[发明专利]具有均匀工作特性的MEMS数字可变电容器的非对称阵列

说明书

发明背景

技术领域

本发明的实施例一般性地涉及微机电系统(MEMS)数字可变电容器(DVC)。

相关技术的描述

如图1中示意性示出的，一些DVC器件基于可移动MEMS元件，具有在可移动MEMS元件之上的控制电极(即上拉或拉离或PU电极)和在可移动MEMS元件之下的控制电极(即拉近或下拉或PD电极)。另外，可移动MEMS元件(即板或悬臂或可移动板电极)之下存在RF电极。工作期间，电压被施加到PU或PD电极，这使得MEMS元件被上拉或下拉至接触以向RF电极提供稳定的最小或最大电容。这样，从可移动元件到RF电极(位于可移动元件之下)的电容能够从当被拉至底部(见图2)时的高电容C_max变化到当被拉至顶部时的低电容C_min(见图3)。

图4示出了MEMSDVC器件是如何在互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的后端制程(即BEOL)中被集成的。连接到RFGND(即RF接地)的金属屏蔽层被置于MEMSDVC器件之下以屏蔽硅衬底使其不受MEMSDVC影响。这确保了硅中的损耗机制将不会负面地影响MEMSDVC器件的RF性能。金属屏蔽层通常被置于下金属层级(例如M₁)中。金属屏蔽层和RF电极(在M_n中实施)之间的另外的金属层级M₂…M_n-1确保了对RF和接地屏蔽层之间的寄生电容的限制。

图5示出了MEMSDVC单元的PD电极和RF电极的俯视图。在典型的MEMSDVC单元中，RF连接在MEMSDVC单元的侧A处建立，而其他连接(GND、PU、PD)在MEMSDVC单元的侧B处建立。

图6示出了为了最佳RF性能，多个MEMSDVC单元是如何绕着RF销被布置的。控制MEMSDVC器件状态的CMOS波形控制器被置于同一芯片中，要么在侧面，要么在MEMS单元之下。

图7示意性地示出了波形控制器到MEMSDVC单元的电连接。可移动元件通常在DC接地上，并且施加到PD电极的电压(Vbottom)和施加到PU电极的电压(Vtop)通常被控制以确保MEMSDVC器件的长寿命的稳定性能。电阻器Rpd和Rpu提供了存在于PU和PD电极上的RF信号与CMOS驱动器之间的隔离。这还确保了没有CMOS噪声被耦合到MEMSDVC单元的RF电极中。另外，这些电阻器提供了使MEMS器件在MEMSDVC单元内阻尼，这允许快速工作。通常，这些电阻器用高电阻率多晶硅产生并且这些电阻器的值为从50kΩ到10MΩ。

图8示出了MEMSDVC单元的侧B附近的MEMSDVC器件的横截面。多晶硅电阻器和PD电极之间建立连接，以允许CMOS波形控制器向每个MEMSDVC单元施加电压，同时维持RF信号和CMOS信号之间的隔离。在接地屏蔽层中生成孔以允许到多晶硅电阻器Rpd的连接。PU电极和多晶硅电阻器Rpu之间建立了类似连接。存在于CMOS衬底中的任何噪声都能够耦合到多晶硅电阻器中并且随后耦合到PD和PU电极中。该噪声随后能够耦合到RF电极中并且影响器件的RF性能。

为了限制在衬底中在MEMS器件附近的噪声，能够避免MEMSDVC器件附近的衬底的地接触，使得在芯片中与MEMS器件相邻(见图6)的CMOS波形控制器中产生的任何CMOS噪声不得不在其到达多晶硅电阻器之前穿过CMOS衬底行进一段距离。由于在MEMS器件的区域中在硅衬底中不存在有源器件，因此在该区域中不需要衬底的地接触。

由于大值的多晶硅电阻器，来自该多晶硅电阻器的寄生电容能够影响施加到MEMS单元的信号的动态特性。多晶硅电阻器将使在其之上的RFGND屏蔽层和在其之下的衬底两者都具有寄生电容。图9示出了给定MEMSDVC单元的多晶硅电阻器Rpu、Rpd的简化的等效电路模型，其具有到RFGND屏蔽层的寄生电容器Cshield，并且具有到衬底的寄生电容器Csub。电压Vtop、Vbottom由CMOS波形控制器相对于同样连接到衬底的CMOS接地产生。通过Csub耦合到衬底的任何电流都必须在到达实际的CMOS接地参照点之前穿过衬底行进一段距离，即存在给定的串联电阻Rsub。耦合到RFGND屏蔽层的电流直接有效耦合到CMOS接地，这是因为RFGND在芯片(由虚线指出)内部或外部连接到CMOSGND。