CN103288040A - 可调谐mems装置和可调谐mems装置的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可调谐MEMS装置和可调谐MEMS装置的制造方法。根据本发明的实施方式，半导体装置包括基板、可移动电极和对电极。可移动电极或对电极包括第一区域和第二区域，其中该第一区域与第二区域隔离开，其中该第一区域被配置为被调谐，其中第二区域被配置为提供感测信号或控制***，以及其中该可移动电极和该对电极机械地连接至该基板。

Description

可调谐MEMS装置和可调谐MEMS装置的制造方法
技术领域
本发明通常涉及可调谐MEMS装置和可调谐MEMS装置的制造方法。
背景技术
一种MEMS（微机电***）麦克风包括设置在硅芯片中的压力敏感振动片。MEMS麦克风有时与前置放大器集成到一个单一的芯片中。MEMS麦克风还可包括使其成为数字MEMS麦克风的模-数转换器（ADC）电路。
发明内容
根据本发明的实施方式，半导体器件包括基板、可移动电极以及对电极。该可移动电极或该对电极包括第一区域和第二区域，其中该第一区域与该第二区域隔离，其中该第一区域被配置为被调谐，其中该第二区域被配置为提供感测信号或控制***，以及其中该可移动电极和对电极被机械地连接到该基板。
根据本发明的实施方式，MEMS结构包括基板、可移动电极和对电极。该对电极包括第一对电极区域和第二对电极区域，其中，第一对电极区域与第二反电机区域隔离，以及其中该对电极和该可移动电极被机械地连接到该基板。
根据本发明的实施方式，MEMS结构包括半导体基板、背板电极和堆叠隔膜，其中该堆叠隔膜和该背板机械地连接到该半导体基板上。该堆叠隔膜包括第一隔膜和第二隔膜。
附图说明
现在结合附图并参考下面的描述以更好地理解本发明以及其优势，其中，
图1a示出MEMS结构的横截面视图；
图1b示出MEMS结构的顶视图；
图2a示出MEMS结构的实施方式的横截面视图；
图2b示出背板的实施方式的顶视图；
图2c示出MEMS结构的等价电容网络；
图3a示出MEMS结构的实施方式的横截面视图；
图3b示出可移动元件的实施方式的顶视图；
图4a示出MEMS结构的实施方式的横截面视图；
图4b示出MEMS结构的实施方式的横截面视图；
图5a示出MEMS结构的实施方式的横截面视图；
图5b示出边缘结构的实施方式的顶视图；以及
图6a至图6c示出MEMS结构的制造方法的实施方式。
具体实施方式
下面详细讨论目前优选实施方式的制造和使用。但是，应该意识到本发明提供了许多切实可行的创造性的概念，其能够体现在各种语境中。所讨论的特定的实施方式仅仅是制造和使用本发明的特定的方式的示例，并不限制本发明的范围。
在特定的上下文中将就实施方式描述本发明，即传感器或麦克风。但是，本发明还可应用于其他诸如RF MEMS、加速计和马达等的MEMS中。
图1a和图1b示出MEMS结构100的横截面视图。MEMS结构100包括振动膜或隔膜130、背板160以及隔膜130和背板160之间的空气间隙150。隔膜或隔膜电极130被配置为相对于背板或固定的对电极160移动或偏转。该偏转导致能够测量的隔膜130和背板160之间的电容发生变化。
隔膜130和背板160沿着它们的圆周连接至基板110。隔膜130通过第一垫片120连接至基板。可选择地，隔膜130可以设置在基板110的主平面内而没有第一垫片120。第二垫片140沿着隔膜130和背板160的圆周设置在它们之间。隔膜130和背板160可包括圆形或方形。可选择地，隔膜130和背板160可包括任意合适的几何形状。背部容积180设置在MEMS结构100和基板190之间，其中基板190可包括印刷电路板（PCB）。
半导体基板110包括硅、其它半导体材料或诸如GaAs、InP、Si/Ge或SiC的化合物半导体。半导体基板110可包括单晶硅、非晶硅或多晶硅（多晶硅）。半导体基板110可为硅绝缘体（SOI）。半导体基板110可包括诸如晶体管、二极管、电容器、放大器、滤波器或其他电子设备的有源元件，或集成电路（IC）。MEMS结构100可以是孤立的设备或可以与集成电路集成为单个芯片。
