CN104671186B - Mems器件 - Google Patents

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Abstract

MEMS器件包括固定电极和与固定电极隔离且间隔开一定距离而布置的活动电极。活动电极通过包括绝缘材料的一个或多个隔离件对着固定电极悬置，其中，活动电极被横向地附加于所述一个或多个隔离件。

Description

MEMS器件
技术领域
本公开的实施例涉及一种MEMS器件、被用作加速度传感器、湿度传感器、测辐射热仪和压力传感器的MEMS器件以及用于制造MEMS器件的方法。
背景技术
也称为微机电系统的MEMS器件常常被用作比如加速度传感器、压力传感器或声波传感器（麦克风）之类的传感器。所有这些MEMS器件都具有活动元件，例如薄膜或悬臂，其中，可以电容性检测例如由压力变化或加速度引起的活动元件的运动。因此，MEMS器件的常见变体包括作为活动元件的活动电极和面对活动电极的固定电极，使得两个电极之间的距离变化（由于活动元件的运动而引起）可导致电容变化。
通常，MEMS器件具有外加电容（impressed capacitance），其主要由两个电极和MEMS器件的寄生电容定义。指示活动元件的运动的电容变化在与MEMS器件的整个电容相比时常常是相对小的。为了补偿制造相关偏差，尤其是与寄生电容有关的偏差，提供了用于偏移的装置。因此，需要一种使得能够减小寄生电容的改善方法。
发明内容
本公开的实施例提供了一种包括固定电极和活动电极的MEMS器件。该活动电极被与固定电极隔离且间隔开一定距离而布置。活动电极通过包括绝缘材料的一个或多个隔离件对着固定电极悬置，其中，活动电极被横向地附加于所述一个或多个隔离件。
另一实施例提供了包括衬底和活动电极的MEMS器件。衬底包括固定电极。活动电极被与具有正方形形状的固定电极隔离且间隔开一定距离而布置。活动电极通过在其拐角处包括隔离氧化物的一个或多个隔离件对着固定电极悬置，其中，活动电极被横向地固定于所述一个或多个隔离件。固定电极与活动电极之间的距离是可变的，其中，距离的变化导致电容的变化。
根据另一实施例，MEMS器件包括固定电极和与固定电极隔离且间隔开一定距离而布置的活动电极。活动电极通过包括绝缘材料的一个或多个隔离件对着固定电极悬置，其中，活动电极被横向地固定于所述一个或多个隔离件。在这里，所述一个或多个隔离件的占位空间（footprint）在与活动电极的占位空间相比时是其至少二十分之一小。
根据另一实施例，所述隔离件在与活动电极的材料或网格结构相比时具有不同材料或不同网格结构。
另一实施例提供了一种用于制造MEMS器件的方法。该方法包括向固定电极提供牺牲层，向该牺牲层提供活动电极，使得形成包括牺牲层和活动电极的层堆叠。此外，该方法包括提供一个或多个隔离件，其包括邻近于层堆叠的绝缘材料，使得活动电极被横向地附加于所述一个或多个隔离件并至少部分地与活动电极的一部分对准而去除牺牲层，使得活动电极与固定电极间隔开一定距离。结果，由一个或多个隔离件将活动电极对着固定电极悬置。
附图说明
随后将参考附图来讨论本公开的实施例，在所述附图中：
图1示出了根据第一实施例的包括经由一个或多个隔离件被相互对着悬置的两个电极的MEMS器件的示意性截面图；
图2a和2b示出了根据实施例的另一MEMS器件的截面图和顶视图；
图3a至3f示出了用于制造图2a和2b的MEMS器件的方法的后续动作；
图4a示出了根据实施例的被用作加速度传感器的MEMS器件的顶视图；
图4b示出了根据实施例的被用作压力传感器的MEMS器件的顶视图；以及
图5a和5b示出了根据另一实施例的包括两个电极的另一MEMS器件的截面图和顶视图，所述两个电极经由嵌入电极之一中的一个或多个隔离件而被相互对着悬置。
具体实施方式
随后将参考图1至5来讨论本文公开的教导的不同实施例，其中，在图中，对具有相同或类似功能的对象提供相同的附图标记，使得在不同实施例中用相同附图标记参考的对象是可互换的且其描述可相互适用。
