DE102014216749B4

DE102014216749B4 - MEMS-Bauelement mit reduzierter parasitärer Kapazität

Info

Publication number: DE102014216749B4
Application number: DE102014216749.3A
Authority: DE
Inventors: Alfons Dehe; Stefan Barzen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2022-05-05
Anticipated expiration: 2034-08-23
Also published as: US10779101B2; US20170180900A1; DE102014216749A1; CN104418289B; KR101761982B1; US9628886B2; US20200236485A1; US20150289046A1; US20190098424A1; US10602290B2; US10171925B2; KR20150024283A; CN104418289A

Abstract

MEMS-Bauelement (10), das Folgendes umfasst:eine Rückwandelektrode (12), welche eine Segmentierung (12S) umfasst; eine zweite Rückwandelektrode (14), welche eine Segmentierung (14S) umfasst, wobei die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) parallel zueinander angeordnet sind; undeine Membran (16), die in einem Abstand von der Rückwandelektrode (12) und der zweiten Rückwandelektrode (14) angeordnet ist, wobei die Membran (16) einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfasst;wobei die Rückwandelektrode (12) und die Membran (16) so angeordnet sind, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran (16) mit der Rückwandelektrode (12) weniger als maximal überlappend ist, wobei die Segmentierung (12S) der Rückwandelektrode (12) eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt (12ABP) und einem weiteren Rückwandabschnitt (12FBP) bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt (12ABP) dem verdrängbaren Abschnitt der Membran (16) zugewandt ist, wobeidie Segmentierung (14S) der zweiten Rückwandelektrode (14) eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt (14ABP) und einem weiteren Rückwandabschnitt (14FBP) bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt (14ABP) dem verdrängbaren Abschnitt der Membran (16) zugewandt ist, wobei die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) jeweils eine Bondungsschicht (12B, 14B) umfassen und die Bondungsschichten (12B, 14B) derart angeordnet sind, dass die Bondungsschichten (12B, 14B) die aktiven Rückwandabschnitte (12ABP, 14ABP) an den weiteren Rückwandabschnitten (13FBP, 14FBP) stützen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen der Erfindung betreffen ein MEMS-Bauelement, einen elektrostatischen Messwandler und ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements.
HINTERGRUND
Ein Doppelrückwandmikrofon in MEMS-Bauelement-Technologie umfasst eine obere Rückwandelektrode und eine untere Rückwandelektrode, die parallel zueinander angeordnet sind, und eine Membran, die zwischen der oberen Rückwandelektrode und der unteren Rückwandelektrode parallel angeordnet ist. Die obere Rückwandelektrode, die untere Rückwandelektrode und die Membran werden durch eine Stützstruktur gestützt. Diese Anordnung wird durch ein Substrat gestützt.
Um Schalldruckwellen, zum Beispiel Sprache, zu der Membran zu übertragen, die zwischen der oberen Rückwandelektrode und der unteren Rückwandelektrode angeordnet ist, können diese Elektroden perforiert sein. Schalldruckwellen bewirken, dass die Membran aufgrund eines Druckunterschiedes über beiden Ebenen der Membran schwingt. Folglich verändert sich der Luftspalt zwischen der Membran und jeder der Rückwandelektroden. Die Rückwandelektroden und die Membran können ein oder mehrere elektrisch leitfähige Materialien umfassen. Die Veränderung der Membran in Bezug auf die Rückwandelektroden verursacht eine Veränderung in den Kapazitäten zwischen der Membran und der unteren Rückwandelektrode sowie zwischen der Membran und der obere Rückwandelektrode. Diese Veränderung in den Kapazitäten wird in ein Ausgangssignal umgewandelt, das der Bewegung der Membran entspricht. Die Membran kann durch eine Vorspannung relativ zur unteren Rückwandelektrode und zur oberen Rückwandelektrode vorgespannt werden.
Das oben schematisch beschriebene Doppelrückwandmikrofon ist mit dem Problem parasitärer Kapazitäten behaftet, die im Inneren der Stützstruktur entstehen. Eine erste parasitäre Kapazität kann im Inneren der Stützstruktur zwischen der Membran und der oberen Rückwandelektrode entstehen. Eine zweite parasitäre Kapazität kann im Inneren der Stützstruktur zwischen der Membran und der unteren Rückwandelektrode entstehen. Eine dritte parasitäre Kapazität kann im Inneren der Stützstruktur zwischen der unteren Rückwandelektrode und dem Substrat entstehen. Das Substrat kann geerdet sein. Oder anders ausgedrückt: Es besteht die Tendenz der Entstehung parasitärer Kapazitäten zwischen der oberen Rückwandelektrode, der Membran und der unteren Rückwandelektrode in Kombination, im Inneren der Stützstruktur, d. h. in Teilen des MEMS-Bauelements außer dem Luftspalt zwischen der Membran und der oberen Rückwandelektrode sowie dem Luftspalt zwischen der Membran und der unteren Rückwandelektrode.
DE 10 2004 011 145 B4 offenbart ein Mikrofon mit einer Membran und einer Gegenstruktur. DE 10 2009 000 583 A1 beschreibt ein Bauelement mit einer mikromechanischen Mikrofonstruktur und ein Verfahren zum Betrieben eines solchen Bauelements. US 2007 / 0 286 438 A1 beschreibt ein Kondensatormikrofon.
Parasitäre Kapazitäten sind gewöhnlich ungewollte Kapazitäten, welche mit Kapazitäten zwischen der Membran und der oberen Rückwandelektrode sowie zwischen der Membran und der unteren Rückwandelektrode interferieren. Folglich werden Kapazitätswerte, die entsprechend der Bewegung der Membran in elektrische Signale umgewandelt werden sollen, gestört. Falls das MEMS-Bauelement zum Beispiel als ein Doppelrückwandmikrofon verkörpert ist, so entspricht das (elektrische) Ausgangssignal keiner korrekten Reproduktion des (akustischen) Eingangssignals. Obgleich nicht erwähnt, sind noch andere Quellen parasitärer Kapazitäten denkbar.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung stellt ein MEMS-Bauelement bereit, das eine Rückwandelektrode, welche eine Segmentierung umfasst, und eine zweite Rückwandelektrode umfasst, welche eine Segmentierung umfasst, wobei die Rückwandelektrode und die zweite Rückwandelektrode parallel zueinander angeordnet sind. Das MEMS-Bauelement umfasst eine Membran, die in einem Abstand von der Rückwandelektrode und der zweiten Rückwandelektrode angeordnet ist, wobei die Membran einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfasst. Die Rückwandelektrode und die Membran sind so angeordnet, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran mit der Rückwandelektrode weniger als maximal überlappend ist, wobei die Segmentierung der Rückwandelektrode eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt und einem weiteren Rückwandabschnitt bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt dem verdrängbaren Abschnitt der Membran zugewandt ist. Die Segmentierung der zweiten Rückwandelektrode bildet eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt und einem weiteren Rückwandabschnitt bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt dem verdrängbaren Abschnitt der Membran zugewandt ist. Die Rückwandelektrode und die zweite Rückwandelektrode umfassen jeweils eine Bondungsschicht und die Bondungsschichten sind derart angeordnet, dass die Bondungsschichten die aktiven Rückwandabschnitte an den weiteren Rückwandabschnitten stützen.
Eine weitere Ausführungsform stellt bereit einen elektrostatischen Messwandler, der ein soeben beschriebenes MEMS-Bauelement umfasst. Der elektrostatische Messwandler ist dafür konfiguriert, ein Ausgangssignal entsprechend einer Bewegung der Membran in Bezug auf die Rückwandelektrode zu erzeugen.
