CN103183309B - 微机电系统（mems）结构和设计结构 - Google Patents

微机电系统（mems）结构和设计结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了微机电系统（MEMS）结构、制造方法和设计结构。所述方法包括在基底上形成至少一个固定电极。所述方法还包括在所述至少一个固定电极之上以从微机电系统（MEMS）梁的顶部观看的变化的宽度尺寸形成所述MEMS梁。

Description

微机电系统（MEMS）结构和设计结构
技术领域
本发明涉及半导体结构和制造方法，更具体而言，涉及微机电系统（MEMS）结构、制造方法和设计结构。
背景技术
变抗器（varactor）是这样一种器件：其电容随着施加的电压而变化。典型地用其耗尽区随着施加的电压而变化的MOS电容器来制造变抗器，导致电容的大约3:1变化。硅变抗器（例如，固态变抗器）具有差的与硅基底的隔离度，并且其调制范围有限。
典型地，在需要可调电容的情况下，采用固态变抗器。然而，固态变抗器提供非常有限的调制范围，并具有高的电阻性损耗和相对高的功耗。例如，在固态变抗器二极管中，变抗器的电容由子电路生成的偏置电流来设定，该子电路消耗相当大量的稳态功率。并且，施加到固态变抗器的信号电流倾向于影响电容，由此引起某种误差度量。
为了避免这些问题，MEMS变抗器可代替固态变抗器来使用。然而，已知的MEMS变抗器具有由“吸合（snap down）”效应引起的小调制范围（<3:1）的缺点。当由一对致动电极提供的静电吸引力超过MEM梁的弹簧恢复力时，该效应使得变抗器的两块板之间的间隙突然闭合。一旦间隔减小超过1/3，则“吸合”现象起作用，MEMS梁的先前自由端与器件的基部接触。由于吸合效应，MEMS变抗器经常被用作双稳态器件，而不是作为在电容全范围内连续可调的真正的变抗器。
因此，本领域中存在克服上述缺陷和限制的需求。
发明内容
在本发明的第一方面中，一种方法包括在基底上形成至少一个固定电极。所述方法还包括在所述至少一个固定电极之上以从微机电系统（MEMS）梁的顶部观看的变化的宽度尺寸形成所述MEMS梁。
在本发明的另一方面中，一种形成MEMS变抗器的方法包括通过沉积和构图（pattern）在基底上形成固定电极层。所述方法还包括在所述固定电极之上形成牺牲材料。所述方法还包括在所述牺牲材料之上层叠（layer）金属和绝缘体材料。所述方法还包括以变化的宽度尺寸来掩蔽（mask）层叠的金属和绝缘体材料。所述方法还包括蚀刻所述层叠的金属和绝缘体材料，以形成具有不等（non-uniform）宽度尺寸的梁结构。所述不等宽度尺寸包括所述梁的初始拉入部分（pull-in section）的缩小区域（reduced area）部分。所述方法还包括通过开孔工艺（venting process）在所述梁附近形成腔。
在本发明的又一个方面中，一种结构包括在基底上形成的固定电极。所述结构还包括具有变化的宽度尺寸的组合梁结构，其至少具有恒定尺寸的第一部分和与所述第一部分相比宽度缩小的第二部分，所述第二部分包括所述梁结构的初始拉入部分。所述结构还包括围绕所述梁结构的腔结构。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于设计、制造或测试集成电路的在机器可读存储介质中有形地体现的设计结构。所述设计结构包括本发明的结构。在另一实施例中，在机器可读数据存储介质上编码的硬件描述语言（HDL）设计结构包括这样的要素：当在计算机辅助设计系统中被处理时，所述要素生成微机电系统（MEMS）结构的机器可执行表示，该表示包括本发明的结构。在又一实施例中，提供了计算机辅助设计系统中用于生成微机电系统（MEMS）结构的功能设计模型的方法。所述方法包括生成微机电系统（MEMS）结构的结构要素的功能表示。
更具体而言，在本发明的实施例中，提供了一种在计算机辅助设计系统中用于生成MEMS结构的功能设计模型的方法。所述方法包括生成在基底上形成的固定电极的功能表示；生成具有变化的宽度尺寸的组合梁结构的功能表示，所述组合梁结构至少具有恒定尺寸的第一部分和与所述第一部分相比宽度缩小的第二部分，所述第二部分包括所述梁结构的初始拉入部分；以及生成围绕所述梁结构的腔结构的功能表示。
附图说明
通过本发明的示例性实施例的非限制性实例，参考给出的多个附图，在下面的详细说明中描述本发明。
图1-7示出了根据本发明的方面的结构和各个处理步骤；
图8a、8b、8c、9a、9b和9c示出了根据本发明的方面的各种形状的MEMS梁；
图10示出了根据本发明的方面的MEMS桥式梁的俯视图；
图11示出了本发明的各种MEMS梁设计与常规MEMS梁对比的“吸合”效应的比较图；
图12示出了具有致动器凸起（actuator bump）的本发明的各种MEMS梁设计与常规MEMS梁对比的“吸合”效应的比较图；
图13示出了根据本发明的悬臂MEMS梁的受控致动；
图14示出了根据本发明的桥式MEMS梁的受控致动；
图15示出了根据本发明的方面的四电极配置的俯视图；以及
图16是在半导体设计、制造和/或测试中使用的设计过程的流程图。
具体实施方式
本发明涉及半导体结构和制造方法，更具体而言，涉及微机电系统（MEMS）结构、制造方法和设计结构。更具体而言，在实施例中，本发明涉及对施加的电压具有线性响应的可调MEMS变抗器以及形成该所述MEMS变抗器的各个处理步骤。本领域普通技术人员应理解，本发明不限于MEMS变抗器，且本发明的方法和结构可应用于任何MEMS rf器件或其他器件例如MEM接触开关、体声波谐振器等。