图1示出了包括固定电极12和活动电极14的MEMS器件10的截面图。在这里，固定电极12和活动电极14被布置成使得两者都相互面对，在其之间具有距离16。在一个实施例中，两个电极12和14基本上相互平行。两个电极12和14通过一个或多个隔离件18相互间隔开。一个或多个隔离件被布置在两个电极12和14之间且被与之附着。详细地，可经由面朝活动电极14的主表面12m将隔离件18附加于固定电极14。此外，隔离件18经由活动电极14的端面14f被附加于活动电极14,；即一个或多个隔离件18被横向地邻近于活动电极14（且因此横向地相互邻近）布置。在讨论MEMS器件10的整个结构和功能之后将在下面讨论活动电极14和隔离件18的横向布置的背景。
固定电极14是固定的，因此其可例如布置在衬底（未示出）处。反之亦然，活动电极14至少沿着第一方向（由箭头16示出）是活动的。为了实现该运动，活动电极14形成或具有变形区。可替代地可以在活动电极14与隔离件18之间的连接或边界线处或由隔离件18本身来形成该变形区。一般地，这意味着相对于一个或多个隔离件18而言一个或多个隔离件18的目的是提供用于活动电极14对着固定电极12的悬置。
两个电极12和14形成电容，因此，两个电极12和14相互隔离。因此，这些隔离件18包括类似于氧化物或氮化物之类的绝缘材料。替代地，隔离件18可包括不同的绝缘材料，例如单晶硅（mono-silicon），其中，选择掺杂，使得单晶硅是绝缘的。
运动尺寸被布置成使得距离16是可变的。距离16的变化引起电容的变化。因此，活动电极14的距离变化或运动由于电容变化而是可检测的。由于活动电极14与隔离件18之间经由端面14f的横向连接，可以避免电极12和14的大部分在其之间具有氧化物的情况下相互面对。请注意，这些区域通常引起寄生电容。其背景是主要在氧化物或者一般而言由于与腔体的介电常数εcavity（在这里为1.0，参考用16标记的区域）相比时增加的介电常数εspacer（例如对于氧化物而言是3.9）的电介质的区域中引起寄生电容因此，MEMS器件10的结构使得能够减小主要引起寄生电容的区域。换言之，本实施例具有优点，即电容主要由两个电极12和14的重叠面积和两个电极12和14之间的距离限定。因此，与现有技术MEMS器件相对，MEMS器件10由于悬置活动电极14的方式而具有减小的寄生电容。这导致改善的电特性。主要效果是用于评估活动电极14的运动的电路不需要用于使器件10的信号偏移的装置。
相对于图2a和2b，将讨论MEMS器件10'的另一实施例。在这里，在图2a中的截面图（AA）中示出了MEMS器件10'，其中，图2a示出了器件10'的顶视图。器件10'包括衬底20，在其上面形成了固定电极12，或者更一般而言，其包括固定电极12。第二电极14在表面12m之上以距离16布置。根据本实施例，活动电极14被多个隔离件18a、18b、18c和18d悬置。在这里，电极形成薄膜14且具有变形区，其邻近于薄膜14与隔离件18a、18b、18c和18d之间的边界线或位于该边界线处。所述多个隔离件18a、18b、18c和18d被布置在活动电极14的拐角处，在其之间具有开口。请注意，用附图标记19a 19b、19c和19d来标记开口。如图2b的实施例所示，开口19a、19b、19c和19d被布置在正方形形状薄膜14的纵向侧面处。
如尤其是在顶视图2b中可以看到的，所述多个隔离件18a、18b、18c和18d的增加占位空间在与活动电极14的占位空间相比时明显较小。例如，两个占位空间之间的比例可以是1:10或1:20或者甚至1:100。从35 µm×35µm的活动电极14的示例性大小开始（直至200 µm×200 µm），各个隔离件18a、18b、18c或18d的占位空间小于70µm2或者小于20 µm2（小于活动电极14的占位空间的5%或1%）。占位空间大小涉及所有隔离件18a、18b、18c和18d的和。因此，单个隔离件18a、18b、18c或18d的各占位空间可小于活动电极14的占位空间的2.5%或者甚至小于0.25%（取决于隔离件18a、18b、18c和18d的数目）。这导致改进的电特性的上文所讨论的优点。
根据另一实施例，可在隔离件18a、18b、18c或18d中的一个处布置导体26以便电连接活动电极14。此导体26被布置为沿着隔离件18a的表面形成的层，使得其从衬底20延伸到活动电极14上。为了将导体从电极12隔离，根据另一实施例，衬底20可包括布置在导体26与电极12之间的隔离器28。根据此另外实施例，导体26可包括通过隔离器28延伸到衬底20中的部分26a。
相对于图3a至3f，将讨论用于制造MEMS器件10'的示例方法。
