WO2012088822A1 - Mems开关及其制作方法 - Google Patents

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WO2012088822A1
WO2012088822A1 PCT/CN2011/074291 CN2011074291W WO2012088822A1 WO 2012088822 A1 WO2012088822 A1 WO 2012088822A1 CN 2011074291 W CN2011074291 W CN 2011074291W WO 2012088822 A1 WO2012088822 A1 WO 2012088822A1
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WO
WIPO (PCT)
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dielectric layer
electrode plate
layer
sacrificial
switch contacts
Prior art date
Application number
PCT/CN2011/074291
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
毛剑宏
唐德明
Original Assignee
上海丽恒光微电子科技有限公司
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Filing date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H59/00—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays
    • H01H59/0009—Electrostatic relays; Electro-adhesion relays making use of micromechanics
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0036—Switches making use of microelectromechanical systems [MEMS]

Definitions

  • the present invention relates to the field of microelectromechanical mechanical system (MEMS) device manufacturing, and more particularly to a single pole double throw MEMS switch and a method of fabricating the same.
  • MEMS microelectromechanical mechanical system
  • Micro-Electro-Mechanical Systems is a micro-device or system that integrates micro-mechanisms, micro-sensors, micro-actuators, and signal processing and control circuits. It has been developed with the development of semiconductor integrated circuit micromachining technology and ultra-precision machining technology. Microelectronic devices using MEMS technology have broad application prospects in aerospace, aerospace, environmental monitoring, biomedical, and almost all areas that people are exposed to.
  • MEMS devices are smaller in size, no more than one centimeter, or even a few micrometers, and the device layer thickness is even smaller. Due to the use of silicon-based semiconductor materials, it is possible to make extensive use of mature technologies and processes in the production of semiconductor integrated circuits for low-cost mass production. Among them, the micromechanical structure as the sensing, transmission and motion mechanism is the most important component of MEMS devices. Micro-mechanical structures usually need to be placed in an enclosed space to avoid receiving external environmental influences, including fixed support parts and movable The free end of the suspension. When the micro-mechanical structure is bent by external magnetic force or electric field force, and the free end thereof is in contact with different regions of the closed space to achieve electrical connection, the MEMS device can function as a switch.
  • the switch can be divided into single-pole single-throw switch or single-pole double-throw switch.
  • the latter can play the role of path switching, so it has a wide range of applications in circuits and signal transmission systems.
  • the traditional single-pole double-throw switch device is more bulky. Large, difficult to integrate in the chip.
  • the use of MEMS devices to make single-pole double-throw switches can greatly improve the integration of devices. For more information on the single-pole, double-throw MEMS switch, see U.S. Patent No. US 60/561,192.
  • the MEMS switch of the present invention includes:
  • a semiconductor substrate a switching cavity on the semiconductor substrate, the switching cavity comprising a bottom dielectric layer and a top dielectric layer;
  • a first set of switch contacts on the bottom dielectric layer including a first input contact and a first output contact
  • a second set of switch contacts on the top dielectric layer including a second input contact and a second Output contact
  • a mechanical arm is further included, the mechanical arm includes a fixed end fixed to a dielectric layer at a bottom of the switch cavity, and a free end of the suspension, the free end is formed with a throwing knife; the throwing knife is in contact with the first set of switches The point and the position of the second set of switch contacts correspond;
  • the mechanical arm When a driving electric field is applied in the switching cavity, the mechanical arm is bent by the driving electric field, so that the throwing blade contacts the bottom dielectric layer to electrically connect the first input contact with the first output contact, or contact the top dielectric layer
  • the second input contact and the second output contact are electrically connected.
  • the machine arm has a zigzag structure, one end of which is a fixed end, and the other end is a free end, and the fixed end has a height difference from the free end.
  • connection area is formed on the bottom dielectric layer, and the connection area is connected to a fixed end of the mechanical arm.
  • the MEMS switch further includes an upper electrode plate formed on the top dielectric layer and a lower electrode plate formed on the bottom dielectric layer, the free end of the mechanical arm aligning the lower electrode plate and the upper electrode in a vertical direction board.
  • the lower electrode plate is disposed on a surface of the bottom dielectric layer, and the upper electrode plate is disposed on the other side surface of the top dielectric layer relative to the bottom dielectric layer.
  • the robot arm includes a support structure and a conductive electrode extending from the fixed end to the free end along the surface of the support structure and insulated from the throwing blade.
  • the mechanical arm is a bridge-like structure, the two ends of which are fixed ends, and the middle part is a free end.
  • the MEMS switch further includes a first upper electrode plate and a second upper electrode plate formed on the top dielectric layer and symmetric about the second set of switch contacts, formed on the bottom dielectric layer and open on the first group And closing a first lower electrode plate and a second lower electrode plate; the free ends of the mechanical arms are aligned in the vertical direction with the lower electrode plate and the upper electrode plate.
  • the first lower electrode plate and the second lower electrode plate are formed on a surface of the bottom dielectric layer, and the first upper electrode plate and the second upper electrode plate are formed on the top dielectric layer opposite to the bottom The other side surface of the dielectric layer.
  • the mechanical arm includes a supporting structure and a first conductive electrode and a second conductive electrode, and the first conductive electrode and the second conductive electrode extend along the surface of the support structure from the two fixed ends of the mechanical arm to the central free end And are insulated from the throwing knife.
  • the invention also provides a method for fabricating a MEMS switch, comprising:
  • the top dielectric layer is etched to form a plurality of vias exposing the upper sacrificial dielectric layer, through which the upper sacrificial dielectric layer and the lower sacrificial dielectric layer are removed.
  • the forming the first set of switch contacts, the lower electrode plate, and the connection region on the surface of the bottom dielectric layer include:
  • connection area is located outside the lower electrode plate with respect to the first set of switch contacts, and the connection area, The lower electrode plate and the first set of switch contacts correspond to the positions of the subsequently formed robot arms.
  • the forming the lower sacrificial dielectric layer includes:
  • the second sacrificial layer and the first sacrificial layer are etched to expose a connection region on the surface of the bottom dielectric layer to form a lower sacrificial dielectric layer.
  • the forming the mechanical arm includes:
  • the upper electrode plate includes:
  • the second set of switch contacts includes a third metal layer that is filled in the second recess. the same.
  • the removing the upper sacrificial dielectric layer and the lower sacrificial dielectric layer comprises: introducing oxygen into the through hole at a temperature of 100oC to 350oC.
  • the MEMS switch manufacturing method further includes forming a cover layer on a surface of the top dielectric layer, the cover layer closing the through hole.
  • the MEMS switch of the present invention sets two sets of switch contacts respectively on the top of the switch cavity to And the bottom portion, by applying an external electric field, the driving robot arm is bent up and down, so that the throwing knife on the robot arm contacts one of the switch contacts, and the corresponding input contact and the output contact are connected, thereby realizing the single-pole double-throwing control. It has the characteristics of simple structure, sensitive reaction and easy manufacture.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a first embodiment of the MEMS switch of the present invention
  • FIG. 2 is a top plan view of the MEMS switch shown in FIG. 1 taken along line A-A;
  • FIG. 3 is a top plan view of the MEMS switch shown in FIG. 1 taken along line B-B;
  • FIG. 4 is a top plan view of the MEMS switch shown in FIG. 1 taken along line C-C;
  • Figure 5 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the MEMS switch of the present invention.
  • FIG. 6 is a top plan view of the MEMS switch shown in FIG. 5 taken along line A'-A';
  • Figure 7 is a top plan view of the MEMS switch shown in Figure 5 taken along line B'-B';
  • Figure 8 is a top plan view of the MEMS switch shown in Figure 5 taken along line C'-C';
  • FIG. 9 is a schematic flow chart of a method for fabricating a MEMS switch according to the present invention.
  • 10 to 23 are schematic cross-sectional views showing respective steps of a method of fabricating a MEMS switch according to a second embodiment of the present invention.
  • 10a to 20a are schematic top views of respective steps of a method of fabricating a MEMS switch according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 13b is a schematic cross-sectional view taken along line E-E of Figure 13a;
  • Figure 17b is a schematic cross-sectional view taken along line E-E of Figure 17a;
  • Figure 19b is a cross-sectional view taken along line E-E of Figure 19a;
  • Figure 21b is a schematic cross-sectional view taken along line E-E of Figure 21a.
  • 24 and 25 are schematic cross-sectional views showing the MEMS switch of the second embodiment in different operating states, respectively.
  • the basic structure of the MEMS switch of the present invention includes:
  • a semiconductor substrate a switching cavity on the semiconductor substrate, the switching cavity including a bottom dielectric a layer and a top dielectric layer;
  • a robotic arm located within the switch cavity, the mechanical arm including a fixed end fixed to the switch cavity and a free end that is suspended, and a free throw is formed on the free end;
  • the mechanical arm When a driving electric field is applied in the switching cavity, the mechanical arm is bent by a driving electric field, so that the throwing blade contacts the bottom dielectric layer, electrically connects the first input contact with the first output contact, or contacts the top dielectric layer And electrically connecting the second input contact and the second output contact.
  • the MEMS switch has two sets of switch contacts respectively disposed at the top and the bottom of the switch cavity, and the mechanical arm is driven to bend up and down by applying an external electric field, so that the throwing knife on the arm is in contact with one of the switch contacts, and the corresponding connection is made.
  • the input contacts and the output contacts enable single-pole double-throw control. It has the characteristics of simple structure, sensitive reaction and easy manufacture.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first embodiment of the MEMS switch of the present invention, which is the embodiment of the present invention.
  • the structure of the MEMS switch includes:
  • a semiconductor substrate 10 a switching cavity 100 on the semiconductor substrate 10, an inner surface of the switching cavity 100 including a bottom dielectric layer 100a and a top dielectric layer 100b; a mechanical arm 400 located in the switching cavity 100, One end of the mechanical arm 400 is a fixed end 400a, and is fixed on the bottom dielectric layer 100a, and the other end is a suspended free end 400b.
  • the free end 400b is formed with a throwing knife.
  • FIG. 2 is a top plan view of the MEMS switch of Figure 1 taken along line A-A, showing the structure of the bottom dielectric layer 100a of the present embodiment.
  • the bottom dielectric layer 100a is formed with a first set of switch contacts 101, including a first input contact 101a and a first output contact 101b; the first input contact 101a and the first output
  • the contact 101b may be a square metal layer, or a bump of metal and other conductive materials, respectively serving as a first set of input and output ends of the MEMS switch, and connected to an external circuit.
