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CMOS内置MEMS技术实现了用于射频前端的射频MEMS
录入时间:2025/1/20 14:21:06

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CMOS内置MEMS技术实现了用于射频前端的射频MEMS

Marc Llamas, Nanusens, Devon, UK

尽管射频微机电系统(MEMS)器件的性能优于固态技术,但在过去20年中,该器件在射频前端(RFFE)市场的渗透率几乎为零。这主要是因为直接或间接的机械挑战。这些挑战给半导体行业带来了可靠性和封装问题。射频MEMS封装有多种解决方案,但消费类射频市场对成本很敏感。与标准封装技术相比,这些解决方案价格昂贵。使用非标准解决方案会导致成本上升,阻碍消费市场所需的批量生产能力。

通过在标准互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的后端实施射频MEMS技术,Nanusens致力于克服阻碍消费RFFE采用射频MEMS技术的挑战。本文介绍了Nanusens的MEMS-inside-CMOS(CMOS内置MEMS)技术,并随后介绍了用作数字可调电容器(DTC)构建模块的射频MEMS电容开关。将介绍电气性能和可靠性数据,以展示完整的DTC原型及其性能。通过孔径天线仿真,将MEMS-inside-CMOS DTC与目前用于部分智能手机RFFE的绝缘体上硅(SOI)解决方案进行了比较。

CMOS内置MEMS技术

Nanusens的射频MEMS电容开关是在CMOS工艺的后端(BEOL)上实现的。该开关使用路由金属层作为机械部分的结构元件,金属间介质层作为牺牲材料。MEMS-inside-CMOS技术只需在标准CMOS制造工艺的基础上增加一个无掩模步骤。这一步,即金属间电介质蚀刻,允许机械结构移动。顶部金属作为MEMS腔的盖子,释放孔分布在整个MEMS区域。这样,就可以通过晶圆级芯片封装的标准再钝化技术对器件进行密封。这种方法确保了低成本和标准CMOS器件的批量生产能力。这些步骤如图1所示。

 

图1:钝化开孔后CMOS晶圆的BEOL(a)。后处理蚀刻后(b)。密封后(c)。

虽然CMOS代工厂可以提供BEOL层的电气参数,但对于ASIC电路设计中不适用的机械性能,情况却并非如此。Nanusens开发并实施了多种测试结构,以获得必要的机械参数,如梯度应力、残余应力和杨氏模量,从而正确设计这些器件。图2a至2d显示了这些结果的示例。

 

图2:(a)提取残余应力的COMSOL CMOS BEOL模型。(b)旋转位移与残余应力之间的相关性。(c)残余应力测试结构的扫描电镜图像。(d)残余应力测试结构的共焦图像。

然而,CMOS工艺并不打算用作MEMS工艺,因此开发了不同的设计策略和技术来克服这些限制。射频MEMS电容开关已在两个不同的CMOS代工厂(台积电和中芯国际)中实现,并具有相似的性能。这表明该技术与主流CMOS代工厂兼容。

电容开关简介和致动原理

采用MEMS-inside-CMOS技术实现的电容开关是一种变容二极管,可在接通和断开状态之间切换。它可以形象地理解为一个二进制电容器,ON状态对应大电容值,OFF状态对应小电容值。在图3的ANSYS-HFSS模型中,该器件采用了相互咬合的结构。图3a显示了电容开关模型的三维视图,其中定子指(stator finger)为橙色,转子指(rotor finger)为绿色。图3b显示了导通状态下减小的定子/转子间隙,图3c显示了关断状态下的间隙。

 

图3:电容开关模型的三维视图(a)。导通状态间隙(b)。关断状态间隙(c)。

该装置封装在一个微机电系统(MEMS)腔体内。它由图3中未显示的两部分组成:包含致动电极的致动部分和包含电极的射频部分,电极在两种状态之间显示电容变化。直流电路与射频元件隔离,确保射频信号不会耦合到直流电路上。致动部分通过在可移动电极和固定电极之间施加控制电压产生静电力,从而"拉入"射频电极,产生导通状态,以及"拉开"以实现关断状态。拉开电极可确保在器件处于关断状态时,不会因射频电压过大而产生自致动电流。

电容开关的可靠性

射频微机电系统电容开关的主要失效机制是电介质中的电荷捕获导致的电介质充电。电荷积聚往往会产生静电力,在去掉控制电压后,静电力会使器件处于接通或断开状态。Nanusens的射频MEMS电容开关没有电介质,确保充电不会导致故障。利用CMOS工艺可实现的小间隙,最大限度地减少了可移动部件的位移,以防止因材料的机械疲劳而导致故障。通过应用占空比为50%的1kHz方波和适当的控制电压振幅,进行了开/关状态循环测试。Nanusens的射频MEMS电容开关已经历了30多亿次循环测试,其机械或电气性能没有发生重大变化,这证明了它们在天线应用中的适用性。图4显示了11V偏置电压下的C-V曲线。

