DE102013203379A1

DE102013203379A1 - Abstimmbare mems-vorrichtung und verfahren zur herstellung einer abstimmbaren mems-vorrichtung

Info

Publication number: DE102013203379A1
Application number: DE102013203379A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Christian Herzum; Wolfgang Klein; Martin Wurzer; Stefan Barzen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2013-02-28
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: CN103288040B; DE102013203379B4; KR20130099895A; US20130221453A1; CN103288040A; US8723277B2; KR101469348B1

Abstract

Es werden eine abstimmbare Mikroelektromechanisches-System-(MEMS-)Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer abstimmbaren MEMS-Vorrichtung offenbart. Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung ein Substrat, eine bewegliche Elektrode und eine Gegenelektrode. Die bewegliche Elektrode oder die Gegenelektrode umfasst eine erste Region und eine zweite Region, worin die erste Region von der zweiten Region isoliert ist, worin die erste Region abstimmbar ist, worin die zweite Region ein Messsignal bereitstellen oder ein System steuern kann und worin die bewegliche Elektrode und die Gegenelektrode mechanisch mit dem Substrat verbunden sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein abstimmbare MEMS-Vorrichtungen und ein Verfahren zur Herstellung von abstimmbaren MEMS-Vorrichtungen.
HINTERGRUND
Ein MEMS(MikroElektroMechanisches System)-Mikrofon umfasst eine druckempfindliche Membran, die auf einem Silikonchip angeordnet ist. Das MEMS-Mikrofon ist manchmal mit einem Vorverstärker in einen einzelnen Chip integriert. MEMS-Mikrofone können auch einen Analog-Digital-Wandler-(ADC)Kreislauf aufweisen und werden so zu einem digitalen MEMS-Mikrofon.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung ein Substrat, eine bewegliche Elektrode und eine Gegenelektrode. Die bewegliche Elektrode oder die Gegenelektrode umfasst eine erste Region und eine zweite Region, worin die erste Region von der zweiten Region isoliert ist, worin die erste Region abstimmbar ist, worin die zweite Region ein Messsignal bereitstellen oder ein System steuern kann und worin die bewegliche Elektrode und die Gegenelektrode mechanisch mit dem Substrat verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine MEMS-Struktur ein Substrat, eine bewegliche Elektrode und eine Gegenelektrode. Die Gegenelektrode umfasst eine erste Gegenelektrodenregion und eine zweite Gegenelektrodenregion, worin die erste Gegenelektrodenregion von der zweiten Gegenelektrodenregion isoliert ist und worin die Gegenelektrode und die bewegliche Elektrode mechanisch mit dem Substrat verbunden sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst eine MEMS-Struktur ein Halbleitersubstrat, eine Rückplattenelektrode und eine gestapelte Membran, worin die gestapelte Membran und die Rückplatte mechanisch mit dem Halbleitersubstrat verbunden sind. Die gestapelte Membran umfasst eine erste Membran und eine zweite Membran.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und ihrer Vorteile wird nun auf die folgenden Beschreibungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen zeigen:
1a eine Querschnittsansicht einer MEMS-Struktur;
1b eine Draufsicht einer MEMS-Struktur;
2a eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur;
2b eine Draufsicht einer Ausführungsform einer Rückplatte;
2c ein äquivalentes kapazitives Netz der MEMS-Struktur;
3a eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur;
3b eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines beweglichen Elements;
4a eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur;
4b eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur;
5a eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform einer MEMS-Struktur;
5b eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Randkonstruktion; und
6a–6c Ausführungsformen eines Herstellungsverfahrens einer MEMS-Struktur.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Herstellung und Verwendung der bevorzugten Ausführungsformen werden unten ausführlich erörtert. Es ist jedoch zu verstehen, dass die vorliegende Erfindung viele anwendbare erfinderische Konzepte bereitstellt, die in einer großen Vielzahl von bestimmten Kontexten verkörpert werden können. Die spezifischen besprochenen Ausführungsformen dienen lediglich der Veranschaulichung bestimmter Wege zur Herstellung und Verwendung der Erfindung und schränken den Umfang der Erfindung nicht ein.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Ausführungsformen in einem bestimmten Kontext, nämlich Sensoren und Mikrofone, beschrieben. Die Erfindung kann aber auch auf andere MEMS-Strukturen wie z. B. RF MEMS, Beschleunigungsmesser und Stellglieder angewendet werden.
1a und 1b zeigen eine Querschnittsansicht einer MEMS-Struktur 100. Die MEMS-Struktur 100 umfasst eine Membran 130, eine Rückplatte 160 und einen Luftspalt 150 zwischen der Membran 130 und der Rückplatte 160. Die Membran oder Membranelektrode 130 kann sich bezüglich der Rückplatte oder festen Gegenelektrode 160 bewegen oder ablenken. Diese Ablenkung führt zu einer messbaren Veränderung der Kapazität zwischen der Membran 130 und der Rückplatte 160.