有利地，本发明可被用作这样的变抗器：其电容随着施加的电压而变化。更具体而言，本发明提供了至少3.5:1的改善的线性调制范围，并且在实施例中可以超过10.5:1的调制范围。本发明的变抗器还呈现出低泄漏电流，并且可以用微安量级的低电流来激活本发明的MEMS变抗器，这可与需要纳安（nanoamp）量级电流的固态变抗器相比。本发明的MEMS变抗器还呈现出与硅基底的改善的隔离度。本发明的MEMS变抗器可以是悬臂梁或桥式梁，这取决于该结构的具体设计标准。
在实施例中，MEMS变抗器包括锥形（tapered）或缩小的（reduced）梁结构（即，缩小区域），这降低了在MEMS梁的拉入期间的初始电容。更具体而言，在悬臂梁结构中，梁的端部可以是锥形的。锥化（tapering）可以是例如逐渐锥化和/或台阶式锥化，如本文中所讨论的。在另外的实施例中，本发明考虑桥式梁，其中在初始拉入位置（例如中部）处具有缩小的区域。在更另外的实施例中，本发明考虑使用缓冲器（bumper）来降低MEMS梁拉入期间的初始电容。这些缓冲器例如可以具有恒定或可变的高度，例如，在悬臂梁的端部或在桥式梁的中部较高，并且可以包含绝缘体材料；但本文中还可考虑其他材料。在更另外的实施例中，本发明还考虑其中初始电容被降低的其他方案，以及提供在致动阶段期间改善的拉入控制，例如，以在梁变为更靠近固定电极时控制拉入，如下面所讨论的。
图1示出了根据本发明的方面的结构和相关处理步骤。该结构包括例如基底10。在实施例中，基底10可以是器件的任何层。在实施例中，基底10是本领域技术人员已知的氧化物或其他绝缘体材料。本领域技术人员所应知道，基底10可以在SOI晶片或BULK实施方式中实现，或者可以是绝缘基底（例如蓝宝石或二氧化硅玻璃）。SOI晶片或BULK实施方式的构成材料可以基于半导体器件的所需的最终用途应用来选择。例如，绝缘层（例如BOX）可以由氧化物（例如SiO2）构成。此外，活性半导体层可以包含各种半导体材料，例如Si、SiGe、SiC、SiGeC等。SOI晶片可以用本领域技术人员熟知的技术来制造。例如，SOI晶片可以通过常规工艺来形成，这些常规工艺包括但不限于氧注入（例如，SIMOX）、晶片接合（bonding）等。
在基底10中设置互连12。互连12可以是例如在常规形成的过孔（via）中形成的钨或铜柱。例如，互连12可以用本领域技术人员已知的用于形成柱体的任何常规光刻、蚀刻和沉积工艺来形成。
仍然参考图1，在基底10上形成布线层，以使用常规的沉积和构图工艺来形成多条布线14。例如，可以在基底上将布线层沉积到约0.25微米的深度；但本发明还可以考虑其他尺寸。之后，布线层被构图以形成布线14。至少一条布线14a与互连12接触（直接电接触）。在实施例中，布线14可以由铝来形成；但本发明也可以考虑其他布线材料。例如，布线14可以是难熔金属，例如Ti、TiN、TaN、Ta和W或AlCu、AlCuSi等布线材料。
在图2中，在多条布线14和基底10的暴露部分上形成可选的绝缘体材料16。在实施例中，绝缘体材料16是被沉积到约50nm的氧化物；但本发明还可以考虑其他尺寸。可以用常规的等离子体气相沉积（PVD）、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）或任何已知的工艺在绝缘体材料16上沉积牺牲材料18。在实施例中，牺牲材料18被沉积到约2微米（2μm）的高度，并使用常规的光刻和反应离子蚀刻（RIE）步骤而被构图。作为可选的处理步骤，可以用例如化学机械抛光（CMP）来抛光牺牲材料18，且然后可以将额外的牺牲材料（硅）沉积在经抛光的牺牲材料18上。
在更具体的实施例中，牺牲材料18可以是例如硅、钨、钽、锗或者可以随后使用例如XeF2气体对绝缘体材料16或布线14（如果绝缘体材料16不存在）有选择性地被去除的任何材料。或者，本发明可以使用任何牺牲材料，例如旋涂的聚合物。可以使用在与布线14兼容的温度（例如，<420℃）下操作的任何常规的等离子体气相沉积（PVD）、PECVD、快速热CVD（RTCVD）或LPCVD来沉积牺牲材料18。在实施例中，牺牲材料18被沉积到由MEMS间隙要求所确定的约0.1到10μm的高度，并使用常规的光刻和反应离子蚀刻（RIE）步骤而被构图。
仍参考图2，将绝缘体材料（例如氧化物）20沉积在牺牲材料18上。沉积可以是例如常规的保形（conformal）沉积工艺，例如化学气相沉积（CVD），绝缘体材料20被沉积到约2.3μm至约3.3μm的深度。可以用CMP工艺来抛光（例如平面化）绝缘体材料20，以获得牺牲材料18的平面表面。
在实施例中，绝缘体材料20可以经历反向蚀刻（reverse etch）（反向镶嵌工艺）。更具体而言，抗蚀剂可被沉积在绝缘体材料20上，其可构图以形成开口，该抗蚀剂边缘与下伏的（underlying）牺牲材料18的边缘重叠。即，抗蚀剂将稍微掩蔽下伏的牺牲材料18，导致构图的牺牲材料18的反转图像（reverse image）。绝缘体材料20然后被平面化为例如与下伏的牺牲材料18成平面（例如，平坦或平面表面）。即，在实施例中，绝缘体材料20可被蚀刻到下伏的牺牲材料18。该平面化工艺还平面化下伏的牺牲材料18。平面化工艺可以是例如CMP工艺。
仍参考图2，在可选的实施例中，可在牺牲材料18中在布线14之上形成一个或多个沟槽22。在实施例中，沟槽22可以是恒定或变化的深度，用于形成MEMS梁的缓冲器的阵列。在实施例中，沟槽22可以是沟槽阵列，即，用以形成致动器凸起，其尺寸和形状根据MEM梁的位置，例如，沟槽深度可朝向MEMS悬臂梁的端部而增加，或者沟槽深度可朝向在致动期间初始地拉入的梁结构（不管是悬臂梁或桥式梁）的缩小区域而增加。在实施例中，沟槽阵列被构造为使得当在致动器电极上存在电压时，在MEMS梁和致动器电极之间提供预定量的物理间隔（physical spacing）；或者沟槽阵列被定位为使得接地和dc偏置的致动器决不会物理接触。（由沟槽形成的）缓冲器阵列也可以防止MEMS梁静摩擦（stiction）。
