DE102017114085B4

DE102017114085B4 - Selektive leitfähige Beschichtung für MEMS-Sensoren

Info

Publication number: DE102017114085B4
Application number: DE102017114085.9A
Authority: DE
Inventors: Bradley C. Kaanta
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2016-06-28
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2023-05-04
Anticipated expiration: 2037-06-27
Also published as: US10427931B2; US20170369304A1; DE102017114085A1

Abstract

Ein kapazitiver MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensor mit leitfähigen Beschichtungen auf gegenüberliegenden Oberflächen von kapazitiven Strukturen wird bereitgestellt. Die kapazitiven Strukturen können aus Silizium ausgebildet sein und die leitfähige Beschichtung ist bei einigen Ausführungsformen aus Wolfram ausgebildet. Die Struktrur wird bei einigen Ausführungsformen ausgebildet, indem zuerst die Siliziumstrukturen freigelegt werden und sie dann selektiv in dem leitfähigen Material beschichtet werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Beschichten zum Kapseln der kapazitiven Strukturen führen.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft kapazitive MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensoren und Beschichtungen für selbige.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Kapazitive MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensoren detektieren eine relevante Charakteristik auf der Basis einer Änderung bei der Kapazität zwischen zwei Komponenten des Sensors. Bei einigen derartigen Sensoren sind die beiden Komponenten zueinander lateral positioniert, und eine Änderung bei der lateralen Kapazität wird überwacht. Bei einigen anderen derartigen Sensoren sind die Komponenten zueinander vertikal positioniert, und eine Änderung bei der vertikalen Kapazität wird überwacht.
US 2006/ 0 205 106 A1 zeigt eine Herstellungstechnologie eines integrierten MEMS, bei der ein integrierter Halbleiterschaltkreis (CMOS oder dergleichen) und eine Mikromaschine monolithisch auf einem Halbleitersubstrat integriert sind, eine Technologie, die in der Lage ist, das integrierte MEMS herzustellen, ohne einen speziellen Prozess zu verwenden, der sich von der normalen Herstellungstechnologie eines integrierten Halbleiterschaltkreises unterscheidet. Eine MEMS-Struktur wird zusammen mit einer integrierten Schaltung unter Verwendung des CMOS-Verfahrens für integrierte Schaltungen hergestellt.
WO 2006 / 127 776 A1 zeigt eine MEMS-Vorrichtung, insbesondere einen Beschleunigungsmesser, der so konfiguriert ist, dass er störende Ladungseffekte eliminiert, und der eine erste Elektrode mit einer Ober- und Unterseite, eine zweite Elektrode mit einer Ober- und Unterseite und ein Prüfmassenpaddel mit einer Ober- und Unterseite aufweist. Die obere Fläche des Prüfmassenpaddels befindet sich unterhalb der unteren Fläche der ersten Elektrode und die untere Fläche des Prüfmassenpaddels befindet sich oberhalb der oberen Fläche der zweiten Elektrode. Die MEMS-Vorrichtung enthält eine erste Metallschicht auf der Ober- und Unterseite des Prüfmassenpaddels, auf der Unterseite der oberen Elektrode und auf der Oberseite der unteren Elektrode.
US 2013 / 0 032 904 A1 zeigt ein Verfahren zum Bilden einer MEMS-Vorrichtung, das das Bereitstellen eines Substrats, das Bilden einer Opferschicht über der Substratschicht, das Bilden eines auf Silizium basierenden Arbeitsteils auf der Opferschicht, das Lösen des auf Silizium basierenden Arbeitsteils von der Opferschicht, so dass der Arbeitsteil mindestens eine freiliegende äußere Oberfläche aufweist, das Bilden einer ersten Schicht aus silizidbildendem Metall auf der mindestens einen freiliegenden äußeren Oberfläche des auf Silizium basierenden Arbeitsteils und das Bilden einer ersten Silizidschicht mit der ersten Schicht aus silizidbildendem Metall umfasst.
US 7 226 802 B2 zeigt Verfahren und Vorrichtungen zur Vorbereitung von Sensorfingem für die Verwendung in einem hochintegrierten Beschleunigungsmesser.
KURZE DARSTELLUNG
Ein kapazitiver MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensor bereitgestellt, der Folgendes umfasst: eine erste Kondensatorplatte, die mit einem Metall bedeckt ist; eine zweite Kondensatorplatte in einer Ebene mit der ersten Kondensatorplatte in einer ersten Ebene, die von der ersten Kondensatorplatte beabstandet und mit dem Metall bedeckt ist; und eine dritte Kondensatorplatte, die mit dem Metall bedeckt ist und von der ersten Kondensatorplatte in einer von der ersten Ebene verschiedenen zweiten Ebene beabstandet ist.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Herstellen eines MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 bereitgestellt. Der MEMS-Sensor besitzt mindestens eine erste Kondensatorplatte mit einer äußeren Oberfläche. Das Verfahren umfasst das Freilegen der ersten Kondensatorplatte von einem Substrat; und das Ausbilden einer Schicht aus leitfähigem Material auf der äußeren Oberfläche der ersten Kondensatorplatte nach dem Freilegen der Kondensatorplatte von dem Substrat.
Gemäß einer Ausführungsform wird ein MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruch 8 bereitgestellt.
Figurenliste
Verschiedene Aspekte und Ausführungsformen der Anmeldung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren beschrieben. Es versteht sich, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. In mehreren Figuren erscheinende Elemente sind in allen Figuren, in denen sie erscheinen, durch die gleiche Bezugszahl bezeichnet.

