DE69919235T2

DE69919235T2 - Variabler Halbleiterkondensator und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69919235T2
Application number: DE69919235T
Authority: DE
Inventors: Alexander Kalnitsky; Alan Kramer; Vito Fabbrizio; Giovanni Gozzini; Bhusan Gupta; Marco Sabarini
Original assignee: STMicroelectronics lnc USA
Current assignee: STMicroelectronics lnc USA
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2019-01-13
Also published as: EP0928959A3; US5982608A; EP0928959A2; EP0928959B1; JPH11261015A; JP4602494B2; DE69919235D1; US6110791A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Halbleitereinrichtungen und insbesondere auf die Integration eines variablen Kondensators als ein Element einer auf einem normalen Halbleitersubstrat gebildeten integrierten Schaltung.
Variable Kondensatoren verwenden allgemein bewegliche Platten, die die Kapazität durch Verändern des Überlappungsbetrags benachbarter paralleler Platten oder des Abstands, der zwei gegenüberliegende parallele Platten trennt, ändern. Das Integrieren derartiger variabler Kondensatoren mit einer beweglichen Platte als Teil einer Halbleitereinrichtung wirft wegen der der Halbleitereinrichtungsfertigung innewohnenden Beschränkungen bestimmte Probleme auf. Beispiele für auf einem Halbleitersubstrat integrierte variable Kondensatoren sind in den US-Patenten Nr. 4.495.820 und Nr. 4.672.849 beschrieben, von denen jedes eine Einrichtung offenbart, die Änderungen im Abstand zwischen einer beweglichen Platte und einer festen Platte erfasst. Die vorliegende Erfindung weicht von dem Lösungsweg mit einer beweglichen Platte dieser früheren Patente ab, um eine vereinfachte Struktur und ein vereinfachtes Fertigungsverfahren zum Herstellen eines variablen Halbleiterkondensators zu erreichen.
Außerdem beschreibt das US-Patent Nr. 5.602.411 eine mikromechanische Komponente mit einer festen mikromechanischen Struktur, die ein Kondensatorplattenpaar aufweist, das auf einer oder mehreren Schichten ausgebildet ist, und einer beweglichen mikromechanischen Struktur, die in einen durch die Platten gebildeten Zwischenraum eingeführt oder aus ihm herausgezogen wird.
Die vorliegende Erfindung schafft einen variablen Kondensator, der in eine Halbleitereinrichtung integriert ist, die für die Verwendung in Vibrationsmeldern, Beschleunigungsmessern, Drucksensoren und Schallwandlern geeignet ist. Die Kapazität des variablen Kondensators wird durch Bewegen einer Membran aus dielektrischem Material in einem Spalt zwischen den festen Platten eines Kondensators geändert. Änderungen in der Kapazität sind durch die Änderung des Dielektrizitätswerts in dem Spalt zwischen den festen Platten bedingt.
Der variable Kondensator der vorliegenden Erfindung kann unter Verwendung herkömmlicher Fertigungstechniken und herkömmlicher Materialien in einer einzigen Schrittfolge, die eine geschichtete Struktur mit beabstandeten festen Platten und einer in dem Raum oder dem Spalt zwischen den Platten beweglichen dielektrischen Membran aufbaut, in eine Halbleitereinrichtung integriert werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung gibt es einen variablen Kondensator, der als Teil einer Halbleitereinrichtungsstruktur ausgebildet ist, der aufweist: (a) ein Halbleitersubstrat; (b) eine Isolationsschicht, die durch das Halbleitersubstrat abgestützt bzw. getragen wird; (c) einen ersten Leiter, der auf. der isolierenden Schicht angeordnet ist, der eine erste Platte des variablen Kondensators definiert; (d) einen zweiten Leiter, der auf der isolierenden Schicht angeordnet ist, der eine zweite Platte des variablen Kondensators definiert, wobei der erste und der zweite Leiter voneinander beabstandet sind, um einen Spalt dazwischen zu definieren; (e) eine flexible Membran, die an ihrer Peripherie durch das Halbleitersubstrat abgestützt bzw. getragen wird, wobei die flexible Membran dielektrisches Material aufweist und einen Abschnitt enthält, der sich in den Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter erstreckt und in diesem beweglich ist, um die Kapazität des variablen Kondensators zu ändern.
Der variable Kondensator kann ferner Kontakte zum Anschließen des ersten und des zweiten Leiters an Elemente einer integrierten Schaltung aufweisen, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Der erste und der zweite Leiter können eine Dicke von annäherungsweise 0,5 bis 3 Mikrometer haben.