在实施例中，较深的沟槽可在端部或中部（例如，MEMS梁的初始拉入）处形成，并可以例如被形成为约0.3μm深度；但本发明可以考虑其他尺寸，这取决于设计参数，更具体而言，取决于牺牲材料18的高度。例如，深度范围可以从约到在暴露的表面上，例如，在牺牲材料18、绝缘体材料20上以及沟槽22中执行电容器氧化物沉积，以形成衬里（liner）24。可以使用常规的光刻和蚀刻工艺在绝缘体材料20中形成通孔26直到下伏的布线14a。
如图3所示，电极28被形成在绝缘体材料24之上，且还被沉积在过孔26中以接触下伏的布线14a。电极28还可沉积在一个或多个沟槽22中（例如，当缓冲器由金属形成时）。在实施例中，电极28可以是例如AlCu或AlCuSi；但本发明还可以考虑其他材料。在实施例中，例如，电极28可以是TiN、TaN、Ta或W等材料。该电极和其他电极和/或布线28的厚度可依赖于具体设计参数而变化。电极28可在该阶段或稍后被构图。在电极28上形成绝缘体材料30。在实施例中，绝缘体材料30被保形地沉积在电极28之上。在实施例中，绝缘体材料30是PECVD的TEOS（氧化物），其被沉积到约2μm的高度；但本发明还可以考虑其他尺寸。
仍参考图3，在绝缘体材料30之上形成上部电极32。在实施例中，上部电极32可以是例如AlCu；但本发明还考虑其他材料。在实施例中，例如，上部电极32可以是TiN、TaN、Ta或W等材料，且应具有平衡器件的整个体积的厚度，且由此不在MEMS结构的梁上施加过度的应力。换句话说，电极32的厚度应与电极28的厚度相同或基本上相同。在电极32上沉积绝缘体材料（电容器氧化物）34。在实施例中，可选的绝缘体材料34被沉积到约80nm的高度，但本发明还可考虑其他尺寸。
在绝缘体材料34上形成抗蚀剂（例如，掩模层）36。在实施例中，抗蚀剂36被构图以形成一个或多个开口38。通过本领域技术人员已知的常规光刻和蚀刻工艺来形成开口38。在实施例中，开口38将与下伏的牺牲材料18有重叠。
在图4中，通过去除部分以下材料而形成梁结构（悬置的电极）45：绝缘体材料34、电极32、绝缘体材料30、电极28、绝缘体材料24和绝缘体材料20。更具体而言，使用掩模层36来去除部分层34、32、30、28、24和20。通过这种方式，可以形成梁结构（悬置的电极）45，该梁结构包括电极32、绝缘体材料30和电极28（以及，在实施例中，绝缘体材料24和30）。
本领域普通技术人员应理解，梁结构（悬置的电极）45的构成材料可依赖于MEMS结构的应用而变化。例如，在实施例中，梁结构（悬置的电极）45可以是金属梁。在其他实施例中，梁结构（悬置的电极）45可以是氧化物和金属梁（其中氧化物位于梁下面）。在另外的实施例中，梁结构（悬置的电极）45可以是氧化物、金属、氧化物梁。在这些实施例的任一个中，梁结构（悬置的电极）45可形成有恒定或变化的高度的绝缘（致动器）凸起，所有这些凸起都是用本领域技术人员已知的常规光刻、蚀刻和沉积工艺来形成的。
在另外的实施例中，梁结构（悬置的电极）45可以用多个掩模或单个掩模来形成。即，在单个掩模情况下，梁结构（悬置的电极）45的所有层可以在单次蚀刻工艺中被构图；而在所考虑的实施例中，梁结构（悬置的电极）45可在多个蚀刻步骤中被构图，这依赖于梁结构（悬置的电极）45的特定设计。
在构图步骤中，梁结构（悬置的电极）45可被形成为锥形或具有很多不同配置的其他缩小的横截面（宽度）区域。可以为悬臂梁结构以及例如图8a、8b、8c、9a、9b和9c中示出的梁结构设置这些不同的配置。本领域普通技术人员应理解，本发明还可考虑其他锥形或缩小区域的形状，如参考图8a、8b、8c、9a、9b和9c所讨论的。这些不同形状例如是在梁结构45的形成期间使用常规RIE工艺通过掩模形状而形成的。
在图5中，在暴露的梁结构45的侧壁上形成可选的绝缘体间隔物（spacer）47。如本领域中已知的，可以通过沉积100nm的PECVD SiO2氧化物并随后定向回蚀（etch back）以从平坦表面去除该氧化物而将其保留在垂直表面上，形成绝缘体间隔物47。氧化物间隔物47的目的是保护金属层28和32以免在沉积工艺期间与随后的牺牲层44（参见图6）反应。注意，可选的间隔物回蚀将蚀刻部分或全部绝缘体层34，因此绝缘体层34的沉积厚度将需要被调整，以便其最终厚度为目标值。
在图6中，在所述结构上沉积牺牲材料44。更具体而言，在绝缘体材料32上和过孔42中沉积诸如本文中已讨论的硅或其他材料的牺牲材料44。牺牲材料44可用上面讨论的常规保形工艺（例如PVD或PECVD工艺）来沉积。在实施例中，牺牲材料44被沉积为与牺牲材料18的暴露部分接触，并被沉积到约4微米（4μm）的高度，并使用常规的光刻和RIE步骤而被构图。作为可选的处理步骤，可以使用例如化学机械抛光（CMP）来抛光牺牲材料44，然后额外的牺牲材料（硅）可被沉积在经抛光的牺牲材料44上。在实施例中，由于Hf酸清洗，在牺牲材料的两个层（例如，层18和层44）之间没有氧化物。
还如图6所示，在对牺牲材料44进行构图后，在牺牲材料44（以及其他暴露的层）上沉积诸如氧化物材料的绝缘体层46。沉积工艺可以是例如常规的保形沉积工艺，将绝缘体层46沉积到约2.3μm至约3.3μm的深度。绝缘体层46然后可经历如上讨论的CMP工艺和/或反向蚀刻（反向镶嵌工艺）。在实施例中，在绝缘体层46中打开通气孔（vent hole）48，暴露下伏的牺牲材料44的一部分。应该理解，可使用本领域技术人员已知的常规光刻和蚀刻工艺在若干个位置处形成多于一个通气孔48，以暴露部分上部牺牲材料44和下部牺牲材料18或者暴露部分材料18和44两者。在实施例中，可以用HF溶液清洗所述结构，特别地，暴露的牺牲材料44。