图3a示出了提供衬底20和衬底20上的固定电极12的第一动作。在此之后，在固定电极12的表面12m上沉积牺牲层32，如图3b所示。在一个实施例中，可在电极12的整个表面12m处沉积牺牲层32，其中，基于距离16来选择牺牲层32的厚度（参考图2a）。牺牲层32的材料可以是或者可包括SiGe或另一材料，其可通过各向同性蚀刻来蚀刻。使用SiGe作为牺牲层32具有优点，即可通过使用外延生长来形成活动电极14，例如包括单晶硅。牺牲层32的蚀刻速率在与薄膜14或另一功能层（例如，电极12、14和32或隔离件18）的蚀刻速率相比时是不同的（例如更高），以便使得能够选择性地蚀刻（湿法或干法）牺牲层32。
图3c示出了在牺牲层32上提供活动电极14之后的方法。活动电极14可包括多晶硅、单晶硅或比如合金的金属，其中，所选材料通常取决于牺牲层32的材料且尤其取决于被用于去除牺牲层32的技术。详细地，当在FEOL（线的前端）中制造MEMS器件时，通常使用作为用于活动电极14的材料的多晶硅、单晶硅和氮化物，其中，当在BEOL（线的后端）中制造MEMS器件10'时，通常使用活动金属电极14。请注意，单晶硅使得能够制造具有低应力梯度的稳健且可靠的电极14。此外，根据隔离件18的材料（在接下来的动作之一期间提供）来选择活动电极14的材料。
详细地，图3c图示出将活动电极14结构化的动作。在这里，蚀刻包括两个层和32的层堆叠，使得限定活动电极14的形状，例如正方形形状。换言之，其意味着通过使用平版印刷技术和/或各向异性蚀刻技术来限定层堆叠14、32的结构。图3c所示的此动作的结果是层堆叠14、32，其具有活动电极14的期望最终形状。
图3d所示的下一动作是提供隔离件18。在这里，执行该动作，使得隔离件18被布置在层堆叠14、32周围。因此，通常在活动电极14旁边或在层堆叠14、32旁边例如通过沉积隔离件氧化物来横向地提供隔离件18。执行隔离件18的沉积，使得隔离件18的厚度基本上服从层堆叠的厚度，以便实现活动电极14与隔离件18之间的连接，并且使得实现活动电极14与隔离件18之间的良好（粘附）连接。
可例如通过使用掩膜以结构化方式来提供隔离件18，使得占位空间尽可能低，以便减小如上文所解释的寄生电容。以结构化方式来提供隔离件18同时地使得一个人能够提供该隔离件18，使得在其之间布置有开口（参考附图标记19a、19b、19c和19d）。这些开口的目的是使得能够在接下来的动作之一内去除牺牲层。替代地，之后可通过使用另一（例如各向异性）蚀刻过程来限制隔离件18的形状和因此限制隔离件18的占位空间以及开口。
如图3e所示，下一动作是去除牺牲层32。此动作可通过各向同性（湿法或干法）蚀刻来完成。由于隔离件18之间的开口，可实现良好的可及性。在去除牺牲层32之后，通过横向附加的隔离件18来悬置活动电极14。应注意的是在一个实施例中，将牺牲层32完全去除，但是可替代地主要或至少部分地去除，即关于整个牺牲层面积32超过75%、90%或者甚至99%。
图3f示出了制造方法的最后、可选动作，其中对活动电极14进行电接触。在这里，在隔离件18中的一个的表面上提供电连接器26，使得导体26从衬底20延伸到第二电极14。
应注意的是用于制造的所示方法可以可选地包括比如抛光或平坦化的其他动作。
图4a示出了另一MEMS器件10"，其基本上等同于或类似于图2a的MEMS器件10'，其中，活动电极14"被形成为悬臂。锤子状悬臂14"通过两个隔离件、即隔离件18a和18b悬置。关于其他元件，即第一电极12、衬底20、导体26和隔离器28，MEMS器件10"等同于或类似于MEMS器件10'。所示MEMS器件10"可用作加速度传感器。根据另一实施例，加速度传感器10"可包括布置在衬底20上的盖，使得包括两个电极12和14"（14）的MEMS结构针对周围环境被遮盖。
图4b示出了另一MEMS器件10"'。另一MEMS器件10"'基本上等同于或类似于图2a的MEMS器件10'，其中，开口19a、19b、19c和19d被其他隔离件36a、36b、36c和36d封闭。由于附加的隔离件36a、36b、36c和36d，活动电极14形成封闭薄膜，使得两个电极12和14之间的腔体被密闭地隔离。这使得能够对不同的应用使用MEMS器件10"'。例如，由于封闭腔体内部的压力与外面的压力之间的压力差导致薄膜14的变形的事实，该变形可以被如上文所解释的电容性测量，封闭薄膜14使得能够形成压力传感器。
