(57)【要約】本開示は概略、無線周波数利用のための最先端の半導体技術における、ＭＥＭＳ固有技術と特別設計の半導体ＥＳＤ保護回路との組み合わせに関する。ＭＥＭＳデバイスでＥＳＤ保護回路を用いることには集積において相当レベルの複雑さが存在し、このことは一部の人に不利なことであると見なされることがある。しかしながら、挿入損失、分離、及び線形性に対する、全体パフォーマンスのレベルにおける正味の便益は、不利益を上回る。
2019501029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、ＲＦ電極と接地との間に電気的に配置される、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、
ＲＦ電極と接地との間に、複数のＭＥＭＳデバイスと並列して結合する第１のＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項２】
共通の第１のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、第１のＲＦ電極と第２のＲＦ電極との間に電気的に配置される、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、
第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第１のＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項３】
第１のＲＦ電極と第２のＲＦ電極との間に、複数のＭＥＭＳデバイスと並列して結合する第２のＥＳＤデバイスを、更に含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
接地と第１のＲＦ電極との間に接続する第３のＥＳＤデバイスを、更に含む、請求項３に記載のデバイス。
【請求項５】
接地と第１のＲＦ電極との間に接続する第２のＥＳＤデバイスを、更に含む、請求項２に記載のデバイス。
【請求項６】
第１のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、個々のＭＥＭＳデバイスは対応する第２の電極を有する、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、
第１のＲＦ電極と接地との間に結合するＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項７】
個々のＭＥＭＳデバイスは、第１のＲＦ電極と対応する第２のＲＦ電極との間に並列して結合する第２のＥＳＤデバイスを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項８】
個々のＭＥＭＳデバイスは、第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第３のＥＳＤデバイスを含む、請求項７に記載のデバイス。
【請求項９】
個々のＭＥＭＳデバイスは、第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第２のＥＳＤデバイスを含む、請求項６に記載のデバイス。
【請求項１０】
ＳＯＩ半導体のダイと、
前記ダイと結合する複数の対の接続パッドと、及び、
各々の対の接続パッドにおける接続パッド間に結合するＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項１１】
ＳＯＩ半導体のダイと、
前記ダイと結合する複数の対の接続パッドと、
前記ダイと結合するフローティング共通ノードと、及び、
各々の接続パッドとフローティング共通ノードと間に結合するＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項１２】
第１のＲＦ電極と第２のＲＦ電極との間に並列して結合する複数のＭＥＭＳデバイスと、
第１のＲＦ電極と接地との間に結合する第１のＥＳＤデバイスと、及び、
第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第２のＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【請求項１３】
第１のＲＦ電極と、
複数の第２のＲＦ電極であって、スイッチが個々の第２のＲＦ電極と第１のＲＦ電極との間に存在する、複数の第２のＲＦ電極と、
