微電子機械開關電介質注入的測試結構及其製備方法
2023-08-09 00:46:26
專利名稱：微電子機械開關電介質注入的測試結構及其製備方法
技術領域：
本發明 提出了微電子機械開關的電介質注入的測試結構及其製備方法，屬於微電 子機械系統的技術領域。
背景技術：
微電子機械開關具有高隔離度、低插入損耗和高線性度等優點。它的商業化卻被 器件的工作穩定性問題阻礙著，其中最重要的問題之一是發生在微電子機械開關電介質層 中的電荷注入。電介質注入會導致器件工作狀態的不穩定，因此在微電子機械開關的應用 過程中，有必要對電介質注入進行實驗驗證。目前對微電子機械開關的電介質注入驗證的 方法是通過相關的儀器設備對普通的開關進行測試，而對開關電介質注入的測試結構沒有 進行專門設計。為了更精確的驗證開關的電介質注入，設計專門的微電子機械開關電介質 注入的測試結構是有必要的。
發明內容
技術問題本發明的目的是提出微電子機械開關電介質注入的測試結構及其製備 方法，實現對電介質注入的精確測試，並簡化實驗過程對所需儀器設備的要求。技術方案本發明的微電子機械開關電介質注入的測試結構以砷化稼為襯底，在 襯底上設有共面波導(Coplanar Waveguide，簡稱CPW)、一分二功率分配器和對稱的梁結 構CPW用於實現測試儀器和一分二功率分配器，一分二功率分配器和梁結構陣列以 及梁結構陣列和測試儀器的電路連接。一分二功率分配器由Wilkinson功率分配器構成一個射頻(Radio Frequency, 簡稱RF)輸入埠，與測試儀器相連；二個RF輸出埠，與二個梁結構相連。一分二 Wilkinson功率分配器以CPW連接不對稱共面帶線(Asymmetric CoplanarStriplines，簡 稱ACPS)的方式實現，隔離電阻採用氮化鉭薄膜電阻。一分二功率分配器實現了把RF輸入 埠的信號等分成二路輸出。對稱的梁結構由兩個完全一樣的梁結構組成。這兩個梁結構是相同的，因此在電 介質注入前它們的等效電容也相同。梁結構可以是兩個固支梁，也可以是兩個懸臂梁。固 支梁的兩個驅動電極位於CPW的信號線和地線的間隙處；懸臂梁的驅動電極位於梁下方。 CPW地線被驅動電極引線隔斷的地方，通過空氣橋連接。本發明的測試結構把兩個相同的梁結構與兩個可變電阻，以及電流計相連，形成 一個電橋結構。在電橋結構中，兩個梁結構共用一個信號輸入端，兩個可變電阻共用一個信 號輸出端，兩個梁結構分別與兩個可變電阻相連。測試時，將電流計的兩端分別搭在兩組梁 結構和可變電阻之間。每個梁的驅動電極都是獨立分開的，也就是說可以對兩個梁分別加 以不同的驅動電壓。當微電子機械開關外加驅動電壓後就會形成電介質注入，其電容_電壓曲線(C-V曲線)會發生相應的漂移。如果在下面四種情況下1、兩個梁結構外加過不同幅度的驅動 電壓；2、兩個梁結構外加過不同頻率的驅動電壓；3、兩個梁結構外加過不同波形的驅動電 壓；4、兩個梁結構中的其中一個外加過一定的驅動電壓並保持一段時間而另外一個不加， 則在進行測試的時候兩個梁結構在同樣的驅動電壓下的等效電容會變得不同。在電橋中， 兩個梁結構與可變電阻的連接點分別設為A和C，兩個梁結構共用的信號輸入端設為D，兩 個可變電阻共用的信號輸出端設為B。通過CPW輸入測試信號，調整兩個外接的可變電阻的 阻值，使得A、C兩點電位相等時，電流計G所在支路無電流流過，其讀數為零。CpC2分別為 兩個梁結構的等效電容，RpR2為外接可變電阻的阻值。可以分析=Uab = I1R1 = Ucb = I2R2，
兩個支路的瞬時電流為
。又有Q = CU，Q = / Idt以及UDA = UDC。所以有
則有
假設C2由於電介質注入發生了變化，通過
觀察^L就可以知道C2相對於C1變化了多少。可見，只要實驗驗證過程直流電壓源提供足夠 Κ2
