektrikum beabstandeten Elektrode beeinflussen in einer vorteilhaften Weiterbildung eine effektive Dielektrizitätszahl ε r,eff , die in Abhängigkeit von der Schalterposition des MEMS-Schaltelements veränderlich ist. Hierdurch lässt sich das Hochfrequenzsignal beeinflussen und vorteilhafterweise ein schaltbarer Filter oder eine schaltbare Antenne realisieren.
Zur Realisierung eines schaltbaren Filters ist beispielsweise das MEMS- Schaltelement als Streifen ausgebildet, dessen Länge zusammen mit der effektiven Dielektrizitätszahl und dem Abstand zu der Elektrode auf eine
Resonanzfrequenz oder einen Resonanzfrequenzbereich abstimmt ist. Zumindest ein Ende des MEMS-Schaltelements ist beweglich ausgebildet, so dass in einer abgehobenen Schaltposition die effektive Dielektrizitätszahl erniedrigt und die Resonanzfrequenz erhöht ist. In einer analogen Ausgestaltung kann entsprechend mit einem MEMS-Schaltelement eine schaltbare Antenne mit veränderbarer Resonanzfrequenz oder Resonanzfrequenzbereich realisiert werden.
Gemäß einer anderen Weiterbildungsvariante ist das MEMS-Schaltelement als Phasenschieber ausgestaltet. Dabei bildet das MEMS-Schaltelement einen Teil eines Signalpfades für das Hochfrequenzsignal. Der Phasenhub ist wiederum von der effektiven Dielektrizitätszahl abhängig. Der bewegliche
Teil des als Signalleiter fungierenden MEMS-Schaltelements ist beispielsweise eine zu der Elektrode positionierte bewegliche Kante, wobei das MEMS-Schaltelement in der abgehobenen Position eine kleinere effektive Dielektrizitätszahl bewirkt, so dass der Phasenhub gegenüber einer abgesenkten Position verkürzt ist.
In einer anderen Weiterbildungsvariante ist ein Schalter für das Hochfrequenzsignal vorgesehen, wobei die veränderliche Impedanz die
Dämpfung verändert. Zu dem MEMS-Schaltelement positioniert ist eine
Elektrode durch eine Leitbahn der obersten Metallisierungsebene gebildet.
Die unterste Metallisierungsebene ist dabei oberhalb der
Halbleiterbauelemente ausgebildet, während die oberste Metallisierungsebene unterhalb des MEMS-Schaltelements ausgebildet ist.
Die Elektrode ist vorteilhafterweise innerhalb der obersten
Metallisierungsebene isoliert ausgebildet. Alternativ kann die Elektrode auch mit anderen Leitbahnen, mit Masse oder Bauelementen elektrisch leitend verbunden sein.
Die Elektrode ist vorzugsweise als flächige Kondensatorelektrode ausgebildet. Zwischen der Elektrode und dem MEMS-Schaltelement ist ein
vorzugsweise dünnes Dielektrikum ausgebildet. Zur Ausbildung der Impedanz bilden die Elektrode, das Dielektrikum und das MEMS- Schaltelement eine Kapazität, wobei nach Art eines Platten-Kondensators der Abstand zwischen dem beweglichen MEMS-Schaltelement und der Elektrode zur änderung der Impedanz verändert werden kann. Hierzu weist das MEMS-Schaltelement einen leitfähigen Bereich auf oder das MEMS- Schaltelement ist vollständig aus einem leitfähigen Material gebildet.
Als Schalter lässt sich in dieser Weiterbildungsvariante durch das MEMS- Schaltelement sowohl ein so genannter Serien-Schalter als auch ein so genannter Parallel-Schalter realisieren.
Beim Serien-Schalter ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Signalpfad für das Hochfrequenzsignal über eine erste Metallbahn der obersten Metallisierungsebene, das MEMS-Schaltelement über das Dielektrikum und die Elektrode und weiter über eine zweite Metallbahn der obersten Metallisierungsebene verläuft. In einer geschlossenen (abgesenkten) Schalterposition weist der Signalpfad über das MEMS-Schaltelement für das Hochfrequenzsignal eine geringere Impedanz auf als in einer geöffneten (hochgestellten) Schalterposition.