個々の第２のＲＦ電極と個々のスイッチとの間に結合する第１のＥＳＤデバイスと、
個々のスイッチと第１のＲＦ電極との間に結合する第２のＥＳＤデバイスと、及び、
接地と個々の第１のＥＳＤデバイスと第２のＥＳＤデバイスとの間に結合する第３のＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、概略、静電放電（ＥＳＤ）のリスクを減少させる微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
製造工程（例えば、アセンブリ）間とデバイスの典型的使用状況（例えば、帯電した人体への暴露）との両方にて、静電放電のリスクが存在する無線周波数遠隔通信での使用のために設計され製造されたＭＥＭＳ技術を含むデバイス。特に、最先端の無線デバイスのための再構成可能なアナログの及び混合信号の回路をイネーブルにするのに用いられる、スイッチ及び調整可能キャパシタなどの、コンポーネント。
【０００３】
ＥＳＤ保護デバイス及び回路は、電子コンポーネント及び回路をイネーブルにする半導体技術の本質的部分である。これらのソリューションは、無線周波数コンポーネントに適用される場合に重大なパフォーマンスに不利な条件を生じる。標準的なＥＳＤ保護技術が用いられる場合に、挿入損失、分離、線形性などの重要な数値指標は大きく低下する。スイッチや可変キャパシタなどの無線周波数コンポーネントの実装に適用される場合、ＭＥＭＳ技術は、先例の無いパフォーマンスレベルをイネーブルにできる。しかしながら、従来のＥＳＤ保護技術は、それらパフォーマンスを許容し得ないレベルにまで低下させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳベースのコンポーネントのための、無線周波数パフォーマンスのハイレベルを維持することができる新しいＥＳＤソリューションに対する、産業界のニーズが存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示は概略、無線周波数利用のための最先端の半導体技術における、ＭＥＭＳ固有技術と特別設計の半導体ＥＳＤ保護回路との組み合わせに関する。ＭＥＭＳデバイスでＥＳＤ保護回路を用いることには集積において相当レベルの複雑さが存在し、このことは一部の人に不利なことであると見なされることがある。しかしながら、挿入損失、分離、及び線形性に対する、全体パフォーマンスのレベルにおける正味の便益は、不利益を上回る。
【０００６】
一つの実施形態では、デバイスは、共通のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、ＲＦ電極と接地との間に電気的に配置される、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、ＲＦ電極と接地との間に、複数のＭＥＭＳデバイスと並列して結合する第１のＥＳＤデバイスとを含む。
【０００７】
別の実施形態では、デバイスは、共通の第１のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、第１のＲＦ電極と第２のＲＦ電極との間に電気的に配置される、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第１のＥＳＤデバイスとを含む。
【０００８】
別の実施形態では、デバイスは、第１のＲＦ電極と並列して接続する複数のＭＥＭＳデバイスであって、個々のＭＥＭＳデバイスは対応する第２の電極を有する、複数のＭＥＭＳデバイスと、及び、第１のＲＦ電極と接地との間に結合するＥＳＤデバイスとを含む。
【０００９】
別の実施形態では、デバイスは、ＳＯＩ半導体のダイと、前記ダイと結合する複数の対の接続パッドと、及び、各々の対の接続パッドにおける接続パッド間に結合するＥＳＤデバイスとを含む。
【００１０】
別の実施形態では、デバイスは、第１のＲＦ電極と第２のＲＦ電極との間に並列して結合する複数のＭＥＭＳデバイスと、第１のＲＦ電極と接地との間に結合する第１のＥＳＤデバイスと、及び、第２のＲＦ電極と接地との間に結合する第２のＥＳＤデバイスと
を含む、デバイス。
【００１１】