  • a lower electrode plate 301a is formed on the bottom dielectric layer 100a, and the lower electrode plate 301a serves as a pole for generating the driving electric field.
  • the lower electrode plate 301a is located on one side of the first group of switch contacts 101, and the shape thereof may be square, polygonal, circular, etc., and the material may be copper or aluminum.
  • Metals such as titanium, tantalum, nickel, cobalt, or alloys thereof, and polysilicon, silicon, or other commonly used semiconductor conductive materials are compatible with semiconductor fabrication processes, particularly CMOS processes.
  • connection region 103 for connection to the fixed end 400a of the robot arm 400 to fix the position of the robot arm 400.
  • the connection region 103 is located on the other side of the lower electrode plate 301a relative to the first group of switch contacts 101, and the connection region 103, the lower electrode plate 301a, and the first group of switch contacts 101 Corresponding to the robot arm 400 in the vertical direction.
  • FIG. 3 is a top plan view of the MEMS switch of Figure 1 taken along line B-B, showing the structure of the top dielectric layer 100b of the present embodiment.
  • the top dielectric layer 100b is formed with a second set of switch contacts 102, including a second input contact 102a and a second output contact 102b, on one side surface of the bottom dielectric layer 100a.
  • the two input contacts 102a and the second output contacts 102b, as the second set of input terminals and output terminals of the MEMS switch, are respectively connected to an external circuit.
  • the second input contact 102a and the second output contact 102b should be respectively aligned in the vertical direction with the first input contact 101a and the second output contact 101b below.
  • the throwing blade 401 disposed thereon can be accurately brought into contact with the corresponding contact.
  • the material, shape, and spacing of the second input contact 102a and the second output contact 102b may be the same as the first input contact 101a and the first output contact 101b.
  • An upper electrode plate 301b is formed on the other side surface of the top dielectric layer 100b with respect to the bottom dielectric layer 100a, and the upper electrode plate 301b serves as the other pole for generating the driving electric field. Also, the upper electrode plate 301b should be aligned in the vertical direction with the lower electrode plate 301a below it, and the shape, area, and material are the same as those of the lower electrode plate 301a. When the upper electrode plate 301b and the lower electrode plate 301a are respectively energized, the voltage difference between the two can cause a top-down or bottom-up driving electric field to be formed in the switching cavity 100.
  • the robot arm 400 includes a fixed end 400a connected to the connection region 103 of the bottom dielectric layer 100a and a suspended free end 400b.
  • the free end 400b is formed with a throwing knife 401, and the throwing knife 401 Corresponding to the first set of switch contacts 101 located above and the second set of switch contacts 102 located therebelow.
  • the mechanical arm 400 is a flexible structure, and the free end 400b is aligned in the vertical direction with the lower electrode plate on the bottom dielectric layer 100a. 301a and upper electrode plate 301b on top dielectric layer 100b.
  • the robot arm 400 particularly the free end 400b of the robot arm 400, can be in the driving electric field.
  • the flexible structure of the mechanical arm 400 includes a support structure 403 and a conductive electrode 402 formed on the support structure 403.
  • the conductive electrode 402 extends along the surface of the support structure 403 from the fixed end 400a toward the free end 400b.
  • the conductive electrode 402 may be connected to an external circuit through the connection region 103 to facilitate the introduction of electric charge to the conductive electrode 402; however, the conductive electrode 402 should be insulated from the throwing blade 401.
  • the support structure 403 may be an insulating material, and the short circuit may occur when the conductive electrode 402 is in contact with the lower electrode plate 301a when the mechanical arm 400 is bent.
  • the throwing blade 401 may be metal, polysilicon or other conductive material, and may be in the form of a strip, a column or a blade; since the throwing blade 401 is respectively associated with a first set of switch contacts 101 located above and a portion below it The two sets of switch contacts 102 correspond, so that when the arm 400 is bent upward or downward, the throwing blade 401 can contact one of the switch contacts to communicate the corresponding input contact and the output contact, thereby achieving single pole double throw The role.
  • the robot arm 400 has a "Z" shape.
  • the free end 400b has a different height from the fixed end 400a.
  • the fixed end 400a is fixedly connected to the connection area 103 on the bottom dielectric layer 100a, there is a height difference between the free end 400b and the fixed end 400a, that is, between the bottom dielectric layer 100a, and the height difference.
  • the free end 400b is suspended in the switch cavity 100.
  • its free end 400b should be between the top dielectric layer 100b and the bottom dielectric layer 100a and in an intermediate position.
  • the throwing blade 401 on the free end 400b moves up or down, and after the same stroke, it can be brought into contact with the corresponding switch contact.
  • one end of the mechanical arm 400 is a fixed end 400a, and the other end is a suspended free end 400b. Since the robot arm 400 is of a flexible structure, the free end 400b can move laterally in addition to moving up or down, so that the free end 400b has four degrees of freedom of movement. In some applications of MEMS switches, it is easy to be affected by external impact or acceleration. This results in a lateral misalignment of the free end 400b of the robotic arm 400 such that the throwing knife 401 will not be able to align with the switch contacts located above or below it.
  • the present invention also provides the MEMS switch of the second embodiment to solve the above problems.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a second embodiment of the MEMS switch of the present invention.
  • the second embodiment differs only in the MEMS switch.
  • the mechanical arm is a bridge-like structure, the two ends of which are fixed ends, and the middle part is a free end.
  • the above settings allow the free end of the robot arm to have only two degrees of freedom of motion and can only move up or down.
  • the specific structure of the MEMS switch of the present embodiment will be further described below, wherein the same component configurations as those of the first embodiment are given the same reference numerals.
  • a semiconductor substrate 10 a switching cavity 100 on the semiconductor substrate 10, an inner surface of the switching cavity 100 including a bottom dielectric layer 100a and a top dielectric layer 100b; a mechanical arm 500 located in the switching cavity 100,
  • the mechanical arm 500 is a bridge-like structure, and the two ends thereof are fixed ends, and includes a first fixed end 501a and a second fixed end 501b, wherein the two fixed ends are fixed on the bottom dielectric layer 100a;
  • the middle portion of the 500 is a suspended free end 502 on which a throwing knife 503 is formed.
  • Fig. 6 is a top plan view, taken along the line A, -A, of the MEMS switch shown in Fig. 5, showing the structure of the bottom dielectric layer 100a of the present embodiment.
  • the bottom dielectric layer 100a is formed with a first set of switch contacts 101, including a first input contact 101a and a first output contact 101b; the first input contact 101a and the first output
  • the contact 101b may be a square metal layer, a bump of a metal or other conductive material, respectively serving as a first set of input ends and an output end of the MEMS switch, and connected to an external circuit.
  • Two lower electrode plates are formed on the bottom dielectric layer 100a, and include a first lower electrode plate 601a and a second lower electrode plate 602a.
  • the first lower electrode plate 601a and the second lower electrode plate 602a are respectively disposed on two sides of the first group of switch contacts 101, and are symmetric with respect to the first group of switch contacts 101.
  • the above two lower electrode plates serve as the same pole that generates the driving electric field.
  • the first lower electrode plate 601a and the second lower electrode plate 602a may be electrically connected using a metal interconnection (not shown).
  • the shape of the two lower electrode plates may be square, polygonal, circular, etc., and the material may be It is a combination of metals such as copper, aluminum, titanium, ruthenium, nickel, cobalt, or alloys thereof, and polysilicon, silicon, or other commonly used semiconductor conductive materials.
  • the shapes, areas, and materials of the first lower electrode plate 601a and the second lower electrode plate 602a should be the same to form a uniform driving electric field in the switching cavity 100.
  • the bottom dielectric layer 100a is further formed with two connection regions, including a first connection region 103a and a second connection region 103b.
  • the two connection regions are respectively connected to the fixed end 501a and the fixed end 501b of the robot arm 500, thereby being fixed.
  • the first connection region 103a and the second connection region 103b are respectively disposed on two sides of the first group of switch contacts 101, and are symmetric with respect to the first group of switch contacts 101.
  • the first connection region 103a and the second connection region 103b are located outside the first lower electrode plate 601a and the second lower electrode plate 602a, respectively.
  • the first connection region 103a, the first lower electrode plate 601a, the first group of switch contacts 101, the second lower electrode plate 602a, and the second connection region 103b correspond to the robot arm 400 in the vertical direction.
  • Fig. 7 is a top plan view, taken along the line B, -B, of the MEMS switch shown in Fig. 5, showing the structure of the top dielectric layer 100b of the present embodiment.
  • a second set of switch contacts 102 is formed on a side surface of the top dielectric layer 100b with respect to the bottom dielectric layer 100a, including a second input contact 102a and a second output contact 102b.
  • the second input contact 102a and the second output contact 102b serve as a second set of input and output terminals of the MEMS switch, respectively, and are connected to an external circuit.
  • the second input contact 102a and the second output contact 102b should be respectively aligned with the first input contact 101a and the second output contact 101b below thereof in the vertical direction.
  • the material, shape, and spacing of the second set of switch contacts 102 can be the same as the first set of switch contacts 101.
  • the top dielectric layer 100b is further formed with two upper electrode plates on the other side surface of the bottom dielectric layer, including a first upper electrode plate 601b and a second upper electrode plate 602b.
  • the first upper electrode plate 601b and the second upper electrode plate 602b are respectively disposed on two sides of the second group of switch contacts 102, and are symmetric with respect to the second group of switch contacts 102.
  • the above two upper electrode plates serve as the other pole for generating the driving electric field.
  • the first upper electrode plate 601b and the second upper electrode plate 602b may be electrically connected using a metal interconnection (not shown).
  • FIG. 8 is a top plan view of the MEMS switch of Figure 5 taken along line C, -C, showing the structure of the robot arm 500 of the present embodiment. As shown in FIG.
  • the robot arm 500 is a bridge-like structure, and includes a fixed end 501 a and a fixed end 501b respectively connected to the connection area 103a and the connection area 103b, and a free end 502 in the middle, the free end 502 A throwing knife 503 is formed.
  • the throwing knife 503 corresponds to the first set of switch contacts 101 placed thereon and the second set of switch contacts 102 located therebelow.
  • the robot arm 500 is a flexible structure, and the free end 502 is vertically aligned with the two lower electrode plates on the bottom dielectric layer 100a and the two upper electrode plates on the top dielectric layer 100b.
  • the free end 502 of the robotic arm 500 can be within the drive electric field when the drive electric field is formed.
