CN102356042A - 具有漏电路径的微机电系统设备 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统(MEMS)换能器，其包括介电材料层，且具有在所述介电材料层内形成的电极。所述介电材料层的一个区域适于提供一个漏电路径，所述漏电路径在使用中从所述介电材料层中除去不想要的电荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种微机电系统(MEMS)设备和方法，特别是与换能器(尤其是电容式换能器，诸如MEMS电容式麦克风)相关的MEMS设备和方法。
背景技术
消费电子设备变得越来越小，且随着科技的进步，获得日益增加的性能和功能。在消费电子产品例如移动电话、膝上型电脑、MP 3播放器和个人数字助理(PDA)所使用的技术中，这是显而易见的。例如移动电话行业的需求正在驱使着部件在具有更高功能和更低成本的前提下变得更小。例如，现在一些移动电话需要多个麦克风用于噪声消除，或需要加速度计以允许惯性导航，同时保持小的外形因数(form factor)或使之更小，并且旨在达成与前一代电话相似的总成本。
这促使了微型换能器的出现。例如，在语音应用方面，最初使用驻极体(electret)麦克风来捕捉语音，但最近已经引入了微机电系统(MEMS)换能器。MEMS换能器可用于多种应用，包括但不限于压力传感、超声波扫描、加速度监测和信号产生。通常，这种MEMS换能器是电容式换能器，其中一些包括一个或多个带有用于读出/驱动的电极的膜，所述电极沉积在所述膜和/或衬底上。这些电极的相对运动调节了它们之间的电容，而该电容需要由相关的电子电路系统(诸如，敏感的电子放大器)来检测。
图1显示了一个电容式麦克风设备的示意图。电容式麦克风设备包括一个柔性膜11，其响应于由声波所产生的压力差而自由移动。第一电极13机械地联接到柔性膜11，它们共同形成所述电容式麦克风设备的第一电容极板。第二电极15机械地联接到大体刚性的结构层或背板17，它们共同形成所述电容式麦克风设备的第二电容极板。所述膜11和背板17是由介电材料(诸如，氮化硅)制成的。
柔性膜11可响应于激励(例如，声波或压力波)而自由移动。所 述柔性膜的这种运动导致第一电极13和第二电极15之间的电容改变。在使用中，电容式麦克风设备通常被布置在高阻抗电路中，以使得电容器上的电荷不会明显变化。因此，换能器的电容由于激励而产生的变化导致了换能器电容两端的11V的电压变化。此电压变化可以被检测和处理，以提供电输出信号。
图2更详细地示出了图1中的膜11和背板17，以及它们各自的电极13和15。第一电极13和第二电极15被电压源19(例如一个提供了12V偏置电压的充电泵)偏置。
从图2可以看到，第二电极15是形成在背板17内的，使得其被介电材料所包围。出于如下多个原因，该电极被包覆在介电材料层(即，背板17)内。
首先，通过将电极15形成在背板17内，所述介电材料用作保护电极15免受有害环境影响。例如，介电材料防止金属电极15受到腐蚀或氧化。
其次，通过将电极15形成在背板17内，改进了制作过程。这是因为，与把金属电极沉积到聚酰亚胺上相比，把金属电极沉积在氮化硅上更为容易(聚酰亚胺在制作过程中通常被用作一个牺牲层，以便形成位于背板17和膜11之间的气隙)。
再者，将电极15包覆在背板17内具有在当膜11朝向背板17偏移时减小所存在的静摩擦力的效果。
如图2中所示出的布置的缺点是，背板17的电极15下方的介电层容易带电，特别是对于包括氮化硅的介电层。当位于第一电极13和第二电极15之间的气隙的电阻减小时，例如在潮湿环境中，情况尤其如此。这会导致离子漂移通过气隙，并积累到背板17的下表面上，导致在介电层下表面上的电荷积累。如从图3可见，一个正电荷积累在第二电极15的上表面上，同时一个负电荷积累在第一电极13的下表面上。
氮化硅层上的电荷可以增大到所施加电压的最大值(例如12V)。这具有降低MEMS设备的灵敏度的缺点。
在图3中所示的实施例中，在氮化硅层中(即，在第二电极15的下侧和背板17的下表面之间)的2V电荷导致如下的灵敏度损失：
20log(10/12)＝1.6dB.