在图7中，通过通气孔48，牺牲材料18和44被剥离（strip）或开孔（vent）。在实施例中，可以通过通气孔48用XeF2蚀刻剂来执行剥离（例如，蚀刻）。该蚀刻将剥离所有牺牲材料（例如硅），形成上部腔50a、下部腔50b和连接过孔50c。可用介电或导电材料52密封通气孔48。例如，在实施例中，PECVD工艺可形成约1.0μm的层。可以执行第二沉积工艺，例如SACVD，以形成约0.7μm的层。在另外的实施例中，在介电材料52上沉积氮化物帽54。在实施例中，氮化物帽54可以为约0.5μm。
本领域技术人员应理解，可以使用本发明的方法来制造多于一个MEMS梁45。例如，在实施例中，可以使用本发明的方法在分开的腔中制造两个或多个MEMS梁。特别地，可以使用本发明的方法将两个MEMS梁形成为一个在另一个的顶上（其腔通过绝缘体材料而被分隔）。即，MEMS梁可以被制造在材料52和54的沉积之前最后的绝缘体材料46之上。在实施例中，可以用上述牺牲材料来形成额外的MEMS梁，其中通气孔被用来去除所有MEMS梁的所有牺牲材料。然而，在实施例中，可以使用本文中描述的制造步骤在分开的蚀刻工艺中去除每个MEMS梁的牺牲材料。
图7还示出了在一个或多个固定致动器14上方延伸的可选的缓冲器56。在实施例中，可选的缓冲器56可以从固定致动器14之间延伸。可选的缓冲器56可以是例如使用常规沉积和蚀刻工艺而形成的氧化物缓冲器。例如，可以通过氧化物或其他绝缘体材料的任何常规沉积（例如CVD）以及之后的常规的蚀刻或构图工艺来形成所述缓冲器。本领域技术人员应理解，可选的缓冲器56可以以相同高度或变化的高度而形成，类似于关于致动器凸起的讨论。并且，这些可选的缓冲器可以与致动器凸起组合使用，或者不用致动器凸起。此外，可选的缓冲器56可以与悬臂梁或桥式梁结构一起使用。
图8a、8b、8c、9a、9b和9c示出了根据本发明的方面的各种形状的MEMS梁结构。本领域普通技术人员应理解，图8a、8b、8c、9a、9b和9c可以是悬臂梁结构的俯视图或桥式梁结构的部分俯视图的表示。例如，在悬臂梁结构中，缩小区域部分被悬置；然而，在桥式梁结构中，缩小区域部分将是梁的中部的表示，剩余的梁是已示出的结构的镜像（参见图10作为一个例子）。
在这些实施例中的每一个中，MEMS梁45具有约220μm的长度“X”；但本发明还可以考虑其他尺寸。此外，每个MEMS梁45包括等宽度区域（例如非缩小区域）100。在实施例中，等宽度区域100的宽度“Y”可以是例如40μm；但本发明还可以考虑其他宽度尺寸。例如，在桥式梁配置的相反端上，等宽度区域100可以是例如20μm。此外，每个MEMS梁45具有缩小的横截面区域，如下所述。
在图8a中，MEMS梁45具有等宽度区域（例如，非缩小区域）100，其过渡到锥形端100a（或桥式梁配置的中部）。在实施例中，锥形端100a为缩小区域部分，其包括不等宽度，其沿着MEMS梁45的长度部分开始其锥形。在实施例中，锥形具有从小于非缩小区域100的宽度到例如约1μm-50μm的宽度的范围内的宽度。当然，本发明还可以考虑其他尺寸。
在图8b中，MEMS梁45具有等宽度区域（例如，非缩小区域）100，其过渡到（具有恒定宽度的）缩窄端100a’。在实施例中，在缩窄端100a’与等宽度区域（例如非缩小区域）100之间设置台阶（step）或肩（shoulder）100b。台阶或肩100b可以在沿着MEMS梁45的长度的任何距离处开始。在实施例中，缩窄端（即，缩小区域100a’）可具有小于非缩小区域100的宽度的任何宽度，例如1μm到50μm，且可以具有约300μm的长度。当然，本发明也可以考虑其他尺寸。本领域技术人员应理解，在桥式梁配置中，缩窄端100a’将是MEMS桥式梁结构的中部。
图8c示出了MEMS梁45，其包括缩小区域部分，该缩小区域部分既包含锥形部分也包含等宽度的窄端部分。更具体而言，在图8c中，MEMS梁45具有等宽度区域（例如，非缩小区域）100，其过渡到锥形部分100a”。该锥形部分100a’’可沿着MEM梁45的长度部分开始其锥形，且更优选地，在（从窄端部分开始的）约300μm处开始其锥形。在实施例中，锥形部分100a’’可具有从小于等宽度区域（例如，非缩小区域）100的宽度到例如约1μm-50μm的范围内的宽度。当然，本发明还可以考虑其他尺寸。
仍然参考图8c，锥形部分100a’’过渡到（恒定宽度的）缩窄端100a’”。缩窄端100a’”可具有等宽度（横截面），其可以是小于等宽度区域（例如，非缩小区域）100的宽度的任何宽度，例如，从1μm到50μm。另外，缩窄端100a’”可具有约300μm的长度。当然，本发明也可以考虑其他尺寸。本领域技术人员应理解，在桥式梁配置中，锥形部分100a’’和缩窄端100a’”将是MEMS桥式梁结构的中部（例如参见图10）。
图9a、9b和9c的MEMS梁45分别具有与图8a、8b和8c的MEMS梁45相同的形状；然而，在这些实施例中，缓冲器22a的阵列从MEMS梁45的表面延伸。在实施例中，缓冲器22a的阵列可具有恒定或变化的高度，这取决于缓冲器22a在MEMS梁45上的位置和/或锥形部分100a”的最窄部分。例如，如上所讨论的，在致动期间，缓冲器22a可以朝向MEMS梁的初始拉入区域具有较大的高度。例如，在悬臂梁配置中，缓冲器22a可以在梁端部具有较大的高度；而在桥式梁配置中，缓冲器22a可以在梁的中部附近具有较大的高度。