  • first conductive electrode 504a and a second conductive electrode 504b extending along the surface of the support structure 505 from the fixed end 501a toward the free end 502, and may be connected to an external circuit through the connection region 103a;
  • the second conductive electrode 504b extends from the fixed end 501b toward the free end 502 along the surface of the support structure 505, and may be connected to an external circuit through the connection region 103b.
  • the first conductive electrode 504a and the second conductive electrode 504b should both be insulated from the throwing knife 503. When a positive or negative charge is applied to the first conductive electrode 504a and the second conductive electrode 504b, the mechanical arm 500 can be bent by an electric field force in a driving electric field.
  • the same type and the same amount of electric charge should be introduced into the first conductive electrode 504a and the second conductive electrode 504b.
  • the first conductive electrode 504a and the second conductive electrode 504b may be electrically connected in an external circuit.
  • the support structure 505 can be made of an insulating material, and the first conductive electrode 504a and the second conductive electrode 504b can be short-circuited when the first arm 504a and the second conductive electrode 504b are in contact with the two lower electrode plates.
  • the throwing knife 503 respectively corresponds to a first set of switch contacts 101 located above and a second set of switch contacts 102 located therebelow, such that when the mechanical arm 500 is bent upwards or downwards, the throwing knife 503 can One set of switch contacts is in contact, and the corresponding input contacts and output contacts are connected, thereby achieving the function of single-pole double throw.
  • the mechanical arm 500 has an " ⁇ " shape, so that when the mechanical arm 500 is fixed in the switch cavity 100, the free end 502 of the middle portion has different heights from the fixed end 501a and the fixed 501b on both sides. Specifically, when the fixed end 501a is fixedly connected to the connection area 103a, and the fixed end 501b is connected to the connection area 103b, there is a difference in height between the free end 502 and the bottom dielectric layer 100a. The height difference causes the free end 502 to float in the switch cavity 100. As a preferred embodiment, when the robot arm 500 is not bent, its free end 502 should be between the top dielectric layer 100b and the bottom dielectric layer 100a and in an intermediate position. When the robot arm 500 is driven to be bent by the driving electric field, the throwing knife 503 on the free end 502 moves upward or downward, and after the same stroke, it can be brought into contact with the corresponding switch contact.
  • FIG. 9 is a schematic flow chart of the manufacturing method, and the basic steps include:
  • Step S101 is performed to provide a semiconductor substrate, and a bottom dielectric layer is formed on the semiconductor substrate; a first set of switch contacts, a lower electrode plate, and a connection region are formed on a surface of the bottom dielectric layer.
  • the bottom dielectric layer should be an insulating material.
  • the first set of switch contacts, the lower electrode plate and the connection region may each be metal.
  • the first metal layer may be formed on the surface of the bottom dielectric layer, and then the first metal layer is etched to form the first set of switch contacts. , lower electrode plate and connection area.
  • Step S102 is performed to form a patterned lower sacrificial dielectric layer on the surface of the semiconductor structure, wherein the lower sacrificial dielectric layer exposes the connection region and a portion of the bottom dielectric layer.
  • the lower sacrificial dielectric layer is used to form a space below the free end of the mechanical arm suspension, the thickness of which determines the distance between the free end and the bottom dielectric layer.
  • the lower sacrificial dielectric layer surface is also formed with a first recess that is aligned with the first set of switch contacts for making a throwing knife on the free end of the robot arm.
  • Step S103 is performed to form a mechanical arm on a part of the surface of the lower sacrificial dielectric layer.
  • an insulating support dielectric layer is formed on the lower sacrificial dielectric layer and a portion of the surface of the connection region, the support dielectric layer having the same shape as the pre-formed mechanical arm, and exposing the first recess;
  • a continuous second metal layer is then formed in the support dielectric layer, a portion of the surface of the connection region, and the first recess, and the second metal layer is etched to form a conductive electrode of the robot arm and a throwing blade.
  • the support medium layer, the conductive electrode and the throwing knife constitute the robot arm of the present invention.
  • the supporting medium layer functions on the one hand to form a skeleton of the mechanical arm and supports the conductive electrode and the throwing knife, and on the other hand, the conductive electrode is in contact with the lower electrode plate on the bottom dielectric layer when the mechanical arm is bent downward.
  • Step S104 is performed to form a patterned upper sacrificial dielectric layer on the surface of the semiconductor structure, wherein the upper sacrificial dielectric layer is connected to the lower sacrificial dielectric layer.
  • the upper sacrificial dielectric layer is used to form a space above the free end of the suspension of the mechanical arm, which is thick The degree determines the spacing between the free end and the top dielectric layer.
  • Step S105 forming a top dielectric layer on the surface of the upper sacrificial dielectric layer
  • the top dielectric layer is further formed with a second recess, and the second recess penetrates through the top dielectric layer, and the bottom surface thereof is lower than the lower surface of the top dielectric layer.
  • the second recess is aligned with the throwing knife of the robot arm for making a second set of switch contacts.
  • Step S106 is performed to form a second set of switch contacts and an upper electrode plate on the surface of the top dielectric layer.
  • a third metal layer may be formed on the surface of the top dielectric layer, and then the third metal layer is etched to form the second set of switch contacts and the upper electrode plate. a portion in which the third metal layer is filled in the second recess serves as a second set of switch contacts, and since the second recess penetrates the top dielectric layer, the second set of switch contacts actually penetrates the top Medium layer.
  • Step S107 is performed to etch the top dielectric layer to form a plurality of vias exposing the upper sacrificial dielectric layer, and the upper sacrificial dielectric layer and the lower sacrificial dielectric layer are removed through the via holes.
  • the upper sacrificial dielectric layer is connected to the lower sacrificial dielectric layer, the upper sacrificial dielectric layer and the lower sacrificial dielectric layer can be simultaneously removed only through the via holes in the top dielectric layer.
  • the MEMS switch of the present invention can be formed.
  • the MEMS switch structure of the second embodiment is taken as an example to further describe the manufacturing method of the MEMS switch of the present invention.
  • 10 to 23 are schematic cross-sectional views showing respective steps of a method of fabricating a MEMS switch according to a second embodiment of the present invention.
  • 10a to 20a are schematic plan views of the steps of the above manufacturing method.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along line D-D of FIG. 10a, and the subsequent drawings correspond one-to-one, and are not described again.
  • a semiconductor substrate 10 is first provided.
  • the semiconductor substrate 10 may be a silicon substrate or silicon-on-insulator, and may be formed with a metal interconnection or other semiconductor device (not shown).
  • a bottom dielectric layer 100a and a first metal layer 701 are formed on the surface of the semiconductor substrate 10.
  • the bottom dielectric layer 100a is an insulating medium.
  • the bottom dielectric layer 100a is silicon dioxide and is formed by a chemical vapor deposition process.
  • the first metal layer 701 may be a metal such as copper, aluminum, titanium, tantalum, nickel, cobalt or the like, or a combination thereof, and is formed by a physical vapor deposition process.
  • the first metal layer 701 is etched to form a first connection region 103a, a first lower electrode plate 601a, a first set of switch contacts 101, a second lower electrode plate 602a, and a second connection.
  • Zone 103b The first set of switch contacts 101 includes a first input contact 101a and a second input contact 101b, and the first input contact 101a and the second input contact 101b are metal bumps, both along the bottom
  • the surface of the dielectric layer 100a is longitudinally arranged at a pitch of 20 ⁇ 5 ⁇ .
  • the first connection region 103a, the first lower electrode plate 601a, the first group of switch contacts 101, the second lower electrode plate 602a, and the second connection region 103b correspond to the pre-formed robot arm in the vertical direction.
  • the first connection region 103a and the second connection region 103b, the first lower electrode plate 601a, and the second lower electrode plate 602a are symmetrically disposed with respect to the first group of switch contacts 101, and both are square metal layers.
  • etching the first metal layer 701 when etching the first metal layer 701, it further includes simultaneously forming a metal interconnection line connected to each of the metal layers to connect the metal layer to an external circuit.
  • the insulating medium may be backfilled on the surface of the semiconductor structure to increase the surface height of the bottom dielectric layer 100a.
  • silicon dioxide may be deposited by a chemical vapor deposition process to cover the surface of the semiconductor structure, and then subjected to chemical mechanical polishing so that the surface of the bottom dielectric layer 100a is flush with the top of each of the metal layers.
  • a first sacrificial layer 801a is formed on the surface of the semiconductor structure shown in FIG. 11, and the first sacrificial layer 801a is etched to form a positioning recess 900, and the positioning recess 900 exposes the first group.
  • the first sacrificial layer 801a is amorphous carbon and is formed by chemical vapor deposition.
  • a second sacrificial layer 801b is formed on the surface of the first sacrificial layer 801a, and the second sacrificial layer 801b is amorphous carbon, which is formed by chemical vapor deposition and has a thickness equal to that of the first sacrificial layer 801a.
  • the second sacrificial layer 801b is filled not only when the second sacrificial layer 801b having the same thickness as the first sacrificial layer 801a is deposited.
  • the positioning groove 900 also forms a new groove, that is, a desired first groove 901, at the original positioning groove 900.
  • the first groove 901 can be precisely aligned with the first set of switch contacts 101 below it, the depth of which is similar to the thickness of the second sacrificial layer 801b, and the width is slightly smaller than the original positioning groove 900.
  • Figure 13b is a cross-sectional view taken along line EE of Figure 13a.
  • the first set of switch contacts 101 includes a first input contact 101a and a first output contact 101b
  • the first recess The 901 also includes two corresponding grooves.
  • the first sacrificial layer 801a and the second sacrificial layer 801b are patterned to form a lower sacrificial dielectric layer 801, exposing the first connection region 103a and the second connection region on both sides thereof. 103b and the surrounding bottom dielectric layer 100a.
  • the above method of fabricating the lower sacrificial dielectric layer 801 has the advantage that the depth of the first recess 901 can be precisely controlled by adjusting the deposition thickness of the second sacrificial layer 801b.
  • the etching time is required to adjust the etch stop layer, so it is difficult to accurately The depth of the first groove is controlled, and over-etching is easily generated.
  • the support dielectric layer 505 has a bridge-like structure, and two ends are respectively connected to the first connection region 103a and the second connection region 103b, and the middle portion covers the surface of the lower sacrificial dielectric layer 801, and the first groove 901 is exposed.