Die flexible Membran kann im Wesentlichen aus Siliciumnitrid oder Polyimid bestehen.
Die flexible Membran kann einen Balken bzw. Ausleger (22) aus dielektrischem Material aufweisen, der in den Spalt und in diesem in Reaktion auf eine externe Stimulation bewegbar ist.
Die flexible Membran kann Abschnitte enthalten, die eine oder mehrere Öffnungen bzw. Ports definieren, die den ersten und den zweiten Leiter überdecken.
Die Öffnungen bzw. Ports können von oberhalb des ersten und des zweiten Leiters entfernt und an der Peripherie der flexiblen Membran angeordnet werden.
Der variable Kondensator kann möglicherweise ferner eine dielektrische Schicht aufweisen, die über ausgewählten Abschnitten der flexiblen Membran ausgebildet ist, wobei die dielektrische Schicht die Öffnungen bzw. Ports, die an der Peripherie der flexiblen Membran angeordnet sind, bedeckt.
Die dielektrische Schicht kann aus einem herkömmlichen Glaspassivierungsmaterial oder Polyimid bestehen.
Der erste und der zweite Leiter können sich über die Peripherie der flexiblen Membran zu Kontaktpunkten zu Elementen einer integrierten Schaltung erstrecken, die zusammen mit dem variablen Kondensator auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Eine Halbleitereinrichtung kann aufweisen: (a) einen variablen Kondensator, wie er zuvor beschrieben ist; (b) einen fixen Kondensator, der in Serie bzw. in Reihe zu dem variablen Kondensator angeschlossen ist; (c) einen Fühl- bzw. Messknoten, der an dem Anschluss zwischen dem fixen bzw. festen Kondensator und dem variablen Kondensator definiert ist, und (d) einen Verstärker mit hoher Verstärkung, der an den Fühl- bzw. Messknoten angeschlossen ist, wobei der Verstärker dazu in der Lage ist, einen Ausgang zu erzeugen, der Variationen der Kapazität des variablen Kondensators während des Betriebes entspricht.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines variablen Kondensators durch Aufbauen einer geschichteten Struktur zur Ausbildung einer Halbleitereinrichtung bereitgestellt, dass die Schritte aufweist: (a) ein Halbleitersubstrat wird als eine Basis für die Struktur zur Verfügung gestellt; (b) eine erste isolierende Schicht wird über dem Halbleitersubstrat ausgebildet; (c) eine leitende Schicht wird auf der ersten isolierenden Schicht angeordnet; (d) die leitende Schicht wird strukturiert, um einen ersten Leiter und einen zweiten Leiter auf der Struktur auszubilden, wobei die Strukturierung einen Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter definiert; (e) eine zweite isolierende Schicht wird über der Struktur ausgebildet; (f) eine dritte isolierende Schicht wird auf der zweiten isolierenden Schicht ausgebildet; (g) eine Membran wird auf der Struktur ausgebildet, die die dritte isolierende Schicht überdeckt, wobei die Membran einen Balken- bzw. Auslegerabschnitt enthält, der sich teilweise in den Spalt erstreckt; (h) Abschnitte der Membran werden selektiv geätzt, um Öffnungen bzw. Ports auszubilden, die Abschnitte der dritten isolierenden Schicht freilegen; (i) die dritte isolierende Schicht wird lateral unter Abschnitte der Membran geätzt, indem Säure durch die Öffnungen bzw. Ports zugeführt bzw. eingeführt wird, wobei die Ätzung die dritte isolierende Schicht in dem Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter entfernt, so dass eine Kavität bzw. ein Hohlraum in dem Spalt ausgebildet wird, wodurch der Balken- bzw. Auslegerabschnitt der Membran in dem Spalt bewegbar ist.
Das Verfahren kann ferner den Schritt aufweisen: (a) Abschnitte der dritten isolierenden Schicht werden vor dem Schritt zum Ausbilden einer Membran auf der Struktur selektiv weggeätzt, um einen Bereich der dritten isolierenden Schicht zu lassen, der den ersten und den zweiten Leiter bedeckt.
Das Verfahren kann ferner die Schritte aufweist: (a) der erste Leiter wird an Elemente einer integrierten Schaltung in der Halbleitereinrichtung angeschlossen; und (b) der zweite Leiter wird an Elemente einer integrierten Schaltung in der Halbleitereinrichtung angeschlossen.
Das Verfahren kann ferner den Schritt aufweisen: (a) eine dielektrische Schicht wird über ausgewählten Abschnitten der Membran ausgebildet, wobei die dielektrische Schicht die Öffnungen bzw. Ports bedeckt.