同样地，在氮化硅层中的6V电荷引起了6dB的衰减，而9V电荷引起了12dB的衰减。
在氮化硅层中积累的任何电荷均具有非常长的衰减时间，可能几天或几周，这显然远长于MEMS设备的响应时间。
图4是示出了在温度湿度偏压测试(在85C/85°A)之后，两个麦克风的灵敏度降低的曲线图。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种MEMS设备，以及一种制造MEMS设备的方法，其减少或除去了上面提到的不理想效果。
根据本发明的另一方面，提供了一种微机电系统(MEMS)换能器，包括：介电材料层；电极，在所述介电材料层内形成；其中所述介电材料层的一个区域适于提供一个漏电路径(leakage path)，所述漏电路径在使用中从所述介电材料层中除去不想要的电荷。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于形成微机电系统(MEMS)换能器的方法，所述方法包括下列步骤：沉积第一介电材料层；沉积一个电极；沉积第二介电材料层；其中所述沉积第一介电材料层的步骤包括形成一个漏电路径，所述漏电路径在使用中从所述第一介电材料层中除去不想要的电荷。
附图说明
为了更好地理解本发明，并且更清晰地示出如何实现本发明，现在将仅以举例方式参考下列附图：
图1是根据现有技术的MEMS麦克风的示意性横截面图；
图2更详细地示出了图1的背板、膜和相关联的电极；
图3示出了图1和图2的设备中的电荷的积累；
图4是示出了在温度湿度偏压测试之后两个麦克风的灵敏度降低的曲线图；
图5示出了根据本发明的一个实施方案的MEMS设备；
图6示出了氮化硅的电气特性，以及一个隧道效应 (Fowler-Nordheim)图；
图7示出了使用不同材料通过50nm氮化硅所测得的导电性；
图8示出了具有氦损耗的氮化硅的电荷衰减；
图9示出了具有硅浓缩的氮化硅的电荷衰减；以及，
图10示出了本发明的另一实施方案。
具体实施方式
本发明将就MEMS电容式麦克风形式的MEMS换能器进行描述。然而，应理解，本发明同样适用于任何形式的电容式换能器，包括但不仅限于压力传感器、超声波换能器、加速度监测和信号产生换能器。
另外，虽然本发明将就MEMS设备的背板进行描述，但是应理解本发明同样适用于具有相关电极的MEMS设备的任何其他介电层，例如这样的膜，该膜在其电极和电容式换能器的另一电极之间具有一介电材料层，例如如果电极13被设置在膜11的下侧或包覆于其内。
还注意到，虽然本发明的实施方案是就由氮化硅制成的背板进行描述的，但应理解本发明适用于其他介电材料。
根据本发明，在背板的一个区域中设置了一个漏电路径，用于防止背板中任何不想要的电荷的积累或者除去任何不想要的电荷。
参考图5，根据一个实施方案，背板的厚度在电极15的下侧(即，在背板的一个区域17a)减小。应理解，“下侧”指的是电极的一侧，其中该电极面向该电容式换能器的另一电极，也即，指的是面向电极13的一侧。减小此区域17a内的背板17的厚度具有降低电极15、13之间的介电层的阻抗的效果。也就是说，电极15下方的介电层的阻抗在沿着X-X轴线的平面内减少，该轴线X-X是大致在从一个电极15到另一电极13的方向上行进的轴线。
注意到，诸如图5中所示，MEMS设备中的背板可通过如下操作形成：沉积第一氮化硅层；在第一氮化硅层的一部分上沉积电极15；并且，在电极15和第一氮化硅层上沉积第二氮化硅层，从而用氮化硅包覆了该电极以形成背板17。第一氮化硅层可以沉积在牺牲层(未示出)上，该牺牲层是在制作过程中沉积以支撑所形成的背板17，但之后被移除以提供背板17和膜11之间的气隙。因此，通过沉积比第二层具 有更小厚度的第一层，可减小位于背板17下侧上的层的厚度。
根据一个实施方案，减小了区域17a中的介电层的厚度，以使得介电层表现为隧穿(tunnelling)运作模式，从而当电容式换能器在使用中被偏置时，背板的区域17a中存储的任何不想要的电荷均被移除。
图6示出了一个隧道效应图，其示出氮化硅(包括欧姆区和隧穿区)的电气特性。电极15下侧上的氮化硅层被沉积，使得所述氮化硅层适于在隧穿模式下运作。
这使得电流能够流过氮化硅层，其将任何积累的电荷放电，从而使得气隙成为电容式电路中的关键绝缘体。
应理解，将电极下侧上的背板的厚度减小到净最低厚度可具有不理想的效果——减弱电容式麦克风设备的电介质的绝缘效果，这会导致设备崩溃和短路。
因此，根据另一实施方案，氮化硅层的一个或多个参数和/或与氮化硅层的沉积有关的一个或多个参数被改变，以向给定厚度的氮化硅提供具有改善的电荷移除性质的区域。优选地，这是在除了上述减小厚度的操作之外而进行的。然而，注意到，氮化硅的厚度减小可以相对于其他参数在氮化硅成分或其沉积方面的改变而变动，从而使得厚度的减小小于原本所需要的。
