KR20130099895A - 조정 가능 mems 디바이스 및 조정 가능 mems 디바이스의 제조 방법 - Google Patents

조정 가능 mems 디바이스 및 조정 가능 mems 디바이스의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

조정 가능 MEMS 디바이스 및 조정 가능 MEMS 디바이스의 제조 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 디바이스는 기판, 가동 전극 및 카운터 전극을 포함한다. 가동 전극 또는 카운터 전극은 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하고, 제 1 영역은 제 2 영역으로부터 절연되고, 제 1 영역은 조정되도록 구성되고, 제 2 영역은 감지 신호를 제공하거나 시스템을 제어하도록 구성되고, 가동 전극 및 카운터 전극은 기판에 기계적으로 접속된다.

Description

조정 가능 MEMS 디바이스 및 조정 가능 MEMS 디바이스의 제조 방법{TUNABLE MEMS DEVICE AND METHOD OF MAKING A TUNABLE MEMS DEVICE}
본 발명은 일반적으로 조정 가능 MEMS 디바이스 및 조정 가능 MEMS 디바이스의 제조 방법에 관한 것이다.
MEMS(마이크로전기기계 시스템) 마이크로폰은 실리콘 칩 내에 배치된 감압식 다이어프램을 포함한다. MEMS 마이크로폰은 종종 단일 칩 내로 전치증폭기와 일체화된다. MEMS 마이크로폰은 이를 디지털 MEMS 마이크로폰이 되게 하는 아날로그-대-디지털 컨버터(ADC)를 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 반도체 디바이스는 기판, 가동 전극 및 카운터 전극을 포함한다. 가동 전극 또는 카운터 전극은 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하고, 제 1 영역은 제 2 영역으로부터 절연되고, 제 1 영역은 조정되도록 구성되고, 제 2 영역은 감지 신호를 제공하거나 시스템을 제어하도록 구성되고, 가동 전극 및 카운터 전극은 기판에 기계적으로 접속된다.
본 발명의 실시예에 따르면, MEMS 구조체는 기판, 가동 전극 및 카운터 전극을 포함한다. 카운터 전극은 제 1 카운터 전극 영역 및 제 2 카운터 전극 영역을 포함하고, 제 1 카운터 전극 영역은 제 2 카운터 전극 영역으로부터 절연되고, 카운터 전극 및 가동 전극은 기판에 기계적으로 접속된다.
본 발명의 실시예에 따르면, MEMS 구조체는 반도체 기판, 백플레이트 전극 및 적층형 멤브레인을 포함하고, 적층형 멤브레인 및 백플레이트 전극은 반도체 기판에 기계적으로 접속된다. 적층형 멤브레인은 제 1 멤브레인 및 제 2 멤브레인을 포함한다.
본 발명 및 그 장점의 더 완전한 이해를 위해, 이제 첨부 도면과 관련하여 취한 이하의 상세한 설명이 참조된다.
도 1a는 MEMS 구조체의 단면도.
도 1b는 MEMS 구조체의 평면도.
도 2a는 MEMS 구조체의 실시예의 단면도.
도 2b는 백플레이트의 실시예의 평면도.
도 2c는 MEMS 구조체의 등가 용량성 네트워크를 도시하는 도면.
도 3a는 MEMS 구조체의 실시예의 단면도.
도 3b는 가동 소자의 실시예의 평면도.
도 4a는 MEMS 구조체의 실시예의 단면도.
도 4b는 MEMS 구조체의 실시예의 단면도.
도 5a는 MEMS 구조체의 실시예의 단면도.
도 5b는 림 구조체의 실시예의 평면도.
도 6a 내지 도 6c는 MEMS 구조체의 제조 방법의 실시예를 도시하는 도면.
본 발명의 바람직한 실시예의 제조 및 사용이 이하에 상세히 설명된다. 그러나, 본 발명은 광범위한 특정 환경에서 구체화될 수 있는 다수의 적용 가능한 개념을 제공한다는 것이 이해되어야 한다. 설명된 특정 실시예는 단지 본 발명을 구성하고 사용하는 특정 방식의 예일 뿐이고, 본 발명의 범주를 한정하는 것은 아니다.
본 발명이 특정 환경, 즉 센서 또는 마이크로폰에서 실시예를 참조하여 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 또한 RF MEMS, 가속도계 및 액추에이터와 같은 다른 MEMS 구조체에도 적용될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 MEMS 구조체(100)의 단면도를 도시한다. MEMS 구조체(100)는 다이어프램 또는 멤브레인(130), 백플레이트(160) 및 멤브레인(130)과 백플레이트(160) 사이의 공기 갭(150)을 포함한다. 멤브레인 또는 멤브레인 전극(130)은 백플레이트 또는 고정된 카운터 전극(160)에 대해 이동하거나 편향하도록 구성된다. 이 편향은 측정될 수 있는 멤브레인(130)과 백플레이트(160) 사이의 용량의 변화를 야기한다.
