[发明专利]功率覆盖结构及其制作方法

说明书

技术领域

本发明的实施例通常涉及MEMS(微机电系统)，并且具体地说涉及高电流容量MEMS器件。

背景技术

半导体器件，例如双极结型晶体管(BJT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，可以被控制为基本不导电的状态(“断开”、“开路”或不导电)以及被控制为基本导电的状态(“接通”、“闭合”或导电)。响应于控制信号，这些器件可以用作使负载与电源连接和断开的开关。由于消耗由电源提供的功率的断开状态的漏电流和接通状态电阻，目前发展水平的晶体管开关并不呈现理想的开关特性。

MEMS(微机电系统)器件包括形成在衬底材料上的集成微器件，例如机械部件。尺寸从纳米到毫米范围的MEMS器件可以在微米尺度(micro scale)上传感、控制、开关以及启动。与常规机械系统相比，使用MEMS器件减小了机械和电系统的尺寸和重量。电部件可以使用集成电路加工技术形成在与机械MEMS器件相同的硅芯片上。

在特定应用中模仿机械开关的操作的MEMS开关期望优于半导体开关。不像没有移动部件的固态开关，MEMS开关通过响应于控制信号的执行器的运动在物理上断开和接通连接到开关接触点的电路。由于执行器操作在接触点之间产生空气隙，MEMS开关在断开情形下呈现高隔离(高阻抗)以及基本为零的漏电流。在接通情形下的插入损失比使用半导体开关时少。作为功率和信号频率的函数的电流响应，MEMS开关也显示得比半导体开关更线性。

MEMS器件的制作采用与集成电路的制作中所利用的工艺步骤相类似的工艺步骤。具体地说，MEMS微结构包括在衬底表面例如硅晶片表面上沉积和图案化薄膜的步骤。(具有微米或更小量级的厚度)并且被形成为层或子层的普通薄膜材料包括但不限于二氧化硅、氮化硅、多晶硅、非晶硅、金属、金属合金、碳以及硅化物。

在高输入/输出电流应用中工作的MEMS开关和继电器受到传统半导体器件互连和封装方法例如线接合(wire bonding)、双列直插高端封装、倒装芯片等的挑战。应当将高功率/高电流MEMS开关的输入和输出端制造成能承受电流和由此产生的热。常规的集成电路线接合不能成功地运送这些高电流。在倒装芯片结构中MEMS器件利用的通过晶片的通路也并不一定满足特定MEMS开关应用要求的高功率。

图1A和1B示出现有技术的MEMS开关10，该现有技术的MEMS开关10包括漏极12、栅极14以及连接到横梁(悬臂)18的源极16。在栅极14和源极16之间施加电压在栅极14和横梁18之间产生静电力，使横梁18变形为与漏极12接触以闭合源/漏路径。典型MEMS开关的尺寸是约100微米乘以约100微米。假定开关的微尺度尺寸，通过开关元件的10mA的典型电流可以产生差不多1E8A/m²的电流密度，因为有效接触面积是约10微米乘以10微米(大约是总接触面积的10％)。当在高电流应用中使用时，需要每个开关元件运送在大约100mA到1A范围内的电流，产生大约1E9A/m²到1E10A/m²的电流密度。在特定普通开关中，有效接触面积是约1微米乘以1微米，对于10mA的电流产生大约1E10A/m²的电流密度。

MEMS开关10的热诱发失效模式包括粘附和摩擦力、微焊接以及横梁蒸发。静电力和范德华力能够在漏极12和横梁18之间产生永久粘附，使开关永久保持在闭合位置。在微焊接失效中，跨越漏极12和横梁18之间的间隙的高电场强度导致空气隙被击穿。所得到的放电使接触永久熔化。当大电流流过闭合的开关元件时也可能发生漏极12和横梁18的微焊接。在高电流下，导电元件的电迁移也可能降低开关的可靠性。由于这些失效模式中的一个或多个引起的开关失效的可能性随着开关电流的增加而增加。

根据现有技术的技术，图1A和1B的MEMS开关10被形成在具有常规导电通路的半导体衬底中，该通路将电流(和热)从结构元件运送到接合焊盘层。在线接合封装工艺中，接合线将每个接合焊盘连接到相应的焊盘或在下一级封装的导电元件，通常是印刷电路板。在倒装芯片封装工艺中，焊料凸起被附着到MEMS器件本体上的接合焊盘；利用焊料回流工艺，这些凸起被附着到印刷电路板上的相应焊盘。

不利地是，接合线将不期望有的电感加入MEMS开关电路中。此外，当在高电流应用中尤其在高瞬变电流负载应用中工作时，线接合和倒装芯片方案都不能消除来自MEMS开关的大量的热或运送开关电流。

发明内容