参数被选定为使得电极下方的介电层在第一方向X-X上(即，在电极的表面和相应的背板外表面之间)具有第一电阻，而在第二方向Y-Y上(即，沿着氮化硅层的主体)具有第二电阻。氮化层在方向Y-Y上保持了非常高的薄层电阻(sheet resistance)，以防止来自12V充电泵输入的不想要的漏电电流(否则这会在麦克风输出处导致噪声)。
一个关键参数是控制层厚度和导电特征的分离，以使得氮化层在其整个厚度表现为电阻性的，但在薄层电阻上是接近完美的绝缘体。
图7示出了经过不同成分的50mm厚的氮化层的传导电流。当电流大于10-5A时，对于所有材料可以看到欧姆导电区。该材料应被控制以使得在薄层中始终存在导电性的测量(例如，图7中的材料4C1)，但是薄层两端的导电性可通过纵横比(aspect ratio)的控制和材料 的选择来最小化。
已使用在背板电极下方具有300nm氮化物的麦克风模(die)对具有不同沉积特性的氮化硅进行电荷衰减的测量。已发现，标准氮化硅具有非常长的电荷衰减时间，延伸至几周甚至几个月。已观察到使用氦损耗沉积的氮化硅在大约100小时内衰减到2.5V，如图8所示。已观察到所沉积的富含1.3％硅的氮化硅在大约20分钟内衰减到2.5V，如图9所示。
电极15、13优选地被放置在背板和膜的中央区域，即，并不是位于膜或背板的整个表面上，从而具有将经由设备侧壁的漏电路径最大化的优点。
在上面讨论的实施方案中，声音端口被示为经过介电材料和电极。然而应理解，本发明同样适用于声音端口不经过电极自身的设备。
在图5的实施方案中，即，声音端口经过电极，可以看出，电极被包覆在介电材料中。也即是说，电极15的边缘不暴露在声音端口的内表面上。这是通过在电极15中蚀刻具有第一直径的孔然后在电极15上形成介电层来实现的，以使得当随后穿过背板蚀刻较小直径的声音端口时，电极15不暴露于声音端口的任一内表面上。
然而，根据本发明的另一实施方案，在电极上方形成介电层之前不蚀刻电极。因此，当穿过介电材料和电极蚀刻声音端口时，电极将被暴露在声音端口的内表面上。虽然这具有不提供环境屏障的缺点，但是它也具有在暴露的电极的边缘和背板的下表面之间提供表面漏电路径101的优点。
根据另一实施方案，该设备可被配置为使得某些声音端口使电极暴露，而其他声音端口使声音端口被包覆。这具有如下优点：使得能够更精确地控制漏电路径的效果。使得电极被暴露的声音端口的数量的变化可以在在电极中蚀刻孔的步骤期间(即，在背板的顶层形成之前)来确定。例如，电极中的某些孔可被配置为具有比声音端口更大的直径(以使得在随后蚀刻声音端口时，该电极变为不暴露的)，而电极中的其他孔可被蚀刻为具有与声音端口的直径相匹配的直径(或者完全不被蚀刻)。
注意到本发明可用于多种应用。这些应用包括但不限于消费应用、 医学应用、工业应用和汽车应用。例如，典型的消费应用包括膝上型电脑、移动电话、PDA和个人电脑。典型的医学应用包括助听器。典型的工业应用包括有源噪声消除。典型的汽车应用包括免提电话、声学碰撞传感器和有源噪声消除。
应理解，上述实施方案是示例性的，并不限制本发明，且在不背离所附权利要求的范围的前提下，本领域技术人员能够设计许多替代实施方案。术语“包括”并不排除存在权利要求所列举之外的元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，且可用单个特征或其他单元实现权利要求中所记载的几个单元的功能。权利要求中任何附图标记均不应理解为限制权利要求的范围。
Claims (32)
1.一种微机电系统(MEMS)换能器，包括：
介电材料层；
电极，在所述介电材料层内形成；
其中所述介电材料层的一个区域适于提供一个漏电路径，所述漏电路径在使用中从所述介电材料层中除去不想要的电荷。
2.根据权利要求1所述的微机电系统换能器，其中所述区域包括设置在所述电极的第一侧和所述介电材料层的相应外表面之间的一部分介电材料。
3.根据权利要求2所述的微机电系统换能器，其中所述区域的厚度比第二区域的厚度小，所述第二区域包括设置在所述电极的相对侧和所述介电材料层的相应外表面之间的一部分介电材料。
4.根据任一前述权利要求所述的微机电系统换能器，其中所述区域适于使得当在使用中被偏置时，介电材料的区域以隧穿模式运作。
5.根据任一前述权利要求所述的微机电系统换能器，其中所述区域适于使得其包括：
第一平面中的第一阻抗，所述第一平面包括大体轴向地位于所述电极的一个表面和形成电容式换能器一部分的第二电极的一个表面之间的一个平面；以及
第二平面中的第二阻抗，所述第二平面包括与所述第一平面大体正交的一个平面；
其中所述第一阻抗比第二阻抗低。