从制造观点出发，应注意的是隔离件36a、36b、36c和36d在已去除牺牲层（参考图3e）之后在衬底20上或在固定电极14上形成。
虽然在上文所讨论的实施例中已在隔离件布置的上下文中讨论了隔离件，根据该隔离件布置，在活动电极14周围布置隔离件，但应注意的是还可在电极区14内布置一个或多个隔离件。下面将讨论此类布置。
图5a和5b示出了另一MEMS器件10""，其中，由图5a中的截面图（AA）且由图5b中的顶视图来图示出MEMS器件10""。MEMS器件10""包括衬底20，其包括关于固定电极12的表面12m以距离16间隔开布置的固定电极12""和活动电极14""。如所示，活动电极14""通过位于活动电极14的区域内的隔离件18""悬置。那意味着隔离件18""从表面12m延伸通过活动电极14""，使得隔离件18""被嵌入活动电极14""中。
替代地，所示MEMS器件10""还可包括被嵌入活动电极14''''中的多个隔离件18""。根据另一实施例，可在隔离件18""（未示出）内布置用于将活动电极14""电连接的导体。
MEMS器件10""的制造基本上类似于上文所讨论的MEMS器件的制造。在这里，在限定活动电极14""的形状的动作期间（参考图3c）向活动电极14""和牺牲层32中提供用于隔离件18""的孔（隔离件18""应延伸通过该孔）。将一个或多个孔集成到用于一个或多个隔离件18""的活动电极14""可基于平版印刷技术和/或各向异性蚀刻。
相对于图2a、2b和图4a，应注意的是所示的MEMS 10'和10"可用作湿度传感器。在这里，在薄膜14上累积的液体膜例如成比例地改变MEMS器件10'或10"的电容，使得可检测电容是各湿度的指示。由液体膜引起的此电容变化是相当小的，使得上述原理是有利的，上述原理使得一个人能够避免或减小寄生电容。
根据其他实施例，MEMS器件10'形成测辐射热仪。在这里，可依赖于期望的（例如减小的）导热率来选择隔离件18a、18b、18c和/或18d的材料是有利的。
虽然已在具有正方形形状的薄膜的上下文中讨论了薄膜14，但应注意的是薄膜14的形状可以是不同的，例如圆形。
参考图5a和5b，应注意的是根据另一实施例的MEMS器件可包括被嵌入活动电极14""中的隔离件18""以及围绕电极14""的隔离件18a、18b、18c和18d，如图2a和2b所示。
一般地，上述实施例仅仅说明本公开的原理。应理解的是本文所述的布置和细节的修改和变化对于本领域的技术人员而言将是清楚的。因此其意图仅仅受到所附专利权利要求书的范围而不受以本文中的实施例的描述和说明的方式提出的特性细节的限制。

Claims (27)

1.一种MEMS器件，包括：
固定电极；以及
活动电极，被与固定电极隔离且间隔开一定距离布置；
其中，活动电极通过包括绝缘材料的两个或更多个隔离件对着固定电极悬置，其中，活动电极经侧端面被横向地附加于所述两个或更多个隔离件，
其中，所述两个或更多个隔离件被沿着所述活动电极延伸的开口相互分离。
2.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述固定电极由衬底形成或被附着于衬底。
3.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述活动电极具有正方形形状，并且其中，所述活动电极分别地经由两个或更多个隔离件而被悬置在活动电极的两个或更多个拐角处。
4.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述两个或更多个隔离件被嵌入所述活动电极中。
5.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述两个或更多个隔离件包括氧化物或氮化物。
6.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述两个或更多个隔离件在与活动电极的材料相比时具有不同材料。
7.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述两个或更多个隔离件的占位空间在与活动电极的占位空间相比时是所述活动电极的占位空间的至多1/10。
8.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述固定电极与所述活动电极之间的距离是可变的，并且其中，距离的变化导致电容的变化。