Die Membran 130 und die Rückplatte 160 sind entlang ihres Umfangs mit einem Substrat 110 verbunden. Die Membran 130 ist über einen ersten Abstandshalter 120 mit dem Substrat verbunden. Alternativ kann die Membran 130 ohne den ersten Abstandshalter 120 in der Hauptebene des Substrats 110 angeordnet sein. Ein zweiter Abstandshalter 140 ist zwischen der Membran 130 und der Rückplatte 150 entlang deren Umfang angeordnet. Die Membran 130 und die Rückplatte 150 können eine kreisförmige oder quadratische Gestalt umfassen. Alternativ können die Membran 130 und die Rückplatte 150 jede geeignete geometrische Gestalt umfassen. Ein Rückvolumen 180 ist zwischen der MEMS-Struktur 100 und einem Substrat 190 angeordnet, worin das Substrat 190 eine Leiterplatte (PCB) umfassen kann.
Das Halbleitersubstrat 110 umfasst Silikon, andere Halbleitermaterialien oder Verbund-Halbleiter wie z. B. GaAs, InP, Si/Ge oder SiC. Das Halbleitersubstrat 110 kann monokristallines Silizium, amorphes Silizium oder polykristallines Silizium (Polysilizium) umfassen. Das Halbleitersubstrat 110 kann ein Silikon-On-Isolator (SOI) sein. Das Halbleitersubstrat 110 kann aktive Komponenten wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Verstärker, Filter oder andere elektrische Vorrichtungen oder einen integrierten Kreislauf (IC) aufweisen. Die MEMS-Struktur 100 kann eine eigenständige Vorrichtung sein oder mit einem IC in einen einzelnen Chip integriert sein.
Der erste Abstandshalter 120 und der zweite Abstandshalter 140 können ein dielektrisches oder isolierendes Material umfassen, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein High-K-Dielektrikum wie Siliziumoxynitrid oder Kombinationen davon umfassen.
Die Membran 130 und die Rückplatte 160 können ein leitendes Material wie z. B. Polysilizium, dotiertes Polysilizium oder ein Metall umfassen. Die Rückplatte 160 kann zur Verringerung von Dämpfungseffekten perforiert sein.
Die Membran 130 weist zwei Regionen auf, die sich voneinander unterscheiden. Eine Außenregion oder Randregion, an der die Membran 130 mit dem Halbleitersubstrat 110 verbunden ist. In dieser Region ist die Membran 130 mechanisch an der stützenden Randstruktur des Halbleitersubstrats 110 oder des Abstandshalters 120 befestigt und kann sich nicht bewegen. In einer Innenregion ist die Membran 130 beweglich oder ablenkbar. Die Außenregion der Membran 130 trägt nicht zu einem von der Innenregion der Membran 130 erzeugten Messsignal bei, sondern fügt diesem Signal parasitische Kapazität hinzu. Die Innenregion der Membran 130 kann aufgrund ihrer Ablenkung bezüglich der Gegenelektrode oder Rückplatte 160 ein Signal erzeugen. Da die Membran am Rand (Übergang zwischen Innen- und Außenregion der Membran 130) festgeklemmt ist, wird der Bereich der Membran 130 in der Nähe des Randes mit einer kleinere maximalen Amplitude abgelenkt, während der Bereich zur Mitte der Innenregion der Membran 130 mit einer größeren maximalen Amplitude abgelenkt wird. Somit trägt die Mitte der Innenregion der Membran 130 am meisten zur Empfindlichkeit bei. Es wäre vorteilhaft nur ca. 80% der Innenregion der Membran zur Erzeugung eines Messsignals zu verwenden.
Der Abstand zwischen der Membran 130 und der Rückplatte 160 und somit die mechanische Empfindlichkeit ist durch mechanische Zwänge vorgegeben und kann nach Finalisierung des Herstellungsverfahrens der MEMS-Struktur nicht mehr verändert werden. Die Membran 130 und die Rückplatte 160 bilden eine statische Kapazität entlang der Stützkonstruktion (Überlappung der Membran 130 und der Rückplatte 160 entlang den Abstandshaltern 120, 140). Zur Verringerung der statischen Kapazität können sich die Membran 130 und die Rückplatte 160 nur teilweise überlappen. Beispielsweise kann die Rückplatte 160 Vertiefungen aufweisen, die sich in gleichen Abständen wie in 1b gezeigt durch die Rückplatte 160 erstrecken. Zur weiteren Minimierung des Einflusses der statischen Kapazität kann eine Schutzkonstruktion entlang der Stützkonstruktion des Halbleitersubstrats 110 oder des Abstandshalters 120 vorgesehen werden.
Ein Problem mit der parasitischen Kapazität entlang der Stützkonstruktion zwischen der Membran und der Rückplatte ist, dass sie nicht verändert werden kann, weil die Abmessungen, wie beispielsweise die Überlappung und der Abstand von der Rückplatte zur Membran festgelegt sind, was zu einem SNR führt, der vom Herstellungsverfahren der MEMS-Struktur definiert wird.
Deshalb wird im Stand der Technik eine MEMS-Struktur benötigt, welche die parasitische Kapazität bedeutend verringert und die so konfiguriert ist, dass sie die mechanische Empfindlichkeit nach Finalisierung der Herstellung der MEMS-Struktur verändern kann.