Hingegen ist bei einem Parallel-Schalter der Signalpfad durchgehend. Das MEMS-Schaltelement bewirkt in einer Schalterposition für eine niedrige Impedanz einen Kurzschluss des Hochfrequenzsignals nach Masse. Hierzu ist beispielsweise der Signalpfad mit der Elektrode kapazitiv gekoppelt oder leitend verbunden und das MEMS-Schaltelement mit Masse kapazitiv gekoppelt oder verbunden. Alternativ ist das MEMS-Schaltelement Bestandteil des Signalpfades oder mit dem Signalpfad kapazitiv gekoppelt oder verbunden und die Elektrode ist mit Masse kapazitiv gekoppelt oder verbunden. Die Masseverbindung erfolgt beispielsweise über die äußeren Metallflächen einer Koplanar-Leitung.
Vorteilhafterweise ist es möglich, dass außerhalb des Bereichs des MEMS- Schaltelements mit dem MEMS-Schaltelement identisches Material als zusätzliche Leitbahnen beispielsweise für eine Versorgungsleitung strukturiert ist.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das MEMS- Schaltelement ein Metall aufweist, wobei das Metall des MEMS- Schaltelements einen kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als das Metall der Metallisierungsebenen aufweist.
In einer anderen, auch kombinierbaren Weiterbildung ist vorgesehen, dass ein Metall des MEMS-Schaltelements einen höheren Schmelzpunkt als das Metall der Metallisierungsebenen aufweist. Beispielsweise ist das Metall der Metallisierungsebenen Aluminium, hingegen weist das MEMS-Schaltelement vorzugsweise Wolfram auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das MEMS-Schaltelement in einem der Elektrode zugewandten Bereich eine Legierung zumindest zweier verschiedener Metalle - beispielsweise eine Titan-Wolframlegierung - auf. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass zumindest eine Oberfläche eines beweglichen Bereichs des MEMS- Schaltelements durch ein Dielektrikum isoliert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante weist das MEMS- Schaltelement eine Mehrzahl von Metallen - also zumindest zwei Metalle - auf. Die Metalle sind unterschiedlich und haften aneinander und/oder bilden eine Legierung. Bevorzugt sind die Metalle dabei in mehreren Schichten ausgebildet, so dass das MEMS-Schaltelement als Mehrschichtsystem ausgebildet ist.
Bevorzugt ist der Schaltkreis zur Verarbeitung eines Hochfrequenzsignals ausgebildet und mit dem MEMS-Schaltelement zum Schalten des Hochfrequenzsignals verbunden. Dies ermöglicht die Integration sämtlicher Funktionen einer Hochfrequenzanwendung auf einen einzigen Chip.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist das MEMS-Schaltelement zum Schalten und/oder Beeinflussen des Hochfrequenzsignals ausgebildet. Für ein Schalten des Hochfrequenzsignals erzeugt die Veränderung der Impedanz eine signifikante Dämpfung des Signals. Zur Beeinflussung des Hochfrequenzsignals kann das MEMS-Schaltelement beispielsweise als Phasenschieber wirken, wobei der Phasenwinkel verändert wird oder ein Phasenversatz erzeugt wird.
Zwar ist eine Ausbildung der integrierten Anordnung mit einer Mikrostreifen- Leitung in Wirkbeziehung zu einer Rückseitenmetallisierung möglich, hingegen weist jedoch in einer bevorzugten Weiterbildung die integrierte Anordnung eine Koplanar-Leitung mit dem MEMS-Schaltelement als Bestandteil der Koplanar-Leitung auf. Bei einer Koplanar-Leitung sind parallel zum Signalleiter zwei Masseleitungen angeordnet. Die beiden Masseleitungen können dabei durch das Metall des MEMS-Schaltelements oder durch eine Leitbahn einer zur Verfügung stehenden Metallisierungsebene - insbesondere der obersten Metallisierungsebene - gebildet sein. Vorzugsweise sind beide Masseleitungen durch eine in der obersten Metallisierungsebene ausgebildete Brücke leitend miteinander verbunden.
Um eine Schirmung des Signalpfades der Koplanar-Leitung zu realisieren kann beispielsweise die Rückseite des Chips metallisiert werden und die Rückseitenmetallisierung mit Masse verbunden werden.
