DE102013217312A1 - Kapazitives MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Realisierungsform für ein Elektret in einem kapazitiven MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran vorgeschlagen, die sich mit Standardverfahren der Halbleitertechnologie erzeugen lässt und damit einfach in den Fertigungsprozess von MEMS-Halbleiterbauelementen integriert werden kann. Derartige MEMS-Bauelemente (100) umfassen mindestens eine druckempfindliche Membran (10) mit mindestens einer auslenkbaren Membranelektrode (10) einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und ein feststehendes druckunempfindliches Gegenelement (13) mit mindestens einer Gegenelektrode (15) dieser Kondensatoranordnung, wobei zumindest eine Elektrode (10, 15) der Kondensatoranordnung mit einem elektrisch aufgeladenen Elektret versehen ist, so dass zwischen den beiden Elektroden (10, 15) der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz besteht. Erfindungsgemäß umfasst das Elektret mindestens zwei aneinandergrenzende Schichten (3, 4) aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind.
Description
- Stand der Technik
- Die Erfindung betrifft ein MEMS-Bauelement, mindestens umfassend eine druckempfindliche Membran mit mindestens einer auslenkbaren Membranelektrode einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und ein feststehendes druckunempfindliches Gegenelement mit mindestens einer Gegenelektrode dieser Kondensatoranordnung, wobei zumindest eine Elektrode der Kondensatoranordnung mit einem elektrisch aufgeladenen Elektret versehen ist, so dass zwischen den beiden Elektroden der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz besteht.
- Kapazitive MEMS-Bauelemente der hier in Rede stehenden Art werden in der Praxis beispielsweise zur Druckerfassung eingesetzt. Ein weiteres wichtiges Einsatzgebiet stellen Mikrofonanwendungen dar. Die Membran der Bauelementstruktur wird hier durch den Schalldruck ausgelenkt, was zu einer Veränderung der Kapazität zwischen der Membranelektrode und der Gegenelektrode auf dem feststehenden Gegenelement der Bauelementstruktur führt. Die durch die Schalleinwirkung hervorgerufene Kapazitätsänderung kann als Spannungsänderung erfasst werden, wenn eine Vorspannung an der Kondensatoranordnung anliegt. Diese Art der Signalerfassung ist äußerst sensitiv, rauscharm und temperaturstabil.
- In der
US 8,073,166 B2 wird ein MEMS-Mikrofonbauelement beschrieben, bei dem die zur Signalerfassung erforderliche Potentialdifferenz zwischen den Elektroden des Mikrofonkondensators nicht durch Anlegen einer Spannung, also mit Hilfe einer Ladungspumpe, erzeugt wird, sondern mit Hilfe einer Elektretschicht auf der Membranelektrode. Die Potentialdifferenz zwischen den Kondensatorelektroden wird hier durch elektrische Ladungsträger aufrechterhalten, die dauerhaft in der Elektretschicht gespeichert bzw. eingelagert sind. Dadurch kann auf eine Ladungspumpe verzichtet und damit die Leistungsaufnahme des Mikrofonbauelements deutlich verringert werden. Außerdem wird die für eine Ladungspumpe erforderliche Chipfläche eingespart. In derUS 8,073,166 B2 wird vorgeschlagen, die Elektretschicht in Form einer dielektrischen Schicht, beispielsweise aus organischem Fluorethylenpropylen (FEP), zu realisieren, in die Ionen injiziert werden. Dazu wird über der dielektrischen Schicht eine Draht- oder Nadelelektrode als Ionenquelle positioniert. Durch Anlegen einer Spannung zwischen dieser Draht- oder Nadelelektrode und einer Elektrode unterhalb der dielektrischen Schicht tritt an der Elektrodenspitze eine Koronaentladung auf. Dabei treten Ionen aus der Elektrodenspitze aus, die durch das anliegende elektrische Feld so in Richtung der dielektrischen Schicht beschleunigt werden, dass sie in die dielektrische Schicht eindringen und dort eingelagert werden. - Diese Realisierungsform einer Elektretschicht erweist sich in mehrerlei Hinsicht als problematisch. Zum einen ist das bekannte Herstellungsverfahren, insbesondere das Erzeugen und Einbringen der Ionen in die dielektrische Schicht, relativ aufwendig und lässt sich nicht ohne weiteres in den Fertigungsprozess von MEMS-Halbleiterbauelementen integrieren. Zum anderen führt dieses Herstellungsverfahren in der Praxis häufig zu einer ungleichmäßigen Ladungsverteilung in der Elektretschicht, da sich die Ladungsträger in der dielektrischen Schicht nicht frei bewegen können. Dies wirkt sich nachteilig auf die Bauelementperformance aus.