Der Schritt zum Strukturieren der leitenden Schicht kann eine anisotrope Ätzung ausgewählter Abschnitte der leitenden Schicht aufweisen.
Die neuartigen Merkmale, die als Wesensmerkmal die Erfindung angesehen werden, sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt. Allerdings werden sowohl das Wesen der Erfindung als auch seine wesentlichen Merkmale und Vorteile verständlicher unter Berücksichtigung einer veranschaulichenden Ausführungsform, wenn sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung gelesen werden.
1 ist eine schematische Draufsicht eines variablen Kondensators in einer Halbleitereinrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 weist in einem oberen Oberflächenabschnitt des variablen Kondensators einen Teilschnitt auf, um tiefer liegende Merkmale der Struktur zu veranschaulichen.
2 ist ein schematischer Querschnitt des in 1 dargestellten variablen Kon densators in der Schnittansicht 2-2 in 1, in der eine flexible Membran in ihrer ungebogenen Lage gezeigt ist.
2A ist ein schematischer Querschnitt ähnlich zu 2, der die flexible Membran in ihrer vollständig gebogenen Lage zeigt.
3 ist ein schematischer Querschnitt des in 1 dargestellten variablen Kondensators in der Schnittansicht 3-3 in 1.
3A ist ein schematischer Querschnitt ähnlich zu 3, der jedoch eine aus einer Verfahrensänderung gemäß der vorliegenden Erfindung resultierende, leicht veränderte Struktur zeigt.
4–9 sind Querschnittsansichten ähnlich zu 3, die die Struktur in verschiedenen Stufen in einem Verfahren zur Herstellung der Einrichtung zeigen, wobei die Dickenabmessungen der verschiedenen Elemente nicht maßstabsgerecht sind.
10 ist eine schematische Draufsicht eines variablen Kondensators in einer Halbleitereinrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 10 zeigt Merkmale unter der Oberfläche unter Verwendung gestrichelter Linien.
11 ist ein schematischer Querschnitt eines Abschnitts des in 10 dargestellten variablen Kondensators in der Schnittansicht 11-11 in 10.
12 ist ein Stromlaufplan, der eine Schaltungsanordnung zur Erfassung der Änderungen in der Kapazität eines variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
13 ist ein schematischer Querschnitt durch Kondensatorplattenerweiterungen, der darauf Verbindungen in einer Halbleitereinrichtung zeigt, in der ein variabler Kondensator der vorliegenden Erfindung mit weiteren Schaltungselementen der Einrichtung integriert ist.
In 1 ist ein Abschnitt einer Halbleitereinrichtung allgemein durch das Bezugszeichen 10 angegeben, wobei der Abschnitt 10 einen gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigten variablen Kondensator 12 enthält. Der variable Kondensator 12 besitzt eine flexible Membran 14, die mit einem Teilschnitt 16 gezeigt ist, so dass tiefer liegende Merkmale aufgedeckt sind, die einen ersten lang gestreckten Leiter 18, der parallel von einem zweiten lang gestreckten Leiter 20 beabstandet ist, umfassen. Der Raum zwischen den Leitern 18 und 20 definiert einen Spalt 22, wobei die Leiter die Platten des variablen Kondensators 12 bilden, die wie unten beschrieben mit anderen Schaltungselementen (nicht gezeigt) der Einrichtung 10 verbunden sein können. Es ist klar, dass andere Anordnungen, die beispielhaft ineinander greifende erste und zweite Leiter und zusammengeschaltete Leitermatrizen enthalten, verwendet werden können, um die Kapazität eines gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten variablen Kondensators zu vergrößern.
In dem Querschnitt von 2 ist die Einrichtung 10 auf einem Halbleitersubstrat 24 ausgebildet, das vorzugsweise ein herkömmliches Siliciumsubstrat ist und eine herkömmliche dünne Epitaxieschicht, die ein oberes Oberflächengebiet hiervon definiert, besitzen kann. Das Substrat 24 besitzt eine obere Oberfläche 26, auf der eine erste Isolationsschicht 28 ausgebildet ist. Die erste isolierende Schicht 28 ist vorzugsweise eine Oxidschicht, wobei sie aber irgendein dielektrisches Material sein kann, oder sie kann eine Verbundschicht aus zwei oder mehr Schichten sein, von denen wenigstens die obere Schicht ein dielektrisches Material ist.