Bevorzugt ist eine Bewegungsrichtung des beweglichen MEMS- Schaltelements außerhalb der Ebene der Chipoberfläche, insbesondere senkrecht zur Ebene der Chipoberfläche ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das bewegliche MEMS- Schaltelement eine intrinsische mechanische Spannung auf. Die intrinsische
mechanische Spannung bewirkt eine Bewegung des beweglichen MEMS- Schaltelements durch dessen Verformung in eine Schaltposition. In dieser geöffneten Schaltposition bewirkt eine hohe Impedanz eine signifikante Dämpfung eines HF-Signals. Beispielsweise eine Verformung des MEMS- Schaltelements in der geöffneten Schaltposition bleibt aufgrund der Eigenschaften des für das bewegliche MEMS-Schaltelement verwendeten Materials während der Herstellung und während des Betriebs oder unter äußeren Einflüssen - wie erhöhter Temperatur oder mechanischer Belastung - im Wesentlichen unverändert.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildungsvariante ist vorgesehen, dass das MEMS-Schaltelement zumindest in vertikaler Richtung (also senkrecht zur Chipoberfläche) auslenkbar ist. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass das MEMS-Schaltelement in vertikaler Richtung in zumindest eine öffnung oder Kavität hinein auslenkbar ist. Die öffnung oder Kavität ist vorteilhafterweise durch eine Deckschicht hermetisch verschlossen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Weiterbildungsvariante sieht vor, dass die vertikale Auslenkung durch die Deckschicht - die beispielsweise durch einen gebondeten Deckel-Wafer zur hermetischen Dichtung der öffnung gebildet ist - begrenzt ist. Beispielsweise ist in der Deckschicht eine weitere Elektrode zur Steuerung der Bewegung des MEMS-Schaltelements ausgebildet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung besteht das MEMS-Schaltelement aus mehreren Schichten. Dabei sind die Schichten in der geschlossenen Schaltposition des MEMS-Schaltelements vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Chipoberfläche angeordnet. Vorzugsweise sind die späteren mechanischen Eigenschaften - wie die intrinsische mechanische Spannung - bereits während der Herstellung der Schichten eingestellt worden. Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung weist das MEMS-Schaltelement eine Struktur mit mehreren Löchern und/oder streifenförmige Segmente auf.
In einer wiederum anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mehrere Signalpfade gleichzeitig oder in zeitlicher Abfolge durch das MEMS- Schaltelement schaltbar sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Verwendung einer zuvor erläuterten integrierten Anordnung in einer Hochfrequenzanwendung, insbesondere in der Kommunikationstechnik oder der Radartechnik.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung mit einem Schaltkreis und einem MEMS- Schaltelement anzugeben. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Demzufolge ist ein Verfahren zur Herstellung einer integrierten Anordnung vorgesehen. Es wird zunächst eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen in einem Halbleiterbereich ausgebildet. Die Halbleiterbauelemente werden durch Leitbahnen untereinander und mit weiteren Bauelementen, Anschlüsse oder dergleichen verbunden. Dazu werden die Leitbahnen in mehreren übereinander angeordneten Metallisierungsebenen beispielsweise durch Maskierungen und ätzschritte strukturiert.
Oberhalb der Metallisierungsebenen wird ein MEMS-Schaltelement ausgebildet, indem zunächst auf den Leitbahnen ein Dielektrikum und eine Opferschicht aufgebracht werden. Oberhalb des Dielektrikums und der Opferschicht wird Metall für das MEMS-Schaltelement aufgebracht und beispielsweise durch Maskierung und ätzung strukturiert.
In einem späteren Prozessschritt wird die Opferschicht beispielsweise durch ätzung entfernt. Die Entfernung der Opferschicht bewirkt eine Freilegung eines freitragenden Bereiches des MEMS-Schaltelements. Die Opferschicht kann beispielsweise polykristallines Silizium, amorphes Silizium, Metall oder
Silizid aufweisen. Vorzugsweise ist das Material der Opferschicht selektiv zum Material des MEMS-Schaltelements zu ätzen.
In der obersten Metallisierungsebene wird eine Leitbahn als Elektrode strukturiert um zusammen mit dem Dielektrikum und dem MEMS- Schaltelement eine veränderbare Impedanz auszubilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Unterseite des beweglichen MEMS-Schaltelements durch Legieren des Materials der im späteren Prozess entfernten Opferschicht und des darüber liegenden Materials eines beweglichen Bereichs des MEMS-Schaltelements gebildet. Bevorzugt werden mittels der Legierung die mechanischen Eigenschaften des MEMS-Schaltelements eingestellt.
Die zuvor beschriebenen Weiterbildungsvarianten sind sowohl einzeln als auch in Kombination besonders vorteilhaft. Dabei können sämtliche Weiterbildungsvarianten untereinander kombiniert werden. Einige mögliche Kombinationen sind in der Beschreibung des Ausführungsbeispiels der Figur erläutert. Diese dort dargestellten Möglichkeiten von Kombinationen der Weiterbildungsvarianten sind jedoch nicht abschließend.