Eine weitere Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements bereit, wobei das MEMS-Bauelement eine Rückwandelektrode, eine zweite Rückwandelektrode und eine Membran umfasst, die in einem Abstand von der Rückwandelektrode und der zweiten Rückwandelektrode angeordnet ist, wobei die Membran einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfasst. Das Verfahren umfasst Folgendes: Bereitstellen der Rückwandelektrode und der Membran dergestalt, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran mit der Rückwandelektrode weniger als maximal überlappend ist; Bereitstellen einer zweiten Rückwandelektrode auf einer der Rückwandelektrode gegenüberliegenden Seite der Membran; Versehen der Rückwandelektrode und der zweiten Rückwandelektrode jeweils mit einer Segmentierung, die jeweils eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt und einem weiteren Rückwandabschnitt bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt dem verdrängbaren Abschnitt der Membran zugewandt ist; Bereitstellen jeweils einer Bondungsschicht an der Rückwandelektrode und an der zweiten Rückwandelektrode derart, dass die Bondungsschichten die aktiven Rückwandabschnitte an den weiteren Rückwandabschnitten stützen.
Figurenliste
Im Folgenden werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Figuren beschrieben.

1a zeigt ein schematisches MEMS-Bauelement im Querschnitt;
1b zeigt ein schematisches Schaltbild des in 1a gezeigten MEMS-Bauelements;
2a zeigt ein weiteres schematisches MEMS-Bauelement im Querschnitt;
2b zeigt ein schematisches Schaltbild des in 2a gezeigten MEMS-Bauelements;
3a zeigt eine Grundrissansicht eines MEMS-Bauelements;
3b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 3a gezeigten MEMS-Bauelements;
4a zeigt eine weitere Grundrissansicht eines MEMS-Bauelements;
4b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 4a gezeigten MEMS-Bauelements;
5a zeigt eine weitere Grundrissansicht eines MEMS-Bauelements;
5b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 5a gezeigten MEMS-Bauelements;
6 zeigt ein Schaubild eines MEMS-Bauelements in einer Querschnittsansicht;
7 zeigt eine schematische Grundrissansicht einer Rückwandelektrode des MEMS-Bauelements;
8a zeigt eine weitere Grundrissansicht eines MEMS-Bauelements;
8b zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in 8a gezeigten MEMS-Bauelements;
8c zeigt in einem Schaubild eine Grundrissansicht der Anordnung einer oberen Rückwandelektrode, einer Membran und einer unteren Rückwandelektrode in Bezug aufeinander;
9a zeigt in einer Querschnittsansicht ein Schaubild eines MEMS-Bauelements, das einen Schutzring umfasst;
9b zeigt in einem Schaubild eine Grundrissansicht der Anordnung einer oberen Rückwandelektrode, einer Membran, einer unteren Rückwandelektrode und eines zugehörigen Schutzrings in Bezug aufeinander; und
10a-10p veranschaulichen schematisch einen Prozessfluss eines Verfahrens zur Herstellung des MEMS-Bauelements.

Verschiedene Ausführungsformen der im vorliegenden Text offenbarten Lehren werden anschließend unter Bezug auf 1 bis 10p besprochen. In den Zeichnungen werden identische Bezugszahlen für Objekte verwendet, die identische oder ähnliche Funktionen haben, so dass Objekte, die in den verschiedenen Ausführungsformen mit identischen Bezugszahlen bezeichnet werden, gegeneinander austauschbar sind und die Beschreibung für die einen wie für die anderen gilt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VERANSCHAULICHENDER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie in 1a zu sehen, umfasst ein MEMS-Bauelement 10 eine Rückwandelektrode 12 und eine zweite Rückwandelektrode 14, die parallel zueinander angeordnet sind. Einige Implementierungsbeispiele (zum Beispiel sogenannte Einzelrückwandmikrofone) können auf die zweite Rückwandelektrode 14 verzichten, d. h. die zweite Rückwandelektrode 14 kann optional sein. Die Rückwandelektrode 12 kann auch als die obere Rückwandelektrode bezeichnet werden. Die zweite Rückwandelektrode 14 kann auch als die untere Rückwandelektrode bezeichnet werden. Die Attribute „obere“ und „untere“ dienen hauptsächlich der Unterscheidung der zwei Rückwandelektroden 12 und 14 bezüglich ihrer grafischen Darstellung in 1a und eventuell weiterer Figuren und dürfen nicht in einem einschränkenden Sinn ausgelegt werden. In der folgenden Beschreibung und den Figuren bezeichnet der Index „T“ typischerweise die obere Rückwandelektrode 12; der Index „B“ bezeichnet typischerweise die untere Rückwandelektrode 14; der Index „M“ bezeichnet typischerweise die Membran 16; und der Index „S“ bezeichnet typischerweise das Substrat 20_1, 20_2. Das MEMS-Bauelement 10 umfasst des Weiteren eine Membran 16. Die Membran 16 ist zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 parallel angeordnet. Die Membran 16 kann einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfassen. Der verdrängbare Abschnitt kann in der Lage sein, sich in Reaktion auf eine einfallende Schallwelle zu bewegen. Zum Beispiel kann der verdrängbare Abschnitt ausgelenkt oder verformt werden. Alternativ kann der verdrängbare Abschnitt durch eine Translation verdrängt werden. Die Rückwandelektrode 12, die zweite Rückwandelektrode 14 und die Membran 16 können elektrisch leitfähiges Material umfassen.
Die Rückwandelektrode 12, die zweite Rückwandelektrode 14 und die Membran 16 können durch eine Stützstruktur 18_1, 18_2 gestützt werden. Das Material der Stützstruktur 18_1, 18_2 kann aus Oxid bestehen. Die Stützstruktur 18_1, 18_2 selbst kann auf einem Substrat 20_1, 20_2 gestützt werden.
Die Rückwandelektrode 12 kann Perforationen umfassen, damit Schalldruck durch die Rückwandelektrode 12 zu der Membran 16 gelangen kann. Die zweite Rückwandelektrode 14 kann auf der Seite der Membran 16 angeordnet sein, die der Richtung des ankommenden Schalldrucks abgewandt ist. Ein Teil der Luft in dem Spalt zwischen der Membran 16 und der zweiten Rückwand 14 kann mittels der Membran 16 geschoben werden, wenn sie sich infolge des ankommenden Schalldrucks bewegt. Damit das Volumen zwischen der Membran 16 und der zweiten Rückwandelektrode 14 entweichen kann, kann die zweite Rückwandelektrode 14 ebenfalls mit Perforationen versehen sein. Ein rückseitiger Hohlraum 22 kann vorhanden sein, der es erlaubt, dass sich das Luftvolumen, das mittels der Membran 16 geschoben wird, ausdehnen kann.
Das MEMS-Bauelement 10 kann mit dem Problem parasitärer Kapazitäten behaftet sein, die im Inneren der Stützstruktur 18_1, 18_2 entstehen. Wie in 1a gezeigt, ist eine erste parasitäre Kapazität CTM in mindestens einem Abschnitt der Stützstruktur 18_1, 18_2 zwischen der Rückwandelektrode 12 und der Membran 16 zu beobachten. Eine zweite parasitäre Kapazität C_MB ist in mindestens einem Abschnitt der Stützstruktur 18_1, 18_2 zwischen der Membran 16 und der zweiten Rückwandelektrode 14 zu beobachten. Eine weitere parasitäre Kapazität C_BS ist in mindestens einem Abschnitt der Stützstruktur 18_1, 18_2 zwischen der zweiten Rückwandelektrode 14 und dem Substrat 20_1, 20 2 zu beobachten. Obgleich nicht erwähnt, sind weitere parasitäre Kapazitäten in bestimmten Teilen der Stützstruktur 18_1, 18_2 zwischen verschiedenen der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 und der zweiten Rückwandelektrode 14 zu beobachten.