在实施例中，缓冲器22a的高度可以是恒定的或可以具有从约到范围内的各种高度，这取决于MEMS梁45与固定电极（布线14）之间的初始间隔，即，由牺牲材料18形成的间隙。当然，本发明还可以考虑其他尺寸。例如，在一个实施例中，缓冲器22a可以在梁端部具有 的高度。在实施例中，缓冲器22a是在初始地示于图2中的沟槽（22）中形成的氧化物缓冲器；但本发明还可以考虑其他绝缘体材料，这取决于所需的电容。例如，缓冲器22a可以是将增大器件电容值的高k电介质，例如HfO2。
图10示出了根据本发明的MEMS桥式梁的俯视图。更具体而言，图10是例如图8c的MEMS梁的表示。如该表示中所示，在梁的中部设置缩小区域，例如宽度区域100a’”，锥形部分100a’’从其相反两侧延伸。由此，本领域普通技术人员应更清楚地理解，图8a、8b和8c中示出的配置中的每一个可被设置作为桥式梁（具有或不具有致动缓冲器）。
图11示出了本发明的各种MEMS梁设计与常规的非缩小区域MEMS梁对比的“吸合”效应的比较图。在图11中，x轴是电压，且“y”轴是电容（以pF为单位来测量）。如该图所示，线“A”表示常规的非缩小区域MEMS梁；而线“B”-“E”表示本发明的MEMS梁，例如，具有缩小区域的MEMS梁。例如，
-线“B”表示具有在梁（例如图8a的MEMS梁设计）的长度的约1/8处开始的锥形端的MEMS梁；
-线“C”表示具有是梁（例如图8b的MEMS梁设计）的长度的约1/2的缩小区域的MEMS梁；
-线“D”表示具有在梁的长度的约1/2处开始的锥形端且还具有从梁（例如图8c的MEMS梁设计）的端部起1/8处的另一缩小区域的MEMS梁；以及
-线“E”表示具有是梁（例如图8a的MEMS梁设计）的长度的约1/2的锥形端的MEMS梁。
如图11中的曲线图所示，常规的MEMS梁在施加电压时不具有线性拉入。相反地，常规MEMS梁忍受在约20V处的吸合效应。与线“B”到“E”中所表示的MEMS梁相比，由于增加的总表面积，常规MEMS梁还具有最高的电容。相比之下，线“B”-“E”所表示的本发明的MEMS梁显示出在约20V处开始的对电压的线性响应。该线性响应归因于MEMS梁的缩小区域部分，如上所述。
表1示出了（具有均匀横截面（无缩小区域）的）常规MEMS梁以及本发明的MEMS梁配置的致动调制范围（actuated tuning range）。调制范围例如可被定义为在高电压（例如50V）下、MEMS梁与下部电极的初始接触与完全接触的相对比率。
从表1可以看出，常规MEMS梁的致动调制范围为2.0。这远低于用固态结构可实现的优选的调制范围3:1。相比之下，本发明的MEMS梁的每个致动调制范围都高于常规MEMS梁。事实上，本发明可实现高达6:1的调制范围。该调制范围大于常规固态变抗器的调制范围的两倍，且是常规MEMS梁的调制范围的三倍。
表1
布局（layout） 致动调制范围
常规MEMS梁 2.0
图11的线“B”所表示的MEMS梁 6.0
图11的线“C”所表示的MEMS梁 2.9
图11的线“D”所表示的MEMS梁 6.0
图11的线“E”所表示的MEMS梁 2.4
图12示出了本发明的具有致动器凸起的各种MEMS梁设计与常规的非缩小区域MEMS梁对比的“吸合”效应的比较图。在图12中，x轴是电压，且“y”轴是电容（以pF为单位来测量）。如该图所示，线“A”表示常规的非缩小区域MEMS梁（没有致动器凸起）；而线“B”-“E”表示本发明的具有变化高度的致动器凸起的阵列的MEMS梁，例如，具有缩小区域的MEMS梁。例如，
-线“B”表示具有在梁（例如图9a的MEMS梁设计）的长度的约1/8处开始的锥形端的MEMS梁；
-线“C”表示具有是梁（例如图9b的MEMS梁设计）的长度的约1/2的缩小区域的MEMS梁；
-线“D”表示具有在梁的长度的约1/2处开始的锥形端且还具有从梁（例如图9c的MEMS梁设计）的端部起1/8处的另一缩小区域的MEMS梁；以及
-线“E”表示具有是梁（例如图9a的MEMS梁设计）的长度的约1/2的锥形端的MEMS梁。
如图12中的曲线图所示，常规的MEMS梁在施加电压时不具有线性拉入。相反地，常规MEMS梁忍受在约20V处的吸合效应。与线“B”-“E”中所表示的MEMS梁相比，由于增加的总表面积，常规MEMS梁还具有最高的电容。相比之下，线“B”-“E”所表示的本发明的MEMS梁显示出在约20V处开始的对电压的线性响应。该线性响应归因于MEMS梁的缩小区域部分，如上所述。此外，正如所预期的，在对图11和图12的MEMS梁进行比较时，图12中的具有致动器凸起的MEMS梁呈现出较低的电容。
表2示出了（具有均匀横截面（无缩小区域）的）常规MEMS梁以及本发明的MEMS梁配置的致动调制范围。同样，在表2中，常规MEMS梁的致动调制范围为2.0。相比之下，本发明的MEMS梁的每个致动调制范围都高于常规MEMS梁。事实上，本发明可实现高达10.5:1的调制范围。该调制范围大于常规固态变抗器的调制范围的三倍，且是常规MEMS梁的调制范围的五倍。并且，有利地，本发明的每个MEMS梁都具有大于3:1的调制范围。
表2
布局 致动调制范围
常规MEMS梁 2.0
图12的线“B”所表示的MEMS梁 10.5
图12的线“C”所表示的MEMS梁 8.5
图12的线“D”所表示的MEMS梁 9.3
图12的线“E”所表示的MEMS梁 3.6
图13示出了根据本发明的方面的悬臂MEMS梁的受控致动。更具体而言，图13示出了具有缩小区域和缓冲器22a的阵列的MEMS悬臂梁45。在实施例中，可以依赖于所需的电容和MEMS梁45的调制范围的所需影响而由许多不同绝缘体材料来制造缓冲器22a。例如，绝缘体材料可以是高k电介质（例如HfO2）或低k电介质（例如SiO2）。本领域普通技术人员还应该理解，较高k电介质将提供较高的电容值。