Auf der Oxidschicht 28 liegen der erste Leiter 18 und der zweite Leiter 20, die vorzugsweise aus Aluminium sind. Eine zweite isolierende Schicht 30, die vorzugsweise ein Siliciumnitrid ist, überdeckt den ersten und den zweiten Leiter 18 und 20 sowie die Abschnitte der Oxidschicht 28, die nicht von den Leitern 18 und 20 bedeckt sind. Die zweite isolierende Schicht 30 ist an die oberen und die seitlichen Oberflächen der Leiter 18 und 20 angepasst.
Die flexible Membran 14 ist ein dielektrisches Material und besteht vorzugsweise aus Siliciumnitrid. Alternativ kann sie aus einer Polyimidschicht bestehen. Die flexible Membran 14 besitzt einen Peripherieabschnitt 32, der über Zwischenschichten von dem Halbleitersubstrat 24 getragen wird. Die Membran 14 und die darunter liegende Nitridschicht 30 definieren dazwischen einen Hohlraum 34. Der Hohlraum 34 erstreckt sich sowohl in der Richtung längs des Querschnitts von 2 als auch in der Richtung senkrecht dazu, wie aus 1 zu erkennen ist, Seite an Seite zur Peripherie 32 der Membran 14.
Ferner in 2 enthält die Membran 14 einen Ausleger 36, der sich teilweise in den Spalt 22 zwischen dem ersten Leiter 18 und dem zweiten Leiter 20 erstreckt. Da die Membran 14 flexibel ist, ist der Ausleger 36 innerhalb des Spalts 22 beweglich. 2A zeigt die Membran 14 in ihrer vollständig gebogenen Lage, wobei sich der Ausleger 36 nach unten in den Spalt 22 erstreckt und an die obere Oberfläche der Nitridschicht 30 angrenzt. In der Membran 14 sind in den 1 und 3 gezeigte Öffnungen oder Ports 38 geschaffen, um zu ermöglichen, dass sich Luft in und aus dem Hohlraum 34 bewegen kann, was die Bewegung der Membran 14 erleichtert.
Wenn eine externe Stimulation auf die Membran 14 angewendet wird, bewegt sich der Ausleger 36 in dem Spalt 22 auf und ab, wodurch sich die dielektrische Eigenschaft zwischen dem ersten Leiter 18 und dem zweiten Leiter 20 ändert. Da der Spalt 22 im Wesentlichen Luft ist, ändert sich der Dielektrizitätswert des variablen Kondensators 12, während sich der Ausleger 36 in dem Spalt 22 bewegt, wodurch sich die Kapazität proportional zur Bewegung des Auslegers 36 ändert.
In 3 ist die Membran 14 an ihrer Peripherie 32 starr abgestützt. In dieser Ausführungsform liegt die Peripherie 32 der Membran direkt auf einen Abschnitt der darunter liegenden Nitridschicht 30. Eine weitere Ausführungsform der Einrichtung ist in 3A gezeigt, bei der die Peripherie der Membran, die durch das Bezugszeichen 32' gekennzeichnet ist, auf einer isolierenden Zwischenschicht 40b liegt, die ihrerseits auf der Nitridschicht 30 liegt. Die Einrichtung 10' von 3A resultiert aus einer Verfahrensänderung, die unten beschrieben ist.
4 zeigt die Struktur des variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung in einer frühen Stufe im bevorzugten Herstellungsprozess. Die isolierende Schicht 28 wird auf dem Halbleitersubstrat 24 bis zu einer gewünschten Dicke ausgebildet, die je nach dem Ort des variablen Kondensators in der Einrichtungsstruktur sowie den Verfahrensanforderungen für andere Schaltungselemente, die als Teil derselben Halbleitereinrichtung gefertigt werden, bis zu mehreren Mikrometern betragen kann. Die isolierende Schicht 28 kann eine relativ dünne Oxidschicht sein, die unter Verwendung herkömmlicher Verarbeitungstechniken direkt auf dem Substrat 24 angeordnet wird oder deren Aufwachsen direkt auf dem Substrat 24 bewirkt wird. Alternativ kann die Schicht 28 Teil eines relativ dicken herkömmlichen Feldoxids sein. Außerdem kann die Schicht 28 ein Verbund mehrerer Schichten sein, wobei die oberste ein Oxid oder eine andere dielektrische Schicht ist. Es ist ferner klar, dass die Schicht 28 über weiteren aktiven Elementen (nicht gezeigt) der Einrichtung 10 ausgebildet sein kann.