1 veranschaulicht einen MEMS-Sensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung;
2 veranschaulicht eine Äquivalenzschaltung für den MEMS-Sensor von 1 gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform;
3 ist eine Prozessflusssequenz für die Herstellung des MEMS-Sensors von 1;
4A-4E veranschaulichen eine Herstellungssequenz eines kapazitiven MEMS-Sensors mit leitfähigen Beschichtungen in Übereinstimmung mit der Prozessflusssequenz von 3 gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform; und
5A-5B veranschaulichen alternative nicht beschränkende Ausführungsformen eines MEMS-Sensors, der mit einem leitfähigen Material beschichtete Messfinger aufweist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen einen kapazitiven MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Sensor mit zwei oder mehr nicht kontaktierenden gegenüberliegenden Oberflächen bereit, mit einem leitfähigen Material gekapselt, das eine erhöhte Oberflächenleitfähigkeit bereitstellt, wodurch die Oberflächenladung auf den Oberflächen reduziert oder vollständig beseitigt wird. Das Reduzieren der Oberflächenladung kann wiederum die Leistung des MEMS-Sensors verbessern, indem ein etwaiges Offsetsignal, das einer unerwünschten Oberflächenladung zugeschrieben wird, reduziert oder ganz eliminiert wird. Bei einigen Ausführungsformen kann das kapselnde Material Wolfram sein und kann Siliziumoberflächen von gegenüberliegenden Komponenten des MEMS-Sensors selektiv kapseln. Siliziumoberflächen können für den Aufbau einer Oberflächenladung besonders anfällig sein, weil Silizium ohne Weiteres ein natives Oxid aufwächst, das für den Aufbau von Oberflächenladung anfällig ist. Die Verwendung von Wolfram als ein Beschichtungsmaterial (z.B. kapselndes Material) reduziert oder eliminiert dieses Problem.
Aspekte der vorliegenden Anmeldung stellen ein Verfahren bereit zum selektiven Ausbilden einer leitfähigen Beschichtung auf gegenüberliegenden nicht kontaktierenden Oberflächen eines kapazitiven MEMS-Sensors. Der kapazitive MEMS-Sensor kann Oberflächen enthalten, die mehrere Kondensatoren in verschiedenen Ebenen ausbilden, wie etwa einen ersten Kondensator in einer ersten (z.B. horizontalen) Ebene und einen zweiten Kondensator in einer zweiten, orthogonalen (z.B. vertikalen) Ebene. Eine oder mehrere der die Kondensatoren bildenden Oberflächen können mindestens teilweise durch einen Schritt des Freilegens hergestellt werden, bei dem eine definierte Struktur von einem umgebenden oder darunterliegenden Material freigelegt wird. Der MEMS-Sensor kann beispielsweise eine bewegliche Masse enthalten, die teilweise durch Freilegen der Masse von einem darunterliegenden Substrat ausgebildet wird. Nach dem Freilegen kann eine leitfähige Beschichtung selektiv auf relevanten Oberflächen ausgebildet werden, wie etwa den gegenüberliegenden Oberflächen der kapazitiven Strukturen. Durch Ausbilden (oder Aufbringen) der leitfähigen Beschichtung nach dem Freilegen anstatt dem Ausbilden der leitfähigen Beschichtung vor dem Freilegen der zu beschichtenden Strukturen kann eine Kapselung der gewünschten Strukturen erzielt werden. Durch das Kapseln der relevanten Strukturen in dem leitfähigen Material kann eine bessere Leistung bezüglich des Reduzierens des Aufbaus einer Oberflächenladung erhalten werden, indem sichergestellt wird, dass Oberflächen, die ansonsten einem Ladungsaufbau ausgesetzt wären, beschichtet sind.
Wie beschrieben, kann bei zumindest einigen Ausführungsformen die leitfähige Beschichtung selektiv ausgebildet werden. Die selektive Ausbildung (z.B. Abscheidung oder Aufwachsen) kann auf beliebige geeignete Weise erzielt werden. Beispielsweise können bei einer Ausführungsform die zu beschichtenden Oberflächen des MEMS-Bauelements aus Silizium ausgebildet werden und dann kann die Beschichtung unter Verwendung von Wolframhexafluorid erzielt werden. Wolframhexafluorid kann mit Silizium unter Ausbildung von Wolframschichten reagieren, beispielsweise durch das Verbrauchen von Silizium, was das selektive Beschichten von Silizium und nicht Siliziumdioxid gestattet. Ein derartiges selektives Beschichten kann aus verschiedenen Gründen günstig sein, einschließlich dem, dass die selektive Abscheidung die Oberflächenladung auf dem MEMS-Sensor reduzieren kann, ohne dass elektrische Verbindungen kurzgeschlossen werden, indem die elektrischen Verbindungen trennende dielektrische Schichten (z.B. Oxid, Siliziumnitrid oder andere nicht leitfähige Materialien) aufgetragen werden.
Wie beschrieben, sorgen Aspekte der vorliegenden Anmeldung für das selektive Beschichten oder Kapseln gegenüberliegender Oberflächen eines kapazitiven MEMS-Sensors mit einem leitfähigen Material. Das leitfähige Material kann den Aufbau (oder die Anhäufung) von Oberflächenladung auf den gegenüberliegenden Oberflächen verhindern. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsformen das kapselnde Material die Masse der beschichteten MEMS-Sensorkomponenten vergrößern. Eine vergrößerte Masse der Komponenten wird bei einigen Ausführungsformen zu einer erhöhten Empfindlichkeit des Sensors, wie etwa bei Trägheitssensoren, beitragen.