멤브레인(130) 및 백플레이트(160)는 이들의 원주를 따라 기판(110)에 접속된다. 멤브레인(130)은 제 1 스페이서(120)를 경유하여 기판에 접속된다. 대안적으로, 멤브레인(130)은 제 1 스페이서(120) 없이 기판(110)의 주 평면에 배열될 수 있다. 제 2 스페이서(140)는 이들의 원주를 따라 멤브레인(130)과 백플레이트(150) 사이에 배열된다. 멤브레인(130) 및 백플레이트(150)는 원형 형태 또는 정사각형 형태를 포함할 수 있다. 대안적으로, 멤브레인(130) 및 백플레이트(150)는 임의의 기하학적으로 적합한 형태를 포함할 수도 있다. 후방 체적(180)이 MEMS 구조체(100)와 기판(190) 사이에 배열되고, 기판(190)은 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함할 수 있다.
반도체 기판(110)은 실리콘, GaAs, InP, Si/Ge 또는 SiC와 같은 다른 반도체 재료 또는 화합물 반도체를 포함한다. 반도체 기판(110)은 단결정 실리콘, 비정질 실리콘 또는 다결정 실리콘(폴리실리콘)을 포함할 수 있다. 반도체 기판(110)은 실리콘-온-절연체(SOI)일 수 있다. 반도체 기판(110)은 트랜지스터, 다이오드, 캐패시터, 증폭기, 필터 또는 다른 전기 디바이스와 같은 능동 부품 또는 집적 회로(IC)를 포함할 수 있다. MEMS 구조체(100)는 자립형 디바이스일 수 있고 또는 단일 칩 내로 IC와 일체화될 수도 있다.
제 1 스페이서(120) 및 제 2 스페이서(140)는 이산화실리콘, 질화실리콘, 실리콘 산질화물과 같은 고-k 유전체 또는 이들의 조합과 같은 유전체 또는 절연 재료를 포함할 수 있다.
멤브레인(130) 및 백플레이트(160)는 폴리실리콘, 도핑된 폴리실리콘 또는 금속과 같은 도전성 재료를 포함할 수 있다. 백플레이트(160)는 댐핑 효과를 감소시키기 위해 천공될 수 있다.
멤브레인(130)은 서로 상이한 2개의 영역을 갖는다. 외부 영역 또는 에지 영역은 멤브레인(130)이 반도체 기판(110)에 접속되는 영역이다. 이 영역에서, 멤브레인(130)은 반도체 기판(110) 또는 스페이서(120)의 지지 림 구조체에 기계적으로 고정되어 이동할 수 없다. 내부 영역에서, 멤브레인(130)은 이동 가능하거나 편향 가능하다. 멤브레인(130)의 외부 영역은 멤브레인(130)의 내부 영역에 의해 생성된 감지 신호에 기여하지 않지만, 이 신호에 기생 캐패시턴스를 부가한다. 멤브레인(130)의 내부 영역은 카운터 전극 또는 백플레이트(160)에 대한 그 편향에 기인하여 신호를 생성할 수 있다. 멤브레인은 에지[멤브레인(130)의 내부 영역과 외부 영역 사이의 전이부]에서 클램핑되기 때문에, 에지에 근접한 멤브레인(130)의 영역은 더 작은 최대 진폭(130)을 갖고 편향되고, 반면에 멤브레인(130)의 내부 영역의 중심을 향한 영역은 더 큰 최대 진폭을 갖고 편향된다. 따라서, 멤브레인(130)의 내부 영역의 중심이 감도에 대부분 기여한다. 감지 신호를 생성하기 위해 멤브레인의 대략 80% 내부 영역만을 사용하는 것이 유리할 것이다.
멤브레인(130)과 백플레이트(160) 사이의 거리 및 따라서 기계적 감도는 기계적 제약에 의해 제공되고, MEMS 구조체의 제조 프로세스가 완성된 후에 변경될 수 없다. 멤브레인(130) 및 백플레이트(160)는 지지 구조체를 따라 정적 캐패시턴스를 형성한다[스페이서(120, 140)를 따른 멤브레인(130) 및 백플레이트(160)의 중첩]. 정적 캐패시턴스를 감소시키기 위해, 멤브레인(130)과 백플레이트(160)는 단지 부분적으로 중첩될 수 있다. 예를 들어, 백플레이트(160)는 도 1b에 도시된 바와 같이 등간격 거리에서 백플레이트(160)를 통해 연장하는 리세스를 가질 수 있다. 정적 캐패시턴스의 영향을 더 최소화하기 위해, 반도체 기판(110) 또는 스페이서(120)의 지지 구조체를 따른 가드 구조체가 제공될 수 있다.