第一垫片120和第二垫片140可包括电介质或绝缘材料，例如二氧化硅、氮化硅、诸如氮氧化硅的高介电常数材料或其组合物。
隔膜130和背板160可包括诸如多晶硅、掺杂多晶硅或金属的导电材料。在背板160上可以打孔以减小阻尼效果。
隔膜130具有两个不同的区域。隔膜130连接到半导体基板110的外部区域或边缘（edge）区域。在该区域，隔膜130机械地固定至半导体基板110的支撑边沿（rim）结构或垫片120上不能移动。在内部区域，隔膜130是可以移动的或可以偏转的。隔膜130的外部区域对由隔膜130的内部区域所产生的感测信号不起作用，但向该信号增加寄生电容。对于对电极或背板160，因为隔膜130的偏转，隔膜130的内部区域可产生信号。因为隔膜被夹紧在边缘（隔膜130的内部区域和外部区域之间的过渡区域），所以隔膜130的靠近该边缘的区域以较小的最大幅度偏转，向着隔膜130的内部区域的中心的区域以较大的最大幅度偏转。因此，隔膜130的内部区域的中心对敏感度贡献最大。仅使用大约80%的隔膜内部区域来产生感测信号将是有利的。
隔膜130和背板160之间有间距，因此机械敏感度由机械约束产生，在完成MEMS结构的制作过程之后不会发生改变。隔膜130和背板160沿着支撑结构（隔膜130和背板160的沿着垫片120、140的重叠）形成静电容。为了减小静电容，隔膜130和背板160可以仅部分重叠。例如，如图1b中所示，背板160可具有贯穿背板160的等间距的凹陷。为了进一步最小化静电容的影响，可提供沿着半导体基板110的支撑结构或垫片120的保护结构。
沿着隔膜和背板之间的支撑结构的寄生电容的问题是，由于诸如所述重叠和从背板到隔膜的间距的尺寸是固定的，导致由MEMS结构的制作过程定义一个SNR，所以该寄生电容是不可变的。
因此，本领域需要在显著地减小寄生电容和配置为在完成MEMS结构的制作之后改变机械敏感度的MEMS结构。
本发明的一个实施方式提供了背板电极和/或隔膜电极的分割。该背板电极和/或隔膜电极包括配置为提供传感信号或控制***的第一电极以及配置为被调谐的第二电极。在本发明的一个实施方式中感测区域和调谐区域横向地相互隔离开。
一个优势是因为寄生电容朝着隔膜的中心横向地远离支撑结构，所以MEMS结构的寄生电容明显地减少。在传统的配置中，寄生电容由隔膜的外部区域与背板的重叠产生。因为电容与圆周和径向重叠的乘积成比例，所以该重叠相对较大。寄生电容能通过重叠区域（径向重叠=10μm至20μm）乘以垫片140的介电常数并用垫片140的垂直距离（垫片的垂直距离=2μm）除以该乘积进行计算。
进一步的优势是能够调谐相同的MEMS结构，例如，利用相同的
MEMS结构，针对不同应用能够提供不同的机械敏感度和不同的SNRs。
通常，设计和制造麦克风的一个目标是尽可能地获得最高的信噪比（SNR）。此外，当所测量的电容的变化尽可能大以及当寄生电容尽可能小时，能够实现这一目标。相对于整个电容而言，电容的寄生部分越大，SNR越小。
图2a和2b示出MEMS结构200的实施方式的横截面图和顶视图，结构200具有分割的背板250。MEMS结构200包括半导体基板210、隔膜230和背板250。隔膜230和基板210由第一垫片220分隔开，背板250和隔膜230由第二垫片240分隔开。MEMS结构200的元件的材料与上述图1a和图1b描述的相同。
分割的背板包括第一电极区域257和第二电极区域255。第二电极区域255可完全或部分位于第一电极区域257内，或者第一电极区域257可完全或部分环绕第二电极区域255。第一电极区域257可以是外部电极区域，该第二电极区域255可以是内部电极区域。第一电极区域257可包括圆环区域，第二电极区域255可包括圆形区域。可选择地，第一电极区域257可包括多个电极，第二电极区域255也可包括多个电极。例如，第一电极区域257可包括多个圆环。