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt eine Segmentierung der Rückplattenelektrode und/oder der Membranelektrode bereit. Die Rückplattenelektrode und/oder die Membranelektrode umfasst eine erste Elektrode zur Bereitstellung eines Messsignals oder zur Steuerung eines Systems und eine zweite Elektrode, die abstimmbar ist. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Messregion und die Abstimmungsregion seitlich voneinander beabstandet.
Ein Vorteil ist, dass die parasitische Kapazität der MEMS-Struktur bedeutend verringert wird, weil die parasitische Kapazität seitlich von der Stützkonstruktion weg zur Mitte der Membran bewegt wird. In einer herkömmlichen Konfiguration ist die parasitische Kapazität durch die Überlappung der Außenregion der Membran und der Rückplatte vorgegeben. Die Überlappung ist relativ groß, weil die Kapazität proportional zum Umfang mal der radialen Überlappung ist. Die parasitische Kapazität kann durch Multiplikation des Überlappungsbereichs (radiale Überlappung = 10 μm–20 μm) mit der dielektrischen Konstante des Abstandshalters 140 und durch Division des Produkts durch den vertikalen Abstand des Abstandshalters 140 (vertikaler Abstand des Abstandshalters = 2 μm) berechnet werden.
Ein weiterer Vorteil ist, dass dieselbe MEMS-Struktur abstimmbar ist, z. B. können verschiedene mechanische Empfindlichkeiten und verschiedene SNRs für unterschiedliche Anwendungen mit derselben MEMS-Struktur bereitgestellt werden.
Im Allgemeinen ist es ein Ziel der Konstruktion und Herstellung eines Mikrofons, den höchstmöglichen Signal-Rauschabstand (SNR) zu erreichen. Unter anderem kann dies erreicht werden, wenn die Veränderungen der zu messenden Kapazitäten möglichst große sind und wenn die parasitische Kapazitäten möglichst klein sind. Je größer der parasitische Anteil der Kapazität in Bezug auf die Gesamtkapazität desto kleiner ist der SNR.
2a und 2b zeigen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer MEMS-Struktur 200 mit einer segmentierten Rückplatte 250. Die MEMS-Struktur 200 umfasst ein Halbleitersubstrat 210, eine Membran 230 und eine Rückplatte 250. Die Membran 230 ist durch einen ersten Abstandshalter 220 vom Substrat 210 beabstandet und die Rückplatte 250 ist durch einen zweiten Abstandshalter 240 von der Membran 230 beabstandet. Die Materialien der Elemente der MEMS-Struktur 200 sind die gleichen wie sie oben mit Bezug auf 1a und 1b beschrieben wurden.
Die segmentierte Rückplatte umfasst eine erste Elektrodenregion 257 und eine zweite Elektrodenregion 255. Die zweite Elektrodenregion 255 kann vollständig oder teilweise innerhalb der ersten Elektrodenregion 257 liegen oder die erste Elektrodenregion 257 kann vollständig oder teilweise die zweite Elektrodenregion 255 umgeben. Die erste Elektrodenregion 257 kann eine äußere Elektrodenregion sein und die zweite Elektrodenregion 255 kann eine innere Elektrodenregion sein. Die erste Elektrodenregion 257 kann einen Bereich eines kreisförmigen Rings umfassen und die zweite Elektrodenregion 255 kann einen Bereich eines Kreises umfassen. Alternativ kann die erste Elektrodenregion 257 eine Vielzahl von Elektroden umfassen und die zweite Elektrodenregion 255 kann eine Vielzahl von Elektroden umfassen. Beispielsweise kann die erste Elektrodenregion 257 eine Vielzahl von kreisförmigen Ringen umfassen.
Die erste Elektrodenregion 257 und die zweite Elektrodenregion 255 können auf einer Isolationsunterstützung 254 angeordnet werden. Die Isolationsunterstützung 254 kann über dem gesamten Bereich der Rückplatte 250 oder nur über einem Teil der Rückplatte 250 angeordnet werden. Die Isolationsunterstützung 254 kann auf der zur Membran 230 hin weisenden Seite oder auf der von der Membran 230 weg weisenden Seite angeordnet werden. Die Isolationsunterstützung 254 kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein High-K-Dielektrikum wie z. B. Siliziumoxynitrid, ein Polyimid oder eine Kombination davon umfassen. Die erste Elektrodenregion 257 kann von der zweiten Elektrodenregion 255 mit einem Isolationsspalt oder einer Isolationsfuge 253 isoliert werden. Die Isolationsfuge 253 kann mit einem dielektrischen Material, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder einem High-K-Dielektrikum wie Siliziumoxynitrid gefüllt sein. In einer alternativen Ausführungsform umfasst die Rückplatte 250 keine Isolationsunterstützung 254 und die erste Elektrodenregion 257 ist über das dielektrische Material der Isolationsfuge 253 mechanisch mit der zweiten Elektrodenregion 255 verbunden.