Im Folgenden wird die Erfindung durch ein Ausführungsbeispiel anhand einer zeichnerischen Darstellung näher erläutert.
Diese Figur zeigt eine schematische Schnittansicht durch eine integrierte Anordnung zu einem Herstellungsprozesszeitpunkt. Die Darstellung ist dabei weder insgesamt noch bezogen auf die Abmessungen der dargestellten Elemente untereinander maßstabsgetreu.
In der in der Figur schematisch gezeigten Schnittansicht ist ein Teil einer integrierten Anordnung zu erkennen. Zuunterst ist ein Halbleitermaterial 1 beispielsweise aus Silizium, Gallium-Arsenid oder Silizium-Germanium oder auch aus einer Kombination verschiedener Halbleiter vorgesehen. In diesem Halbleitermaterial 1 sind eine Vielzahl von Bauelementen integriert. In der Figur ist für eine bessere übersichtlichkeit lediglich ein aktives Bauelement 400 dargestellt. Dieses Bauelement ist ein MOS-Feldeffekttransistor 400 mit einer Gate-Elektrode 401 , einem Gate-Oxid 402, einem Source- Halbleitergebiet 403 und einem Drain-Halbleitergebiet 404. Weiterhin ist in der Figur als Bauelement ein hochohmiger Widerstand 10 aus polykristallinem Silizium gezeigt.
Die Vielzahl der Bauelemente (400, 10) sind miteinander durch Leitbahnen 101ff. , 201ff., 301ff., aus Aluminium verbunden. Ebenfalls ermöglichen Leitbahnen Verbindungen zu Anschlüssen der Anordnung. Die Bauelemente (400, 10) bilden zusammen mit den Leitbahnen 101ff., 201ff., 301ff., einen Schaltkreis der Anordnung, der mehrere Funktionen - wie beispielsweise eine Verstärkung von Hochfrequenzsignalen - aufweist. Die Leitbahnen 101ff., 201ff., 301ff., aus Aluminium sind in drei Metallisierungsebenen 100, 200, 300 angeordnet, die untereinander jeweils durch eine Schicht aus Dielektrikum 23, 24 isoliert sind. Verbindungen zwischen den Metallisierungsebenen erfolgen durch so genannte Vias 50.
Oberhalb aller Metallisierungsebenen 100, 200, 300 ist ein MEMS- Schaltelement 500 ausgebildet (MEMS - Micro-Electro-M_echanical System). Die Figur zeigt einen Zustand im Herstellungsprozess, in dem das MEMS- Schaltelement 500 innerhalb einer Passivierungsschicht 27 durch eine ätzung einer öffnung freigelegt ist.
In vorhergehenden Prozessschritten wurden die Bauelemente 400, 10 und die Metallisierungsebenen ausgebildet. Anschließend wurde auf einer obersten strukturierten dielektrischen Schicht 26 eine Opferschicht 511 aus
Aluminium aufgebracht. Nachfolgend wurde auf der Opferschicht 511 und auf der Dielektrikumschicht 26 Wolfram zur Ausbildung des MEMS- Schaltelements 500 abgeschieden und strukturiert. Mit der Strukturierung wird ebenfalls ein Spalt 512 innerhalb des strukturierten Wolframs herausgeätzt und somit die Opferschicht 511 freigelegt. Nachfolgend wird wiederum eine ätzstoppschicht 28, beispielsweise aus Siliziumnitrid, eine Passivierungsschicht 27 aus BPSG (Bor-Phosphor-Silicat-Glas) und eine Maskierung 29 zur Strukturierung der öffnung abgeschieden und strukturiert. Dieser Verfahrenszustand der Herstellung ist in der Figur schematisch dargestellt.
Ebenfalls ist es möglich (jedoch in der Figur nicht dargestellt), eine Legierung aus dem Material der Opferschicht 511 und dem MEMS-Schaltelement 500 zu erzeugen, die dann als dünne Schicht (nicht dargestellt) Bestandteil des MEMS-Schaltelements wird. Zur Realisierung einer elastisch gebogenen und beweglichen Struktur des MEMS-Schaltelements, die auf der Unterseite eine Druckspannung aufweist, wird eine gezielte Legierung über einen Hochtemperaturschritt zwischen dem Material der Opferschicht und dem Material des beweglichen Bereichs des MEMS-Schaltelements erzeugt. Bevorzugte Materialkombinationen hierzu sind Wolfram und Aluminium, wobei die Phase WAI 4 bis 1320 0 C stabil ist und eine größere Gitterkonstante als reines Wolfram aufweist.