9.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述活动电极经由布置在所述两个或更多个隔离件中的一个隔离件处的导体而被电接触。
10.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述活动电极被形成为悬臂。
11.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件形成加速度传感器或湿度传感器。
12.根据权利要求2所述的MEMS器件，其中，所述两个或更多个隔离件具有在与所述活动电极的材料或与所述衬底的材料相比时具有更小导热率的材料。
13.根据权利要求12所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件形成测辐射热仪。
14.根据权利要求1所述的MEMS器件，其中，在开口的区域中布置另一隔离件以便密封地封闭由活动电极形成的薄膜下面的腔体。
15.根据权利要求14所述的MEMS器件，其中，所述MEMS器件形成压力传感器。
16.一种MEMS器件，包括：
衬底，包括固定电极；以及
活动电极，与固定电极隔离且间隔开一定距离布置，该活动电极具有正方形形状；
其中，所述活动电极被在其拐角处包括绝缘氧化物的两个或更多个隔离件从所述固定电极悬置，其中，活动电极经侧端面被横向地附加于所述两个或更多个隔离件；
其中，所述固定电极与所述活动电极之间的距离是可变的，并且其中，距离的变化导致电容的变化; 以及
其中，所述两个或更多个隔离件被沿着所述活动电极延伸的开口相互分离。
17.一种MEMS器件，包括：
固定电极；以及
活动电极，被与固定电极隔离且间隔开一定距离布置；
其中，活动电极通过包括绝缘材料的一个或多个隔离件从固定电极悬置，其中，活动电极被横向地附加于所述一个或多个隔离件，
其中，所述一个或多个隔离件的占位空间是所述活动电极的占位空间的至多1/20。
18.一种用于制造MEMS器件的方法，包括：
在固定电极上提供牺牲层；
在牺牲层上提供活动电极，使得形成包括牺牲层和活动电极的层堆叠；
提供包括邻近于层堆叠的绝缘材料的一个或多个隔离件，使得所述活动电极经侧端面被横向地附加于所述一个或多个隔离件；以及
至少在与活动电极的一部分对准的部分中去除牺牲层，使得活动电极与固定电极间隔开与牺牲层的厚度有关的距离；
其中，所述活动电极通过所述一个或多个隔离件从所述固定电极悬置。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，执行提供所述一个或多个隔离件，使得在之间形成开口。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，提供所述一个或多个隔离件包括各向异性蚀刻和/或使用平版印刷术以便限制所述一个或多个隔离件的占位空间。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，执行所述各向异性蚀刻和/或使用平版印刷术，使得所述一个或多个隔离件的占位空间是活动电极的占位空间的至多1/10。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，去除牺牲层包括通过开口进行蚀刻。
23.根据权利要求19所述的方法，还包括在去除牺牲层之后通过另一隔离件来封闭开口。
24.根据权利要求18所述的方法，还包括在提供所述一个或多个隔离件之前通过使用平版印刷术和/或各向异性蚀刻来限定层堆叠的区域。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，限定层堆叠的区域包括在用于所述一个或多个隔离件的层堆叠中形成至少一个孔，并且其中，所述一个或多个隔离件被嵌入所述活动电极中。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，在其中固定电极与整个活动电极对准的部分中执行去除牺牲层。
27.根据权利要求18所述的方法，其中，牺牲层的蚀刻速率不同于薄膜和/或隔离件的蚀刻速率。
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