멤브레인과 백플레이트 사이의 지지 구조체를 따른 기생 캐패시턴스의 문제점은, 백플레이트로부터 멤브레인까지의 거리 및 중첩과 같은 치수가 고정되어 MEMS 구조체의 제조 프로세스에 의해 정의된 SNR을 유도하기 때문에 변경될 수 없다는 것이다.
따라서, 기생 캐패시턴스를 상당히 감소시키고 MEMS 구조체의 제조가 완성된 후에 기계적 감도를 변경하도록 구성된 MEMS 구조체가 당 기술 분야에 요구된다.
본 발명의 다른 실시예는 백플레이트 전극 및/또는 멤브레인 전극의 분할을 제공한다. 백플레이트 전극 및/또는 멤브레인 전극은 감지 신호를 제공하거나 시스템을 제어하도록 구성된 제 1 전극 및 조정되도록 구성된 제 2 전극을 포함한다. 본 발명의 일 실시예에서, 감지 영역 및 조정 영역은 서로로부터 측방향으로 이격된다.
장점은, 기생 캐패시턴스가 지지 구조로부터 멤브레인의 중심을 향해 측방향으로 이격되어 이동되기 때문에 MEMS 구조체의 기생 캐패시턴스가 상당히 감소된다는 것이다. 통상의 구성에서, 기생 캐패시턴스는 멤브레인의 외부 영역과 백플레이트의 중첩에 의해 제공된다. 중첩은 캐패시턴스가 원주에 반경방향 중첩을 곱한 값에 비례하기 때문에 비교적 크다. 기생 캐패시턴스는 중첩 영역(반경방향 중첩 = 10 ㎛ 내지 20 ㎛)을 스페이서(140)의 유전 상수와 곱하고 스페이서(140)의 수직 거리(스페이서의 수직 거리 = 2 ㎛)와의 적(product)으로 나눔으로써 계산될 수 있다.
추가의 장점은 동일한 MEMS 구조체가 조정될 수 있는데, 예를 들어 상이한 기계적 감도 및 상이한 SNR이 동일한 MEMS 구조체를 갖는 상이한 용례를 위해 제공될 수 있다는 것이다.
일반적으로, 가능한 최고 신호-대-노이즈비(SNR)를 성취하기 위해 마이크로폰을 설계하고 제조하는 것이 목적이다. 무엇보다도, 이는 측정될 캐패시턴스의 변화가 가능한 한 클 때 그리고 기생 캐패시턴스가 가능한 한 작을 때 성취될 수 있다. 전체 캐패시턴스에 대한 캐패시턴스의 이 기생부가 클수록, SNR이 더 작다.
도 2a 및 도 2b는 분할형 백플레이트(250)를 갖는 MEMS 구조체(200)의 실시예의 단면도 및 평면도를 도시한다. MEMS 구조체(200)는 반도체 기판(210), 멤브레인(230) 및 백플레이트(250)를 포함한다. 멤브레인(230)은 제 1 스페이서(220)에 의해 기판(210)으로부터 이격되고, 백플레이트(250)는 제 2 스페이서(240)에 의해 멤브레인(230)으로부터 이격된다. MEMS 구조체(200)의 요소의 재료는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 전술된 바와 동일하다.
분할형 백플레이트는 제 1 전극 영역(257) 및 제 2 전극 영역(255)을 포함한다. 제 2 전극 영역(255)은 제 1 전극 영역(257) 내에 완전히 또는 부분적으로 놓일 수 있고 또는 제 1 전극 영역(257)은 제 2 전극 영역(255)을 완전히 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 제 1 전극 영역(257)은 외부 전극 영역일 수 있고, 제 2 전극 영역(255)은 내부 전극 영역일 수 있다. 제 1 전극 영역(257)은 원형 링의 영역을 포함할 수 있고, 제 2 전극 영역(255)은 원의 영역을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제 1 전극 영역(257)은 복수의 전극을 포함할 수 있고, 제 2 전극 영역(255)은 복수의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극 영역(257)은 복수의 원형 링을 포함할 수 있다.
제 1 전극 영역(257) 및 제 2 전극 영역(255)은 절연 지지체(254) 상에 배치될 수 있다. 절연 지지체(254)는 백플레이트(250)의 전체 영역 상에 또는 단지 백플레이트(250)의 일부 상에만 배치될 수 있다. 절연 지지체(254)는 멤브레인(230)을 향하는 측면 상에 배치될 수 있고 또는 멤브레인(230)으로부터 이격하여 향하는 측면 상에 배치될 수도 있다. 절연 지지체(254)는 이산화실리콘, 질화실리콘, 실리콘 산질화물과 같은 고-k 유전체, 폴리이미드 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 제 1 전극 영역(257)은 절연 갭 또는 절연 홈(253)으로 제 2 전극 영역(255)으로부터 절연될 수 있다. 절연 홈(253)은 이산화실리콘, 질화실리콘 또는 실리콘 산질화물과 같은 고-k 유전 재료와 같은 유전 재료로 충진될 수도 있다. 대안 실시예에서, 백플레이트(250)는 절연 지지체(254)를 포함하지 않고, 제 1 전극 영역(257)은 절연 홈(253)의 유전 재료를 경유하여 제 2 전극 영역(255)에 기계적으로 접속된다.