Die oben beschriebenen Aspekte und Ausführungsformen sowie zusätzliche Aspekte und Ausführungsformen werden weiter unten beschrieben. Diese Aspekte und/oder Ausführungsformen können individuell, alle zusammen oder in einer beliebigen Kombination von zwei oder mehr verwendet werden, da die Anmeldung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
Wie oben beschrieben, liefert ein Aspekt der vorliegenden Anmeldung einen kapazitiven MEMS-Sensor mit gegenüberliegenden nicht kontaktierenden Oberflächen, die selektiv mit einer leitfähigen Beschichtung beschichtet sind (z.B. darin gekapselt sind). 1 veranschaulicht ein nicht beschränkendes Beispiel eines derartigen kapazitiven MEMS-Sensors 100 gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung. Der MEMS-Sensor 100 enthält ein Substrat 101, einen Anker 102, Seitenwände 106a und 106b und einen mit einem leitfähigen Material 110 beschichteten beweglichen Körper 108. Der bewegliche Körper kann in einem Hohlraum oder einer Mulde 107 angeordnet sein. Wie gezeigt, können mehrere Kondensatoren zwischen gegenüberliegenden Oberflächen ausgebildet werden, einschließlich der Kondensatoren C1, C2, C3 und C4. Bei einer Ausführungsform ist der MEMS-Sensor 100 ein kapazitiver Trägheitssensor, wenngleich Alternativen möglich sind.
Bei dem Substrat 101 kann es sich um ein beliebiges, aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildetes geeignetes Substrat handeln. Beispielsweise kann das Substrat 101 bei einigen Ausführungsformen ein Halbleitersubstrat (z.B. Silizium) sein. Bei einigen Ausführungsformen kann das Substrat 101 ein Silizium-auf-Isolator(SOI)-Substrat sein. Alternativen sind möglich.
Bei dem beweglichen Körper 108 kann es sich um einen beliebigen von verschiedenen Arten beweglicher Körper handeln, er kann aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material ausgebildet sein und kann eine beliebige geeignete Form und Abmessung besitzen. Bei einigen Ausführungsformen ist der bewegliche Körper eine Prüfmasse wie etwa eine Platte, ein Ring oder eine Scheibe. Bei anderen Ausführungsformen ist der bewegliche Körper ein Balken. Die hierin beschriebenen verschiedenen Aspekte sind nicht auf die Verwendung mit irgendeiner bestimmten Form des beweglichen Körpers beschränkt. Der bewegliche Körper kann konfiguriert sein, sich innerhalb der Ebene, außerhalb der Ebene (z.B. durch Drehung) oder in einer Kombination aus den beiden zu bewegen.
Der bewegliche Körper 108 kann aus einem Halbleitermaterial wie etwa Silizium ausgebildet werden. Bei einigen Ausführungsformen wird der bewegliche Körper 108 aus einem Material mit einem nativen Oxid ausgebildet. Somit stellt Silizium ein nicht beschränkendes Beispiel dar, da es natives Siliziumoxid besitzt. Weil der bewegliche Körper 108 aus einem Material mit einem nativen Oxid ausgebildet werden kann, kann er mit leitfähigem Material 110 beschichtet werden, was als eine Beschichtung oder Schicht angesehen werden kann. Das leitfähige Material kann bei einigen Ausführungsformen Wolfram sein und es kann dazu dienen, den Aufbau (oder die Ansammlung) von Oberflächenladung auf den Oberflächen des beweglichen Körpers 108 zu verhindern. Somit kann als ein nicht beschränkendes Beispiel der bewegliche Körper 108 aus Silizium ausgebildet und mit Wolfram beschichtet werden.
Der bewegliche Körper 108 kann eine Mikrostruktur mit Abmessungen in der Größenordnung von Mikrometern, Zehn Mikrometern oder Hundert Mikrometern sein. Die Abmessungen sind jedoch nicht beschränkend.
Wie in 1 gezeigt, ist der bewegliche Körper 108 durch einen Anker 102 über dem Substrat 101 aufgehängt. Der Anker 102 kann aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet werden und kann beliebige geeignete Abmessungen besitzen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Anker 102 aus einem dielektrischen Material ausgebildet, das auf dem Substrat 101 abgeschieden und geeignet strukturiert ist, um eine gewünschte Form zu definieren. Bei einigen Ausführungsformen kann der Anker 102 aus dem gleichen Material wie das Substrat 101 ausgebildet werden. Der Anker kann eine Länge zwischen dem Substrat 101 und dem Balken 108 in der Größenordnung von Mikrometern oder Zehn Mikrometern besitzen, als nicht beschränkende Beispiele.
Der bewegliche Körper 108 kann auf beliebige geeignete Weise an den Anker 102 gekoppelt sein. Beispielsweise kann der bewegliche Körper 108 durch eine oder mehrere Leinen oder Federn an den Anker gekoppelt sein, wodurch sich der bewegliche Körper 108 relativ zum Anker 102 in der Ebene und/oder außerhalb der Ebene bewegen kann, wie weiter unten beschrieben wird.
Wie gezeigt, kann der MEMS-Sensor 100 Seitenwände 106a und 106b enthalten, wodurch ein Hohlraum oder eine Mulde 107 definiert wird, in dem bzw. der der bewegliche Körper 108 angeordnet ist. Die Seitenwände 106a und 106b können aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet sein. Bei einigen Ausführungsformen sind die Seitenwände 106a und 106b aus einem von dem Substrat 101 verschiedenen Material ausgebildet. Beispielsweise kann eine Schicht aus Material auf dem Substrat 101 ausgebildet und strukturiert werden, um die Seitenwände 106a und 106b auszubilden. Bei alternativen Ausführungsformen können die Seitenwände 106a und 106b aus dem Substratmaterial 101 ausgebildet werden. Das Substrat kann geätzt werden, um den Hohlraum 107 zu definieren, wodurch Seitenwände 106a und 106b erzeugt werden. Das Substrat 101, einschließlich der Seitenwände 106a und 106b, wenn sie enthalten sind, kann auch mit Wolfram beschichtetes Silizium sein.