本领域普通技术人员还应该理解，缓冲器22a的间隔可以依赖于MEMS梁45的刚度而变化。例如，与在刚性梁中相比，在柔性梁中缓冲器22a可以更靠近地被设置在一起。由于在拉入电压期间柔性梁具有更高的塌陷可能性，缓冲器22a的较近间隔将防止该塌陷并提供更为线性的拉入响应。在MEMS梁45移动超过间隙“G”的距离的1/3时尤其如此，这时候静电电荷超过拉入力（pull-in force），且在典型的结构中提供非线性响应。
并且，可以基于MEMS梁45的刚度、MEMS梁的拉入电压和/或MEMS梁与固定电极14之间的间隙“G”而设计缓冲器22a的高度。在实施例中，例如，MEMS梁45与固定电极14之间的间隙“G”可以是约2微米（或所去除的牺牲材料的其他高度），其中缓冲器22a的高度从约 到约变化。例如，在MEMS梁45的端部处的缓冲器22a’可以是约而（离初始拉入位置最远的）缓冲器22a’’的高度为约但本发明还可以考虑其他尺寸。例如，缓冲器22a可以是统一的高度。
如图13所示，代表性地，缓冲器22a将确保在MEMS梁45的拉入期间存在线性电容。例如，在致动期间，可以获得以下电容值：
-在关闭（off）（非致动）状态下，电容可以等于约30fF；
-在状态1下，电容可以等于约300fF；
-在状态2下，电容可以等于约600fF；
-在状态3下，电容可以等于约900fF；以及
-在完全致动状态，即，状态4下，电容可以等于约1200fF。
在状态4下，所有缓冲器22a都接触底部电极14（布线）或在底部电极14上设置的绝缘体层。缓冲器22a还防止了静摩擦。
图14示出了根据本发明的桥式MEMS梁的受控致动。更具体而言，图14示出了具有缩小区域和缓冲器22a的阵列的MEMS桥式梁45’。图14还示出了与某些缓冲器22a’”对准的沟槽46。设置沟槽46，以控制梁移动，特别是在其最后的时。更具体而言，通过使用缓冲器22a’”和沟槽46的组合，现在可以使MEMS梁更缓慢地移动经过0.2微米范围。通过这种方式，现在可以利用（例如，在MEMS梁与固定电极之间的）间隙“G”的小改变来提供电容的线性改变，从而提供电容调制。本领域技术人员应理解，图13中示出的沟槽可同样应用于图12中示出的悬臂梁配置。
与悬臂MEMS梁一样，可以根据所需的电容和MEMS梁45’的调制范围的所需影响而由许多不同绝缘体材料来制造缓冲器22a。例如，绝缘体材料可以是高k电介质（例如HfO2）或低k电介质（例如SiO2）。
本领域技术人员还应理解，缓冲器22a的间隔还可以依赖于MEMS梁45的刚度而变化。例如，与在刚性梁中相比，在柔性梁中缓冲器22a可以更靠近地被设置在一起，以防止MEMS梁45’的不想要的塌陷。并且，可以基于MEMS梁45’的刚度、MEMS梁的拉入电压和/或MEMS梁45’与固定电极14之间的间隙“G”而设计缓冲器22a的高度。在实施例中，例如，MEMS梁45’与固定电极14之间的间隙“G”可以是约2微米（或所去除的牺牲材料的其他高度），其中缓冲器22a的高度从约到约 变化。例如，位于MEMS梁45’的中部的缓冲器22a’’’’可以是约而位于MEMS梁45’的端部的缓冲器22a的高度可以是约但本发明还可以考虑其他尺寸。例如，缓冲器22a可以是统一的高度。
图15示出了本发明的四电极配置的俯视图。如该图所示，地电极（G）和致动器电极（A）具有锥形配置；而信号电极（S1和S2）具有均匀横截面（宽度）且不具有任何电势。如本文中所讨论的，本发明还可以考虑其他缩小区域配置。如该表示所示，地电极（G）和致动器电极（A）从信号电极（S1和S2）解耦合。通过这种方式，信号可以从调制电压解耦合。
图16是在半导体设计、制造和/或测试中使用的设计过程的流程图。图16示出了例如用于半导体IC逻辑设计、模拟、测试、布局和制造的示例性设计流程900的框图。设计流程900包括用于处理设计结构或器件的工艺、机器和/或机械结构以产生上面所述并在图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中所示的设计结构和/或器件的逻辑或功能上等价的表示。由设计流程900处理和/或产生的设计结构可以被编码在机器可读的传输或存储介质上以包括这样的数据和/或指令：当该数据和/或指令在数据处理系统上被执行或处理时，产生硬件部件、电路、器件或系统的在逻辑上、结构上、机械上或功能上等价的表示。机器包括但不限于在IC设计过程（例如设计、制造或模拟电路、部件、器件或系统）中使用的任何机器。例如，机器可以包括：光刻机、用于生成掩模的机器和/或设备（例如电子束直写仪（e-beam writer））、用于模拟设计结构的计算机或设备、在制造或测试过程中使用的任何装置、或用于将设计结构的功能上等价的表示编程到任何介质中的任何机器（例如，用于编程可编程门阵列的机器）。
设计流程900可以根据所设计的表示的类型而变化。例如，用于构建专用IC（ASIC）的设计流程900可不同于用于设计标准部件的设计流程900或用于将设计例示（instantiate）到可编程阵列（例如，由或提供的可编程门阵列（PGA）或现场可编程门阵列（FPGA））中的设计流程900。
图16示例了包括优选由设计过程910处理的输入设计结构920的多个这样的设计结构。设计结构920可以为由设计过程910产生和处理的逻辑模拟设计结构以产生硬件器件的逻辑上等价的功能表示。设计结构920可以附加地或替代地包含数据和/或程序指令，当由设计过程910进行处理时，该数据和/或程序指令产生硬件器件的物理结构的功能表示。不管表示功能和/或结构设计特征，可以使用诸如由核心开发者/设计者实施的电子计算机辅助设计（ECAD）来产生设计结构920。当设计结构920被编码在机器可读的数据传输、门阵列、或存储介质上时，可以在设计过程910内通过一个或多个硬件和/或软件模块来访问和处理设计结构920，从而模拟或在功能上表示诸如在图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中示出的那些的电子部件、电路、电子或逻辑模块、装置、器件或系统。因此，设计结构920可包含文件或其他数据结构，其包括人和/或机器可读的源代码、编译结构、和计算机可执行的代码结构，当其被设计或模拟数据处理系统处理时，可以在功能上模拟或表示硬件逻辑设计的电路或其他层级。这样的数据结构可包括硬件描述语言（HDL）设计实体或与诸如Verilog和VHDL的较低级HDL设计语言和/或诸如C或C++的较高级设计语言一致和/或匹配的其他数据结构。