제 2 전극 영역(255)은 제 2 스페이서(240)에 기계적으로 그리고 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 전극 영역(255)은 제 1 전극 내에 노치를 형성하는 제 2 스페이서(240) 내의 전기 접점으로의 링크(256)를 포함할 수 있다. 제 2 전극 영역(255)은 하나 초과의 링크(256)를 포함할 수 있고, 링크는 동일한 거리에서 서로로부터 이격될 수 있다.
제 2 전극 영역(255)은 감지 신호를 제공하도록 구성되고, 제 1 전극 영역(257)은 조정되거나 작동되도록 구성된다. 제 2 전극 영역(255)은 감지 바이어스로 설정되고, 제 1 전극 영역(257)은 조정 바이어스로 설정된다. 제 1 전극 영역(257)의 조정 바이어스는 제 2 전극 영역(255)의 감지 바이어스에 독립적이다.
예를 들어, MEMS 구조체(200)는 용량성 작동에 의해 조정된다. 용량성 작동은 풀인(pull-in) 전압 미만의 전압에 대한 대략 30%의 공기 갭 거리[멤브레인(230)과 백플레이트(250) 사이] 편차를 허용한다. 따라서, MEMS 구조체의 감도는 조정될 수 있지만 기생 캐패시턴스는 변화되지 않는다. 100%로부터 70%로의 공기 갭의 변화에 의해, 감도는 공기 갭 거리에 역수이기 때문에 감도가 증가될 수 있다. 예를 들어, 감도는 약 +3 dB만큼 증가될 수 있다.
일 실시예에서, 분할형 백플레이트(250)는 정사각형이다. 동일한 원리가 분할형 원형 백플레이트(250)에 대해서보다 이 실시예에 대해 적용된다. 예를 들어, 제 2 전극 영역(255)은 정사각형을 포함하고, 제 1 전극 영역(257)은 링크 또는 링크들(256)을 제외하고 제 2 전극(255)을 둘러싸는 정사각형 링을 포함한다. 대안적으로, 백플레이트(250)는 다른 적합한 기하학적 형태를 포함한다.
이들 실시예에서, 백플레이트(250)와 멤브레인(230) 사이의 커플링은 감소되고, 따라서 MEMS 구조체(200)의 기생 캐패시턴스가 감소된다. 도 2c는 MEMS 구조체(200) 및 전치증폭기(290)의 등가 캐패시턴스 네트워크를 도시한다. 도 2c로부터 알 수 있는 바와 같이, 캐패시턴스(Csupport, Ctune, Cactive 및 Camp)는 평행하고 따라서 가산된다. 제 1 전극 영역(257)과 제 2 전극 영역(255) 사이에 직렬로 작은 캐패시턴스(Cslot)[절연 홈(253)]를 도입하는 것은 MEMS 구조체(200)의 기생 캐패시턴스를 실질적으로 감소시킬 수 있다. 특히, 작은 캐패시턴스(Cslot)의 도입은 감도(S)가 Cactive/(Cactive + Camp + 1/(1/(Csupport + Ctune) + 1/Cslot)))에 비례하기 때문에 MEMS 구조체(200)의 감도를 증가시킨다. Cslot -> 0에 대해, 감도(S)는 Cactive/(Cactive + Camp)에 비례한다.
일 예에서, 작은 캐패시턴스(Cslot)는 절연 홈(253)에 의해 제공된다[캐패시턴스 ~ 절연 홈(253)의 원주의 면적 곱하기 층(257)의 두께, 곱하기 절연 홈(253)의 갭 내의 공기 또는 유전 재료의 유전 상수]. 작은 직렬 캐패시턴스(Cslot)는 다른 캐패시턴스(Csupport 및 Ctune)보다 크기의 차수(orders of magnitude)만큼 작다. 더 작은 기생 캐패시턴스(Cslot)는 Cactive 및 Camp로부터 Csupport 및 Ctune을 디커플링한다. 따라서, 전체 기생 캐패시턴스는 감소되고, s 더 높은 신호 대 노이즈비가 실현된다.
더욱이, 제 1 전극 영역(257)은 제 2 전극 또는 감지 영역(255)으로부터 개별적으로 그리고 독립적으로 멤브레인(230)을 작동시키기 위해 사용될 수 있다. 작동에 의해 MEMS 구조체(200)의 감도가 변경될 수 있다. 예를 들어, 2개의 MEMS 구조체는 서로 긴밀하게 정합하도록 조정될 수 있고(예를 들어, 대략 동일한 감도를 가짐) 또는 단일의 MEMS 구조체가 고감도 구성과 저감도 구성 사이에서 스위칭될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 분할형 멤브레인(330)을 갖는 MEMS 구조체(300)의 실시예의 단면도 및 평면도를 도시한다. MEMS 구조체(300)는 기판(310), 멤브레인(330) 및 백플레이트(350)를 포함한다. 멤브레인(330)은 제 1 스페이서(320)에 의해 기판(310)으로부터 이격되고, 백플레이트(350)는 제 2 스페이서(340)에 의해 멤브레인(330)으로부터 이격된다. MEMS 구조체(300)의 요소의 재료는 도 1a 및 도 1b와 관련하여 전술된 바와 동일하다.