  • the material of the supporting dielectric layer 505 is an insulating material such as silicon oxide, silicon nitride or silicon oxynitride. If the thickness is too thick, the rigidity of the mechanical arm is too large and the bending is difficult, and if the thickness is too thin, the stability of the mechanical arm is affected. Need to choose according to the actual device size of the MEMS switch.
  • a second metal layer 702 is formed on a portion of the surface of the support dielectric layer 505 and the first connection region 103a and the second connection region 103b on both sides thereof.
  • the second metal layer 702 may be formed of the same material as the first metal layer 701 by physical vapor deposition.
  • the second metal layer 702 is etched to form a first conductive electrode 504a, a second conductive electrode 504b, and a throwing blade 503.
  • the throwing knife 503 includes a portion of the second metal layer 702 filled in the first recess 901, the first conductive electrode 504a, the second conductive electrode 504b is insulated from the throwing knife 503, and symmetrically disposed about the throwing knife 503.
  • the first conductive electrode 504a is connected to the first connection region 103a, and extends along the surface of the support dielectric layer 505 toward the throwing blade 503, and corresponds to the first lower electrode plate 601a located below;
  • the second conductive electrode 504b is connected to the second connection region 103b and extends along the surface 503 of the support dielectric layer 505 and corresponds to the second lower electrode plate 602a located therebelow.
  • the first conductive electrode 504a, the second conductive electrode 504b, the throwing blade 503, and the supporting dielectric layer 505 constitute the robot arm of the bridge-like structure described in this embodiment.
  • Figure 17b is a cross-sectional view taken along line E-E of Figure 17a.
  • the throwing knife 503 includes metal filled in the first recess 901 to form two metal bumps.
  • the surface of the semiconductor structure shown in FIG. 17 is covered with a sacrificial medium,
  • the sacrificial medium is patterned to form an upper sacrificial dielectric layer 802. Since the robot arm is an open bridge-like structure, the lower sacrificial dielectric layer 801 located below it is not closed, so the upper sacrificial dielectric layer 802 located above it can be connected to the lower sacrificial dielectric layer 801.
  • the material and thickness of the upper sacrificial dielectric layer 802 are the same as those of the lower sacrificial dielectric layer 801.
  • a top dielectric layer 100b is formed on a surface of the upper sacrificial dielectric layer 802, and the top dielectric layer 100b is etched to form a second recess 902 at the bottom exposing the sacrificial dielectric layer 802.
  • the two grooves 902 are aligned with the throwing knife 503 of the lower robot arm.
  • a certain depth of over-etching may be performed such that the bottom surface of the second recess 902 is lower than the lower surface of the top dielectric layer 100b.
  • Figure 19b is a cross-sectional view taken along line EE of Figure 19a.
  • the second recess 902 is used to make a second set of switch contacts, and thus includes two recesses corresponding to the second input contacts. And a second output contact, and the spacing between the two grooves is substantially the same as the distance between the first input contact 101a and the first output contact 101b.
  • a third metal layer 703 is formed on the surface of the top dielectric layer 100b.
  • the material of the third metal layer 703 may be the same as that of the first metal layer 701, and is formed by physical vapor deposition.
  • the third metal layer 703 is etched to form a first upper electrode plate 601b, a second upper electrode plate 602b, and a second set of switch contacts 102.
  • the first upper electrode plate 601b and the second upper electrode plate 602b are respectively aligned with the lower first lower electrode plate 601a and the second lower electrode plate 602a, and have the same shape and area.
  • the second set of switch contacts 102 i.e., the portion of the original third metal layer 703, is filled in the second recess 902.
  • Figure 21b is a cross-sectional view taken along line E-E of Figure 21a.
  • the second set of switch contacts 102 includes a second isolated contact 102a and a second output contact 102b. Since the second recess 902 extends through the top dielectric layer 100b, the second input contact 102a and the second output contact 102b also penetrate the top dielectric layer 100b.
  • etching the third metal layer 703 it further includes simultaneously forming a metal interconnection line connected to each of the metal layers to connect the metal layer to an external circuit.
  • the top dielectric layer 100b is etched to form a plurality of vias 904 exposing the upper sacrificial dielectric layer 802 through which the upper sacrificial dielectric layer 802 and the lower sacrificial dielectric layer 801 are removed.
  • the upper sacrificial dielectric layer 802 and the lower sacrificial dielectric layer 801 are both amorphous carbon, and oxygen can be introduced into the through hole 904, and an ashing process is performed to remove the amorphous carbon.
  • the heating temperature of the ashing process is from 100 ° C to 350 ° C. At this temperature, the amorphous carbon is oxidized to carbon dioxide or carbon monoxide gas, and is discharged through the through hole 904 to be completely removed, and the rest of the device Part will not be affected.