精確的靜電驅動電壓，可變電阻的阻值準確，本發明的微電子機械開關電介質注入的測試 結構就能得到足夠精確的實驗結果。微電子機械開關電介質注入的測試結構製備方法如下1)準備砷化鎵襯底；選用的是外延的半絕緣砷化鎵，2)澱積氮化鉭，3)光刻並刻蝕氮化鉭，形成一分二功率分配器的隔離電阻，即氮化鉭薄膜電阻，4)光刻；去除在CPW、一分二功率分配器、梁結構和靜電驅動電極以其引線的光刻 膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠；形成CPW、一分二功率分配器、梁結構和靜電驅動電 極以其引線，金的厚度為0.3μπι，6)澱積氮化矽介質層；用等離子體增強化學氣相澱積法工藝生長1000 A的氮化矽 介質層，7)光刻並刻蝕氮化矽介質層；保留靜電驅動電極的氮化矽和空氣橋下方驅動電 極引線的上的氮化矽。對於固支梁結構，則要另外保留固支梁下面CPW信號線的氮化矽，8)澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底上塗覆1. 6 μ m厚的聚醯亞胺犧牲 層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了梁與氮化矽介質層所在平面的距離，光刻 聚醯亞胺犧牲層，僅保留梁下方和空氣橋下方的犧牲層。對於懸臂梁結構，要另外刻蝕犧牲 層以便形成觸點，9)濺射鈦/金/鈦；濺射用於CPW、一分二功率分配器、梁和空氣橋的底金鈦/金 / 鈦=500/1600/300 A，10)光刻鈦/金/鈦；去除CPW、一分二功率分配器、梁和空氣橋以外的光刻膠，11)電鍍金；電鍍金的厚度為2 μ m，12)去除光刻膠，13)反刻金層，腐蝕底金層，形成CPW、一分二功率分配器、梁和空氣橋，
14)釋放犧牲層；用顯影液溶解梁結構和空氣橋下方的聚醯亞胺犧牲層，並用無 水乙醇脫水，形成懸浮的梁結構和空氣橋。有益效果與現有的普通的微電子機械開關電介質注入的測試結構相比，本發明 的微電子機械開關電介質注入的測試結構具有以下特點1、實驗 結果精確，可比較性強，易於對電介質注入進行比較分析；2、簡化對測試儀器的要求，只需要RF信號源、直流電壓源和電流計等基本的儀
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圖1微電子機械開關電介質注入的測試結構的原理圖，圖2電橋結構示意圖，圖3 —分二功率分配器的示意圖，圖4固支梁結構的正面的俯視圖，圖5固支梁結構的A-A面的剖視圖，圖6懸臂梁結構的正面的俯視圖，圖7懸臂梁結構的A-A面的剖視圖，圖中包括砷化鎵襯底1，氮化鉭薄膜電阻2，CPff的信號線3，CPff的地線4，一分 二功率分配器的RF輸入埠 5，一分二功率分配器的RF輸出埠 6，一分二功率分配器的 RF輸出埠 7，ACPS的信號線8，ACPS的地線9，氮化矽介質層10，固支梁11，懸臂梁12，梁 的錨區13，驅動電極14，驅動電極引線15，空氣橋16，懸臂梁的觸點17。
具體實施例方式本文發明的微電子機械開關電介質注入的測試結構的具體實施方案如下在襯底1上設有CPW a、一分二功率分配器b、梁結構c CPff a由CPW的信號線3和地線4構成。一分二功率分配器由Wilkinson功率分配器構成，一個RF輸入埠 5和二個RF 輸出埠 6、7。一分二 Wilkinson功率分配器由CPW和ACPS連接而成，隔離電阻採用氮化 鉭薄膜電阻2。對稱的梁結構c由兩個完全一樣的梁結構組成。梁結構可以是固支梁11，也可以 是懸臂梁12。固支梁11橫跨在CPW a上，兩個錨區13分別位於CPW的兩個地線4上。固 支梁11下面的CPW信號線3被氮化矽介質層10覆蓋。而懸臂梁12則為插入式，也就是說， CPff的信號線3除去一段，梁的錨區13位於CPW信號線3斷開的一端，梁的接觸端懸空但與 CPW信號線3斷開的另一端交疊。驅動電極14上覆蓋氮化矽介質層10，固支梁結構的兩個 驅動電極14位於CPW信號線3與CPW的地線4的空隙上，而懸臂梁結構的驅動電極14位 於CPW信號線3的斷開處。驅動電極的引線15從CPW的地線4的斷開處引出，而CPW地線 4的斷開處用空氣橋16連接。當微電子機械開關外加驅動電壓後就會形成電介質注入，其電容_電壓曲線(C-V 曲線)會發生相應的漂移。如果在下面四種情況下1、兩個梁結構外加過不同幅度的驅動 電壓；2、兩個梁結構外加過不同頻率的驅動電壓；3、兩個梁結構外加過不同波形的驅動電壓；4、兩個梁結構中的其中一個外加過一定的驅動電壓並保持一段時間而另外一個不加， 則在進行測試的時候兩個梁結構在同樣的驅動電壓下的等效電容會變得不同。在電橋中， 兩個梁結構與可變電阻的連接點分別設為A和C，兩個梁結構共用的信號輸入端設為D，兩 個可變電阻共用的信號輸出端設為B。通過CPW輸入測試信號，調整兩個外接的可變電阻的 阻值，使得A、C兩點電位相等時，電流計G所在支路無電流流過，其讀數為零。CpC2分別為 兩個梁結構的等效電容，RpR2為外接可變電阻的阻值。可以分析=Uab = I1R1 = Ucb = I2R2，