6.根据任一前述权利要求所述的微机电系统换能器，其中所述区域的成分不同于所述介电材料层中的另一个区域的成分。
7.根据权利要求1所述的微机电系统换能器，其中所述介电材料的区域具有与同一层中介电材料的另一区域不同的厚度。
8.根据权利要求1所述的微机电系统换能器，其中所述介电材料的区域具有与同一层中介电材料的另一区域不同的成分。
9.根据任一前述权利要求所述的微机电系统换能器，其中所述介电材料层包括被设置在所述电极的相对侧上的第一介电层和第二介电层。
10.根据任一前述权利要求所述的微机电系统换能器，还包括设置在所述介电材料层中的一个或多个声音端口，所述声音端口在所述介电材料层的第一外表面和所述介电材料层的第二外表面之间设有一个开口。
11.根据权利要求10所述的微机电系统换能器，其中至少一个声音端口穿过所述电极。
12.根据权利要求11所述的微机电系统换能器，其中所述电极的一部分在声音端口的一个内表面处是暴露的，在使用中所述电极的暴露部分用于移除不想要的电荷。
13.一种形成微机电系统(MEMS)换能器的方法，所述方法包括下列步骤：
沉积第一介电材料层；
沉积电极；
沉积第二介电材料层；
其中所述沉积第一介电材料层的步骤包括形成一个漏电路径，所述漏电路径在使用中从所述第一介电材料层移除不想要的电荷。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述沉积第一介电材料层的步骤包括沉积比所述第二介电材料层具有更小厚度的一个介电材料层的步骤。
15.根据权利要求13或14所述的方法，其中所述沉积第一介电材料层的步骤包括所述沉积第一层以使得当在使用中被偏置时所述第一介电材料层以隧穿模式运作的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述沉积第一层的步骤包括沉积预定厚度的第一层以使得其以隧穿模式运作的步骤。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中所述沉积第一层的步骤包括选择一个或多个沉积参数，这些沉积参数形成在使用中具有隧穿运作模式的第一层。
18.根据权利要求13至17中任一所述的方法，其中所述第一层包括：
第一平面中的第一阻抗，该第一平面与所述第一层的平面大体正交；以及
第二平面中的第二阻抗，该第二平面与所述第一层的平面大体平行；
其中所述第一阻抗比所述第二阻抗小。
19.根据权利要求13至18中任一所述的方法，其中所述第一层的成分不同于所述第二层的成分。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一层的一个区域具有不同于所述第一层的另一区域的厚度。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一层的一个区域具有不同于所述第一层的另一区域的成分。
22.根据权利要求13至21中任一所述的方法，还包括形成延伸穿过所述第一介电材料层和所述第二介电材料层的一个或多个声音端口的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述形成一个或多个声音端口的步骤包括形成至少一个穿过所述电极的声音端口。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述形成穿过所述电极的声音端口的步骤包括暴露所述电极的一部分，所述电极的暴露部分在使用中用于移除不想要的电荷。
25.一种电子设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
26.一种通信设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
27.一种便携式电话设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
28.一种音频设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
29.一种计算机设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
30.一种车辆，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
31.一种医疗设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
32.一种工业设备，包括根据权利要求1至12中任一所述的微机电系统(MEMS)换能器。
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