  • the MEMS switch of the second embodiment of the present invention is formed. After the lower sacrificial dielectric layer 801 and the upper sacrificial dielectric layer 802 are removed, the mechanical arm is connected to the fixed ends of the first connection region 103a and the second connection region 103b, and the free end of the middle portion and the throwing knife 503 are suspended. status.
  • a cover layer 104 may be formed on the surface of the MEMS switch shown in Fig. 11 to form a closed switch cavity.
  • the cover layer 104 is made of silicon oxide and formed by chemical vapor deposition. The cover layer 104 can more easily enclose the via 904 on the top dielectric layer 100b without penetrating into the MEMS switch.
  • the MEMS switch of the first embodiment is similar in structure to the MEMS switch of the second embodiment except that the mechanical arm is the same, and the mechanical arm of the second embodiment actually It may be equivalent to symmetrical arrangement of the mechanical arms of the two first embodiments.
  • the manufacturing method of the MEMS switch of the second embodiment provided above, the manufacturing method of the MEMS switch of the first embodiment is easily derived, and details are not described herein.
  • Fig. 24 and Fig. 25 respectively show schematic cross-sectional views of the MEMS switch fabricated by the above method in different operating states.

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Description

MEMS开关及其制作方法
本申请要求于 2010 年 12 月 27 日提交中国专利局、 申请号为 201010608168.2、发明名称为" MEMS开关及其制作方法"的中国专利申请的优 先权， 其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及微机电机械***（MEMS )器件制造领域， 尤其涉及一种单刀 双掷的 MEMS开关及其制作方法。
背景技术
£机电机械***（ Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS )是一种可集 成化生产， 集微型机构、 微型传感器、 微型执行器以及信号处理和控制电路于 一体的微型器件或***。它是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械 加工技术的发展而发展起来的。 采用 MEMS技术的微电子器件在航空、航天、 环境监控、生物医学以及几乎人们所接触到的所有领域中有着十分广阔的应用 前景。
相对于传统的机械结构， MEMS器件的尺寸更小， 最大不超过一个厘米， 甚至仅仅为数个微米， 其中的器件层厚度就更加微小。 由于采用了以硅为主的 半导体材料， 因此可大量利用半导体集成电路生产中的成熟技术、 工艺， 进行 低成本的批量化生产。其中微机械结构作为传感、传动以及运动机构是 MEMS 器件的最重要的组成部分，微机械结构通常需要设置于封闭空间中， 以避免收 到外部环境影响， 包括固定的支撑部分以及可活动且悬浮的自由端。 当所述微 机械结构受到外界磁场力或电场力的作用下发生弯曲，其自由端与封闭空间的 不同区域相接触， 而实现电性连接， 所述 MEMS器件便能够起到开关的作用。
开关根据结构的差别可以分为单刀单掷开关或单刀双掷开关，后者能起到 路径切换的作用， 因而在电路以及信号传输***中具有广泛的应用，传统的单 刀双掷开关器件体积较大， 难以集成于芯片中。 而利用 MEMS器件制作单刀 双掷开关， 能够极大的提高器件的集成度。 更多关于单刀双掷的 MEMS开关 的内容， 可以参见专利号为 US60/561192的美国专利。
随着应用环境的日趋复杂以及器件的日益微缩，提供结构更为筒单， 制作 更为容易，并更易于器件微缩的 MEMS开关成为 MEMS技术的发展方向之一。 发明内容
本发明的目的在于提供一种具有单刀双掷功能的 MEMS开关及其制作方 法， 结构筒单且易于生产制造。
本发明所述的 MEMS开关， 包括：
半导体衬底； 位于半导体衬底上的开关腔体， 所述开关腔体包括底部介质 层以及顶部介质层；
位于所述底部介质层的第一组开关触点，包括第一输入触点以及第一输出 触点； 位于所述顶部介质层的第二组开关触点， 包括第二输入触点以及第二输 出触点；
还包括机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体底部介质层上的固定端以 及悬浮的自由端， 所述自由端上形成有掷刀； 所述掷刀与所述第一组开关触点 以及第二组开关触点的位置相对应；
在开关腔体内施加驱动电场时， 所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使 得掷刀接触底部介质层将所述第一输入触点与第一输出触点电连接，或者接触 顶部介质层将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
可选的， 所述机戈臂为 Z字形结构， 其一端为固定端， 另一端为自由端， 所述固定端与自由端具有高度差。
所述底部介质层上形成有连接区， 所述连接区与机械臂的固定端连接。 所述 MEMS开关还包括形成于所述顶部介质层的上电极板以及形成于所 述底部介质层的下电极板，所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述下电极板 以及上电极板。
可选的， 所述下电极板设置于所述底部介质层的表面， 所述上电极板设置 于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
所述机械臂包括支撑结构以及导电电极，所述导电电极沿支撑结构表面自 固定端向自由端延伸， 且与所述掷刀绝缘。
可选的， 所述机械臂为桥梁状结构， 其两端为固定端， 中部为自由端。 所 述底部介质层上形成有第一连接区以及第二连接区，所述第一连接区以及第二 连接区关于所述第一组开关触点对称， 且分别与机械臂的两固定端连接。
所述 MEMS开关还包括形成于所述顶部介质层上并关于第二组开关触点 对称的第一上电极板以及第二上电极板，形成于底部介质层上并关于第一组开 关触点对称的第一下电极板以及第二下电极板；所述机械臂的自由端在垂直方 向对准所述上述下电极板以及上电极板。
可选的，所述第一下电极板以及第二下电极板形成于所述底部介质层的表 面，所述第一上电极板以及第二上电极板形成于所述顶部介质层相对于底部介 质层的另一侧表面。
所述机械臂包括支撑结构以及第一导电电极、 第二导电电极， 所述第一导 电电极以及第二导电电极沿所述支撑结构的表面，分别自机械臂的两固定端向 中部自由端延伸， 且均与所述掷刀绝缘。
本发明还提供了一种 MEMS开关的制作方法， 包括：
提供半导体衬底， 在所述半导体衬底上形成底部介质层； 在所述底部介质 层的表面形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区；
在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层，所述下牺牲介质层 暴露出连接区以及部分底部介质层；
在所述下牺牲介质层的部分表面上形成与所述连接区连接的机械臂； 在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层，所述上牺牲介质层与 下牺牲介质层连接；
在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板； 所述第二组开关 触点与第一组开关触点的位置相对应， 所述上电极板与下电极板的位置相对 应；
刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通孔， 通过所述通 孔， 去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
其中， 所述在底部介质层表面形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区 包括：
在底部介质层表面形成第一金属层；
刻蚀所述第一金属层形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区； 在上述半导体结构表面回填绝缘介质， 提高底部介质层的表面高度； 进行化学机械研磨，使得底部介质层的表面与所述第一组开关触点、 下电 极板以及连接区的顶部平齐。
所述连接区位于下电极板相对于第一组开关触点的外侧， 且所述连接区、 下电极板以及第一组开关触点与后续形成的机械臂的位置相对应。 所述形成下牺牲介质层包括：
在底部介质层表面形成第一牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层形成定位凹槽， 所述定位凹槽露出第一组开关触点； 在第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层厚度与第一牺牲层相 等，使得所述第二牺牲层填平所述定位凹槽， 并在所述定位凹槽处形成第一凹 槽；
刻蚀所述第二牺牲层以及第一牺牲层， 暴露出底部介质层表面的连接区， 形成下牺牲介质层。
所述形成机械臂包括：
在下牺牲介质层以及连接区的部分表面，利用掩模进行选择性沉积形成支 撑介质层， 所述支撑介质层定义所述机械臂的形状；
在所述连接区以及支撑介质层表面形成第二金属层；
刻蚀所述第二金属层形成导电电极以及掷刀 ,所述掷刀包括填充于所述第 一凹槽内的第二金属层， 所述导电电极与连接区连接， 并沿支撑介质层表面自 连接区向所述掷刀延伸。
所述在顶部介质层表面形成第二组开关触点、 上电极板包括：
刻蚀所述顶部介质层形成第二凹槽， 所述第二凹槽对准下方的掷刀，且贯 穿顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第三金属层；
刻蚀所述第三金属层形成第二组开关触点以及上电极板；所述上电极板对 准下方的下电极板， 所述第二组开关触点对准下方的掷刀， 所述第二组开关触 点包括填充于第二凹槽内的第三金属层。 相同。所述去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层包括：向所述通孔内通入氧气， 温度为 100oC ~350oC。
可选的， 所述 MEMS开关制作方法还包括在所述顶部介质层表面形成覆 盖层， 所述覆盖层封闭所述通孔。
本发明所述的 MEMS开关将两组开关触点分别设置于开关腔体的顶部以 及底部， 通过施加外界电场， 驱动机械臂上下弯曲， 从而使得机械臂上的掷刀 与其中一组开关触点接触， 连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现单刀 双掷的控制。 具有结构筒单， 反应灵敏， 易于制造的特点。
附图说明
通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其 他目的、特征和优势将更加清晰。 附图中各实施例相同的部件使用了相同的附 图标记。 附图并未按比例绘制， 重点在于示出本发明的主旨。 在附图中为清楚 起见， 放大了层和区域的尺寸。