- Offenbarung der Erfindung
- Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Realisierungsform für ein Elektret in einem kapazitiven MEMS-Bauelement mit einer druckempfindlichen Membran vorgeschlagen, die sich mit Standardverfahren der Halbleitertechnologie erzeugen lässt und damit einfach in den Fertigungsprozess von MEMS-Halbleiterbauelementen integriert werden kann.
- Erfindungsgemäß umfasst das Elektret eines MEMS-Bauelements der eingangs genannten Art mindestens zwei aneinandergrenzende Schichten aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind.
- Erfindungsgemäß ist nämlich erkannt worden, dass sich die Grenzfläche zwischen zwei nicht-leitfähigen Schichten besonders gut zur Ladungsspeicherung eignet, da hier in der Regel Grenzflächendefekte in großer Dichte auftreten. Diese stellen lokalisierte Zustände dar, in denen Ladungen langzeitstabil gespeichert werden können, wenn in den dielektrischen Schichten für die Ladungsträger hinreichend große Energiebarrieren gegenüber der leitfähigen Schicht einer angrenzenden Elektrode existieren. Erfindungsgemäß ist ferner erkannt worden, dass die elektrischen Ladungen sehr einfach an die Grenzfläche der beiden Dielektrika injiziert werden können, nämlich durch einmaliges Anlegen eines hohen elektrischen Feldes über die beiden dielektrischen Schichten. Von besonderem Vorteil ist, dass sich auf diese Weise eine gleichmäßige Ladungsverteilung an der Grenzfläche einstellt. Auch wenn die elektrische Spannung nach dem Injizieren wieder weggenommen wird, verbleiben die elektrischen Ladungen an der Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen Schichten und erzeugen zumindest in der angrenzenden Elektrode der Kondensatoranordnung Influenzladungen, die für ein gleichmäßiges elektrisches Feld im kapazitiven Spalt sorgen.
- Grundsätzlich kommen für die dielektrischen Schichten des erfindungsgemäßen Elektrets ganz unterschiedliche Materialien in Frage. Wie bereits erwähnt, müssen diese dielektrischen Materialien hinreichende Bandoffsets, sowohl im Valenzband als auch im Leitungsband, gegenüber dem leitfähigen Material einer angrenzenden Elektrode aufweisen. Besonders geeignet sind daher dielektrische Materialien, die aus den Elementen Si, N, C, B, P, O und/oder Al zusammengesetzt sind, wie z.B. SiO2, Si3N4, Si1-xNx (0 ≤ x ≤ 0,5), Si1-x-yCxNy (0 ≤ x ≤ 0,5; 0 ≤ y ≤ 0,5) und Al2O3. Wenn die Struktur des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements in Opferschichttechnologie erzeugt wird, dann erweist sich die Materialkombination Si1-x-yCxNy mit Al2O3 als besonders vorteilhaft, da diese Materialien in der Regel nicht als Opferschichtmaterialien eingesetzt werden und auch nicht durch die üblicherweise eingesetzten Opferschicht-Ätzmedien angegriffen werden.
- Die beiden das Elektret bildenden dielektrischen Schichten des erfindungsgemäßen MEMS-Bauelements können entweder auf der Membranelektrode oder auf der Gegenelektrode ausgebildet sein. Grundsätzlich sind auch Varianten denkbar, bei denen beide Elektroden der Kondensatoranordnung mit einem erfindungsgemäßen Elektret-Schichtaufbau versehen sind. In diesem Fall müssen die Elektret-Schichtaufbauten allerdings gegensinnig aufgeladen sein, so dass durch die jeweilige Influenzladung in den angrenzenden Elektroden der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz zwischen den Elektroden besteht, die eine kapazitive Signalerfassung ermöglicht.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Schichtaufbau der mit dem Elektret versehenen Elektrode der Kondensatoranordnung eine erste Elektrodenschicht, mindestens zwei dielektrische Schichten und eine zweite Elektrodenschicht, so dass durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten elektrische Ladungen an die Grenzfläche der dielektrischen Schichten injiziert werden können. In diesem Fall muss das Aufladen des Elektrets nicht während des Fertigungsprozesses des MEMS-Bauelements erfolgen, sondern kann auch erst nach der Fertigstellung im bereits verpackten Zustand des MEMS-Bauelements vorgenommen werden, vorteilhafterweise beim elektrischen Abgleich des MEMS-Bauelements.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Wie bereits voranstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird einerseits auf die dem unabhängigen Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche verwiesen und andererseits auf die nachfolgende Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren.