兩個支路的瞬時電流為A
。又有Q = CU，Q = / Idt以及UDA = UDC。所以有
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觀察#就可以知道C2相對於C1變化了多少。可見，只要實驗驗證過程直流電壓源提供足夠
精確的靜電驅動電壓，可變電阻的阻值準確，本發明的微電子機械開關電介質注入的測試 結構就能得到足夠精確的實驗結果。微電子機械開關電介質注入的測試結構製備方法如下1)準備砷化鎵襯底1 ；選用的是外延的半絕緣砷化鎵，2)澱積氮化鉭，3)光刻並刻蝕氮化鉭，形成一分二功率分配器b的隔離電阻，即氮化鉭薄膜電阻 2，4)光刻；去除在CPW a、一分二功率分配器b、梁結構和靜電驅動電極14以其引線 15的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠；形成CPW a、一分二功率分配器b、梁結構和靜電驅動 電極14以其引線15，金的厚度為0. 3μπι，6)澱積氮化矽介質層10 ；用等離子體增強化學氣相澱積法工藝生長1000Α的氮化 矽介質層10，7)光刻並刻蝕氮化矽介質層10 ；保留靜電驅動電極14的氮化矽和空氣橋16下方 驅動電極引線15的上的氮化矽。對於固支梁結構，則要另外保留固支梁11下面CPW信號 線3的氮化矽，8)澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層；在砷化鎵襯底1上塗覆1. 6 μ m厚的聚醯亞胺犧 牲層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了梁與氮化矽介質層10所在平面的距 離，光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留梁下方和空氣橋16下方的犧牲層。對於懸臂梁12，要另外 刻蝕犧牲層以便形成觸點17，9)濺射鈦/金/鈦；濺射用於CPW a、一分二功率分配器b、梁和空氣橋16的底金 鈦 / 金 / 鈦=500/1600/300 A,10)光刻鈦/金/鈦；去除CPW a、一分二功率分配器b、梁和空氣橋16以外的光 刻膠，11)電鍍金；電鍍金的厚度為2 μ m，12)去除光刻膠，
13)反刻金層，腐蝕底金層，形成CPW a、一分二功率分配器b、梁和空氣橋16，14)釋放犧牲層；用顯影液溶解梁結構和空氣橋16下方的聚醯亞胺犧牲層，並用無水乙醇脫水，形成懸浮的梁結構和空氣橋16。區分是否為該結構的標準如下本發明的微電子機械開關電介質注入的測試結構為了實現可比較性測試，具有兩 個相同的梁結構。本發明的測試結構把兩個對稱的梁結構與兩個可變電阻，以及電流計相 連，形成一個電橋結構。在電橋結構中，兩個梁結構共用一個信號輸入端，兩個可變電阻共 用一個信號輸出端，兩個梁結構分別與兩個可變電阻相連。同時，兩個梁結構具有獨立的驅 動電極。測試時，將電流計的兩端分別搭在兩組梁結構和可變電阻之間。滿足以上條件的結構即視為本發明的微電子機械開關電介質注入的測試結構。
權利要求