Wie in 1 dargestellt, kann die MEMS-Struktur Kondensatoren C1-C4 bilden, die für das kapazitive Messen verwendet werden können. Beispielsweise können die Kondensatoren C1 und C2 eine Bewegung des beweglichen Körpers 108 zu dem und weg von dem Substrat 101 messen. Die Kondensatoren C3 und C4 können eine Bewegung des beweglichen Körpers 108 zu den und weg von den Seitenwänden 106a und 106b messen. Der bewegliche Körper 108, die Seitenwände 106a und 106b und das Substrat 101 können geeignete Strukturen zum Ausbilden der Kondensatoren enthalten, wie etwa dotierte Gebiete, Elektroden oder andere geeignete Strukturen. Als ein Beispiel können das Substrat 101 und die Seitenwände 106a und 106b aus Silizium ausgebildet werden, das geeignet dotiert ist, um in Bereichen gegenüber den benachbarten Oberflächen des beweglichen Körpers 108 leitfähig zu sein. Eine geeignete Schaltungsanordnung kann auch auf dem Substrat 101 oder außerhalb des Chips vorgesehen sein, um die Kapazitäten C1-C4 zu überwachen. Der MEMS-Sensor 100 kann zusätzlich eine Spannungsquelle enthalten, die konfiguriert ist zum entsprechenden Vorspannen gegenüberliegender Oberflächen des Sensors, um Änderungen bei den Kapazitäten C1, C2, C3 und/oder C4 zu detektieren. Beispielsweise kann der bewegliche Körper 108 mit einer ersten Spannung vorgespannt sein, während das Substrat 101 und die Seitenwände 106a und 106b mit einer zweiten Spannung (z.B. Massepotential) vorgespannt sein können. In Abwesenheit von leitfähigem Material 110 tendiert das Vorspannen möglicherweise dazu, Oberflächenladungen auf den gegenüberliegenden Oberflächen des beweglichen Körpers und des Substrats 101 zu generieren. Eine derartige Anhäufung von Oberflächenladung kann durch das leitfähige Material 110 gemildert werden. Das heißt, das leitfähige Material 110 auf den nicht kontaktierenden gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats und dem beweglichen Körper kann Oberflächenladungen auf jenen Oberflächen reduzieren oder vollständig eliminieren. Somit sind die detektierten Kapazitäten C1, C2, C3 und/oder C4 möglicherweise nicht das Ergebnis des Aufbaus von Oberflächenladung und können somit die Arbeit des beweglichen Körpers genauer darstellen.
Es versteht sich anhand der obigen Beschreibung von 1, dass gesagt werden kann, dass die dargestellten Kapazitäten durch nicht kontaktierende gegenüberliegende Kondensatorplatten gebildet werden. Beispielsweise können der bewegliche Körper als eine erste Kondensatorplatte und das Substrat als eine zweite Kondensatorplatte angesehen werden. Die Seitenwände 106a und 106b können als Kondensatorplatten angesehen werden. Es kann eine alternative Terminologie verwendet werden.
Während 1 ein Beispiel für einen kapazitiven MEMS-Sensor darstellt, versteht sich, dass kapazitive MEMS-Sensoren verschiedene andere Formen annehmen können, und die Aspekte der vorliegenden Anmeldung sind nicht auf die spezifische Konstruktion von 1 beschränkt.
2 zeigt eine Äquivalenzschaltung des kapazitiven MEMS-Sensors von 1 gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform der vorliegenden Anmeldung. Die Kondensatoren C1-C4 können variable Kondensatoren sein, wobei ihre Kapazitäten von der Distanz zwischen dem beweglichen Körper 108 und der gegenüberliegenden Kondensatorplatte (z.B. dem Substrat 101 oder den Seitenwänden 106a und 106b) abhängen. Bei einer Ausführungsform kann eine assoziierte Schaltungsanordnung vorgesehen sein, um die Kapazitäten zu messen und Änderungen beim Kapazitätswert zu detektieren, um eine gemessene Bedingung zu bewerten.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Anmeldung kann ein Verfahren zum Herstellen eines kapazitiven MEMS-Sensors mit leitfähig beschichteten, nicht kontaktierenden gegenüberliegenden Oberflächen bereitgestellt werden. Beispielsweise wird ein Verfahren zum Herstellen des MEMS-Sensors 100 von 1 bereitgestellt. Das Verfahren kann auch das Herstellen eines beweglichen Körpers, wie etwa einer Prüfmasse oder eines Balkens, beinhalten, indem der bewegliche Körper von einem umgebenden Substrat derart freigelegt wird, dass der bewegliche Körper über dem Substrat aufgehängt ist. Bei mindestens einigen Ausführungsformen wird der bewegliche Körper aus Silizium ausgebildet, beispielsweise durch Freilegen des beweglichen Körpers von einem darunterliegenden Siliziumsubstrat. Der bewegliche Körper kann derart definiert werden, dass er mindestens eine Oberfläche gegenüber einer Oberfläche des Substrats oder einer Seitenwand besitzt, so dass zwischen den beiden eine Kapazität ausgebildet wird. Die Kapazitäten definierenden gegenüberliegenden Oberflächen können dann beispielsweise durch einen Reduktionsprozess selektiv mit Wolfram beschichtet werden. Die Beschichtung kann die Leitfähigkeit der beschichteten Oberflächen erhöhen, wodurch Oberflächenladung beseitigt, eliminiert und verhindert wird. Die Beschichtung kann auch die Masse des beweglichen Körpers erhöhen, wodurch die Empfindlichkeit des MEMS-Sensors erhöht wird. Das Durchführen der Beschichtung, nachdem die MEMS-Merkmale freigelegt sind, kann eine gleichförmigere Beschichtung bereitstellen und Probleme vermeiden, die mit Beanspruchung von einer ungleichmäßigen Beschichtung assoziiert sind. Außerdem kann es die Kapselung der relevanten MEMS-Strukturen gestatten, was möglicherweise nicht erzielt wird, falls versucht wird, vor dem Freilegen zu beschichten.