第一电极区域257和第二电极区域255可设置在隔离支撑物254上。该隔离支撑物254可设置在背板250的整个区域上或仅在背板250的部分区域上。隔离支撑物254可设置在面对隔膜230的一侧或可设置在背对隔膜230的一侧。隔离支撑物254可包括二氧化硅、氮化硅、诸如氮氧化硅的高介电材料、聚亚酰胺或其组合物。可利用隔离间隙或隔离槽253将第一电极区域257和第二电极区域255隔离。隔离槽253可用诸如二氧化硅、氮化硅或诸如氮氧化硅的高介电材料的介电材料进行填充。在一个可选择的实施方式中，背板250不包括隔离支撑物254，第一电极区域257通过隔离槽253的介电材料机械地连接到第二电极区域255。
第二电极区域255可机械地和电气地连接到第二垫片240。第二电极区域255可包括到第二垫片240中的电触头的连接256，其在第一电极中形成缺口。第二电极区域255可包括多于一个的连接256，多个连接可以以相同的间距相互隔离开。
第二电极区域255被配置为提供感测信号，第一电极区域257被配置为被调谐或者被驱动。第二电极区域255被设定为感测偏压，第一电极区域257被设定为调谐偏压。第一电极区域257的调谐偏压独立于第二电极区域255的感测偏压。
例如，MEMS结构200通过电容驱动来调谐。对于低于吸合电压
（pull-in voltage）的电压，该电容驱使得大约30%的空气间隙距离（隔膜230和背板250之间）发生改变。相应地，当寄生电容不发生变化时，能够调谐MEMS结构的敏感度。因为该敏感度与空气间隙距离成反比，所以随着空气间隙从100%到70%的变化，敏感度会增加。例如，该敏感度能够增加大约+3dB。
在一个实施方式中，分割的背板250为方形。相同的原则适用于该实施方式而不是适用于分割的圆形背板250。例如，第二电极区域255包括方形，而第一电极区域包括包围除连接256之外的第二电极255的方形圈。可选择地，背板250包括其他合适的几何形状。
在一些实施方式中，背板250和隔膜230之间的耦合减小了，因此，MEMS结构200的寄生电容也减小。图2c示出MEMS结构200的等价的电容网络以及前置放大器290。如从图2c可以看出，电容器C支撑、C调谐、C有源以及Camp并联并因此叠加。在第一电极区域257和第二电极区域255之间引入一个串联的小电容C槽（隔离槽253）能够很大程度上减小MEMS结构200的寄生电容。特别地，因为敏感度S与C有源/(C有源+Camp+1/(1/(C支撑+C调谐)+1/C槽)))成比例，所以小电容C槽的引入增加了MEMS结构200的敏感度。对于C槽->0，敏感度S与C有源/(C有源+Camp)成比例。
在一个例子中，小电容C槽由隔离槽253（电容～253的圆周面积乘以层257的厚度，乘以空气或253的间隙中的介电材料的介电常数）给出。小串联电容C槽比其他电容例如C支撑和C调谐小几个数量级。较小寄生电容C槽将C支撑和C调谐从C有源和Camp中解耦。相应地，降低了整个寄生电容，并实现了s更高的信噪比。
此外，第一电极区域257能够用于与第二电极或感测区域255分离地和独立地驱动隔膜230。通过驱动能够改变MEMS结构200的敏感度。例如，两个MEMS结构能够被调谐为互相紧密配合（例如，具有大约相同的敏感度），或者单个MEMS结构能够在该敏感度配置和低敏感度配置之间切换。
图3a和图3b示出具有分割的隔膜330的MEMS结构300的实施方式的横截面图和顶视图。该MEMS结构300包括基板310、隔膜330和背板350。隔膜330和基板310由第一垫片320分隔开，背板350和隔膜330由第二垫片340分隔开。MEMS结构300的元件的材料与上述图1a和图1b描述的相同。