In 5 wird auf der Struktur eine leitende Schicht von etwa 0,5 bis 3 Mikrometern Dicke vorzugsweise durch eine herkömmliche Aluminiumanordnung ausgebildet. Unter Verwendung herkömmlicher Strukturierungstechniken werden daraufhin ausgewählte Abschnitte der leitenden Schicht anisotrop geätzt, um den ersten Leiter 18 und den zweiten Leiter 20 auszubilden, wobei dazwischen der Spalt 22 definiert wird. Anisotropes Ätzen wird bevorzugt, da es im Wesentlichen gerade senkrechte Ränder für die Leiter 18 und 20 erzeugt, was für die Ausbildung der gegenüberliegenden Oberflächen der Kondensatorplatten des variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist. Nachfolgend wird die zweite isolierende Schicht 30 auf der Struktur gebildet, was die in 5 dargestellte Struktur zur Folge hat. Dies wird vorzugsweise durch eine herkömmliche Siliciumnitrid-Anordnung erreicht.
Nunmehr in 6 wird daraufhin auf der zweiten isolierenden Schicht 30 eine dritte isolierende Schicht 40 gebildet. Die dritte isolierende Schicht 40 ist vorzugsweise Phosphorsilikatglas (PSG) und wird mit einer Dicke von etwa 2 bis 10 kÅ angeordnet. PSG wird als das bevorzugte Material für die dritte isolierende Schicht 40 ausgewählt, da es sehr schnell geätzt wird. Außerdem ätzt ein normales Nassätzen unter Verwendung von Fluorwasserstoffsäure vorzugsweise das PSG, ohne das Siliciumnitrid deutlich anzugreifen.
Daraufhin werden wie in 7 dargestellt unter Verwendung herkömmlicher photolithographischer Techniken, die die PSG-Schicht 40a unversehrt lassen, Abschnitte der dritten isolierenden Schicht 40 an der Peripherie selektiv geätzt.
Nachfolgend wird in 8 bevorzugt durch das Anordnen von Siliciumnitrid mit einer Dicke von etwa 3 bis 10 kÅ die Membran 14 auf der Struktur gebildet. Die Siliciumnitridmembran 14 passt sich den Oberflächen der PSG-Schicht 40a an, so dass, wie gezeigt ist, der Ausleger 36 gebildet wird.
In 9 werden unter Verwendung herkömmlicher Strukturierungstechniken Abschnitte der Membran 14 selektiv weggeätzt, so dass die Ports 38 in der Membran 14 ausgebildet werden, wobei auf diese Weise darunter liegende Abschnitte der PSG-Schicht 40a freigelegt werden. Anschließend wird die PSG-Schicht 40a bevorzugt unter Verwendung einer normalen Fluorwasserstoffsäure-Nassätzlösung, die durch die Ports 38 zugeführt wird, lateral geätzt, um den Hohlraum 34, wie er in 3 gezeigt ist, zu bilden. Die Entfernung der PSG-Schicht macht die Membran 14 flexibel, so dass der Ausleger 36 in dem Spalt 22 zwischen dem ersten Leiter 18 und dem zweiten Leiter 20 auf und ab beweglich ist.
In einer Abwandlung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung können die Schritte des photolithographischen Strukturierens und des Ätzens zur Erzeugung der Struktur von 7 beseitigt werden. Das Siliciumnitrid für die Herstellung der Membran 14 kann auf der Struktur von 6 angeordnet werden, während das Verfahren anschließend in derselben Weise fortgesetzt wird. Wenn die PSG-Schicht 40 lateral unter der Membran 14 geätzt wird, wird die Ätzdauer so gesteuert, dass das PSG vollständig in dem Spalt 22 und unter dem Ausleger 36 geätzt wird, woraufhin unterbrochen wird. Nachdem der resultierende Raum 34 ausgespült worden ist, ergibt sich die Struktur, wie sie in 3A gezeigt ist. Ein Abschnitt 40b der ursprünglichen PSG-Schicht bleibt unter der Peripherie 32' der Membran 14 erhalten. Die Ätzdauer bestimmt, wo sich der Rand der verbleibenden PSG-Schicht 40b befinden wird, was folglich eine Wirkung auf die Flexibilität der Membran 14 hat. Die Entscheidung, ob der Vorgang von 7 einbezogen wird oder ob er ausgelassen wird, hängt von der Einrichtungskonstruktion und von Verfahrenskostenbetrachtungen ab.