분할형 백플레이트는 제 1 전극(337) 및 제 2 전극(335)을 포함한다. 제 2 전극(335)은 제 1 전극(337) 내에 완전히 또는 부분적으로 놓일 수 있고 또는 제 1 전극(337)은 제 2 전극(335)을 완전히 또는 부분적으로 둘러쌀 수 있다. 제 1 전극(337)은 원형 링의 영역을 포함할 수 있고, 제 2 전극(335)은 원의 영역을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제 1 전극(337)은 복수의 전극을 포함할 수 있고, 제 2 전극(335)은 복수의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(337)은 복수의 원형 링을 포함할 수 있다. 제 2 전극(335)은 감지 영역으로서 정의되고, 제 1 전극(337)은 조정 또는 작동 영역으로서 정의된다. 멤브레인(330)의 감지 영역(335)의 면적은 조정 영역(337)의 면적보다 클 수 있다. 예를 들어, 감지 영역은 멤브레인(330)의 면적의 약 80%를 포함할 수 있고, 외부 영역은 면적의 약 20%를 포함할 수 있다.
실시예에서, 제 1 전극(337) 및 제 2 전극(335)은 얇은 절연 지지체(334) 상에 배치될 수 있다. 절연 지지체는 백플레이트(350)를 향하는 측면 상에 배치될 수 있고 또는 백플레이트(350)로부터 이격하여 향하는 측면 상에 배치될 수도 있다. 얇은 절연 지지체는 이산화실리콘, 질화실리콘, 실리콘 산질화물 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 멤브레인(330)은 폴리머 멤브레인 또는 금속층일 수 있고 또는 폴리실리콘 전극 및 질화실리콘층일 수 있다.
실시예에서, 멤브레인(330)은 절연 지지체를 포함하지 않는다. 제 1 전극(337)은 절연 영역(333)으로 제 2 전극(335)으로부터 절연된다. 절연 영역(333)은 이산화실리콘, 질화실리콘 또는 실리콘 산질화물과 같은 고-k 유전 재료와 같은 유전 재료를 포함할 수 있다. 제 1 전극(337)은 절연 영역(333)을 경유하여 제 2 전극(335)에 기계적으로 접속된다.
제 2 전극(335)은 제 1 스페이서(340) 및 제 2 스페이서(320)에 기계적으로 그리고 전기적으로 접속될 수 있다. 제 2 전극(335)은 전극(337) 내에 노치를 형성하는 제 1 및 제 2 스페이서(320, 340)로의 링크(336)를 포함할 수 있다. 제 2 전극(335)은 하나 초과의 링크(356)를 포함할 수 있고, 링크는 동일한 거리로 서로로부터 이격될 수 있다.
제 2 전극 또는 감지 영역(335)은 신호를 감지하고 그리고/또는 감지 신호를 제공하도록 구성되고 또는 조정 영역(337)은 조정되거나 작동되도록 구성된다. 제 2 전극(335)은 감지 바이어스로 설정되고, 제 1 전극(337)은 조정 바이어스로 설정된다. 제 1 전극(337)의 조정 바이어스는 제 2 전극(335)의 감지 바이어스에 독립적이다.
멤브레인(330)은 원형, 정사각형이고 또는 임의의 다른 적합한 형태를 포함한다. 제 1 전극(337)은 복수의 제 1 전극(337)을 포함할 수 있고, 여기서 복수의 제 1 전극(337)은 동일한 조정 전압 또는 상이한 조정 전압으로 설정되도록 구성된다. 제 2 전극(335)은 복수의 제 2 전극(335)을 포함할 수 있고, 여기서 복수의 제 2 전극(335)은 동일한 조정 전압 또는 상이한 조정 전압으로 설정되도록 구성된다.