1b zeigt ein schematisches Schaltbild des in 1a gezeigten MEMS-Bauelements. Das Substrat kann geerdet sein. Die Membran kann durch eine Vorspannung Vbias vorgespannt werden. Ein Spannungsniveau Vp der elektrisch leitfähigen oberen Rückwandelektrode 12 kann ausgegeben werden. Des Weiteren kann ein Spannungsniveau Vm der elektrisch leitfähigen (unteren) zweiten Rückwandelektrode 14 ausgegeben werden. Die Spannungsniveauausgänge Vp und Vm variieren in Bezug auf die Bewegung der vorgespannten Membran 16.
Oder anders ausgedrückt: Das MEMS-Bauelement kann in der Lage sein, in Reaktion auf die Bewegung der Membran in Bezug auf die Rückwandelektrode und die zweite Rückwandelektrode Ausgangssignale Vp und Vm zu erzeugen (siehe 1a). Dieses Leistungsmerkmal ist schematisch durch Drehkondensatoren CA und CB angedeutet, auch als aktive Kapazitäten CA und CB bezeichnet. Die aktiven Kapazitäten CA, CB sind in Bezug auf die Bewegung der Membran relativ zur Rückwandelektrode bzw. zur zweiten Rückwandelektrode variabel.
Das in 1b gezeigte Schaltbild deutet des Weiteren parasitäre Kapazitäten C_TM, C_MB und C_BS an, die in bestimmten Teilen der Stützstruktur zwischen verschiedenen von mindestens der Rückwandelektrode 12, der Membran 16, der zweiten Rückwandelektrode 14 und dem Substrat 20_1, 20_2 zu beobachten sind.
2a zeigt ein Schaubild eines MEMS-Bauelements 10 in einer Querschnittsansicht. Dieses Schaubild unterscheidet sich von dem in 1a gezeigten Schaubild darin, dass weitere parasitäre Kapazitäten C_MS und C_BT im Inneren der Stützstruktur 18_1 und 18_2 zu beobachten sind. Die parasitäre Kapazität C_MS ist im Inneren von Teilen der Stützstruktur 18_1 zu beobachten, die zwischen der Membran 16 und dem Substrat 20_1 angeordnet ist. Die parasitäre Kapazität C_BT ist zwischen der zweiten Rückwandelektrode 14 und der Rückwandelektrode 12 in Teilen der Stützstruktur 18_2 zu beobachten, die zwischen der zweiten Rückwandelektrode 14 und der Rückwandelektrode 12 angeordnet ist. Die variablen aktiven Kapazitäten CA und CB sind zwischen der Membran 16 und der Rückwandelektrode 12 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 zu beobachten.
2b zeigt ein schematisches Schaltbild des MEMS-Bauelements 10, das die weiteren parasitären Kapazitäten C_MS, C_BT umfasst. In diesem Schaltbild ist die parasitäre Kapazität C_MS zwischen der Eingangsvorspannung Vbias und Erde gnd zu beobachten. Des Weiteren ist die parasitäre Kapazität C_BT zwischen den Spannungsniveauausgängen Vp und Vm zu beobachten. Die variablen aktiven Kapazitäten CA und CB sind zwischen der Membran und der Rückwandelektrode bzw. der zweiten Rückwandelektrode zu beobachten (siehe 2a). Die Membran ist in Bezug auf die Rückwandelektrode und auf die zweite Rückwandelektrode beweglich. Folglich variieren die aktiven Kapazitäten CA und CB in Bezug auf diese Membranbewegung, die zum Beispiel durch ankommenden Schalldruck usw. erzeugt wird.
Wir kehren zu 2a zurück und vergleichen sie mit 1a. Die Stützstruktur 18_1 kann einen Abschnitt umfassen, der zwischen der Membran 16 und dem Substrat 20_1 angeordnet ist, ohne dass eine zweite Rückwandelektrode 14 dazwischen liegt. Folglich kann in dem Abschnitt die parasitäre Kapazität C_MS direkt zwischen der Membran 16 und dem Substrat 20_1 angeordnet sein. Des Weiteren kann die Stützstruktur 18_2 einen Abschnitt zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 umfassen, ohne dass eine Membran 16 dazwischen liegt. Folglich können in dem Abschnitt die parasitären Kapazitäten C_BT direkt zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 vorhanden sein.
3a zeigt eine Grundrissansicht eines MEMS-Bauelements 10, und 3b zeigt das MEMS-Bauelement 10 im Querschnitt in einer schematischen Ansicht. Im Gegensatz zu der in 2a gezeigten schematischen Ansicht können die Rückwandelektrode 12, die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 alle im Wesentlichen gleiche Abmessungen haben und können in Bezug aufeinander im Wesentlichen ohne Versatz übereinanderliegen. Oder anders ausgedrückt: Die Rückwandelektrode 12, die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 können so angeordnet sein, dass eine maximale Überlappung erreicht wird. Diese Anordnung kann als Schlimmstfallsituation angesehen werden, da die parasitären Kapazitäten C_TM, C_MB und C_BS im Vergleich zu den in den 1a und 2a dargestellten Anordnungen hoch sein können. Zum Beispiel kann die parasitäre Kapazität C_TM etwa 1,0 pF betragen, die parasitäre Kapazität C_MB kann etwa 1,0 pF betragen, und die parasitäre Kapazität C_BS kann etwa 4,1 pF betragen. Da die Membran 16 vollständig zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 angeordnet ist, kann die parasitäre Kapazität C_BT als vernachlässigbar angesehen werden. Da des Weiteren die zweite Rückwandelektrode 14 vollständig zwischen der Membran 16 und dem Substrat 20_1, 20_2 angeordnet ist, kann die parasitäre Kapazität C_MS ebenfalls als vernachlässigbar angesehen werden.
4a zeigt ein MEMS-Bauelement 10 in einer Grundrissansicht, und 4b zeigt ein Schaubild des in 4a gezeigten MEMS-Bauelements 10 in einer Querschnittsansicht. In dieser Anordnung kann, wie am besten in 4a zu sehen, der Umfang der Rückwandelektrode 12 Ausnehmungen 24 umfassen. Die Ausnehmungen 24 können entlang des Umfangs der Rückwandelektrode 12 in gleichmäßigem Abstand angeordnet sein. Obgleich in 4a nicht gezeigt, kann auch die zweite Rückwandelektrode einen mit Ausnehmungen versehenen Umfang umfassen, wobei die Ausnehmungen ebenfalls entlang des Umfangs in gleichmäßigem Abstand (oder gleichförmig) angeordnet sein können. Des Weiteren kann, obgleich in 4a nicht gezeigt, auch die Membran 16 einen mit Ausnehmungen versehenen Umfang umfassen, wobei die Ausnehmungen ebenfalls entlang des Umfangs in gleichmäßigem Abstand angeordnet sein können. Die oben erwähnten Ausnehmungen sind dafür ausgelegt, den Überlappungsbereich in Bezug aufeinander zu reduzieren.