In den 10 und 11 ist eine abgeänderte Struktur 112 für den variablen Kondensator der vorliegenden Erfindung beschrieben. Der abgeänderte variable Kondensator 112 ist als Teil einer Halbleitereinrichtung 100 integriert, wobei ähnliche Elemente durch ähnliche Bezugszeichen wie die zuvor verwendeten angegeben sind. Der variable Kondensator 112 besitzt beabstandete Leiterplatten 118 und 120, die dazwischen einen Spalt 122 definieren. Eine flexible Membran 114 enthält in derselben Weise wie für den zuvor beschriebenen variablen Kondensator 12 einen Auslegerabschnitt 136, der sich in dem Spalt 122 zwischen den Platten 118 und 120 auf und ab bewegt. Der Hohlraum bzw. Raum 134 zwischen der flexiblen Membran 114 und einer zweiten isolierenden Schicht 130 wird in derselben Weise wie der zuvor beschriebenen durch Ausätzen einer PSG-Schicht (nicht gezeigt) gebildet. Jedoch sind in dieser abgeänderten Ausführungsform wie in 10 gezeigt die Ports 138 oberhalb der Platten 118 und 120 entfernt und an der Peripherie angeordnet. Nachdem das PSG lateral geätzt und aus dem Raum 134 unter der Membran 114 gespült worden ist, wird eine zusätzliche dielektrische Schicht 102 angeordnet und strukturiert, so dass sie über den Peripherieabschnitten des variablen Kondensators 112 liegt, wobei sie somit die Ätzports 138 wie in 11 gezeigt bedeckt. Die dielektrische Schicht 102 kann irgendein geeignetes Material wie etwa ein herkömmliches Glaspassivierungsmaterial oder ein Polyimidmaterial sein.
Durch die bedeckten Ätzports 138 können keine Fremdkörper in den Raum 134 unter der Membran 114 eintreten. Das bewirkt jedoch, dass die Membran 114 wegen des Luftpolsters unter ihr weniger flexibel ist. Deshalb weist der abgeänderte variable Kondensator 112 elektrische Kenndaten auf, die von dem zuvor beschriebenen variablen Kondensator 12 verschieden sind. Der variable Kondensator 112 kann für eine Verwendung als eine druckempfindliche Einrichtung, die physikalisch verbunden ist, geeigneter sein. Eine Matrix solcher Kondensatoren 112 könnte eine nützliche Anwendung als ein Fingerabdruck-Sensor haben. Ein Beispiel einer als Fingerabdruck-Sensor verwendeten Kondensatormatrix ist in dem US-Patent Nr. 5.325.442 beschrieben. Ähnlich kann eine in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung konstruierte Matrix ein Fingerabdruck-Bild liefen, wenn sie von einem menschlichen Finger berührt wird. Der ungleiche Druck der Erhöhungen und der Täler eines Fingers kann erfasst werden, indem die isolierten Kondensatorwerte an Orten der Matrix unter Verwendung aufeinander folgender Zeilenabtastung und Spaltenerfassung gelesen werden. An jedem Ort eines variablen Kondensators kann ein Lesefreigabetransistor enthalten sein, wobei der Zeilenzugriff und der Spaltenzugriff über das Substrat und durch Leiter auf dem Substrat in einer Weise ähnlich zu der in herkömmlichen Speichererzeugnissen verwendeten erzielt werden kann.
Die bevorzugten Ausführungsformen 12 und 112 des variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung können in verschiedenen Anwendungen, die beispielhaft Vibrationsmelder, Beschleunigungsmesser, Drucksensoren und Schallwandler umfassen, verwendet werden. Die meisten derartigen Anwendungen des variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung erfordern eine Verstärkung eines durch den variablen Kondensator erzeugten Signals. Mit Bezug auf 12 wird eine vereinfachte Schaltung 200 beschrieben, die Elemente einer auf demselben Halbleitersubstrat ausgebildeten integrierten Schaltung wie den erfindungsgemäßen variablen Kondensator enthält. Die Schaltung 200 ermöglicht das Erfassen und das Verstärken eines Spannungssignals, das sich mit den Kapazitätsänderungen des variablen Kondensators, der mit dem Bezugszeichen C_v bezeichnet ist, ändert. Der variable Kondensator C_v ist mit einem Festwert-Kondensator C_f zwischen einer positiven Spannungszufuhr V und einem Masseanschluss in Reihe geschaltet. Ein Messknoten 201 ist bei der Verbindung zwischen dem variablen Kondensator C_v und dem festen Kondensator C_f definiert. Das Signal an dem Messknoten 201 wird durch einen Verstärker 203 mit hoher Verstärkung, der ein Ausgangssignal 205 erzeugt, das Änderungen in der Kapazität des variablen Kondensators C_v während des Betriebs entspricht, verstärkt. Das Ausgangssignal 205 wird einer weiteren Schaltungsanordnung (nicht gezeigt), die je nach der besonderen Anwendung konfiguriert ist, zugeführt.