设计过程910优选采用和并入硬件和/或软件模块，以合成、翻译或处理在图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中示出的部件、电路、器件或逻辑结构的设计/模拟功能等价物，从而产生可包含诸如设计结构920的设计结构的网表（netlist）980。网表980可包含例如表示布线、分立部件、逻辑门、控制电路、I/O器件、模型等等的列表的经编译或处理的数据结构，其描述了与集成电路设计中的其他部件和电路的连接。可以使用迭代过程来合成网表980，在该迭代过程中，根据器件的设计规范和参数而重复合成网表980一次或多次。与本文中描述的其他设计结构类型相同，网表980可被记录在机器可读的数据存储介质上或被编程到可编程门阵列中。介质可以为非易失性存储介质，例如，磁盘或光盘驱动器、可编程门阵列、压缩闪存或其他闪速存储器。附加地或替代地，介质可以为系统或高速缓冲存储器、缓冲空间、或者电气或光导器件和材料，在该介质上，可以通过互联网或其他适宜的联网装置来传输并中间存储数据包。
设计过程910可包括用于处理包括网表980的各种输入数据结构类型的硬件和软件模块。例如，这样的数据结构类型可以驻存（reside）于库（library）部件930内并包括公共使用的部件、电路和器件的组，其包括用于给定制造技术（例如，不同的技术节点，32nm、45nm、90nm等）的模型、版图和符号表示。数据结构类型可以进一步包括设计规范940、表征数据950、验证用数据960、设计规则970以及测试数据文件985，该测试数据文件985可包括输入测试图形、输出测试结果以及其他测试信息。例如，设计过程910可以进一步包括标准机械设计过程，例如应力分析、热分析、机械事件模拟、用于诸如铸造、模制和模压成形（die press forming）的操作的工艺模拟等。在不背离本发明的范围和精神的情况下，机械设计领域的普通技术人员可以理解在设计过程910中使用的可能的机械设计工具和应用的范围。设计过程910还可包括用于进行标准电路设计处理（例如，时序分析、验证、设计规则检查、位置和布线操作等等）的模块。
设计过程910采用和并入逻辑和物理设计工具（例如HDL编译器和模拟模型构建工具），以处理设计结构920与某些或所有的所描述的支撑数据结构以及任何附加的机械设计或数据（如果适用），从而产生第二设计结构990。
设计结构990驻存于存储介质或可编程门阵列上，并具有用于交换机械器件和结构的数据的数据格式（例如，存储在IGES、DXF、Parasolid XT、JT、DRG中的信息，或用于存储或提取（render）这样的机械设计结构的任何其他合适的格式）。与设计结构920相似地，设计结构990优选包括一个或多个文件、数据结构、或其他计算机编码的数据或指令，其驻存于传输或数据存储介质上，并且当被ECAD系统处理时，可以产生图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中所示的本发明的一个或多个实施例的逻辑上或功能上等价的形式。在一个实施例中，设计结构990可包含经编译的、可执行的HDL模拟模型，该模型在功能上模拟图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中所示的器件。
设计结构900还可采用用于交换集成电路的版图数据的数据格式和/或符号数据格式（例如，存储在GDSII（GDS2）、GL1、OASIS、映像文件（map file）中的信息、或用于存储这样的设计数据结构的任何其他适宜的格式）。设计结构990可包含信息，例如，符号数据、映像文件、测试数据文件、设计内容文件、制造数据、版图参数、布线、金属层、过孔、形状、用于通过制造线布线的数据、以及制造者或其他设计者/开发者所需要的任何其他数据，以产生上面所描述的并在图1-7、8a、8b、8c、9a、9b、9c、10和13-15中示出的器件或结构。然后设计结构990可进入阶段995，在该阶段995，例如，设计结构990进而流片（tape-out），交付制造，交付掩模工厂，发送到另一设计工厂，发送回客户等。
如上所述的方法用于制造集成电路芯片。制造商以未加工的晶片形式（即，作为具有多个未封装的芯片的单晶片）、作为裸芯或以封装形式发送所产生的集成电路芯片。在后一情况下，芯片被安装在单芯片封装（例如塑性载体，其中引线被附到母板或其他更高级载体）中或者被安装在多芯片封装（例如陶瓷载体，其具有任一或两个表面互连或掩埋的互连）中。在任何情况下，芯片接着与其他芯片、分立电路元件和/或其他信号处理器件集成来作为（a）中间产品（例如母板）或（b）最终产品的一部分。最终产品可以为包括集成电路芯片的任何产品，其范围从玩具和其他低端应用到具有显示器、键盘或其他输入器件和中央处理器的高级计算机产品。
对本发明的各种实施例的说明是为了示例的目的而给出的，而不旨在穷举或限制到所公开的实施例。只要不脱离所描述的实施例的范围和精神，多种修改和变体对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。为了最好地解释实施例的原理、实际应用或相对于市场上可见的技术的技术改进，或者为了使本领域的其他普通技术人员能够理解本文中公开的实施例，选择了本文中所用的术语。