Wie in 4b zu sehen, ist es wahrscheinlich, dass dieses Anordnung reduzierte parasitäre Kapazitäten C_TM, C_MB und C_BS sowie reduzierte parasitäre Kapazitäten C_BT und C_MS im Vergleich zu den parasitären Kapazitäten erreicht, die in der Stützstruktur von MEMS-Bauelementen erzeugt werden, die schematisch in den 1a, 2a und 3b gezeigt sind. Zum Beispiel beträgt die parasitäre Kapazität C_TM 0,12 pF, die parasitäre Kapazität C_MB beträgt 0,12 pF, und die parasitäre Kapazität C_BS beträgt 0,82 pF.
Im Vergleich zu der in 3b gezeigten Anordnung werden alle diese parasitären Kapazitäten reduziert. In dem MEMS-Bauelement 10 können, wie in 4b gezeigt, in der Stützstruktur 18_2 Teile der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 überlappt sein, ohne dass sich die Membran 16 dazwischen befindet. Folglich entsteht in diesem Abschnitt der Stützstruktur 18_2 zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 eine parasitäre Kapazität C_BT. Jedoch wird diese parasitäre Kapazität C_BT zum Beispiel im Vergleich zu der in 3b gezeigten Anordnung reduziert. In der in 4b gezeigten Anordnung ragt in der Stützstruktur 18_1 ein Abschnitt der Membran 16 über die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 hervor. In dieser Konfiguration entsteht die parasitäre Kapazität C_MS in jenen Teilen der Stützstruktur 18_1, in denen sich keine zweite Rückwandelektrode 14 dazwischen befindet. Jedoch kann diese parasitäre Kapazität C_MS in einigen Implementierungsbeispielen gerade einmal 0,25 % von C_BS betragen.
5a zeigt ein MEMS-Bauelement 10 in einer Grundrissansicht, und 5b zeigt ein Schaubild des in 5a gezeigten MEMS-Bauelements 10 in einer Querschnittsansicht. In dieser Anordnung kann, wie am besten in 5a zu sehen ist, der Umfang der Rückwandelektrode 12 Ausnehmungen 24 umfassen. Die Ausnehmungen 24 können entlang des Umfangs der Rückwandelektrode 12 gleichförmig oder in gleichmäßigem Abstand angeordnet sein. Im Vergleich zu der in 4a gezeigten Anordnung können die Ausnehmungen 24 so strukturiert sein, dass sie einen größeren Krümmungsradius umfassen. Obgleich in 5a nicht gezeigt, kann auch die zweite Rückwandelektrode einen mit Ausnehmungen versehenen Umfang umfassen, wobei die Ausnehmungen entlang des Umfangs gleichförmig oder in gleichmäßigem Abstand angeordnet sein können. Des Weiteren kann auch, obgleich in 5a nicht gezeigt, die Membran einen mit Ausnehmungen versehenen Umfang umfassen, wobei die Ausnehmungen entlang des Umfangs in gleichmäßigem Abstand angeordnet sein können.
Wie in 5b zu sehen, kann diese Anordnung reduzierte parasitäre Kapazitäten C_TM, C_MB und C_BS sowie reduzierte parasitäre Kapazitäten C_BT und C_MS im Vergleich zu den parasitären Kapazitäten, die in der Stützstruktur der schematisch in den 1a, 2a, 3b und 4b gezeigten MEMS-Bauelementen erzeugt werden, erzeugen. Zum Beispiel kann die parasitäre Kapazität C_TM etwa 0,05 pF betragen, die parasitäre Kapazität C_MB kann etwa 0,05 pF betragen, und die parasitäre Kapazität C_BS kann etwa 0,3 pF betragen.
Beispielsweise können im Vergleich zu der in 3b gezeigten Anordnung diese parasitären Kapazitäten reduziert werden. In dem MEMS-Bauelement 10 können, wie in 5b gezeigt, in der Stützstruktur 18 2 Teile der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 überlappen, ohne dass sich die Membran 16 dazwischen befindet. Folglich entsteht in diesem Abschnitt der Stützstruktur 18_2 zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 die parasitäre Kapazität C_BT. Jedoch kann diese parasitäre Kapazität C_BT als vernachlässigbar angesehen werden. In der in 5b gezeigten Anordnung kann in der Stützstruktur 18_1 ein Abschnitt der Membran 16 über die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 hervorstehen. In dieser Konfiguration kann die parasitäre Kapazität C_MS in jenen Teilen der Stützstruktur 18_1 entstehen, bei denen sich keine zweite Rückwandelektrode 14 dazwischen befindet. Jedoch kann diese parasitäre Kapazität C_MS gerade einmal ungefähr 0,25 % C_BS betragen.
6 zeigt ein MEMS-Bauelement 10 in einer Querschnittsansicht. Im Allgemeinen besitzt dieses MEMS-Bauelement 10 im Wesentlichen die gleiche Anordnung wie die in den 4b und 5b dargestellten MEMS-Bauelemente. Jedoch umfasst das in 6 gezeigte MEMS-Bauelement 10 eine Rückwandelektrode 12 und eine zweite Rückwandelektrode 14, die Segmentierungen 12S und 14S umfassen. Insbesondere kann die Rückwandelektrode 12 eine Segmentierung 12S umfassen. Des Weiteren kann die zweite Rückwandelektrode 14 eine Segmentierung 14S umfassen. Das MEMS-Bauelement 10 kann des Weiteren eine Membran 16 umfassen, die in einem Abstand von der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 angeordnet ist. Die Membran 16 kann einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfassen. Der unbewegliche Abschnitt kann so definiert sein, dass er mindestens einen Abschnitt der Membran 16 umfasst, der durch die Stützstruktur 18_1, 18_2 fixiert wird. Der verdrängbare Abschnitt kann so definiert sein, dass er einen Abschnitt der Membran 16 umfasst, der auslenken kann.
In der Rückwandelektrode 12 kann die Segmentierung 12S so angeordnet sein, dass eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt 12ABP und einem weiteren Rückwandabschnitt 12FBP gebildet wird, wobei der aktive Rückwandabschnitt 12ABP dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 zugewandt ist. In der zweiten Elektrode 14 ist die Segmentierung 14S dafür ausgelegt, eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt 14ABP und einem weiteren Rückwandabschnitt 14FBP zu bilden, wobei der aktive Rückwandabschnitt 14ABP dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 zugewandt ist.
Variable aktive Kapazitäten CA und CB sind zwischen dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 und dem aktiven Rückwandabschnitt 12ABP der Rückwandelektrode 12 bzw. dem aktiven Rückwandabschnitt 14ABP der zweiten Rückwandelektrode 14 zu beobachten. Folglich variieren die aktiven Kapazitäten CA und CB in Bezug auf die Bewegung des verdrängbaren Abschnitts der Membran 16 in Bezug auf den aktiven Rückwandabschnitt 12ABP der Rückwandelektrode 12 bzw. den aktiven Rückwandabschnitt 14ABP der zweiten Rückwandelektrode 14. Diese Bewegung der Membran 16 wird zum Beispiel durch ankommenden Schalldruck, der durch Sprache hervorgerufen wird, usw. erzeugt.
Falls das MEMS-Bauelement 10 die Rückwandelektrode 12, die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 mit einer kreisrunden Form umfasst, so können auch die Segmentierungen 12S und 14S kreisrund gebildet werden. Die Segmentierungen 12S und 14S können so angeordnet sein, dass sie sich in die Nähe der Stützstruktur 18_1, 18_2 erstrecken, um die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 in die aktiven Rückwandabschnitte 12ABP, 14ABP und den weiteren Rückwandabschnitt 12FBP, 14FBP zu segmentieren. Zusammenfassend ausgedrückt, können die aktiven Rückwandabschnitte 12ABP und 14ABP zentrale Teile (mittige Teile) sein, und die weiteren Rückwandabschnitte 12FBP und 14FBP können Randteile der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 sein.