백플레이트(350)는 단일 전극 또는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 백플레이트(350) 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 백플레이트(350)의 제 1 전극은 멤브레인(330)의 제 1 전극(337)에 대응하고, 백플레이트(350)의 제 2 전극은 멤브레인(350)의 제 2 전극(335)에 대응한다. 백플레이트(350)의 제 1 전극은 원형 또는 정사각형 링일 수 있고, 제 1 멤브레인은 원형 또는 정사각형 링일 수 있고, 백플레이트(350)의 제 2 전극은 원형 또는 정사각형일 수 있고, 제 2 멤브레인은 원형 또는 정사각형일 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 MEMS 구조체(400)의 실시예의 단면도를 도시한다. MEMS 구조체(400)는 도 3a 및 도 3b와 관련하여 전술된 바와 유사한 요소(410 내지 450)를 포함한다. MEMS 구조체(400)는 부가의 멤브레인(433) 및 제 3 스페이서(425)와 같은 부가의 스페이서를 더 포함한다. 멤브레인(433)은 폴리실리콘, 도핑된 폴리실리콘 또는 금속과 같은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제 3 스페이서(425)는 이산화실리콘, 질화실리콘, 실리콘 산질화물과 같은 고-k 유전체 또는 이들의 조합과 같은 유전체 또는 절연 재료를 포함할 수 있다.
분할형 멤브레인(430)은 제 2 전극 또는 제 2 멤브레인(437) 및 제 1 전극 또는 제 1 멤브레인(435)을 포함한다. 제 2 멤브레인(437)은 멤브레인(430)의 외부 영역 또는 조정 영역을 커버할 수 있고, 제 1 멤브레인(435)은 멤브레인의 내부 영역 또는 감지 영역을 커버할 수 있다. 제 1 멤브레인(435)의 부분은 제 2 멤브레인(437)의 부분 위에 위치될 수 있고 또는 그 반대도 마찬가지이다. 제 3 스페이서(425)의 유전 재료는 이들 2개의 부분을 기계적으로 접속한다. 유전 재료는 링크를 커버하는 라인을 포함하는 원형 링 또는 정사각형 링을 실질적으로 형성할 수 있다.
제 1 멤브레인(437)은 단일의 제 1 전극 또는 복수의 제 1 전극을 포함할 수 있고, 제 2 멤브레인(435)은 단일의 제 2 전극 또는 복수의 제 2 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 1 멤브레인(437)은 복수의 원형 링을 포함할 수 있고, 제 2 멤브레인(435)은 원을 포함할 수 있다. 제 2 멤브레인(435)은 감지 영역으로서 정의되고, 제 1 멤브레인(437)은 조정 영역으로서 정의된다. 멤브레인(430)의 감지 영역(435)의 면적은 조정 영역(437)의 면적보다 클 수 있다. 예를 들어, 감지 영역(435)은 멤브레인(430)의 면적의 약 80%를 포함할 수 있고, 조정 영역(437)은 면적의 약 20%를 포함할 수 있다.
제 1 멤브레인(437)은 제 1 스페이서(420)와 제 3 스페이서(425) 사이에 배치되고, 제 2 멤브레인(433)은 제 2 스페이서(440)와 제 3 스페이서(425) 사이에 배치된다. 일 실시예에서, 제 3 스페이서 재료는 스페이서(420, 425, 440)의 지지 구조체로부터 이격된 영역에서 제 1 멤브레인(437)과 제 2 멤브레인(433) 사이에 또한 배치된다. 제 1 실시예에서, 제 2 멤브레인(433)은 제 1 멤브레인(437)보다 백플레이트(450)에 더 근접하여 배치된다. 제 2 실시예에서, 제 1 멤브레인(437)은 제 2 멤브레인(433)보다 백플레이트(450)에 더 근접하여 배치된다.
제 1 멤브레인(437)은 노치를 갖는 원형 또는 정사각형 링일 수 있고, 제 2 멤브레인(433)은 노치 내에 놓인 링크를 포함하는 원 또는 정사각형일 수 있다. 제 1 멤브레인(437)은 링 세그먼트일 수 있고 또는 복수의 링 세그먼트일 수 있고, 제 2 멤브레인(433)은 복수의 링크를 포함할 수 있다.
백플레이트(450)는 단일 전극 또는 복수의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들어, 백플레이트는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함한다. 백플레이트(450)의 제 1 전극은 제 1 멤브레인(437)에 대응하고, 백플레이트(450)의 제 2 전극은 제 2 멤브레인(433)에 대응한다. 백플레이트(450)의 제 1 전극은 원형 또는 정사각형 링일 수 있고, 제 1 멤브레인은 원형 또는 정사각형 링일 수 있고, 백플레이트(450)의 제 2 전극은 원형 또는 정사각형일 수 있고, 제 2 멤브레인은 원형 또는 정사각형일 수 있다.
도 4a의 실시예의 장점은 감소된 공기 갭이 제 2 멤브레인(433)(감지 영역)의 조정 영역을 증가시킨다는 것이다. 도 4b의 실시예의 장점은 감소된 공기 갭이 제 2 멤브레인(433)(감지 영역)의 조정 영역을 감소시킨다는 것이다.
도 5a 및 도 5b는 MEMS 멤브레인(500)의 실시예의 단면도 및 평면도를 도시한다. MEMS 구조체(500)는 도 1a 및 도 1b의 요소(110 내지 150)와 관련하여 전술된 바와 유사한 요소(510 내지 550)를 포함한다. MEMS 구조체(500)는 단일 백플레이트(카운터 전극)를 포함한다. 대안적으로, MEMS 구조체(500)는 적어도 2개의 전극을 갖는 분할형 카운터 백플레이트(카운터 전극)를 포함한다.