Bei jenen Ausführungsformen, bei denen eine selektive Beschichtung auf Oberflächen eines beweglichen Körpers und/oder gegenüberliegenden kapazitiven Platten ausgebildet wird, kann die Beschichtung durch einen selektiven chemischen Dampfabscheidungsprozess (CVD-Prozess) ausgebildet werden. Ein derartiger Prozess kann Siliziumoberflächen des MEMS-Sensors selektiv beschichten, ohne Dielektrika unerwünschterweise zu beschichten. Es wird nun ein nicht beschränkendes Beispiel beschrieben.
Gemäß einigen nicht beschränkenden Ausführungsformen werden selektive leitfähige Beschichtungen (z.B. Wolfram) auf gegenüberliegenden Oberflächen von kapazitiven Strukturen eines kapazitiven MEMS-Sensors unter Verwendung von Wolfram-CVD ausgebildet. Beispielsweise können die zu beschichtenden kapazitiven Strukturen aus Silizium ausgebildet werden, und die Beschichtung kann durch Ausbilden (z.B. Abscheiden) von Wolfram auf Siliziumoberflächen mit WF₆ ausgebildet werden. Dies kann bei einigen nicht beschränkenden Ausführungsformen durch einen Zwei-Schritt-Prozess bewerkstelligt werden. Der erste Schritt bildet eine Keimschicht auf den zu beschichtenden Siliziumoberflächen. Die Ausbildung der Keimschicht kann auf unterschiedliche Weisen bewerkstelligt werden. Gemäß einem Verfahren wird eine der folgenden Reaktionen durchgeführt, die dazu führt, dass Silizium von den exponierten Siliziumoberflächen des beweglichen Körpers, des Substrats oder einer anderen zu beschichtenden Struktur verbraucht wird: $3 Si + 2 {WF}_{6} \to 2 W (s) + 3 {SiF}_{4}$
oder $3 Si + {WF}_{6} \to W (s) + 3 {SiF}_{2} .$
Welche der beiden obigen Reaktionen stattfindet, hängt von Arbeitsbedingungen ab. Jedoch sind beide geeignet. Weil diese Reaktionen das Verbrauchen von Silizium beinhalten, begrenzen die Reaktionen sich selbst.
Eine alternative Weise zum Ausbilden der Keimschicht, die bezüglich des Abscheidungsorts weniger selektiv ist als die oben angeführten beiden Prozesse, besteht in der Verwendung von SiH₄. Bei diesem Ansatz kann die Reaktion wie folgt ablaufen: ${WF}_{6} + 2 {SiH}_{4} \to W + 2 {SiHF}_{3} + 3 H_{2} .$
Eine weitere Alternative zum Ausbilden der Keimschicht besteht in der Verwendung von H₂, wobei dann die Reaktion wie folgt ablaufen kann: $Si + {WF}_{6} + H_{2} \to 2 {SiHF}_{3} + W (s) .$
Bei einigen Ausführungsformen reicht die Ausbildung dieser ersten Schicht aus Wolfram gemäß einer der obigen Reaktionen möglicherweise aus, und keine weiteren Schritte zum Ausbilden einer dickeren Schicht aus Wolfram werden implementiert. Bei einigen Ausführungsformen ist jedoch möglicherweise die Dicke der aus den obigen Prozessen resultierenden Wolframschicht weniger als wünschenswert, und somit kann ein optionaler zweiter Schritt des Zwei-Schritt-Prozesses durchgeführt werden, um die Dicke der Wolframschicht zu erhöhen. In solchen Situationen kann die gemäß den obigen Reaktionen ausgebildete Wolframschicht als eine Keimschicht angesehen werden und die nachfolgende Stufe kann das Aufwachsen von zusätzlichem Wolfram auf der Keimschicht beinhalten. Bei jenen Ausführungsformen, bei denen der zweite Schritt verwendet wird, kann sie gemäß folgender Reaktion ablaufen: $W * (s) + {WF}_{6} \to WF *_{6} + W (s)$
und ${WF}_{6} * + 3 H_{2} \to W (s) + 6 HF .$
Bei den obigen Reaktionen stellt das „*“ den Reaktionsort dar, an dem die Reaktion erfolgt.
Die Ausbildung des Wolframfilms oder der Wolframschicht kann so gesteuert werden, dass sie reaktionsbegrenzt ist, wodurch eine gleichförmige Abdeckung auf der beweglichen Masse oder einer anderen Komponente, die beschichtet wird, bereitgestellt wird. Auf diese Weise kann eine selektive Abdeckung von Siliziumoberflächen erzielt werden. Mit Oxid bedeckte Oberflächen (z.B. Isolierschichten, die leitfähige Bahnen auf dem Substrat trennen) werden möglicherweise nicht beschichtet.