 

图4:开关的C-V曲线

这些开关经受了-20°C-150°C的温度测试,在运行期间没有出现明显的性能下降。它们还经受了高达6kg的冲击测试和每个方向30分钟的50Hz振动测试,性能也没有下降。它们还通过了预处理测试,包括在150°C下烘烤24小时,在70°C和70%相对湿度下放置7天,以及在260°C高温下回流(reflow)6次,每次15分钟。

目前,影响成品率的主要因素是蚀刻后处理步骤,该步骤要求释放器件,使其能够移动。设备制造工厂的标准半导体设备可以完成蚀刻步骤。良品率一直保持在85%-95%之间,相信在生产中将超过95%。

电容开关的性能

虽然无介质电容开关可防止介质充电失效,但由于没有介质,因此更难实现大电容比。不过,2-4的电容比足以满足0.5-6GHz所有频段的孔径天线应用。这些电容开关的电容比可达3.5,下一代器件的目标电容比可达5。

与固态技术相比,微机电系统技术的主要优势之一是品质因数(Q)。目前,一些DTC采用SOI开关和片外电容器。SOI开关的导通状态电阻(Ron)主要由晶体管的沟道电阻决定。随着晶体管沟道长度的减小,Ron也会减小。这在提高Q因子的同时,也降低了击穿电压。这意味着需要堆叠更多的SOI晶体管,以维持DTC上的大峰值电压,尤其是在孔径天线应用中。晶体管堆栈的串联电阻主导着基于SOI解决方案的等效串联电阻(ESR)。基于SOI的解决方案需要在Q值、功率处理和面积之间进行权衡。如图5所示,Nanusens开关在1GHz时的Q值为190,在2GHz时为97。尽管这是在电阻率为10Ω.cm的标准CMOS硅衬底上实现的。这是因为MEMS封装在接地的法拉第笼中,可以防止电磁(EM)场耦合到有损耗的基板中。目前,MEMS开关在关断状态下可承受的最大峰值电压为65V,在接通状态下为50V。下一代电容开关的目标是峰值电压达到80V,其方法是在不降低Q值或增加一定电容面积的情况下,提高电极的坚固性。

 

图5:开关的Q值

Nanusens电容开关具有很高的线性度。使用875MHz和915MHz测量互调失真,得出的IIP3值为85dBm,与未连接设置的IIP3相等。这表明设备的IIP3大于85dBm。二阶谐波失真也优于设置,设置的二阶谐波失真为-118dBc。这种线性度得益于射频MEMS器件的机械特性以及不含电介质和半导体材料。射频MEMS开关的机械谐振频率就像一个低通滤波器,远远低于RFFE射频频率。在某些数字调制方案中,低频互调失真(IMD)可能会落入MEMS的机械带宽内。1这是因为开关始终处于一个明确的位置,并由巨大的静电力固定到位。这使得设备无法在其机械带宽内响应这些信号。

Nanusens射频MEMS电容开关已经证明可以在高达35dBm的情况下正常工作,而不会出现性能下降。目前正在对内部功率处理装置进行改进,以便将开关的性能提高到40dBm。

开关时间取决于开关的刚度和致动电压。根据不同的应用,Nanusens电容开关的致动电压可定制为5-100V。目前,致动电压为24V的开关的开关时间小于10μs,足以满足天线调谐的需要。

射频微机电系统DTC

射频MEMS电容开关可以排列成阵列,以构建DTC。图6a显示了第一个原型,它由八个电容开关阵列组成一个四比特DTC。图6b详细描述了用于实现比特的电容开关及其在DTC布局中的位置。比特1由一个带有射频电极的单电容开关组成。比特2也是单电容开关,但包含两个射频电极,电容增加了一倍。比特3由两个与比特2相同类型的电容开关组成,而比特4则由四个电容开关组成。

 

图6:(a)四比特CMOS DTC原型。(b)用于实现DTC的电容开关。

DTC MEMS面积的尺寸为360μm×400μm,最大电容为1.97pF。图6a所示的四比特DTC中央部分的焊盘用于射频输入信号,两侧的接地焊盘用于DTC的分流连接。这样就形成了500μm间距的接地-信号-接地配置。该原型还不包括控制电子元件,因此必须通过芯片周边的焊盘施加电容开关控制电压,以将不同比特切换到各自的导通和关断状态。

DTC性能

通过测量S参数,对20GHz的原型进行了表征。从S11测量结果中提取了电容比和Q值。该器件的电容比接近2.2,从所有开关断开时的0.9pF到所有开关接通时的1.97pF。导通状态下的自谐振频率接近13GHz,表明该开关可用于6GHz以下频段。在最大电容状态下,提取的Q值为50,频率为2GHz。这些结果如图7所示。DTC原型的Q值小于单电容开关的Q值。这是由于路由寄生电阻造成的,需要进行优化。利用ANSYS-HFSS进行的有限元仿真表明,可以优化路由电阻,使Q值接近100。