Die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 können aus einem elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel Polysilizium bestehen, oder solches umfassen. Durch die Bereitstellung der Segmentierungen 12S, 14S können die parasitären Kapazitäten deutlich reduziert werden, da die isolierten (getrennten) weiteren Rückwandabschnitte 12FBP, 14FBP nicht zur Entstehung parasitärer Kapazitäten beitragen. Jede der Segmentierungen 12S, 14S kann als eine Randkapazität C_F angesehen werden, die die parasitäre Kopplung begrenzt. Folglich kann die Kapazität des MEMS-Bauelements 10 als Ganzes eine aktive Kapazität CA, die zwischen dem aktiven Rückwandabschnitt 12ABP der Rückwandelektrode 12 und dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 gebildet wird, sowie eine aktive Kapazität CB, die zwischen dem aktiven Rückwandabschnitt 14ABP der zweiten Rückwandelektrode 14 und dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 gebildet wird, umfassen.
Es ist zu beachten, dass sowohl der aktive Rückwandabschnitt 12ABP der Rückwandelektrode 12 als auch der aktive Rückwandabschnitt 14ABP der zweiten Rückwandelektrode 14 jeweils über (nicht gezeigte) elektrisch leitfähige Durchführungen mit Signalausgängen verbunden sein können. Der weitere Rückwandabschnitt 12FBP der Rückwandelektrode 12 kann in der Nähe isoliert sein. Des Weiteren kann der weitere Rückwandabschnitt 14FBP der zweiten Rückwandelektrode 14 in der Nähe isoliert sein. Folglich können die parasitären Kapazitäten C_TM, C_MB und C_BS im Wesentlichen beseitigt werden. Die weiteren parasitären Kapazitäten C_MS und C_BT können ebenfalls im Wesentlichen beseitigt werden.
Sowohl die Rückwandelektrode 12 als auch die zweite Rückwandelektrode 14 können Bondungsschichten 12B bzw. 14B umfassen. Die Bondungsschichten 12B, 14B können so angeordnet sein, dass sie die aktiven Rückwandabschnitte 12ABP und 14ABP an den weiteren Rückwandabschnitten 12FBP und 14FBP stützen. Die Bondungsschichten 12B, 14B können so angeordnet sein, dass sie die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 flach ziehen.
Das Material der Bondungsschichten 12B, 14B kann ein dielektrisches Material umfassen. Zum Beispiel kann das dielektrische Material SiN umfassen. Die Bondungsschichten 12B, 14B können an Flächen der Rückwandelektrode 12 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 gebondet sein, die einander zugewandt sind. Dieses Merkmal kann eine Symmetrisierung bewirken. In einem weiteren Beispiel können die Bondungsschichten 12B, 14B an Flächen der Rückwandelektrode 12 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 gebondet sein, die in entgegengesetzte Richtungen weisen. Dieses Merkmal kann ebenfalls eine Symmetrisierung bewirken. Es kann auch möglich sein, dass die Rückwandelektrode 12 an eine Fläche der Bondungsschicht 12B gebondet ist und dass die zweite Rückwandelektrode 14 an eine Fläche der Bondungsschicht 14B gebondet ist.
7 zeigt eine Grundrissansicht der Rückwandelektrode 12 oder 14 (der Rückwandelektrode 12 oder der zweiten Rückwandelektrode 14) in einer Grundrissansicht. Diese Rückwandelektrode 12 oder 14 kann den aktiven Rückwandabschnitt 12ABP oder 14ABP (mittigen Abschnitt) umfassen, der von dem weiteren Rückwandabschnitt 12FBP oder 14FBP (Randabschnitt) umgeben ist. Beide Teile können über die Segmentierung 12S oder 14S voneinander isoliert (getrennt) sein. Eine Bondungsschicht 12B oder 14B kann vorhanden sein, um den aktiven Rückwandabschnitt 12ABP oder 14ABP an den weiteren Rückwandabschnitt 12FBP oder 14FBP zu bonden, der selbst wiederum entlang des Umfangs mittels einer (nicht gezeigten) Stützstruktur gestützt wird. Eine Durchführung 26 kann vorhanden sein, die den aktiven Rückwandabschnitt 12ABP oder 14ABP mit einer Kontaktinsel 28 verbindet, die als ein Kontaktpunkt dient. Aufgrund der Segmentierung 12S oder 14S kann der weitere Rückwandabschnitt 12FBP oder 14FBP vollständig von der Kontaktinsel 28 isoliert sein und umgekehrt. Die Rückwandelektrode 12 oder 14 kann perforiert sein, um die Übertragung von Schalldruck zu der (nicht gezeigten) Membran zu gestatten, falls die Rückwandelektrode als obere Rückwandelektrode verkörpert ist.
8a zeigt ein MEMS-Bauelement 10 in einer Grundrissansicht, und 8b zeigt das MEMS-Bauelement 10 in einer Querschnittsansicht. In dieser Anordnung können die Umfänge der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 und der zweiten Rückwandelektrode 14 so gebildet sein, dass sie Ausnehmungen umfassen, die dafür ausgelegt, in der Stützstruktur Überlappungsbereiche in Bezug aufeinander zu reduzieren. Die Ausnehmungen sind entlang des Umfangs in gleichmäßigem Abstand angeordnet.
Des Weiteren können die Rückwandelektrode 12, die zweite Rückwandelektrode 14 und die Membran 16 die gleiche Anzahl von Ausnehmungen umfassen. Darüber hinaus können die Ausnehmungen der oberen Rückwandelektrode 12, der unteren Rückwandelektrode 14 bzw. der Membran 16 so angeordnet sein, dass sie zueinander in einem Winkel versetzt sind.
8b zeigt eine Querschnittsansicht des MEMS-Bauelements 10. In dieser Konfiguration können die Rückwandelektrode 12, die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 Ausnehmungen umfassen. Diese Konfiguration ermöglicht reduzierte parasitäre Kapazitäten. Insbesondere ist die parasitäre Kapazität C_TM, die im Inneren der Stützstruktur 18_1 entsteht (d. h. die Kapazität zwischen dem unbeweglichen Abschnitt der Membran 16 und dem entsprechenden Abschnitt der oberen Rückwandelektrode 12) gleich etwa 0,0 pF, da die Rückwandelektrode 12 und die Membran 16 sich im Inneren der Stützstruktur 18_1 nicht überlappen. Des Weiteren ist die parasitäre Kapazität C_MB, die im Inneren der Stützstruktur 18_1 entsteht, gleich etwa 0,0 pF, da die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 sich im Inneren der Stützstruktur 18_1 ebenfalls nicht überlappen. Oder anders ausgedrückt: Der unbewegliche Abschnitt der Membran 16 überlappt nicht (oder nur wenig) mit dem entsprechenden Abschnitt der zweiten Rückwandelektrode 14. Die Abschnitte der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14, die dem unbeweglichen Abschnitt der Membran 16 entsprechen, können als die geklemmten Abschnitte der Rückwandelektrode 12, 14 betrachtet werden, im Gegensatz zu ihren frei liegenden Abschnitten, die im Wesentlichen dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 entsprechen können. Des Weiteren ist die parasitäre Kapazität C_BS, die zwischen der zweiten Rückwandelektrode 14 und dem Substrat 20_1 entsteht, gleich etwa 0,58 pF.