Der Beschichtungsprozess kann bei niedrigen Temperaturen durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Prozess bei 300°C - 500°C oder einem beliebigen Wert oder Bereich von Werten innerhalb dieses Bereichs durchgeführt werden.
Wie zuvor beschrieben, kann das Beschichten einer Silizium-MEMS-Komponente wie etwa eines beweglichen Körpers mit Wolfram die Sensormasse vergrößern. Mindestens einige Arten von MEMS-Sensoren, wie etwa Beschleunigungsmesser und Kreisel, können von einer vergrößerten Masse profitieren. Somit kann die selektive Beschichtung, wie hierin beschrieben, zusätzlich für die Operation von solchen Sensoren auf diese Weise von Vorteil sein, zusätzlich zu dem Vermeiden von Problemen mit dem Aufbau einer Oberflächenladung. Zudem kann das Verwenden einer selektiven Beschichtung, wie hierin beschrieben, immer noch eine präzise Kontrolle über kritische Abmessungen der Struktur durch Siliziummikrobearbeitungstechniken gestatten, da der größte Teil der beschichteten Struktur bei einigen Ausführungsformen aus Silizium ausgebildet wird.
3 zeigt eine Prozessflusssequenz für die Herstellung des kapazitiven MEMS-Sensors in Übereinstimmung mit dem gerade beschriebenen Beschichtungsprozess. Gemäß dieser nicht beschränkenden Ausführungsform beginnt das Verfahren 300 bei Stufe 302 durch Herstellen eines MEMS-Sensors mit Kondensatorplatten auf einem Volumensubstrat, wenngleich andere Arten von Substraten verwendet werden können. Das Herstellen des MEMS-Sensors mit Kondensatorplatten kann je nach der Natur des MEMS-Sensors verschiedene Schritte beinhalten. Beispielsweise kann eine Mulde in dem Substrat definiert werden, ein Anker zum Stützen eines beweglichen Körpers und ein beweglicher Körper von einer beliebigen geeigneten Art können definiert werden. Die Ausbildung des MEMS-Sensors kann auch das Definieren von Kondensatorplatten auf einem Substrat und/oder Seitenwänden, unter anderen möglichen Orten, beinhalten. Beispielsweise können dotierte Siliziumgebiete oder andere leitfähige Bereiche definiert werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann die Ausbildung einer oder mehrerer der MEMS-Strukturen, wie etwa der zum Definieren von Messkapazitäten verwendeten Kondensatorplatten, die Ausbildung einer Opferschicht beinhalten. Die Opferschicht kann aus einem beliebigen geeigneten Material ausgebildet werden und kann eine beliebige geeignete Dicke besitzen.
In Stufe 304 des Verfahrens 300 können eine oder mehrere der Kondensatorplatten (z.B. an dem beweglichen Körper oder anderweitig) von dem Volumensubstrat freigelegt werden. Der Freilegeprozess kann das selektive Ätzen der Opferschichten unter Verwendung einer Trocken- oder Nassätztechnik umfassen, die das Volumensubstrat oder die Kondensatorplatten nicht beeinflusst. Der Freilegeprozess kann äußere Oberflächen der einen oder der mehreren Kondensatorplatten exponieren. Beispielsweise können die Oberflächen eines beweglichen Siliziumkörpers durch den Schritt des Freilegens exponiert werden.
Das Verfahren 300 kann mit Stufe 306 weitergehen, nämlich der Ausbildung einer Schicht aus leitfähigem Material an den äußeren Oberflächen der Kondensatorplatten, um die Kondensatorplatten zu kapseln. Die Ausbildung des leitfähigen Materials kann in der vorhergehend beschriebenen Weise weitergehen. Beispielsweise kann ein Zwei-Schritt-Prozess des Ausbildens einer Keimschicht, gefolgt von dem Aufwachsen der leitfähigen Schicht von der Keimschicht aus, verwendet werden. Somit wird zumindest bei einigen Ausführungsformen die leitfähige Schicht unter Verwendung einer oberflächenselektiven Abscheidung ausgebildet, wie zuvor beschrieben. Beispielsweise kann die oberflächenselektive Abscheidung ein CVD-Prozess sein, der eine Siliziumreduktion mit WF₆ umfasst, was selektiv auf Silizium abscheiden kann, wenngleich andere Abscheidungen möglich sind. Bei einer Ausführungsform werden nicht aus Silizium bestehende Oberflächen des kapazitiven MEMS-Sensors nicht in der leitfähigen Schicht gekapselt. Gemäß einigen Ausführungsformen wird möglicherweise ein Volumensubstrat, das von den kapazitiven Platten verschieden ist, nicht gekapselt, während die angebrachten kapazitiven Platten gekapselt werden würden. Bei anderen Ausführungsformen werden der Anker oder Befestigungsmerkmale nicht gekapselt.
Bei einer Ausführungsform umfasst die leitfähige Schicht eine Wolframschicht. Bei anderen Ausführungsformen werden mehrere leitfähige Schichten ausgebildet, die alle das gleiche Material oder unterschiedliche Materialien umfassen können. Es können andere leitfähige Materialien wie etwa Iridium, Chrom, Platin oder leitfähige Legierungen verwendet werden.