分割的隔膜包括第一电极337和第二电极335。第二电极335可完全或部分位于第一电极337内或者第一电极337可完全或部分环绕第二电极335。该第一电极337可包括圆环区域，第二电极335可包括圆形区域。可选择地，第一电极337可包括多个电极，第二电极335也可包括多个电极。例如，第一电极337可包括多个圆形环。第二电极335被定义为感测区域，第一电极337被定义为调谐或驱动区域。隔膜330的感测区域335的面积可大于调谐区域337的面积。例如，感测区域可包括隔膜区域330的大约80%的面积，外部区域可包括大约20%的面积。
在实施方式中，第一电极337和第二电极335可设置在薄隔离支撑物334上。该隔离支撑物可设置在面向背板350侧，或可设置在背对背板350侧。该薄隔离支撑物可包括二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅或其组合物。例如，隔膜330可以是聚合物隔膜以及金属层，或者可以是多晶硅电极以及氮化硅层。
在实施方式中，隔膜330不包括隔离支撑物。第一电极337与第二电极335用隔离区域333隔离开。隔离区域333可包括诸如二氧化硅、氮化硅或诸如氮氧化硅的高介电材料的介电材料。第一电极337通过隔离区域333机械地连接到第二电极335。
第二电极335可机械地和电气地连接到第一垫片340和第二垫片320。第二电极335可包括到第一和第二垫片320，340的连接336，其在第一电极337中形成缺口。第二电极335可包括多于一个的连接336，多个连接可以相同的间距相互隔开。
第二电极或感测区域335被配置为感测信号和/或提供感测信号，第一电极或调谐区域337被配置为被调谐或驱动。第二电极335被设置为感测偏压，第一电极337被设置为调谐偏压。第一电极337的调谐偏压独立于第二电极335的感测偏置。
隔膜330是圆形、方形或者包括其他任何合适的形状。第一电极337可包括多个第一电极337，其中多个第一电极337被配置为设置相同的调谐电压或不同的调谐电压。第二电极335可包括多个第二电极，其中多个第二电极335被设置为相同的调谐电压或不同的调谐电压。
背板350可包括单个电极或多个电极。例如背板350包括第一电极和第二电极。背板350的第一电极与隔膜330的第一电极337对应，背板350的第二电极335与隔膜330的第二电极335对应。背板350的第一电极可以是圆环或方形环，第一隔膜可以是圆形或方形环，背板350的第二电极可以是圆形或方形，以及第二隔膜可以是圆形或方形。
图4a和4b示出MEMS结构400的实施方式的横截面图。MEMS结构400包括如上所述的图3a和3b的相似的元件410-450。MEMS结构400进一步包括附加的隔膜433和附加的垫片，例如第三垫片425。隔膜433可包括诸如多晶硅、掺杂多晶硅或金属的传导材料。第三垫片425可包括诸如二氧化硅、氮化硅、诸如氮氧化硅的高介电材料或其组合物的介电材料或绝缘材料。
分割的隔膜430包括第二电极或第二隔膜437以及第一电极或第一隔膜435。第二隔膜437可覆盖隔膜430的外部区域或调谐区域，第一隔膜435可覆盖隔膜的内部区域或感测区域。第一隔膜435的一部分可位于第二隔膜437的一部分之上，反之亦然。第三垫片425的介电材料机械地连接至这两部分。介电材料可大体上形成包括覆盖连接的线的圆环或方形环。
第一隔膜437可包括单个的第一电极或多个第一电极，第二隔膜435可包括单个的第二电极或多个第二电极。例如，第一隔膜437可包括多个圆环，第二隔膜435可包括一个圆形。第二隔膜435被定义为感测区域，第一隔膜437被定义为调谐区域。隔膜430的感测区域435的面积可比调谐区域437的面积大。例如，感测区域435可包括隔膜430的大约80%的面积，而调谐区域437可包括大约20%的面积。
第一隔膜437设置在第一垫片420和第三垫片425之间，第二隔膜433设置在第二垫片440和第三垫片425之间。在一个实施方式中，第三垫片材料还设置在第一隔膜437和第二隔膜433之间，在远离垫片420，425和440的支撑结构的区域内。在第一个实施方式中，第二隔膜433被设置为比第一隔膜437更靠近背板450。在第二实施方式中，第一隔膜437被设置为比第二隔膜433更靠近背板450。