图 1是本发明所述 MEMS开关的第一实施例的剖面示意图；
图 2是图 1所示 MEMS开关中沿 A-A剖线的俯视示意图；
图 3是图 1所示 MEMS开关中沿 B-B剖线的俯视示意图；
图 4是图 1所示 MEMS开关中沿 C-C剖线的俯视示意图；
图 5是本发明所述 MEMS开关的第二实施例的剖面示意图；
图 6是图 5所示 MEMS开关中沿 A'-A'剖线的俯视示意图；
图 7是图 5所示 MEMS开关中沿 B'-B'剖线的俯视示意图；
图 8是图 5所示 MEMS开关中沿 C'-C'剖线的俯视示意图；
图 9为本发明所述 MEMS开关的制作方法的流程示意图；
图 10至图 23为本发明第二实施例的 MEMS开关的制作方法各步骤的剖 面示意图；
图 10a至图 20a为本发明第二实施例的 MEMS开关的制作方法各步骤的 俯视示意图；
图 13b为图 13a中沿 E-E剖线的剖面示意图;
图 17b为图 17a中沿 E-E剖线的剖面示意图;
图 19b为图 19a中沿 E-E剖线的剖面示意图;
图 21b为图 21a中沿 E-E剖线的剖面示意图。
图 24以及图 25分别示出了第二实施例 MEMS开关在不同工作状态下的 剖面示意图。
具体实施方式
本发明所述的 MEMS开关的基本结构包括：
半导体衬底； 位于半导体衬底上的开关腔体， 所述开关腔体的包括底部介 质层以及顶部介质层；
位于所述底部介质层的第一输入触点以及第一输出触点；
位于所述顶部介质层的第二输入触点以及第二输出触点；
还包括位于所述开关腔体内的机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体上 的固定端以及悬浮的自由端， 所述自由端上形成有掷刀；
在开关腔体内施加驱动电场时， 所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使 得掷刀接触底部介质层，将所述第一输入触点与第一输出触点电连接， 或者接 触顶部介质层， 将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
上述 MEMS开关将两组开关触点分别设置于开关腔体的顶部以及底部， 通过施加外界电场，驱动机械臂上下弯曲，从而使得机械臂上的掷刀与其中一 组开关触点接触， 连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现单刀双掷的控 制。 具有结构筒单， 反应灵敏， 易于制造的特点。 第一实施例
图 1是本发明所述 MEMS开关的第一实施例的剖面示意图， 本实施例的
MEMS开关的结构包括：
半导体衬底 10;位于半导体衬底 10上的开关腔体 100,所述开关腔体 100 的内表面包括底部介质层 100a以及顶部介质层 100b; 位于所述开关腔体 100 内的机械臂 400, 所述机械臂 400的一端为固定端 400a, 且固定于所述底部介 质层 100a上， 另一端为悬浮的自由端 400b, 所述自由端 400b上形成有掷刀
401。
图 2是图 1所示 MEMS开关中沿 A-A剖线的俯视示意图， 示出了本实施 例的底部介质层 100a的结构。 结合图 2所示， 所述底部介质层 100a上形成有 第一组开关触点 101 , 包括第一输入触点 101a以及第一输出触点 101b; 所述 第一输入触点 101a与第一输出触点 101b可以为方形金属层、或者金属以及其 他导电材质的凸点， 分别作为 MEMS开关的第一组输入端以及输出端， 并与 外部电路相连接。
所述底部介质层 100a上形成有下电极板 301a,所述下电极板 301a作为产 生所述驱动电场的一极。 本实施例中， 所述下电极板 301a位于所述第一组开 关触点 101的一侧， 其形状可以为方形、 多边形、 圆形等， 材质可以为铜、铝、 钛、 钽、 镍、 钴等金属或其合金组合以及多晶硅、 错硅或其他常用的半导体导 电材料， 以便与半导体制造工艺尤其是 CMOS工艺相兼容。
所述底部介质层 100a上还形成有连接区 103 , 所述连接区 103用于与所 述机械臂 400的固定端 400a连接， 从而固定机械臂 400的位置。 本实施例中， 所述连接区 103位于所述下电极板 301a相对于第一组开关触点 101的另一侧， 且所述连接区 103、 下电极板 301a以及第一组开关触点 101与机械臂 400在 垂直方向上相对应。
图 3是图 1所示 MEMS开关中沿 B-B剖线的俯视示意图， 示出了本实施 例的顶部介质层 100b的结构。 结合图 3所示， 所述顶部介质层 100b相对于底 部介质层 100a的一侧表面形成有第二组开关触点 102,包括第二输入触点 102a 以及第二输出触点 102b; 所述第二输入触点 102a与第二输出触点 102b, 作为 MEMS 开关的第二组输入端以及输出端， 分别与外部电路相连接。 此外， 所 述第二输入触点 102a以及第二输出触点 102b应当在垂直方向上分别对准其下 方的第一输入触点 101a以及第二输出触点 101b。 以便于 MEMS开关的机械 臂 400在向上或向下两个方向弯曲时， 设置于其上的掷刀 401 , 能准确地与相 应的触点相接触。 通常为了筒化结构， 所述第二输入触点 102a以及第二输出 触点 102b的材质、 形状、 间距可以与第一输入触点 101a 以及第一输出触点 101b相同。
所述顶部介质层 100b相对于底部介质层 100a的另一侧表面上还形成有上 电极板 301b, 所述上电极板 301b作为产生所述驱动电场的另一极。 同样， 所 述上电极板 301b应当在垂直方向上对准其下方的下电极板 301a, 且形状、 面 积以及材质与下电极板 301a相同。 当分别向所述上电极板 301b与下电极板 301a通电时， 两者之间的电压差能够使得所述开关腔体 100 内形成自上而下 或自下而上的驱动电场。
图 4是图 1所示 MEMS开关中沿 C-C剖线的俯视示意图， 示出了本实施 例的机械臂 400的结构。 结合图 4所示， 所述机械臂 400包括与底部介质层 100a的连接区 103连接的固定端 400a以及悬浮的自由端 400b, 所述自由端 400b上形成有掷刀 401 , 所述掷刀 401 分别与位于其上方的第一组开关触点 101以及位于其下方的第二组开关触点 102相对应。 具体的， 所述机械臂 400 为柔性结构，其自由端 400b在垂直方向上对准底部介质层 100a上的下电极板 301a以及顶部介质层 100b上的上电极板 301b。 当分别向所述下电极板 301a 以及上电极板 301b通电， 形成驱动电场时， 所述机械臂 400, 尤其是机械臂 400的自由端 400b能够处于所述驱动电场内。
所述柔性结构的机械臂 400 包括支撑结构 403 以及形成于所述支撑结构 403上的导电电极 402, 所述导电电极 402沿支撑结构 403的表面， 自固定端 400a向自由端 400b延伸， 所述导电电极 402可以通过连接区 103与外部电路 连接， 以便于向所述导电电极 402通入电荷； 但所述导电电极 402应当与掷刀 401相互绝缘。 当向所述导电电极 402中通入正电荷或负电荷， 可以使得机械 臂 400在所述驱动电场中受到电场力作用而向上或向下弯曲。此外， 所述支撑 结构 403可以为绝缘材质， 可以避免机械臂 400弯曲时，导电电极 402与下电 极板 301a接触而发生短路。
所述掷刀 401可以是金属、 多晶硅或其他导电材料， 可以为条状、 柱状或 刀片状；由于所述掷刀 401分别与位于其上方的第一组开关触点 101以及位于 其下方的第二组开关触点 102相对应， 因此机械臂 400在向上或向下弯曲时， 掷刀 401能够与其中一组开关触点接触， 连通相应的输入触点与输出触点，从 而实现单刀双掷的作用。
在本实施例中， 所述机械臂 400呈 "Z" 字形， 当机械臂 400固定于开关 腔体 100中时， 自由端 400b与固定端 400a具有不同的高度。 具体的， 当固定 端 400a与底部介质层 100a上的连接区 103固定连接时， 所述自由端 400b与 固定端 400a之间， 也即与底部介质层 100a之间存在高度差， 所述高度差使得 所述自由端 400b悬浮于开关腔体 100中。 作为优选实施例， 在机械臂 400未 弯曲时， 其自由端 400b应当介于顶部介质层 100b与底部介质层 100a之间， 且位于中间位置。 所述机械臂 400受驱动电场作用而弯曲时， 其自由端 400b 上的掷刀 401向上或向下移动， 经过相同的行程，便能够与相应的开关触点接 触。
第二实施例
在第一实施例中， 所述机械臂 400的一端为固定端 400a, 另一端为悬浮 的自由端 400b。 由于机械臂 400为柔性结构， 自由端 400b除了向上或向下移 动外， 还可以横向移动， 因此所述自由端 400b具有四个方向的运动自由度。 在 MEMS开关的某些应用场合中， 由于受到外部碰撞或加速度影响， 很容易 导致机械臂 400的自由端 400b产生横向的错位， 使得掷刀 401将无法对准位 于其上方或下方的开关触点。 当所述 MEMS开关工作时， 如果掷刀 401不能 准确与开关触点接触，将使得输入触点与输出触点不能正常连通， 甚至使得本 应绝缘的金属层之间产生短路， 而导致 MEMS开关失效。 因此本发明还提供 了第二实施例的 MEMS开关解决上述问题。
图 5是本发明所述 MEMS开关的第二实施例的剖面示意图， 结合图 5以 及图 1 所示， 与第一实施例相比较， 所述第二实施例的区别仅在于， MEMS 开关中所述机械臂为桥梁状结构， 其两端为固定端， 而中部为自由端。 以上设 置使得机械臂的自由端仅具有两个方向的运动自由度， 只能向上或向下移动。 以下对本实施例 MEMS开关的具体结构作进一步介绍， 其中与第一实施例相 同的部件结构， 使用了相同的附图标号。
本实施例的 MEMS开关的结构包括：
半导体衬底 10;位于半导体衬底 10上的开关腔体 100,所述开关腔体 100 的内表面包括底部介质层 100a以及顶部介质层 100b; 位于所述开关腔体 100 内的机械臂 500, 所述机械臂 500为桥梁状结构， 其两端为固定端， 包括第一 固定端 501a 以及第二固定端 501b, 上述两固定端均固定于所述底部介质层 100a上； 所述机戈臂 500的中部为悬浮的自由端 502, 所述自由端 502上形成 有掷刀 503。
图 6是图 5所示 MEMS开关中沿 A，-A，剖线的俯视示意图，示出了本实施 例的底部介质层 100a的结构。 结合图 6所示， 所述底部介质层 100a上形成有 第一组开关触点 101 , 包括第一输入触点 101a以及第一输出触点 101b; 所述 第一输入触点 101a与第一输出触点 101b可以为方片金属层、金属或其他导电 材质的凸点， 分别作为 MEMS开关的第一组输入端以及输出端， 并与外部电 路相连接。
所述底部介质层 100a上形成有两块下电极板， 包括第一下电极板 601a以 及第二下电极板 602a。所述第一下电极板 601a以及第二下电极板 602a分别设 置于第一组开关触点 101的两侧，且关于第一组开关触点 101对称。上述两块 下电极板作为产生所述驱动电场的同一极。进一步的，可以使用金属互连线（图 未示出）将所述第一下电极板 601a以及第二下电极板 602a电连接。 与第一实 施例相类似， 上述两下电极板的形状可以为方形、 多边形、 圆形等， 材质可以 为铜、 铝、 钛、 钽、 镍、 钴等金属或其合金组合以及多晶硅、 错硅或其他常用 的半导体导电材料。 作为优选的方案， 所述第一下电极板 601a以及第二下电 极板 602a的形状、 面积以及材质应当相同， 以便在开关腔体 100内形成均匀 的驱动电场。
所述底部介质层 100a还形成有两块连接区， 包括第一连接区 103a以及第 二连接区 103b, 上述两连接区分别与所述机械臂 500的固定端 501a以及固定 端 501b连接，从而固定机械臂 500的位置。本实施例中，所述第一连接区 103a 以及第二连接区 103b分别设置于第一组开关触点 101的两侧， 且关于第一组 开关触点 101对称。 进一步的， 所述第一连接区 103a以及第二连接区 103b分 别位于第一下电极板 601a 以及第二下电极板 602a的外侧。 上述第一连接区 103a, 第一下电极板 601a、 第一组开关触点 101、 第二下电极板 602a以及第 二连接区 103b与机械臂 400在垂直方向上相对应。
图 7是图 5所示 MEMS开关中沿 B，-B，剖线的俯视示意图，示出了本实施 例的顶部介质层 100b的结构。 结合图 7所示， 所述顶部介质层 100b相对于底 部介质层 100a的一侧表面上形成有第二组开关触点 102, 包括第二输入触点 102a以及第二输出触点 102b; 所述第二输入触点 102a与第二输出触点 102b 作为 MEMS开关的第二组输入端以及输出端， 分别与外部电路相连接。 此外， 所述第二输入触点 102a以及第二输出触点 102b应当在垂直方向上分别对准其 下方的第一输入触点 101a以及第二输出触点 101b。 所述第二组开关触点 102 的材质、 形状、 间距可以与第一组开关触点 101相同。