Es ist klar, dass die Integration eines variablen Kondensators der vorliegenden Erfindung als Teil einer herkömmlichen integrierten Schaltungseinrichtung unter Verwendung der herkömmlichen Halbleiter-Verarbeitungstechnologie leicht erreicht wird. In 13 ist ein Abschnitt einer integrierten Schaltungseinrichtung 300 gezeigt, in dem geeignete Kontakte zu einer Ausführungsform des variablen Kondensators ähnlich den zuvor beschriebenen hergestellt sind. In diesem Beispiel ist das Substrat 324 schwach P-dotiert und enthält ein N⁺-dotiertes Gebiet 304, das den Kontakt zur Kondensatorplatte 318 herstellt, die einen sich durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht 328 erstreckenden Verbindungsabschnitt besitzt. Das N⁺-Gebiet 304 kann zweckmäßig einen Masseleitungsanschluss in der Einrichtung 300 definieren. Ein vorzugsweise in einer doppellagigen Metallschicht ausgebildeter Leiter 306 wird verwendet, um durch eine Öffnung in der isolierenden Schicht 330 einen Kontakt mit der oberen Oberfläche der Kondensatorplatte 320 herzustellen. Eine herkömmliche Passivierungsschicht 302 bedeckt die Einrichtung. Die Kondensatorplatten 318 und 320 in 13 können Fortsätze der abgeänderten Leiter 18 und 20 von 1 sein, die sich über die Peripherie 32 der Ausführungsform von 1 hinaus erstrecken. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist klar, dass das in 13 veranschaulichte Verbindungsschema lediglich eines von verschiedenen unterschiedlichen Techniken ist, die verwendet werden können, um den Kontakt zu den variablen Kondensatorplatten in einer integrierten Schaltungseinrichtung wie etwa der Einrichtung 300 herzustellen.
Obgleich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ausführlich beschrieben worden ist, können selbstverständlich verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abänderungen darin vorgenommen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargestellt ist, abzuweichen.

Claims

Variabler Kondensator (12), der als Teil einer Halbleitereinrichtungsstruktur (10) ausgebildet ist, der aufweist: (a) ein Halbleitersubstrat (24); (b) eine Isolationsschicht (26), die durch das Halbleitersubstrat (24) abgestützt bzw. getragen wird; (c) einen ersten Leiter (18), der auf der isolierenden Schicht angeordnet ist, der eine erste Platte des variablen Kondensators (12) definiert; (d) einen zweiten Leiter (20), der auf der isolierenden Schicht (26) angeordnet ist, der eine zweite Platte des variablen Kondensators (12) definiert, wobei der erste (18) und der zweite (20) Leiter voneinander beabstandet sind, um einen Spalt (22) dazwischen zu definieren; (e) eine flexible Membran (14), die an ihrer Peripherie (32) durch das Halbleitersubstrat (24) abgestützt bzw. getragen wird, wobei die flexible Membran (14) dielektrisches Material aufweist und einen Abschnitt enthält, der sich in den Spalt (22) zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter (18, 20) erstreckt und in diesem beweglich ist, um die Kapazität des variablen Kondensators (12) zu ändern.
Variabler Kondensator (12) nach Anspruch 1, der ferner Kontakte zum Anschließen des ersten (18) und des zweiten (20) Leiters an Elemente einer integrierten Schaltung aufweist, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind.
Variabler Kondensator (12) nach Anspruch 1, wobei der erste (18) und der zweite (20) Leiter eine Dicke von annäherungsweise 0,5 bis 3 Mikrometer haben.
Variabler Kondensator (12) nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran (14) im wesentlichen aus Siliziumnitrid oder Polyimid besteht.
Variabler Kondensator (12) nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran (14) einen Balken bzw. Ausleger (36) aus dielektrischen Material aufweist, der in den Spalt (22) und in diesem in Reaktion auf eine externe Stimulation bewegbar ist.
Variabler Kondensator (12) nach Anspruch 1, wobei die flexible Membran (14) Abschnitte enthält, die eine oder mehrere Öffnungen bzw. Ports (38) definieren, die den ersten (18) und den zweiten (20) Leiter überdecken.
Variabler Kondensator (112) nach Anspruch 6, wobei die Öffnungen bzw. Ports (138) von oberhalb des ersten (118) und des zweiten (120) Leiters entfernt werden und an der Peripherie der flexiblen Membran (114) angeordnet werden.