第一隔膜437可以是具有缺口圆环或方形环，第二隔膜433可以是包括位于缺口内的连接的圆形或方形。第一隔膜437可以是环形分割或可以是多个环形分割，第二隔膜433可以包括多个连接。
背板450可包括单个电极或多个电极。例如，背板包括第一电极和第二电极。背板450的第一电极与第一隔膜437对应，背板450的第二电极与第二隔膜433对应。背板450的第一电极可以是圆环或方形环，第一隔膜可以是圆环或方形环，以及背板450的第二电极可以是圆形或方形，第二隔膜可以是圆形或方形。
图4a的实施方式的优势是减小的空气间隙增加了第二隔膜433（感测区域）的调谐范围。图4b的实施方式的优势是减小的空气间隙减小了第二隔膜433（感测区域）的调谐范围。
图5a和5b示出MEMS结构500的实施方式的横截面图和顶视图。MEMS结构500包括相似于如上所述的图1a和1b中的元件110-150的元件510-550。MEMS结构500包括单个背板（对电极）。可选择地，MEMS结构500包括具有至少两个电极的分割的对背板（对电极）。
半导体基板510包括一个边沿515。边沿515和第一垫片520之间的径向重叠或径向距离形成环518。环518可包括圆形环形、方环形或其他环形。例如，圆形环518的径向距离可以是10μm。
将背板或对电极550可以被配置为被设置为感测偏压（V感测），半导体基板510被配置为被设置为调谐偏压（V调谐）。隔膜530被设置为地。隔膜530包括中心区域和外部区域。隔膜530的外部区域以及环518形成能够随着调谐电压（V调谐）而调谐的电容器。在一个实施方式中，边沿515和环518是锯齿状的。环518可用以相同的间距分开的开口519穿孔。每一个开口519可包括大约10μm的宽度。开口519可应用一个延伸的释放刻蚀（extended release etch）形成在半导体基板510中。
图6a示出可调谐MEMS装置的制造方法的实施方式。该方法包括：在半导体基板上形成第一垫片（步骤601），在第一垫片上形成可移动电极（步骤602）。可选择地，在步骤603中，可移动电极被构造为第一可移动电极和第二可移动电极。可移动电极可以是隔膜或振动膜。接下来，在可移动电极上形成第二垫片上（步骤604）。之后，在第二垫片上形成对电极（步骤605）。再次可选地，对电极构造为第一对电极和第二对电极（步骤606）。对电极可以是背板。最后在步骤607中，将第一和第二垫片材料的一部分以及围绕可移动电极的半导体基板材料去除。
图6b示出可调谐MEMS结构的制造方法的实施方式。该方法包括：在半导体基板上形成第一垫片（步骤611），在第一垫片上形成第一可移动电极（步骤612）。之后，在第一可移动电极上形成第二垫片（步骤613）以及在第二垫片上形成第二可移动电极（步骤614）。第一和第二可移动电极可以是隔膜或膜片。在第二可移动电极上形成第三垫片（步骤615）并在第三垫片上形成对电极（步骤616）。可选地，在步骤617中，对电极构造为第一对电极和第二对电极。对电极可以是背板。最后在步骤618中，将第一、第二和第三垫片材料的部分和围绕第一和第二可移动电极的半导体基板材料去除。
图6c示出可调谐MEMS结构的制造方法的实施方式。该方法包括：在半导体基板上形成第一垫片（步骤612），在第一垫片上形成可移动电极（步骤622）以及在可移动电极上形成第二垫片（步骤623）。该可移动电极可以是隔膜或振动膜。下一步，在第二垫片上形成对电极（步骤624）。对电极可以是背板。下一步，将第一、第二和第三垫片的材料的部分和围绕可移动电极的半导体基板材料去除（步骤625）。最后，沿着半导体基板的边沿刻蚀锯齿结构或多个开口。
尽管详细地描述了本发明及其优势，但是应该理解，能够在此进行各种变形、替代和变更而不偏离如在权利要求中所限定的本发明的精神和范围。