반도체 기판(510)은 림(515)을 포함한다. 림(515)과 제 1 스페이서(520) 사이의 반경방향 중첩 또는 반경방향 거리는 링(518)을 형성한다. 링(518)은 원형 링 형태, 정사각형 링 형태 또는 다른 링 형태를 포함할 수 있다. 예를 들어, 원형 링(518)의 반경방향 거리는 10 ㎛일 수 있다.
백플레이트 또는 카운터 전극(550)은 감지 바이어스(Vsense)로 설정되도록 구성되고, 반도체 기판(510)은 조정 바이어스(Vtune)로 설정되도록 구성된다. 멤브레인(530)은 접지로 구성된다. 멤브레인(530)은 중심 영역 및 외부 영역을 포함한다. 멤브레인(530)의 외부 영역 및 링(518)은 조정 전압(Vtune)으로 조정될 수 있는 캐패시터를 형성한다. 일 실시예에서, 림(515) 및 링(518)은 톱니형이다. 링(518)은 등간격 거리로 이격되어 있는 개구(519)로 천공될 수 있다. 각각의 개구(519)는 약 10 ㎛의 폭을 포함할 수 있다. 개구(519)는 반도체 기판(510)에 형성되어 연장된 해제 에치를 적용할 수 있다.
도 6a는 조정 가능 MEMS 디바이스의 제조 방법의 실시예를 도시한다. 방법은 반도체 기판 상에 제 1 스페이서를 형성하는 단계(단계 601) 및 제 1 스페이서 상에 가동 전극을 형성하는 단계(단계 602)를 포함한다. 선택적으로, 단계 603에서, 가동 전극은 제 1 가동 전극 및 제 2 가동 전극으로 구조화된다. 가동 전극은 멤브레인 또는 다이어프램일 수 있다. 다음에, 제 2 스페이서가 가동 전극 상에 형성된다(단계 604). 그 후에, 카운터 전극이 제 2 스페이서 상에 형성된다(단계 605). 재차 선택적으로, 카운터 전극은 제 1 카운터 전극 및 제 2 카운터 전극으로 구조화된다(단계 606). 카운터 전극은 백플레이트일 수도 있다. 마지막으로, 단계 607에서, 가동 전극 주위의 제 1 및 제 2 스페이서 재료 및 반도체 기판 재료의 부분이 제거된다.
도 6b는 조정 가능 MEMS 구조체를 제조하는 방법의 실시예를 도시한다. 방법은 반도체 기판 상에 제 1 스페이서를 형성하는 단계(단계 611) 및 제 1 스페이서 상에 제 1 가동 전극을 형성하는 단계(단계 612)를 포함한다. 그 후에, 제 2 스페이서가 제 1 가동 전극 상에 형성되고(단계 613), 제 2 가동 전극이 제 2 스페이서 상에 형성된다(단계 614). 제 1 및 제 2 가동 전극은 멤브레인 또는 다이어프램일 수 있다. 제 3 스페이서가 제 2 가동 전극 상에 형성되고(단계 615), 카운터 전극이 제 3 스페이서 상에 형성된다(단계 616). 선택적으로, 단계 617에서 카운터 전극은 제 1 카운터 전극 및 제 2 카운터 전극으로 구조화된다. 카운터 전극은 백플레이트일 수도 있다. 마지막으로, 단계 618에서, 제 1 및 제 2 가동 전극 주위의 제 1, 제 2 및 제 3 스페이서 재료 및 반도체 기판 재료의 부분이 제거된다. 제 1 및 제 2 가동 전극은 지지 구조체로부터 소정 거리에서 기계적으로 접속될 수 있다.
도 6c는 조정 가능 MEMS 구조체의 제조 방법의 실시예를 도시한다. 방법은 반도체 기판 상에 제 1 스페이서를 형성하는 단계(단계 621) 및 제 1 스페이서 상에 가동 전극을 형성하는 단계(단계 622) 및 가동 전극 상에 제 2 스페이서를 형성하는 단계(단계 623)를 포함한다. 가동 전극은 멤브레인 또는 다이어프램일 수 있다. 다음에, 카운터 전극이 제 2 스페이서 상에 형성된다(단계 624). 카운터 전극은 백플레이트일 수도 있다. 다음에, 가동 전극 주위의 제 1 및 제 2 스페이서 재료 및 반도체 기판 재료의 부분이 제거된다. 마지막으로, 톱니형 구조체 또는 복수의 개구가 반도체 기판의 림을 따라 에칭된다(단계 626).