Außerdem kann die parasitäre Kapazität C_BT, die zwischen der Rückwandelektrode 12 und der zweiten Rückwandelektrode 14 entsteht, vernachlässigbar sein. Des Weiteren kann die parasitäre Kapazität C_MS gleich etwa 25 % von C_BS sein. Darüber hinaus kann die parasitäre Kapazität C_TS, die zwischen der Rückwandelektrode 12 und dem Substrat 20 2 im Inneren der Stützstruktur 18_2 entsteht, gleich etwa 14 % von C_BS sein. Folglich können die parasitären Kapazitäten typischerweise deutlich reduziert werden.
Für einen besseren Überblick zeigt 8c die Winkelversatzanordnung zwischen der Rückwandelektrode 12, der zweiten Rückwandelektrode 14 und der Membran 16 in einer schematischen Ansicht. In diesem Fall ist die zweite Rückwandelektrode 14 von der Rückwandelektrode 12 um einen Winkelversatz von 30° versetzt. Des Weiteren ist die Membran 16 von der zweiten Rückwandelektrode 14 um einen Winkelversatz von 30° versetzt.
Aufgrund dieser Anordnung können die Rückwandelektrode 12, die zweite Rückwandelektrode 14 und die Membran 16 so angeordnet sein, dass in einem Bereich, der dem unbeweglichen Abschnitt (d. h. im Inneren der Stützstruktur) der Membran 16 entspricht, der Überlappungsbereich in Bezug aufeinander im Wesentlichen eine minimale Überlappung aufweist. Des Weiteren kann die Membran 16 so angeordnet sein, dass in dem unbeweglichen Abschnitt der Überlappungsbereich in Bezug auf die Rückwandelektrode 12 und die zweite Rückwandelektrode 14 kleiner als die maximale Überlappung sein kann. Darüber hinaus können die Winkelversätze der Ausnehmungen der Rückwandelektrode 12, der zweiten Rückwandelektrode 14 und der Membran 16 einen Wert umfassen, der zu einer minimalen Überlappung zueinander führt. Darüber hinaus können die Rückwandelektrode 12, die zweite Rückwandelektrode 14 und die Membran 16 so angeordnet sein, dass in einem Bereich, der dem verdrängbaren Abschnitt der Membran 16 (zum Beispiel dem zentralen Abschnitt der Membran) entspricht, der Überlappungsbereich in Bezug aufeinander im Wesentlichen eine maximale Überlappung aufweist.
Die Ausnehmungen können so geformt sein, dass sie eine halbkreisrunde Form, eine Kreissegmentform, eine Kronenform oder eine andere Form haben.
9a zeigt ein Schaubild eines MEMS-Bauelements 10 in einer Querschnittsansicht. Ähnlich den in den 4b, 5b, 6 und 8b gezeigten Anordnungen können die Rückwandelektrode 12, die Membran 16 und die zweite Rückwandelektrode 14 so angeordnet sein, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran 16 mit der Rückwandelektroden 12, 14 weniger als maximal überlappend ist. In dem MEMS-Bauelement 10 in der in 9a gezeigten Anordnung kann ein Schutzring 30 zwischen dem Substrat 20_1, 20_2 und der Stützstruktur 18_1, 18_2 angeordnet sein. Der Schutzring 30 kann der zweiten Rückwandelektrode 14 zugeordnet und dafür ausgelegt sein, die parasitäre Kapazität in der Stützstruktur 18_1, 18_2 (d. h. in dem unbeweglichen Abschnitt der Membran 16 mit den Rückwandelektroden 12, 14) zu reduzieren. Insbesondere kann der Schutzring 30 dafür ausgelegt sein, die parasitären Kapazitäten zwischen der zweiten Rückwandelektrode 14 und dem Schutzring 30 selbst zu reduzieren. Der Schutzring 30 kann entlang des Umfangs dazwischen angeordnet sein.
Des Weiteren können, wie in 9b dargestellt, zusätzliche Schutzringe 30_1 bis 30_3 vorhanden sein, wobei jeder Schutzring der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 zugeordnet ist. Insbesondere kann jeder Schutzring 30_1 bis 30_3 einem hervorstehenden Arm der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 oder der zweiten Rückwandelektrode 14 zugeordnet sein, wobei jeder hervorstehende Arm mechanisch einen entsprechenden zentralen Abschnitt (zum Beispiel einen aufgehängten Abschnitt) der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 mit der Stützstruktur verbinden kann. In diesem Fall kann jeder Schutzring 30_1 bis 30_3 der Rückwandelektrode 12, der Membran 16 bzw. der zweiten Rückwandelektrode 14 zugeordnet sein. Aufgrund der Bereitstellung der Schutzringe 30_1 bis 30 3 können große Reduzierungen der parasitären Kapazitäten erreicht werden.
10a bis 10p zeigen schematische Querschnitte, die verschiedenen Stufen oder Schritten eines beispielhaften Herstellungsprozess eines MEMS-Bauelements, wie oben beschrieben, zugeordnet sind.
10a zeigt das Substrat 100, das aus einem Siliziumwafer bestehen kann.
Wie in 10b gezeigt, wird eine untere Randstoppschicht 102 auf die Oberseite des Substrats 100 abgeschieden. Die untere Ätzstoppschicht 102 kann einen zuverlässigen Stopp für einen Ätzprozess bilden. Die untere Ätzstoppschicht 102 kann typischerweise aus einem Stopp-Oxid TEOS (TetraEthylOrthoSilicat) bestehen. Die Dicke der unteren Ätzstoppschicht 102 kann typischerweise etwa 600 nm betragen.
10c zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung beim Abscheiden einer SiN-Schicht 104 auf die Fläche der unteren Ätzstoppschicht 102 und beim Abscheiden einer Polysilizium-Schicht 106 auf die Fläche der abgeschiedenen SiN-Schicht 104. Die SiN-Schicht 104 kann eine Dicke von etwa 140 nm haben. Die Polysilizium-Schicht 106 kann eine typische Dicke von etwa 330 nm haben.
10d zeigt eine schematische Querschnittsansicht, nachdem eine Mehrschichtanordnung, die die drei Schichten 102, 104 und 106 umfasst, auf dem Substrat 100 abgeschieden wurde und die Polysilizium-Schicht 106 zum Beispiel durch Ätzen strukturiert wurde, um eine Segmentierung der Polysilizium-Schicht 106 zu bilden.
10e zeigt eine schematische Querschnittsansicht, nachdem eine Mehrschichtanordnung, die die SiN-Schicht 104, die Polysilizium-Schicht 106 und eine weitere SiN-Schicht 108 umfasst, strukturiert wurde. Insbesondere können Öffnungen oder Gräben in der Mehrschichtanordnung gebildet werden, wobei sich die Öffnungen bis zur Oxidschicht 102 erstrecken.
10f zeigt einen schematischen Querschnitt nach dem Befüllen der gesamten Fläche des Substrats 100 mit einer TEOS-Abscheidungsschicht 110 zum Beispiel mittels eines Abscheidungsprozesses. Insbesondere kann die TEOS-Abscheidungsschicht 110 in die Öffnungen gefüllt worden sein. Hinterher kann die TEOS-Schicht 110 geglüht worden sein. Ein chemisch-mechanischer Polier (CMP)-Prozess kann anschließend an der TEOS-Schicht 110 ausgeführt worden sein.
10g zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nachdem eine weitere TEOS-Schicht 112 auf die polierte TEOS-Schicht 110 aufgebracht worden sein könnte. Hinterher kann auch diese TEOS-Schicht 112 geglüht worden sein.