Die 4A-4E veranschaulichen eine nicht beschränkende Herstellungssequenz für einen kapazitiven MEMS-Sensor in Übereinstimmung mit dem Verfahren 300 von 3, das zu einem MEMS-Sensor mit gegenüberliegenden kapazitiven Oberflächen führt, die selektiv mit einem leitfähigen Material beschichtet (z.B. darin gekapselt) sind. 4A zeigt ein Volumensubstrat 101, das mit Seitenwänden 106a, 106b hergestellt worden ist. Bei einer Ausführungsform sind die Seitenwände 106a, 106b kapazitive Platten, die aus dem gleichen Material wie das Volumensubstrat 101 ausgebildet sind, wenngleich sie in anderen Ausführungsformen aus anderen Materialien ausgebildet werden können. Bei einer Ausführungsform sind die Seitenwände 106a, 106b monolithisch mit dem Volumensubstrat 101, und der Raum zwischen den Seitenwänden 106a, 106b wird durch Ätzen ausgebildet. Bei einer weiteren Ausführungsform sind die Seitenwände 106a, 106b durch Bonden, Haften oder einen anderen geeigneten Befestigungsmechanismus an dem Volumensubstrat 101 fixiert.
Bei der gezeigten Ausführungsform wurde ein Anker 112 auf dem Volumensubstrat 101 zwischen den Seitenwänden 106a, 106b positioniert. Der Anker 112 kann sich über den Seitenwänden erstrecken, kann aber die gleiche Höhe wie die Seitenwände besitzen oder kann kürzer sein als die Seitenwände. Bei einigen Ausführungsformen besitzen die Seitenwände die gleichen Abmessungen oder unterschiedliche Abmessungen.
4B zeigt das Volumensubstrat 101 mit einer Opferschicht 114 im Raum zwischen den Seitenwänden 106a, 106b. Die Opferschicht 114 kann unter Verwendung von Techniken wie etwa Oxidation abgeschieden oder aufgewachsen werden. Bei einer Ausführungsform erstreckt sich die Opferschicht 114 zur Oberseite des Ankers 112, so dass die Opferschicht 114 eine Stütze für die Herstellung eines Balkens 108 liefert, in 4C gezeigt. Die Herstellung des beweglichen Körpers 108 kann einen Abscheidungsprozess und geeignete Strukturierung beinhalten, wobei das abgeschiedene Material an die Oberfläche der Opferschicht 114 angepasst wird. Bei einer Ausführungsform kann der resultierende bewegliche Körper 108 parallel zu dem Volumensubstrat 101 verlaufen.
4D veranschaulicht den kapazitiven MEMS-Sensor nach dem Freilegen des beweglichen Körpers 108 von dem Volumensubstrat 101. Die Freilegung kann durch selektives Ätzen der Opferschicht zwischen dem Volumensubstrat 101 und dem beweglichen Körper 108 bewerkstelligt werden. Bei dieser Ausführungsform gestattet das Freilegen des beweglichen Körpers 108, dass sich der bewegliche Körper 108 über den Verbindungspunkt zum Anker 112 in einer Richtung zu dem und weg von dem Substrat 101 dreht.
4E veranschaulicht den kapazitiven MEMS-Sensor nach der Kapselung mit einer leitfähigen Beschichtung aus leitfähigem Material 110. Bei dieser Ausführungsform sind das Volumensubstrat 101, die Seitenwände 106a, 106b und der bewegliche Körper 108 aus Silizium. Auf einigen der Oberflächen ist ein dielektrisches Material 402 ausgebildet, wie kreuzschraffiert gezeigt. Beispielsweise können Gebiete des dielektrischen Materials 402 so ausgebildet sein, dass sie Signalleitungen oder andere Strukturen des Sensors elektrisch isolieren. Eine Siliziumreduktion mit Wolframhexafluorid kann die exponierten Siliziumoberflächen selektiv in Wolfram kapseln, wodurch das dielektrische Material 402 unbedeckt bleibt. Somit kann, wie gezeigt, das Wolfram die Unterseite, die Oberseite und die Enden des beweglichen Körpers 108 bedecken. Bei anderen Ausführungsformen werden möglicherweise nur die kapazitiven Glieder in Wolfram oder in einem anderen geeigneten leitfähigen Material gekapselt. Beispielsweise werden möglicherweise nur der bewegliche Körper 108 und die Seitenwände 106a und 106b gekapselt.
Während die 1A und 4A-4E nicht beschränkende Beispiele eines kapazitiven MEMS-Sensors dargestellt haben, der selektives leitfähiges Beschichten von kapazitiven Strukturen nutzt, sind alternative Konfigurationen möglich. Weitere nicht beschränkende Beispiele sind in den 5A-5B dargestellt.
Unter Bezugnahme auf 5A ist eine kapazitive MEMS-Struktur 500 mi einem Substrat 501 mit interdigitierten Messfingern 502 gezeigt. Die Messfinger 502 können sich jeweils alle in der gleichen Ebene befinden - in diesem nicht beschränkenden Beispiel in der Ebene der Seite - und können zwischen sich die dargestellten Kapazitäten C1-C3 definieren. Die Messfinger 502 können sich beispielsweise als Reaktion auf eine Beschleunigung bewegen, wodurch die Distanz zwischen ihnen verändert wird und deshalb eine oder mehrere der Kapazitäten C1-C3 abgeändert wird.
Gemäß einer nicht beschränkenden Ausführungsform werden die Messfinger 502 aus einem Material mit einem nativen Oxid ausgebildet und werden in einem leitfähigen Material, wie etwa einem Metall beschichtet (z.B. gekapselt). Beispielsweise werden die Messfinger 502 in einer nicht beschränkenden Ausführungsform aus durch Wolfram gekapseltem Silizium ausgebildet. Die dargestellte Struktur kann ausgebildet werden, indem die Siliziumfinger von dem Substrat 502 freigelegt werden und sie dann unter Verwendung einer beliebigen der hierin beschriebenen selektiven Wolframabscheidungstechniken in Wolfram gekapselt werden.