-
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofonbauelements100 und -
2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen MEMS-Mikrofonbauelements200 . - Ausführungsformen der Erfindung
- Bei beiden in den Figuren dargestellten MEMS-Bauelementen
100 und200 handelt es sich um kapazitive Mikrofonbauelemente, deren Mikrofonstruktur in einem Schichtaufbau auf einem Substrat1 realisiert ist. Die Mikrofonstruktur umfasst jeweils eine durch den Schalldruck auslenkbare Mikrofonmembran10 , die eine Öffnung11 in der Substratrückseite überspannt. Die Mikrofonmembran10 ist hier in einer dünnen leitfähigen Schicht2 ausgebildet, wie z.B. in einer dünnen zumindest bereichsweise dotierten Polysiliziumschicht, so dass die Mikrofonmembran10 als Membranelektrode einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung fungiert. Im Schichtaufbau über der Mikrofonmembran10 befindet sich, von dieser beabstandet, ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement13 mit Durchgangsöffnungen14 und mit einer feststehenden Gegenelektrode15 der Kondensatoranordnung. Der elektrischen Anschluss der Gegenelektrode15 ist in Form einer Leiterbahn151 und eines Anschlusspads realisiert, die in derselben Elektrodenschicht52 ausgebildet sind wie die Gegenelektrode15 . Die Membranelektrode10 wird über einen Durchkontakt17 im Schichtaufbau des Gegenelements13 elektrisch kontaktiert. Die Schalldruckbeaufschlagung der Mikrofonmembran10 kann entweder über die Öffnung11 in der Substratrückseite erfolgen oder auch vorderseitig über die Durchgangsöffnungen14 im Gegenelement13 . Dabei wird die Mikrofonmembran10 ausgelenkt, wodurch sich der Abstand zwischen den Elektroden10 und15 der Kondensatoranordnung verändert. Diese Abstandsänderung kann als Spannungsänderung erfasst werden, wenn eine hinreichend hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden10 und15 der Kondensatoranordnung besteht. Bei den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde die Gegenelektrode15 dazu mit einem Elektret versehen, in dem dauerhaft elektrische Ladungen gespeichert sind. Dadurch werden in den beiden Elektroden10 und15 der Kondensatoranordnung Influenzladungen erzeugt, die für ein elektrisches Feld im kapazitiven Spalt12 zwischen den beiden Elektroden10 und15 sorgen. - Erfindungsgemäß besteht das Elektret hier aus zwei aneinander grenzenden Schichten
3 und4 aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind. - Vorteilhafterweise sind die dielektrischen Materialien dieser beiden Schichten
3 ,4 aus den Elementen Si, N, C, B, P, O und/oder Al zusammengesetzt. Dabei kann es sich beispielsweise um SiO2, Si3N4, Si1-xNx (Siliziumreiches Nitrid), Si1-x-yCxNy (Siliciumcarbonitrid) oder Al2O3 handeln. Besonders gute Elektreteigenschaften haben die Materialkombinationen SiO2 mit Si3N4 und Si1-xyCxNy. - Im Fall des in
1 dargestellten Mikrofonbauelements100 umfasst der Schichtaufbau des Gegenelements13 zwei Elektrodenschichten51 und52 , die die beiden dielektrischen Schichten3 und4 sandwichartig umgeben und unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden können. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Kontaktierung der ersten Elektrodenschicht51 über einen Durchkontakt53 durch die beiden dielektrischen Schichten3 und4 , was zur Vermeidung von Parasitärkapazitäten beiträgt. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die beiden Elektrodenschichten51 und52 zum Schutz gegen Korrosion und andere Umwelteinflüsse noch zusätzlich jeweils in eine Passivierschicht, wie z.B. in eine SiO2-Schicht, eingebettet sein können. - Durch Anlegen von hoher Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten
51 und52 wurden elektrische Ladungen an die Grenzfläche zwischen den beiden dielektrischen Schichten3 und4 injiziert, die auch nach dem Abschalten dieser Spannung dort verbleiben und dauerhaft gespeichert sind. Auf diese Weise bilden die beiden dielektrischen Schichten3 und4 ein Elektret, mit dessen Hilfe dauerhaft eine Potenzialdifferenz zwischen den beiden Elektroden10 und15 der Kondensatoranordnung aufrechterhalten wird. - Nach dem Aufladevorgang der Grenzschicht zwischen den dielektrischen Schichten