所述顶部介质层 100b相对于底部介质层的另一侧表面上还形成有两块上 电极板， 包括第一上电极板 601b以及第二上电极板 602b。 所述第一上电极板 601b以及第二上电极板 602b分别设置于第二组开关触点 102的两侧， 且关于 第二组开关触点 102 对称。 上述两块上电极板作为产生所述驱动电场的另一 极。 进一步的， 可以使用金属互连线 （图未示出）将所述第一上电极板 601b 以及第二上电极板 602b 电连接。 所述第一上电极板 601b 以及第二上电极板 602b应当在垂直方向上分别对准其下方的第一下电极板 601a以及第二下电极 板 602a, 且形状、 面积以及材质相同。 当分别向两块上电极板以及两块下电 极板通电时， 能够在所述开关腔体 100 内形成自上而下或自下而上的驱动电 场。 图 8是图 5所示 MEMS开关中沿 C，-C，剖线的俯视示意图，示出了本实施 例的机械臂 500的结构。 结合图 8所示， 所述机械臂 500为桥梁状结构， 包括 分别与连接区 103a以及连接区 103b连接的固定端 501 a以及固定端 501b, 以 及中部的自由端 502, 所述自由端 502上形成有掷刀 503。 与第一实施例相同， 所述掷刀 503分别与位于其上放的第一组开关触点 101以及位于其下方的第二 组开关触点 102相对应。 具体的， 所述机械臂 500为柔性结构， 其自由端 502 在垂直方向上对准底部介质层 100a上的两块下电极板以及顶部介质层 100b上 的两块上电极板。 当形成所述驱动电场时， 所述机械臂 500的自由端 502能够 处于所述驱动电场内。 的第一导电电极 504a以及第二导电电极 504b, 所述第一导电电极 504a沿所 述支撑结构 505表面自固定端 501a向自由端 502延伸，且可以通过连接区 103a 与外部电路连接； 所述第二导电电极 504b沿所述支撑结构 505表面自固定端 501b向自由端 502延伸， 且可以通过连接区 103b与外部电路连接。 所述第一 导电电极 504a以及第二导电电极 504b应当均与掷刀 503相互绝缘。当向所述 第一导电电极 504a以及第二导电电极 504b中通入正电荷或负电荷，可以使得 机械臂 500在驱动电场中受到电场力作用而弯曲。为了使得机械臂 500所受电 场力均勾一致，应当向第一导电电极 504a以及第二导电电极 504b中通入同种 类以及同数量的电荷。 作为优选的方案， 可以在外部电路中将第一导电电极 504a与第二导电电极 504b电连接。 与第一实施例相同， 所述支撑结构 505可 以为绝缘材质， 可以避免机械臂 500弯曲时， 所述第一导电电极 504a以及第 二导电电极 504b与两块下电极板接触而发生短路。
所述掷刀 503分别与位于其上方的第一组开关触点 101以及位于其下方的 第二组开关触点 102相对应， 使得机械臂 500在向上或向下弯曲时， 掷刀 503 能够与其中一组开关触点接触， 连通相应的输入触点以及输出触点，从而实现 单刀双掷的作用。
本实施例中， 所述机械臂 500呈 "Ω" 形， 使得机械臂 500在固定于开关 腔体 100中时，中部的自由端 502与两侧的固定端 501a以及固定 501b具有不 同的高度。 具体的， 当固定端 501a与连接区 103a固定连接， 固定端 501b与 连接区 103b连接时， 所述自由端 502与底部介质层 100a之间存在高度差， 所 述高度差使得自由端 502悬浮于开关腔体 100中。作为优选实施例，在机械臂 500未弯曲时， 其自由端 502应当介于顶部介质层 100b与底部介质层 100a之 间， 且位于中间位置。 所述机械臂 500 受驱动电场驱动而弯曲时， 其自由端 502上的掷刀 503向上或向下移动， 经过相同的行程， 便能够与相应的开关触 点接触。
本发明还提供了上述 MEMS开关的制作方法。 图 9为所述制作方法的流 程示意图， 基本步骤包括：
执行步骤 S101、 提供半导体衬底， 在所述半导体衬底上形成底部介质层； 在所述底部介质层的表面形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区。
其中， 所述底部介质层应当为绝缘材质。 所述第一组开关触点、 下电极板 以及连接区均可以为金属， 可以先在底部介质层表面形成第一金属层， 然后刻 蚀所述第一金属层形成上述第一组开关触点、 下电极板以及连接区。所述第一 组开关触点、 下电极板以及连接区的具体形状以及相对位置关系，在前述结构 实施例中已有详细描述， 此处不再赘述。
执行步骤 S102、 在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层， 所述下牺牲介质层暴露出连接区以及部分底部介质层。
其中， 所述下牺牲介质层用于形成机械臂悬浮的自由端的下方空间， 其厚 度决定了所述自由端与底部介质层的间距。所述下牺牲介质层表面还形成有第 一凹槽，所述第一凹槽对准第一组开关触点，用于制作机械臂自由端上的掷刀。
执行步骤 S103、 在所述下牺牲介质层的部分表面上形成机械臂。
具体的，先在所述下牺牲介质层以及连接区的部分表面上形成绝缘的支撑 介质层， 所述支撑介质层与预形成的机械臂的形状相同，且暴露出所述第一凹 槽； 然后在所述支撑介质层、部分连接区表面以及第一凹槽内形成连续的第二 金属层， 刻蚀所述第二金属层形成机械臂的导电电极以及掷刀。上述支撑介质 层、 导电电极以及掷刀便组成了本发明所述机械臂。 其中， 支撑介质层一方面 起到构成机械臂的骨架并支撑导电电极以及掷刀的作用，另一方面还可以避免 机械臂向下弯曲时， 导电电极与底部介质层上的下电极板相接触。
执行步骤 S104、 在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层， 所 述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接。
其中， 所述上牺牲介质层用于形成机械臂悬浮的自由端的上方空间， 其厚 度决定了所述自由端与顶部介质层的间距。
执行步骤 S105、 在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层；
其中， 所述顶部介质层上还形成有第二凹槽， 所述第二凹槽贯穿顶部介质 层， 其底面低于顶部介质层的下表面。 所述第二凹槽对准机械臂的掷刀， 用于 制作第二组开关触点。
执行步骤 S106、 在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、 上电极板。 可以先在顶部介质层表面形成第三金属层，然后刻蚀所述第三金属层形成 上述第二组开关触点以及上电极板。其中第三金属层填充于第二凹槽内的部分 作为第二组开关触点， 由于第二凹槽贯穿所述顶部介质层， 因此所述第二组开 关触点实际上也贯穿所述顶部介质层。
执行步骤 S107、 刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通 孔， 通过所述通孔， 去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
由于所述上牺牲介质层与下牺牲介质层连接，因此仅通过顶部介质层上的 通孔， 便能够同时去除所述上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
经过上述步骤便能够形成本发明所述的 MEMS开关。
下面以第二实施例的 MEMS开关结构为例，对本发明所述 MEMS开关的 制作方法作进一步介绍。 图 10至图 23为本发明第二实施例的 MEMS开关的 制作方法各步骤的剖面示意图。图 10a至图 20a为上述制作方法各步骤的俯视 示意图。其中图 10是图 10a中沿 D-D剖线的剖面示意图，后续附图一一对应， 不再赘述。
如图 10以及图 10a所示， 首先提供半导体衬底 10, 所述半导体衬底 10 可以为硅衬底或绝缘体上硅， 可以形成有金属互连或其他半导体器件（图中未 示出）， 以便于本发明所述的 MEMS开关与其他采用 CMOS工艺的半导体芯 片相集成。在所述半导体衬底 10的表面形成底部介质层 100a以及第一金属层 701。 所述底部介质层 100a为绝缘介质， 本实施例中， 所述底部介质层 100a 为二氧化硅，采用化学气相沉积工艺形成。所述第一金属层 701可以为铜、铝、 钛、 钽、 镍、 钴等金属或其合金组合， 采用物理气相沉积工艺形成。
如图 11以及图 11a所示，刻蚀所述第一金属层 701形成第一连接区 103a、 第一下电极板 601a、 第一组开关触点 101、 第二下电极板 602a以及第二连接 区 103b。 其中， 所述第一组开关触点 101 包括第一输入触点 101a以及第二输入触 点 101b, 所述第一输入触点 101a以及第二输入触点 101b为金属凸点， 两者 沿底部介质层 100a的表面纵向排列， 间距为 20θΑ~5μηι。
所述第一连接区 103a、 第一下电极板 601a、 第一组开关触点 101、 第二 下电极板 602a以及第二连接区 103b与预形成的机械臂在垂直方向上相对应。 所述第一连接区 103a与第二连接区 103b、 第一下电极板 601a以及第二下电 极板 602a均关于第一组开关触点 101对称设置， 且均为方形金属层。
此外在刻蚀所述第一金属层 701时，还包括同时形成与上述各金属层连接 的金属互连线， 用于将上述金属层与外部电路连接。
作为可选的方案，在刻蚀完第一金属层 701后还可以在上述半导体结构表 面回填绝缘介质， 提高底部介质层 100a的表面高度。 具体的， 可以采用化学 气相沉积工艺沉积二氧化硅，覆盖上述半导体结构表面， 然后进行化学机械研 磨， 使得所述底部介质层 100a的表面与上述各金属层顶部平齐。
如图 12以及图 12a所示，在图 11所示的半导体结构表面形成第一牺牲层 801a, 刻蚀所述第一牺牲层 801a形成定位凹槽 900, 所述定位凹槽 900露出 第一组开关触点 101。 所述第一牺牲层 801a为无定形碳， 采用化学气相沉积 形成。
如图 13以及图 13a所示， 在第一牺牲层 801a表面形成第二牺牲层 801b, 所述第二牺牲层 801b为无定形碳， 采用化学气相沉积形成， 厚度与第一牺牲 层 801a相等。
由于第一牺牲层 801a在定位凹槽 900的边缘处形成了阶梯状结构， 因此 在沉积与第一牺牲层 801a厚度相同的第二牺牲层 801b时， 所述第二牺牲层 801b不但填满了定位凹槽 900 ,还在原定位凹槽 900处形成了新的凹槽， 即所 需的第一凹槽 901。 所述第一凹槽 901能够精确对准其下方的第一组开关触点 101 , 其深度则近似于第二牺牲层 801b的厚度， 宽度略小于原定位凹槽 900。
图 13b为图 13a中沿 E-E剖线的剖面示意图，从图 13b中可见， 由于第一 组开关触点 101包括第一输入触点 101a以及第一输出触点 101b, 因此所述第 一凹槽 901也包括相应的两个凹槽。
如图 14以及图 14a所示， 图形化所述第一牺牲层 801a以及第二牺牲层 801b形成下牺牲介质层 801 , 暴露出其两侧的第一连接区 103a、 第二连接区 103b以及周围的底部介质层 100a。
上述下牺牲介质层 801制作方法， 其优点在于， 所述第一凹槽 901的深度 能够通过调整第二牺牲层 801b的沉积厚度进行精确控制。 而如果采用直接沉 积牺牲介质形成下牺牲介质层， 再刻蚀所述下牺牲介质层形成第一凹槽的方 法， 由于缺乏刻蚀停止层， 需要通过调整所述刻蚀的时间， 因此难以精确控制 所述第一凹槽的深度， 而容易产生过刻蚀。
如图 15 以及图 15a所示， 在下牺牲介质层 801 及其两侧的第一连接区 103a, 第二连接区 103b的部分表面， 采用选择性沉积形成支撑介质层 505。 所述支撑介质层 505呈桥梁状结构， 两端分别与第一连接区 103a以及第二连 接区 103b连接， 中部覆于下牺牲介质层 801的表面， 且暴露出所述第一凹槽 901。 所述支撑介质层 505的材质为氧化硅、 氮化硅、 氮氧化硅等绝缘材料， 其厚度过厚将造成机械臂刚性过大而弯曲困难， 而过薄则影响机械臂的稳定 性， 因此需要根据 MEMS开关的实际器件尺寸进行选择。
如图 16以及图 16a所示， 在所述支撑介质层 505及其两侧的第一连接区 103a, 第二连接区 103b的部分表面， 形成第二金属层 702。
所述第二金属层 702材质可以与第一金属层 701相同，采用物理气相沉积 形成。
如图 17 以及图 17a所示， 刻蚀所述第二金属层 702形成第一导电电极 504a, 第二导电电极 504b以及掷刀 503。