본 발명 및 그 장점이 상세히 설명되었지만, 다양한 변경, 치환 및 수정이 첨부된 청구범위에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고 수행될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
더욱이, 본 출원의 범주는 명세서에 설명된 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 및 단계의 특정 실시예에 한정되도록 의도되는 것은 아니다. 당 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 개시 내용으로부터, 본 명세서에 설명된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 실질적으로 동일한 결과를 성취하는 현존하는 또는 이후에 개발될 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있다는 것을 즉시 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 이러한 프로세스, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 이들의 범주 내에 포함하도록 의도된다.
100: MEMS 구조체 110: 기판
120: 제 1 스페이서 130: 멤브레인
140: 제 2 스페이서 150: 백플레이트
160: 카운터 전극 190: 기판
200: MEMS 구조체 210: 반도체 기판
220: 제 1 스페이서 230: 멤브레인
240: 제 2 스페이서 250: 백플레이트
255: 제 2 전극 영역 257: 제 1 전극 영역

Claims (20)

  1. 기판과,
    가동 전극(a movable electrode)과,
    카운터 전극을 포함하고,
    상기 가동 전극 또는 상기 카운터 전극은 제 1 영역 및 제 2 영역을 포함하고, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역으로부터 절연되고, 상기 제 1 영역은 조정되도록 구성되고, 상기 제 2 영역은 감지 신호를 제공하거나 시스템을 제어하도록 구성되고, 상기 가동 전극 및 상기 카운터 전극은 상기 기판에 기계적으로 접속되는
    반도체 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 조정 바이어스(Vtune)로 설정되고, 상기 제 2 영역은 감지 바이어스(Vsense)로 설정되는
    반도체 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역을 실질적으로 둘러싸는
    반도체 디바이스.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 영역의 면적은 상기 제 1 영역의 면적보다 실질적으로 큰
    반도체 디바이스.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영역 또는 상기 제 2 영역은 복수의 전극을 포함하는
    반도체 디바이스.
  6. 기판과,
    가동 전극과,
    카운터 전극을 포함하고,
    상기 카운터 전극은 제 1 카운터 전극 영역 및 제 2 카운터 전극 영역을 포함하고, 상기 제 1 카운터 전극 영역은 상기 제 2 카운터 전극 영역으로부터 절연되고, 상기 카운터 전극 및 상기 가동 전극은 상기 기판에 기계적으로 접속되는
    MEMS 구조체.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 가동 전극은 제 1 가동 전극 영역 및 제 2 가동 전극 영역을 포함하고, 상기 제 1 카운터 전극 영역은 상기 제 1 가동 전극 영역에 대응하고, 상기 제 2 카운터 전극 영역은 상기 제 2 가동 전극 영역에 대응하는
    MEMS 구조체.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 가동 전극 영역 및 상기 제 1 카운터 전극 영역은 조정 바이어스(Vtune)로 설정되고, 상기 제 2 가동 전극 영역 및 상기 제 2 카운터 전극 영역은 감지 바이어스(Vsense)로 설정되는
    MEMS 구조체.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 가동 전극 영역은 상기 제 2 가동 전극 영역보다 상기 카운터 전극에 더 근접하여 배치되는
    MEMS 구조체.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 가동 전극 영역은 상기 제 1 가동 전극 영역보다 카운터 전극 영역에 더 근접하여 배치되는
    MEMS 구조체.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판은 조정 바이어스(Vtune)로 설정되고, 상기 카운터 전극은 감지 바이어스(Vsense)로 설정되는
    MEMS 구조체.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 기판은 톱니형 림(a serrated rim)을 포함하는
    MEMS 구조체.
  13. 반도체 기판과,
    백플레이트 전극(a backplate electrode)과,
    제 1 멤브레인 및 제 2 멤브레인을 포함하는 적층형 멤브레인(a stacked membrane)을 포함하고,
    상기 적층형 멤브레인 및 상기 백플레이트 전극은 상기 반도체 기판에 기계적으로 접속되는
    MEMS 구조체.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인은 상기 적층형 멤브레인의 중심 영역에 배치되고, 상기 제 2 멤브레인은 상기 적층형 멤브레인의 주변 영역에 배치되는
    MEMS 구조체.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인의 면적은 상기 제 2 멤브레인의 면적보다 큰
    MEMS 구조체.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인은 상기 제 2 멤브레인에 부분적으로 중첩하는
    MEMS 구조체.
  17. 제 13 항에 있어서,
    유전층을 더 포함하고, 상기 유전층은 상기 적층형 멤브레인의 가동부(movable portion) 내에서 상기 제 1 멤브레인을 상기 제 2 멤브레인에 기계적으로 접속하는
    MEMS 구조체.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인은 감지 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 제 2 멤브레인은 조정되도록 구성되는
    MEMS 구조체.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 멤브레인은 상기 제 2 멤브레인보다 상기 백플레이트 전극에 더 근접하는
    MEMS 구조체.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 제 2 멤브레인은 제 1 멤브레인보다 상기 백플레이트 전극에 더 근접하는
    MEMS 구조체.
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