Die Verwendung von Wolfram oder der Legierung aus Wolfram und Aluminium kann den Vorteil aufweisen, dass das MEMS-Schaltelement eine verbesserte Temperaturfestigkeit während der Fertigung, Lagerung und Betrieb aufweist. Dabei ist ein Fließverhalten bei hohen Temperaturen verringert. Hierdurch werden die mechanischen Eigenschaften verbessert, so dass eine konstante Schaltspannung und geringere Drifteffekte auftreten.
Durch eine Verwendung eines mechanisch steifen Materials für das MEMS- Schaltelement wird die Wahrscheinlichkeit für Haftungs-Effekte (Sticking)
während der Herstellung, des Betriebs oder der Lagerung reduziert. Weiterhin kann die mechanische Steifigkeit des beweglichen MEMS- Schaltelements die Wahrscheinlichkeit eines unbeabsichtigten Schließens oder öffnens des Schalters, z.B. durch größere Signalamplituden oder mechanische Beschleunigung reduzieren. Durch die Verwendung eines hochtemperaturfesten Materials kann eine notwendige Formstabilität über einen weiten Temperaturbereich erzielt werden, sowohl während des Betriebs über eine große Zahl von Schaltzyklen als auch während der Fertigung.
In einem folgenden Verfahrensschritt wird die Opferschicht 511 durch ätzung selektiv zu den anderen Materialien der freiliegenden Oberflächen (26, 27, 28, 520, 500) entfernt. Nach der ätzung der Opferschicht 51 1 weist das MEMS-Schaltelement 500 einen freitragenden Bereich 510 und einen zwischen der Passivierung 27 mit der ätzstoppschicht 28 und der obersten Metallisierungsebene 300 eingefassten Bereich 505 auf. Aufgrund einer intrinsischen mechanischen Spannung bewegt sich der freitragende Bereich 510 des MEMS-Schaltelements 500 in die Verstellrichtung d in eine geöffnete Schaltposition (nicht dargestellt).
In einer geschlossenen Schaltposition (in der Figur dargestellt, wenn die Opferschicht 511 weggedacht wird) gelangt ein hochfrequentes Signal von einer ersten niederohmigen Signalleitung 304 der obersten Metallisierungsebene 300 über den Anschlusskontakt 501 in das bewegliche MEMS-Schaltelement 500, von dort in den Bereich 520 und weiter in eine zweite niederohmige Signalleitung 301 der obersten Metallisierungsebene. Die Verwendung von Leitbahnen 301 , 304 der obersten Metallisierungsebene 300 kann den Vorteil aufweisen, dass diese Leitbahnen 301, 304 relativ dick ausgebildet sind und die HF-Verluste in diesen Leitbahnen 301 , 304 relativ gering sind. In der geschlossenen Schaltposition erfolgt die kapazitive Kopplung zwischen dem MEMS- Schaltelement 500 und dem Bereich 520 nicht primär über den Spalt 512,
sondern über ein gegenüber dem Spalt 512 dünnes Dielektrikum 26 zu einer Elektrode 302 aus Aluminium der obersten Metallisierungsebene 300. Das MEMS-Schaltelement 500, das Dielektrikum 26 und die Elektrode 302 bilden dabei eine Art Plattenkondensator mit der Dicke des Dielektrikums 26. Eine weitere kapazitive Kopplung ist zwischen der Elektrode 302 und dem Bereich 520 ausgebildet. Dies kann für Symmetrien innerhalb des HF-Layouts vorteilhaft sein. Alternativ ist auch eine direkte leitfähige Verbindung zwischen der Elektrode 302 und der niederohmigen Signalleitung 301 möglich.
In der geöffneten Position hingegen ist das MEMS-Schaltelement 500 von der Elektrode 302 entfernt. Die kapazitive Kopplung zwischen MEMS- Schaltelement 500 und Elektrode 302 ist signifikant verringert, so dass die hierdurch bewirkte änderung in der Impedanz eine deutliche Dämpfung des HF-Signals ermöglicht.