另外，并非旨在将本应用的范围限制在本说明书中所描述的工艺、机器、制造，物质的组成、手段、方法和步骤的特定的实施方式下。作为本领域的普通技术人员，将会很容易从本发明的公开、工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或步骤，现在存在的或将来发展的中领会到，因为根据本发明可以利用这里所描述的相应的实施方式，从而大体上执行相同的功能或大体上获得相同的结果。相应地，所附权利要求旨在在其范围内包括这样工艺、机器、制造、物质的组成、手段、方法或者步骤。

Claims (20)

1.一种半导体装置，包括：
基板；
可移动电极；以及
对电极，其中，所述可移动电极或所述对电极包括第一区域和第二区域，其中，所述第一区域与所述第二区域隔离，其中，所述第一区域被配置为被调谐，其中，所述第二区域被配置为提供感测信号或控制***，以及其中，所述可移动电极和所述对电极机械地连接到所述基板。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一区域被设定为
调谐偏压V调谐，其中，所述第二区域被设定为感测偏压V感测。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一区域大体上包围所述第二区域。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第二区域的面积大体上大于所述第一区域的面积。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中，所述第一区域或所述第二区域包括多个电极。
6.一种MEMS结构，包括：
基板；
可移动电极；以及
对电极，所述对电极包括第一对电极区域和第二对电极区域，其中，所述第一对电极区域与所述第二对电极区域隔离，以及其中，所述对电极和所述可移动电极机械地连接至所述基板。
7.根据权利要求6所述的MEMS结构，其中，所述可移动电极包括第一可移动电极区域和第二可移动电极区域，其中，所述第一对电极区域对应于所述第一可移动电极区域，以及其中，所述第二对电极区域对应于所述第二可移动电极区域。
8.根据权利要求7所述的MEMS结构，其中，所述第一可移动电极区域和所述第一对电极区域被设定为调谐偏压V调谐，以及其中，所述第二可移动电极区域和所述第二对电极区域被设定为感测偏压V感 测。
9.根据权利要求7所述的MEMS结构，其中，所述第一可移动电极区域被设置为比所述第二可移动电极区域靠近所述对电极。
10.根据权利要求7所述的MEMS结构，其中，所述第二可移动电极区域被设置为比所述第一可移动电极靠近所述对电极区域。
11.根据权利要求6所述的MEMS结构，其中，所述基板被设定为调谐偏压V调谐，以及其中，所述对电极被设定为感测偏压V感测。
12.根据权利要求6所述的MEMS结构，其中，基板包括锯齿状边沿。
13.一种MEMS结构，包括：
半导体基板；
背板电极；以及
堆叠隔膜，包括第一隔膜和第二隔膜，
其中，所述堆叠隔膜和所述背板被机械地连接至所述半导体基板。
14.根据权利要求13所述的MEMS结构，其中，所述第一隔膜被设置在所述堆叠隔膜的中心区域，以及其中，所述第二隔膜被设置在所述堆叠隔膜的***区域。
15.根据权利要求13所述的MEMS结构，其中，所述第一隔膜的面积大于所述第二隔膜的面积。
16.根据权利要求13所述的MEMS结构，其中，所述第一隔膜部分覆盖所述第二隔膜。
17.根据权利要求13所述的MEMS结构，进一步包括介电层，以及其中，在所述堆叠隔膜的可移动部分中，所述介电层将所述第一隔膜机械地连接至所述第二隔膜。
18.根据权利要求13所述的MEMS结构，其中，所述第一隔膜被配置为提供感测信号，以及其中，所述第二隔膜被配置为被调谐。
19.根据权利要求18所述的MEMS结构，其中，所述第一隔膜比所述第二隔膜靠近所述背板电极。
20.根据权利要求13所述的MEMS结构，其中，所述第二隔膜比所述第一隔膜靠近所述背板。
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