Claims (19)

1.一种制造微机电系统的方法，包括：
在基底上形成至少一个固定电极；
在所述至少一个固定电极之上以从微机电系统(MEMS)梁的顶部观看的变化的宽度尺寸形成所述微机电系统(MEMS)梁；以及
形成从所述微机电系统(MEMS)梁的表面朝向所述至少一个固定电极延伸的致动器凸起，其中，所述致动器凸起具有变化的高度。
2.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述变化的宽度尺寸包括：
形成具有恒定宽度的第一部分和具有缩小区域的第二部分。
3.如权利要求2所述的方法，其中，所述第二部分形成在所述微机电系统(MEMS)梁的初始拉入部分处。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分被形成为下列中的一者：
悬臂微机电系统(MEMS)梁的锥形端部；以及
桥式微机电系统(MEMS)梁的锥形中段部分。
5.如权利要求3所述的方法，其中，位于所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分处的致动器凸起的高度大于位于所述微机电系统(MEMS)梁的另一部分处的致动器凸起的高度。
6.如权利要求3所述的方法，还包括在基底中以及两个所述固定电极之间形成至少一个沟槽，所述至少一个沟槽与远离所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分的至少一个所述致动器凸起对准。
7.如权利要求3所述的方法，其中，所述初始拉入部分被形成为具有比所述第一部分的所述恒定宽度小的恒定宽度。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分被形成为下列中的一者：
悬臂微机电系统(MEMS)梁的端部；以及
桥式微机电系统(MEMS)梁的中段部分。
9.如权利要求7所述的方法，其中，位于所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分处的致动器凸起的高度大于位于所述微机电系统(MEMS)梁的另一部分处的致动器凸起的高度。
10.如权利要求7所述的方法，还包括在基底中以及两个所述固定电极之间形成至少一个沟槽，所述至少一个沟槽与远离所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分的至少一个所述致动器凸起对准。
11.如权利要求1所述的方法，其中，形成所述变化的宽度尺寸包括：
形成具有恒定宽度尺寸的第一部分；
形成具有锥形宽度尺寸的第二部分；以及
形成具有比所述第一部分的所述恒定宽度尺寸小的恒定宽度尺寸的第三部分，
其中，所述第三部分被形成在所述微机电系统(MEMS)梁的初始拉入部分处。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分被形成为下列中的一者：
悬臂微机电系统(MEMS)梁的端部；以及
桥式微机电系统(MEMS)梁的中段部分。
13.如权利要求11所述的方法，其中，位于所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分处的致动器凸起的高度大于位于所述微机电系统(MEMS)梁的另一部分处的致动器凸起的高度。
14.如权利要求13所述的方法，还包括在基底中以及两个所述固定电极之间形成至少一个沟槽，所述至少一个沟槽与远离所述微机电系统(MEMS)梁的所述初始拉入部分的至少一个所述致动器凸起对准。
15.一种形成MEMS变抗器的方法，包括：
通过沉积和构图在基底上形成固定电极层；
在所述固定电极之上形成牺牲材料；
在所述牺牲材料之上层叠金属和绝缘体材料；
以变化的宽度尺寸来掩蔽层叠的金属和绝缘体材料；
蚀刻所述层叠的金属和绝缘体材料，以形成具有不等宽度尺寸的梁结构，所述不等宽度尺寸包括所述梁的初始拉入部分的缩小区域部分；
形成多个致动器凸起，所述多个致动器凸起包含绝缘体材料、从所述梁的表面朝向所述固定电极层延伸、且具有变化的高度；以及
通过开孔工艺在所述梁附近形成腔。
16.如权利要求15所述的方法，还包括在两个所述固定电极之间形成至少一个沟槽，所述至少一个沟槽与所述多个致动器凸起中的至少一个对准。
17.如权利要求15所述的方法，还包括形成多个缓冲器，所述多个缓冲器包含绝缘体材料、从所述固定电极层的表平面朝向所述梁延伸。
18.一种微机电系统结构，包括：
在基底上形成的固定电极；
具有变化的宽度尺寸的组合梁结构，其至少具有恒定尺寸的第一部分和与所述第一部分相比宽度缩小的第二部分，所述第二部分包括所述梁结构的初始拉入部分；
多个致动器凸起，其包含绝缘体材料、从所述梁的表面朝向所述固定电极层延伸、且具有变化的高度；以及
围绕所述梁结构的腔结构。
19.一种在计算机辅助设计系统中用于生成MEMS结构的功能设计模型的方法，所述方法包括：
生成在基底上形成的固定电极的功能表示；
生成具有变化的宽度尺寸的组合梁结构的功能表示，所述组合梁结构至少具有恒定尺寸的第一部分和与所述第一部分相比宽度缩小的第二部分，所述第二部分包括所述梁结构的初始拉入部分；
生成多个致动器凸起的功能表示，所述多个致动器凸起包含绝缘体材料、从所述梁的表面朝向所述固定电极延伸、且具有变化的高度；以及
生成围绕所述梁结构的腔结构的功能表示。
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