別の実施形態では、デバイスは、第１のＲＦ電極と、複数の第２のＲＦ電極であって、スイッチが個々の第２のＲＦ電極と第１のＲＦ電極との間に存在する、複数の第２のＲＦ電極と、個々の第２のＲＦ電極と個々のスイッチとの間に結合する第１のＥＳＤデバイスと、  個々のスイッチと第１のＲＦ電極との間に結合する第２のＥＳＤデバイスと、及び、接地と個々の第１のＥＳＤデバイスと第２のＥＳＤデバイスとの間に結合する第３のＥＳＤデバイスとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
本開示の上述の特徴が詳細に理解されるように、上記にて簡潔に要約されている、本開示のより詳細な説明が、実施形態を参照して示され得るのであり、それらの一部を添付の図面で表す。しかしながら、添付の図面は本開示の典型的な実施形態を示すものに過ぎずよって本開示の範囲の限定であると考えられるべきでは無いことに、留意すべきである。本開示は他の等しく実効性のある実施形態を認め得るものであるからである。
【図１Ａ】図１Ａは、抵抗ＭＥＭＳスイッチの概略上面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、複数の並行動作のＭＥＭＳスイッチを含む抵抗スイッチセルの概略上面図である。
【図１Ｃ】図１Ｃは、複数の並行動作のスイッチセルを含む抵抗スイッチアレイの概略上面図である。
【図２】図２は、一つの実施形態に係るＭＥＭＳ抵抗スイッチの概略断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｂ】図３Ｂは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｃ】図３Ｃは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｄ】図３Ｄは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｅ】図３Ｅは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｆ】図３Ｆは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図３Ｇ】図３Ｇは、ＭＥＭＳデバイスの無線周波数電極と結合するＥＳＤの複数の実施形態を例示する。
【図４】図４は、一つの実施形態に係る単独のダイ上の多数のＥＳＤ素子を示す。
【図５】図５は、別の実施形態に係る単独のダイ上の多数のＥＳＤ素子を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、内部フローティング共通ノードで実装された同じＥＳＤ回路を用いて、可変キャパシタ（チューナ）及び四極スイッチがＥＳＤ保護されている、アーキテクチャの二つの例を示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、内部フローティング共通ノードで実装された同じＥＳＤ回路を用いて、可変キャパシタ（チューナ）及び四極スイッチがＥＳＤ保護されている、アーキテクチャの二つの例を示す。
【図７】図７は、一つの実施形態に係るＥＳＤ保護のためのカスケード回路を示す。
【００１３】
理解を促進するために同じ参照番号は、可能であれば、複数の図面に共通な同じ要素を指定するように用いられている。一つの実施形態に開示される要素は、特段の列挙無く他の実施形態で好適にも用いられ得ると考えられる。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示は概略、無線周波数利用のための最先端の半導体技術における、ＭＥＭＳ固有技術と特別設計の半導体ＥＳＤ保護回路との組み合わせに関する。ＭＥＭＳデバイスでＥＳＤ保護回路を用いることには集積において相当レベルの複雑さが存在し、このことは一部の人に不利なことであると見なされることがある。しかしながら、挿入損失、分離、及び線形性に対する、全体パフォーマンスのレベルにおける正味の便益は、不利益を上回る。
【００１５】
図１Ａは、抵抗ＭＥＭＳスイッチ１００の概略上面図である。スイッチ１００は、ＲＦ（無線周波数）電極１０２、プルダウン電極１０４、及びアンカ電極１０６を含む。十分に高い電圧がプルダウン電極１０４に印加されると、ＭＥＭＳスイッチはダウン作動し、ＲＦ電極１０２とアンカ電極１０６との間に抵抗接続を形成する。
【００１６】
図１Ｂは、複数のＭＥＭＳスイッチ１００を含む抵抗スイッチセル１１０の概略上面図である。セル１１０内の全てのＭＥＭＳスイッチ１００は、十分に高い電圧をプルダウン電極１０４に印加することにより、同時にオンされる。多数のスイッチが並列で動作するので、ＲＦ電極１０２とアンカ電極１０６の間の抵抗は減少する。