Die zweite Elektrodenregion 255 kann mechanisch und elektrisch mit dem zweiten Abstandshalter 240 verbunden sein. Die zweite Elektrodenregion 255 kann ein Verbindungsglied 256 mit dem elektrischen Kontakt im zweiten Abstandshalter 240 umfassen, die eine Einkerbung in der ersten Elektrode bildet. Die zweite Elektrodenregion 255 kann mehr als ein Verbindungsglied 256 umfassen und die Verbindungsglieder können in gleichförmigen Abständen voneinander angeordnet sein.
Die zweite Elektrodenregion 255 ist so ausgelegt, dass sie ein Messsignal bereitstellt und die erste Elektrodenregion 275 ist so ausgelegt, dass sie abgestimmt oder betätigt werden kann. Die zweite Elektrodenregion 255 ist auf eine Messvorspannung eingestellt und die erste Elektrodenregion 257 ist auf eine Abstimmungsvorspannung eingestellt. Die Abstimmungsvorspannung der ersten Elektrodenregion 257 ist von der Messvorspannung der zweiten Elektrodenregion 255 unabhängig.
Beispielsweise wird die MEMS-Struktur 200 durch kapazitive Betätigung abgestimmt. Die kapazitive Betätigung gestattet eine Variation des Luftspaltabstands von ca. 30% (zwischen der Membran 230 und der Rückplatte 250) für Spannungen unter der Anzugsspannung. Demnach kann die Empfindlichkeit der MEMS-Struktur abgestimmt werden, während sich die parasitische Kapazität nicht verändert. Mit einer Veränderung des Luftspalts von 100% auf 70% kann die Empfindlichkeit erhöht werden, weil die Empfindlichkeit zum Luftspaltabstand umgekehrt proportional ist. Beispielsweise kann die Empfindlichkeit um ca. +3 dB erhöht werden.
In einer Ausführungsform ist die segmentierte Rückplatte 250 ein Quadrat. Für diese Ausführungsform gelten die gleichen Grundsätze wie für die segmentierte kreisförmige Rückplatte 250. Beispielsweise umfasst die zweite Elektrodenregion 255 ein Quadrat und die erste Elektrodenregion 257 umfasst einen quadratischen Ring, der die zweite Elektrode 255 mit Ausnahme des Verbindungsglieds oder der Verbindungsglieder 256 umgibt. Alternativ umfasst die Rückplatte 250 andere geeignete geometrische Formen.
In diesen Ausführungsformen ist die Verbindung zwischen der Rückplatte 250 und der Membran 230 reduziert und somit ist auch die parasitische Kapazität der MEMS-Struktur 200 verringert. 2c zeigt ein äquivalentes Kapazitätsnetz einer MEMS-Struktur 200 und eines Vorverstärkers 290. Wie aus 2c ersichtlich ist, sind die Kapazitäten C_{Unterstützung}, C_Abstimmung, C_aktiv und C_amp parallel und summieren sich somit. Durch Einführung einer kleinen Kapazität C_slot (Isolationsfuge 253) in Reihe zwischen der ersten Elektrodenregion 257 und der zweiten Elektrodenregion 255 kann die parasitische Kapazität der MEMS-Struktur 200 erheblich verringert werden. Insbesondere erhöht die Einführung der kleinen Kapazität C_slot die Empfindlichkeit der MEMS-Struktur 200, weil die Empfindlichkeit S proportional zu C_aktiv/(C_aktiv + C_amp + 1/(1/(C_{Unterstützung} + C_Abstimmung) + 1/C_slot))) ist. Für C_slot → 0 ist die Empfindlichkeit S proportional zu C_aktiv/(C_aktiv + C_amp).
In einem Beispiel ist die kleine Kapazität C_slot durch die Isolationsfuge 253 vorgegeben (Kapazität ~ Umfangsbereich von 253 Mal der Dicke der Schicht 257, Mal der dielektrischen Konstante von Luft oder des dielektrischen Materials im Spalt von 253). Die kleine Reihenkapazität C_slot ist um Größenordnungen kleiner als die anderen Kapazitäten, z. B. C_{Unterstützung} und C_Abstimmung. Die kleinere parasitische Kapazität C_slot entkuppelt C_{Unterstützung} und C_Abstimmung von C_aktiv und C_amp. Demnach ist die parasitische Gesamtkapazität verringert und es wird ein höherer Signal-/Rauschabstand realisiert.
Ferner kann die erste Elektrodenregion 257 zur Betätigung der Membran 230 separat und unabhängig von der zweiten Elektrode oder Messregion 255 verwendet werden. Durch die Betätigung kann die Empfindlichkeit der MEMS-Strukturen 200 verändert werden. Beispielsweise können zwei MEMS-Strukturen so abgestimmt werden, dass sie sich eng gleichen (z. B. ungefähr die gleiche Empfindlichkeit aufweisen) oder eine einzelne MEMS-Struktur kann zwischen einer Konfiguration mit hoher Empfindlichkeit und einer Konfiguration mit niedriger Empfindlichkeit gewechselt werden.
3a und 3b zeigen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer MEMS-Struktur 300 mit einer segmentierten Membran 330. Die MEMS-Struktur 300 umfasst ein Substrat 310, eine Membran 330 und eine Rückplatte 350. Die Membran 330 ist durch einen ersten Abstandshalter 320 vom Substrat 310 beabstandet und die Rückplatte 350 ist durch einen zweiten Abstandshalter 340 von der Membran 330 beabstandet. Die Materialien der Elemente der MEMS-Struktur 300 sind die gleichen wie sie oben mit Bezug auf 1a und 1b beschrieben wurden.