一種微電子機械開關電介質注入的測試結構，其特徵在於該測試結構具有進行可比較性測試的兩個相同的梁結構，該兩個相同的梁結構具有獨立的驅動電極；在電橋結構中，兩個梁結構相連組成電橋的兩個相鄰的電橋臂且共用一個信號輸入端，兩個可變電阻相連組成電橋的另兩個相鄰電橋臂且共用一個信號輸出端，兩個梁結構分別與兩個可變電阻相串連形成電橋結構；在機械結構上，CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁結構(c)設置在同一塊襯底(1)上CPW(a)由CPW信號線(3)和CPW地線(4)構成；梁結構(c)包括兩個完全一樣的梁結構，梁結構是固支梁(11)，或是懸臂梁(12)，固支梁(11)橫跨在CPW(a)上，兩個錨區(13)分別位於CPW的兩個地線(4)上，固支梁(11)下面的CPW信號線(3)被氮化矽介質層(10)覆蓋，而懸臂梁(12)則為插入式，即CPW信號線(3)除去一段，梁的錨區(13)位於CPW信號線(3)斷開的一端，梁的接觸端懸空但與CPW信號線(3)斷開的另一端交疊；驅動電極(14)上覆蓋氮化矽介質層(10)，固支梁結構的兩個驅動電極(14)位於CPW信號線(3)與CPW的地線(4)的空隙上，而懸臂梁結構的驅動電極(14)位於CPW信號線(3)的斷開處；驅動電極的引線(15)從CPW地線(4)的斷開處引出，而CPW地線(4)的斷開處用空氣橋(16)連接。
2.一種如權利要求1所述的微電子機械開關電介質注入的測試結構的製備方法，其特 徵在於製備方法為1)準備砷化鎵襯底(1)選用的是外延的半絕緣砷化鎵，2)澱積氮化鉭，3)光刻並刻蝕氮化鉭，形成一分二功率分配器(b)的隔離電阻，即氮化鉭薄膜電阻⑵，4)光刻；去除在CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁結構和靜電驅動電極(14)以其引 線(15)的光刻膠，5)濺射金，剝離去除光刻膠，形成CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁結構和靜電驅動 電極(14)以其引線(15)，金的厚度為0.3 μ m，6)澱積氮化矽介質層(10)用等離子體增強化學氣相澱積法工藝生長1000A的氮化矽 介質層(10)，7)光刻並刻蝕氮化矽介質層(10)保留靜電驅動電極(14)的氮化矽和空氣橋(16)下 方驅動電極引線(15)的上的氮化矽；對於固支梁結構，則要另外保留固支梁(11)下面CPW 信號線(3)的氮化矽，8)澱積並光刻聚醯亞胺犧牲層在砷化鎵襯底(1)上塗覆1.6μπι厚的聚醯亞胺犧牲 層，要求填滿凹坑，聚醯亞胺犧牲層的厚度決定了梁與氮化矽介質層(10)所在平面的距 離，光刻聚醯亞胺犧牲層，僅保留梁下方和空氣橋(16)下方的犧牲層。對於懸臂梁(12)，要 另外刻蝕犧牲層以便形成觸點(17)，9)濺射鈦/金/鈦濺射用於CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁和空氣橋(16)的底 金鈦 / 金 / 鈦=500/1600/300 A,10)光刻鈦/金/鈦去除CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁和空氣橋(16)以外的光 刻膠，11)電鍍金電鍍金的厚度為2μ m，12)去除光刻膠，13)反刻金層，腐蝕底金層，形成CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁和空氣橋(16)，14)釋放犧牲層；用顯影液溶解梁結構和空氣橋(16)下方的聚醯亞胺犧牲層，並用無 水乙醇脫水，形成懸浮的梁結構和空氣橋(16)。
全文摘要
本發明的微電子機械開關電介質注入的測試結構具有實驗結果精確，可比較性強，對測試儀器的要求簡單等特點。該結構以砷化鎵為襯底，在襯底上設有CPW、一分二功率分配器、對稱的梁結構。本發明的測試結構把兩個相同的梁結構與兩個可變電阻，以及電流計相連，形成一個電橋結構。兩個相同的梁結構具有獨立的驅動電極；在電橋結構中，兩個梁結構相連組成電橋的兩個相鄰的電橋臂且共用一個信號輸入端，兩個可變電阻相連組成電橋的另兩個相鄰電橋臂且共用一個信號輸出端，兩個梁結構分別與兩個可變電阻相串連形成電橋結構。在機械結構上，CPW(a)、一分二功率分配器(b)、梁結構(c)設置在同一塊襯底(1)上。
文檔編號B81C99/00GK101887105SQ201010200408
公開日2010年11月17日 申請日期2010年6月13日 優先權日2010年6月13日
發明者周易, 廖小平 申請人:東南大學