Variabler Kondensator nach Anspruch 7, der ferner eine dielektrische Schicht (102) aufweist, die über ausgewählten Abschnitten der flexiblen Membran (114) ausgebildet ist, wobei die dielektrische Schicht (102) die Öffnungen bzw. Ports (138), die an der Peripherie der flexiblen Membran (114) angeordnet sind, bedeckt.
Variabler Kondensator nach Anspruch 8, wobei die dielektrische Schicht (102) im Wesentlichen aus einem herkömmlichen Glaspassivierungsmaterial oder Polyimid besteht.
Variabler Kondensator nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Leiter über die Peripherie der flexiblen Membran zu Kontaktpunkten zu Elementen einer integrierten Schaltung erstreckt sind, die zusammen mit dem variablen Kondensator auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist.
Halbleitereinrichtung, die aufweist: (a) einen variablen Kondensator (C_v) nach Anspruch 1; (b) einen fixen Kondensator (C_f), der in Serie bzw. in Reihe zu dem variablen Kondensator (C_v) angeschlossen ist; (c) einen Fühl- bzw. Messknoten (201), der an dem Anschluss zwischen dem fixen bzw. festen Kondensator (C_f) und dem variablen (C_v) definiert ist, und (d) einen Verstärker (203) mit hoher Verstärkung, der an den Fühl- bzw. Messknoten (201) angeschlossen ist, wobei der Verstärker (203) dazu in der Lage ist, einen Ausgang zu erzeugen, der Variationen der Kapazität des variablen Kondensators (C_v) während des Betriebes entspricht.
Verfahren zum Herstellen eines variablen Kondensators durch Aufbauen einer geschichteten Struktur zur Ausbildung einer Halbleitereinrichtung, dass die Schritte aufweist: (a) eine Halbleitersubstrat (24) wird als eine Basis für die Struktur zur Verfügung gestellt; (b) eine erste isolierende Schicht (26) wird über dem Halbleitersubstrat (24) ausgebildet; (c) eine leitende Schicht wird auf der ersten isolierenden Schicht (26) angeordnet; (d) die leitende Schicht wird strukturiert, um einen ersten Leiter (18) und einen zweiten Leiter (20) auf der Struktur auszubilden, wobei die Strukturierung einen Spalt (22) zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter (18, 20) definiert; (e) eine zweite isolierende Schicht (30) wird über der Struktur ausgebildet; (f) eine dritte isolierende Schicht (40) wird auf der zweiten isolierenden Schicht (30) ausgebildet; (g) eine Membran (14) wird auf der Struktur ausgebildet, die die Dritte isolierende Schicht (40) überdeckt, wobei die Membran (14) einen Balken- bzw. Auslegerabschnitt (36) enthält, der sich teilweise in den Spalt (22) erstreckt; (h) Abschnitte der Membran (14) werden selektiv geätzt, um Öffnungen bzw. Ports (38) auszubilden, die Abschnitte der dritten isolierenden Schicht (40) freilegen; (i) die dritte isolierende Schicht (40) wird lateral unter Abschnitte der Membran (14) geätzt, indem Säure durch die Öffnungen bzw. Ports (38) zugeführt bzw. eingeführt wird, wobei die Ätzung die dritte isolierende Schicht (40) in dem Spalt (22) zwischen dem ersten und dem zweiten Leiter (18, 20) entfernt, so dass eine Kavität bzw. ein Hohlraum (34) in dem Spalt (22) ausgebildet wird, wodurch der Balken- bzw. Auslegerabschnitt (36) der Membran (14) in dem Spalt (22) bewegbar ist.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt aufweist: (a) Abschnitte der dritten isolierenden Schicht (40) werden vor dem Schritt zum Ausbilden einer Membran (14) auf der Struktur selektiv weggeätzt, um einen Bereich der dritten isolierenden Schicht (40) zu lassen, der den ersten und den zweiten Leiter (18, 20) bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner die Schritte aufweist: (a) der erste Leiter (18) wird an Elemente einer integrierten Schaltung in der Halbleitereinrichtung angeschlossen; (b) der zweite Leiter (20) wird an Elemente einer integrierten Schaltung in der Halbleitereinrichtung angeschlossen.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner den Schritt aufweist: (a) eine dielektrische Schicht (102) wird über ausgewählten Abschnitten der Membran (114) ausgebildet, wobei die dielektrische Schicht (102) die Öffnungen bzw. Ports (138) bedeckt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der Schritt zum Strukturieren der leitenden Schicht eine anisotrope Ätzung ausgewählter Abschnitte der leitenden Schicht aufweist.