Die segmentierte Membran umfasst eine erste Elektrode 337 und eine zweite Elektrode 335. Die zweite Elektrode 335 kann vollständig oder teilweise innerhalb der ersten Elektrode 337 liegen oder die erste Elektrode 337 kann vollständig oder teilweise die zweite Elektrode 335 umgeben. Die erste Elektrode 337 kann einen Bereich eines kreisförmigen Rings umfassen und die zweite Elektrode 335 kann einen Bereich eines Kreises umfassen. Alternativ kann die erste Elektrode 337 eine Vielzahl von Elektroden umfassen und die zweite Elektrode 335 kann eine Vielzahl von Elektroden umfassen. Beispielsweise kann die erste Elektrode 337 eine Vielzahl von kreisförmigen Ringen umfassen. Die zweite Elektrode 335 ist als Messregion definiert und die erste Elektrode 337 ist als Abstimmungs- oder Betätigungsregion definiert. Der Bereich der Messregion 335 der Membran 330 kann größer sein als der Bereich der Abstimmungsregion 337. Beispielsweise kann die Messregion ca. 80% des Bereichs der Membran 330 umfassen und die Außenregion kann ca. 20% des Bereichs umfassen.
In einer Ausführungsform können die erste Elektrode 337 und die zweite Elektrode 335 auf einer dünnen Isolationsunterstützung 334 angeordnet sein. Die Isolationsunterstützung kann auf der zur Rückplatte 350 weisenden Seite oder auf der von der Rückplatte 350 weg weisenden Seite angeordnet sein. Die dünne Isolationsunterstützung kann Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid oder eine Kombination davon umfassen. Beispielsweise kann die Membran 330 eine Polymermembran und eine Metallschicht oder eine Polysilizium-Elektrode und eine Siliziumnitridschicht sein.
In einer Ausführungsform umfasst die Membran 330 keine Isolationsunterstützung. Die erste Elektrode 337 ist von der zweiten Elektrode 335 mit einer Isolationsregion 333 isoliert. Die Isolationsregion 333 kann ein dielektrisches Material, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein High-K-Dielektrikum wie Siliziumoxynitrid umfassen. Die erste Elektrode 337 ist über die Isolationsregion 333 mechanisch mit der zweiten Elektrode 335 verbunden.
Die zweite Elektrode 335 kann mechanisch und elektrisch mit dem ersten Abstandshalter 320 und dem zweiten Abstandshalter 340 verbunden sein. Die zweite Elektrode 335 kann ein Verbindungsglied 336 zu dem ersten und zweiten Abstandshalter 320, 340 umfassen, die eine Einkerbung in der ersten Elektrode 337 bildet. Die zweite Elektrode 335 kann mehr als ein Verbindungsglied 356 umfassen und die Verbindungsglieder können in gleichen Abständen voneinander angeordnet sein.
Die zweite Elektrode oder die Messregion 335 ist so ausgelegt, dass sie ein Signal misst und/oder ein Messsignal bereitstellt und die erste Elektrode oder die Abstimmungsregion 337 ist so ausgelegt, dass sie abgestimmt oder betätigt werden kann. Die zweite Elektrode 335 ist auf eine Messvorspannung eingestellt und die erste Elektrode 337 ist auf eine Abstimmungsvorspannung eingestellt. Die Abstimmungsvorspannung der ersten Elektrode 337 ist von der Messvorspannung der zweiten Elektrode 335 unabhängig.
Die Membran 330 ist ein Kreis oder ein Quadrat oder umfasst jede geeignete Form. Die erste Elektrode 337 kann eine Vielzahl von ersten Elektroden 337 umfassen, worin die Vielzahl der ersten Elektroden 337 so ausgelegt ist, dass sie auf dieselbe Abstimmungsspannung oder auf unterschiedliche Abstimmungsspannungen eingestellt werden kann. Die zweite Elektrode 335 kann eine Vielzahl von zweiten Elektroden 335 umfassen, worin die Vielzahl der zweiten Elektroden 335 so ausgelegt ist, dass sie auf dieselbe Abstimmungsspannung oder auf unterschiedliche Abstimmungsspannungen eingestellt werden kann.
Die Rückplatte 350 kann eine einzelne Elektrode oder eine Vielzahl von Elektroden umfassen. Beispielsweise umfasst die Rückplatte 350 eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode. Die erste Elektrode der Rückplatte 350 entspricht der ersten Elektrode 337 der Membran 330 und die zweite Elektrode der Rückplatte 350 entspricht der zweiten Elektrode 335 der Membran 350. Die erste Elektrode der Rückplatte 350 kann ein kreisförmiger oder quadratischer Ring sein und die erste Membran kann ein kreisförmiger oder quadratischer Ring sein und die zweite Elektrode der Rückplatte 350 kann ein Kreis oder Quadrat sein und die zweite Membran kann ein Kreis oder Quadrat sein.