5B veranschaulicht eine Variation der MEMS-Struktur 500 von 5A. Die MEMS-Struktur 510 enthält ein Substrat 511 und Messfinger 512, die Kapazitäten C4-C6 bilden. Die Messfinger können vertikal voneinander getrennt sein statt der in der Ebene verlaufenden Konfiguration von 5A. Dennoch können die Messfinger 512 bei einigen Ausführungsformen durch Wolfram gekapselte Siliziumfinger sein.
Die Verwendung von selektiven Beschichtungen, wie hierin beschrieben, kann in verschiedenen MEMS-Bauelementen Anwendung finden. Wie beschrieben, können kapazitive MEMS-Sensoren wie etwa Trägheitssensoren (z.B. Kreisel und Beschleunigungsmesser) von den hierin beschriebenen selektiven Beschichtungen profitieren. Andere Arten von kapazitiven MEMS-Bauelementen können ebenfalls die selektiven Beschichtungen implementieren.
Die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ können so verwendet werden, dass sie bei einigen Ausführungsformen innerhalb von ±20% eines Zielwerts, bei einigen Ausführungsformen innerhalb ±10% eines Zielwerts, bei einigen Ausführungsformen innerhalb :L5% eines Zielwerts und bei einigen Ausführungsformen immer noch innerhalb ±2% eines Zielwerts bedeuten. Die Ausdrücke „ungefähr“ und „etwa“ können den Zielwert beinhalten.

Claims

MEMS (mikroelektromechanische Systeme)-Sensor (100), der Folgendes umfasst: eine erste bewegliche Kondensatorplatte, mit einer Ober-, Unter- und Seitenfläche, die alle mit einem Metall bedeckt sind, wobei die erste bewegliche Kondensatorplatte aus einem Halbleitermaterial besteht und sich auf einer beweglichen Masse (108) befindet oder ein Teil dieser ist; eine zweite Kondensatorplatte in einer ersten Ebene mit der ersten beweglichen Kondensatorplatte, wobei die zweite bewegliche Kondensatorplatte von der ersten beweglichen Kondensatorplatte beabstandet ist und mit Metall bedeckt ist; und eine dritte Kondensatorplatte, die mit dem Metall bedeckt ist und von der ersten beweglichen Kondensatorplatte in einer von der ersten Ebene verschiedenen zweiten Ebene beabstandet ist, und wobei die zweite und die dritte Kondensatorplatte sich direkt auf einem Substrat (101) befinden oder ein Teil dieses sind.
MEMS-Sensor (100) nach Anspruch 1, wobei mindestens eines von Folgendem gilt: a) die erste bewegliche Kondensatorplatte ist Teil einer beweglichen Masse (108) und ist durch das Metall gekapselt, b) das Metall ist Wolfram.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS (mikroelektromechanische Systeme)-Sensors (100), wobei der MEMS-Sensor (100) mindestens eine erste Kondensatorplatte mit einer äußeren Oberfläche besitzt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Freilegen der ersten Kondensatorplatte von einem Substrat (101); und Ausbilden einer Schicht aus leitfähigem Material (110) auf der äußeren Oberfläche der ersten Kondensatorplatte nach dem Freilegen der Kondensatorplatte von dem Substrat (101), und wobei das Ausbilden der Schicht aus leitfähigem Material das Ausbilden einer Keimschicht und dann Aufwachsen von leitfähigem Material (110) von der Keimschicht ausgehend umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors (100) nach Anspruch 3, weiterhin umfassend das Ausbilden der Schicht aus leitfähigem Material mit einer oberflächenselektiven Abscheidung.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors (100) nach Anspruch 4, wobei die oberflächenselektive Abscheidung weiterhin eine Siliziumreduktion mit Wolframhexafluorid umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors (100) nach Anspruch 3, wobei das Ausbilden der Keimschicht das selektive Ausbilden der Keimschicht auf exponierten Siliziumoberflächen des MEMS-Sensors umfasst.
Verfahren zum Herstellen eines MEMS-Sensors (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei mindestens eines von Folgendem gilt: a) das Freilegen umfasst weiterhin das Ätzen einer Opferschicht, b) das leitfähige Material (110) ist Wolfram, c) das Ausbilden der Schicht aus leitfähigem Material (110) umfasst das Kapseln der ersten Kondensatorplatte in dem leitfähigen Material, d) die Schicht aus leitfähigem Material (110) umfasst mehr als eine Schicht aus leitfähigem Material (110).
MEMS(mikroelektromechanische Systeme)-Bauelement, das Folgendes umfasst: eine bewegliche Masse mit einer ersten Elektrode, wobei eine obere, untere und Seitenoberfläche alle von einem Metall bedeckt sind, und wobei die bewegliche Masse aus einem Halbleitermaterial besteht; eine zweite Elektrode, die von der Seitenoberfläche der ersten Elektrode beabstandet ist und dieser zugewandt ist, wobei die zweite Elektrode durch das Metall bedeckt ist; und eine dritte Elektrode, die von der unteren Oberfläche der beweglichen Masse (108) beabstandet und dieser zugewandt ist, wobei die dritte Elektrode von dem Metall bedeckt ist und wobei die zweite Elektrode und die dritte Elektrode sich direkt auf einem Substrat befinden oder ein Teil dieses sind, über dem die bewegliche Masse (108) aufgehängt ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 8, wobei die erste Elektrode aus Silizium ausgebildet ist und das Metall Wolfram ist.
MEMS-Bauelement nach Anspruch 8, wobei die erste Elektrode, die zweite Elektrode und die dritte Elektrode aus Silizium ausgebildet sind und das Metall Wolfram ist.