【００１７】
図１Ｃは、抵抗スイッチアレイの概略上面図である。抵抗スイッチアレイは複数の並行動作のスイッチセル１１０を含む。個々のセルのＲＦ電極１０２は、個々のスイッチセル１１０の一端にて繋がり、アンカ電極１０６は、個々のスイッチセル１１０の他端にて繋がる。全てのセルがオンになると、このことは結果として、ＲＦ電極１０２とアンカ電極１０６との間の抵抗を更に減少させる。同時に、多数のスイッチが並列で動作するので、全体のスイッチアレイはより多くの電流を処理できる。
【００１８】
図２は、抵抗ＭＥＭＳスイッチ２００の断面図を示す。本開示は、ＭＥＭＳレグサスペンション及びアンカの電流処理能力を改良する方法を記載する。ＭＥＭＳスイッチ２００は、基板２０２上に配置される、ＲＦ電極１０２と、プルダウン電極１０４と、及び、アンカ電極１０６とを含む。プルダウン電極１０４は、プルダウン状態にてＭＥＭＳスイッチとプルダウン電極１０４との間の短絡を回避するための誘電層２０４で、覆われる。電気的に絶縁する、即ち絶縁層２０４の適切な材料は、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含むシリコンベースの材料を、含む。この層２０４の厚さは通常５０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲にあり誘電層の電界を制限する。ＲＦ電極１０２の上面には、プルダウン状態にてスイッチ本体が抵抗コンタクトを形成するＲＦコンタクト２０６がある。アンカ電極１０６の上面には、ＭＥＭＳデバイスが固定されるアンカコンタクト２０８がある。コンタクト層２０６、２０８に用いられる通常の材料は、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＡｌ、ＴｉＡｌＮ、ＡｌＮ、Ａｌ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、ＲｕＯ２、ＩＴＯ、Ｍｏ、及びそれらの組み合わせを、含む。
【００１９】
スイッチ素子は、ビア２１４のアレイを用いて結合する導電層２１０、２１２から成る硬化ブリッジを含む。このことにより、硬化プレートセクション及び柔軟レグは、動作電圧を許容レベルに維持する間、高い接触力を提供することになる。ＭＥＭＳブリッジは、ＭＥＭＳブリッジの、下方層２１０に形成されるレグ２１６と、上方層２１２に形成されるレグ２１８とにより、サスペンドされる。ＭＥＭＳブリッジの上方層は、ビア２２０を介して、ＭＥＭＳの下方層に固定される。ＭＥＭＳブリッジの下方層は、ビア２２２を介して、アンカコンタクト２０８に固定される。ＭＥＭＳスイッチがダウン作動するときにＲＦコンタクト２０６からＭＥＭＳブリッジに注入される電流は、スイッチ本体のいずれの側にも配置されるアンカ電極１０６への両方の方向に、ＭＥＭＳブリッジを介して流れ出す。スイッチの電流処理は、単なる単独の層ではなくＭＥＭＳブリッジの両方の層での、レグ２１６、２１８を用いることにより改良される。これらのレグは、ＭＥＭＳブリッジのようにビア２１４により結合されること、はないので、合理的な動作電圧がＲＦコンタクト２０６と接触するＭＥＭＳブリッジ２１０、２１２をプルするのを許容するには、これらのレグのコンプライアンスは尚十分に低い。
【００２０】
ＭＥＭＳブリッジの上部には、オフ状態のためにＭＥＭＳをルーフまでプルアップするのに用いられる金属プルアップ電極２２６によりキャップされる誘電層２２４がある。誘電層２２４は、アップ作動状態にてＭＥＭＳスイッチとプルアップ電極２２６との間の短絡を回避し、高信頼性のために電界を制限する。デバイスを上面まで動かすことは、オフ状態のＲＦ電極１０２へのスイッチのキャパシタンスを減少させる助けとなる。キャビティルーフは更に、機械的強度のために更なる誘電層２２８を含む。製造の間に存在する犠牲層を除去するのに用いられる、エッチリリースホール２３２を埋める誘電層２３０で、キャビティはシールされる。誘電層２３０はエッチリリースホール２３２に入り込み、アンカ内のＭＥＭＳブリッジの上面層２１２への更なる機械的支持を提供し、この間、キャビティ内が低圧環境となるようにキャビティをシールすることもする。ルーフ誘電層２２８、２３０の適切な材料は、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、及び酸窒化ケイ素を含むシリコンベースの材料を、含む。