4 und 4b zeigen Querschnittsansichten von Ausführungsformen einer MEMS-Struktur 400. Die MEMS-Struktur 400 umfasst ähnliche Elemente 410–450 wie oben mit Bezug auf 3a und 3b beschrieben. Die MEMS-Struktur 400 umfasst ferner eine zusätzliche Membran 433 und einen zusätzlichen Abstandshalter, wie z. B. einen dritten Abstandshalter 425. Die Membran 433 kann ein leitendes Material wie z. B. Polysilizium, dotiertes Polysilizium oder ein Metall umfassen. Der dritte Abstandshalter 425 kann ein dielektrisches oder isolierendes Material umfassen, wie z. B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, ein High-K-Dielektrikum wie Siliziumoxynitrid oder Kombinationen davon.
Die segmentierte Membran 430 umfasst eine zweite Elektrode oder zweite Membran 437 und eine erste Elektrode oder erste Membran 435. Die zweite Membran 437 kann eine Außenregion oder Abstimmungsregion der Membran 430 umfassen und die erste Membran 435 kann eine Innenregion oder Messregion der Membran umfassen. Ein Teil der ersten Membran 435 kann über einem Teil der zweiten Membran 437 liegen oder umgekehrt. Ein dielektrisches Material des dritten Abstandshalter 425 verbindet diese beiden Teile mechanisch miteinander. Das dielektrische Material kann im Wesentlichen einen kreisförmigen oder einen quadratischen Ring mit das Verbindungsglied überdeckenden Linien bilden.
Die erste Membran 437 kann eine einzelne erste Elektrode oder eine Vielzahl von ersten Elektroden umfassen und die zweite Membran 435 kann eine einzelne zweite Elektrode oder eine Vielzahl von zweiten Elektroden umfassen. Beispielsweise kann die erste Membran 437 eine Vielzahl von kreisförmigen Ringen umfassen und die zweite Membran 435 kann einen Kreis umfassen. Die zweite Membran 435 ist als Messregion definiert und die erste Membran 437 ist als Abstimmungsregion definiert. Der Bereich der Messregion 435 der Membran 430 kann größer sein als der Bereich der Abstimmungsregion 437. Beispielsweise kann die Messregion ca. 435 ca. 80% des Bereichs der Membran 430 umfassen und die Abstimmungsregion 437 kann ca. 20% des Bereichs umfassen.
Die erste Membran 437 ist zwischen dem ersten Abstandshalter 420 und dem dritten Abstandshalter 425 angeordnet und die zweite Membran 433 ist zwischen dem zweiten Abstandshalter 440 und dem dritten Abstandshalter 425 angeordnet. In einer Ausführungsform ist das dritte Abstandshaltermaterial ebenfalls zwischen der ersten Membran 437 und der zweiten Membran 433 in einer von der Stützkonstruktion der Abstandshalter 420, 425 und 440 entfernen Region angeordnet. In einer ersten Ausführungsform ist die zweite Membran 433 näher an der Rückplatte 450 als die erste Membran 437 angeordnet. In einer zweiten Ausführungsform ist die erste Membran 437 näher an der Rückplatte 450 als die zweite Membran 433 angeordnet.
Die erste Membran 437 kann ein kreisförmiger oder quadratischer Ring mit einer Einkerbung sein und die zweite Membran 433 kann ein Kreis oder ein Quadrat mit einem in der Einkerbung liegenden Verbindungsglied sein. Die erste Membran 437 kann ein Ringsegment oder eine Vielzahl von Ringsegmenten sein und die zweite Membran 433 kann eine Vielzahl von Verbindungsgliedern umfassen.
Die Rückplatte 450 kann eine einzelne Elektrode oder eine Vielzahl von Elektroden umfassen. Beispielsweise umfasst die Rückplatte eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode. Die erste Elektrode der Rückplatte 450 entspricht der Membran 437 und die zweite Elektrode der Rückplatte 450 entspricht der zweiten Membran 433. Die erste Elektrode der Rückplatte 450 kann ein kreisförmiger oder quadratischer Ring sein und die erste Membran kann ein kreisförmiger oder quadratischer Ring sein und die zweite Elektrode der Rückplatte 450 kann ein Kreis oder Quadrat sein und die zweite Membran kann ein Kreis oder Quadrat sein.
Ein Vorteil der Ausführungsform von 4a ist, dass der verringerte Luftspalt den Abstimmungsbereich der zweiten Membran 433 (Messregion) erhöht. Ein Vorteil der Ausführungsform von 4b ist, dass der verringerte Luftspalt den Abstimmungsbereich der zweiten Membran 433 (Messregion) verringert.
5a und 5b zeigen eine Querschnittsansicht und eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer MEMS-Struktur 500. Die MEMS-Struktur 500 umfasst ähnliche Elemente 510–550 wie oben mit Bezug auf die Elemente 110–150 in 1a und 1b beschrieben. Die MEMS-Struktur 500 umfasst eine einzelne Elektrode (Gegenelektrode). Alternativ umfasst die MEMS-Struktur 500 eine segmentierte Gegenrückplatte (Gegenelektrode) mit zumindest zwei Elektroden.