3 und4 kann eine Elektrodenschicht51 oder52 mit einem geeigneten Ätzverfahren entfernt werden. Im Fall des in2 dargestellten Mikrofonbauelements200 wurde die Elektrodenschicht51 auf der Unterseite des Gegenelements13 aus dem kapazitiven Spalt12 herausgelöst. - Die voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen eine kostengünstige Realisierung von elektretbasierten MEMS-Drucksensorelementen und MEMS-Mikrofonbauelementen mit sehr kleiner Chipfläche und geringer Leistungsaufnahme. Da die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden der Kondensatoranordnung zur Signalerfassung hier aufgrund der im Elektret dauerhaft gespeicherten elektrischen Ladungen aufrechterhalten wird, kann auf das Anlegen einer Vorspannung verzichtet werden. Außerdem lässt sich mit Hilfe des Elektrets eine „Aufweckfunktion“ realisieren, die es erlaubt, die Leistungsaufnahme des Bauelements im Ruhezustand deutlich herabzusetzen. Aufgrund der durch einen äußeren Druckimpuls bzw. ein Schallereignis verursachten Abstandsänderung zwischen der im Elektret gespeicherten elektrischen Ladung und der Membranelektrode wird ein Strom induziert, der zur Aktivierung der Signalverarbeitung eines ASICs ausreicht.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 8073166 B2 [0003, 0003]
Claims (6)
- MEMS-Bauelement (
100 ), mindestens umfassend – eine druckempfindliche Membran (10 ) mit mindestens einer auslenkbaren Membranelektrode (10 ) einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und – ein feststehendes druckunempfindliches Gegenelement (13 ) mit mindestens einer Gegenelektrode (15 ) dieser Kondensatoranordnung, wobei zumindest eine Elektrode (10 ,15 ) der Kondensatoranordnung mit einem elektrisch aufgeladenen Elektret versehen ist, so dass zwischen den beiden Elektroden (10 ,15 ) der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz besteht; dadurch gekennzeichnet, dass das Elektret mindestens zwei aneinandergrenzende Schichten (3 ,4 ) aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien umfasst, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind. - MEMS-Bauelement (
100 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrischen Materialien der aneinandergrenzenden Schichten (3 ,4 ) aus den Elementen Si, N, C, B, P, O und/oder Al zusammengesetzt sind. - MEMS-Bauelement (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinandergrenzenden Schichten (3 ,4 ) aus SiO2, Si3N4, Si1-xNx, Si1-x-yCxNy oder Al2O3 gebildet sind. - MEMS-Bauelement (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinandergrenzenden Schichten (3 ,4 ) aus SiO2 und Si3N4 oder aus Si1-x-yCxNy und Al2O3 oder aus Si1-xNx und Al2O3 gebildet sind. - MEMS-Bauelement (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau der Elektrode (15 ) mit dem Elektret mindestens eine erste Elektrodenschicht (151 ), mindestens zwei dielektrische Schichten (3 ,4 ) und eine zweite Elektrodenschicht (152 ) umfasst, so dass durch Anlegen einer hohen Spannung zwischen den beiden Elektrodenschichten (151 ,152 ) elektrische Ladungen an die Grenzfläche zwischen den dielektrischen Schichten (3 ,4 ) injiziert werden können. - MEMS-Mikrofonbauelement (
100 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mindestens umfassend – eine durch den Schalldruck auslenkbare Mikrofonmembran (10 ) mit mindestens einer Membranelektrode (10 ) einer Kondensatoranordnung zur Signalerfassung und – ein feststehendes akustisch durchlässiges Gegenelement (13 ) mit Durchgangsöffnungen (14 ) und mit mindestens einer Gegenelektrode (15 ) dieser Kondensatoranordnung, wobei zumindest eine Elektrode (15 ) der Kondensatoranordnung mit einem Elektret versehen ist, das mindestens zwei aneinandergrenzende Schichten (3 ,4 ) aus unterschiedlichen dielektrischen Materialien umfasst, an deren Grenzfläche elektrische Ladungen gespeichert sind, so dass zwischen den beiden Elektroden (10 ,15 ) der Kondensatoranordnung eine Potentialdifferenz besteht.
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