 

图7:1111和0000状态下的测量和仿真的电容与Q值。

使用与电容开关相同的设置,还测量了最小(状态0)和最大(状态15)电容状态下的DTC IMD。DTC显示这两种状态下的IIP3均优于85dBm,与表征设置中的非连接IIP3相当。此外,在40V偏置下测量到的980MHz基音二次谐波失真在两种状态下均优于-118dBc。测得的谐波失真与未连接的设置值一致。

DTC原型的测量温度范围为-20°C-100°C。它在导通状态下的电容变化率为0.4%,在关断状态下的电容变化率为0.1%。器件蚀刻后处理后,DTC的良品率超过85%。

孔径天线仿真

目前,用于孔径天线调谐的DTC采用SOI xPxT/SPxT开关,需要两到四个片外元件。这些片外元件增加了材料数量、成本和电路板占用面积。片外元件还会增加寄生效应,导致不必要的谐振,增加设计复杂性。这些解决方案受到可用片外元件值的限制,小值的公差可能相当大,从而限制了DTC分辨率。MEMS-inside-CMOS DTC是一种单芯片解决方案,与目前的解决方案相比,可减少多达30%的电路板占用空间。它们还最大限度地减少了PCB寄生电流,降低了设计复杂性,并使分辨率达到几个飞法拉。

为了展示射频MEMS-inside-CMOS DTC性能相对于当前基于SOI的解决方案的优势,我们使用ANSYS-HFSS对基于智能手机平面逆F天线(PIFA)的可调双频孔径天线进行了建模。天线上安装了两个不同的DTC,分别用于690-960MHz的低频段(LB)和1420-1520MHz的中低频段(LMB)。仿真使用了从MEMS DTC和SOI 4P4T开关的模型和测量结果中提取的RLC值。片外电容器的S参数来自供应商网站,基于SOI的解决方案未考虑电路板迹线寄生。

如图8a所示,电容比为4的DTC可覆盖LB。如图8b所示,2的电容比足以覆盖LMB。图8c显示了LMB频率范围较低时的天线效率,图8d显示了LMB频率范围较高时的天线效率。天线效率图显示了两种解决方案和无DTC的结果。与SOI解决方案相比,使用MEMS DTC的LMB上下频率范围的天线效率分别提高了17%和30%。低频带的结果(图中未显示)显示,天线效率在频带的上部和下部分别提高了10%。在1710-2200MHz范围内的中高频段(HMB)重复了这一工作。在这种情况下,MEMS DTC带来的天线效率提高幅度为:波段下部15%,波段上部25%。天线效率的提高主要是由于射频MEMS DTC与基于SOI的解决方案相比具有更高的Q值。进一步提高射频MEMS解决方案的天线效率还可以提高线性度,从而改善ACPR,尤其是在孔径天线应用中使用DTC上可能存在的高电压时。

 

图8:(a) LB性能。(b) LMB性能。(c) LMB低频范围的天线效率。(d) LMB高频范围的天线效率。

Nanusens最近证明,其金属-空气-金属(MAM)射频MEMS电容开关实现了高达40GHz时的极高Q因数,电容比为2.5。图9显示了这一性能。值得注意的是,开关电容结果是在没有去嵌入焊盘电容的情况下得出的,焊盘电容估计为60fF,而且在频率低于5GHz时,电阻接近于零。

 

图9:接通和断开状态下的电容开关的电容和Q值。

结论

尽管射频MEMS技术性能优越,但与固态技术相比,其在RFFE市场的应用一直非常缓慢。经过多年的发展,Nanusens已经解决了许多阻碍该技术应用的难题。Nanusens的射频MEMS-inside-CMOS技术允许批量生产,并将生产成本保持在远低于其他MEMS解决方案的水平。这些解决方案的成本低于SOI开关,同时还能提高性能。

Nanusens DTC可轻松应用于智能手机RFFE上的天线调谐器、孔径天线和可重构匹配网络,从而实现更好、更快的语音和数据传输。该技术的优势还有助于减少掉线,并通过提高天线效率来延长电池寿命。DTC将采用9针WLSCP封装,剖面尺寸为350μm,预计尺寸为1.5x1.5mm。

Nanusens射频MEMS-inside-CMOS DTC可在芯片级集成控制电子元件和ESD保护功能。与片上系统和多元件解决方案相比,这样可以节省面积和成本。DTC将完全符合2G/3G/4G/5G功率处理和线性度要求,并提供用于配置和控制的MIPI RFFE接口。它是未来6G解决方案的可行选择,尤其是在微波频段。

参考文献

1.    A. Lázaro, D. Girbau and L. Pradell, “Distortion Produced by RF MEMS Varactors on Digital Communication Signals,” Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 48, No. 2, Feb. 2006.


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