Das Halbleitersubstrat 510 umfasst einen Rand 515. Die radiale Überlappung oder der radiale Abstand zwischen dem Rand 515 und dem ersten Abstandshalter 520 bildet einen Ring 518. Der Ring 518 kann eine kreisförmige Ringform, eine quadratische Ringform oder eine andere Ringform umfassen. Beispielsweise kann der radiale Abstand des kreisförmigen Rings 518 10 μm betragen.
Die Rückplatte oder Gegenelektrode 550 ist so ausgelegt, dass sie auf eine Messvorspannung (V_Messung) eingestellt werden kann und das Halbleitersubstrat 510 ist so ausgelegt, dass es auf eine Abstimmungsvorspannung (V_Abstimmung) eingestellt werden kann. Die Membran 530 ist geerdet. Die Membran 530 umfasst eine mittlere Region und eine Außenregion. Die Außenregion der Membran 530 und der Ring 518 bilden einen Kondensator, der mit der Abstimmungsspannung (V_Abstimmung) abgestimmt werden kann. In einer Ausführungsform sind der Rand 515 und der Ring 518 gezahnt. Der Ring 518 kann mit Öffnungen 519, die in gleichförmigen Abständen voneinander angeordnet sind, perforiert sein. Jede Öffnung 519 kann eine Breite von ca. 10 μm aufweisen. Die Öffnungen 519 können in dem Halbleitersubstrat 510 durch Applikation einer ausgedehnten Freisetzungsätzung geformt werden.
6a zeigt eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens einer abstimmbaren MEMS-Vorrichtung. Das Verfahren umfasst: Bildung eines ersten Abstandshalters über einem Halbleitersubstrat (Schritt 601) und Bildung einer beweglichen Elektrode über dem ersten Abstandshalter (Schritt 602). Optional wird in Schritt 603 die bewegliche Elektrode in eine erste bewegliche Elektrode und eine zweite bewegliche Elektrode strukturiert. Die bewegliche Elektrode kann eine Membran oder Diaphragma sein. Danach wird ein zweiter Abstandshalter über der beweglichen Elektrode geformt (Schritt 604). Anschließend wird eine Gegenelektrode über dem zweiten Abstandshalter geformt (Schritt 605). Wiederum optional wird die Gegenelektrode in eine erste Gegenelektrode und eine zweite Gegenelektrode strukturiert (Schritt 606). Die Gegenelektrode kann eine Rückplatte sein. In Schritt 607 werden schließlich die ersten und zweiten Abstandshaltermaterialien und das Halbleitersubstratmaterial um die bewegliche Elektrode entfernt.
6b zeigt eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens einer abstimmbaren MEMS-Struktur. Das Verfahren umfasst: Bildung eines ersten Abstandshalters über einem Halbleitersubstrat (Schritt 611) und Bildung einer ersten beweglichen Elektrode über dem ersten Abstandshalter (Schritt 612). Anschließend wird ein zweiter Abstandshalter über der ersten beweglichen Elektrode geformt (Schritt 613) und eine zweite bewegliche Elektrode wird über dem zweiten Abstandshalter geformt (Schritt 614). Die ersten und zweiten beweglichen Elektroden können Membranen oder Diaphragmas sein. Ein dritter Abstandshalter wird über der zweiten beweglichen Elektrode geformt (Schritt 615) und eine Gegenelektrode wird über dem dritten Abstandshalter geformt (Schritt 616). Optional wird in Schritt 617 die Gegenelektrode in eine erste Gegenelektrode und eine zweite Gegenelektrode strukturiert. Die Gegenelektrode kann eine Rückplatte sein. In Schritt 618 werden schließlich Teile der ersten, zweiten und dritten Abstandshaltermaterialien und das Halbleitersubstratmaterial um die ersten und zweiten beweglichen Elektroden entfernt. Die ersten und zweiten beweglichen Elektroden können in einem Abstand von der Stützkonstruktion mechanisch verbunden sein.
6c zeigt eine Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens einer abstimmbaren MEMS-Struktur. Das Verfahren umfasst: Bildung eines ersten Abstandshalters über einem Halbleitersubstrat (Schritt 621), Bildung einer beweglichen Elektrode über dem ersten Abstandshalter (Schritt 622) und Bildung eines zweiten Abstandshalters über der beweglichen Elektrode (Schritt 623). Die bewegliche Elektrode kann eine Membran oder Diaphragma sein. Danach wird eine Gegenelektrode über dem zweiten Abstandshalter geformt (Schritt 624). Die Gegenelektrode kann eine Rückplatte sein. Danach werden Teile der ersten und zweiten Abstandshaltermaterialien und das Halbleitersubstratmaterial um die bewegliche Elektrode entfernt (Schritt 625). Schließlich wird eine gezahnte Struktur oder eine Vielzahl von Öffnungen um den Rand des Halbleitersubstrats geätzt (Schritt 626).
Obwohl die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile ausführlich beschrieben wurden, versteht sich, dass diverse Änderungen, Substitutionen und Modifikationen hierin vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung wie in den anhängenden Ansprüchen definiert abzuweichen.
Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die bestimmten Ausführungsformen des Verfahrens, des Geräts, der Herstellung, der Materie, der Mittel, Methoden und Schritte, die in dieser Patentschrift beschrieben werden, begrenzt werden. Ein gewöhnlicher Fachmann auf dem Gebiet versteht aus der Offenbarung der vorliegenden Erfindung problemlos, dass Verfahren, Geräte, Herstellung, Materie, Mittel, Methoden oder Schritte, die zurzeit existieren oder später entwickelt werden und die im Wesentlichen dieselbe Funktion erfüllen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erzielen wie die entsprechenden hierin beschriebenen Ausführungsformen, erfindungsgemäß verwendet werden können. Demnach sollen die anhängenden Ansprüche solche Verfahren, Geräte, Herstellung, Materie, Mittel, Methoden oder Schritte in ihrem Umfang einschließen.

Claims

Eine Halbleitervorrichtung, umfassend: ein Substrat; eine bewegliche Elektrode; und eine Gegenelektrode, worin die bewegliche Elektrode oder die Gegenelektrode eine erste Region und eine zweite Region umfasst, worin die erste Region von der zweiten Region isoliert ist, worin die erste Region abstimmbar ist, worin die zweite Region ein Messsignal bereitstellen oder ein System steuern kann und worin die bewegliche Elektrode und die Gegenelektrode mechanisch mit dem Substrat verbunden sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, worin die erste Region auf eine Abstimmungsvorspannung (V_Abstimmung) eingestellt ist und worin die zweite Region auf eine Messvorspannung (V_Messung) eingestellt ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin die erste Region im Wesentlichen die zweite Region umgibt.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin ein Bereich der zweiten Region im Wesentlichen größer ist als ein Bereich der ersten Region.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die erste Region oder die zweite Region eine Vielzahl von Elektroden umfasst.
MEMS-Struktur, umfassend: ein Substrat; eine bewegliche Elektrode; und eine Gegenelektrode, wobei die Gegenelektrode eine erste Gegenelektrodenregion und eine zweite Gegenelektrodenregion umfasst, worin die erste Gegenelektrodenregion von der zweiten Gegenelektrodenregion isoliert ist und worin die Gegenelektrode und die bewegliche Elektrode mechanisch mit dem Substrat verbunden sind.
MEMS-Struktur nach Anspruch 6, worin die bewegliche Elektrode eine erste bewegliche Elektrodenregion und eine zweite bewegliche Elektrodenregion umfasst und worin die erste Gegenelektrodenregion der ersten beweglichen Elektrodenregion entspricht und worin die zweite Gegenelektrodenregion der zweiten beweglichen Elektrodenregion entspricht.
MEMS-Struktur nach Anspruch 7, worin die erste bewegliche Elektrodenregion und die erste Gegenelektrodenregion auf eine Abstimmungsvorspannung (V_Abstimmung) eingestellt sind und worin die zweite bewegliche Elektrodenregion und die zweite Gegenelektrodenregion auf eine Messvorspannung (V_Messung) eingestellt sind.
MEMS-Struktur nach Anspruch 7 oder 8, worin die erste bewegliche Elektrodenregion näher an der Gegenelektrode angeordnet ist als die zweite bewegliche Elektrodenregion.
MEMS-Struktur nach Anspruch 7 oder 8, worin die zweite bewegliche Elektrodenregion näher an der Gegenelektroderegion angeordnet ist als die erste bewegliche Elektrodenregion.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 10, worin das Substrat auf eine Abstimmungsvorspannung (V_Abstimmung) eingestellt ist und worin die Gegenelektroden auf eine Messvorspannung (V_Messung) eingestellt ist.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 6 bis 11, worin das Substrat einen gezahnten Rand umfasst.
MEMS-Struktur, umfassend: ein Halbleitersubstrat; eine Rückplattenelektrode; und eine gestapelte Membran, die eine erste Membran und eine zweite Membran umfasst, worin die gestapelte Membran und die Rückplatte mechanisch mit dem Halbleitersubstrat verbunden sind.
MEMS-Struktur nach Anspruch 13, worin die erste Membran in einer mittleren Region der gestapelten Membran angeordnet ist und worin die zweite Membran in einer Umfangsregion der gestapelten Membran angeordnet ist.
MEMS-Struktur nach Anspruch 13 oder 14, worin ein Bereich der ersten Membran größer ist als ein Bereich der zweiten Membran.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 13 bis 15, worin die erste Membran teilweise die zweite Membran überlappt.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 13 bis 16, ferner umfassend eine dielektrische Schicht und worin die dielektrische Schicht mechanisch die erste Membran mit der zweiten Membran in einem beweglichen Teil der gestapelten Membran verbindet.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 13 bis 17, worin die erste Bereich so ausgelegt ist, dass sie ein Messsignal bereitstellt und worin die zweite Membran abstimmbar ist.
MEMS-Struktur nach Anspruch 18, worin die erste Membran näher an der Rückplattenelektrode liegt als die zweite Membran.
MEMS-Struktur nach einem der Ansprüche 13 bis 18, worin die zweite Membran näher an der Rückplattenelektrode liegt als die erste Membran.