10h zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nachdem die zusätzliche TEOS-Schicht 112 einem Prozess zum Ausbilden von Ausnehmungen 114 unterzogen worden sein könnte. Die Ausnehmungen 114 können zum anschließenden Bilden von Antihafthöckern verwendet werden. Die Antihafthöcker können angeordnet werden, um das Risiko zu reduzieren, dass ein (nicht gezeigtes) Membranelement aufgrund einer Haftkraft an einer darunterliegenden Elektrode haftet. Die Antihafthöcker 114 können beispielsweise durch Ätzen gebildet werden.
10i zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nachdem eine Membranschicht 116 auf der TEOS-Schicht 112 abgeschieden worden sein könnte. Insbesondere kann die Membranschicht 116 auf der TEOS-Schicht 112 abgeschieden worden sein, um die Ausnehmungen 114 zu füllen, um jeweilige Antihafthöcker zu bilden. Die Membranschicht 116 kann eine Dicke von etwa 330 nm haben und umfasst zum Beispiel Polysilizium.
10j zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nachdem eine TEOS-Schicht 118 auf der TEOS-Schicht 112 sowie auf der Membranschicht 116 abgeschieden worden sein könnte. Nach dem Abscheiden der TEOS-Schicht 118 wird diese Schicht geätzt, um Ausnehmungen 120 zu bilden, um sie für die anschließende Bildung von Antihafthöckern in der (oberen) Rückwandelektrode 12 zu verwenden.
10k zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nachdem eine Bondungsschicht 122 auf der TEOS-Schicht 118 abgeschieden worden sein könnte. Die Bondungsschicht 122 kann SiN umfassen. Die Bondungsschicht 122 kann so abgeschieden werden, dass sie die gesamte Oberfläche sowie die Ausnehmungen 120 ausfüllt, um jeweilige Antihafthöcker zu erhalten (siehe 10j). Nach diesem Prozess kann eine Polysilizium-Schicht 124 auf der SiN-Schicht 122 abgeschieden werden. Anschließend kann die Polysilizium-Schicht 124 zum Beispiel durch Ätzen segmentiert werden.
10j zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung, nach dem Abscheiden einer SiN-Schicht 126 auf der in 10k gezeigten Anordnung. Insbesondere kann die SiN-Schicht 126 auf der Polysilizium-Schicht 124 abgeschieden werden. Nach dem Abscheiden der SiN-Schicht 126 kann diese Schichtanordnung, die die SiN-Schicht 122, die Polysilizium-Schicht 124 und die SiN-Schicht 126 umfasst, geätzt werden, um mehrere Öffnungen oder Gräben zu bilden, die sich bis zu der TEOS-Schicht 118 erstrecken.
10m zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung nach dem Abscheiden einer TEOS-Schicht 128 auf der Schichtanordnung, die die SiN-Schicht 122, die Polysilizium-Schicht 124 und die SiN-Schicht 126 umfasst, wie oben erwähnt. Die TEOS-Schicht 128 hat zum Beispiel eine Dicke von 100 nm.
Nach diesem Prozess kann ein Kontaktloch 130 mittels Fotolithografie gebildet werden. Dieses Kontaktloch 130 kann so gebildet werden, dass es sich über die SiN-Schicht 126 und die TEOS-Schicht 128 erstreckt, bis sie die Polysilizium-Schicht 124 erreicht. Des Weiteren können, wie auf der rechten Seite von 10m gezeigt, erste bis dritte Gräben 132, 134 und 136 so gebildet werden, dass sie sich über jeweilige TEOS-Schichten der TEOS-Schichten 110, 112, 118 erstrecken.
Insbesondere kann der erste Graben 132 so gebildet werden, dass er sich so über die TEOS-Schicht 118 erstreckt, dass er die Membranschicht 116 erreicht (siehe 10i). Des Weiteren kann der zweite Graben 134 so gebildet werden, dass er sich über die TEOS-Schichten 118 und 112 so erstreckt, dass er die Polysilizium-Schicht 106 erreicht (siehe 10e). Des Weiteren kann der dritte Graben 136 so gebildet werden, dass er sich über die TEOS-Schichten 110, 112 und 118 sowie die untere Ätzstoppschicht 102 so erstreckt, dass er das Substrat 100 erreicht.
10n zeigt eine schematische Querschnittsansicht der Anordnung nach dem Einfüllen von elektrisch leitfähigem Material in das Kontaktloch 130 und in die ersten bis dritten Gräben 132, 134 und 136. Dabei können Kontakte 138, 140, 142 und 144 gebildet werden, die mit oberflächenmontierten Kontaktinseln 146, 148, 150 bzw. 152 verbunden sind.
Insbesondere können die Kontakte 138, 140, 142 und 144 so gebildet werden, dass die jeweiligen Kontaktinseln 146, 148, 150 und 152 elektrisch mit den jeweiligen Schichten verbunden sein können, d. h. der Polysilizium-Schicht 124, der Membranschicht 116, der Polysilizium-Schicht 106 und dem Substrat 100. Im Allgemeinen können Verbindungen hergestellt werden, um elektrische Verbindungen zu der zweiten Rückwandelektrode, der Membran, der Rückwandelektrode bzw. dem Substrat zu bilden. Das Material der Kontakte 138, 140, 142 und 144 kann zum Beispiel Titan, Platin oder Gold sein. Natürlich können auch andere Materialien, die gute elektrische Leitfähigkeit besitzen, gewählt werden.
10 _o zeigt eine schematische Querschnittsansicht des MEMS-Bauelements 10 nach dem rückseitigen Ätzen eines rückseitigen Hohlraums 154. In diesem Ätzschritt kann die untere Ätzstoppschicht 102 als ein Ätzstoppelement fungieren, um zu verhindern, dass das Ätzmittel die zweite Rückwandelektrode erreicht.
10p zeigt eine schematische Querschnittsansicht des MEMS-Bauelements 10 nach dem Entfernen von Teilen der TEOS-Schichten 110, 112 und 118 im Inneren von Betriebsabschnitten der Rückwand/Membran/Rückwand-Anordnung. Dieser Schritt kann durch eine vorderseitige Schutzmaske unterstützt werden, die die Perforationen der Rückwandelektrode öffnet.
Obgleich einige Aspekte im Kontext einer Vorrichtung beschrieben wurden, ist es klar, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, wo ein Block oder ein Bauelement einem Verfahrensschritt oder einem Merkmal eines Verfahrensschrittes entspricht. Analog dazu stellen Aspekte, die im Kontext eines Verfahrensschrittes beschrieben sind, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks, Punktes oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
Das oben Beschriebene ist lediglich eine Veranschaulichung, und es versteht sich, dass dem Fachmann Modifizierungen und Änderungen der im vorliegenden Text beschriebenen Anordnungen und Details einfallen. Es soll darum allein durch den Geltungsbereich der folgenden Ansprüche und nicht durch die konkreten Details beschränkt werden, die oben zum Zweck der Beschreibung und Erläuterung vorgestellt wurden.