Um das MEMS-Schaltelement 500 von der geöffneten in die geschlossene Schaltposition zu bewegen wird eine elektrostatische Kraft gesteuert, die entgegen den intrinsischen mechanischen Spannungen des MEMS- Schalteiements 500 wirkt. Hierzu ist eine Antriebselektrode 303 vorgesehen, wobei an die Antriebselektrode 303 und an das MEMS-Schaltelement 500 eine derartige Gleichspannung anlegbar ist, dass die elektrostatische Kraft größer ist als die wirkenden intrinsischen mechanischen Spannungen. Zum Anlegung der Gleichspannung an das MEMS-Schaltelement 500 ist das MEMS-Schaltelement 500 mit dem hochohmigen Widerstand 10 aus polykristallinem Silizium verbunden. Dieser hochohmige Widerstand 10 verringert eine evtl. Auskopplung des HF-Signals.
Wird in grober Näherung das MEMS-Schaltelement 500 und die Antriebselektrode 303 als Zweiplattenkondensator angesehen, ist die auf das MEMS-Schaltelement 500 wirkende Kraft proportional zum Kehrwert des
Abstands zwischen dem MEMS-Schaltelelemt 500 und der Antriebselektrode
- M -
303 zum Quadrat. Die Ausbildung der Antriebselektrode 303 in der obersten Metallisierungsebene 300 - also der Metallisierungsebene unterhalb des MEMS-Schaltelelements - ermöglicht daher einen besonders geringen Abstand zwischen dem MEMS-Schaltelement 500 und der Antriebselektrode 303. Demzufolge können sehr viel kleinere Schaltspannungen als bei einer weiter entfernten Antriebselektrode (nicht dargestellt) verwendet werden. Entsprechend muss auch die Dielektrikumschicht 26 lediglich an dieser geringere Spannung bzgl. ihrer Qualität und ihrer Dicke angepasst sein. Weiterhin kann die Ansteuerschaltung direkt durch die Bauelemente realisiert werden, so dass keine separaten Spezialbauelemente für höhere Spannungen zusätzlich verwendet werden müssen.
Vorzugsweise erfolgt die Ausbildung des MEMS-Schaltelements nach der Ausbildung der Bauelemente vorteilhafterweise in einem zusätzlichen Modul eines so genannten Back-End-Prozesses (BEOL - engl. Back End Of Line), so dass die Bauelemente vorteilhafterweise durch die Ausbildung des MEMS-Schaltelements nicht mehr verändert werden. Es können auch HF- Abschirm-Strukturen, wie beispielsweise Masseleitungen oder Masseebenen, mit dem MEMS-Schaltelement und/oder dem HF-Schaltkreis integriert werden. Auch ist es möglich, das MEMS-Schaltelement als eigenständiges Modul auszubilden, wobei der Schaltkreis unabhängig von diesem Modul herstellbar ist. Es können also gleichzeitig Schaltkreise mit und ohne MEMS-Schaltelement hergestellt werden. Die Herstellung des MEMS-Schaltelementes hat dabei keinen nennenswerten Einfluss auf die elektrischen Parameter der Bauelemente des Schaltkreises, da zur Herstellung des MEMS-Schaltelementes kein Hochtemperatur-Prozess zwingend benötigt wird. Demzufolge können der Schaltkreis und das MEMS- Schaltelement unabhängig voneinander geändert werden.
Die Erfindung ist dabei nicht auf die Ausgestaltung des MEMS- Schaltelements 500 als einfacher Biegebalken - wie in der Figur dargestellt - beschränkt. Es ist eine Vielzahl von verschiedenen Geometrien
verwendbar. Eine weitere mögliche Geometrie eines MEMS-Schaltelements ist beispielsweise in der Fig. 1 der DE 10 2004 010 150 A1 dargestellt.
Bezugszeichenliste
1 einkristallines Halbleitergebiet, Silizium
10 polykristallines Silizium
21 , 22, 23, 24, 25, 26, 27 Dielektrikum
50 Via aus Metall (Aluminium, Wolfram)
100, 200, 300 Metallisierungsebene
101 , 102, 103, 104, 201 , Leitbahn aus Metall (Aluminium/Wolfram),
202, 203, 204, 301 , 302, Elektrode
303, 304
400 Bauelement, MOS-Feldeffekttransistor
401 Gate-Elektrode, polykristallines Silizium
402 Gate-Oxid
403 Source-Gebiet
404 Drain-Gebiet
500 MEMS-Schaltelement, Kantilever, Federarm
501 , 502 Anschlusskontakt
505 eingefasster Bereich des MEMS-Schaltelements
510 beweglicher Bereich des MEMS-Schaltelements
511 Opfermaterial/-schicht
512 Spalt
520 Koppelbereich für HF-Signal d Bewegungsrichtung des MEMS-Schaltelements