其中所述掷刀 503包括第二金属层 702填充于第一凹槽 901的部分，所述 第一导电电极 504a, 第二导电电极 504b与掷刀 503相绝缘， 且关于掷刀 503 对称设置。 具体的， 所述第一导电电极 504a与第一连接区 103a连接， 并沿支 撑介质层 505的表面向掷刀 503延伸， 并与位于其下方的第一下电极板 601a 相对应； 所述第二导电电极 504b与第二连接区 103b连接， 并沿支撑介质层 505的表面向 503延伸， 并与位于其下方的第二下电极板 602a相对应。
上述第一导电电极 504a、 第二导电电极 504b、 掷刀 503以及支撑介质层 505构成本实施例所述桥梁状结构的机械臂。
图 17b为图 17a中沿 E-E剖线的剖面示意图，从图 17b中可见， 所述掷刀 503包括填充于所述第一凹槽 901内的金属， 形成了两个金属凸点。
如图 18以及图 18a所示，在图 17所示半导体结构表面覆盖沉积牺牲介质， 并图形化所述牺牲介质形成上牺牲介质层 802。 由于机械臂为开放式的桥梁状 结构， 并未封闭位于其下方的下牺牲介质层 801 , 因此位于其上方的上牺牲介 质层 802能够与所述下牺牲介质层 801相连接。 优选的， 所述上牺牲介质层 802的材质以及厚度与下牺牲介质层 801相同。
如图 19以及图 19a所示， 在所述上牺牲介质层 802的表面形成顶部介质 层 100b, 刻蚀所述顶部介质层 100b形成底部露出牺牲介质层 802的第二凹槽 902, 所述第二凹槽 902对准下方机械臂的掷刀 503。 优选的， 在形成第二凹 槽 902时， 可以进行一定深度的过刻蚀，使得所述第二凹槽 902的底面低于顶 部介质层 100b的下表面。
图 19b为图 19a中沿 E-E剖线的剖面示意图，从图 19b中可见， 所述第二 凹槽 902用于制作第二组开关触点， 因此包括两个凹槽， 分别对应第二输入触 点以及第二输出触点， 且上述两凹槽的间距与第一输入触点 101a、 第一输出 触点 101b的间 巨一致。
如图 20以及图 20a所示，在所述顶部介质层 100b的表面形成第三金属层 703。 所述第三金属层 703材质可以与第一金属层 701相同， 采用物理气相沉 积形成。
如图 21 以及图 21a所示， 刻蚀所述第三金属层 703 形成第一上电极板 601b, 第二上电极板 602b以及第二组开关触点 102。
所述第一上电极板 601b以及第二上电极板 602b分别对准下方的第一下电 极板 601a以及第二下电极板 602a, 且形状、 面积尺寸相同。 所述第二组开关 触点 102即原第三金属层 703填充于第二凹槽 902的部分。
图 21b为图 21a中沿 E-E剖线的剖面示意图，从图 21b中可见， 所述第二 组开关触点 102包括相隔离的第二输入触点 102a以及第二输出触点 102b。 由 于第二凹槽 902贯穿顶部介质层 100b, 因此所述第二输入触点 102a以及第二 输出触点 102b也贯穿所述顶部介质层 100b。
同样在刻蚀所述第三金属层 703时，还包括同时形成与上述各金属层连接 的金属互连线， 用于将上述金属层与外部电路连接。
如图 22以及图 22a所示，刻蚀所述顶部介质层 100b形成若干暴露出上牺 牲介质层 802的通孔 904, 通过所述通孔 904去除上牺牲介质层 802以及下牺 牲介质层 801。 所述上牺牲介质层 802以及下牺牲介质层 801均为无定形碳，可以向所述 通孔 904内通入氧气， 并进行灰化工艺， 去除所述无定形碳。 具体的， 所述灰 化工艺的加热温度为 lOOoC ~350oC, 在此温度下， 所述无定形碳被氧化成二 氧化碳或一氧化碳气体， 并通过通孔 904排出， 较为彻底地去除， 而器件的其 余部分不会受到影响。
经过上述步骤便形成本发明第二实施例的 MEMS开关。 所述下牺牲介质 层 801以及上牺牲介质层 802去除后，所述机械臂除了连接于第一连接区 103a 以及第二连接区 103b的固定端外， 其中部的自由端以及掷刀 503处于悬浮状 态。
如图 23所示， 通常为了保证 MEMS开关的封闭性， 还可以在所述图 11 所示 MEMS开关的表面形成覆盖层 104, 从而构成封闭的开关腔体。 所述覆 盖层 104的材质为氧化硅， 采用化学气相沉积形成。所述覆盖层 104能够较容 易地将顶部介质层 100b上的通孔 904封闭， 而不会渗入 MEMS开关内。
从图 1以及图 5中不难看出， 所述第一实施例的 MEMS开关与第二实施 例的 MEMS开关的结构相似， 区别仅在于机械臂， 而所述第二实施例的机械 臂实际上可以等效于将两个第一实施例的机械臂对称设置。根据上述提供的第 二实施例 MEMS开关的制作方法， 艮容易推得第一实施例 MEMS开关的制作 方法， 此处不再赘述。
图 24以及图 25分别示出了以上方法所制作的 MEMS开关在不同工作状 态下的剖面示意图。
如图 24所示， 假设机械臂向下弯曲直至接触底部介质层 100a, 使得所述 掷刀 503 同时与第一输入触点 101a以及第一输出触点 101b接触， 由于掷刀 503为导电金属， 上述接触将第一输入触点 101a与第一输出触点 101b连通。
如图 25所示， 假设机械臂向上弯曲直至接触顶部介质层 100b, 使得所述 掷刀 503同时与第二输入触点 102a以及第二输出触点 102b接触，从而将第二 输入触点 102a与第二输出触点 102b连通。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何 本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法 和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改， 因此， 凡是未脱离本发 改、 等同变化及修饰， 均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

权 利 要 求
1、 一种 MEMS开关， 其特征在于， 包括： 半导体衬底； 位于半导体衬底上的开关腔体， 所述开关腔体包括底部介质 层以及顶部介质层； 位于所述底部介质层的第一组开关触点，包括第一输入触点以及第一输出 触点；
位于所述顶部介质层的第二组开关触点，包括第二输入触点以及第二输出 触点；
还包括机械臂，所述机械臂包括固定于开关腔体底部介质层上的固定端以 及悬浮的自由端， 所述自由端上形成有掷刀； 所述掷刀与所述第一组开关触点 以及第二组开关触点的位置相对应； 在开关腔体内施加驱动电场时， 所述机械臂受到驱动电场作用而弯曲，使 得掷刀接触底部介质层将所述第一输入触点与第一输出触点电连接，或者接触 顶部介质层将所述第二输入触点以及第二输出触点电连接。
2、如权利要求 1所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述机械臂为 Z字形 结构， 其一端为固定端， 另一端为自由端， 所述固定端与自由端具有高度差。
3、 如权利要求 2所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述底部介质层上形 成有连接区， 所述连接区与机械臂的固定端连接。
4、 如权利要求 2所述的 MEMS开关， 其特征在于， 还包括形成于所述顶 部介质层的上电极板以及形成于所述底部介质层的下电极板，所述机械臂的自 由端在垂直方向对准所述下电极板以及上电极板。
5、 如权利要求 4所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述下电极板设置于 所述底部介质层的表面，所述上电极板设置于所述顶部介质层相对于底部介质 层的另一侧表面。
6、 如权利要求 4所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述机械臂包括支撑 结构以及导电电极， 所述导电电极沿支撑结构表面自固定端向自由端延伸，且 与所述掷刀绝缘。
7、 如权利要求 1所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述机械臂为桥梁状 结构， 其两端为固定端， 中部为自由端。
8、 如权利要求 7所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述底部介质层上形 成有第一连接区以及第二连接区，所述第一连接区以及第二连接区关于所述第 一组开关触点对称， 且分别与机械臂的两固定端连接。
9、 如权利要求 7所述的 MEMS开关， 其特征在于， 还包括形成于所述顶 部介质层上并关于第二组开关触点对称的第一上电极板以及第二上电极板，形 成于底部介质层上并关于第一组开关触点对称的第一下电极板以及第二下电 极板； 所述机械臂的自由端在垂直方向对准所述上述下电极板以及上电极板。
10、 如权利要求 9所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述第一下电极板 以及第二下电极板形成于所述底部介质层的表面，所述第一上电极板以及第二 上电极板形成于所述顶部介质层相对于底部介质层的另一侧表面。
11、 如权利要求 9所述的 MEMS开关， 其特征在于， 所述机械臂包括支 撑结构以及第一导电电极、第二导电电极， 所述第一导电电极以及第二导电电 极沿所述支撑结构的表面， 分别自机械臂的两固定端向中部自由端延伸，且均 与所述掷刀绝缘。
12、 一种 MEMS开关的制作方法， 其特征在于， 包括： 提供半导体衬底，在所述半导体衬底上形成底部介质层； 在所述底部介质 层的表面形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区； 在上述半导体结构的表面形成图形化的下牺牲介质层，所述下牺牲介质层 暴露出连接区以及部分底部介质层； 在所述下牺牲介质层的部分表面上形成与所述连接区连接的机械臂； 在上述半导体结构表面形成图形化的上牺牲介质层，所述上牺牲介质层与 下牺牲介质层连接； 在所述上牺牲介质层表面形成顶部介质层； 在所述顶部介质层表面形成第二组开关触点、上电极板； 所述第二组开关 触点与第一组开关触点的位置相对应， 所述上电极板与下电极板的位置相对 应；
刻蚀所述顶部介质层形成若干暴露出上牺牲介质层的通孔， 通过所述通 孔， 去除上牺牲介质层以及下牺牲介质层。
13、 如权利要求 12所述的制作方法， 其特征在于， 所述在底部介质层表 面形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区包括： 在底部介质层表面形成第一金属层；
刻蚀所述第一金属层形成第一组开关触点、 下电极板以及连接区； 在上述半导体结构表面回填绝缘介质， 提高底部介质层的表面高度； 进行化学机械研磨，使得底部介质层的表面与所述第一组开关触点、 下电 极板以及连接区的顶部平齐。
14、 如权利要求 13所述的制作方法， 其特征在于， 所述连接区位于下电 极板相对于第一组开关触点的另一侧，且所述连接区、 下电极板以及第一组开 关触点与后续形成的机戈臂的位置相对应。
15、 如权利要求 13所述的制作方法， 其特征在于， 所述形成下牺牲介质 层包括： 在底部介质层表面形成第一牺牲层；
刻蚀所述第一牺牲层形成定位凹槽， 所述定位凹槽露出第一组开关触点； 在第一牺牲层表面形成第二牺牲层，所述第二牺牲层厚度与第一牺牲层相 等，使得所述第二牺牲层填平所述定位凹槽， 并在所述定位凹槽处形成第一凹 槽；
刻蚀所述第二牺牲层以及第一牺牲层， 暴露出底部介质层表面的连接区， 形成下牺牲介质层。
16、 如权利要求 15所述的制作方法， 其特征在于， 所述形成机械臂包括： 在下牺牲介质层以及连接区的部分表面，利用掩模进行选择性沉积形成支 撑介质层， 所述支撑介质层定义所述机械臂的形状；
在所述连接区以及支撑介质层表面形成第二金属层； 刻蚀所述第二金属层形成导电电极以及掷刀 ,所述掷刀包括填充于所述第 一凹槽内的第二金属层， 所述导电电极与连接区连接， 并沿支撑介质层表面自 连接区向所述掷刀延伸。
17、 如权利要求 16所述的制作方法， 其特征在于， 在所述顶部介质层表 面形成第二组开关触点、 上电极板包括：
刻蚀所述顶部介质层形成第二凹槽， 所述第二凹槽对准下方的掷刀，且贯 穿顶部介质层；
在所述顶部介质层表面形成第三金属层； 刻蚀所述第三金属层形成第二组开关触点以及上电极板；所述上电极板对 准下方的下电极板， 所述第二组开关触点对准下方的掷刀， 所述第二组开关触 点包括填充于第二凹槽内的第三金属层。
18、 如权利要求 12所述的制作方法， 其特征在于， 所述下牺牲介质层与 上牺牲介质层的材质均为无定形碳， 且厚度相同。
19、 如权利要求 18所述的制作方法， 其特征在于， 所述去除上牺牲介质 层以及下牺牲介质层包括： 向所述通孔内通入氧气， 采用灰化工艺去除所述上 牺牲介质层以及下牺牲介质层， 所述灰化工艺的加热温度为 100oC ~350oC。
20、 如权利要求 12所述的制作方法， 其特征在于， 还包括在所述顶部介 质层表面形成覆盖层， 所述覆盖层封闭所述通孔。
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