Claims

MEMS-Bauelement (10), das Folgendes umfasst: eine Rückwandelektrode (12), welche eine Segmentierung (12S) umfasst; eine zweite Rückwandelektrode (14), welche eine Segmentierung (14S) umfasst, wobei die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) parallel zueinander angeordnet sind; und eine Membran (16), die in einem Abstand von der Rückwandelektrode (12) und der zweiten Rückwandelektrode (14) angeordnet ist, wobei die Membran (16) einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfasst; wobei die Rückwandelektrode (12) und die Membran (16) so angeordnet sind, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran (16) mit der Rückwandelektrode (12) weniger als maximal überlappend ist, wobei die Segmentierung (12S) der Rückwandelektrode (12) eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt (12ABP) und einem weiteren Rückwandabschnitt (12FBP) bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt (12ABP) dem verdrängbaren Abschnitt der Membran (16) zugewandt ist, wobei die Segmentierung (14S) der zweiten Rückwandelektrode (14) eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt (14ABP) und einem weiteren Rückwandabschnitt (14FBP) bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt (14ABP) dem verdrängbaren Abschnitt der Membran (16) zugewandt ist, wobei die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) jeweils eine Bondungsschicht (12B, 14B) umfassen und die Bondungsschichten (12B, 14B) derart angeordnet sind, dass die Bondungsschichten (12B, 14B) die aktiven Rückwandabschnitte (12ABP, 14ABP) an den weiteren Rückwandabschnitten (13FBP, 14FBP) stützen.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 1, wobei der aktive Rückwandabschnitt (12ABP) der Rückwandelektrode (12) und/oder der aktive Rückwandabschnitt (14ABP) der zweiten Rückwandelektrode (14) ein mittiger Abschnitt ist/sind, und wobei der weitere jeweilige Rückwandabschnitt (12FBP, 14FBP) ein Randabschnitt ist.
MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei die Bondungsschicht (12B) der Rückwandelektrode (12) dafür ausgelegt ist, die Rückwandelektrode (12) flach zu ziehen.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 3, wobei das Material der Bondungsschicht (12B) der Rückwandelektrode (12) ein dielektrisches Material umfasst.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 3 oder 4, wobei die zweite Rückwandelektrode (14) auf einer der Rückwandelektrode (12) gegenüberliegenden Seite der Membran (16) angeordnet ist, wobei die zweite Rückwandelektrode (14) die zweite Bondungsschicht (14B) umfasst, wobei die Bondungsschicht (12B) und die zweite Bondungsschicht (14B) an Flächen der Rückwandelektrode (12) beziehungsweise der zweiten Rückwandelektrode (14) gebondet sind, die einander zugewandt sind oder in entgegengesetzte Richtungen weisen.
MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die zweite Rückwandelektrode (14) auf einer der Rückwandelektrode (12) gegenüberliegenden Seite der Membran (16) liegt, wobei die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) so angeordnet sind, dass in einem Bereich, der dem unbeweglichen Abschnitt der Membran (16) entspricht, der Überlappungsbereich in Bezug aufeinander eine maximale Überlappung umfasst; und die Membran (16) so angeordnet ist, dass in dem unbeweglichen Abschnitt der Überlappungsbereich in Bezug auf die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (16) weniger als maximal überlappend ist.
MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Umfang der Rückwandelektrode (12) und/oder der Membran (16) Ausnehmungen (24) umfasst, die dafür ausgelegt sind, den Überlappungsbereich in Bezug aufeinander zu reduzieren.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 7, wobei mindestens eine Teilmenge der Ausnehmungen (24) entlang des Umfangs in gleichmäßigem Abstand angeordnet ist.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Ausnehmungen (24) eine halbkreisrunde Form, eine Kreissegmentform oder eine Kronenform haben.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Rückwandelektrode (12) und die Membran (16) die gleiche Anzahl von Ausnehmungen (24) umfassen und so angeordnet sind, dass die Ausnehmungen (24) zueinander in einem Winkel versetzt sind.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 10, wobei die Winkelversätze der Ausnehmungen (24) der Rückwandelektrode (12) und der Membran (16) einen Wert umfassen, der zu einer minimalen Überlappung zueinander führt.
MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, das des Weiteren Folgendes umfasst: ein Substrat (20_1, 20_2), das dafür ausgelegt ist, eine Stützstruktur (18_1, 18_2) zu stützen, und einen Schutzring (30), der zwischen dem Substrat (20_1, 20_2) und der Stützstruktur (18_1, 18_2) angeordnet ist, wobei der Schutzring (30) der zweiten Rückwandelektrode (14) zugeordnet und dafür ausgelegt ist, parasitäre Kapazitäten in der Stützstruktur (18_1, 18_2) zu reduzieren.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 12, wobei der Schutzring (30) entlang des Umfangs dazwischen angeordnet und dafür ausgelegt ist, die parasitäre Kapazität zwischen der zweiten Rückwandelektrode (14) und dem Substrat (20_1, 20_2) zu minimieren.
MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 12 oder 13, das des Weiteren zusätzliche Schutzringe (30, 30_1, 30_2, 30_3) umfasst, die in der Stützstruktur (18_1, 18_2) angeordnet und der Rückwandelektrode (14) beziehungsweise der Membran (16) zugeordnet sind.
MEMS-Bauelement (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Rückwandelektrode (12) und die Membran (16) elektrisch leitfähiges Material umfassen.
Elektrostatischer Messwandler, der Folgendes umfasst: ein MEMS-Bauelement (10) nach Anspruch 1 oder 2; und wobei der elektrostatische Messwandler dafür konfiguriert ist, ein Ausgangssignal entsprechend einer Bewegung der Membran in Bezug auf die Rückwandelektrode zu erzeugen.
Verfahren zur Herstellung eines MEMS-Bauelements (10), wobei das MEMS-Bauelement (10) eine Rückwandelektrode (12), eine zweite Rückwandelektrode (14) und eine Membran (16) umfasst, die in einem Abstand von der Rückwandelektrode (12) und der zweiten Rückwandelektrode (14) angeordnet ist, wobei die Membran (16) einen verdrängbaren Abschnitt und einen unbeweglichen Abschnitt umfasst, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Bereitstellen der Rückwandelektrode (12), und der Membran (16) dergestalt, dass ein Überlappungsbereich des unbeweglichen Abschnitts der Membran (16) mit der Rückwandelektrode (12) weniger als maximal überlappend ist; Bereitstellen der zweiten Rückwandelektrode (14) auf einer der Rückwandelektrode (12) gegenüberliegenden Seite der Membran (16); Versehen der Rückwandelektrode (12) und der zweiten Rückwandelektrode (14) jeweils mit einer Segmentierung (12S, 14S), die jeweils eine elektrische Isolierung zwischen einem aktiven Rückwandabschnitt (12ABP, 14ABP) und einem weiteren Rückwandabschnitt (12FBP, 14FBP) bildet, wobei der aktive Rückwandabschnitt (12ABP, 14ABP) dem verdrängbaren Abschnitt der Membran (16) zugewandt ist; Bereitstellen jeweils einer Bondungsschicht (12B, 14B) an der Rückwandelektrode (12) und an der zweiten Rückwandelektrode (14) derart, dass die Bondungsschichten (12B, 14B) die aktiven Rückwandabschnitte (12ABP, 14ABP) an den weiteren Rückwandabschnitten (13FBP, 14FBP) stützen.
Verfahren nach Anspruch 17, das Folgendes umfasst: Bereitstellen der Rückwandelektrode (12) und der zweiten Rückwandelektrode (14) dergestalt, dass in einem Bereich, der dem unbeweglichen Abschnitt der Membran (16) entspricht, der Überlappungsbereich in Bezug aufeinander eine maximale Überlappung umfasst; und Bereitstellen der Membran (16) dergestalt, dass in dem unbeweglichen Abschnitt der Überlappungsbereich in Bezug auf die Rückwandelektrode (12) und die zweite Rückwandelektrode (14) weniger als maximal überlappend ist.