【００２１】
プルアップ電極２２６のために用いられる同じ導電層は、それが位置２３６にてＭＥＭＳブリッジの上面層２１２と接続し、位置２３８にてＭＥＭＳブリッジの底面２１０と接続し、更にアンカコンタクト２０８と接続する、位置３４４におけるキャビティの両側においても用いられる。よって、この側壁電気接続は、ＭＥＭＳブリッジビア２２０、２２２と並列する、ＭＥＭＳブリッジ２１０、２１２からアンカコンタクト２０８への電流経路を提供する。
【００２２】
本開示では、構造的観点から、ユニットＥＳＤ保護素子をＭＥＭＳ調節可能キャパシティ若しくはスイッチと組み合わせるための、一連のトポロジが開示される。コンポーネント及びピン配列に依存して、ＭＥＭＳスイッチ素子内部での破壊的電圧及び電流を回避するために、一つ若しくは多数のＥＳＤ保護素子が挿入され適宜接続される。図３Ａ〜図３Ｇは、複数の可能なものを例示する。
【００２３】
ＥＳＤ保護素子は、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）などの、損失、分離、及び線形性に関して最良の性能を提示する半導体技術で実装される。実装されるＥＳＤ回路は、ＥＳＤ回路がＥＳＤイベントにより与えられるエネルギにより「オンとなる」ことになっているので、パッシブである（即ち、電力を要求しない）。通常の利用状況では、ＥＳＤ回路は、非常に小さい電気キャパシタンスとリーケージ電流との観点から、固有ＭＥＭＳ回路へ負荷の最小限の量を提供する。
【００２４】
複数のＥＳＤ素子は、図４に示すように単独のダイ上に含まれてもよい。単独のダイ上の複数のＥＳＤ素子により、保護されるべき特定のＭＥＭＳデバイスを前提としてどれだけの数のＥＳＤ素子が必要とされるかという観点で、可撓性が許容され得る。集積の観点からは、コンポーネントは、ＭＥＭＳ固有部分のためと、ＳＯＩ  ＥＳＤ保護回路のためとの、別個の基板を含む。これらは、同じ小型パッケージの内部で組み合わされる。このアプローチにより、同じＥＳＤ回路が多数の異なるコンポーネントの内部で再利用可能であり、コスト及び複雑さは減少する。
【００２５】
異なる新規の実装では、ＥＳＤ回路アーキテクチャは、広範囲の製品が同じＥＳＤチップを用いて保護され得る、というものである。このように更に加えられる可撓性は、内部「フローティング」をＥＳＤ回路チップに備えることにより、提供されるものである。最終的なＭＥＭＳデバイスのノードのどの対も、図５に示すようなＥＳＤチップのＩＯの任意の対に繋ぐことにより、保護され得る。
【００２６】
図６Ａ及び図６Ｂは、内部フローティング共通ノードで実装された同じＥＳＤ回路を用いて、可変キャパシタ（チューナ）及び四極スイッチがＥＳＤ保護されている、アーキテクチャの二つの例を示す。
【００２７】
更に、ＥＳＤ  ＩＣが過度に早くオンしてＩＥＣ  ＥＳＤイベントの間に破裂することから、保護するためのタイミング制御の実装が、開示される。例として、図７に示すような、ＥＳＤ保護回路がオンとなる前に、要求される時間遅延を提供し、ＩＥＣ  ＥＳＤイベントに典型的に見られる大きいしかし非常に速い電流スパイクが回路を損傷するのを回避する、容量性カスケードが、以下に示される。
【００２８】
ＭＥＭＳ固有技術を伴うＥＳＤ保護を用いることにより、挿入損失、分離、及び線形性に対する全体パフォーマンスのレベルは大きく改善する。
【００２９】
前述は、本開示の実施形態に向けられているが、本開示の他の及び更なる実施形態はその基本範囲から乖離すること無く導出可能であり、その範囲は以下の請求項により決定される。
【図１Ａ】
2019501029.tif 000003
【図１Ｂ】
2019501029.tif 000004
【図１Ｃ】
2019501029.tif 000005
【図２】
2019501029.tif 000006
【図３Ａ−３Ｄ】
2019501029.tif 000007
【図３Ｅ−３Ｇ】
2019501029.tif 000008
【図４】
2019501029.tif 000009
【図５】
2019501029.tif 000010
【図６ＡＡＮＤ６Ｂ】
2019501029.tif 000011
【図７】
2019501029.tif 000012
【国際調査報告】
2019501029.tif 000013
2019501029.tif 000014
2019501029.tif 000015